THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION (“Numerical Models of the QBO ) parte 4

Modelli matematici e computazionali utilizzati per simulare e comprendere il fenomeno meteorologico chiamato “Quasi-Biennial Oscillation” (QBO)

One-dimensional models

Il testo descrive l’utilizzo di modelli unidimensionali per esplorare vari aspetti del comportamento della QBO (Quasi-Biennial Oscillation) nell’atmosfera terrestre. In questi modelli unidimensionali, i campi di vento e di onde sono funzioni dell’altezza solamente.

A volte, la semplificazione unidimensionale può essere giustificata, come nel lavoro di Holton e Lindzen (1972), attraverso l’integrazione delle equazioni dinamiche in latitudine per derivare equazioni di evoluzione per il flusso zonale (cioè la circolazione atmosferica nella direzione est-ovest) integrato in tutta la regione tropicale.

In sintesi, il testo spiega che i modelli unidimensionali, in cui i campi di vento e di onde dipendono solo dall’altezza, sono stati utilizzati per esaminare diversi aspetti del comportamento della QBO nell’atmosfera. In alcuni casi, la semplificazione unidimensionale può essere giustificata attraverso l’integrazione delle equazioni dinamiche in latitudine, come dimostrato dal lavoro di Holton e Lindzen (1972).

L’approccio unidimensionale, che considera solo l’altezza, è accettabile per le onde di Kelvin, un tipo di onda equatoriale. Le onde di Kelvin dipendono principalmente dal vento vicino all’equatore e generano un profilo semplice della forzante del flusso medio (ovvero l’effetto che le onde hanno sul flusso atmosferico medio).

Tuttavia, altre onde equatoriali, come le onde di Rossby e le onde miste di Rossby-gravità, sono significativamente influenzate dalla variazione del vento in funzione della latitudine (latitudinal shear) e producono profili più complessi della forzante del flusso medio. Questo è stato dimostrato da studi come quelli di Andrews e McIntyre (1976), Boyd (1978) e Dunkerton (1983a).

In sintesi, l’approccio unidimensionale basato sull’altezza è adeguato per studiare le onde di Kelvin, che dipendono principalmente dal vento vicino all’equatore e hanno un profilo semplice di forzante del flusso medio. Tuttavia, altre onde equatoriali sono influenzate dalla variazione del vento in funzione della latitudine e generano profili più complessi, rendendo l’approccio unidimensionale meno appropriato per studiarle.

Le onde di gravità ad alta frequenza si propagano principalmente in direzione verticale e la loro interazione con il flusso medio atmosferico può essere descritta più facilmente in un modello unidimensionale (1-D). Tuttavia, la dipendenza latitudinale delle sorgenti di queste onde è importante a causa della distribuzione variabile in funzione della stagione della convezione tropicale, come evidenziato da Allen e Vincent (1995).

Il testo sottolinea che l’utilità dei modelli 1-D è limitata e che il loro valore risiede nella loro semplicità piuttosto che nel loro realismo. Ad esempio, Plumb (1977) ha preso in considerazione onde di gravità non-rotanti per dimostrare alcune proprietà di base del comportamento della QBO.

In sintesi, il passaggio spiega che le onde di gravità ad alta frequenza si propagano principalmente verticalmente e che la loro interazione con il flusso medio atmosferico può essere descritta più facilmente in un modello 1-D. Tuttavia, a causa di varie ragioni, l’utilità di questi modelli è limitata e il loro valore risiede nella semplicità piuttosto che nel realismo.

I modelli unidimensionali (1-D) sono stati utilizzati per indagare vari aspetti della forzante delle onde nella QBO, tra cui:

1. L’effetto dell’ammortamento radiativo dipendente dalla scala delle onde (Hamilton, 1981).
2. Gli effetti delle onde di Rossby che si propagano lateralmente (Dunkerton, 1983b).
3. Gli effetti dell’auto-accelerazione della velocità di fase delle onde e della saturazione delle onde (Tanaka e Yoshizawa, 1987).
4. L’ascensione della circolazione tropicale di Hadley (Saravanan, 1990).
5. Le variazioni interannuali della forzante (Geller et al., 1997).

Inoltre, i modelli unidimensionali sono utili anche per interpretare i risultati di modelli più complessi bidimensionali (2-D) o tridimensionali (3-D) (Dunkerton, 1997).

In sintesi, il testo afferma che i modelli unidimensionali sono stati utilizzati per studiare vari aspetti della forzante delle onde nella QBO e sono utili per interpretare i risultati di modelli più complessi.

3.3.2. Two-dimensional models.

I modelli che rappresentano solo variazioni latitudinali e verticali possano essere utilizzati per analizzare diversi aspetti importanti del comportamento della QBO (Quasi-Biennial Oscillation, ovvero l’Oscillazione Quasi-Biennale). La QBO è un fenomeno meteorologico che riguarda i venti equatoriali nella stratosfera e ha un impatto significativo sulla circolazione atmosferica globale.

In pratica il testo afferma che questi modelli possono essere utilizzati non solo per studiare la struttura latitudinale della QBO, ma anche per esaminare questioni più ampie, come l’interazione della QBO con il ciclo annuale e l’effetto della QBO sulla distribuzione dei traccianti atmosferici. Questi argomenti verranno discussi più in dettaglio nella sezione 5 del testo a cui si fa riferimento.

Il passo seguente descrive la prima analisi dettagliata di un modello bidimensionale (2-D) della struttura latitudinale della QBO, che include anche la circolazione meridionale media. Questa analisi è stata condotta da Plumb e Bell nel 1982. Nel loro modello, gli autori hanno ipotizzato che i flussi di momento delle onde fossero dovuti a onde di Kelvin equatoriali e onde di Rossby-gravity.

Per calcolare il campo del vento in un dato istante, Plumb e Bell hanno determinato la struttura in altezza e latitudine delle onde basandosi su un calcolo lineare e in regime stazionario, come descritto nel loro studio del 1982. In questo modo, hanno potuto analizzare l’interazione tra queste onde e la circolazione atmosferica, contribuendo alla comprensione della struttura latitudinale della QBO e del suo impatto sulla circolazione meridionale media. Di seguito viene descritto come Plumb e Bell abbiano utilizzato i flussi di momento e calore per forzare le equazioni dinamiche simmetriche in longitudine, incluse quelle del termine di raffreddamento newtoniano che rappresenta l’ammortimento termico. La struttura delle onde veniva ricalcolata ad ogni passo temporale nel modello.

Il tentativo di Plumb e Bell di simulare la QBO in questo modo è stato in gran parte riuscito, sebbene ci fossero delle limitazioni. In particolare, il loro modello era limitato a casi in cui l’ampiezza dell’oscillazione era solo circa la metà di quella osservata nella realtà.

Successivamente, Dunkerton (1985) e Takahashi (1987) hanno adottato strategie diverse per calcolare i flussi di momento delle onde e sono riusciti a simulare oscillazioni con ampiezze più realistiche. Ciò ha permesso di ottenere una rappresentazione più accurata della QBO e dei suoi effetti sull’atmosfera.

i modelli mostrano esplicitamente che la circolazione meridionale anomala nella QBO consiste in un movimento discendente all’equatore nelle zone di cisalimento (westerly shear zones) e un movimento ascendente nelle zone di anticisalimento (easterly shear zones).

Nelle zone di cisalimento, l’equazione del vento termico (1b) implica che vi sia un massimo di temperatura all’equatore, mantenuto contro l’ammortimento termico grazie al riscaldamento adiabatico dovuto al movimento discendente dell’aria. Il contrario avviene nelle zone di anticisalimento.

Il passo descrive quindi come il modello 2-D sia in grado di rappresentare schematicamente il modello di zone di cisalimento e anticisalimento e delle relative circolazioni meridionali, come mostrato nella Figura 13 del testo a cui si fa riferimento. In sintesi, i modelli bidimensionali aiutano a comprendere come la circolazione meridionale anomala della QBO sia influenzata dalle zone di cisalimento e anticisalimento e dai processi termici associati.

i modelli precedentemente citati erano focalizzati sulle regioni equatoriali e non includevano un ciclo stagionale realistico dei venti o delle temperature. Gray e Pyle (1989) sono riusciti a ottenere una QBO realistica in un modello radiativo-dinamico completo (che quindi aveva un ciclo stagionale realistico) solo aumentando il forcing del momento d’onda parametrizzato di un fattore 3 maggiore rispetto a quanto poteva essere giustificato solamente dalle onde di Kelvin e Rossby-gravity.

Questo forcing aggiuntivo, ora ritenuto dovuto alle onde di gravità e alle onde di inerzia-gravità, era necessario affinché i regimi di vento della QBO si propagassero verso il basso nonostante l’upwelling climatologico (movimento ascendente dell’aria) nei tropici, come indicato da Dunkerton (1997). In altre parole, per ottenere una simulazione realistica della QBO, era necessario considerare ulteriori forzanti oltre a quelle delle onde di Kelvin e Rossby-gravity, che si pensa siano attribuibili alle onde di gravità e inerzia-gravità.

Mengel et al. (1995) hanno ottenuto un’oscillazione simile alla QBO in un modello bidimensionale (2-D) dell’atmosfera media, nel quale il trasporto di momento turbolento era dovuto esclusivamente alla parametrizzazione delle onde di gravità di Hines (1997). Sebbene la QBO simulata in questo modello fosse debole e sensibile alla diffusione verticale, l’abilità sorprendente della parametrizzazione nel riprodurre l’intera struttura delle fasi delle oscillazioni equatoriali osservate (Burrage et al., 1996) sottolinea l’importanza delle onde di gravità.

Queste onde di gravità hanno una vasta gamma di velocità di fase e la loro ampiezza aumenta con l’altezza. Il risultato ottenuto da Mengel et al. mostra che la parametrizzazione delle onde di gravità può contribuire in modo significativo alla riproduzione delle caratteristiche della QBO nei modelli atmosferici, anche se la simulazione risultante può essere sensibile a fattori come la diffusione verticale.

Le simulazioni bidimensionali (2-D) di Gray e Pyle (1989) hanno dimostrato che l’influenza della QBO si estende a tutte le latitudini. Ad esempio, la circolazione QBO con movimenti ascendenti o discendenti all’equatore viene compensata da una circolazione opposta al di fuori dell’equatore. Questo genera un’anomalia di temperatura nelle regioni subtropicali e a medie latitudini di segno opposto rispetto a quella all’equatore (si veda anche Plumb e Bell [1982b] e Dunkerton [1985]).

In sostanza, le simulazioni hanno mostrato che la QBO non si limita a influenzare solo le regioni equatoriali, ma ha anche un impatto sulle zone subtropicali e a medie latitudini. Questo è dovuto alla presenza di circolazioni opposte che si sviluppano al di fuori dell’equatore come meccanismo di compensazione per i movimenti ascendenti e discendenti associati alla QBO all’equatore. Inoltre viene descritto come esista anche un’asimmetria significativa tra emisferi riguardo al momento e all’ampiezza delle anomalie subtropicali, a causa dell’interazione tra la QBO e il ciclo stagionale (Gray e Dunkerton, 1990). La velocità meridionale indotta dalla QBO nell’emisfero invernale e, di conseguenza, la velocità verticale nell’emisfero subtropicale invernale, sono notevolmente maggiori rispetto a quelle nell’emisfero estivo, in particolare al di sopra dei 25 km circa (Jones et al., 1998; Kinnersley, 1999). Questo è probabilmente dovuto in parte ai gradienti asimmetrici del momento angolare subtropicale durante i solstizi.

In sintesi, l’interazione tra la QBO e il ciclo stagionale porta a un’asimmetria tra gli emisferi nelle anomalie subtropicali in termini di tempistica e ampiezza. Ciò è rilevante soprattutto nella regione subtropicale dell’emisfero invernale, dove si osservano velocità meridionali e verticali maggiori rispetto all’emisfero estivo, a causa delle caratteristiche asimmetriche del momento angolare subtropicale.

La circolazione meridionale influisce sui traccianti chimici, come l’ozono, e genera segnali QBO significativi in tali traccianti a tutte le latitudini, con una notevole asimmetria tra emisferi (vedi sezione 5). Tuttavia, potrebbe esserci anche un feedback significativo della QBO dell’ozono sulla dinamica della QBO stessa, poiché le variazioni dell’ozono hanno implicazioni radiative e, in particolare, hanno un effetto diretto sul riscaldamento a onde corte.

In altre parole, la QBO non solo influisce sulla distribuzione dei traccianti chimici, come l’ozono, ma le variazioni dell’ozono possono a loro volta avere un impatto sulla dinamica della QBO. Questo avviene perché le modifiche nella concentrazione di ozono possono influenzare il bilancio radiativo dell’atmosfera e, di conseguenza, il riscaldamento a onde corte, che può avere un effetto sulle dinamiche atmosferiche associate alla QBO.

L’effetto dell’inclusione dell’accoppiamento tra le anomalie dell’ozono-QBO e i tassi di riscaldamento tende a ridurre il tasso di riscaldamento che altrimenti sarebbe calcolato a partire da una determinata anomalia di temperatura nella bassa stratosfera (Hasebe, 1994; Li et al., 1995; Kinnersley e Pawson, 1996; Randel et al., 1999). Hasebe (1994) sostiene che questo effetto debba essere preso in considerazione al fine di spiegare la relazione di fase osservata nella bassa stratosfera tra i segnali QBO nell’ozono e nel vento.

Nella stratosfera superiore, il riscaldamento dell’ozono aumenta la velocità verticale della QBO. In sostanza, considerare l’accoppiamento tra le anomalie dell’ozono-QBO e i tassi di riscaldamento è importante per comprendere le relazioni tra le variazioni dell’ozono e la dinamica della QBO nell’atmosfera. Questo accoppiamento ha un impatto sui tassi di riscaldamento e può influenzare la relazione di fase tra i segnali QBO nell’ozono e nel vento, specialmente nella bassa stratosfera, mentre nella stratosfera superiore, il riscaldamento dell’ozono potenzia la velocità verticale della QBO.

Plumb e Bell (1982b) hanno osservato che gli effetti advettivi della circolazione meridionale possono spiegare l’asimmetria osservata nella discesa dei venti di est (easterlies) e di ovest (westerlies), senza bisogno di alcuna asimmetria nelle onde che forniscono i flussi di momento easterly e westerly. L’advezione verso il basso del momento associato alla zona di shear westerly potenzia la discesa dei westerlies, mentre l’advezione verso l’alto del momento associato allo shear easterly inibisce la discesa degli easterlies.

Un ulteriore effetto advettivo, poiché le velocità verticali sono maggiori vicino all’equatore, è quello di restringere latitudinalmente la regione di accelerazione westerly più intensa e di allargare quella di accelerazione easterly più intensa (Hamilton, 1984; Dunkerton e Delisi, 1985; Dunkerton, 1985; Takahashi, 1987; Dunkerton, 1991a).

In sintesi, gli effetti advettivi della circolazione meridionale possono spiegare l’asimmetria tra la discesa dei venti easterly e westerly nella QBO, indipendentemente dall’asimmetria delle onde che forniscono il momento. Questi effetti advettivi hanno anche un impatto sulla distribuzione latitudinale delle regioni di accelerazione easterly e westerly.

3.3.3. Three-dimensional models

In questo contesto, si sta discutendo dei modelli 1-D (unidimensionali) e 2-D (bidimensionali) usati per studiare e prevedere la Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), un fenomeno atmosferico che coinvolge i venti equatoriali nella stratosfera. Questi modelli richiedono la parametrizzazione delle onde che influenzano la QBO.

Tuttavia, nei modelli tridimensionali (3-D), le onde possono essere simulate esplicitamente senza dover ricorrere a semplificazioni o ipotesi che permettono la parametrizzazione. Questo è un vantaggio rispetto ai modelli 1-D e 2-D.

Nel caso dei “modelli meccanicistici”, le onde vengono forzate artificialmente, ad esempio attraverso l’imposizione di campi di riscaldamento o perturbazioni al limite inferiore. Questo significa che gli scienziati impongono manualmente determinate condizioni al modello, al fine di generare le onde e studiare il loro effetto sulla QBO. In questo modo, è possibile analizzare le relazioni causali e le dinamiche del fenomeno in esame in modo più dettagliato e preciso.

Il passaggio che vado ad esporre descrive un problema specifico in cui i modelli meccanicistici hanno fornito intuizioni importanti riguardo all’oscillazione quasi-biennale (QBO) equatoriale. In particolare, si chiede se la forzatura del momento angolare di tipo esterly necessaria per spiegare la QBO possa essere fornita interamente dalle onde di Rossby-gravity.

Uno studio del 1992 di Takahashi e Boville ha utilizzato un modello meccanicistico 3-D per simulare la QBO nella stratosfera inferiore, forzando una onda di Kelvin e una onda di Rossby-gravity al limite inferiore del modello. La simulazione ha prodotto una buona rappresentazione della QBO nella stratosfera inferiore. Tuttavia, le ampiezze dell’onda di Kelvin e, in particolare, dell’onda di Rossby-gravity erano notevolmente più forti rispetto ai valori osservati.

Questo risultato ha contribuito a rafforzare l’evidenza che sia necessario un spettro molto più ampio di onde per spiegare completamente la QBO. In altre parole, le onde di Rossby-gravity da sole potrebbero non essere sufficienti per fornire tutta la forzatura del momento angolare esterly necessaria per spiegare la QBO equatoriale, e altre onde atmosferiche potrebbero essere coinvolte nel processo.

Nei modelli di circolazione generale (GCM), le onde vengono generate spontaneamente all’interno del modello, anche se ciò non significa necessariamente che i processi di generazione siano realistici. Per diverse ragioni, la capacità di simulare una QBO realistica è un requisito rigoroso per un GCM.

In primo luogo, il grande contributo apparente della QBO alla variabilità interannuale nell’intera atmosfera media, non solo alle basse latitudini (come menzionato nella sezione 4), implica che, in ultima analisi, se un GCM che include l’atmosfera media deve essere considerato realistico, deve rappresentare la QBO.

In secondo luogo, poiché si ritiene che la QBO sia parzialmente guidata da onde eccitate dalla convezione cumuliforme (su una vasta gamma di scale), la capacità o incapacità di un modello di simulare la QBO potrebbe avere anche implicazioni per la circolazione troposferica tropicale simulata.

In sintesi, la capacità di un modello di circolazione generale (GCM) di simulare una QBO realistica è fondamentale per valutare la sua accuratezza nel rappresentare l’atmosfera media e la circolazione troposferica tropicale. Un GCM che non riesce a simulare correttamente la QBO potrebbe non essere in grado di fornire previsioni affidabili riguardo alle dinamiche atmosferiche in queste regioni.

Fino a poco tempo fa, nessun GCM era riuscito a simulare con successo la QBO (o un’oscillazione analoga a lungo periodo, guidata dalle onde e simile alla QBO), anche se i GCM includevano onde di Kelvin e Rossby-gravity di ampiezza realistica (Community Climate Model, Version 2 (CCM2) [Boville e Randel, 1992] o SKYHI [Hayashi e Golder, 1994]). La simulazione della QBO pone chiaramente requisiti impegnativi su un GCM. In questo passaggio, si presenta una panoramica delle simulazioni di successo e si discutono le caratteristiche principali su cui dipende una simulazione di successo.

La prima simulazione realistica della QBO in un GCM è stata realizzata da Takahashi nel 1996. Ha utilizzato il GCM del Center for Climate System Research/National Institute of Environmental Studies (CCSR/NIES) con una risoluzione orizzontale di T21 (troncamento triangolare al numero d’onda totale 21, equivalente a una spaziatura della griglia di circa 600 km, o 5 1/2 gradi di latitudine) e una spaziatura della griglia verticale di 500 m nella stratosfera. Questa elevata risoluzione verticale ha permesso alle onde con lunghezza d’onda verticale ridotta di propagarsi verticalmente e interagire con il flusso medio; la maggior parte dei GCM precedenti aveva una spaziatura della griglia verticale di 2 km o più nella stratosfera.

In sostanza, la simulazione di successo della QBO da parte di Takahashi nel 1996 ha dimostrato l’importanza di avere una risoluzione verticale più fine nel GCM, permettendo alle onde di interagire con il flusso medio e contribuendo così alla simulazione realistica dell’oscillazione.

Tutti i GCM, per motivi numerici, includono una sorta di diffusione orizzontale o un suo equivalente. In questo caso, per ottenere una QBO, è stato necessario ridurre anche il coefficiente della diffusione orizzontale di quarto ordine di un ordine di grandezza rispetto al suo valore standard. Il modello ha quindi prodotto un’oscillazione simile alla QBO con un periodo di 1,5 anni. Altre simulazioni sono state realizzate da Horinouchi e Yoden [1998] (GCM aquaplanet, periodo di 1,1 anni); Hamilton et al. [1999] (SKYHI, periodo di 1 anno); e Untch [1998] (Centro Europeo per le Previsioni Meteorologiche a Medio Termine (ECMWF), periodo realistico). La Plate 5 mostra la simulazione più realistica fino ad oggi [Takahashi, 1999], con un periodo di 2,3 anni, utilizzando una risoluzione orizzontale di T42. Il coefficiente di diffusione orizzontale doveva essere ridotto di un fattore 4 rispetto al suo valore standard.

In sintesi, per ottenere una simulazione realistica della QBO nei GCM, è stato necessario apportare modifiche sia alla risoluzione verticale che alla diffusione orizzontale. La combinazione di una maggiore risoluzione verticale e di una riduzione del coefficiente di diffusione orizzontale ha permesso di ottenere una QBO più realistica in vari modelli, sebbene con periodi leggermente diversi.

Sebbene diversi GCM abbiano prodotto simulazioni della QBO, non esiste un semplice insieme di criteri che garantisca una simulazione di successo. Le simulazioni realistiche sono difficili e richiedono tempo, poiché dipendono dalla sottile interazione di diversi fattori. La simulazione di una QBO in un GCM richiede una risoluzione verticale fine nella stratosfera, un piccolo coefficiente di diffusione, una risoluzione orizzontale da moderata ad alta e uno schema di convezione che generi onde sufficienti per guidare la QBO.

La spaziatura della griglia verticale nella stratosfera deve essere sufficiente per risolvere le onde e la loro interazione con il flusso medio. I valori utilizzati nelle simulazioni della QBO variano da 500 m [Takahashi, 1996] a 1500 m [Untch, 1998].

In sintesi, non esiste una formula semplice per garantire una simulazione di successo della QBO nei GCM. Tuttavia, alcuni fattori chiave che influenzano la qualità delle simulazioni includono la risoluzione verticale nella stratosfera, il coefficiente di diffusione, la risoluzione orizzontale e uno schema di convezione adeguato. La combinazione ottimale di questi fattori può variare tra i diversi modelli, e trovare il giusto equilibrio tra di essi è una sfida che richiede tempo e sperimentazione.

Una risoluzione orizzontale elevata non è sempre necessaria. La simulazione di Takahashi [1996] ha utilizzato una risoluzione orizzontale di soli T21. In una simulazione T63, Untch [1998] ha scoperto che una QBO si sviluppava, ma poi scompariva a causa di una deriva zonale a lungo termine verso ovest nella stratosfera superiore. La deriva è stata eliminata e la QBO è persistita in una simulazione T159. Hamilton et al. [1999] hanno scoperto che era necessaria una risoluzione orizzontale di 2,8° x 2,4°.

Lo sviluppo di un’oscillazione può essere impedito dalla diffusione orizzontale che appiana la struttura meridionale del flusso zonale. Tutte le simulazioni di successo della QBO hanno tempi di diffusione più lunghi rispetto al periodo dell’oscillazione simil-QBO simulata. Anche le onde che si propagano verso l’alto nella stratosfera sono smorzate dalla diffusione. Takahashi [1996] ha dimostrato che una diminuzione del coefficiente di diffusione aumentava la potenza delle onde nella stratosfera, mentre aveva scarso effetto sulla troposfera.

In sintesi, una risoluzione orizzontale elevata non è sempre necessaria per simulare con successo la QBO nei GCM. Tuttavia, la risoluzione orizzontale influisce sulla simulazione e, in alcuni casi, risoluzioni più elevate possono essere necessarie per ottenere una QBO persistente e realistica. Inoltre, la diffusione orizzontale può influire sulla struttura del flusso zonale e sulle onde che si propagano nella stratosfera. Ridurre il coefficiente di diffusione può migliorare la simulazione delle onde nella stratosfera e, di conseguenza, la simulazione della QBO.

Questo passaggio discute i risultati di vari studi e simulazioni condotti per comprendere meglio i meccanismi di forzatura alla base dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) nell’atmosfera terrestre. La QBO è un modello alternante di venti est e ovest che si verifica nella stratosfera equatoriale e influisce sul clima globale.

Nelle simulazioni, come nella vera atmosfera, un ampio spettro di onde sembra fornire la forzatura necessaria. Ad esempio, Takahashi et al. (1997) hanno suggerito che l’accelerazione esterly del modello QBO era dovuta alle onde di gravità e alle onde di Rossby provenienti dall’inverno dell’emisfero nord (NH), nonché alle onde Rossby-gravità. Al contrario, l’accelerazione westerly era dovuta alle onde di Kelvin e di gravità. Nel modello Takahashi (1999), invece, le onde di gravità erano la forzatura dominante per il QBO.

Horinouchi e Yoden (1998) hanno effettuato un’analisi approfondita delle onde. La distribuzione di frequenza del flusso di momento e la sua grandezza erano approssimativamente coerenti con le stime osservative di Sato e Dunkerton (1997) per Singapore. In particolare, le onde di Kelvin e Rossby-gravità hanno svolto un ruolo minore nella forzatura del QBO.

La sorgente troposferica delle onde è dominata dal rilascio di calore latente dovuto alla convezione cumuliforme, che è una caratteristica cruciale. Poiché la maggior parte dei GCM riproduce approssimativamente la precipitazione media climatologica, i componenti a bassa frequenza del riscaldamento latente saranno simili. Tuttavia, le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme, che sono importanti per l’eccitazione delle onde, differiscono notevolmente tra i modelli.

Tutte le simulazioni di QBO di successo hanno utilizzato lo schema di aggiustamento convettivo umido, ad eccezione del modello di Untch (1998), che ha utilizzato lo schema di Tiedtke (1989). Lo schema di aggiustamento convettivo umido tende a produrre convezione cumuliforme intermittente su scala di griglia. Anche il modello T21 di Takahashi (1996) ha prodotto un’oscillazione simile al QBO quando lo schema è stato sostituito dallo schema prognostico di Arakawa-Schubert (Nagashima et al., 1998), che tende anche a produrre impulsi di riscaldamento transitorio su scala di griglia. Tuttavia, alcune parametrizzazioni cumuliformi producono poca convezione cumuliforme transitoria.

Ad esempio, la convezione dovuta allo schema di Zhang e McFarlane (1995) nel CCM3 del National Center for Atmospheric Research (NCAR), che non ha simulato con successo il QBO, produce un flusso di momento verso la stratosfera piuttosto debole, nonostante la precipitazione media temporale sia realistica.

Un altro fattore che potrebbe influenzare la capacità di un modello di circolazione generale (GCM) di simulare una QBO potrebbe essere l upwelling tropicale dovuto alla circolazione di Brewer-Dobson. Come notato nella sezione 3.3.1, un forte upwelling tende a rallentare la discesa del QBO.

Nel modello di Takahashi (1999), che aveva un periodo realistico, l’upwelling era leggermente più debole rispetto alle stime osservative di Mote et al. (1996). I modelli di Takahashi (1996) e Horinouchi e Yoden (1998), che avevano periodi più brevi, avevano un upwelling irrealisticamente debole.

È possibile che, in alcuni modelli, un upwelling irrealisticamente forte possa impedire la simulazione di una QBO, mentre in altri modelli, un upwelling irrealisticamente debole possa risultare in un periodo QBO più breve di quello osservato. In sostanza, l’upwelling tropicale dovuto alla circolazione di Brewer-Dobson può influire sulla capacità di un GCM di simulare accuratamente il QBO e il suo periodo.

Per ultimo, in questo passaggio, vengono evidenziati i fattori più importanti nella riproduzione del QBO nei modelli di circolazione generale (GCM). Il fattore principale è probabilmente l’uso di una risoluzione verticale fine per risolvere le onde di gravità equatoriali. La diffusione orizzontale dovrebbe essere abbastanza debole da non impedire l’evoluzione dell’oscillazione del flusso medio e da non essere il meccanismo di smorzamento primario per le onde.

Le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme tropicale sono anche importanti poiché determinano l’eccitazione delle onde. Nonostante i recenti successi, quei modelli che riproducono il QBO potrebbero avere una convezione cumuliforme eccessivamente attiva e quindi un’ampiezza eccessivamente grande delle onde di gravità con scale risolte. Pertanto, potrebbe essere necessaria una parametrizzazione delle onde di gravità su scala subgrid dovute alla convezione, integrando la forzatura dovuta alle onde risolte, al fine di produrre un QBO con lo stesso spettro di onde che lo guidano nella vera atmosfera.

In sintesi, per riprodurre con successo il QBO nei modelli, è fondamentale considerare una risoluzione verticale fine, una diffusione orizzontale debole e le caratteristiche transitorie della convezione cumuliforme tropicale. Potrebbe essere necessario anche introdurre una parametrizzazione delle onde di gravità su scala subgrid per ottenere un QBO più realistico e simile a quello presente nell’atmosfera reale.

La “Plate 5” si riferisce a un’immagine o a un grafico che mostra una sezione tempo-altezza del vento zonale medio zonale sull’equatore simulato da Takahashi (1999). Questa immagine aiuta a visualizzare i cambiamenti del vento zonale nel tempo e in altezza.

Il grafico copre un periodo di tempo che va dal giorno 0 (1 gennaio, con un anno modello di 360 giorni) al giorno 1830. L’intervallo di contorno è di 6 m/s. L’ombreggiatura rossa e blu rappresenta rispettivamente i venti di ponente (westerly) e di levante (easterly).

In sintesi, la “Plate 5” mostra l’evoluzione del vento zonale medio zonale sull’equatore nel corso del tempo e in altezza nella simulazione di Takahashi (1999), con venti di ponente in rosso e venti di levante in blu.