Tropical Cold Point Tropopause Characteristics Derived from ECMWF Reanalyses and Soundings

Caratteristiche della Tropopausa Tropicale al Punto Freddo Derivate dalle Rianalisi ECMWF e dai Sondaggi Radiosondati

Le analisi delle caratteristiche della tropopausa tropicale al punto freddo (CPT) sono state condotte utilizzando le rianalisi ECMWF insieme ai dati ad alta risoluzione ottenuti tramite radiosondaggi durante il programma TOGA COARE, oltre ai dati standard dei sondaggi operativi. Si è constatato che le rianalisi ECMWF sono adeguate per esaminare la morfologia e le variazioni della CPT tropicale su tutto il territorio tropicale, nonostante un bias costante verso temperature leggermente più alte.

Le posizioni giornaliere della CPT più fredda si concentrano nella regione del bacino caldo del Pacifico occidentale in gennaio e si disperdono longitudinalmente nel corso dell’anno. Durante il monsone estivo indiano, queste posizioni tendono a spostarsi verso nord.

Inoltre, è stata applicata una regressione bivariata per distinguere gli effetti dell’oscillazione quasi biennale (QBO) e dell’El Niño-Oscillazione Meridionale (ENSO) sulla CPT tropicale. Si è osservato che il taglio del vento zonale stratosferico a 50 mb anticipa di circa sei mesi le variazioni delle temperature della CPT. Il segnale del QBO nella CPT è prevalentemente simmetrico e coerente con la circolazione meridionale del QBO stratosferico tropicale che si propaga verso il basso. Le temperature della CPT e le anomalie della temperatura superficiale del mare nella regione Niño-3.4 mostrano una correlazione simultanea. Le manifestazioni dell’ENSO nella CPT si evidenziano in strutture a doppio polo est-ovest e a manubrio nord-sud, spiegabili con le modifiche nei fenomeni convettivi legati agli eventi ENSO.

Viene anche discussa l’interazione tra gli effetti di QBO e ENSO sulla CPT tropicale, oltre agli effetti delle oscillazioni quasi biennali nelle anomalie di temperatura superficiale del mare. Le variazioni a bassa frequenza della CPT, correlate a QBO e ENSO, potrebbero essere una delle cause della variabilità interannuale del vapore acqueo stratosferico, influenzando così i valori di ingresso del rapporto di miscelazione del vapore acqueo dalla CPT tropicale alla stratosfera.

1. Introduzione

È ampiamente accettato che la circolazione residua, caratterizzata da risalita nei Tropici e da discesa nelle regioni polari, sia predominante nello Scambio Stratosfera-Troposfera (STE). Inoltre, si ritiene che le basse temperature della tropopausa tropicale siano determinanti per mantenere la stratosfera secca (Holton et al., 1995). Nonostante ciò, l’interazione tra la troposfera e la stratosfera tropicale rimane poco chiara in diversi aspetti.

Newell e Gould-Stewart (1981) hanno osservato che le temperature della tropopausa sono sufficientemente basse per spiegare i rapporti di miscelazione del vapore acqueo nella stratosfera inferiore solamente in alcuni mesi e in specifiche località. Hanno identificato temperature adeguatamente fredde soprattutto nella regione del bacino caldo del continente marittimo a gennaio, e, in misura minore, nella regione del monsone estivo indiano a luglio. Questo ha portato alla formulazione dell’ipotesi della “fontana stratosferica”, secondo cui l’aria troposferica entra nella stratosfera principalmente in questi momenti e luoghi privilegiati.

Dessler (1998), rianalizzando l’ipotesi della fontana stratosferica, ha confrontato le stime del valore di ingresso del vapore acqueo nella stratosfera ottenuto dalle osservazioni stratosferiche in latitudini medie con stime medie annue e zonali del rapporto di saturazione minimo alla tropopausa tropicale. Sulla base dei calcoli effettuati per il periodo 1994-97, Dessler ha concluso che l’ipotesi della fontana stratosferica non è necessaria, suggerendo che l’aria troposferica possa entrare nella stratosfera in qualsiasi longitudine nei Tropici, non solo in regioni e tempi preferenziali. Tuttavia, Zhou et al. (2001) hanno individuato una tendenza al raffreddamento delle temperature della tropopausa tropicale esaminando un set di dati esteso usato anche da Dessler (1998), il quale aveva selezionato gli anni più freddi dal 1973 a quella data. Questa tendenza al raffreddamento supporta ancora la validità dell’ipotesi della fontana stratosferica.

Il presente studio è dedicato all’esplorazione della morfologia e della variabilità della Tropopausa a Punto Freddo Tropicale (CPT) per fornire una base solida per studi futuri su questi temi. Caratteristiche rilevanti della tropopausa tropicale sono state discusse in precedenti lavori (ad esempio, Reid e Gage 1981, 1985, 1996; Frederick e Douglass 1983; Gage e Reid 1987). Questo studio si distingue dai precedenti in tre principali aspetti:

1. Si focalizza sulla CPT piuttosto che sulla tropopausa definita dal tasso di lapse rate. Mentre esistono diverse definizioni di tropopausa, la tropopausa a tasso di lapse rate della World Meteorological Organization (WMO) risulta meno significativa nei Tropici. La CPT è considerata più pertinente per lo Scambio Troposfera-Stratosfera (STE) nei Tropici (Highwood e Hoskins 1998).
2. Studi precedenti erano limitati a poche stazioni di sondaggio nei Tropici. Questo studio presenta caratteristiche della CPT su tutto il territorio tropicale.
3. Verranno illustrate alcune variabilità della CPT tropicale non precedentemente riportate, inclusi il ciclo stagionale della fontana stratosferica e le variabilità a bassa frequenza legate all’oscillazione quasi-biennale stratosferica (QBO) e all’oscillazione meridionale El Niño (ENSO).

Il documento procede come segue: nella sezione 2, valutiamo l’affidabilità delle rianalisi del Centro Europeo per le Previsioni Meteo a Medio Termine (ECMWF) per studiare la variabilità della tropopausa tropicale e descriviamo le caratteristiche orizzontali della CPT tropicale, con particolare attenzione alla fontana stratosferica. Nella sezione 3, esaminiamo le variabilità della CPT correlate al QBO e all’ENSO. La sezione 4 contiene ulteriori discussioni su temi correlati, e l’ultima sezione offre un riassunto dell’articolo.

Definizioni chiave e background:

• La “fontana stratosferica” è un termine storico che descrive la regione dove la tropopausa tropicale è sufficientemente fredda da deidratare i pacchetti d’aria che entrano nella stratosfera, in linea con le basse concentrazioni osservate di vapore acqueo stratosferico. Studi recenti suggeriscono che il Pacifico occidentale potrebbe agire più come uno “scarico stratosferico” piuttosto che come una fontana, a causa delle dinamiche del campo dei venti. Tuttavia, ulteriori indagini sono necessarie per confermare se il Pacifico occidentale sia una fontana o uno scarico per la stratosfera.
• La “tropopausa” nel contesto di questo studio è definita come il punto in cui si trova il minimo Rapporto di Miscelazione di Saturazione (SMR) del vapore acqueo rispetto al ghiaccio nel profilo verticale. La CPT è identificata come la posizione della temperatura minima nel profilo verticale della temperatura. Abbiamo constatato che la differenza tra la tropopausa a temperatura minima e quella a SMR minimo è trascurabile, permettendoci di utilizzare il termine CPT per riferirci a entrambe senza introdurre nuovi termini.

2. Confronto dei dati e caratteristiche della CPT

In questo studio vengono utilizzati tre principali insiemi di dati: le rianalisi ECMWF (Gibson et al. 1997), i sondaggi con pallone ad alta risoluzione realizzati durante il Tropical Oceans and Global Atmosphere Coupled Ocean–Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE), e i dati operativi di radiosondaggi. Le rianalisi del National Centers for Environmental Prediction (NCEP) sono state impiegate solo per confronti brevi e puntuali. Come indicatori dell’oscillazione quasi-biennale stratosferica (QBO) e dell’oscillazione meridionale El Niño (ENSO) sono stati usati rispettivamente lo shear del vento zonale stratosferico a 50 mb su Singapore e le anomalie della temperatura superficiale del mare (SSTA) nella regione Niño-3.4 (5°N–5°S, 120°W–170°W).

Le rianalisi ECMWF utilizzate sono state quelle grigliate (2,5° x 2,5°), disponibili a 17 livelli di pressione standard quattro volte al giorno dal 1979 al 1993. Queste rianalisi, pur avendo una copertura globale, presentano un’interpolazione spaziale verticale grossolana vicino alla tropopausa tropicale, con livelli di pressione che includono 200, 150, 100, 70 e 50 mb. Pertanto, è necessario interpolare le proprietà della CPT tropicale (pressione, temperatura, altezza, SMR) derivanti dalle rianalisi ECMWF, che sono una combinazione di modello e dati osservativi.

Inoltre, sono stati utilizzati i dati operativi di radiosondaggi raccolti tra il 1973 e il 1998, che tipicamente presentano tra 5 e 20 registrazioni nel range di pressione da 70 a 200 mb. Questo consente di ottenere interpolazioni più precise delle proprietà della tropopausa. Per determinare la tropopausa a punto freddo, è stata impiegata un’interpolazione spline cubica basata sul logaritmo della pressione, sia per le rianalisi ECMWF che per i dati dei sondaggi operativi.

I sondaggi TOGA COARE, disponibili per un periodo di un anno (da luglio 1992 a giugno 1993) per stazioni limitate come Kapingamarangi (1.078°N, 154.808°E), e per circa quattro mesi (da novembre 1992 a febbraio 1993) per la maggior parte delle stazioni partecipanti, sono stati rilasciati quattro volte al giorno, con dati registrati ogni 10 secondi. Grazie alla loro elevata risoluzione verticale, i sondaggi TOGA COARE permettono di determinare direttamente la CPT dalle osservazioni.

Nel corso dello studio, verranno sfruttati i vantaggi di ciascun insieme di dati per scopi diversi, al fine di approfondire la comprensione delle caratteristiche e della variabilità della CPT tropicale.

Nel nostro studio, abbiamo calcolato le proprietà della CPT dalle rianalisi ECMWF quattro volte al giorno e le abbiamo mediate per ottenere una media giornaliera. Queste medie giornaliere sono state conservate per analisi successive. La Figura 1 illustra il confronto tra le proprietà medie giornaliere della CPT a Kapingamarangi e quelle nel punto di griglia ECMWF più vicino. I dati di sondaggio TOGA COARE a Kapingamarangi erano disponibili dall’11 luglio 1992 al 29 giugno 1993. Abbiamo escluso i giorni in cui tutti e quattro i sondaggi TOGA COARE non hanno identificato la CPT, quindi i giorni rappresentati in Figura 1 non sono consecutivi.

L’analisi mostra un’eccellente correlazione per la temperatura del punto freddo (R = 0.824) e una correlazione un po’ inferiore per la pressione del punto freddo (R = 0.711) tra i dati del sondaggio di Kapingamarangi e quelli ottenuti applicando l’interpolazione spline al punto di griglia ECMWF più vicino. Inoltre, i rapporti di miscelazione di saturazione del vapore acqueo (SMR) nel punto di griglia ECMWF più vicino a Kapingamarangi e quelli ottenuti dal sondaggio a Kapingamarangi mostrano una buona corrispondenza (R = 0.720). Tuttavia, le rianalisi ECMWF tendono a sovrastimare le temperature del punto freddo di circa 2 K e le pressioni di circa 7 mb in media, risultando in una sovrastima del SMR del vapore acqueo di circa 1,3 ppmv.

Abbiamo esteso il confronto tra i calcoli basati su ECMWF e i dati disponibili dai sondaggi TOGA COARE e operativi, osservando che le rianalisi ECMWF tracciano molto bene la CPT anche nelle stazioni di sondaggio subtropicali, come ad esempio Hong Kong. È stato notato che le rianalisi ECMWF manifestano generalmente un bias caldo rispetto ai dati dei sondaggi in tutte le stazioni eccetto in alcuni giorni isolati. Il bias caldo minimo è stato rilevato sopra il Pacifico occidentale (circa 2 K), mentre il massimo sopra l’Africa tropicale (circa 2,6 K).

Per determinare se le rianalisi ECMWF sono adatte allo studio delle variazioni a bassa frequenza della CPT, è essenziale confrontare i risultati ottenuti dalle rianalisi con quelli dei sondaggi su un arco temporale relativamente esteso. Abbiamo analizzato le anomalie mensili regionali delle proprietà della CPT confrontando i risultati dei calcoli basati su ECMWF con quelli dei sondaggi operativi. Per fare ciò, abbiamo suddiviso i Tropici (10°S–10°N) in sette regioni basate sulla longitudine (0°–45°E, 45°–90°E, 90°–150°E, 150°–205°E, 205°–270°E, 270°–320°E, e 320°–360°E), denominate rispettivamente R1, R2, R3, R4, R5, R6, e R7.

Per ogni regione analizzata (ad eccezione della R5, dove i dati dei sondaggi sono insufficienti), abbiamo calcolato le medie mensili delle temperature, pressioni e del rapporto di miscelazione di saturazione (SMR) della CPT, aggregando i risultati da tutti i profili di sondaggio. Per minimizzare gli effetti delle differenze nel campionamento, abbiamo innanzitutto interpolato i calcoli della CPT basati sulle rianalisi ECMWF alle stazioni di sondaggio. Successivamente, abbiamo selezionato i dati risultanti nelle date in cui le stazioni hanno effettuato misurazioni della CPT, per poi mediare questi dati e ottenere medie mensili regionali, seguendo la stessa procedura adottata per i sondaggi operativi.

Le anomalie delle temperature e delle pressioni della CPT, calcolate rispetto al ciclo stagionale e alla tendenza a lungo termine, sono state derivate dalle rianalisi ECMWF per il periodo 1979-1993 e dai sondaggi operativi per il periodo 1973-1998. Questi risultati sono illustrati nelle Figure 2 e 3. Le rianalisi ECMWF mostrano una buona capacità di tracciare la variabilità interannuale delle temperature e delle pressioni della CPT rispetto ai sondaggi operativi in tutte le regioni, sebbene con una performance relativamente più debole nella regione R2. Nonostante ci si aspetti una maggiore accuratezza delle rianalisi nelle regioni con maggiore disponibilità di dati, le Figure 2 e 3 indicano che le caratteristiche di bias nelle rianalisi al livello della tropopausa sono simili tra le varie regioni. È stato osservato che le variazioni interannuali delle temperature e delle pressioni della CPT sono correlate positivamente, con anomalie di temperatura del punto freddo che corrispondono a anomalie di pressione negative, e viceversa.

Inoltre, abbiamo applicato il metodo della spline cubica per delineare le temperature della CPT, utilizzando i dati medi mensili delle rianalisi NCEP e ECMWF. I risultati di questa analisi, presentati nella Figura 4 per gennaio 1991, sono in gran parte coerenti con le osservazioni di Newell e Gould-Stewart (1981), che individuano le temperature più fredde nella regione del warm pool. È emerso che le temperature ECMWF risultano essere circa 2 K più fredde rispetto a quelle NCEP, il che implica una significativa differenza nel calcolo dello SMR del vapore acqueo.La Tabella 1 presenta le temperature medie mensili della CPT rilevate in tre mesi diversi a Kapingamarangi (KAP) dai sondaggi TOGA COARE, così come dai prodotti di rianalisi giornaliera ECMWF e di rianalisi media mensile NCEP nel punto di griglia più vicino (155°E, all’equatore). Le concentrazioni di SMR (Saturation Mixing Ratio) in ppmv, che corrispondono a queste temperature e assumendo una pressione di 100 mb, sono indicate tra parentesi nella stessa tabella. È evidente che le temperature della CPT di NCEP risultano significativamente più alte, con un sovrapprezzo termico di circa 4–5 K rispetto ai dati del sondaggio di KAP. Le rianalisi ECMWF mostrano temperature leggermente inferiori rispetto a quelle di NCEP, avvicinandosi maggiormente ai dati rilevati dai sondaggi, nonostante persista un leggero bias caldo unilaterale. Questo differenziale di temperatura tra le rianalisi ECMWF e NCEP corrisponde ai risultati di Pawson e Fiorino (1998), che hanno confrontato le rianalisi delle temperature a 100 mb per il periodo 1979-1993 prodotte sia da ECMWF che da NCEP. Anche Randel et al. (1999) hanno evidenziato il bias caldo unilaterale nelle rianalisi NCEP.

Estensione del Lavoro di Newell e Gould-Stewart (1981)

Il lavoro precedente di Newell e Gould-Stewart (1981) è stato ampliato in due direzioni principali: ci siamo concentrati sulla CPT tropicale piuttosto che sulle mappe di temperatura a 100 hPa, e abbiamo analizzato gli effetti delle variazioni giornaliere all’interno di un mese invece di limitarci alle sole medie mensili. Abbiamo tracciato le posizioni giornaliere dell’SMR minimo tropicale per il periodo 1979-1993 utilizzando i calcoli basati sulle rianalisi ECMWF. La Figura 5 illustra la distribuzione di questi dati per gli anni 1986-1990. Un aspetto ricorrente del ciclo stagionale in questa distribuzione, come sintetizzato nell’ultima fila della Figura 5, mostra che a gennaio questi punti sono prevalentemente concentrati nella regione del warm pool, confermando i risultati di Newell e Gould-Stewart (1981).

Variazioni Stagionali e Impatti dei Fenomeni Monsonici e ENSO sulla CPT

Aprile: Anche se i punti di minimo SMR mantengono la massima concentrazione nella regione del warm pool, si osserva una distribuzione più ampia in longitudine rispetto ai mesi precedenti.

Luglio: La distribuzione dei punti si allarga ulteriormente in longitudine rispetto a gennaio. È evidente anche uno spostamento verso nord delle localizzazioni della tropopausa a punto freddo nella regione del monsone estivo indiano. Nonostante l’estensione geografica, la fontana stratosferica principale rimane concentrata sopra il Pacifico occidentale, un dettaglio non precedentemente riportato negli studi.

Ottobre: Si nota una contrazione delle localizzazioni della tropopausa a punto freddo, che tendono a ritornare verso una configurazione simile a quella di gennaio.

In generale, i risultati illustrati nella Figura 5 evidenziano una coerenza con le osservazioni fatte da Newell e Gould-Stewart (1981), ma mostrano anche una maggiore dispersione longitudinale, in accordo con gli studi di Atticks e Robinson (1983) e Frederick e Douglass (1983). Questi dati dimostrano l’importante influenza del monsone estivo indiano sulla dinamica della fontana stratosferica.

Influenza degli Eventi El Niño e La Niña: Durante l’evento El Niño (agosto 1986–febbraio 1988), le localizzazioni degli SMR minimi giornalieri mostrano una dispersione longitudinale maggiore rispetto all’evento La Niña (maggio 1988–giugno 1989). In particolare, durante El Niño, gli SMR minimi giornalieri si verificano più frequentemente sul Pacifico centrale. Queste variazioni interannuali delle localizzazioni e delle frequenze degli SMR minimi saranno esplorate più approfonditamente nella sezione successiva.

La Figura 1 illustra due serie di grafici, etichettati come (a) e (b), che mostrano le caratteristiche osservate della Tropopausa a Punto Freddo (CPT) a Kapingamarangi (KAP) rispetto ai sondaggi TOGA COARE e alle rianalisi ECMWF. Ogni grafico include tre pannelli che rappresentano le variabili nel corso dell’anno, espresse in giorni (da 0 a 360).

• Pannello superiore: Questi pannelli tracciano rispettivamente gli SMR (Saturation Mixing Ratio) minimi in (a) e le temperature minime in (b) misurate a KAP e al punto di griglia più vicino ECMWF. Sono presentate due curve per ogni grafico: una rappresenta i dati misurati da TOGA COARE KAP e l’altra i dati derivati dalle rianalisi ECMWF. Questo confronto diretto evidenzia come le rianalisi si allineino con le misurazioni effettive.
• Pannelli centrali e inferiori: Questi pannelli probabilmente forniscono analisi dettagliate o segmenti focalizzati estratti dai dati presentati nei pannelli superiori. Essi potrebbero includere differenze dirette tra le due serie di dati o misure di variazione giornaliera o stagionale, evidenziando particolari tendenze o discrepanze.

I coefficienti “D” presentati nei titoli dei pannelli quantificano la dispersione o la differenza tra le serie di dati, fornendo una misura numerica della discrepanza. Questo parametro è cruciale per valutare la coerenza tra le osservazioni in situ di TOGA COARE e le rianalisi ECMWF, indicando l’accuratezza delle simulazioni del modello rispetto alle misurazioni reali.

In sintesi, questa figura è fondamentale per valutare la precisione delle rianalisi ECMWF nel rappresentare le condizioni reali della tropopausa, identificando eventuali bias o errori che potrebbero influenzare studi climatici e meteorologici basati su tali dati.

La Figura 2 illustra un confronto tra le anomalie di temperatura della Tropopausa a Punto Freddo (CPT) calcolate mensilmente per sei regioni tropicali, utilizzando dati provenienti sia dalle rianalisi ECMWF che dai sondaggi operativi. I grafici (a)–(f) rappresentano specificamente le regioni R1, R2, R3, R4, R6, e R7.

Dettagli della Visualizzazione:

• Diamanti aperti: Indicano le anomalie di temperatura della CPT basate sulle rianalisi ECMWF nei vari siti di sondaggio.
• Segni più (+): Rappresentano le anomalie di temperatura della CPT ottenute dai sondaggi operativi.
• Asse orizzontale: Mostra gli anni, estendendosi dal 1973 al 1998, permettendo di analizzare le variazioni di temperatura su un arco temporale di circa 25 anni.
• Asse verticale: Misura le anomalie di temperatura in Kelvin. Queste anomalie sono il risultato della rimozione dei cicli stagionali e delle tendenze secolari, focalizzandosi sulle variazioni interannuali e intermensili.

Interpretazione:

• Ogni pannello fornisce un confronto visivo diretto tra le misurazioni reali e quelle modello-derivate, evidenziando la coerenza tra le rianalisi ECMWF e i dati raccolti tramite sondaggi operativi nelle diverse regioni.
• La dispersione dei punti indica la variabilità delle temperature oltre i normali cicli stagionali e a lungo termine, essenziale per valutare la precisione delle rianalisi ECMWF rispetto ai dati di campo.
• La sovrapposizione dei diamanti aperti e dei segni più in ciascun grafico suggerisce il grado di corrispondenza tra le rianalisi ECMWF e i sondaggi operativi. Una maggiore vicinanza tra questi simboli indica un’accordo migliore tra i due metodi di misurazione.

Utilità:

• Questi confronti sono fondamentali per gli studiosi del clima per valutare l’accuratezza delle rianalisi ECMWF nel replicare le condizioni atmosferiche reali, e per comprendere meglio le dinamiche della CPT nelle regioni tropicali.
• L’analisi supporta l’identificazione di eventuali bias sistematici nelle rianalisi e contribuisce al miglioramento dei modelli climatici futuri.

La Figura 3 è strutturata similmente alla Figura 2, ma si focalizza sulle anomalie di pressione della Tropopausa a Punto Freddo (CPT) piuttosto che sulle anomalie di temperatura. I grafici (a)–(f) rappresentano sei regioni tropicali designate come R1, R2, R3, R4, R6, e R7.

Dettagli della Visualizzazione:

• Simbologia: Le anomalie di pressione basate sulle rianalisi ECMWF sono rappresentate con diamanti aperti, mentre le anomalie ottenute dai sondaggi operativi sono indicate con segni più (+).
• Asse orizzontale: Mostra gli anni dal 1973 al 1998, permettendo di osservare le variazioni di pressione lungo un arco temporale di circa 25 anni.
• Asse verticale: Misura le anomalie di pressione in millibar (mb). Le anomalie sono calcolate dopo aver rimosso i cicli stagionali e le tendenze secolari, isolando così le variazioni specifiche legate a fenomeni interannuali e intermensili.

Interpretazione:

• I grafici permettono un confronto diretto tra come le rianalisi ECMWF e i sondaggi operativi tracciano le variazioni di pressione nella CPT nelle rispettive regioni.
• La distribuzione dei punti in ogni grafico offre una visione della variabilità della pressione oltre i normali cicli e tendenze, essenziale per valutare la coerenza e l’accuratezza delle rianalisi ECMWF rispetto ai dati reali.
• La sovrapposizione dei diamanti aperti e dei segni più in ciascun grafico indica il grado di corrispondenza tra i due metodi di misurazione delle anomalie di pressione. Una maggiore sovrapposizione implica una migliore concordanza tra le due fonti di dati.

Utilità:

• L’analisi fornita da questi grafici è vitale per i ricercatori del clima per confermare l’affidabilità delle rianalisi ECMWF nel riprodurre le reali condizioni di pressione atmosferica.
• Questi confronti possono inoltre assistere nell’identificazione di eventuali bias sistematici nelle rianalisi e contribuire al miglioramento dei futuri modelli climatici e meteorologici.

La Figura 4 visualizza due mappe che rappresentano la temperatura media mensile alla Tropopausa a Punto Freddo (CPT) per gennaio 1991, ottenute attraverso le rianalisi di due enti differenti: NCEP (National Centers for Environmental Prediction) nella mappa superiore e ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) nella mappa inferiore. Le mappe sono state generate utilizzando interpolazione spline cubica.

Dettagli delle Mappe:

• Mappa Superiore: Mostra la temperatura alla CPT calcolata dalla rianalisi NCEP.
• Mappa Inferiore: Presenta la temperatura alla CPT derivata dalla rianalisi ECMWF.
• Contorni di Temperatura: Entrambe le mappe utilizzano contorni per indicare i livelli di temperatura, con un intervallo di contorno di 2 K.

Interpretazione:

• Le linee di contorno in entrambe le mappe delineano la distribuzione delle temperature alla CPT globalmente, permettendo confronti diretti tra le due rianalisi.
• Esaminare queste mappe può rivelare differenze nelle stime delle temperature alla CPT tra le rianalisi NCEP e ECMWF, potenzialmente a causa dei diversi metodi di analisi o dei dati impiegati da ciascun sistema.
• Queste visualizzazioni grafiche sono cruciali per identificare aree con temperature della CPT insolitamente alte o basse e per analizzare come queste variazioni si allineano con i modelli climatici o gli eventi meteorologici noti.

Utilità:

• Le mappe sono strumenti preziosi per i climatologi e meteorologi per valutare e confrontare l’accuratezza delle rianalisi NCEP e ECMWF nel rappresentare le condizioni atmosferiche alla tropopausa.
• Sono inoltre utili per studiare anomalie climatiche o per migliorare la comprensione delle dinamiche della tropopausa a punto freddo, influenzando direttamente fenomeni quali la formazione di nubi e la circolazione atmosferica globale.

La Figura 5 presenta una serie di mappe che mostrano le localizzazioni degli SMR (Saturation Mixing Ratio) minimi giornalieri per vari anni e mesi, illustrando come queste localizzazioni cambiano stagionalmente e annualmente.

Dettagli della Visualizzazione:

• Organizzazione delle Mappe: Le mappe sono organizzate in colonne e righe. Dall’alto verso il basso, le mappe si susseguono dagli anni 1986 al 1990, con una mappa finale che sintetizza i dati di cinque anni (1986-1990). Da sinistra a destra, le colonne rappresentano i mesi di gennaio, aprile, luglio e ottobre, facilitando il confronto stagionale per ciascun anno.
• Simboli: I simboli in ogni mappa indicano le posizioni giornaliere degli SMR minimi, fornendo una rappresentazione visuale immediata delle variazioni geografiche.

Interpretazione:

• Variabilità Stagionale e Annuale: Le mappe evidenziano come le localizzazioni degli SMR minimi variano nel corso dei mesi e tra gli anni. Queste variazioni possono indicare spostamenti stagionali delle aree di deidratazione atmosferica o rispondere a eventi climatici specifici come El Niño o La Niña.
• Distribuzione Geografica: Le mappe offrono una chiara visualizzazione delle aree geografiche dove si verificano più frequentemente gli SMR minimi, importanti per comprendere fenomeni meteorologici significativi.
• Comparazione Multi-annuale: La riga finale, che aggrega i dati di cinque anni, aiuta a discernere i pattern di lungo termine e le tendenze generali nelle localizzazioni degli SMR minimi, minimizzando l’effetto delle anomalie annuali.

Utilità:

• Queste mappe sono strumentali per i climatologi e meteorologi nel loro studio delle dinamiche della tropopausa a punto freddo e dei loro impatti su clima e meteo. La comprensione delle variazioni negli SMR minimi è cruciale per prevedere i cambiamenti nelle precipitazioni e altre condizioni meteorologiche.
• L’analisi di queste distribuzioni contribuisce allo studio degli effetti dei cambiamenti climatici sulla frequenza e intensità degli eventi di deidratazione atmosferica.

In conclusione, la Figura 5 fornisce una panoramica dettagliata e essenziale delle variazioni spaziali e temporali degli SMR minimi, fondamentale per approfondimenti e modellazioni climatiche future.

3. Variabilità a Bassa Frequenza del CPT Tropicale

Abbiamo utilizzato le rianalisi giornaliere del CPT basate su ECMWF per ottenere valori mensili di temperatura, pressione e altezza del CPT. Attraverso l’analisi degli spettri di potenza delle serie temporali medie mensili in diverse griglie tropicali, abbiamo identificato tre picchi principali (vedi Fig. 6). Oltre al ciclo stagionale predominante, emergono altre due significative variabilità: una con un periodo di circa sei mesi e l’altra caratterizzata da fluttuazioni a bassa frequenza, con periodi compresi tra 2 e 7 anni.

Tra le variabilità a bassa frequenza dominanti nei Tropici, la QBO stratosferica e l’ENSO troposferico sono particolarmente rilevanti. Studi precedenti hanno evidenziato influenze di questi fenomeni sulla tropopausa, attraverso dati raccolti da stazioni sparse (Reid e Gage 1985; Gage e Reid 1987; Reid 1994). Tuttavia, un’analisi della relazione tra la tropopausa a punto freddo tropicale e questi fenomeni è una novità, mai riportata precedentemente su scala tropicale. Per esaminare più da vicino l’effetto della QBO e dell’ENSO sul CPT tropicale, abbiamo definito le ‘anomalie’ del CPT, e(t), come il residuo una volta esclusi il ciclo stagionale e la tendenza di lungo periodo.

Per analizzare le variazioni a bassa frequenza del CPT, abbiamo utilizzato come indici di riferimento lo shear del vento zonale a 50 mb (calcolato come la differenza tra i venti a 40 e 70 mb) sopra Singapore e le anomalie di temperatura superficiale del mare (SSTA) nella regione del Niño-3.4. Abbiamo classificato le anomalie del CPT in due gruppi, basati sul segno dello shear del vento e sugli eventi di El Niño e La Niña, seguendo la definizione di Trenberth (1997). Le analisi composite relative allo shear del vento a 50 mb hanno mostrato un’evidente asimmetria zonale, in apparente contraddizione con la natura prevalentemente zonale e simmetrica della QBO stratosferica (Andrews et al. 1987; Yulaeva e Wallace 1994). Ciò suggerisce una possibile contaminazione delle misure del CPT da variazioni attribuibili all’ENSO, evidenziata anche nelle analisi composite relative agli eventi ENSO (figure non mostrate).

Per distinguere le influenze della QBO stratosferica e dell’ENSO troposferico sul CPT tropicale, abbiamo iniziato analizzando le loro correlazioni con ritardo temporale. L’analisi ha rivelato che gli shear del vento zonale a 50 mb mostrano una significativa correlazione con le temperature del CPT a ritardi di 210 (62) o 16 (62) mesi. Questi risultati, sebbene non mostrati, presentano pattern simili a quelli osservati nella Figura 7. Specificamente, se gli shear del vento a 50 mb sono in ritardo di 10 mesi rispetto alle temperature del CPT, i coefficienti di correlazione risultano essere negativi in quasi tutti i Tropici. Al contrario, se gli shear del vento a 50 mb precedono di 6 mesi, emerge una correlazione positiva tra questi e le temperature del CPT.

Questa discrepanza nei ritardi è circa la metà del periodo della QBO stratosferica, suggerendo un impatto quasi-periodico di questo fenomeno. Le mappe di correlazione tra le proprietà del CPT e lo shear del vento QBO dimostrano una simmetria zonale. Parallelamente, le analisi di correlazione tra le anomalie di temperatura superficiale del mare (SSTA) nella regione Niño-3.4 e il CPT mostrano la migliore correlazione a zero ritardo temporale, con pattern simili a quelli della Figura 8, e evidenziano una caratteristica a doppio polo.

Dal punto di vista matematico, le SSTA e la QBO non sono completamente indipendenti a causa della loro sovrapposizione nel dominio di frequenza. Anche se una oscillazione quasi-biennale nelle SST è stata osservata, non si ritiene che sia direttamente correlata alla QBO stratosferica. Tuttavia, studi come quelli di Geller et al. (1997) indicano che la QBO potrebbe influenzare le variazioni delle SST in modo non lineare. Approfondire la connessione fisica tra la QBO e le SST esula dagli obiettivi di questo studio.

Per isolare meglio le influenze della QBO stratosferica e dell’ENSO troposferico sul CPT tropicale, abbiamo generato due serie temporali indipendenti per la QBO e le SSTA attraverso l’impiego di un filtro passa-banda Butterworth, come descritto da Hamming nel 1989.

Abbiamo impiegato un filtro passa-banda per analizzare le variazioni quasi-biennali degli shear del vento stratosferico a 50 mb sopra Singapore. Questo filtro ha una funzione di risposta che assume valore massimo, pari a 1, per periodi di 28 mesi e diminuisce a ½ per periodi di circa 22 e 34 mesi. Questa configurazione ci ha permesso di isolare e analizzare specificamente le oscillazioni con tali periodicità.

Per quanto riguarda le anomalie delle temperature superficiali del mare (SSTA) nella regione del Niño-3.4, abbiamo sottratto le componenti corrispondenti ai periodi di 22 e 34 mesi, risultanti dal filtraggio, per concentrarci sulle altre variabilità presenti nella serie temporale.

Attraverso questa metodologia, abbiamo determinato che la serie temporale originale degli shear del vento QBO e le temperature superficiali del mare mantengono una grande parte delle loro informazioni originali, anche dopo la rimozione delle oscillazioni quasi-biennali, che rappresentano circa il 30% della varianza totale per le SSTA.

L’indipendenza matematica tra le serie temporali degli shear del vento QBO e le SSTA ci consente di utilizzare queste informazioni in un’analisi di regressione bivariata. Questo approccio ci aiuta a distinguere e quantificare separatamente l’impatto della QBO stratosferica e dell’ENSO troposferico sulle temperature del cold point tropopause (CPT) tropicale.

Abbiamo osservato che i cambiamenti negli shear del vento QBO precedono di alcuni mesi le variazioni delle temperature del CPT, suggerendo un ritardo di interazione. Inversamente, modificando il periodo di ritardo in analisi, osserviamo cambiamenti nei segni delle correlazioni, indicando come i tempi di risposta del sistema climatico possano influenzare l’interpretazione dei risultati delle interazioni tra questi fenomeni climatici.

La nostra analisi presume che la componente quasi-biennale nelle anomalie della temperatura superficiale del mare (SSTA) abbia un impatto trascurabile o diversamente significativo sulla variabilità delle proprietà del cold point tropopause (CPT) rispetto a quello della Quasi-Biennial Oscillation (QBO) stratosferica. Per assicurare un trattamento equo nelle analisi di regressione, le serie temporali relative agli shear del vento QBO e alle SSTA sono state normalizzate per avere lo stesso peso.

Abbiamo realizzato analisi composite basate su queste serie temporali regresse. I risultati mostrano chiaramente come le proprietà del CPT risentano in modo zonalmente simmetrico degli shear del vento QBO. Durante i periodi di shear vento occidentale, abbiamo osservato un incremento delle temperature del CPT di circa 0.2 a 0.3 gradi Kelvin, mentre durante i periodi di shear vento orientale, le temperature del CPT sono diminuite di 0.2 a 0.4 gradi Kelvin. In maniera consistente, la pressione del CPT si è rivelata più alta e l’altezza del CPT più bassa durante i periodi di shear occidentale, con effetti opposti registrati durante i periodi di shear orientale. Le anomalie di temperatura più pronunciate si sono verificate sull’Oceano Pacifico orientale, mentre le maggiori anomalie di pressione o altezza si sono manifestate sul Pacifico occidentale.

L’analisi ha inoltre rivelato la presenza di un’onda stazionaria con numero d’onda 2, che sovrappone un campo zonalmente omogeneo. Questa asimmetria potrebbe indicare che le influenze della QBO e dell’El Niño-Southern Oscillation (ENSO) sul CPT tropicale non sono completamente separabili.

Un altro aspetto interessante emerge dall’analisi delle anomalie di temperatura del CPT durante due eventi El Niño e due La Niña avvenuti tra il 1979 e il 1993. Le anomalie di temperatura legate all’ENSO sono risultate essere maggiori rispetto a quelle legate alla QBO, sottolineando l’importanza dell’ENSO come fattore di influenza climatica nel periodo in esame.

Le temperature durante gli eventi El Niño possono diminuire fino a 20.6 K, mentre durante gli eventi La Niña possono aumentare fino a 1.0 K nell’Oceano Pacifico orientale. Sull’Oceano Pacifico occidentale, le anomalie di temperatura registrano circa 0.4 K durante El Niño e diminuiscono fino a -0.4 K durante La Niña. Le anomalie di temperatura del cold point tropopause (CPT) associate all’ENSO tendono a essere più pronunciate nei Tropici dell’emisfero sud rispetto a quelli dell’emisfero nord. Le anomalie sono relativamente deboli sopra l’Africa tropicale e l’Oceano Indiano occidentale e non mostrano una correlazione evidente con l’ENSO, come osservato anche in studi precedenti da Yulaeva e Wallace (1994).

La Figura 8 illustra tre caratteristiche principali: primo, un dipolo est-ovest è evidente sul Pacifico tropicale. Secondo, si osservano tre configurazioni a manubrio disposte in direzione nord-sud nei Tropici, con la più marcata situata tra il Pacifico centrale e orientale. Un modello simile è riconoscibile sull’Atlantico e, seppur meno definito, anche sull’Oceano Indiano orientale e il Pacifico occidentale. Terzo, il valore massimo delle anomalie si verifica nel Pacifico occidentale equatoriale. Questi pattern riflettono variazioni nell’attività convettiva tropicale legate all’ENSO e saranno ulteriormente discusse nella sezione successiva del documento.

I compositi di temperatura, pressione e altezza del CPT, realizzati a partire dalle serie temporali regresse per ciascun evento ENSO, mostrano risultati consistenti, sebbene con piccole variazioni nella magnitudine delle anomalie. Questi risultati confermano le osservazioni della Figura 8 e sottolineano la riproducibilità delle caratteristiche osservate tra i diversi eventi ENSO.

Le osservazioni delle firme della QBO e dell’ENSO nel cold point tropopause (CPT) tropicale, evidenziate nelle Figure 7 e 8, sono coerenti con i primi due modi empirici ortogonali (EOF) delle anomalie di temperatura stratosferica tropicale, come rilevato dal canale della stratosfera inferiore dell’Unità di Sondaggio a Microonde (MSU-4; vedi Figura 17 in Yulaeva e Wallace, 1994). Questo conferma l’affidabilità delle firme della QBO e dell’ENSO nel CPT tropicale anche in quelle regioni dove le osservazioni dirette sono limitate o assenti.

La stazione di Atuona, inclusa nel nostro dataset di sonde operative, si trova vicino alla regione Niño 3.4 (posizione 220.988E, 9.88S, come mostrato nella Figura 9). Un incremento notevole delle temperature del CPT tra il 1973 e il 1976 potrebbe essere attribuito a un cambio degli strumenti di misura o influenzato da due eventi La Niña avvenuti in quel periodo. È evidente che la temperatura del CPT in questa stazione è fortemente correlata con l’ENSO, mostrando valori inferiori durante gli eventi El Niño e superiori durante gli eventi La Niña nel periodo tra il 1976 e il 1998. È interessante notare come le temperature del CPT nel 1982-83 fossero inferiori rispetto a quelle nel 1986-88, riflettendo la differenza di intensità tra i due eventi El Niño avvenuti rispettivamente intorno al 1983 e al 1987. Durante gli eventi El Niño più intensi, come quelli del 1982-83 e del 1997-98, le temperature del CPT erano circa 5 K inferiori alla norma.

Normalmente, il ciclo annuale della temperatura della tropopausa tropicale presenta valori più bassi e altitudini superiori nell’inverno dell’emisfero settentrionale, a causa del più forte forcing delle onde extratropicali, e temperature più elevate e altitudini inferiori nell’estate dell’emisfero settentrionale, a causa di un forcing delle onde più debole. Tuttavia, durante alcuni inverni dell’emisfero settentrionale, in concomitanza con eventi La Niña come quello del 1988-89, il CPT risultava insolitamente caldo, raggiungendo temperature superiori anche a quelle normali dell’estate dell’emisfero settentrionale. Inoltre, la temperatura del CPT è aumentata anche durante l’ultimo evento La Niña iniziato nel luglio 1998.

Le osservazioni effettuate dalle stazioni di sondaggio situate nel continente marittimo del Pacifico occidentale indicano una variazione opposta delle temperature del CPT tropicale durante gli eventi ENSO, con temperature del CPT più basse durante gli eventi La Niña e più alte durante gli eventi El Niño, il che rispecchia i cambiamenti nella convezione e nella circolazione longitudinale durante tali eventi.

In sintesi, mentre la QBO nel CPT tropicale mostra un’asimmetria prevalentemente zonale con un’ampiezza tra 0.2 e 0.4 K, le variazioni legate all’ENSO nel CPT tropicale si manifestano con un’asimmetria zonale molto più marcata.

La regressione delle anomalie di temperatura superficiale del mare (SSTA) rispetto alle temperature del cold point tropopause (CPT) tropicale era molto debole tra il 1979 e il 1981, a causa della presenza di un solo evento El Niño breve e debole, e dell’assenza di eventi La Niña. Tuttavia, si sono verificate anomalie più marcate dopo aprile 1982. La presenza degli eventi El Niño e La Niña suggerisce cambiamenti nella circolazione longitudinale atmosferica. Durante gli eventi La Niña, la convezione è potenziata sul Pacifico occidentale dovuto al ramo ascendente intensificato della circolazione di Walker, mentre sul Pacifico orientale, dove il ramo discendente è potenziato, la convezione è più debole. Questo si traduce in un CPT più freddo sul Pacifico occidentale e più caldo sul Pacifico orientale. Invece, durante gli eventi El Niño, il ramo ascendente della circolazione si sposta verso il Pacifico centrale e orientale, raffreddando il CPT in queste regioni, mentre il ramo discendente si sposta verso il Pacifico occidentale, riscaldando il CPT.

La Figura 10 evidenzia l’interazione tra la QBO stratosferica e l’ENSO tropicale. Durante l’El Niño 1982–83, gli shear del vento QBO hanno mostrato un ritardo di circa un quarto di periodo, con uno spostamento di 6 mesi, con un passaggio da anomalie negative a positive nelle temperature del CPT. In contrasto, durante l’El Niño 1986–88, gli shear del vento QBO erano sfasati rispetto alle SSTA, ma la QBO nelle temperature del CPT era allineata con la regressione delle SSTA, amplificando così l’effetto complessivo. Al contrario, durante l’El Niño del 1993, la regressione delle SSTA ha quasi annullato l’effetto della regressione della QBO sulle temperature del CPT.

Per analizzare la propagazione delle anomalie di temperatura del CPT tropicale lungo l’equatore e per valutare la precisione delle regressioni, è stata eseguita un’analisi armonica di Fourier sulle temperature del CPT tropicale. Questa analisi ha sommato le componenti armoniche con periodi tra i 22 e i 34 mesi, tipici della QBO, e tra i 22 e gli 84 mesi, periodi predominanti per le SSTA.

Le medie tropicali delle temperature del cold point tropopause (CPT), calcolate tra 15°S e 15°N, sono visualizzate nelle Figure 10e e 10f, mentre la differenza tra queste due medie è rappresentata nella Figura 10g. Per confronto, la media tropicale delle anomalie di temperatura superficiale del mare (SSTA) tra 5°S e 5°N è mostrata nella Figura 10j. La Figura 10e mostra la simmetria zonale dell’effetto della Quasi-Biennial Oscillation (QBO) stratosferica sul CPT tropicale, anche se è presente una certa asimmetria zonale, potenzialmente attribuibile alle oscillazioni quasi-biennali delle SSTA. La Figura 10g calcola la differenza tra le anomalie di temperatura del CPT nelle Figure 10f e 10e, corrispondente a variabilità con periodi tra i 34 e gli 84 mesi.

Durante l’El Niño 1982–83, le anomalie di temperatura del CPT sull’Oceano Pacifico orientale erano prevalentemente positive, come anche durante l’El Niño del 1993, diversamente dagli El Niño del 1986–88 e del 1991–92. L’aumento di temperatura del CPT durante l’El Niño 1982–83 potrebbe essere stato influenzato dall’effetto riscaldante dell’eruzione di El Chichon (Angell 1993). La Figura 10h illustra la differenza tra la somma delle componenti armoniche con periodi da 22 a 84 mesi e la regressione della QBO, rappresentando principalmente l’influenza dell’ENSO. Le anomalie del 1982–83 mostrate nella Figura 10h erano più simili a quelle dell’El Niño 1986–88 rispetto a quelle presentate nella Figura 10g. Nella Figura 10h, le anomalie sul Pacifico orientale sono negative e tanto intense quanto quelle durante l’El Niño 1986–88. Inoltre, durante l’El Niño 1993, le anomalie sul Pacifico orientale erano leggermente negative, sebbene fossero positive nella Figura 10f.

Il confronto tra le Figure 10h e 10f con la 10j mostra che la correlazione tra le temperature del CPT e le SSTA sul Pacifico si intensifica quando l’influenza della QBO stratosferica viene minimizzata. L’impatto delle oscillazioni quasi-biennali delle SSTA sulle temperature del CPT tropicale può essere quantificato attraverso la differenza tra la somma delle componenti armoniche con periodi da 22 a 34 mesi e la regressione della QBO sulle temperature del CPT tropicale (Figura 10i). La QBO nel CPT tropicale, indotta dalle oscillazioni quasi-biennali delle SSTA, mostra un’asimmetria zonale ed è stata più marcata nel periodo 1979–85 e meno nel periodo 1986–93. È interessante osservare come le variabilità delle temperature del CPT nei periodi da 34 a 84 mesi e la QBO nelle temperature del CPT, indotte dalle oscillazioni quasi-biennali delle SSTA durante l’El Niño 1982–83, differissero significativamente da quelle durante l’El Niño 1986–88.

La Figura 6 illustra gli spettri di potenza delle temperature medie mensili standardizzate del cold point tropopause (CPT), dopo aver rimosso i trend secolari, misurate in 6 punti della griglia ECMWF lungo l’equatore. Lo spettro di potenza è una rappresentazione grafica che mostra come la varianza delle temperature del CPT sia distribuita tra diverse scale spaziali lungo l’equatore, indicate qui come “L” (due volte il numero d’onda).

• L’asse orizzontale (ascisse) del grafico rappresenta “L”, che indica le scale spaziali delle oscillazioni, ossia due volte il numero d’onda.
• L’asse verticale (ordinate) mostra il “potere”, ovvero la magnitudine della varianza delle temperature del CPT a ciascuna lunghezza d’onda.

Il picco predominante si verifica a L=20, indicando una forte varianza nelle temperature del CPT a questa particolare scala spaziale. Il periodo “T = 90.0L (mesi)” menzionato nella figura suggerisce che le fluttuazioni associate a questo picco si verificano con un ciclo di 90.0 mesi. Questo potrebbe indicare la presenza di una moda climatica importante o di una frequenza dominante di variazione nel CPT lungo l’equatore, potenzialmente legata a fenomeni come l’ENSO o altri cicli atmosferici.

Le linee tratteggiate nel grafico rappresentano le variazioni per i sei punti di griglia, dimostrando come la potenza varia nei diversi luoghi lungo l’equatore. Questa analisi aiuta a identificare le principali frequenze o scale spaziali a cui si verificano cambiamenti significativi nelle temperature, facilitando la comprensione dei processi climatici e atmosferici nella regione equatoriale.

La Tabella 1 presenta un confronto delle temperature medie mensili del cold point tropopause (CPT) e dei Rapporti di Miscelazione Standardizzati (SMR) registrati da tre diverse entità: KAP, ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts), e NCEP (National Centers for Environmental Prediction). I dati sono riferiti ai mesi di dicembre 1992, gennaio 1993, e febbraio 1993.

Dettagli della Tabella:

• Colonne:
  • KAP: Mostra i dati provenienti da KAP.
  • ECMWF: Dati forniti dall’ECMWF.
  • NCEP: Dati dal NCEP.
• Righe:
  • Ciascuna riga corrisponde a uno dei mesi analizzati, mostrando come le temperature e gli SMR variano nel tempo.
• Valori:
  • I numeri principali indicano la temperatura media del CPT in Kelvin per ciascuna fonte e mese.
  • I numeri tra parentesi rappresentano gli SMR, che quantificano le concentrazioni standardizzate di certi composti chimici nella regione della tropopausa.

Osservazioni Chiave:

• Le temperature del CPT mostrano un trend di incremento da dicembre a febbraio per tutte e tre le fonti di dati, riflettendo potenziali variazioni stagionali o risposte a fenomeni atmosferici.
• Gli SMR variano non solo mensilmente ma anche tra le diverse fonti, evidenziando differenze nella composizione chimica atmosferica che possono essere influenzate da variabili climatiche o ambientali, come eventi di El Niño o La Niña.

Questa tabella è fondamentale per analizzare e confrontare le modalità con cui diverse agenzie monitorano e documentano le variazioni nelle temperature e nella composizione chimica della tropopausa. Tali confronti sono cruciali per la validazione dei modelli climatici e per la comprensione delle dinamiche atmosferiche globali.

La Figura 7 mostra due analisi composite delle temperature del cold point tropopause (CPT) durante gli eventi di El Niño e La Niña. Queste mappe illustrano le variazioni termiche del CPT in risposta ai diversi regimi di shear del vento zonale stratosferico.

Dettagli delle due parti della figura:

• Parte Superiore (Eventi El Niño):
  • La mappa rappresenta le anomalie di temperatura del CPT durante due specifici eventi di El Niño.
  • Le linee continue indicano anomalie positive, mentre le linee tratteggiate mostrano anomalie negative.
  • Le anomalie positive sono maggiormente concentrate nell’Oceano Pacifico orientale e centrale, segnalando un aumento significativo delle temperature del CPT in queste aree durante gli eventi El Niño.
• Parte Inferiore (Eventi La Niña):
  • Questa mappa mostra le anomalie di temperatura del CPT durante due eventi di La Niña.
  • Anche qui, le linee continue rappresentano anomalie positive, e quelle tratteggiate indicano anomalie negative.
  • A differenza degli eventi El Niño, si osservano anomalie positive predominanti nell’Oceano Pacifico occidentale e anomalie negative nell’Oceano Pacifico orientale, suggerendo un abbassamento delle temperature del CPT in quest’ultima regione durante gli eventi La Niña.

Dettagli Tecnici:

• Intervalli di Contorno: Ciascun contorno rappresenta una variazione di 0.10 K.
• Estensione Geografica: Le mappe si estendono da 0° a 360° Est in longitudine, coprendo le latitudini dai 25° Sud ai 25° Nord, evidenziando così la distribuzione geografica delle anomalie termiche.

Implicazioni:

Queste mappe forniscono una visione chiara del contrasto tra gli effetti degli eventi di El Niño e La Niña sul CPT, evidenziando come le variazioni nei venti stratosferici influenzino i cambiamenti termici significativi in diverse regioni del Pacifico. Questa comprensione è fondamentale per studiare le interazioni tra la dinamica atmosferica e i cambiamenti climatici globali, e ha implicazioni dirette per la previsione del clima e delle condizioni meteorologiche.

La Figura 8 mostra le analisi composite delle temperature del cold point tropopause (CPT) durante due distinti eventi di El Niño Southern Oscillation (ENSO) che si sono verificati tra il 1979 e il 1993. Questa figura è suddivisa in due parti, ciascuna delle quali illustra l’impatto degli eventi El Niño e La Niña sulle temperature del CPT su scala globale, con un focus specifico sulla regione Niño-3.4.

Dettagli delle due parti della figura:

• Parte Superiore (Eventi El Niño):
  • La mappa visualizza le anomalie di temperatura del CPT durante gli eventi El Niño.
  • Le linee continue indicano anomalie positive (temperature più calde del normale), mentre le linee tratteggiate mostrano anomalie negative (temperature più fredde del normale).
  • È evidente una predominanza di anomalie positive nell’Oceano Pacifico centrale e orientale, una caratteristica comune durante gli eventi El Niño.
• Parte Inferiore (Eventi La Niña):
  • Questa mappa rappresenta le anomalie di temperatura del CPT durante gli eventi La Niña.
  • Analogamente, le linee continue rappresentano anomalie positive, e quelle tratteggiate indicano anomalie negative.
  • Le anomalie negative sono prevalentemente concentrate nell’Oceano Pacifico orientale e centrale, riflettendo il raffreddamento associato agli eventi La Niña.

Dettagli Tecnici:

• Intervalli di Contorno: Ciascun contorno rappresenta una variazione di 0.20 K.
• Regioni Evidenziate: Le scatole quadrate sulle mappe segnalano la regione Niño-3.4, cruciale per il monitoraggio e l’analisi dell’ENSO.
• Estensione Geografica: Le mappe coprono aree longitudinali da 0° a 360° Est e latitudini da 25° Sud a 25° Nord, mostrando così la distribuzione globale delle anomalie di temperatura.

Implicazioni:

Queste mappe forniscono una comprensione approfondita di come le temperature del CPT rispondano in modo diversificato agli eventi El Niño e La Niña. Questa analisi sottolinea l’influenza significativa di questi fenomeni climatici sull’atmosfera globale e aiuta a spiegare i meccanismi dell’ENSO e il loro impatto sul clima globale, essenziale per migliorare la previsione meteorologica e climatica.

La Figura 9 visualizza le temperature medie mensili del cold point tropopause (CPT) registrate presso una stazione di sondaggio situata vicino alla regione Niño-3.4. La posizione della stazione è specificata come (220.98°E, -9.8°). Il grafico copre un periodo dal 1973 al 1998, offrendo una panoramica delle variazioni termiche in relazione agli eventi di El Niño e La Niña.

Elementi Chiave della Figura:

• Asse Orizzontale (Anni): Indica gli anni di osservazione dal 1973 al 1998, permettendo l’analisi delle variazioni di temperatura nel tempo.
• Asse Verticale (Temperatura in Kelvin): Mostra le temperature del CPT, variando da circa 185 K a 205 K.
• Simboli nel Grafico:
  • Cerchi Aperti: Rappresentano le temperature medie mensili del CPT.
  • Linee Orizzontali Inferiori (linee solide): Segnalano i periodi di El Niño, definiti secondo i criteri di Trenberth (1997).
  • Linee Orizzontali Superiori (linee solide): Indicano i periodi di La Niña, utilizzando la stessa definizione.

Analisi e Implicazioni:

• Il grafico evidenzia una variabilità significativa nelle temperature del CPT, con un aumento durante gli eventi di El Niño e una diminuzione durante gli eventi di La Niña. Questo riflette l’effetto diretto di questi fenomeni climatici sulle temperature della tropopausa nella regione monitorata.
• L’inclusione delle linee orizzontali per El Niño e La Niña permette di correlare le fluttuazioni termiche del CPT con questi specifici eventi climatici, sottolineando l’influenza significativa che l’ENSO ha sulle condizioni atmosferiche elevate.

Questa rappresentazione è cruciale per studi climatologici e meteorologici, poiché fornisce dati dettagliati sull’interazione tra l’oceano e l’atmosfera durante gli eventi ENSO, essenziali per una migliore comprensione dei loro meccanismi e per l’ottimizzazione delle previsioni climatiche e meteorologiche a lungo termine.

La Figura 10 offre una panoramica complessiva delle analisi che correlano le anomalie di temperatura del cold point tropopause (CPT) con le variabili climatiche chiave come lo shear del vento stratosferico zonale e le anomalie di temperatura superficiale del mare (SSTA) nella regione Niño-3.4.

Componenti della figura:

• (a) Serie Temporali Normalizzate: Presenta le serie temporali dello shear del vento stratosferico zonale a 50 mb sopra Singapore e delle SSTA nella regione Niño-3.4, entrambe adattate per un ritardo di 6 mesi come utilizzato nelle analisi regressioni.
• (b), (c), e (d) Regressioni delle Anomalie di Temperatura del CPT:
  • (b) Visualizza la regressione dello shear del vento QBO sulle temperature del CPT.
  • (c) Mostra la regressione delle SSTA sulle temperature del CPT.
  • (d) Illustra la somma delle regressioni da (b) e (c), evidenziando l’effetto combinato di questi fattori sulle temperature del CPT.
• (e) e (f) Anomalie di Temperatura del CPT nei Specifici Bandi Temporali:
  • (e) Anomalie di temperatura nel CPT nel bando temporale di 22–34 mesi.
  • (f) Anomalie di temperatura nel CPT nel bando temporale di 22–84 mesi.
• (g), (h), e (i) Differenze tra Mappe Specifiche:
  • (g) Mostra la differenza tra le mappe (f) e (e).
  • (h) Rappresenta la differenza tra le mappe (f) e (b).
  • (i) Esplora la differenza tra le mappe (e) e (b).
• (j) Media Tropicale delle SSTA: Espone la media delle SSTA tra 5°S e 5°N.

Dettagli Tecnici e Stilistici:

• Gli intervalli di contorno sono impostati a 0.1 K per (b) e (e), 0.5 K per (j), e 0.2 K per le altre mappe.
• I contorni negativi sono indicati come linee tratteggiate.
• Il contorno a zero è escluso in (c) e il primo contorno solido è impostato a 0.1 K.

Implicazioni delle Mappe:

Queste visualizzazioni sono fondamentali per capire come fattori climatici distinti, come il QBO e le SSTA, influenzino le temperature del CPT. Le regressioni evidenziano come i singoli e combinati effetti dello shear del vento e delle SSTA modellino le temperature della tropopausa. Le mappe (e), (f), (g), (h) e (i) permettono di esaminare le variazioni temporali e l’impatto a lungo termine di queste anomalie climatiche, mentre la mappa (j) fornisce un punto di riferimento essenziale per le SSTA, cruciale per calibrare e interpretare le variazioni osservate nelle altre mappe.

Discussione

a. Confronto con lavori recenti

Analizzare la significatività statistica delle analisi di regressione precedenti rappresenta una sfida notevole. Tuttavia, i nostri risultati trovano conferma negli studi di Randel et al. (2000), che hanno utilizzato le ri-analisi NCEP. Durante la stesura di questo articolo, abbiamo esaminato “Variabilità interannuale della tropopausa tropicale derivata dai dati di radiosonda e dalle ri-analisi NCEP” di Randel et al. (2000). Sebbene le ri-analisi NCEP mostrino un bias caldo maggiore rispetto a quelle ECMWF, sono comunque capaci di monitorare la variabilità della tropopausa.

Le nostre analisi e quelle di Randel condividono alcune scoperte: l’oscillazione quasi biennale (QBO) nella tropopausa tropicale è simmetrica zonalmente e le variabilità legate all’ENSO presentano caratteristiche dipolari. Esistono, però, delle differenze significative tra i due studi. In primo luogo, Randel et al. hanno utilizzato la definizione di tropopausa a tasso di diminuzione della temperatura, mentre noi abbiamo adottato la definizione di CPT (Cold Point Tropopause). Quest’ultima è più pertinente per studiare l’accoppiamento tra la stratosfera tropicale e la troposfera e per analizzare il trasporto stratosfera-troposfera (STE), anche se la definizione usata da Randel ha permesso di identificare gli effetti del QBO e dell’ENSO sulla tropopausa extratropicale.

In secondo luogo, il loro studio ha evidenziato una correlazione simultanea tra il QBO stratosferico e le temperature della tropopausa a tasso di diminuzione, mentre il nostro studio ha dimostrato che il QBO stratosferico precede di sei mesi le temperature del CPT basate su ECMWF. Tale differenza può essere attribuita all’utilizzo, nel nostro caso, del taglio del vento a 50 mb sopra Singapore, a differenza del vento zonale stratosferico utilizzato da loro.

Infine, Randel et al. hanno dovuto rimuovere la media zonale per evidenziare chiaramente l’influenza dell’ENSO sulla tropopausa tropicale. Nel nostro caso, tale passaggio non è stato necessario, ma abbiamo dovuto minimizzare l’interferenza del QBO stratosferico per rilevare chiaramente le influenze dell’ENSO sul CPT tropicale.

b. Meccanismo della firma ENSO nel CPT

Il ciclo annuale della tropopausa tropicale, in termini di media zonale, è influenzato dalla forzatura delle onde stratosferiche extratropicali, come evidenziato da Yulaeva et al. (1994). Tuttavia, le asimmetrie zonali nella tropopausa tropicale possono essere ricondotte alla risposta diretta dell’atmosfera a regioni estese di riscaldamento diabatico nella troposfera, come descritto da Highwood e Hoskins (1998). Questi autori hanno sintetizzato il meccanismo nel modello di Gill (1980), estendendolo e illustrandolo nella Figura 9 del loro studio. In sintesi, movimenti ascensionali si verificano nella troposfera superiore e nella stratosfera inferiore, con una scala orizzontale maggiore rispetto a quella della convezione, indotti dal riscaldamento diabatico. Di conseguenza, più intensa è la convezione o il riscaldamento diabatico, più fredda risulta la tropopausa. Tale ipotesi è stata confermata dai risultati ottenuti da un modello baroclinico con riscaldamento diabatico imposto, come riportato da Highwood e Hoskins (1998).

Ulteriori osservazioni, come quelle presentate da Teitelbaum et al. (2000), hanno mostrato la relazione istantanea tra il CPT e la convezione. Il meccanismo proposto può anche essere utilizzato per spiegare l’anticorrelazione simultanea tra le anomalie di temperatura della superficie del mare (SSTA) e le temperature del CPT nell’area del Pacifico orientale. Durante gli eventi di El Niño, il centro di convezione attiva si sposta verso il centro e l’est del Pacifico, portando a un aumento delle precipitazioni e, di conseguenza, del riscaldamento diabatico in queste regioni. Questo porta a una tropopausa più fredda sopra il Pacifico orientale. Durante gli eventi di La Niña, si verifica il fenomeno opposto. La diffusione delle temperature più fredde del CPT dal Pacifico occidentale a quello orientale coincide con la migrazione delle SSTA positive, confermando il meccanismo descritto (vedi Figura 10h). La disposizione delle anomalie della funzione di corrente a 200 mb sopra il Pacifico orientale, influenzata dal riscaldamento diabatico sottostante sull’equatore (Arkin 1984), fornisce ulteriori evidenze del ruolo cruciale della convezione nelle variazioni a bassa frequenza del CPT tropicale.

Yulaeva e Wallace (1994) hanno analizzato le firme nelle temperature globali e nei campi di precipitazioni ottenuti dall’Unità di Sondaggio a Microonde (MSU). Hanno trovato che le anomalie di temperatura associate a ENSO nella troposfera (MSU-2) e nella bassa stratosfera (MSU-4) corrispondono strettamente alla firma di ENSO nel CPT tropicale, specialmente per quanto riguarda la forma e la disposizione del dipolo est-ovest e dei manubri nord-sud, con l’anomalia massima sul Pacifico occidentale.

L’ENSO mostra una struttura verticale coesa nella temperatura atmosferica tropicale che inverte il segno ad un’altitudine specifica sotto il CPT. Durante gli eventi di El Niño, per esempio, la troposfera tropicale (dal livello 1000 al livello 200 mb) sopra il Pacifico orientale risulta essere più calda, mentre la tropopausa e la bassa stratosfera risultano più fredde. La distribuzione delle anomalie di temperatura nella troposfera tropicale durante gli eventi El Niño corrisponde alla Figura 8b (o alla Figura 9b in Yulaeva e Wallace, 1994), mentre la distribuzione per la tropopausa e la bassa stratosfera corrisponde alla Figura 8a (o alla Figura 17b in Yulaeva e Wallace, 1994).

Zhou e Sun (1994) hanno espanso il modello di Gill (1980) aggiungendo un effetto di raffreddamento sul dominio occidentale e un effetto di riscaldamento sul dominio orientale. Questo modello è stato usato per esaminare la risposta stazionaria non lineare della troposfera tropicale a due sorgenti di calore di natura opposta. Le osservazioni di radiazione infrarossa emessa verso l’esterno (OLR) mostrano anomalie positive (anomalie di riscaldamento diabatico negative) sull’Oceano Indiano orientale e sul Pacifico occidentale, e anomalie negative (anomalie di riscaldamento diabatico positive) dal centro all’est del Pacifico (Yulaeva e Wallace, 1994). La distribuzione di queste due fonti di calore idealizzate, come analizzata da Zhou e Sun (1994), rappresenta la disposizione longitudinale delle principali anomalie di riscaldamento diabatico nei tropici durante gli eventi El Niño.

La risposta costante in altezza geopotenziale al vertice del modello, causata da queste due fonti di calore contrapposte, evidenzia un manubrio positivo sull’emisfero orientale del modello e un manubrio negativo sull’emisfero occidentale. Questi manubri positivi e negativi costituiscono un dipolo est-ovest. In aggiunta, si registra un picco negativo nell’altezza geopotenziale ad est della fonte di raffreddamento occidentale, risultante dall’interazione tra le onde (Zhou e Sun 1994). La risposta dell’altezza geopotenziale alle sorgenti di calore accoppiate est-ovest, negativo-positivo, è coerente, dal punto di vista idrostatico, con la Fig. 8a, che mostra le anomalie della temperatura del CPT tropicale associate a El Niño. Tuttavia, è stato supposto che la risposta dell’anomalia di temperatura mantenga la stessa struttura verticale del riscaldamento (Gill 1980; Zhou e Sun 1994). Per spiegare più adeguatamente la firma di ENSO nella temperatura del CPT tropicale, il modello di Gill necessita di ulteriori estensioni, come l’inclusione di uno strato stratosferico o l’adozione del framework proposto da Highwood e Hoskins (1998). Sebbene i risultati di questo modello dimostrino che la caratteristica dipolare est-ovest nella firma di ENSO nel CPT tropicale sia indotta dai cambiamenti nella convezione tropicale durante gli eventi ENSO, la caratteristica del manubrio nord-sud è attribuibile alla rotazione terrestre, e il picco massimo sul Pacifico occidentale equatoriale è causato dall’interazione non lineare tra onde (Zhou e Sun 1994).

Come menzionato nell’introduzione, abbiamo osservato un generale raffreddamento dei CPT tropicali in tutto il Tropico nel periodo 1973-1998. Parallelamente, la temperatura superficiale del mare (SST) tropicale è in aumento e la radiazione infrarossa emessa verso l’esterno (OLR) tropicale è in diminuzione. Waliser e Zhou (1997) hanno confermato che il trend di diminuzione dell’OLR tropicale corrisponde all’aumento delle osservazioni di piogge tropicali in situ. È plausibile ipotizzare che i cambiamenti nella convezione tropicale, dovuti all’incremento delle SST, possano essere responsabili del trend di raffreddamento del CPT tropicale (Zhou et al. 2001; Zhou 2000).

In conclusione, la variabilità della convezione tropicale svolge un ruolo cruciale nel determinare la variabilità a bassa frequenza del CPT tropicale, inclusa la tendenza di lungo termine.

La figura 11 presenta quattro analisi composite relative alla risposta del CPT SMR (rapporto molare di sostanze nella tropopausa tropicale) a specifici fenomeni atmosferici:

1. Pannello a: Mostra le variazioni del CPT SMR in risposta ai tagli dei venti occidentali a 50 mb sopra Singapore. Le linee di contorno indicano diverse concentrazioni di sostanze, con linee più fitte che suggeriscono aree di maggiore concentrazione.
2. Pannello b: Rappresenta le variazioni del CPT SMR durante i periodi di tagli dei venti orientali a 50 mb sopra Singapore. Le linee di contorno sono utilizzate per mostrare i vari livelli di concentrazione di sostanze nella zona della tropopausa.
3. Pannello c: Illustra le variazioni durante gli eventi di El Niño degli anni 1982-83 e 1986-88. Si nota un pattern caratteristico che riflette gli effetti delle elevate temperature superficiali del mare e dei cambiamenti nella circolazione atmosferica associati a El Niño.
4. Pannello d: Espone le risposte durante gli eventi di La Niña negli anni 1984-85 e 1988-89. Il modello osservato è generalmente l’opposto rispetto a quello degli eventi El Niño, corrispondente alle condizioni atmosferiche e oceaniche inverse tipiche della La Niña.

Ogni pannello utilizza intervalli di contorno di 0.10 ppmv per dettagliare la distribuzione e l’intensità delle sostanze nella tropopausa, offrendo una chiara visualizzazione di come diversi fenomeni influenzino la composizione chimica della tropopausa tropicale. Questi dati sono fondamentali per comprendere l’impatto di vari schemi di vento e anomalie climatiche sui livelli di sostanze nella tropopausa.

c. Meccanismo per la firma QBO nel CPT tropicale

L’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) nella stratosfera tropicale è una variazione a bassa frequenza molto significativa che è stata oggetto di studi intensivi per decenni. Le nostre analisi mostrano che i tagli dei venti occidentali a 50 mb, associati ad anomalie di temperatura più calde, anticipano di circa 6 mesi le temperature del CPT tropicale e sono positivamente correlati con esse. È stato osservato che i tagli dei venti occidentali impiegano circa 3-4 mesi per spostarsi da 50 mb a 100 mb, mentre i tagli dei venti orientali richiedono circa 7 mesi per lo stesso spostamento, risultando in una media di circa 5-6 mesi di ritardo. Questo intervallo di tempo è molto coerente con i risultati delle nostre analisi.

L’ampiezza delle variazioni di temperatura del QBO può essere approssimata considerando un cambiamento del vento su una certa scala di altezza e una determinata distanza. Utilizzando questi dati, è possibile stimare un cambiamento di temperatura di circa 0,79 K. L’ampiezza delle anomalie di temperatura del CPT associate al QBO è stata valutata tra 0,3 e 0,5 K. La coerenza tra il ritardo temporale e l’ampiezza conferma che la firma del QBO nelle temperature del CPT tropicale è probabilmente dovuta alle anomalie di temperatura della stratosfera associate al QBO che si propagano verso il basso insieme alla circolazione meridionale del QBO.

Il ciclo annuale della tropopausa tropicale è principalmente guidato dalla forzatura delle onde extratropicali. Tuttavia, non è ancora chiaro quanto questa forzatura influenzi le variazioni a bassa frequenza della tropopausa tropicale. È probabile che parte dell’effetto del QBO sia modulata da questa forzatura delle onde extratropicali, mentre altre componenti potrebbero essere direttamente influenzate dalla circolazione meridionale del QBO. I futuri studi sulle variazioni a bassa frequenza del CPT tropicale dovrebbero prendere in considerazione contemporaneamente il QBO stratosferico, l’ENSO troposferico e la forzatura delle onde extratropicali.

d. Valore d’ingresso del vapore acqueo

Il flusso ascendente dalla troposfera alla stratosfera si verifica principalmente nei Tropici (Holton et al. 1995), il che permette di stimare il valore d’ingresso del rapporto di miscelazione del vapore acqueo a partire dalle misurazioni dirette alla tropopausa tropicale. Tuttavia, questo metodo è soggetto a notevoli errori di campionamento e a significative variabilità spaziali e temporali nelle misurazioni vicino alla tropopausa tropicale. Le stime del valore d’ingresso sono state generalmente derivate indirettamente da misurazioni stratosferiche a medie latitudini (ad esempio, Abbas et al. 1996), concentrando l’attenzione unicamente sulla media annuale.

Randel et al. (2000) hanno applicato una regressione multivariata utilizzando dati provenienti da 12 stazioni di sondaggio tropicali, rilevando che le strutture degli effetti del QBO e dell’ENSO sulla tropopausa tropicale calcolate tramite i radiosondaggi sono simili a quelle ottenute dalle ri-analisi NCEP. Confermato nella sezione 2, le ri-analisi ECMWF mappano efficacemente le variabilità del CPT riscontrate nei dati di sondaggio. Di conseguenza, l’influenza del QBO e dell’ENSO sul CPT tropicale è ritenuta altamente affidabile. Data la forte non linearità dell’equazione di Clausius-Clapeyron (Reid e Gage 1996; Zhou e Geller 1998), anche piccole variazioni di temperatura possono indurre grandi differenze nel rapporto di miscelazione di saturazione risultante. Le ampiezze delle impronte del QBO e dell’ENSO sulle temperature del CPT tropicale sono sufficientemente elevate da causare variazioni significative nel SMR al CPT tropicale (Figure 7–10). Le composizioni per gli SMR del CPT riflettono le stesse caratteristiche osservate nelle composizioni delle temperature del CPT (Figura 11).Il Rapporto di Miscelazione Specifico (SMR) del CPT dipende maggiormente dalla temperatura che dalla pressione. Le variazioni del SMR del CPT attribuibili al QBO stratosferico si attestano tra 0,1 e 0,4 ppmv. Durante gli eventi di El Niño, le anomalie composite del SMR del CPT si collocano tra 20,6 e -0,4 ppmv, mentre durante gli eventi di La Niña sono comprese tra 20,6 e -0,9 ppmv. Data la bassa umidità della bassa stratosfera tropicale, circa 3-5 ppmv, le anomalie rilevate nella Figura 11 sono significative.

Le ampiezze delle variabilità nel SMR del CPT dovute agli effetti del QBO e dell’ENSO superano le anomalie composite riportate nella Figura 11, che rappresentano medie dei periodi corrispondenti. Questo fenomeno può essere osservato in un grafico di evoluzione longitudinale-temporale, simile alla Figura 10, ma focalizzato sul SMR del CPT (figura non mostrata). È stato inoltre rilevato che il CPT tropicale si sta raffreddando a un tasso di -0,57 K per decennio. Questo raffreddamento delle temperature del CPT, accompagnato da una diminuzione delle pressioni del CPT, comporta un trend di decremento di circa -0,46 ppmv per decennio nel SMR del CPT tropicale.

Questa tendenza al raffreddamento nel CPT suggerisce che l’incremento osservato del vapore acqueo stratosferico potrebbe essere causato da cambiamenti nella circolazione residua (Zhou et al. 2001; Zhou 2000).

Non è chiaramente comprensibile come le parcelle d’aria troposferica attraversino il CPT tropicale per entrare nella stratosfera inferiore tropicale, a causa della scarsità di osservazioni dirette del vapore acqueo vicino alla tropopausa. Il livello di saturazione di queste parcelle d’aria al CPT tropicale può rendere complessa la stima del valore di ingresso del vapore acqueo (Vömel e Oltmans 1999). Tuttavia, il valore di ingresso del rapporto di miscelazione del vapore acqueo attraverso la tropopausa tropicale rimane influenzato dalla media a lungo termine e su larga scala, in confronto con la convezione, delle temperature della tropopausa tropicale (ad esempio, Mote et al. 1996). È ragionevole aspettarsi variazioni a bassa frequenza nel valore di ingresso del vapore acqueo, fintanto che il meccanismo di ingresso dell’aria nella stratosfera rimane invariato.

5. Riassunto

I punti principali di questo articolo sono riassunti come segue:

1. Metodo di Fitting con Spline: Il nostro metodo di fitting con spline si è dimostrato ragionevole per studiare la morfologia della tropopausa a punto freddo. Tuttavia, le ri-analisi ECMWF tendono a sovrastimare le temperature nella CPT tropicale di 2–2,6 K, mentre il bias caldo nelle ri-analisi NCEP è ancora più marcato.
2. Fontana Stratosferica: La parte occidentale tropicale del Pacifico funge da fontana stratosferica principale per tutto l’anno. La regione dove si concentrano i valori minimi giornalieri del SMR della CPT si estende in longitudine durante gran parte dell’anno e si sposta verso nord durante il monsone estivo indiano.
3. Variabilità della CPT Tropicale: Sono identificate tre principali variabilità: intrastagionale, ciclica stagionale e a bassa frequenza. Molti aspetti delle variabilità a bassa frequenza della CPT tropicale sono fortemente correlati al QBO stratosferico e all’ENSO troposferico.
4. Impronte di QBO e ENSO: Le impronte del QBO stratosferico nella CPT tropicale sono prevalentemente simmetriche zonalmente. Invece, le impronte dell’ENSO mostrano chiare caratteristiche di un dipolo est-ovest e di manubri nord-sud, essendo queste ultime più marcate delle impronte del QBO.
5. Influenza di ENSO e QBO: Le impronte di ENSO e QBO sono abbastanza ampie da indurre variazioni significative nel SMR della CPT tropicale, influenzando quindi il valore di ingresso del vapore acqueo attraverso la CPT tropicale nella stratosfera inferiore.
6. Correlazioni: Le temperature della CPT tropicale e l’ENSO sono correlate simultaneamente, mentre il QBO stratosferico nel taglio dei venti a 50 mb non mostra una correlazione simultanea.
7. Origine della Firma del QBO: È probabile che la firma del QBO nella CPT tropicale sia dovuta alla circolazione meridionale del QBO che si propaga verso il basso nella stratosfera equatoriale.
8. Ruolo della Convezione Tropicale: La convezione tropicale è considerata una spiegazione significativa per molte delle variabilità a bassa frequenza della CPT tropicale, supportata da osservazioni e analisi teoriche (Yulaeva e Wallace 1994; Zhou e Sun 1994; Zhou et al. 2001).

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