Flusso di Attività Ondosa Ascendente come Precursore di Eventi Stratosferici Estremi e Successivi Regimi Meteorologici Anomali della Superficie

LORENZO M. POLVANI
Dipartimento di Fisica Applicata e Matematica Applicata, e Dipartimento di Scienze della Terra e Ambientali, Università di Columbia, New York, New York

DARRYN W. WAUGH
Dipartimento di Scienze della Terra e Planetarie, Università Johns Hopkins, Baltimore, Maryland

(Manoscritto ricevuto il 2 giugno 2003, in forma definitiva il 12 gennaio 2004)

RIASSUNTO
Recenti studi hanno evidenziato che gli Eventi Stratosferici Estremi (ESE) inducono anomalie nei regimi meteorologici superficiali per periodi che possono estendersi fino a 60 giorni. Questa correlazione suggerisce la possibilità di sfruttare la variabilità stratosferica per migliorare le previsioni meteorologiche oltre le limitazioni temporali attuali. Nel presente studio, si devia l’attenzione dalla stratosfera per esplorare il ruolo della troposfera come zona di genesi degli ESE. Inizialmente, si evidenzia come i flussi di calore eddico, anomali e intensi, a 100 hPa precedano regolarmente episodi di vortice stratosferico attenuato, mentre flussi più deboli anticipano eventi di vortice più intensi. Questa osservazione è coerente con la teoria dell’interazione tra onda e flusso medio e illumina la natura dinamica degli ESE, suggerendo che le principali fonti di variabilità e prevedibilità stratosferica risiedano nella troposfera sottostante. Successivamente, si dimostra come le serie temporali giornaliere dei flussi di calore eddico, misurati a 100 hPa e accumulati nei 40 giorni antecedenti, mostrino una significativa anticorrelazione (-0.8) con l’indice dell’Oscillazione Artica (AO) a 10 hPa. Seguendo l’analisi di Baldwin e Dunkerton, si osserva che episodi caratterizzati da flussi di calore eddico integrati e anomaliamente intensi (deboli) a 100 hPa sono seguiti da valori anomaliamente elevati (ridotti) dell’indice AO in superficie, per un periodo fino a 60 giorni successivi all’evento. Questi risultati indicano che la stratosfera potrebbe non essere il principale driver dei regimi meteorologici superficiali anomali discussi in Thompson et al.

1. Introduzione

Recenti studi hanno sollevato l’interessante possibilità che la comprensione delle dinamiche stratosferiche possa migliorare la previsione dei cambiamenti climatici troposferici e estendere la capacità di prevedere eventi meteorologici oltre il limite temporale attuale di circa una settimana. Questa ipotesi trae origine dall’osservazione che le anomalie nell’indice dell’Oscillazione Artica (AO) emergono prima nella stratosfera, per poi diffondersi gradualmente verso la troposfera nel corso di alcune settimane (Baldwin e Dunkerton, 1999). È stato inoltre documentato che gli Eventi Stratosferici Estremi (ESE), caratterizzati da superamenti di una soglia predeterminata dell’indice AO, sono seguiti da regimi meteorologici superficiali anomali che possono persistere per periodi fino a due mesi (Baldwin e Dunkerton, 2001; Thompson et al., 2002).

L’emergere di valori estremi di AO nella stratosfera superiore, in assenza di corrispondenti anomalie significative nella troposfera, potrebbe erroneamente suggerire che tali eventi abbiano origine in quest’ultima regione atmosferica. Inoltre, la discesa di questi valori estremi dall’alta stratosfera verso la troposfera ha stimolato un rinnovato interesse sull’ipotetico ruolo di “forzante” della stratosfera sulla dinamica troposferica e sulla variabilità climatica. Questa prospettiva, tuttavia, è in contrasto con la nostra comprensione fondamentale delle dinamiche delle onde planetarie e della loro interazione con i vortici polari stratosferici. Il principale scopo di questo studio è pertanto di approfondire la natura dinamica degli ESE e di dimostrare che la loro origine si localizza effettivamente nella troposfera. Dato che gli ESE vengono definiti in base ai valori dell’indice AO a 10 hPa, e considerando che l’AO rappresenta un eccellente indicatore della forza del getto polare notturno stratosferico, è chiaro che gli ESE si manifestano in concomitanza con vortici polari stratosferici insolitamente deboli o intensi, come nei casi di riscaldamenti o raffreddamenti stratosferici improvvisi.

Una serie di studi di caso hanno stabilito un legame tra questi eventi e l’attività ondulatoria anomala che penetra nella stratosfera. Specificamente, è stato documentato che un’intensa attività ondosa ascendente, misurata tramite il flusso di Eliassen-Palm (E-P), anticipa la disgregazione del vortice in occasioni di riscaldamenti stratosferici improvvisi (Baldwin et al. 1989; Kodera e Chiba 1995; Naujokat et al. 2002; Palmer 1981). È inoltre noto che periodi caratterizzati da un vortice particolarmente robusto coincidono con una debole attività ondosa che entra nella stratosfera (Coy et al. 1997; Pawson e Naujokat 1999). In aggiunta, esiste una relazione ben definita, su scala interannuale, tra lo stato della stratosfera e l’attività ondosa integrata che ascesa dalla troposfera: gli inverni con marcata attività ondosa ascendente si correlano a temperature polari più elevate, maggiore presenza di ozono e un vortice polare più debole che tende a disgregarsi più precocemente (Fusco e Salby 1999; Waugh et al. 1999; Newman et al. 2001; Hu e Tung 2002).

Nonostante ciò, non è stata ancora condotta un’analisi sistematica dell’intero archivio dati, e la solidità statistica della correlazione tra l’attività ondosa ascendente presso la tropopausa e la manifestazione di valori estremi dell’AO (ESE) nella stratosfera rimane da verificare. Questo studio esamina su scala giornaliera la relazione tra lo stato della stratosfera e l’attività ondosa ascendente. Dimostriamo l’esistenza di una correlazione statisticamente significativa tra l’indice AO a 10 hPa e l’attività ondosa ascendente che entra nella stratosfera, accumulata nel mese precedente, evidenziando che gli ESE sono quasi sempre preceduti da un’attività ondosa ascendente anomala. Questo ci permette di dedurre che gli ESE originano nella troposfera, come suggerito da Christiansen (2001).

Ulteriormente, dimostriamo che l’attività ondosa vicino alla tropopausa può essere impiegata per costruire profili compositi degli ESE, i quali presentano una struttura temporale-altimetrica molto simile a quella descritta in BD2001. Importante è anche il rilievo che i regimi meteorologici superficiali anomali si manifestano nei 60 giorni successivi a significative anomalie nell’attività ondosa ascendente presso la tropopausa. Ciò conferma che l’origine di tali regimi meteorologici anomali è localizzata nella troposfera e non nella stratosfera.

La Figura 1 presenta le funzioni di distribuzione di probabilità per l’anomalia del flusso di calore degli eddies a 100 hPa, mediata su 40 giorni per tutti i giorni invernali e per eventi specifici di vortici stratosferici, come definito in BD2001. Queste distribuzioni sono rappresentate tramite tre curve distintive:

  • Curva nera: Questa curva illustra la distribuzione generale delle anomalie di flusso di calore durante i giorni invernali. Serve come riferimento per confrontare le condizioni normali con quelle osservate durante eventi di vortice stratosferico specifici.
  • Curva rossa: Indica la distribuzione delle anomalie di flusso di calore durante 18 eventi caratterizzati da un vortice stratosferico debole. Notabilmente, questa distribuzione mostra valori anomali positivi di flusso di calore, suggerendo un’intensificata attività ondosa che contribuisce a riscaldamenti stratosferici e all’indebolimento del vortice.
  • Curva blu: Rappresenta la distribuzione durante 30 eventi associati a un vortice stratosferico forte. Qui, l’anomalia del flusso di calore è prevalentemente negativa, indicando una ridotta attività ondosa che corrisponde a un vortice più robusto e stabile.

Analisi:

  • L’analisi delle curve evidenzia come variazioni nell’intensità del flusso di calore possano essere correlate con la dinamica dei vortici stratosferici. Gli eventi di vortice debole mostrano una chiara tendenza verso maggiori flussi di calore, mentre i vortici forti sono associati a minori attività ondose.
  • Questa osservazione enfatizza l’importanza dell’attività ondosa ascendente come fattore predittivo e influente nella formazione e evoluzione dei vortici polari, sottolineando il ruolo cruciale delle dinamiche troposferiche nella modulazione dei fenomeni stratosferici.

La figura fornisce quindi un quadro comprensivo delle interazioni tra attività ondosa e condizioni del vortice polare, elementi essenziali per la comprensione delle dinamiche climatiche invernali.

………..è stato documentato che un’intensa attività ondosa ascendente, misurata tramite il flusso di Eliassen-Palm (E-P), anticipa la disgregazione del vortice in occasioni di riscaldamenti stratosferici improvvisi……..

Il passaggio si riferisce a un concetto importante nella meteorologia e nella dinamica atmosferica relativo all’interazione tra i movimenti delle onde atmosferiche e i grandi vortici, come il vortice polare stratosferico. Il flusso di Eliassen-Palm (E-P), spesso utilizzato in questi studi, è uno strumento diagnostico che quantifica il trasporto di quantità fisiche come momento angolare e energia attraverso le onde atmosferiche.

Flusso di Eliassen-Palm (E-P):

  • Il flusso di E-P è un concetto teorico utilizzato per misurare la quantità di energia e momento angolare trasportati dalle onde atmosferiche. Esso è particolarmente importante per comprendere come le onde generate nella troposfera (la parte più bassa dell’atmosfera) possano influenzare la stratosfera (la parte dell’atmosfera situata sopra la troposfera).
  • Il flusso di E-P non è misurato direttamente, ma calcolato a partire dai campi di vento e temperatura attraverso equazioni complesse che considerano la disposizione e il movimento delle onde atmosferiche.

Interazione tra Onde e Vortici:

  • Le onde atmosferiche possono trasportare energia verso l’alto dalla troposfera alla stratosfera. Quando l’energia delle onde raggiunge la stratosfera, può disturbare o addirittura disgregare i grandi vortici presenti, come il vortice polare.
  • Durante i riscaldamenti stratosferici improvvisi, noti anche come Sudden Stratospheric Warmings (SSWs), si osserva spesso un’intensa attività ondosa ascendente. Questi eventi sono caratterizzati da un rapido aumento della temperatura nella stratosfera polare e possono portare al temporaneo indebolimento o scissione del vortice polare.

Implicazioni dei Riscaldamenti Stratosferici:

  • Quando il vortice polare si indebolisce o si divide, le configurazioni dei venti possono cambiare significativamente, influenzando i pattern meteorologici anche a livelli più bassi, nella troposfera. Questo può avere effetti sul clima a latitudini medie, incluse variazioni nelle temperature e nelle precipitazioni.
  • L’anticipazione di tali eventi attraverso la misurazione dell’attività ondosa può quindi essere cruciale per migliorare le previsioni meteorologiche a lungo termine.

In sintesi, il passaggio descrive come un’attività ondosa intensa e diretta verso l’alto possa precedere e influenzare la dinamica del vortice polare stratosferico, alterando significativamente i comportamenti atmosferici a vasta scala e dimostrando l’interconnesso sistema dinamico dell’atmosfera terrestre.

di seguito una figura che riassume meglio i concetti espressi.

Ecco un’illustrazione scientifica che mostra il concetto di riscaldamento stratosferico improvviso e l’impatto dell’attività ondosa ascendente. L’immagine rappresenta una sezione trasversale verticale dell’atmosfera dalla troposfera alla stratosfera, con frecce che indicano l’attività ondosa ascendente e una rappresentazione del vortice polare nella stratosfera che appare interrotto. I cambiamenti di temperatura sono rappresentati con gradienti di colore.

2. Risultati

Un aspetto cruciale di questo studio è la scelta di considerare l’attività ondosa integrata nel tempo che entra nella stratosfera, piuttosto che i valori giornalieri con un certo ritardo temporale, che sono stati comunemente utilizzati in molti degli studi precedenti. Questo approccio è supportato teoricamente. Per esempio, è stato dimostrato che le temperature polari nella stratosfera e i corrispondenti venti, in un giorno specifico, sono influenzati non dall’attività ondosa ascendente immediata, ma piuttosto dalla somma ponderata di questa attività nelle settimane precedenti.

In questo studio, abbiamo utilizzato le rianalisi del National Centers for Environmental Prediction e del National Center for Atmospheric Research, coprendo il periodo dal 1958 al 2001, per esaminare quotidianamente la relazione tra gli Eventi Stratosferici Estremi e l’attività ondosa che entra nella stratosfera. Abbiamo calcolato il flusso di calore trasportato dagli eddies alla quota di 100 hPa, mediando i dati tra i 45° e i 75° di latitudine nord, e di nuovo mediando questi dati su un periodo di giorni tipicamente intorno ai 40 giorni prima di ciascuna data analizzata.

Questa procedura di mediazione è stata scelta in linea con diversi studi precedenti che hanno esaminato le variazioni interannuali nella forzatura ondosa stratosferica. Risultati simili sono stati ottenuti sia utilizzando componenti diverse del flusso di calore sia estendendo l’analisi a un intervallo di latitudini più ampio. Per eliminare le variazioni stagionali, abbiamo rimosso la media climatologica giornaliera, presentando così tutti i flussi come anomalie. Questo parametro è stato denominato “flusso di calore medio” e, a meno che non sia specificato diversamente, è stato calcolato a 100 hPa e mediato sui 40 giorni precedenti a una data determinata.

Considerando gli eventi definiti nella precedente ricerca BD2001, ossia quei giorni in cui l’indice del modo annulare nordico a 10 hPa supera una certa soglia positiva o negativa, abbiamo posto una domanda semplice: quale è stata l’attività ondosa ascendente che ha preceduto ciascun evento? La risposta è illustrata nella Figura 1. Per i 18 eventi caratterizzati da un vortice debole, la distribuzione di probabilità dei flussi di calore medi a 100 hPa è indicata dalle barre rosse; per i 30 eventi con un vortice forte, la distribuzione è mostrata dalle barre blu. È rilevante osservare quanto nettamente separate siano le distribuzioni di probabilità degli eventi deboli e forti, e come si collocano ai lati opposti della curva nera, che rappresenta tutti i giorni invernali.

Dall’analisi della Figura 1 emerge chiaramente che gli eventi caratterizzati da un vortice polare debole sono generalmente preceduti da un’attività ondosa straordinariamente intensa che penetra nella stratosfera. Questo fenomeno, che rientra nelle aspettative, suggerisce una spiegazione dinamica relativamente semplice di questi eventi: nel periodo di 40 giorni che precede ciascun episodio di vortice debole (indice NAM basso), un’attività ondosa significativamente intensa si propaga verso l’alto dalla troposfera e, rompendosi, deposita il suo momento occidentale nella stratosfera, contribuendo così all’indebolimento del vortice polare. In maniera simile, come dimostrato dalla Figura 1, gli eventi di vortice forte (indice NAM alto) nella stratosfera sono preceduti da un’attività ondosa ascendente debolmente anomala, un dato che rispecchia la nostra comprensione della dinamica stratosferica.

È notevole osservare come il flusso di calore medio che precede gli Eventi Stratosferici Estremi (definiti in BD2001 sulla base dell’indice NAM a 10 hPa) non presenti una distribuzione simmetrica. L’istogramma relativo agli eventi di vortice debole (in rosso) è posizionato circa due deviazioni standard a destra della distribuzione di probabilità per tutti i giorni, mentre quello relativo agli eventi di vortice forte (in blu) si colloca solo circa una deviazione standard a sinistra. Secondo l’interpretazione dinamica proposta, non ci si aspetterebbe una simmetria. In un certo senso, solo gli eventi di vortice debole possono essere considerati veri “eventi”, dato che comportano un fenomeno distintivo, ossia una propagazione ondosa verso l’alto notevolmente superiore alla media seguita dalla rottura dell’onda, tipica di un riscaldamento stratosferico improvviso. Al contrario, quando il vortice è insolitamente forte, di fatto si verifica poco: l’attività ondosa che entra nella stratosfera è debole e di conseguenza sono poche le onde che si propagano verso l’alto, rompendosi e rallentando il vortice.

Questa interpretazione dinamica, basata sui soli PDF, viene notevolmente rafforzata dall’analisi delle serie temporali effettive, rappresentate nella Figura 2 per gli ultimi 24 anni di registrazione. È particolarmente evidente l’alta anticorrelazione (-0.8) tra l’indice NAM a 10 hPa (curva rossa) e il flusso di calore medio a 100 hPa (curva blu). Un’anticorrelazione così marcata fornisce un forte supporto alla nostra interpretazione dei flussi di attività ondosa ascendente come precursori degli ESE.

Nella Figura 3, esploriamo la dipendenza della correlazione tra il flusso di calore medio a 100 hPa e l’indice NAM a 10 hPa da due parametri: il periodo di integrazione durante il quale il flusso di calore è mediato e il ritardo temporale tra la fine di tale periodo di integrazione e il momento dell’indice NAM a 10 hPa. La Figura 3 rivela che le anticorrelazioni più elevate si verificano per periodi di integrazione di 20 giorni o più, con una sensibilità ridotta oltre tale soglia. È importante notare che le alte anticorrelazioni praticamente scompaiono per periodi di mediazione inferiori a 10 giorni; questo spiega perché l’anticorrelazione utilizzando i flussi di calore giornalieri sia molto inferiore rispetto a quella ottenuta con flussi di calore mediati su 20 giorni o più, in linea con la teoria proposta da Newman et al. (2001).

Questo risultato persiste anche applicando un ritardo temporale tra i flussi di calore giornalieri a 100 hPa e l’indice NAM a 10 hPa. La correlazione massima si osserva con un ritardo di 5 giorni, anche se questa correlazione si attesta intorno a -0.4.

Per confermare l’origine troposferica degli Eventi Stratosferici Estremi (ESE), abbiamo analizzato come la correlazione tra l’indice NAM a 10 hPa e il flusso di calore ascendente varia in funzione del livello di misurazione del flusso di calore. La serie temporale del flusso di calore medio a 300 hPa, mostrata nella Figura 2 (vedi linea nera sottile), dimostra una buona corrispondenza con gli eventi anomali nelle serie temporali del flusso di calore a 100 e 300 hPa, dove la correlazione tra le due serie supera 0.55. Una correlazione ancora più stretta si registra tra 100 e 200 hPa (non illustrato) con un valore intorno a 0.9. Queste elevati correlazioni indicano che la maggior parte delle variazioni del flusso di calore a 100 hPa ha origine da 300 hPa o livelli inferiori, confermando quindi che l’attività ondosa a 100 hPa deriva dalla troposfera.

Le correlazioni tra i flussi di calore a 200 o 300 hPa e l’indice NAM a 10 hPa mostrano un andamento simile in termini di periodo di mediazione e ritardo temporale, come evidenziato nella Figura 3, ma presentano correlazioni più deboli (le anticorrelazioni massime a 200 e 300 hPa sono rispettivamente -0.55 e -0.3). Queste correlazioni ridotte suggeriscono che, benché l’attività ondosa che si propaga oltre i 100 hPa provenga dalla troposfera, il flusso vicino alla tropopausa è determinante nel modulare quanto dell’attività ondosa raggiunga la media stratosfera. Attualmente stiamo approfondendo la propagazione dell’attività ondosa nella regione tra 300 e 100 hPa.

Dopo aver dimostrato che gli ESE sono preceduti da un flusso anomalo di onde ascendenti dalla troposfera, ci si potrebbe chiedere se gli eventi aggregati a partire dalla sogliatura del flusso ascendente appaiano sostanzialmente diversi rispetto a quelli presentati in BD2001. Gli eventi selezionati impostando una soglia di 65.5 K m s^-1 sul flusso di calore medio di 40 giorni a 100 hPa sono mostrati nei pannelli superiori della Figura 4. Nei pannelli inferiori della stessa figura, vengono illustrati i compositi dei valori giornalieri dell’attività ondosa ascendente a 100 hPa.

Qualitativamente e quantitativamente, i pannelli superiori della Figura 4 sono molto simili a quelli della Figura 2 di BD2001. In particolare, si osserva come l’anomalia NAM si manifesti prima nella stratosfera superiore, seguita dalla propagazione verso il basso di tale anomalia. Considerando che l’indice NAM rimane molto basso a quasi tutti i livelli dell’atmosfera nei 10-20 giorni precedenti l’emergere delle anomalie NAM a 10 hPa, questi grafici potrebbero far presupporre, se analizzati isolatamente, che una fonte di variabilità nella stratosfera superiore influenzi la stratosfera inferiore e persino la troposfera sottostante. Tuttavia, il fatto che le anomalie NAM della stratosfera superiore siano precedute da anomalie nell’attività ondosa ascendente, come mostrato nei pannelli inferiori, smentisce tale scenario.

Un aspetto interessante dei pannelli inferiori della Figura 4 è che i flussi di calore istantanei variano rapidamente durante l’insorgenza degli ESE, in particolare per gli eventi di vortice debole, dove il flusso passa da valori molto alti a molto bassi in pochi giorni. Le cause di questo cambiamento drastico, e se siano attribuibili a condizioni nella troposfera, nella stratosfera o in entrambe, sono al momento incerte. Questo evidenzia la necessità di prestare attenzione nella scelta dei periodi di mediazione per l’analisi dei flussi durante gli ESE.

In conclusione, studi precedenti come BD2001 e Thompson et al. (2002) hanno evidenziato che le anomalie superficiali sono rilevabili fino a 60 giorni dopo gli Eventi Stratosferici Estremi (ESE). È interessante notare che anomalie superficiali di tipo analogo emergono quando si utilizza l’attività ondosa ascendente a 100 hPa per definire le anomalie.

Per illustrare questo punto, nella Figura 5 abbiamo rappresentato le anomalie della pressione media al livello del mare, calcolate sulla media dei 60 giorni successivi sia ai 25 eventi di flusso di calore elevato che ai 24 eventi di flusso ridotto, mostrati nei pannelli superiori della Figura 4. Questa rappresentazione è direttamente comparabile con la Figura 3 di BD2001, mostrando caratteristiche molto simili. È fondamentale sottolineare che per questa figura non è stata applicata alcuna decomposizione in modi ortogonali empirici (EOF); abbiamo semplicemente utilizzato i dati dei campi di pressione superficiale nei 60 giorni successivi agli eventi di flusso di calore alto e basso a 100 hPa. Da questa osservazione emerge chiaramente che non è possibile ricondurre i regimi meteorologici superficiali alla stratosfera; infatti, la fonte di tali regimi anomali si localizza nella troposfera.

Successivamente, nella Figura 6, presentiamo la distribuzione di probabilità (PDF) dell’indice AO superficiale per la climatologia generale (in nero), nonché per i due mesi successivi agli eventi di flusso di calore alto (in rosso) e basso (in blu), basati sull’attività del flusso ondoso ascendente. Si osserva un netto spostamento delle PDF superficiali nei 60 giorni successivi agli eventi di flusso alto o basso. È particolarmente interessante notare che i valori dell’indice AO superiori a 1.0 sono quasi tre volte più probabili dopo eventi di flusso ascendente debole, mentre valori inferiori a -1.0 sono circa tre volte più frequenti dopo eventi di flusso forte. La Figura 6, molto simile alla Figura 4a di BD2001, differisce principalmente per il fatto che tutti i dati necessari per la sua costruzione sono situati a o sotto i 100 hPa, suggerendo che l’attività ondosa ascendente anomala vicino alla tropopausa si manifesta in superficie diverse settimane più tardi.

La Figura 2 presenta una serie di dati dal 1 luglio 1978 al 31 dicembre 2002, illustrando le interazioni dinamiche tra vari strati dell’atmosfera e il loro impatto potenziale sui regimi meteorologici. I dati sono rappresentati attraverso tre curve distinte, ognuna correlata a specifici parametri atmosferici:

  1. Indice NAM a 10 hPa (in rosso): Questo grafico traccia i valori giornalieri dell’indice della modalità annulare del nord (NAM) a un’altezza di 10 hPa, offrendo una visione diretta dell’intensità del vortice polare. Valori elevati dell’indice indicano un vortice robusto e ben confinato, tipicamente associato a condizioni meteorologiche stabili nelle regioni polari, mentre valori bassi suggeriscono un vortice indebolito, spesso correlato a condizioni più turbolente e variabili.
  2. Anomalie dei flussi di calore a 100 hPa (in blu): La curva blu mostra le anomalie del flusso di calore a 100 hPa, calcolate come medie su 40 giorni. Questi dati riflettono la quantità di energia termica trasportata verticalmente verso la stratosfera, influenzando direttamente la struttura e la dinamica del vortice polare stratosferico.
  3. Anomalie dei flussi di calore a 300 hPa (in nero): Analogamente alla serie precedente, ma registrata a 300 hPa e visualizzata dopo essere stata moltiplicata per un fattore di due per una chiara distinzione visiva. Questa misura fornisce ulteriori dettagli sulla distribuzione verticale del trasporto di calore nell’atmosfera.

Le linee verticali tratteggiate segnano il primo giorno di ciascun anno, facilitando il confronto annuale e la localizzazione temporale degli eventi significativi nei dati.

Interpretazione dei dati:

  • L’analisi di queste serie temporali consente di osservare le potenziali correlazioni tra variazioni nell’indice NAM e anomalie nei flussi di calore a diverse altezze. Queste correlazioni possono indicare come variazioni significative nella dinamica delle onde nella troposfera e nella bassa stratosfera possano propagarsi verso l’alto, influenzando la stabilità del vortice polare stratosferico e, di conseguenza, i pattern meteorologici a lungo termine.

Questa rappresentazione grafica non solo evidenzia la complessità delle interazioni atmosferiche ma sottolinea anche l’importanza di monitorare e comprendere i flussi di calore verticali per prevedere e interpretare i cambiamenti nei regimi meteorologici globali.

La Figura 3 illustra l’analisi delle correlazioni tra l’indice NAM a 10 hPa e il flusso di calore medio a 100 hPa, evidenziando come queste dipendano dalla durata del periodo di integrazione del flusso di calore e dal ritardo temporale tra la fine di questo periodo e il momento di misurazione dell’indice NAM. Questo studio si basa sui dati raccolti durante i mesi invernali (dicembre-febbraio) dal 1958 al 2001.

Aspetti chiave della figura:

  1. Assi della Figura:
    • Asse orizzontale (Periodo di integrazione): Questo asse mostra l’estensione temporale, da 0 a 60 giorni, durante il quale il flusso di calore a 100 hPa è stato mediato.
    • Asse verticale (Ritardo temporale): Rappresenta il numero di giorni di ritardo tra il termine del periodo di integrazione del flusso di calore e il momento in cui è stato registrato l’indice NAM a 10 hPa.
  2. Linee di Contorno:
    • Le curve di contorno delineano vari livelli del coefficiente di correlazione tra le due misurazioni, con un intervallo di contorno di 0,05. Queste linee aiutano a identificare le aree di forte o debole correlazione tra il flusso di calore e l’indice NAM.
    • Un’aggregazione stretta delle linee di contorno indica aree di marcata correlazione, mentre aree con linee più sparse suggeriscono una correlazione meno definita.

Interpretazione dei Dati:

  • Il diagramma è strumentale per determinare le combinazioni di periodo di integrazione e ritardo temporale che massimizzano o minimizzano la correlazione tra il flusso di calore e l’indice NAM. Tale analisi è fondamentale per comprendere le dinamiche interattive tra la troposfera e la stratosfera, offrendo spunti su come i flussi di calore precedenti influenzino i cambiamenti nell’indice NAM.
  • Identificare il timing ottimale per tali correlazioni può aiutare i ricercatori a migliorare i modelli di previsione climatica e meteorologica, affinando la nostra comprensione delle complesse interazioni atmosferiche su scala planetaria.

Significato della Ricerca:

  • Questa figura fornisce una panoramica quantitativa e dettagliata sulle correlazioni temporali critiche nell’atmosfera, illustrando il legame diretto tra attività atmosferica a diverse altitudini e i suoi effetti sui modelli climatici a lungo termine. Tale analisi è cruciale per sviluppare strategie di previsione più accurate e per approfondire la nostra comprensione delle dinamiche atmosferiche globali.

La Figura 4 offre una disamina dettagliata delle variazioni temporali e verticali dell’indice NAM in relazione agli eventi di flusso di calore elevato e ridotto. La figura è strutturata in due pannelli principali, ognuno dedicato a un tipo specifico di evento di flusso di calore.

Pannello Superiore:

  • Questo segmento visualizza lo sviluppo dell’indice NAM rispetto all’altitudine e al tempo per 25 eventi di alto flusso di calore (a) e 24 eventi di basso flusso di calore (b). L’asse verticale rappresenta l’altitudine, che varia da 0 a 30 km, mentre l’asse orizzontale mostra una scala temporale logaritmica che copre 120 giorni, centrata sull’evento.
  • Una linea orizzontale segna un periodo di 40 giorni in cui il flusso di calore medio è considerato anomalo. Le variazioni dell’indice NAM sono evidenziate con ombreggiature per valori superiori a 0.25 e inferiori a -0.25, e contorni per valori estremi superiori a 0.5 o inferiori a -0.5, con intervalli di contorno di 0.5.

Pannello Inferiore:

  • Qui è rappresentata l’evoluzione temporale del flusso di calore medio giornaliero e su 40 giorni a 100 hPa. Le barre indicano le misure giornaliere, mentre le curve rappresentano le medie su 40 giorni, offrendo una visione integrata delle anomalie di flusso di calore durante gli eventi.
  • L’asse orizzontale mostra i giorni relativi all’evento, mentre l’asse verticale misura le anomalie del flusso di calore in Km^2/s^2.

Implicazioni e Interpretazioni:

  • Questi pannelli combinati forniscono una comprensione approfondita delle dinamiche tra il flusso di calore e le variazioni dell’indice NAM a varie altitudini e intervalli temporali. Le relazioni visive tra gli eventi di flusso di calore e l’indice NAM suggeriscono un collegamento diretto tra l’energia trasferita nella stratosfera dalla troposfera e significative modifiche nella circolazione atmosferica.
  • Gli eventi di flusso di calore elevato tendono a correlarsi con un indebolimento dell’indice NAM, suggerendo possibili riscaldamenti stratosferici improvvisi o un indebolimento del vortice polare. Al contrario, gli eventi di flusso di calore ridotto sono spesso associati a un indice NAM rafforzato, indicativo di un vortice polare più stabile e robusto.

Conclusione:

  • La Figura 4 si rivela essenziale per decifrare le interazioni complesse tra la trasmissione di energia verticale e le fluttuazioni dei pattern meteorologici su larga scala, fornendo dati cruciali per la modellazione climatica e la previsione meteorologica.

La Figura 5 illustra le anomalie della pressione media al livello del mare registrate nei 60 giorni successivi a eventi di flusso di calore elevato e ridotto. Queste osservazioni sono state aggregate in due distinti pannelli, che rappresentano complessivamente le conseguenze atmosferiche di tali eventi stratosferici.

  1. Pannello (a) – Eventi di Alto Flusso di Calore: Questo pannello mostra le anomalie della pressione al livello del mare nei 60 giorni successivi agli eventi di alto flusso di calore, coprendo un periodo cumulativo di 1500 giorni. Ogni linea di contorno su questa mappa rappresenta un’incremento di pressione di 1 hPa, con le aree di pressione inferiore alla media evidenziate tramite ombreggiatura.
  2. Pannello (b) – Eventi di Basso Flusso di Calore: In modo simile, questo pannello esplora le anomalie di pressione nei 60 giorni che seguono gli eventi di flusso di calore ridotto, totalizzando 1440 giorni. Anche qui, le aree dove la pressione è scesa al di sotto della media sono ombreggiate per una chiara distinzione.

Analisi delle Mappe:

  • Le anomalie mostrate nelle mappe forniscono insight critici sulle modificazioni della pressione al livello del mare che seguono variazioni significative nell’attività ondosa stratosferica. Queste variazioni sono essenziali per comprendere come gli eventi stratosferici influenzino i sistemi climatici e meteorologici.
  • Eventi di Alto Flusso di Calore: Tali eventi sono spesso correlati a modifiche sostanziali nelle configurazioni dei sistemi di pressione, potenzialmente portando a condizioni meteorologiche più dinamiche e variabili.
  • Eventi di Basso Flusso di Calore: Questi eventi, al contrario, tendono a coincidere con periodi di maggiore stabilità atmosferica, influenzando meno drasticamente i pattern meteorologici esistenti.

Significato Scientifico:

  • L’analisi visualizzata in Figura 5 è fondamentale per stabilire un legame diretto tra i fenomeni stratosferici e i loro effetti prolungati sulla troposfera, dimostrando come eventi significativi ad alte altitudini possano propagare i loro effetti ben oltre il luogo e il momento della loro iniziale manifestazione.
  • Comprendere queste dinamiche è cruciale per migliorare la precisione delle previsioni meteorologiche e per approfondire la nostra comprensione dei complessi meccanismi che governano i sistemi climatici globali.

In conclusione, la Figura 5 offre una rappresentazione efficace e visivamente impattante dell’impatto di eventi di flusso di calore stratosferico sulla pressione al livello del mare, illustrando chiaramente la rilevanza di questi fenomeni per la climatologia e la meteorologia.

La Figura 6 presenta le funzioni di distribuzione di probabilità (PDF) dell’indice AO normalizzato alla superficie, permettendo un confronto dettagliato delle risposte dell’indice in seguito a differenti eventi di flusso di calore.

  1. Curva nera: Mostra la distribuzione dell’indice AO durante il periodo di dicembre-aprile, fungendo da linea di base per comprendere la variazione naturale dell’indice durante questi mesi.
  2. Curva rossa: Visualizza la distribuzione dell’indice AO nei 60 giorni successivi a eventi di alto flusso di calore. Questa rappresentazione evidenzia come un’intensa attività energetica ascendente possa alterare il comportamento abituale dell’indice AO, potenzialmente intensificando o mitigando i suoi valori tipici.
  3. Curva blu: Analogamente, illustra l’impatto sulla distribuzione dell’indice AO nei 60 giorni a seguire di eventi caratterizzati da un basso flusso di calore, offrendo uno spaccato su come una ridotta dinamica energetica possa influenzare l’indice.

Interpretazione e implicazioni:

  • L’osservazione delle variazioni nelle curve rosse e blu rispetto alla curva nera fornisce intuizioni cruciali su come gli eventi estremi di flusso di calore ascendente modulino le condizioni climatiche, attraverso cambiamenti nell’indice AO. Uno spostamento delle curve rispetto alla distribuzione normale può indicare modifiche significative nella circolazione atmosferica che possono durare vari giorni.
  • Gli effetti evidenziati possono includere variazioni nei pattern di pressione che influenzano il clima a livello locale e globale, modificando fenomeni meteorologici come tempeste, ondate di freddo, o periodi di tempo insolitamente calmo.

Significato della ricerca:

  • Analizzare le PDF dell’indice AO in relazione a specifici eventi meteorologici fornisce una base per comprendere meglio come le dinamiche stratosferiche influenzino direttamente la troposfera. Tale comprensione è fondamentale per migliorare le previsioni meteorologiche e per sviluppare modelli climatici più accurati.
  • Questo studio aiuta i climatologi e i meteorologi a prevedere e gestire meglio le implicazioni di variazioni significative nell’indice AO, che sono cruciali per la pianificazione a lungo termine in agricoltura, gestione delle risorse idriche, e preparazione ai disastri naturali.

In sintesi, la Figura 6 non solo fornisce una rappresentazione visiva del legame tra eventi di flusso di calore e l’indice AO, ma anche sottolinea l’importanza di questi legami per la nostra comprensione delle dinamiche climatiche globali.

3. Discussione

Nel complesso, il nostro studio ha evidenziato come flussi di attività ondosa ascendente anomali a 100 hPa e livelli inferiori precedano gli eventi stratosferici estremi e influenzino le condizioni meteorologiche superficiali, misurate dall’indice AO, fino a 60 giorni successivi. Poiché tali flussi sono associati a onde di scala planetaria che si propagano dalla troposfera alla stratosfera, abbiamo potuto precisare la fonte dinamica di questi eventi stratosferici estremi, confermando che la stratosfera non ne è il punto di origine.

Importante è il rilievo che i regimi meteorologici superficiali anomali non trovano le loro radici solo nella stratosfera superiore, come osservato in precedenza, ma possono essere tracciati ancora più a monte, fino alla troposfera stessa. Emergendo dallo studio è il chiarimento che la stratosfera non costituisce la fonte primaria di tali eventi anomali. Sebbene svolga un ruolo nell’intermediare e potenzialmente modulare questi fenomeni, l’origine di tali eventi si localizza effettivamente nella troposfera sottostante.

Il ruolo esatto della stratosfera resta tuttavia da definire. Resta aperta la questione se la stratosfera reagisca passivamente ai cambiamenti del flusso di onde provenienti dalla troposfera o se abbia un ruolo attivo nel gestire questi flussi. Da una analisi della Figura 1, si potrebbe interpretare che gli eventi anomali siano semplicemente estremità di una distribuzione gaussiana. Tuttavia, emergono indicazioni che lo stato stratosferico precedente a tali eventi di flusso anomalo non sia casuale, come dimostra la Figura 4, dove si vede che un vortice polare forte precede generalmente un evento di forte flusso ascendente, e viceversa. Ciò suggerisce che, sebbene la sorgente degli eventi sia troposferica, la stratosfera può avere un ruolo nel rafforzare o mitigare tali eventi. Uno studio preliminare con un modello idealizzato di stratosfera-troposfera ha mostrato che, mediante la modulazione del flusso di onde vicino alla tropopausa, la stratosfera può generare cicli alternati di venti polari forti e deboli, confermando risultati ottenuti con modelli semplificati. Tuttavia, ulteriori studi sono necessari per delineare con precisione il contributo della troposfera e della stratosfera nella regolazione dell’attività ondosa ascendente che penetra nella stratosfera, influenzando così i regimi meteorologici superficiali settimane dopo.

Ringraziamenti. Gli autori desiderano esprimere gratitudine a Bill Randel, Paul Kushner e Isaac Held per le fruttuose discussioni e ringraziano Mark Baldwin per gli indici NAM, oltre a Paul Newman e Eric Nash per l’accesso alle rianalisi NCEP–NCAR. Questo lavoro è stato parzialmente finanziato dalla National Science Foundation e dalla National Aeronautics and Space Administration.

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