THE QUASI-BIENNIAL OSCILLATION (parte 3) Waves in the Tropical Lower Stratosphere

Il passaggio fornisce informazioni sulle onde che influenzano la QBO (Quasi-Biennial Oscillation, Oscillazione Quasi-Biennale), un fenomeno atmosferico che si verifica nelle regioni tropicali. La QBO è caratterizzata da un cambiamento periodico della direzione dei venti nella stratosfera equatoriale e ha un impatto sulla circolazione atmosferica globale. Le onde menzionate nel testo, come le onde di Kelvin, Rossby-gravity, inertia-gravity e le onde di gravità di scala più piccola, sono tipi di onde atmosferiche che influenzano il trasporto di energia e momento nella troposfera e nella stratosfera. Queste onde contribuiscono alla QBO, fornendo il flusso di momento necessario per guidare il fenomeno. Dunkerton (1997) si riferisce a uno studio o un documento che supporta questa affermazione, indicando che, basandosi sulle osservazioni delle ampiezze delle onde, si ritiene che la combinazione di queste onde sia responsabile della maggior parte del flusso di momento necessario per guidare la QBO.

Questo passaggio descrive come le onde menzionate in precedenza abbiano origine nella troposfera tropicale e interagiscano con la QBO attraverso la propagazione verticale. La convezione, ovvero il processo di trasporto di calore attraverso il movimento di masse di fluido (come l’aria), svolge un ruolo significativo nella generazione di queste onde tropicali.

Le modalità (o modi) di queste onde si formano attraverso propagazione laterale, rifrazione e riflessione all’interno di una “waveguide” equatoriale, ovvero una regione dell’atmosfera in cui le onde si propagano preferenzialmente. L’estensione orizzontale di questa waveguide dipende dalle proprietà delle onde stesse, come ad esempio i punti di svolta (turning points) in cui la frequenza intrinseca delle onde è uguale alla frequenza inerziale locale. La frequenza inerziale è un parametro che caratterizza la forza di Coriolis, ovvero la forza apparente dovuta alla rotazione della Terra, e influenza il comportamento delle onde atmosferiche. In sintesi, viene descritto come le onde atmosferiche si generino nella troposfera tropicale, principalmente a causa della convezione, e come queste onde si propaghino e interagiscano con la QBO attraverso vari processi, come la propagazione laterale, la rifrazione e la riflessione all’interno di una waveguide equatoriale. Alcune onde che si propagano verso l’equatore e che hanno origine al di fuori delle regioni tropicali, come le onde di Rossby planetarie provenienti dall’emisfero invernale, potrebbero avere un certo impatto sui livelli superiori della QBO, come indicato da Ortland (1997). Le onde di Rossby planetarie sono onde atmosferiche di larga scala che si formano principalmente a causa della rotazione della Terra e influenzano la circolazione generale dell’atmosfera.Tuttavia, il testo evidenzia anche che la regione inferiore della QBO (situata a circa 20-23 km di altitudine) vicino all’equatore è relativamente ben protetta dall’intrusione di queste onde extratropicali planetarie, come suggerito da O’Sullivan (1997). Ciò significa che l’effetto delle onde extratropicali sulla QBO è limitato principalmente ai livelli superiori, mentre la regione inferiore rimane relativamente isolata da queste influenze.

Di seguito vengono descritte le caratteristiche delle onde verticali che influenzano la QBO. In particolare, si distinguono due tipi di onde:

1. Onde con lenta propagazione verticale del gruppo: queste onde subiscono un assorbimento dovuto all’ammortamento radiativo o meccanico, il che significa che il loro momento viene depositato alle altitudini della QBO. L’ammortamento radiativo è legato alla dissipazione dell’energia dell’onda attraverso l’interazione con la radiazione, mentre l’ammortamento meccanico è dovuto alla dissipazione dell’energia dell’onda attraverso processi meccanici, come la turbolenza atmosferica.
2. Onde con rapida propagazione verticale del gruppo: queste onde raggiungono un “livello critico” che si trova all’interno dell’intervallo delle velocità del vento della QBO.

L’altezza a cui il momento viene depositato dipende dalla velocità verticale del gruppo, supponendo (a scopo di discussione) che il tasso di ammortamento per unità di tempo sia indipendente dalle proprietà dell’onda. Le onde con propagazione del gruppo molto lenta sono confinate entro pochi chilometri dalla tropopausa, come indicato da Li et al. (1997).

D’altra parte, le onde con una rapida velocità verticale del gruppo e con velocità di fase al di fuori dell’intervallo delle velocità del vento della QBO si propagano più o meno in modo trasparente attraverso la QBO. In altre parole, queste onde non vengono significativamente influenzate dalla presenza della QBO e possono continuare a propagarsi verticalmente attraverso l’atmosfera.

Il passaggio sottolinea come le onde a lungo periodo tendono a dominare gli spettri del vento orizzontale e della temperatura. Tuttavia, le onde ad alta frequenza contribuiscono maggiormente ai flussi di momento rispetto a quanto ci si potrebbe aspettare considerando solo la temperatura.

Le onde rilevanti per la QBO possono essere organizzate in tre categorie:

1. Onde di Kelvin e Rossby-gravity: queste onde sono intrappolate equatorialmente, con periodi di circa 3 giorni, numeri d’onda tra 1 e 4 (lunghezze d’onda zonali di circa 10.000 km). Le onde di Kelvin sono onde atmosferiche che si propagano longitudinalmente lungo l’equatore, mentre le Rossby-gravity sono una combinazione di onde di Rossby e onde di gravità, anch’esse confinate nelle regioni equatoriali.
2. Onde di inerzia-gravità: queste onde possono essere o meno intrappolate equatorialmente, con periodi compresi tra 1 e 3 giorni, numeri d’onda tra 4 e 40 (lunghezze d’onda zonali tra 1.000 e 10.000 km). Le onde di inerzia-gravità sono onde atmosferiche che combinano gli effetti della forza di gravità e della forza di Coriolis.
3. Onde di gravità: queste onde hanno periodi inferiori a 1 giorno, numeri d’onda superiori a 40 (lunghezze d’onda zonali tra 10 e 1.000 km) e si propagano rapidamente in verticale. Le onde di gravità sono generate da disturbi atmosferici, come la convezione, e si propagano principalmente a causa della forza di gravità che agisce come forza di richiamo.

In sintesi, il testo classifica le onde rilevanti per la QBO in base alle loro caratteristiche spaziali e temporali, evidenziando come le onde a più alta frequenza abbiano un impatto maggiore sui flussi di momento rispetto a quanto suggerirebbe la considerazione della sola temperatura.

Le onde con lunghezze d’onda orizzontali molto corte (inferiori a 10 km) tendono ad essere intrappolate verticalmente a livelli troposferici vicino all’altitudine in cui sono generate e non si ritiene che abbiano un ruolo significativo nella dinamica dell’atmosfera media (cioè nella stratosfera e nella mesosfera).

Questo significa che, sebbene queste onde a breve lunghezza d’onda possano essere presenti nell’atmosfera, il loro impatto sulle dinamiche atmosferiche di più ampio respiro, come la QBO, è limitato. Ciò può essere dovuto al fatto che queste onde siano intrappolate nei livelli troposferici o alla loro rapida dissipazione a causa dell’ammortamento radiativo o meccanico. In ogni caso, le onde con lunghezze d’onda orizzontali molto corte non sono considerate un fattore chiave nella dinamica dell’atmosfera media.

Le osservazioni esaminate suggeriscono che le onde ad alta e media frequenza contribuiscano a guidare la QBO. Tuttavia, permangono incertezze riguardo allo spettro del flusso di momento delle onde, in particolare riguardo ai valori reali del flusso e al contributo relativo delle varie parti dello spettro. Sebbene il flusso di momento nelle onde di mesoscala sia localmente molto grande, è necessario conoscere la distribuzione spaziale e temporale di queste onde per valutare il loro ruolo nella QBO. Le onde di mesoscala si riferiscono a fenomeni atmosferici con dimensioni spaziali comprese tra la scala sinottica (centinaia o migliaia di chilometri) e la scala micro (metri o decine di metri). In sostanza, il testo sottolinea che, sebbene le onde ad alta e media frequenza sembrino svolgere un ruolo nella guida della QBO, sono necessarie ulteriori informazioni sulla distribuzione spaziale e temporale di queste onde e sulla loro effettiva quantità di flusso di momento per comprendere appieno il loro impatto sulla QBO.

Tuttavia le osservazioni disponibili non sono sufficienti per determinare con precisione il ruolo delle onde ad alta e media frequenza nella QBO. Per le onde di scala intermedia, non è chiaro quale frazione di queste onde sia rilevante per la QBO senza una stima più precisa delle loro velocità di fase, struttura modale e caratteristiche di assorbimento.

I radiosondaggi effettuati due volte al giorno forniscono un’immagine accurata della struttura verticale, ma hanno una copertura orizzontale e temporale scarsa. La loro descrizione della struttura orizzontale non è adeguata e potrebbe verificarsi un aliasing temporale, ovvero un’errata identificazione delle frequenze delle onde a causa della scarsa risoluzione temporale delle misurazioni.

In sintesi, il testo sottolinea la necessità di ottenere osservazioni più dettagliate e precise per comprendere appieno l’importanza delle onde ad alta e media frequenza nella QBO. Le osservazioni attualmente disponibili, come i radiosondaggi, non sono sufficienti per fornire una comprensione chiara delle caratteristiche e del ruolo di queste onde nella dinamica della QBO.

La QBO, in linea di principio, dipende dalla forzante delle onde proveniente dall’intera fascia tropicale. Tuttavia, la rete di osservazioni può campionare solo una piccola frazione dell’area orizzontale e del tempo. Di conseguenza, non è chiaro come tradurre le informazioni ottenute dalle osservazioni locali delle onde di scala intermedia e piccola in una stima utile della forzante delle onde sulla QBO su scala globale. In definitiva, le osservazioni satellitari forniranno la copertura necessaria nello spazio e nel tempo per superare queste limitazioni. I satelliti sono in grado di monitorare l’intera atmosfera terrestre, offrendo una visione globale e continua delle onde atmosferiche e delle loro caratteristiche. Ciò consentirà agli scienziati di comprendere meglio il ruolo delle onde ad alta e media frequenza nella QBO e di quantificare il loro impatto sulla dinamica dell’atmosfera su scala globale.

3.2.1. Kelvin and Rossby-gravity waves.

Le onde di Kelvin e Rossby-gravity sono state rilevate utilizzando dati osservativi dei radiosondaggi da Yanai e Maruyama (1966) e Wallace e Kousky (1968b). Queste scoperte sono state importanti per lo sviluppo di una teoria modificata della QBO da parte di Holton e Lindzen (1972).

Per quanto riguarda le revisioni delle prime osservazioni delle onde equatoriali, si possono consultare diverse fonti:

1. Wallace (1973): questa fonte offre una panoramica delle prime osservazioni delle onde equatoriali e della comprensione della loro dinamica.
2. Holton (1975): questo lavoro offre una revisione delle onde equatoriali e delle loro implicazioni per la dinamica dell’atmosfera tropicale.
3. Cornish e Larsen (1985): in questa fonte, gli autori esaminano le onde equatoriali e la loro importanza nella meteorologia tropicale.
4. Andrews et al. (1987): questa fonte offre una panoramica delle onde equatoriali e delle loro caratteristiche, oltre a discutere il loro ruolo nell’atmosfera tropicale.
5. Dunkerton (1997): questa fonte discute le onde equatoriali e il loro impatto sulla QBO, oltre a fornire una panoramica delle osservazioni e delle teorie esistenti.

In sintesi, le scoperte delle onde di Kelvin e Rossby-gravity attraverso i radiosondaggi hanno contribuito significativamente alla comprensione della QBO e al suo sviluppo teorico. Numerose revisioni forniscono una panoramica delle prime osservazioni delle onde equatoriali e della loro importanza nella dinamica dell’atmosfera tropicale.

L’interpretazione delle perturbazioni come modalità di onde equatoriali si basa sul confronto tra i parametri delle onde (ad esempio, la relazione tra scala orizzontale e frequenza), la struttura latitudinale (simmetrica o antisimmetrica rispetto all’equatore) e la relazione di fase tra le variabili (ad esempio, componenti del vento e temperatura) con quelle previste dalla teoria.

L’identificazione delle modalità equatoriali è relativamente semplice nelle regioni con una buona copertura spaziale, in modo che si possa osservare una propagazione coerente. In altre parole, quando si dispone di dati osservativi sufficienti e accurati, è possibile confrontare le caratteristiche delle perturbazioni atmosferiche con le previsioni teoriche per determinare se queste perturbazioni rappresentano effettivamente modalità di onde equatoriali, come le onde di Kelvin o Rossby-gravity.

La capacità di identificare le modalità equatoriali in modo chiaro e accurato è fondamentale per comprendere la dinamica dell’atmosfera tropicale e il ruolo di queste onde nella guida di fenomeni come la QBO. Nel documento viene descritto che lunghi archivi di dati provenienti da radiosondaggi di alta qualità sono stati utilizzati per derivare variazioni stagionali e relative alla QBO dell’attività delle onde di Kelvin e Rossby-gravity vicino all’equatore. Alcuni studi che hanno utilizzato questi dati includono:

1. Maruyama (1991): questo studio esamina le variazioni stagionali e QBO-correlate delle onde di Kelvin e Rossby-gravity utilizzando dati di radiosondaggi.
2. Dunkerton (1991b, 1993): in questi lavori, l’autore analizza le variazioni delle onde di Kelvin e Rossby-gravity in relazione alla QBO e alle stagioni, utilizzando dati di radiosondaggi.
3. Shiotani e Horinouchi (1993): questo studio esplora le onde di Kelvin e Rossby-gravity e il loro impatto sulla QBO, basandosi su dati di radiosondaggi.
4. Sato et al. (1994): in questo lavoro, gli autori analizzano le variazioni stagionali e QBO-correlate delle onde di Kelvin e Rossby-gravity utilizzando dati di radiosondaggi.
5. Wikle et al. (1997): questo studio esamina le variazioni delle onde di Kelvin e Rossby-gravity in relazione alla QBO e alle stagioni, utilizzando dati di radiosondaggi.

In sintesi, i dati dei radiosondaggi sono stati ampiamente utilizzati per studiare le variazioni stagionali e relative alla QBO dell’attività delle onde di Kelvin e Rossby-gravity. Questi studi hanno contribuito a migliorare la comprensione dell’interazione tra queste onde e la dinamica atmosferica equatoriale, incluso il fenomeno della QBO. La variazione della QBO nell’attività delle onde di Kelvin, osservata nelle fluttuazioni del vento zonale e della temperatura, è coerente con l’amplificazione prevista di queste onde nelle zone di cisalamento in discesa dei venti di ovest. Questo significa che le onde di Kelvin sono più intense nelle aree in cui il vento da ovest diminuisce con l’altitudine, come previsto dalla teoria.

Inoltre, viene osservata una variazione annuale dell’attività delle onde di Rossby-gravity nella stratosfera equatoriale più bassa. Questa variazione stagionale potrebbe contribuire a spiegare le variazioni stagionali osservate negli inizi della QBO vicino a 50 hPa, come descritto da Dunkerton (1990). In altre parole, le onde di Rossby-gravity potrebbero influenzare il modo in cui la QBO inizia e cambia nel corso delle stagioni a determinate altitudini.

In sintesi, le variazioni della QBO nell’attività delle onde di Kelvin e Rossby-gravity sono in linea con le aspettative teoriche e possono aiutare a spiegare le variazioni stagionali osservate nel comportamento della QBO nell’atmosfera equatoriale.

In questo passaggio del documento, si parla dell’osservazione di onde intrappolate equatorialmente, rilevate attraverso dati di temperatura e componenti chimiche traccianti ottenuti da vari strumenti satellitari. La maggior parte di questi studi si è concentrata sulle onde nella stratosfera superiore, in relazione all’oscillazione semiannuale della stratopausa (SAO). Tuttavia, alcuni studi hanno anche osservato onde nella stratosfera equatoriale inferiore, rilevanti per l’oscillazione quasi-biennale (QBO).

Gli autori menzionati nel passaggio hanno condotto diversi studi che hanno osservato e analizzato tali onde. In sintesi, il testo parla della scoperta e dell’analisi di onde atmosferiche equatoriali e del loro impatto sulle dinamiche della stratosfera. Inoltre si sottolinea che è difficile rilevare i segnali deboli e poco profondi di temperatura associati alle onde equatoriali che si propagano verticalmente. Inoltre, il campionamento satellitare solitamente recupera solo i numeri d’onda zonali più bassi (ad esempio, onde dall’1 al 6). Nonostante ciò, le osservazioni satellitari sono preziose per la loro visione globale, poiché integrano il campionamento irregolare fornito dalla rete di radiosondaggi (rawinsonde).In altre parole, sebbene sia difficile rilevare i segnali associati a queste onde e i satelliti riescano a rilevare solo una parte delle onde zonali, le osservazioni satellitari forniscono comunque informazioni importanti che integrano i dati raccolti da altre tecniche di campionamento, come la rete di radiosondaggi.

Gli studi di modellazione bidimensionale citati nel passaggio (Gray e Pyle, 1989; Dunkerton, 1991a, 1997) hanno dimostrato che le onde di Kelvin e Rossby-gravity non sono sufficienti per spiegare il flusso verticale di momento necessario a guidare l’oscillazione quasi-biennale (QBO). Il flusso di momento richiesto è molto più grande di quanto si pensasse in precedenza, poiché l’aria stratosferica tropicale si muove verso l’alto con la circolazione di Brewer-Dobson.

In altre parole, queste ricerche hanno evidenziato che le onde di Kelvin e Rossby-gravity, precedentemente considerate fattori chiave per spiegare il QBO, non sono sufficienti per giustificare il flusso di momento necessario. Ciò implica che la comprensione del QBO potrebbe richiedere ulteriori studi per identificare altre dinamiche atmosferiche o processi coinvolti nel fenomeno.

Quando si includono modelli realistici di risalita equatoriale, il flusso d’onda totale richiesto per un QBO realistico è 2-4 volte superiore rispetto a quello delle grandi onde di Kelvin e Rossby-gravity osservate su larga scala e a lungo periodo. Le simulazioni tridimensionali (ad esempio, Takahashi e Boville, 1992; Hayashi e Golder, 1994; Takahashi, 1996), descritte nella sezione 3.3.2, confermano la necessità di flussi d’onda aggiuntivi.

Pertanto, è necessario comprendere meglio, attraverso le osservazioni, la morfologia delle onde di inerzia-gravità e delle onde di gravità su piccola scala, nonché il loro possibile ruolo nel QBO. Questo implica che per avere una comprensione più accurata del QBO, gli scienziati devono esaminare anche onde di scala più piccola e approfondire il loro contributo al fenomeno.

3.2.2. Inertia-gravity waves.

le onde equatoriali di inerzia-gravità in propagazione verso est si osservano nelle fasi di taglio dei venti occidentali del QBO( Le “fasi di taglio dei venti occidentali del QBO” si riferiscono a uno stadio del ciclo dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) in cui i venti nella stratosfera equatoriale mostrano uno schema di taglio verticale con venti occidentali (da ovest a est) sopra e venti orientali (da est a ovest) al di sotto. Questo schema di taglio verticale dei venti è una caratteristica chiave del QBO, che è un fenomeno atmosferico che coinvolge l’alternanza regolare dei venti stratosferici equatoriali tra direzioni occidentali (westerly) e orientali (easterly).Durante le fasi di taglio dei venti occidentali del QBO, si osservano onde equatoriali di inerzia-gravità in propagazione verso est, come menzionato nel passaggio precedente. Queste onde interagiscono con i venti stratosferici e contribuiscono alla dinamica del QBO. In generale, le fasi di taglio dei venti occidentali si riferiscono a una parte del ciclo QBO in cui si osserva una particolare configurazione dei venti e delle onde atmosferiche associate.), mentre le onde in propagazione verso ovest si osservano nelle fasi di taglio dei venti orientali. Campagne osservative che utilizzano radiosondaggi (rawinsondes) hanno fornito dati ad alta risoluzione temporale e verticale, consentendo analisi sia per le variazioni di fase temporali che verticali.

Cadet e Teitelbaum (1979) hanno condotto uno studio pionieristico sulle onde di inerzia-gravità nella regione equatoriale, analizzando dati di radiosondaggio ogni 3 ore a 8,5°N, 23,5°W durante il Global Atmospheric Research Project Atlantic Tropical Experiment (GATE). Il QBO era in una fase di taglio dei venti orientali. Hanno rilevato una struttura simile a un’onda di inerzia-gravità con una lunghezza d’onda verticale corta (circa 1,5 km) e un periodo di 30-40 ore. La velocità di fase zonale è stata stimata come diretta verso ovest.

In sintesi, il passaggio descrive come le onde di inerzia-gravità si manifestino in modo diverso nelle varie fasi del QBO e come uno studio pionieristico abbia rilevato la presenza di una struttura simile a un’onda di inerzia-gravità con caratteristiche specifiche durante l’esperimento GATE.

Tsuda et al. (1994a, 1994b) hanno condotto una campagna osservativa incentrata sulle onde nella stratosfera inferiore a Watukosek, Indonesia (7,68°S, 112,78°E), per 24 giorni nel periodo febbraio-marzo 1990, quando il QBO era in una fase di taglio dei venti occidentali. I dati relativi al vento e alla temperatura sono stati ottenuti con un intervallo temporale di 6 ore e una risoluzione verticale di 150 metri. (Questo passaggio descrive una campagna osservativa condotta per studiare le onde nella stratosfera inferiore in relazione al QBO. L’obiettivo era analizzare le onde atmosferiche durante una fase di taglio dei venti occidentali del QBO, raccogliendo dati sul vento e la temperatura con una frequenza temporale di 6 ore e una risoluzione verticale di 150 metri. Questo tipo di osservazioni è importante per comprendere meglio il comportamento delle onde atmosferiche e il loro impatto sul QBO e sulla struttura della stratosfera equatorial)

La Figura 8 mostra una sezione tempo-altezza delle fluttuazioni di temperatura con periodi inferiori a 4 giorni. È possibile osservare una chiara propagazione della fase verso il basso nella stratosfera inferiore (sopra circa 16 km di altitudine). La lunghezza d’onda verticale è di circa 3 km e il periodo d’onda è di circa 2 giorni. Una struttura d’onda simile è stata osservata anche per le fluttuazioni del vento zonale (u) e meridionale (v). Le ampiezze delle fluttuazioni del vento orizzontale e della temperatura erano rispettivamente di circa 3 m/s e 2 K. (In sintesi, la figura 8 illustra le fluttuazioni di temperatura osservate durante uno studio sulle onde atmosferiche nella stratosfera inferiore. Queste fluttuazioni mostrano una propagazione verso il basso con una lunghezza d’onda verticale di circa 3 km e un periodo d’onda di circa 2 giorni. Sono state osservate anche fluttuazioni simili nel vento zonale e meridionale, con ampiezze di circa 3 m/s e 2 K, rispettivamente.)

Sulla base dell’analisi hodografica, assumendo che queste fluttuazioni siano dovute a onde di inerzia-gravità piane, Tsuda et al. (1994b) hanno dimostrato che la maggior parte dell’attività delle onde si propagava verso est e verso l’alto nella stratosfera inferiore. Caratteristiche simili sono state osservate durante la loro seconda campagna, a Bandung, Indonesia (107,68°E, 6,98°S), durante un’altra fase di taglio dei venti occidentali del QBO (da novembre 1992 ad aprile 1993) [Shimizu e Tsuda, 1997].

In sintesi, l’analisi hodografica condotta da Tsuda et al. (1994b) ha mostrato che le fluttuazioni osservate erano principalmente dovute a onde di inerzia-gravità che si propagavano verso est e verso l’alto nella stratosfera inferiore. Questi risultati sono stati confermati anche durante un’altra campagna osservativa condotta a Bandung, Indonesia, durante una fase di taglio dei venti occidentali del QBO.

Gli studi statistici sulle onde equatoriali di inerzia-gravità sono stati condotti utilizzando dati di radiosondaggio operativi a Singapore (1,48°N, 104,08°E). Maruyama (1994) e Sato et al. (1994) hanno analizzato la variazione anno per anno dell’attività delle onde da 1 a 3 giorni nella stratosfera inferiore, utilizzando dati raccolti a Singapore per un periodo di 10 anni. L’estrazione delle onde in base ai loro periodi è utile poiché la frequenza delle onde basata a terra rimane invariata durante la propagazione delle onde in un campo di sfondo costante. Il QBO può essere considerato sufficientemente costante per questi scopi per onde di inerzia-gravità con periodi inferiori a diversi giorni.

( In sintesi, questo passaggio descrive studi statistici sulle onde equatoriali di inerzia-gravità utilizzando dati di radiosondaggio a Singapore. Gli autori hanno analizzato le variazioni annuali dell’attività delle onde nella stratosfera inferiore, sottolineando l’utilità dell’estrazione delle onde in base ai loro periodi. Hanno anche osservato che il QBO può essere considerato abbastanza costante per studiare onde di inerzia-gravità con periodi inferiori a diversi giorni.)

Maruyama (1994) ha analizzato la covarianza del vento zonale e la derivata temporale della temperatura per componenti da 1 a 3 giorni e ha stimato il flusso verticale del momento zonale per unità di densità u9w9 utilizzando la seguente relazione derivata dall’equazione termodinamica per i moti adiabatici:

∂T’ / ∂t * u’ = – (F / T) * (N^2 / g) * c / ĉ * u’w’, (7)

dove T è la temperatura, t è il tempo, u e w sono le componenti zonale e verticale della velocità del vento, c è la velocità di fase orizzontale basata a terra, ĉ = c – u¯ è la velocità di fase orizzontale intrinseca, u¯ è la velocità del vento di sfondo e la barra sopra indica una media temporale.

Poiché ĉ non si ottiene dai dati osservativi, questa stima è possibile solo quando u¯ è abbastanza piccolo da assumere ĉ/c ≈ 1. Maruyama ha dimostrato che il flusso di momento u’w’ è in gran parte positivo e che la sua grandezza è paragonabile a quella delle onde di Kelvin a lungo periodo nella fase di taglio dei venti occidentali del QBO.

Sato et al. (1994) hanno studiato le variazioni interannuali delle potenze e dei spettri incrociati delle fluttuazioni del vento orizzontale e della temperatura nel range di periodi compresi tra 1 e 20 giorni a Singapore. Hanno scoperto che le ampiezze spettrali sono massimizzate intorno alla tropopausa per tutti i componenti nell’intera banda di frequenza, sebbene le altitudini dei massimi della tropopausa siano leggermente diverse. Gli spettri di temperatura (T) e vento orizzontale (u) raggiungono il massimo intorno a un periodo di 10 giorni, corrispondente alle onde di Kelvin.

In altre parole, lo studio ha analizzato le variazioni nel tempo delle fluttuazioni di vento e temperatura nella troposfera e ha scoperto che queste fluttuazioni sono più intense intorno alla tropopausa, che è il confine tra la troposfera e la stratosfera. In particolare, hanno osservato che le fluttuazioni di temperatura e vento orizzontale mostrano un picco di intensità con un periodo di circa 10 giorni, associato alle onde di Kelvin, che sono onde atmosferiche di larga scala che si propagano principalmente nella direzione est-ovest.

Nella parte inferiore della stratosfera, il periodo delle onde si accorcia, ad esempio, passando da 9 giorni a 20 km di altitudine a 6 giorni a 30 km di altitudine. D’altra parte, gli spettri di vento verticale (v) raggiungono il massimo intorno a 5 giorni, leggermente al di sotto della tropopausa, corrispondenti alle onde di Rossby-gravity. Anche il periodo delle onde di Rossby-gravity si accorcia con l’aumentare dell’altitudine nella stratosfera inferiore, in linea con l’analisi di Dunkerton (1993) basata su dati di radiosondaggi in diverse località sopra il Pacifico tropicale.

Questo significa che nella stratosfera inferiore, il periodo delle onde atmosferiche cambia con l’altitudine: si accorciano man mano che si sale in altitudine. Le onde di Rossby-gravity, che sono onde atmosferiche generate dalla combinazione delle forze di gravità e di rotazione terrestre (forza di Coriolis), mostrano un picco di intensità intorno a 5 giorni, leggermente al di sotto della tropopausa.

Inoltre, l’analisi di Dunkerton (1993) conferma che il periodo delle onde di Rossby-gravity si riduce con l’aumentare dell’altitudine nella stratosfera inferiore, come osservato nei dati di radiosondaggi raccolti in diverse località nel Pacifico tropicale. Questo fenomeno è coerente con il comportamento delle onde atmosferiche e con le loro interazioni con la dinamica dell’atmosfera terrestre.

Questo passaggio indica che le ampiezze spettrali sono altrettanto grandi per periodi più brevi di 2-3 giorni rispetto alle onde di Kelvin a lungo periodo e alle onde di Rossby-gravity. Ciò significa che le fluttuazioni atmosferiche con periodi brevi hanno un’ampiezza simile a quelle con periodi più lunghi.

L’attività delle onde di inerzia-gravity e delle onde di Kelvin è osservata in sincronia con l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), che è un fenomeno atmosferico che coinvolge i venti nella stratosfera equatoriale e che si verifica con un periodo di circa due anni.

La “Plate 4” mostra le potenze e gli spettri incrociati in funzione del tempo, mediati sull’intervallo di altitudine tra 20 e 25 km nella stratosfera inferiore. Per evidenziare meglio la relazione con la QBO, è stato applicato un filtro passa-basso con una frequenza di taglio di 6 mesi.

Picchi dominanti negli spettri di potenza di temperatura (T) e vento orizzontale (u) sono osservati nel range di periodo tra 1 e 3 giorni durante entrambe le fasi della QBO e intorno al periodo di 10 giorni nella fase di cisalamento zonale da ovest della QBO. Quest’ultimo picco corrisponde alle onde di Kelvin.

In sintesi, il passaggio suggerisce che sia le onde di inerzia-gravity che le onde di Kelvin mostrano una forte relazione con la QBO. Durante entrambe le fasi della QBO, sono presenti picchi dominanti negli spettri di potenza di temperatura e vento orizzontale nel range di periodo tra 1 e 3 giorni, mentre durante la fase di cisalamento zonale da ovest della QBO, si osserva un picco di circa 10 giorni, corrispondente alle onde di Kelvin.

I quadrature spectra QTu(v) corrispondono alla covarianza tra il vento zonale e la derivata temporale della temperatura. In altre parole, questi spettri mostrano come il vento zonale (u) e il tasso di variazione della temperatura (v) siano correlati tra loro.

Le grandi ampiezze negative osservate intorno a un periodo di 10 giorni nella fase di cisalamento zonale da ovest (westerly shear phase) indicano la presenza di una correlazione positiva tra le fluttuazioni del vento zonale (u’) e le fluttuazioni verticali del vento (w’) associate alle onde di Kelvin, come descritto da Maruyama (1991, 1994).

Questo significa che durante la fase di cisalamento zonale da ovest della QBO, le onde di Kelvin mostrano una relazione caratteristica tra le variazioni di vento zonale e le variazioni di temperatura. Questa relazione può essere utilizzata per identificare e analizzare ulteriormente le proprietà e l’impatto delle onde di Kelvin nell’atmosfera terrestre.

Questa parte del testo indica che la tendenza osservata nelle onde di Kelvin (intorno a un periodo di 10 giorni) non è così chiara per periodi più brevi nei quadrature spectra. Tuttavia, si nota una chiara sincronizzazione con la QBO nei cospectra CTu(v) nell’intero intervallo di frequenze. Valori positivi e negativi appaiono nelle fasi di cisalamento zonale da ovest (westerly shear) e da est (easterly shear), rispettivamente, anche se i valori negativi sono deboli intorno al periodo di 10 giorni.

Questa caratteristica non può essere spiegata dalla teoria classica delle onde equatoriali in un vento di fondo uniforme proposta da Matsuno (1966), che prevede che la covarianza tra temperatura (T) e vento zonale (u) dovrebbe essere sostanzialmente nulla.

In sintesi, il passaggio suggerisce che le osservazioni delle onde atmosferiche e la loro relazione con la QBO non sono pienamente spiegate dalla teoria classica delle onde equatoriali di Matsuno (1966). La sincronizzazione con la QBO è evidente nei cospectra, ma i valori di covarianza tra temperatura e vento zonale osservati non sono coerenti con le previsioni della teoria classica. Ciò potrebbe indicare che ci sono ulteriori meccanismi o processi atmosferici coinvolti nella relazione tra queste onde atmosferiche e la QBO.( I quadrature spectra sono uno strumento utilizzato nell’analisi spettrale per esaminare la relazione tra due serie temporali. In particolare, un quadrature spectrum fornisce informazioni sulla covarianza tra le fasi di due segnali nel dominio delle frequenze. In altre parole, mostra come i segnali variano insieme nel tempo e se sono in fase (stessa direzione) o in quadratura (ortogonali l’uno rispetto all’altro). Nel contesto dello studio menzionato in precedenza, i quadrature spectra QTu(v) sono utilizzati per analizzare la relazione tra il vento zonale (u) e la derivata temporale della temperatura (v) nelle varie frequenze. In questo caso, i quadrature spectra forniscono informazioni sulla covarianza tra queste due grandezze atmosferiche e aiutano a identificare modelli e caratteristiche specifiche, come la presenza di onde di Kelvin o altre onde atmosferiche.)

Dunkerton (1995) ha analizzato teoricamente e numericamente la covarianza tra temperatura (T) e vento zonale (u) per onde di inerzia-gravity bidimensionali (2-D, piane) in un vento di fondo con cisalamento verticale. Da questa analisi, Dunkerton ha derivato la seguente relazione:

dove T’ e u’ rappresentano le fluttuazioni di temperatura e vento zonale, rispettivamente, e altri simboli rappresentano vari parametri atmosferici e caratteristiche delle onde. Questa relazione è valida per onde che variano lentamente, stazionarie, conservative e incompressibili.

In sintesi, Dunkerton ha sviluppato un modello teorico e numerico per studiare la relazione tra le fluttuazioni di temperatura e vento zonale nelle onde di inerzia-gravity bidimensionali in presenza di un vento di fondo con cisalamento verticale. La relazione derivata fornisce una previsione della covarianza tra queste due grandezze in funzione delle proprietà delle onde e delle condizioni atmosferiche. Questo tipo di analisi può essere utile per comprendere meglio il comportamento delle onde atmosferiche e la loro interazione con la dinamica dell’atmosfera terrestre.

La teoria di Dunkerton è stata successivamente estesa alle onde equatoriali tridimensionali (3-D) intrappolate (T. J. Dunkerton, manoscritto in preparazione, 2001). Secondo l’equazione (8), la covarianza è proporzionale al cisalamento verticale e al flusso verticale della quantità di moto orizzontale, o sforzo di radiazione. Il segno della covarianza è determinato dal cisalamento verticale, indipendentemente dalla direzione orizzontale e verticale di propagazione delle onde di inerzia-gravity.

Questo risultato è qualitativamente coerente con l’osservazione nella Plate 4c. In altre parole, l’estensione della teoria alle onde equatoriali tridimensionali intrappolate fornisce una spiegazione per i risultati osservati sperimentalmente, come mostrato nella Plate 4c dello studio. La relazione tra la covarianza e le proprietà delle onde atmosferiche, come il cisalamento verticale e il flusso verticale della quantità di moto orizzontale, offre una visione più completa del comportamento delle onde equatoriali e della loro interazione con l’atmosfera terrestre.

La figura 8 mostra un grafico a sezione tempo-altezza di due variabili meteorologiche, registrate a Watukosek, Indonesia (7.68S, 112.78E), per un periodo di 24 giorni tra febbraio e marzo 1990. La figura è tratta da un articolo di Tsuda et al. pubblicato nel 1994. Il grafico presenta due parti:

(a) La componente della velocità verso nord con periodi brevi (meno di 4 giorni). Questo indica come la velocità del vento in direzione nord vari nel tempo e a diverse altitudini nell’atmosfera.

(b) La temperatura con periodi brevi (meno di 4 giorni). Questo indica come la temperatura dell’atmosfera vari nel tempo e a diverse altitudini.

Questo tipo di analisi viene utilizzata per studiare la variabilità temporale e verticale dei fenomeni meteorologici e per comprendere meglio l’evoluzione di tali fenomeni in una specifica regione geografica.

La plate 4 è una figura composta da quattro grafici che mostrano gli spettri di potenza per le fluttuazioni di temperatura (T) e della componente della velocità orizzontale (u) a Singapore, in funzione del tempo e mediati su un’altitudine tra 20-25 km. La figura è tratta da un articolo di Sato et al. pubblicato nel 1994.

I quattro grafici sono:

(a) Spettro di potenza per le fluttuazioni di temperatura (T). L’intervallo di contorno è 0.5 K².

(b) Spettro di potenza per le fluttuazioni della componente della velocità orizzontale (u). L’intervallo di contorno è 2 (m/s²)².

(c) Cospettri di T e u. L’intervallo di contorno è 0.5 K (m/s).

(d) Spettri di quadratura di T e u. L’intervallo di contorno è 0.5 K (m/s).

Nei grafici, i colori rosso e blu mostrano valori positivi e negativi, rispettivamente. La linea continua in grassetto rappresenta una serie temporale di riferimento del QBO (Quasi-Biennial Oscillation), un fenomeno atmosferico che riguarda le oscillazioni regolari del vento equatoriale nella stratosfera.

Questi grafici sono utilizzati per analizzare le fluttuazioni temporali di temperatura e vento a diverse altitudini e per comprendere meglio i fenomeni atmosferici, come il QBO, in una specifica regione geografica come Singapore.

la “Figura 9”, è una figura che mostra delle stime del flusso di quantità di moto (momentum flux) per la componente a breve periodo (1-3 giorni) nelle fasi di (a) scorrimento zonale verso ovest (westerly shear) e (b) scorrimento zonale verso est (easterly shear). La figura è tratta da un articolo di Sato e Dunkerton pubblicato nel 1997.

La figura è composta da quattro pannelli:

• Pannelli a sinistra: mostrano stime indirette del flusso di quantità di moto, corrispondenti alla somma dei valori assoluti dei flussi di quantità di moto positivi e negativi.
• Pannelli a destra: mostrano stime dirette del flusso di quantità di moto, corrispondenti ai flussi netti di quantità di moto.

Le fasi di scorrimento zonale verso ovest (westerly shear) e verso est (easterly shear) si riferiscono alle direzioni dei venti nella stratosfera e alla loro interazione con le onde atmosferiche. Il flusso di quantità di moto è un parametro importante per lo studio dell’interazione tra le onde atmosferiche e il flusso di fondo, e può influenzare la circolazione atmosferica a grande scala.

La figura, quindi, mostra le stime del flusso di quantità di moto per componenti a breve periodo (1-3 giorni) nelle due fasi di scorrimento zonale, aiutando a comprendere come queste componenti influenzino l’atmosfera e la circolazione del vento.

In uno studio condotto da Sato e Dunkerton nel 1997, i due studiosi hanno stimato i flussi di quantità di moto (momentum fluxes) associati a onde con periodi compresi tra 1 e 3 giorni. Le stime sono state ottenute sia direttamente che indirettamente, basandosi sugli spettri di quadratura e cospettri delle componenti di temperatura (T) e della componente orizzontale della velocità (u) a Singapore, come riportato nello studio di Sato et al. [1994].

A differenza delle onde di Kelvin, che si propagano solo verso est, le onde di inerzia-gravità possono propagarsi sia verso est che verso ovest. Le onde di Kelvin sono un tipo di onda atmosferica che si propaga principalmente lungo l’equatore e gioca un ruolo importante nella circolazione atmosferica tropicale. Le onde di inerzia-gravità, invece, sono onde atmosferiche generate dall’interazione tra la forza di gravità e la forza di inerzia e si propagano in tutte le direzioni.

In sintesi, la frase descrive come Sato e Dunkerton abbiano stimato i flussi di quantità di moto associati a onde con periodi di 1-3 giorni utilizzando i dati ottenuti a Singapore, evidenziando la differenza tra le onde di Kelvin e le onde di inerzia-gravità in termini di direzione di propagazione.

In questa parte del testo, viene suggerito che che la stima del flusso netto di quantità di moto (momentum flux) ottenuta dagli spettri di quadratura, come riportato da Maruyama [1994], potrebbe essere un residuo dopo l’annullamento tra i valori positivi e negativi. In altre parole, i flussi di quantità di moto positivi e negativi potrebbero avere effetti opposti e compensativi tra loro.

D’altra parte, i cospettri corrispondono alla somma dei valori assoluti dei flussi di quantità di moto positivi e negativi, che non si annullano tra loro. Utilizzando una stima indiretta dei flussi di quantità di moto dai cospettri e una stima diretta dagli spettri di quadratura, è possibile ottenere separatamente le parti positive e negative dei flussi di quantità di moto.

In sintesi, il testo descrive come sia possibile ottenere le parti positive e negative dei flussi di quantità di moto separatamente utilizzando sia stime indirette dai cospettri che stime dirette dagli spettri di quadratura.

Il testo descrive che la stima diretta del flusso di quantità di moto (momentum flux) per le onde di Kelvin (con periodi compresi tra 5 e 20 giorni) è pari a 2-9 x 10^-3 m²/s² e coincide con la stima indiretta entro l’errore di stima, il che supporta la validità del metodo indiretto.

È importante notare che il flusso di quantità di moto dovrebbe essere correttamente misurato in Pascal (Pa), pari alla densità dell’aria moltiplicata per il prodotto delle componenti di velocità. Tuttavia, nella maggior parte della letteratura sul QBO (Quasi-Biennial Oscillation), il termine della densità viene ignorato e il “flusso” risultante viene descritto in unità di m²/s². Vicino alla tropopausa tropicale, la densità è di circa 0,1 in unità MKS (metri, chilogrammi, secondi), il che fornisce una facile conversione tra le due definizioni di flusso.

In sintesi, il testo afferma che la stima diretta del flusso di quantità di moto per le onde di Kelvin è in accordo con la stima indiretta, confermando la validità del metodo indiretto. Inoltre, sottolinea l’importanza di misurare correttamente il flusso di quantità di moto in Pascal, pur riconoscendo che nella letteratura sul QBO viene comunemente utilizzata un’altra unità di misura, ovvero m²/s².

La descrizione fatta di seguito riguarda un’analisi dei flussi di momento (momentum flux) relativi a onde di inerzia-gravità in un intervallo di 1-3 giorni. Le onde di inerzia-gravità sono onde atmosferiche che si propagano orizzontalmente e verticalmente a causa dell’equilibrio tra forze di inerzia e gravità.

La figura 9 mostra i risultati per questo intervallo temporale di 1-3 giorni, assumendo onde di inerzia-gravità piane. Ci sono due metodi per stimare il flusso di momento: una stima indiretta e una stima diretta.

• Per i componenti con cisalamento (shear) da ovest a est (westerly shear), la stima indiretta del flusso di momento è compresa tra 20 e 60 x 10^(-3) m^2/s^2, mentre la stima diretta è molto inferiore, tra 0 e 4 x 10^(-3) m^2/s^2.
• Per i componenti con cisalamento da est a ovest (easterly shear), la stima indiretta è compresa tra 10 e 30 x 10^(-3) m^2/s^2, mentre la stima diretta è quasi zero.

La discrepanza tra le stime indirette e dirette indica una grande cancellazione tra flussi di momento positivi e negativi. In altre parole, ciò suggerisce che i flussi di momento positivi e negativi si annullano a vicenda in una certa misura, portando a una stima diretta molto più bassa rispetto alla stima indiretta. Questa cancellazione può essere dovuta a vari fattori, tra cui l’interazione tra le onde e l’atmosfera o la presenza di fenomeni complessi e interazioni tra le onde stesse.

Inoltre vengono discusse ulteriormente le incertezze e le ambiguità nella stima indiretta del flusso di momento nelle onde di inerzia-gravità, a seconda delle ipotesi sulla struttura delle onde.

1. Se si ipotizzano delle modalità intrappolate all’equatore (equatorially trapped modes), i valori della stima indiretta del flusso di momento dovrebbero essere ridotti del 30-70%. Ciò significa che l’assunzione di queste modalità avrebbe un impatto significativo sui valori stimati del flusso di momento.
2. D’altra parte, se c’è un aliasing (cioè una sovrapposizione indesiderata di segnali) proveniente da onde ad alta frequenza (con periodi inferiori a un giorno, come nei dati raccolti due volte al giorno, ad esempio i dati rawinsonde di Singapore), il flusso di momento effettivo dovrebbe essere molto più grande di quanto mostrato nella Figura 9. Questo suggerisce che, in presenza di aliasing, i valori stimati nella figura potrebbero essere sottostimati.

Tuttavia, nonostante queste ambiguità, sembra che le onde di inerzia-gravità a frequenza intermedia abbiano un flusso di momento significativo rispetto alle onde di Kelvin e alle onde di gravità di Rossby. Questo implica che, indipendentemente dalle incertezze nelle stime, le onde di inerzia-gravità a frequenza intermedia svolgono comunque un ruolo importante nel trasferimento di momento nell’atmosfera, confrontandole con altri tipi di onde atmosferiche come le onde di Kelvin e le onde di gravità di Rossby.

L’analisi di Sato e Dunkerton (1997) suggerisce che i flussi di momento associati alle onde di gravità che si propagano verso est e verso ovest sono quasi uguali, anche se le onde di gravità che si propagano verso est sono leggermente predominanti nelle fasi di cisalamento verso est (eastward shear phases).

Questo dato non è in contrasto con i risultati ottenuti dalle campagne osservative condotte da Cadet e Teitelbaum (1979) e Tsuda et al. (1994b). Questi studi hanno rilevato che le onde di gravità che si propagano verso est (verso ovest) sono dominanti nelle sezioni tempo-altezza dei componenti u (componente orizzontale del vento) e T (temperatura) nelle fasi di cisalamento verso est (verso ovest).

In altre parole, i risultati di Sato e Dunkerton (1997) sono coerenti con le osservazioni di Cadet e Teitelbaum (1979) e Tsuda et al. (1994b). Entrambi gli studi suggeriscono che, sebbene vi sia una certa simmetria tra i flussi di momento delle onde di gravità che si propagano verso est e verso ovest, le onde di gravità che si propagano verso est sono leggermente più dominanti nelle fasi di cisalamento verso est. Questo significa che, in base alle osservazioni e alle analisi, le onde di gravità che si propagano verso est tendono ad avere un impatto leggermente maggiore sul flusso di momento nelle fasi di cisalamento verso est rispetto alle onde che si propagano verso ovest.

Le osservazioni confermino che è più probabile osservare onde con lunghezze d’onda verticali brevi (corrispondenti a frequenze intrinseche più piccole) quando queste onde si propagano verso est nel cisalamento verso est (eastward shear) o verso ovest nel cisalamento verso ovest (westward shear).

Per due onde con flussi di momento uguali, ma con frequenze intrinseche diverse, le ampiezze di u (componente orizzontale del vento) e T (temperatura) sono maggiori per l’onda con frequenza intrinseca più piccola. In altre parole, le onde con frequenze intrinseche più piccole avranno ampiezze più grandi per i componenti del vento e della temperatura.

Le onde di gravità che si propagano verso ovest (verso est) con piccole velocità di fase intrinseche, cioè lunghezze d’onda verticali brevi, probabilmente non sarebbero riscontrate nella fase di cisalamento verso est (verso ovest), perché tali onde avrebbero incontrato livelli critici o sarebbero state assorbite a livelli inferiori. Questo significa che onde con queste caratteristiche sarebbero state bloccate o dissolte prima di raggiungere le fasi di cisalamento opposte, rendendole meno probabili da osservare in quelle situazioni.

In sintesi, le osservazioni suggeriscono che le onde con lunghezze d’onda verticali brevi e frequenze intrinseche più piccole tendono a essere osservate quando si propagano nella stessa direzione del cisalamento atmosferico (verso est nel cisalamento verso est e verso ovest nel cisalamento verso ovest). Queste onde presentano ampiezze maggiori per i componenti del vento e della temperatura rispetto alle onde con frequenze intrinseche più grandi.

In questo passaggio, si discute la possibilità che onde di gravità propaganti verso ovest (verso est) con grandi velocità di fase intrinseche e portanti significativi flussi di momento possano esistere, ma potrebbero non essere rilevate nei dati rawinsonde. Questo accade perché le loro lunghezze d’onda verticali sono troppo lunghe e le loro ampiezze nei componenti u (componente orizzontale del vento) e T (temperatura) sono troppo piccole.

Quindi, durante la fase di cisalamento verso est (verso ovest), solo le onde di gravità che si propagano verso est (verso ovest) hanno velocità di fase intrinseche piccole e, di conseguenza, lunghezze d’onda verticali piccole che sono osservabili. In altre parole, le onde con grandi velocità di fase intrinseche e lunghezze d’onda verticali lunghe potrebbero non essere facilmente rilevate nei dati rawinsonde a causa delle loro ampiezze ridotte nei componenti del vento e della temperatura.

In sintesi, il passaggio suggerisce che, durante le fasi di cisalamento atmosferico, le onde di gravità che si propagano nella stessa direzione del cisalamento e con piccole velocità di fase intrinseche sono più facilmente osservabili rispetto alle onde con grandi velocità di fase intrinseche, che potrebbero non essere rilevate a causa delle loro ampiezze ridotte e lunghezze d’onda verticali lunghe.

Bergman e Salby (1994) hanno calcolato l’attività delle onde equatoriali che si propagano nella stratosfera basandosi su immagini ad alta risoluzione del modello convettivo globale e su alcune semplici ipotesi riguardo alla relazione tra le variazioni delle nuvole e le proprietà delle onde che ne verrebbero generate.

La Figura 10 mostra la distribuzione geografica del componente verticale del flusso di Eliassen-Palm che hanno derivato. Il flusso di Eliassen-Palm è un concetto utilizzato nella meteorologia per descrivere il trasporto di energia e momento all’interno dell’atmosfera, specialmente nelle regioni a medio e alto livello.

In sintesi, Bergman e Salby (1994) hanno studiato l’attività delle onde equatoriali che entrano nella stratosfera utilizzando immagini ad alta risoluzione dei modelli convettivi e ipotesi sulle relazioni tra le variazioni delle nuvole e le proprietà delle onde. La Figura 10 mostra la distribuzione geografica del componente verticale del flusso di Eliassen-Palm che hanno calcolato come risultato del loro studio.

Le onde con periodi inferiori a 2 giorni presentano un flusso di Eliassen-Palm più elevato rispetto alle onde con periodi più lunghi. Il flusso di Eliassen-Palm, come menzionato in precedenza, è un concetto utilizzato nella meteorologia per descrivere il trasporto di energia e momento all’interno dell’atmosfera.

La generazione di onde a breve periodo (periodi inferiori a 2 giorni) è particolarmente intensa sopra i continenti africano e americano e in un’ampia zona che va dall’Oceano Indiano al Pacifico tropicale occidentale. Ciò significa che in queste aree geografiche si verifica una maggiore attività di onde a breve periodo, il che si riflette in un flusso di Eliassen-Palm più elevato rispetto alle onde con periodi più lunghi.

In sintesi, il passaggio suggerisce che le onde con periodi inferiori a 2 giorni hanno un flusso di Eliassen-Palm più elevato e si generano in modo più intenso sopra i continenti africano e americano e in un’area estesa dall’Oceano Indiano al Pacifico tropicale occidentale, rispetto alle onde con periodi più lunghi.

L’analisi di Bergman e Salby (1994) non fornisce una stima quantitativa dei flussi d’onda effettivi, ma supporta l’idea che le onde di scala intermedia e piccola abbiano un contributo significativo all’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), un fenomeno atmosferico che coinvolge l’inversione periodica dei venti equatoriali nella stratosfera.

Dalla loro analisi, possiamo notare due punti principali:

1. Il contributo delle onde di scala intermedia e piccola è notevolmente maggiore rispetto a quello delle onde equatoriali di scala planetaria, con un fattore di circa 2,5. Questo significa che queste onde di scala più piccola hanno un impatto maggiore sulla QBO rispetto alle onde di scala più grande.
2. La maggior parte dell’attività nelle onde di scala più piccola è associata a velocità di fase zonale che si trovano nell’intervallo delle velocità del vento della QBO, come suggerito da Dunkerton (1997). Ciò implica che queste onde di scala più piccola interagiscono significativamente con il vento della QBO e contribuiscono al fenomeno dell’oscillazione.

In sintesi, l’analisi di Bergman e Salby (1994) supporta l’idea che le onde di scala intermedia e piccola abbiano un ruolo significativo nella QBO, con un contributo maggiore rispetto alle onde equatoriali di scala planetaria e una forte interazione con le velocità del vento della QBO.

L’eccitazione delle onde di inerzia-gravità a causa della convezione profonda tropicale, che può avvenire attraverso due meccanismi:

1. Autorganizzazione: in questo processo, le onde e la convezione si sostengono a vicenda, formando un sistema dinamico interconnesso.
2. Attività irregolare o casuale: in questo caso, le onde di inerzia-gravità vengono eccitate a causa dell’attività apparentemente casuale e irregolare degli elementi convettivi che interagiscono con uno strato stratificato al di sopra di essi.

L’autorganizzazione di onde e convezione avviene principalmente su scale orizzontali e temporali più lunghe, come evidenziato da diversi studi (Takayabu et al., 1996; Wada et al., 1999; Wheeler e Kiladis, 1999).

In sintesi, il passaggio descrive due meccanismi attraverso i quali le onde di inerzia-gravità possono essere eccitate dalla convezione profonda tropicale: l’autorganizzazione, in cui onde e convezione si sostengono reciprocamente, e l’attività irregolare o casuale, in cui gli elementi convettivi interagiscono con uno strato stratificato superiore. L’autorganizzazione si verifica principalmente su scale temporali e spaziali più ampie.

3.2.3. Gravity waves.

Questo passaggio descrive l’importanza delle onde di gravità ad alta frequenza prodotte dalla convezione profonda nelle regioni tropicali. La convezione profonda è un processo atmosferico in cui l’aria calda e umida sale, si raffredda e forma nuvole e precipitazioni. Le onde di gravità sono oscillazioni dell’atmosfera causate dalla forza di gravità che agisce come forza di richiamo.

Le simulazioni numeriche menzionate mostrano che le onde di gravità ad alta frequenza appaiono sopra le nuvole convettive. La teoria prevede che queste onde siano strettamente associate ai sistemi convettivi che le generano, poiché la direzione di propagazione dell’energia è più verticalmente orientata per onde con alta frequenza intrinseca (vˆ).

L’equazione (9) mostra la relazione tra la frequenza intrinseca (vˆ), la frequenza di Brunt-Väisälä (N) e l’angolo (u) tra la verticale e le linee di fase costante o direzione del vettore di velocità di gruppo. La frequenza di Brunt-Väisälä è un parametro atmosferico che indica la frequenza naturale di oscillazione dell’atmosfera in presenza di stratificazione stabile.

Le onde di alta frequenza trasportano un significativo flusso di momento, il che suggerisce che potrebbero svolgere un ruolo importante nella guida dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO). La QBO è un fenomeno atmosferico che coinvolge l’inversione periodica dei venti nella stratosfera equatoriale e influenza la circolazione atmosferica su scala globale.

Studi osservativi hanno identificato onde di gravità ad alta frequenza e ad alta ampiezza nella stratosfera delle medie latitudini direttamente sopra la convezione profonda troposferica. Queste onde di gravità sono state osservate da vari ricercatori nel corso degli anni, come citato nel testo.

Sato (1993) ha stimato il flusso di momento verticale trasportato da queste onde. Le osservazioni hanno rilevato valori significativi pari a 0,03 Pa, equivalenti a circa 0,3 m^2/s^2. Questo valore è un ordine di grandezza maggiore rispetto al flusso medio zonale e temporale necessario perché le onde di gravità tropicali abbiano un impatto rilevante sull’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), come stimato da Dunkerton (1997).

In sintesi, il passaggio evidenzia come le onde di gravità ad alta frequenza e ad alta ampiezza osservate direttamente sopra la convezione profonda troposferica nelle medie latitudini trasportino un flusso di momento verticale significativo. Questo flusso è molto più grande di quanto stimato per essere rilevante per la QBO, suggerendo che queste onde di gravità potrebbero avere un impatto importante sull’Oscillazione Quasi-Biennale e sulla circolazione atmosferica globale.

Le onde di gravità ad alta frequenza sono state rilevate anche attraverso osservazioni effettuate da aerei nella stratosfera inferiore. L’aereo ER-2 della NASA, che può volare fino a un’altitudine di circa 20 km, ha partecipato a numerose campagne che comprendevano voli tropicali nella stratosfera.

Le osservazioni di venti e temperature a bordo dell’aereo sono state utilizzate per rilevare onde di gravità. Pfister et al. (1986, 1993a, 1993b) hanno individuato onde con lunghezza d’onda orizzontale corta (circa 150 km) nei campi di temperatura e vento orizzontale associati alla convezione cumuliforme sopra Panama e il nord dell’Australia.

In sintesi, questo passaggio descrive come le onde di gravità ad alta frequenza siano state rilevate non solo attraverso studi osservativi, ma anche tramite osservazioni dirette da aerei nella stratosfera inferiore. In particolare, l’aereo ER-2 della NASA ha rilevato onde di gravità con lunghezza d’onda orizzontale corta associate alla convezione cumuliforme in alcune aree tropicali.

Pfister et al. (1993a, 1993b) propongono un meccanismo chiamato “topografia convettiva” per generare queste onde di gravità. Hanno utilizzato un modello per stimare il flusso di momento verticale che potrebbe essere generato da questo meccanismo e l’impatto che tali onde potrebbero avere sul bilancio del momento dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO).

Tuttavia, l’effetto calcolato era piccolo (circa il 10%) rispetto alle stime del contributo delle onde a scala planetaria. Ciò suggerisce che potrebbero essere attivi altri meccanismi di forzatura e che gli effetti delle onde ad alta frequenza potrebbero essere sottostimati in questi calcoli, come affermato da Dunkerton (1997).

Le stime sono anche incerte a causa della distribuzione geografica sconosciuta e della frequenza di occorrenza delle onde di gravità forzate convettivamente basate su soli alcuni studi di caso. In altre parole, il passaggio sottolinea che, sebbene il meccanismo di topografia convettiva sia una possibile spiegazione per la generazione di onde di gravità ad alta frequenza, ci sono incertezze e potenziali sottostime negli effetti di tali onde sul bilancio del momento della QBO.

Alexander e Pfister (1995) utilizzano osservazioni sia dei venti orizzontali che verticali per stimare il flusso di momento lungo un percorso di volo dell’aereo ER-2 sopra la convezione profonda a nord dell’Australia. Il flusso di momento enfatizza le onde a periodo più breve.

Sono stati osservati valori molto elevati di flusso di momento (circa 0,1 Pa) sopra le nuvole più profonde e più alte. Alexander et al. (2000) hanno riportato correlazioni più estese di questi dati con la temperatura delle cime delle nuvole e sono mostrate nella Figura 12.

In sintesi, il passaggio descrive come Alexander e Pfister (1995) abbiano utilizzato osservazioni di venti orizzontali e verticali per stimare il flusso di momento lungo un percorso di volo dell’aereo ER-2 sopra una regione di convezione profonda. Hanno trovato valori elevati di flusso di momento associati a onde a periodo più breve e nuvole più profonde e più alte. Questi risultati sono stati ulteriormente analizzati e correlati con la temperatura delle cime delle nuvole da Alexander et al. (2000).

Questi risultati suggeriscono che i valori elevati di flusso di momento sono correlati con la convezione profonda e hanno magnitudini simili alle onde generate nelle simulazioni bidimensionali (2-D) della convezione tropicale, come riportato da Alexander e Holton (1997). Uno studio osservativo più recente suggerisce flussi di momento più piccoli in altre regioni, come indicato da Alexander et al. (2000).

Sebbene la distribuzione geografica e stagionale di tali flussi sia incerta, i risultati suggeriscono comunque un ruolo potenzialmente importante delle onde di gravità ad alta frequenza nell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO).

In sintesi, il passaggio indica che i valori elevati di flusso di momento sono associati alla convezione profonda e potrebbero svolgere un ruolo importante nella QBO. Tuttavia, la distribuzione geografica e stagionale di questi flussi non è ancora ben definita, e sono necessarie ulteriori ricerche per comprendere appieno il ruolo delle onde di gravità ad alta frequenza nella dinamica della QBO.

Le onde di gravità osservate nelle analisi rawinsonde a bassa latitudine (circa 12°S) descritte da Allen e Vincent (1995) mostrano un ciclo stagionale che suggerisce la convezione come importante fonte durante la stagione del monsone tra dicembre e febbraio. Tuttavia, questi risultati si basavano su solamente un anno di osservazioni.

Successivamente, l’analisi dei dati provenienti dall’Isola di Cocos, anch’essa situata a circa 12°S, ma che copre un periodo di 6 anni, ha mostrato una correlazione simile con la stagione del monsone. Tuttavia, questa correlazione risulta modulata dai venti dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) come riportato da Vincent e Alexander (2000).

In sintesi, il passaggio evidenzia che le onde di gravità osservate nelle analisi rawinsonde a bassa latitudine mostrano un ciclo stagionale legato alla convezione durante la stagione del monsone. Ulteriori analisi basate su un periodo più lungo di osservazioni confermano questa correlazione, ma rivelano anche l’influenza dei venti della QBO sulla relazione tra le onde di gravità e la stagione del monsone. Inoltre viene descritto come i mesi con il picco di flusso di momento coincidano con i venti orientali più forti. Durante questi periodi, le onde si propagano anche principalmente verso est. I calcoli teorici paralleli sulla propagazione delle onde di gravità e l’interazione con il flusso di fondo supportano qualitativamente il meccanismo della topografia convettiva a causa dell’anisotropia osservata nella direzione di propagazione delle onde e perché l’altitudine in cui le onde vengono generate è stata dedotta essere molto alta, vicino alla tropopausa.

Karoly et al. (1996) hanno anche osservato una correlazione tra l’attività delle onde di inerzia-gravità e la convezione profonda nei dati di sondaggio tropicali.

In sintesi, il passaggio evidenzia come la presenza di un picco nel flusso di momento coincida con i venti orientali più forti e come le onde di gravità si propaghino principalmente verso est in questi periodi. Studi teorici e osservazioni supportano il meccanismo della topografia convettiva nella generazione delle onde di gravità e mostrano una correlazione tra l’attività delle onde di inerzia-gravità e la convezione profonda nei tropici.

La figura 9 proviene da uno studio di Sato e Dunkerton, pubblicato nel 1997, e mostra le stime del flusso di quantità di moto per le componenti a breve periodo (1-3 giorni) nelle fasi di (a) cisalazione da ovest e (b) cisalazione da est. Il flusso di quantità di moto è un parametro importante per comprendere il trasporto di energia e quantità di moto nell’atmosfera terrestre.

La figura 9 è divisa in pannelli sinistri e destri per ciascuna fase:

• Pannelli sinistri: Mostrano le stime indirette del flusso di quantità di moto, corrispondenti alla somma dei valori assoluti dei flussi di quantità di moto positivi e negativi. Questo fornisce un’indicazione della grandezza totale del flusso di quantità di moto, senza tener conto della direzione.
• Pannelli destri: Mostrano le stime dirette del flusso di quantità di moto, corrispondenti ai flussi di quantità di moto netti. Questo fornisce un’indicazione della direzione del flusso di quantità di moto, tenendo conto delle componenti positive e negative.

In sintesi, la figura 9 presenta stime del flusso di quantità di moto per componenti a breve periodo (1-3 giorni) nelle fasi di cisalazione da ovest e da est, utilizzando sia stime indirette che dirette. Queste informazioni sono utili per comprendere il trasporto di energia e quantità di moto nell’atmosfera in relazione a queste fasi di cisalazione.

Figure 10. Questa figura è tratta da un articolo di Bergman e Salby, pubblicato nel 1994, e descrive la distribuzione geografica della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm per onde equatoriali con periodi differenti. Le onde equatoriali sono un fenomeno meteorologico che si verifica nelle regioni equatoriali del pianeta.

La figura 10 mostra tre sottofigure (a), (b) e (c) che rappresentano rispettivamente:

a) Onde equatoriali con periodi superiori a 5 giorni b) Onde equatoriali con periodi compresi tra 2 e 5 giorni c) Onde equatoriali con periodi inferiori a 2 giorni

Le stime sono basate su immagini ad alta risoluzione del modello convettivo globale ottenute da sei satelliti. La componente verticale del flusso di Eliassen-Palm è un parametro importante per comprendere il trasporto di energia e quantità di moto nell’atmosfera terrestre.

Nella figura, viene mostrato il valore assoluto integrato in frequenza del flusso di Eliassen-Palm. Le unità di misura sono arbitrarie, e gli incrementi dei contorni sono lineari. La figura è stata riprodotta con il permesso della American Meteorological Society.

In sintesi, la figura 10 mostra la distribuzione geografica della componente verticale del flusso di Eliassen-Palm per onde equatoriali con diversi periodi, utilizzando dati satellitari ad alta risoluzione.

La figura 11 proviene da uno studio di Alexander e Holton, pubblicato nel 1997, e mostra le onde di gravità stratosferiche al di sopra di una simulazione di convezione tropicale. Le onde di gravità sono perturbazioni atmosferiche che si propagano orizzontalmente e verticalmente e influenzano la circolazione atmosferica.

Nella figura:

• L’ombreggiatura mostra le velocità verticali delle onde di gravità stratosferiche. La scala delle velocità va da -1,2 m/s a 1,2 m/s per mettere in evidenza le perturbazioni delle onde nella stratosfera. Tuttavia, i valori massimi nella troposfera superano 5 m/s.
• Vengono mostrati anche i contorni della temperatura potenziale a intervalli di 10 K (linee sottili) e il contorno della nuvola temporalesca (linee grasse). La temperatura potenziale è un parametro importante per studiare la stabilità dell’atmosfera e le proprietà termodinamiche delle masse d’aria.

La figura è stata riprodotta con il permesso della American Meteorological Society.

In sintesi, la figura 11 illustra le onde di gravità stratosferiche al di sopra di una simulazione di convezione tropicale, mostrando le velocità verticali delle onde, i contorni della temperatura potenziale e il contorno della nuvola temporalesca. Queste informazioni sono utili per comprendere il comportamento delle onde di gravità nella stratosfera e il loro legame con la convezione tropicale.

La figura 12 proviene da uno studio di Alexander et al., pubblicato nel 2000, e mostra le seguenti informazioni relative alle onde di gravità nella stratosfera e alla convezione sottostante durante i voli oceanici a nord dell’Australia nel periodo gennaio-febbraio 1987:

a) Flusso di quantità di moto delle onde di gravità nella stratosfera rispetto alla temperatura delle cime delle nuvole sottostanti. Questo grafico mette in relazione il flusso di quantità di moto delle onde di gravità, che influenzano la circolazione atmosferica, con le temperature delle cime delle nuvole, che sono associate alla convezione sottostante.

b) Distribuzione della direzione dei flussi di quantità di moto nelle osservazioni. Questo grafico mostra la distribuzione delle direzioni dei flussi di quantità di moto delle onde di gravità, fornendo informazioni sulla direzione in cui l’energia e la quantità di moto vengono trasportate dalle onde di gravità nella stratosfera.

In sintesi, la figura 12 mostra le relazioni tra il flusso di quantità di moto delle onde di gravità nella stratosfera, la temperatura delle cime delle nuvole sottostanti e la distribuzione della direzione dei flussi di quantità di moto, basate su osservazioni durante i voli oceanici a nord dell’Australia nel periodo gennaio-febbraio 1987. Queste informazioni sono utili per comprendere il comportamento delle onde di gravità e il loro legame con la convezione sottostante.