M. P. Baldwin,1 L. J. Gray,2 T. J. Dunkerton,1 K. Hamilton,3 P. H. Haynes,4
W. J. Randel,5 J. R. Holton,6 M. J. Alexander,7 I. Hirota,8 T. Horinouchi,9 D. B. A. Jones,10
J. S. Kinnersley,11 C. Marquardt,12 K. Sato,13 and M. Takahashi14
Riassunto: La quasi-biennial oscillation (QBO) è un fenomeno che domina la variabilità della stratosfera equatoriale (tra 16 e 50 km di altitudine) e si manifesta come venti alternati di direzione est e ovest, che si propagano verso il basso, con un periodo medio di circa 28 mesi. Dal punto di vista della fluidodinamica, la QBO rappresenta un esempio affascinante di un flusso medio oscillante coerente, generato da onde in propagazione con periodi non correlati all’oscillazione risultante.
Anche se la QBO è un fenomeno tropicale, influisce sul flusso stratosferico da un polo all’altro, modulando gli effetti delle onde extratropicali. Lo studio della QBO è strettamente legato allo studio dei movimenti ondosi atmosferici che la generano e che, a loro volta, ne sono influenzati. La QBO incide sulla variabilità nella mesosfera, vicino agli 85 km di altitudine, filtrando selettivamente le onde che si propagano verso l’alto attraverso la stratosfera equatoriale. Inoltre, potrebbe influenzare l’intensità degli uragani atlantici. In altre parole, il fenomeno della QBO, pur essendo un fenomeno tropicale, ha un impatto sull’intero flusso stratosferico terrestre, dall’Artide all’Antartide, modulando gli effetti delle onde atmosferiche che si generano al di fuori dei tropici. La QBO è strettamente collegata allo studio di queste onde atmosferiche, poiché ne è sia causa che effetto. Inoltre, la QBO può influenzare la variabilità delle condizioni meteorologiche ad altitudini più elevate, come la mesosfera, e potrebbe anche avere un impatto sull’intensità degli uragani che si formano nell’Atlantico.
Gli effetti della QBO non si limitano alla dinamica atmosferica. Componenti chimici come l’ozono, il vapore acqueo e il metano sono influenzati dai cambiamenti nella circolazione indotti dalla QBO. Inoltre, la QBO mostra segnali significativi anche in molti dei componenti chimici a vita più breve. Attraverso la modulazione della propagazione delle onde extratropicali, la QBO influisce sulla disgregazione dei vortici polari stratosferici invernali e sulla gravità del deperimento dell’ozono ad alte latitudini. Il vortice polare stratosferico incide sui modelli meteorologici di superficie, fornendo un meccanismo attraverso il quale la QBO può influenzare le condizioni meteorologiche sulla superficie terrestre. In sintesi, gli effetti della QBO si estendono oltre la dinamica dell’atmosfera e influenzano anche la composizione chimica dell’aria, come l’ozono, il vapore acqueo e il metano. La QBO ha un impatto sulla disgregazione dei vortici polari stratosferici invernali e sul deperimento dell’ozono alle alte latitudini, influenzando anche i modelli meteorologici sulla superficie terrestre.
Man mano che diventano disponibili più fonti di dati (ad esempio, misurazioni del vento e della temperatura sia da sistemi basati a terra che da satelliti), gli effetti della QBO possono essere valutati con maggiore precisione. Questa revisione esamina lo stato attuale delle conoscenze sulla QBO tropicale, i suoi effetti dinamici extratropicali, il trasporto di costituenti chimici e gli effetti della QBO nella troposfera (circa 0-16 km) e nella mesosfera (circa 50-100 km). L’obiettivo è fornire una panoramica generale della QBO e dei suoi effetti ai ricercatori al di fuori del campo, nonché una fonte di informazioni e riferimenti per gli specialisti. La storia della ricerca sulla QBO viene discussa solo brevemente, e il lettore è invitato a consultare diversi articoli di revisione storica. Viene riassunta la teoria di base della QBO, e vengono forniti riferimenti didattici.
In sintesi, con l’aumento delle fonti di dati disponibili, è possibile valutare gli effetti della QBO con maggiore precisione. Questa revisione offre una panoramica dello stato attuale delle conoscenze sulla QBO e dei suoi effetti in vari ambiti, come la dinamica extratropicale, il trasporto di sostanze chimiche e l’impatto sulla troposfera e mesosfera. Serve sia come introduzione per i ricercatori esterni al campo che come fonte di informazioni per gli esperti del settore. La teoria di base della QBO viene riassunta e sono forniti riferimenti didattici per approfondire la comprensione del fenomeno.
INTRODUZIONE
1.1. La scoperta della Quasi-Biennial Oscillation
Le prime osservazioni dei venti stratosferici equatoriali furono effettuate quando si scoprì che i detriti derivanti dall’eruzione del Krakatau (1883) circolavano intorno al globo da est a ovest in circa 2 settimane; questi venti divennero noti come “venti di Pasqua del Krakatau”. Per una revisione più completa della scoperta della quasi-biennial oscillation e dei successivi sviluppi nelle osservazioni e nella teoria, si vedano Maruyama [1997] e Labitzke e van Loon [1999].
Nel 1908, il meteorologo tedesco A. Berson lanciò palloni aerostatici dall’Africa tropicale e scoprì venti che soffiavano da ovest a est a circa 15 km di altitudine, vicino alla tropopausa; questi venti divennero noti come “venti di Berson da ovest”. Per quasi 50 anni, ci furono solo osservazioni sporadiche tramite palloni aerostatici [Hamilton, 1998a] per contraddire l’esistenza di venti stratosferici equatoriali da est sopra venti da ovest. (I termini in corsivo sono definiti nel glossario, dopo il testo principale. Il termine meteorologico “venti da est” descrive i venti che soffiano da est, mentre i “venti da ovest” soffiano da ovest.)
In sintesi, nel 1908, il meteorologo tedesco A. Berson scoprì venti che soffiavano da ovest a est a circa 15 km di altitudine attraverso lanci di palloni aerostatici dall’Africa tropicale. Questi venti divennero noti come “venti di Berson da ovest”. Per circa 50 anni, solo osservazioni sporadiche tramite palloni aerostatici sono state fatte per contraddire l’esistenza di venti stratosferici equatoriali da est sopra i venti da ovest.
Sfortunatamente, i termini “verso est” e “verso ovest” sono comunemente usati nelle discussioni sulla propagazione delle onde e sui flussi e hanno un significato opposto rispetto a “venti da est” e “venti da ovest”. In questa revisione, utilizzeremo entrambe le descrizioni, come si trova nella letteratura. Palmer [1954] utilizzò dati di sondaggio dell’aria superiore, raccolti per studiare le ricadute dei test nucleari nelle Isole Marshall, per scoprire che la transizione tra i venti di Berson da ovest e i venti di Pasqua del Krakatau variava di mese in mese e di anno in anno. Tuttavia, i dati erano insufficienti per mostrare alcuna periodicità. Utilizzando osservazioni dall’Isola di Christmas (2.08N), Graystone [1959] disegnò i contorni di 2 anni di velocità del vento nel piano tempo-altitudine, mostrando regimi di vento da est e da ovest in discesa graduale.
In sintesi, i termini “verso est” e “verso ovest” possono creare confusione rispetto ai termini “venti da est” e “venti da ovest”. Utilizzando dati di sondaggi dell’aria superiore, Palmer [1954] scoprì che la transizione tra i venti di Berson da ovest e i venti di Pasqua del Krakatau variava nel tempo. Graystone [1959] utilizzò osservazioni dall’Isola di Christmas per delineare i contorni della velocità del vento in un periodo di due anni, evidenziando regimi di vento da est e da ovest in discesa graduale.
La scoperta della QBO deve essere attribuita al lavoro indipendente di R. J. Reed negli Stati Uniti e R. A. Ebdon in Gran Bretagna. In un articolo intitolato “The circulation of the stratosphere” presentato al quarantesimo anniversario della American Meteorological Society a Boston, nel gennaio 1960, Reed annunciò la scoperta, utilizzando dati di radiosondaggi (palloni aerostatici) a Canton Island (2,88S), di “bande alternate di venti da est e da ovest che si originano sopra i 30 km e che si muovono verso il basso attraverso la stratosfera alla velocità di circa 1 km al mese”. In sintesi, la scoperta della QBO è attribuita al lavoro indipendente di R.J. Reed negli Stati Uniti e R.A. Ebdon in Gran Bretagna. Reed annunciò la scoperta di bande alternate di venti da est e da ovest nella stratosfera, che si originano sopra i 30 km di altitudine e si muovono verso il basso alla velocità di circa 1 km al mese, utilizzando dati di radiosondaggi raccolti a Canton Island.
Reed sottolineò che le bande “appaiono a intervalli di circa 13 mesi, richiedendo 26 mesi per un ciclo completo”. Questo lavoro fu successivamente pubblicato come Reed et al. [1961]. Anche Ebdon [1960] utilizzò dati da Canton Island, relativi al periodo 1954-1959, per mostrare che l’oscillazione del vento aveva un’apparente periodo di 2 anni. Ebdon e Veryard [1961] utilizzarono ulteriori dati da Canton Island (gennaio 1954 – gennaio 1960) a 50 hPa (ettapascal, pari a millibar) per mostrare che il vento oscillava con un periodo di 25-27 mesi, piuttosto che esattamente 2 anni. In sintesi, Reed evidenziò che le bande di venti comparivano a intervalli di circa 13 mesi, con un ciclo completo di 26 mesi. Anche Ebdon utilizzò dati da Canton Island per mostrare un’apparente periodo di 2 anni per l’oscillazione del vento. Ebdon e Veryard, utilizzando ulteriori dati, evidenziarono che il vento oscillava con un periodo di 25-27 mesi, piuttosto che esattamente 2 anni.
Essi hanno ampliato il precedente studio di Ebdon per includere altre stazioni equatoriali e hanno concluso che le fluttuazioni del vento si verificavano simultaneamente intorno alla fascia equatoriale e hanno stimato che i regimi dei venti (quando i venti equatoriali sono da est o da ovest) impiegavano circa un anno per scendere da 10 a 60 hPa. Veryard ed Ebdon [1961] hanno ampliato questo studio per trovare un periodo dominante di 26 mesi e hanno osservato fluttuazioni simili nella temperatura. In sintesi, Ebdon e Veryard hanno ampliato il loro studio per includere altre stazioni equatoriali e hanno concluso che le fluttuazioni del vento si verificavano simultaneamente intorno alla fascia equatoriale. Hanno stimato che i regimi dei venti impiegavano circa un anno per scendere da 10 a 60 hPa. Successivamente, Veryard ed Ebdon hanno identificato un periodo dominante di 26 mesi e osservato fluttuazioni simili nella temperatura.
Con l’osservazione di un ciclo a più lungo periodo iniziato nel 1963, Angell e Korshover [1964] coniarono il termine “oscillazione quasi-biennale”, che fu accettato e abbreviato in QBO. Molti degli aspetti dinamici della QBO sono illustrati al meglio da una sezione trasversale tempo-altitudine della media mensile del vento zonale (longitudinale) equatoriale (Piatto 1). Idealmente, un tale diagramma sarebbe basato sul vento zonale medio zonalmente, ma l’approssimativa simmetria longitudinale della QBO [Belmont e Dartt, 1968] consente di utilizzare osservazioni rawinsonde da una singola stazione vicino all’equatore. In sintesi, con l’osservazione di un ciclo più lungo a partire dal 1963, Angell e Korshover coniarono il termine “oscillazione quasi-biennale” (QBO). Molti aspetti dinamici della QBO sono meglio illustrati attraverso una sezione tempo-altitudine della media mensile del vento zonale equatoriale. Idealmente, tale diagramma dovrebbe basarsi sul vento zonale medio zonalmente, ma la simmetria longitudinale approssimativa della QBO permette di utilizzare osservazioni rawinsonde da una singola stazione vicino all’equatore.
I regimi di vento alternati si ripetono a intervalli che variano da 22 a 34 mesi, con un periodo medio di poco più di 28 mesi. Le zone di cisallegamento (shear) da ovest (in cui i venti da ovest aumentano con l’altitudine) scendono più regolarmente e rapidamente rispetto alle zone di cisallegamento da est. L’ampiezza di circa 20 m/s è quasi costante da 5 a 40 hPa, ma diminuisce rapidamente quando i regimi del vento scendono al di sotto di 50 hPa. Le osservazioni rawinsonde vengono utilizzate fino a 10 hPa, mentre sopra tale quota vengono utilizzate le razzo-sonde (razzi meteorologici). In sintesi, i regimi di vento alternati si ripetono a intervalli che variano da 22 a 34 mesi, con un periodo medio leggermente superiore a 28 mesi. Le zone di cisallegamento da ovest scendono più regolarmente e rapidamente rispetto a quelle da est. L’ampiezza del vento è quasi costante da 5 a 40 hPa, ma diminuisce rapidamente al di sotto di 50 hPa. Le osservazioni rawinsonde sono utilizzate fino a 10 hPa, mentre le razzo-sonde sono impiegate sopra tale quota.
L’ampiezza della QBO diminuisce a meno di 5 m/s a 1 hPa, vicino alla stratopausa. L’ampiezza della QBO è approssimativamente gaussiana intorno all’equatore con una larghezza di mezza altezza di 12° e poca dipendenza di fase in base alla latitudine all’interno dei tropici [Wallace, 1973]. Sebbene la QBO non sia un’oscillazione biennale, c’è una tendenza a una preferenza stagionale nella fase di inversione [Dunkerton, 1990], così che, ad esempio, l’inizio dei regimi di vento sia da est che da ovest si verifica principalmente durante la tarda primavera dell’emisfero settentrionale (NH) al livello di 50 hPa. In sintesi, l’ampiezza della QBO diminuisce a meno di 5 m/s a 1 hPa, vicino alla stratopausa. L’ampiezza della QBO è approssimativamente gaussiana intorno all’equatore e presenta poca dipendenza dalla latitudine nei tropici. Nonostante la QBO non sia un’oscillazione biennale, esiste una tendenza alla preferenza stagionale nella fase di inversione, in modo tale che l’inizio dei regimi di vento est e ovest avvenga principalmente durante la tarda primavera dell’emisfero settentrionale al livello di 50 hPa.
Le tre caratteristiche più notevoli della QBO che ogni teoria deve spiegare sono: (1) la periodicità quasi-biennale, (2) l’occorrenza di venti zonali simmetrici da ovest all’equatore (la conservazione del momento angolare non consente alla deviazione zonale media di creare un massimo di vento equatoriale da ovest) e (3) la propagazione verso il basso senza perdita di ampiezza. In sintesi, le tre caratteristiche principali della QBO che una teoria deve essere in grado di spiegare sono la periodicità quasi-biennale, l’occorrenza di venti simmetrici da ovest all’equatore e la propagazione verso il basso senza perdita di ampiezza. Queste caratteristiche pongono domande interessanti sulla dinamica dell’atmosfera e i meccanismi che guidano la QBO.
Plate 1. (in alto) Sezione tempo-altezza del vento zonale medio mensile (m s^-1), con il ciclo stagionale rimosso, per il periodo 1964-1990. Al di sotto dei 31 km, vengono utilizzati i dati delle radiosonde equatoriali provenienti dall’Isola di Canton (2,88°N, gennaio 1964 – agosto 1967), dalle Isole Gan/Maldive (0,78°S, settembre 1967 – dicembre 1975) e da Singapore (1,48°N, gennaio 1976 – febbraio 1990). Questa descrizione fa riferimento a una figura che mostra la sezione tempo-altezza del vento zonale medio mensile, con il ciclo stagionale rimosso, per il periodo tra il 1964 e il 1990. I dati utilizzati provengono da diverse stazioni equatoriali, tra cui l’Isola di Canton, le Isole Gan/Maldive e Singapore. La figura illustra la propagazione della QBO nel tempo e in altezza, mostrando come i regimi di vento da est e da ovest si alternano e si propagano verso il basso nell’atmosfera.
Al di sopra dei 31 km, sono mostrati i dati delle rocketsonde provenienti da Kwajalein (8,78°N) e dall’Isola di Ascensione (8,08°S). L’intervallo di contorno è di 6 m/s, con la fascia tra -3 e 3 non ombreggiata. Il rosso rappresenta venti positivi (da ovest). Dopo Gray et al. [2001]. Nel pannello inferiore, i dati sono filtrati in banda per mantenere periodi compresi tra 9 e 48 mesi. Questa descrizione si riferisce a un’altra parte della figura menzionata in precedenza, in cui i dati sopra i 31 km provengono da stazioni di rocketsonde situate a Kwajalein e all’Isola di Ascensione. La figura mostra venti positivi (da ovest) in rosso e utilizza un intervallo di contorno di 6 m/s. Nel pannello inferiore, i dati sono filtrati per mantenere solo le oscillazioni con periodi compresi tra 9 e 48 mesi, evidenziando ulteriormente la propagazione della QBO nel tempo e in altezza.
Plate 2 fornisce una panoramica dinamica della QBO durante l’inverno boreale. La propagazione di varie onde tropicali è rappresentata da frecce arancioni, con la QBO guidata dalle onde di gravità, inerziali-gravitazionali, Kelvin e Rossby-gravity che si propagano verso l’alto. La propagazione delle onde planetarie (frecce viola) è mostrata a latitudini medie e alte. I contorni neri indicano la differenza nei venti zonali medi zonali tra le fasi est e ovest della QBO, dove la fase QBO è definita dal vento equatoriale a 40 hPa. Le anomalie orientali sono in azzurro chiaro, mentre le anomalie occidentali sono in rosa. Nei tropici, i contorni sono simili ai valori del vento osservati quando la QBO è orientale. La QBO mesosferica (MQBO) è mostrata sopra circa 80 km, mentre i contorni del vento tra circa 50 e 80 km sono tratteggiati a causa dell’incertezza delle osservazioni. Questa descrizione fa riferimento a un’immagine o a una figura che mostra visivamente le interazioni tra le onde atmosferiche e i venti zonali associati alla QBO, nonché le anomalie di vento risultanti a diverse altitudini e latitudini.
ricerca di una spiegazione per il fenomeno chiamato “Quasi-Biennial Oscillation” (QBO)
Al momento della scoperta della QBO, non c’erano osservazioni di onde atmosferiche tropicali e non esisteva una teoria che ne prevedesse l’esistenza. La ricerca di una spiegazione per la QBO inizialmente coinvolse una serie di possibili cause: un meccanismo di retroazione interna, un periodo naturale di oscillazione atmosferica, un processo esterno o una combinazione di questi meccanismi. Tutti questi tentativi non riuscirono a spiegare caratteristiche come la propagazione verso il basso e il mantenimento dell’ampiezza della QBO (e quindi l’aumento della densità di energia) durante la discesa.(In altre parole, quando la QBO è stata scoperta, gli scienziati cercarono di trovare una spiegazione per questo fenomeno esaminando diverse cause possibili. Tuttavia, nessuna di queste cause è riuscita a spiegare alcune caratteristiche specifiche della QBO, come il modo in cui si propaga verso il basso nell’atmosfera e come mantiene la sua ampiezza (e quindi la densità di energia) durante la discesa.)
In sostanza, si desume che è necessario un forzamento da parte di onde asimmetriche zonali per spiegare il massimo del vento equatoriale da ovest. Wallace e Holton (1968) hanno cercato di guidare la QBO in un modello numerico attraverso sorgenti di calore o attraverso onde planetarie extratropicali che si propagano verso l’equatore. Hanno dimostrato in modo piuttosto conclusivo che il trasferimento di momento laterale da parte delle onde planetarie non poteva spiegare la propagazione verso il basso della QBO senza perdita di ampiezza. Hanno poi compreso un aspetto fondamentale: l’unico modo per riprodurre le osservazioni era avere una forza motrice (una sorgente di momento) che si propagasse effettivamente verso il basso con i venti equatoriali medi. Questa realizzazione ha aiutato gli scienziati a sviluppare una teoria più accurata e coerente con le osservazioni sul funzionamento della QBO e sulle forze che la guidano.
Il documento fondamentale di Booker e Bretherton (1967) sull’assorbimento delle onde di gravità a un livello critico ha fornito lo spunto che avrebbe portato a comprendere come la QBO viene guidata (si veda Lindzen (1987) per una recensione storica dello sviluppo della teoria della QBO). È stata l’intuizione di Lindzen a capire che le onde di gravità che si propagano verticalmente potrebbero fornire il forzamento ondoso necessario per la QBO. Lindzen e Holton (1968) hanno mostrato esplicitamente in un modello bidimensionale (2-D) come una QBO potesse essere guidata da un ampio spettro di onde di gravità che si propagano verticalmente (includendo velocità di fase sia in direzione ovest sia in direzione est) e che l’oscillazione si sviluppava attraverso un meccanismo interno che coinvolgeva un feedback bidirezionale tra le onde e il flusso di fondo.(In altre parole, questi scienziati hanno scoperto che le onde di gravità verticali erano fondamentali per guidare la QBO. Hanno dimostrato che un’ampia varietà di onde di gravità verticali interagisce con il flusso di fondo atmosferico, dando origine all’oscillazione quasi-biennale. Questa scoperta ha rappresentato un passo importante nella comprensione delle forze che guidano la QBO e del modo in cui esse interagiscono tra loro.)
Il passaggio descrive il feedback bidirezionale tra le onde di gravità e il flusso di fondo atmosferico, che è un meccanismo chiave nel guidare la QBO. Il feedback è composto da due parti:
- La prima parte del feedback riguarda l’effetto del flusso di fondo sulla propagazione delle onde (e quindi sui flussi di momento). In altre parole, come il flusso atmosferico di fondo influisce sulla propagazione delle onde di gravità e sulla trasmissione del momento tra le onde e l’atmosfera.
- La seconda parte del feedback riguarda l’effetto dei flussi di momento sul flusso di fondo. Questo si riferisce a come il momento trasmesso dalle onde di gravità all’atmosfera influisce sul flusso atmosferico di fondo stesso.
Il modello di Lindzen e Holton ha rappresentato il comportamento delle onde e il loro effetto sul flusso di fondo attraverso una semplice parametrizzazione. L’oscillazione modellata ha assunto la forma di un modello di venti orientali (da est) e occidentali (da ovest) che si propaga verso il basso. Questo modello ha contribuito a spiegare alcune delle caratteristiche osservate nella QBO, come la propagazione verso il basso e il mantenimento dell’ampiezza dell’oscillazione.
Un importante corollario al lavoro di Lindzen e Holton era che il periodo dell’oscillazione era controllato, in parte, dai flussi di momento delle onde, il che significa che era possibile una gamma di periodi. Il fatto che l’oscillazione osservata avesse un periodo vicino a un sottomultiplo del ciclo annuale era quindi una pura coincidenza.(In altre parole, la durata dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) è influenzata dai flussi di momento delle onde di gravità, il che implica che la QBO potrebbe avere una varietà di periodi possibili. Tuttavia, il periodo osservato della QBO, che è vicino a un sottomultiplo del ciclo annuale, non è intrinsecamente legato a tale ciclo, ma piuttosto una coincidenza. Questa scoperta ha fornito ulteriori informazioni sulla natura della QBO e sulle forze che la guidano.)
Affermare che il forzamento della QBO fosse attribuibile alle onde di gravità equatoriali che si propagano verso est e verso ovest è stata un’asserzione audace, considerando che la maggior parte delle prove osservative delle onde doveva ancora arrivare. La teoria delle onde equatoriali fu sviluppata per la prima volta alla fine degli anni ’60, parallelamente alla teoria della QBO. Le soluzioni teoriche includevano una modalità di Rossby e una modalità che divenne nota come la modalità (mista) di Rossby-gravità. (In sintesi, quando la teoria della QBO è stata sviluppata, gli scienziati non avevano ancora molte prove osservative delle onde di gravità equatoriali. Tuttavia, hanno ipotizzato che queste onde fossero la forza trainante della QBO. Nel frattempo, la teoria delle onde equatoriali è stata sviluppata, e ha portato alla comprensione di diverse modalità, tra cui la modalità di Rossby e la modalità di Rossby-gravità mista. Questi sviluppi teorici hanno aiutato gli scienziati a comprendere meglio il ruolo delle onde equatoriali e la loro relazione con la QBO.)
Una terza soluzione teorica, una modalità di gravità che si propaga verso est, è stata chiamata modalità equatoriale di Kelvin. Maruyama (1967) mostrò osservazioni coerenti con una modalità di Rossby-gravità che si propaga verso ovest. Wallace e Kousky (1968a) furono i primi a mostrare osservazioni di onde di Kelvin equatoriali nella stratosfera inferiore e notarono che l’onda produceva un flusso verso l’alto di momento zonale da ovest, che poteva spiegare l’accelerazione zonale da ovest associata alla QBO. Un’accelerazione netta zonale da est è invece fornita dalle onde di Rossby-gravità [Bretherton, 1969]. (In sintesi, oltre alle modalità di Rossby e Rossby-gravità mista, è stata identificata una terza modalità chiamata modalità equatoriale di Kelvin. Questa modalità è caratterizzata dalla propagazione verso est e gioca un ruolo importante nel fornire il momento zonale da ovest associato alla QBO. Al contrario, le onde di Rossby-gravità contribuiscono all’accelerazione zonale da est. Queste scoperte hanno arricchito la comprensione degli scienziati sulle onde equatoriali e il loro ruolo nel guidare la QBO.)
Holton e Lindzen (1972) hanno affinato il lavoro di Lindzen e Holton (1968) simulando, in un modello monodimensionale (1-D), una QBO (Quasi-Biennial Oscillation, ovvero Osservazione Quasi-Biennale) guidata da onde Kelvin in propagazione verticale, che contribuiscono con una forza da ovest, e da onde di Rossby-gravity, che contribuiscono con una forza da est. Le ampiezze osservate di queste onde, sebbene piccole, erano probabilmente (dato il limitato numero di osservazioni delle onde equatoriali) sufficienti per guidare la QBO. Il meccanismo di Holton e Lindzen è rimasto il paradigma accettato per la QBO per oltre due decenni. In parole semplici, Holton e Lindzen hanno migliorato un precedente studio sulla QBO, un fenomeno atmosferico che riguarda i venti equatoriali. Hanno utilizzato un modello 1-D per simulare come le onde Kelvin e le onde di Rossby-gravity influenzano la QBO. Nonostante le ampiezze di queste onde fossero piccole, erano comunque ritenute abbastanza grandi da influenzare la QBO. Questo meccanismo è stato considerato valido per oltre 20 anni.
Il modello concettuale della QBO, che costituiva la base del modello di Lindzen e Holton [1968], è stato fortemente supportato dall’ingegnoso esperimento di laboratorio di Plumb e McEwan [1978]. Nel loro esperimento, hanno utilizzato un fluido stratificato di sale contenuto in un grande anello. Il confine inferiore dell’anello era costituito da una membrana flessibile che oscillava su e giù per produrre onde di gravità in propagazione verticale che viaggiavano in senso orario e antiorario intorno all’anello. In pratica, Plumb e McEwan hanno creato un esperimento di laboratorio per simulare e sostenere il modello concettuale della QBO proposto da Lindzen e Holton. L’uso di un fluido stratificato di sale in un anello e di una membrana flessibile che genera onde di gravità ha permesso di ricreare in modo controllato le condizioni che influenzano la QBO nella Terra. Questo esperimento ha fornito ulteriori prove a sostegno del modello proposto da Lindzen e Holton per comprendere la QBO e il suo comportamento nell’atmosfera terrestre.
Le onde di gravità viaggiavano in senso orario e antiorario intorno all’anello. Per onde di ampiezza sufficiente, si instaurava un regime di flusso medio indotto dalle onde, caratterizzato da inversioni periodiche del flusso medio che progrediva verso il basso. Questo esperimento, che rimane uno degli esempi più significativi di un’analogia di laboratorio per un flusso geofisico su larga scala, dimostrava che il paradigma teorico per la QBO era coerente con il comportamento di un vero sistema fluido. In altre parole, l’esperimento di Plumb e McEwan ha mostrato che il modello teorico proposto per la QBO era in linea con il comportamento di un sistema fluido reale. Le inversioni periodiche del flusso medio osservate nell’esperimento hanno fornito una valida rappresentazione del fenomeno atmosferico su larga scala, confermando la validità del modello concettuale della QBO presentato da Lindzen e Holton [1968].
Sebbene le ampiezze osservate delle onde Kelvin e delle onde miste di Rossby-gravity possano essere sufficienti per guidare una QBO nei modelli ideali dell’atmosfera, Gray e Pyle [1989] hanno scoperto che era necessario aumentare le ampiezze delle onde di un fattore 3 rispetto a quelle osservate per ottenere una QBO realistica in un modello completo radiativo-dinamico-fotochimico. Questo significa che, per ottenere una rappresentazione accurata della QBO in un modello più complesso e completo che tenga conto dei processi radiativi, dinamici e fotochimici dell’atmosfera, Gray e Pyle hanno dovuto aumentare le ampiezze delle onde coinvolte. L’aumento di un fattore 3 suggerisce che, nei modelli ideali, le ampiezze osservate potrebbero non essere sufficienti per rappresentare correttamente il fenomeno della QBO. Pertanto, è importante considerare questi fattori quando si studia e si modella la QBO in contesti più realistici.
Dunkerton [1991a, 1997] e McIntyre [1994] hanno sottolineato che il tasso osservato di risalita tropicale (circa 1 km al mese) richiede effettivamente che i regimi di vento della QBO si propaghino verso il basso molto più velocemente di quanto si pensasse, rispetto al moto dell’aria di fondo, poiché l’intera stratosfera tropicale si sta muovendo verso l’alto. Questo fatto raddoppia oltre il trasporto di momento richiesto dalle onde equatoriali in propagazione verticale. Ciò significa che, considerando il tasso di risalita tropicale osservato, i regimi di vento associati alla QBO devono propagarsi verso il basso a una velocità maggiore rispetto a quanto precedentemente ipotizzato. A causa di questo movimento più veloce, le onde equatoriali in propagazione verticale devono trasportare una quantità di momento (cioè la forza che fa cambiare il vento) maggiore rispetto a quanto si pensava inizialmente. Questa scoperta ha implicazioni importanti per la comprensione del fenomeno della QBO e per la modellazione delle sue interazioni con l’atmosfera terrestre.
Le osservazioni indicano che le onde miste di Rossby-gravity e Kelvin non possono fornire una forzante sufficiente per guidare la QBO con il periodo osservato. Dunkerton [1997] ha dedotto che un flusso di momento aggiuntivo deve essere fornito da uno spettro ampio di onde di gravità simili a quelle ipotizzate da Lindzen e Holton [1968]. Questo suggerisce che le onde Kelvin e le onde miste di Rossby-gravity, da sole, non sono in grado di spiegare completamente la QBO e il suo periodo osservato. Per comprendere meglio il fenomeno, Dunkerton propone che sia necessario considerare anche un ampio spettro di onde di gravità, come suggerito originariamente da Lindzen e Holton. Queste onde di gravità aggiuntive potrebbero fornire il flusso di momento necessario per guidare la QBO in maniera più accurata e coerente con le osservazioni reali.
Sebbene la QBO sia un fenomeno tropicale, influisce sulla stratosfera globale, come mostrato per la prima volta da Holton e Tan [1980]. Attraverso la modulazione dei venti, delle temperature, delle onde extratropicali e della circolazione nel piano meridionale, la QBO influisce sulla distribuzione e sul trasporto di componenti chimici in tracce e potrebbe essere un fattore nella riduzione dell’ozono stratosferico. Pertanto, la comprensione della QBO e dei suoi effetti globali è necessaria per gli studi sulla variabilità a lungo termine o sulle tendenze dei gas in tracce e degli aerosol. In sintesi, la QBO, pur essendo un fenomeno atmosferico concentrato nelle regioni tropicali, ha un impatto significativo sulla stratosfera a livello globale. Le sue interazioni con vari elementi atmosferici possono influenzare la distribuzione di sostanze chimiche e contribuire alla riduzione dell’ozono stratosferico. Per questo motivo, è fondamentale comprendere il funzionamento della QBO e i suoi effetti a scala globale quando si studiano le tendenze e le variazioni a lungo termine di gas e aerosol presenti nell’atmosfera.
2 (QBO) e i suoi effetti globali
2.1. Zonal Wind
Questa parte del testo descrive una figura (Figure 1) che mostra un composito del QBO, ovvero l’Oscillazione Quasi-Biennale (in inglese, Quasi-Biennial Oscillation), un fenomeno atmosferico che riguarda i venti equatoriali nella stratosfera terrestre. La figura è basata sullo studio di Pawson et al., 1993. Il testo menziona che la fase di venti da ovest (westerly phase) si propaga verso il basso in modo più rapido e regolare, mentre la fase di venti da est (easterly phase) è caratterizzata da un’intensità maggiore e una durata più lunga. La media del periodo del QBO per i dati tra il 1953 e il 1995 è di 28,2 mesi, leggermente più lunga rispetto ai 27,7 mesi ottenuti dalla serie temporale più breve di Naujokat (1986). La deviazione standard (un’unità di misura della variabilità) intorno al composito del QBO è mostrata in Figure 1 e indica massimi di variabilità vicino alle zone di shear (zone di cambio di velocità) dei venti in discesa, sia easterly che westerly (più grande per la fase westerly). Questo riflette principalmente variazioni nella durata di ciascuna fase, come mostrato in Plate 1. In sintesi, il testo descrive un’analisi del QBO, un fenomeno atmosferico equatoriale, mostrando come le fasi dei venti da est e da ovest si propagano e variano in intensità e durata nel tempo. Dunkerton (1990) ha dimostrato che il QBO (Oscillazione Quasi-Biennale) potrebbe essere in qualche modo sincronizzato con il ciclo annuale, mostrando che l’inizio del regime di venti da est (easterly) a 50 hPa tende a verificarsi durante la tarda primavera o l’estate dell’emisfero nord (NH). L’analisi di Dunkerton viene aggiornata nella Figura 2, che mostra l’inizio di ciascun regime di vento a 50 hPa. Le transizioni sia easterly che westerly mostrano entrambe una forte preferenza per verificarsi nel periodo tra aprile e giugno. In sostanza, questo passaggio sottolinea che il QBO, un fenomeno atmosferico che riguarda i venti equatoriali nella stratosfera terrestre, potrebbe essere legato al ciclo annuale e che le transizioni tra i diversi regimi di vento hanno una maggiore probabilità di avvenire tra aprile e giugno. La struttura latitudinale del QBO nei venti zonali è mostrata nella Figura 3, derivata da lunghe serie temporali di osservazioni del vento in molte stazioni tropicali [Dunkerton e Delisi, 1985]. L’ampiezza del QBO è simmetrica in termini di latitudine e il massimo è centrato sull’equatore, con una larghezza meridionale di circa 12°. Una struttura simile del QBO è ottenuta dalle analisi meteorologiche assimilate, ma l’ampiezza è spesso sottostimata rispetto alle misurazioni dei radiosondaggi [Pawson e Fiorino, 1998; Randel et al., 1999].In altre parole, questo passaggio descrive la distribuzione geografica del QBO in termini di latitudine e la sua simmetria rispetto all’equatore. Tuttavia, si sottolinea che le analisi meteorologiche assimilate tendono a sottostimare l’ampiezza del QBO rispetto alle misurazioni dirette ottenute attraverso radiosondaggi.
La Figura 1 mostra un grafico composito dell’oscillazione quasi-biennale (QBO) in base alla transizione tra i venti da est (easterly) e da ovest (westerly) a 20 hPa. Il mese di transizione è stato scelto come il primo mese in cui i venti da ovest erano presenti a 20 hPa. I venti da ovest sono ombreggiati e l’oscurità aumenta ad intervalli di 5 m/s (che è l’intervallo dei contorni). L’asse temporale si estende da 5 mesi prima della transizione est-ovest a 20 hPa fino a 42 mesi dopo.In sintesi, la Figura 1 rappresenta un’analisi grafica del QBO, evidenziando la transizione tra i venti easterly e westerly a 20 hPa. Il grafico mostra la distribuzione temporale di queste transizioni, con le zone ombreggiate che indicano i venti westerly e la variazione di intensità del vento in intervalli di 5 m/s. L’asse temporale si estende da 5 mesi prima della transizione est-ovest a 20 hPa fino a 42 mesi dopo. La regolarità del QBO è evidenziata dall’esistenza di una seconda fase westerly, che inizia a 20 hPa circa 29 mesi dopo l’inizio iniziale. Il pannello inferiore mostra la deviazione standard rispetto a questo QBO medio, con un intervallo di contorno/livello di ombreggiatura di 4 m/s. La variabilità maggiore si verifica nelle vicinanze delle linee di shear (zone di cambio di velocità) ed è dovuta al periodo variabile del QBO e al fatto che la durata di ciascuna fase a qualsiasi livello è lunga rispetto al tempo di transizione. In sintesi, il testo descrive come la regolarità del QBO sia evidente grazie alla presenza di una seconda fase westerly che inizia circa 29 mesi dopo l’inizio iniziale. La deviazione standard, che misura la variabilità, è maggiore nelle aree vicine alle linee di shear e ciò è attribuito al periodo variabile del QBO e alla durata delle singole fasi rispetto al tempo di transizione tra le fasi.
La Figura 2 mostra degli istogrammi che rappresentano il numero di transizioni (incrociamenti dello zero) a 50 hPa raggruppati per mese. Gli anni individuali sono elencati nelle caselle. Le transizioni da venti easterly a westerly sono mostrate nel pannello superiore, mentre le transizioni da venti westerly a easterly sono mostrate nel pannello inferiore. La figura si basa sullo studio di Pawson et al. [1993]. In sintesi, la Figura 2 presenta degli istogrammi che illustrano la distribuzione mensile delle transizioni tra i venti easterly e westerly a 50 hPa. Il pannello superiore mostra le transizioni da easterly a westerly, mentre il pannello inferiore mostra le transizioni da westerly a easterly. Questa visualizzazione aiuta a comprendere la frequenza e la stagionalità delle transizioni tra le diverse fasi del QBO.
La Tavola 2 (Plate 2) fornisce una panoramica del QBO, delle sue fonti e dei suoi effetti dinamici globali, nonché una base per la discussione dei dettagli del QBO nelle sezioni seguenti. Il diagramma copre la troposfera, la stratosfera e la mesosfera da polo a polo e mostra schematicamente le differenze nei venti zonali vicino alla mesopausa, noti come QBO mesosferico o MQBO (sezione 6). In sintesi, Plate 2 è un diagramma che offre una visione d’insieme del QBO, illustrando le sue origini e come influisce sulla dinamica dell’atmosfera terrestre. Il diagramma copre tutte le principali fasce dell’atmosfera (troposfera, stratosfera e mesosfera) e mette in evidenza le differenze nei venti zonali vicino alla mesopausa, fenomeno conosciuto come MQBO. Questa figura fornisce un contesto per la discussione più dettagliata del QBO nelle sezioni seguenti del testo.
La Tavola 2 (Plate 2) fornisce una panoramica del QBO, delle sue fonti e dei suoi effetti dinamici globali, nonché una base per la discussione dei dettagli del QBO nelle sezioni seguenti. Il diagramma copre la troposfera, la stratosfera e la mesosfera da polo a polo e mostra schematicamente le differenze nei venti zonali tra le fasi easterly e westerly del QBO a 40 hPa. In sintesi, Plate 2 è un diagramma che offre una visione d’insieme del QBO, illustrando le sue origini e come influisce sulla dinamica dell’atmosfera terrestre. Il diagramma copre tutte le principali fasce dell’atmosfera (troposfera, stratosfera e mesosfera) e mette in evidenza le differenze nei venti zonali tra le fasi easterly e westerly del QBO a 40 hPa. Questa figura fornisce un contesto per la discussione più dettagliata del QBO nelle sezioni seguenti del testo.
La convezione è il processo in cui l’aria calda e umida si solleva, si raffredda e si condensa, formando nuvole e precipitazioni. La convezione nella troposfera tropicale avviene su diverse scale, dalla mesoscala (100 km) alle dimensioni planetarie, e genera un ampio spettro di onde, tra cui onde di gravità, inerziali-gravitazionali, Kelvin e Rossby-gravity. Queste onde si propagano verticalmente e orizzontalmente con diverse lunghezze d’onda e velocità di fase. Queste onde trasportano momento zonale (cioè, energia e impulso) sia est che ovest nella stratosfera, dove la maggior parte di questo momento viene depositata. Il deposito di questo momento zonale contribuisce a guidare le anomalie del vento zonale dell’Oscillazione quasi biennale (QBO), un fenomeno meteorologico che coinvolge cambiamenti regolari nella direzione e intensità dei venti stratosferici equatoriali.
Per ciascuna onda, il profilo verticale del vento zonale determina il livello critico al di sotto del quale il momento viene depositato. I livelli critici per queste onde dipendono, in parte, dalle zone di cisalamento dell’Oscillazione quasi biennale (QBO). Le zone di cisalamento si riferiscono alle aree in cui la direzione e la velocità dei venti cambiano rapidamente con l’altitudine. Alcune onde di gravità si propagano attraverso l’intera stratosfera e generano una QBO vicino alla mesopausa, nota come QBO mesosferica (MQBO). La mesopausa è il limite tra la mesosfera e la termosfera ed è la regione più fredda dell’atmosfera terrestre. In sintesi, il passaggio delle onde nella stratosfera e la loro interazione con il vento zonale influenzano la formazione e la manutenzione della QBO e della MQBO. Il livello critico di ciascuna onda è determinato dal profilo verticale del vento zonale e dalle zone di cisalamento associate alla QBO.
Nella stratosfera tropicale inferiore, le velocità medie del vento sono generalmente basse. Pertanto, la differenza tra i venti est e ovest (come mostrato nel “composite” della Plate 2) appare simile ai venti reali durante la fase est della QBO. Alle alte latitudini, c’è un marcato ciclo annuale, con venti forti da ovest durante la stagione invernale. A nord dell’equatore, nella stratosfera inferiore, i venti tropicali alterano il “waveguide” effettivo, cioè il percorso preferenziale per le onde planetarie che si propagano verso l’alto e verso l’equatore (rappresentate dalle frecce curve viola). Un waveguide è una struttura che guida e confina le onde atmosferiche in modo da farle propagare in una certa direzione. In altre parole, la struttura dei venti nella stratosfera tropicale inferiore e alle alte latitudini influisce sulla propagazione delle onde atmosferiche, inclusa la direzione e l’intensità delle onde planetarie che si propagano verso l’alto e verso l’equatore. Questa interazione tra venti e onde è un aspetto fondamentale della dinamica atmosferica e del suo impatto sui fenomeni meteorologici.
L’effetto della struttura del vento zonale durante la fase est della QBO è quello di concentrare maggiormente l’attività delle onde verso il polo. Qui, le onde convergono e rallentano il flusso zonale medio. Di conseguenza, il vortice polare a nord di circa 45°N mostra venti occidentali più deboli (o un’anomalia orientale, mostrata in azzurro chiaro). Le anomalie dei venti ad alta latitudine penetrano nella troposfera e forniscono un meccanismo attraverso il quale la QBO può avere una piccola influenza sui modelli meteorologici troposferici (sezione 6). In altre parole, le variazioni nella struttura dei venti zonali durante la fase est della QBO possono alterare la propagazione delle onde atmosferiche e, di conseguenza, modificare la circolazione dell’aria alle alte latitudini e la dinamica del vortice polare. Queste anomalie del vento possono influenzare anche i fenomeni meteorologici nella troposfera, sebbene l’impatto sia generalmente limitato.
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