Recenti ricerche hanno evidenziato intense interazioni tra la guida delle onde di Rossby definite e quella delle onde di gravità parametrizzate nei modelli atmosferici che includono la stratosfera. Si è notato che le variazioni nella guida delle onde parametrizzate sono spesso bilanciate da cambiamenti contrari nelle onde definite, creando incertezza sui loro effettivi ruoli nella circolazione di Brewer-Dobson. Questo studio prosegue le ricerche precedenti, identificando tre meccanismi responsabili di queste interazioni, che vengono esplorati attraverso un modello atmosferico idealizzato. I meccanismi individuati riguardano una restrizione di stabilità, un limite nella miscelazione del vortice potenziale, e un’interazione non locale causata da modifiche all’indice di rifrazione per la propagazione delle onde planetarie. Il primo meccanismo si verifica soprattutto con coppie parametrizzate di forte intensità e ristrette in latitudine, mentre il secondo è tipico delle coppie parametrizzate nella zona di frangimento dell’emisfero invernale, dove le onde planetarie si rompono. Il terzo meccanismo è invece prevalente per coppie parametrizzate al limite esterno della zona di frangimento. È probabile che questi meccanismi agiscano insieme, e la dominanza di uno sull’altro dipende principalmente dalla posizione delle coppie e dalla scala temporale dell’interazione.
In questa prospettiva, viene messo in discussione l’approccio convenzionale che separa i ruoli delle onde di Rossby e delle onde di gravità attraverso il controllo discendente. Si propone un metodo alternativo, che considera direttamente l’effetto della guida dell’onda sul vortice potenziale della stratosfera. Questo approccio, pur sfumando i ruoli distinti delle onde di Rossby e delle onde di gravità, offre una comprensione più profonda dell’impatto delle variazioni di ciascun componente sulla circolazione complessiva.
- Introduzione La circolazione di ribaltamento meridionale nella stratosfera muove l’aria dall’equatore verso i poli. Viene chiamata circolazione di Brewer-Dobson (BDC) in onore di Brewer, che la scoprì nel 1949, e di Dobson, nel 1956. Tuttavia, le prime tracce di questa circolazione risalgono a Dobson e altri nel 1929. La circolazione stratosferica influisce sul clima e sulla variabilità della troposfera su diverse scale temporali, interagendo con la chimica e il trasporto dell’ozono (come mostrato da Thompson e altri nel 2011) e del vapore acqueo (come indicato da Solomon e altri nel 2010) su scale decennali, fino alle interazioni dinamiche con i jet stream su scale temporali intra-stagionali (come osservato da Baldwin e Dunkerton nel 2001).
La BDC è una circolazione spinta dalle onde. Le torsioni delle onde retrograde permettono il movimento attraverso linee di momento angolare costante, bilanciando la forza di Coriolis progressiva associata al flusso verso i poli. Come descritto in maniera più figurativa da Holton e altri nel 1995, la forzatura dell’onda crea una “pompa di aspirazione fluidodinamica”, che tira l’aria verso i poli in entrambi gli emisferi. Il quadro dinamico per comprendere la BDC si basa sulle equazioni medie Euleriane trasformate (TEM) di Andrews e McIntyre del 1976 e Dunkerton del 1978. Il vantaggio di questa trasformazione è che la circolazione TEM residua si avvicina alla circolazione media di Lagrange per perturbazioni stabili (come spiegato da Bühler nel 2014, capitolo 11). Inoltre, nel limite quasi-geostrofico (QG), queste equazioni si semplificano, chiarificando la causalità del flusso medio guidato dalle onde, noto come principio di “controllo verso il basso” di Haynes e altri nel 1991. La Figura 1a mostra il paradigma convenzionale per la dinamica della BDC guidata dalle onde. L’argomento del controllo verso il basso sostiene che, dati certi forzamenti delle onde, è possibile dedurre i campi di flusso medio dalle equazioni TEM medie zonali (indicato dalla freccia in alto nella Figura 1a).
Il punto cruciale è che la stratosfera è fortemente stratificata e l’unica forza che agisce su di essa è l’attività delle onde provenienti dal basso. È quindi tentante pensare che la forza esercitata dalle onde sia indipendente dal flusso medio. Tuttavia, variazioni nel flusso medio possono influenzare non solo l’esistenza ma anche la propagazione delle onde stratosferiche. Questo fenomeno è stato illustrato per la prima volta da Charney e Drazin nel 1961 e successivamente approfondito da Matsuno nel 1970. L’indice di rifrazione misura in che modo e se le onde possono propagarsi verso l’alto e in senso meridionale nell’atmosfera. La reazione dell’onda dipende dal flusso medio e dalla sua sorgente. Dunque, ogni cambiamento nel flusso medio provocato dalla forza delle onde si retroalimenta, modificando a sua volta la forza delle onde (indicato dalla freccia in basso nella Figura 1a). Tuttavia, questa prospettiva basata sull’indice di rifrazione sulla dinamica della BDC è incompleta, poiché il flusso stesso è strettamente legato alla guida delle onde.
Quali sono le onde che guidano la BDC? Sia i modelli che le osservazioni concordano nel mostrare che la guida delle onde stratosferiche è dominata dalle onde di Rossby (RW) su scala planetaria, come sintetizzato, ad esempio, da Butchart e altri nel 2011. Le onde planetarie stazionarie si originano da orografie su larga scala e dai contrasti tra terra e mare, ma anche onde planetarie transitorie e a scala sinottica contribuiscono alla guida delle RW, in particolare nella stratosfera inferiore (come illustrato, per esempio, da Shepherd e McLandress nel 2011, nella loro Figura 2a). Anche le onde di gravità (GW) su piccola scala, prodotte da montagne minori, convezione e instabilità frontali con scale di lunghezza di circa 10-1000 km, apportano un contributo significativo alla guida delle onde.
Nella parte alta della stratosfera e nella mesosfera, le onde gravitazionali assumono un ruolo più importante. Anche se i modelli atmosferici all’avanguardia rappresentano bene le onde planetarie, gran parte del range delle onde gravitazionali non è sufficientemente dettagliato e necessita di parametrizzazione (come indicato in Fritts 1984; Fritts e Alexander 2003; Alexander et al. 2010).
I modelli avanzati di chimica-climatica, che rappresentano accuratamente la stratosfera, concordano sulla scala complessiva della circolazione stratosferica (Butchart et al. 2010). Tuttavia, questa uniformità è parzialmente il risultato di una calibrazione mirata. Confrontando i vari modelli, si nota una concordanza statisticamente significativa riguardo il flusso di massa in ascensione annuo medio a 70 hPa (Eyring et al. 2010, figura 4.10a). Tuttavia, è sorprendente che i modelli non siano d’accordo sui componenti ondulatori specifici che contribuiscono a questo processo: non c’è uniformità di vedute su quanto sia influenzato dalle onde gravitazionali parametrizzate rispetto alle onde di Rossby ben definite. Alcuni modelli attribuiscono alle onde gravitazionali fino alla metà del contributo totale, mentre altri gli attribuiscono un ruolo marginale. Questa incertezza è ancora più marcata per le onde gravitazionali non orografiche, dove i modelli non concordano neanche sulla direzione del loro impatto.
Per quanto riguarda le differenze, il disaccordo sui contributi relativi dei diversi componenti delle onde è ancora più pronunciato. Alcuni modelli indicano che le onde gravitazionali hanno un ruolo dominante nella risposta, mentre altri si affidano quasi interamente alle onde di Rossby (come evidenziato da Garcia e Randel 2008; Li et al. 2008; McLandress e Shepherd 2009; Eyring et al. 2010). Va sottolineato che le osservazioni dei traccianti stratosferici non sono sufficienti per definire con certezza le tendenze della circolazione stratosferica, a causa dell’eccessiva incertezza del campionamento e delle preoccupazioni relative ai bias e al rumore degli strumenti satellitari (Engel et al. 2009; Garcia et al. 2011; Khosrawi et al. 2013). Tuttavia, secondo Kawatani e Hamilton (2013), la Circolazione di Brewer-Dobson (BDC) potrebbe essere in aumento, basandosi sull’analisi delle variazioni nell’ampiezza dell’oscillazione quasi-biennale stratosferica.
In un recente studio, Cohen et al. (2013, da ora in poi CGB13) hanno rilevato che è molto probabile che ci siano forti interazioni compensative tra le componenti delle onde risolte e parametrizzate nella stratosfera. Perturbazioni nella guida ondulatoria parametrizzata sono spesso neutralizzate da un cambiamento opposto e uguale nella guida ondulatoria risolta (la divergenza del flusso di Eliassen-Palm). Questo fenomeno è stato osservato per la prima volta da McLandress e McFarlane (1993), ed è evidente anche nei lavori di Manzini e McFarlane (1998) e McLandress et al. (2012). Studi recenti di Sigmond e Shepherd (2014) confermano che un modello atmosferico generale comprensivo mostra un fenomeno simile. Inoltre, Sigmond e Shepherd (2014) indicano che le interazioni compensative sono probabili anche in risposta ai cambiamenti climatici. Queste interazioni potrebbero spiegare perché i modelli più avanzati tendono a concordare di più sulla forza totale della BDC piuttosto che sui contributi dei singoli componenti.
In aggiunta, i modelli climatici prevedono in media un incremento annuo del 2% per decennio a 70 hPa nella circolazione di Brewer-Dobson (BDC), in risposta ai cambiamenti antropogenici (Butchart et al. 2006, 2010; Eyring et al. 2010).
CGB13 ha proposto, mediante una dimostrazione per contraddizione, che una compensazione tra le onde risolte e quelle parametrizzate è inevitabile. Questo accade quando le forze esercitate dalle onde parametrizzate, se lasciate senza compensazione, porterebbero la stratosfera in uno stato fisicamente irrealizzabile e instabile a causa dell’instabilità baroclinica. Hanno scoperto che questo è particolarmente probabile nel caso di forze forti o concentrate in aree meridionali ristrette. D’altro canto, Sigmond e Shepherd, nel 2014, non hanno trovato evidenze di tale instabilità. Essi sostengono che, in realtà, la resistenza delle onde gravitazionali orografiche tende a indebolire i venti zonali nella parte superiore del getto subtropicale, modificando così l’indice di rifrazione in modo da limitare la propagazione verticale delle onde planetarie. In particolare, hanno osservato che la compensazione tramite onde risolte è principalmente dovuta a variazioni nella propagazione meridionale di queste onde (circa il 70% di riduzione), mentre le modifiche nella propagazione verticale hanno un ruolo secondario (circa il 30% di riduzione). Tuttavia, entrambi gli studi si concentrano solo sulla fase matura e stabile della compensazione, senza esplorare lo sviluppo di questo fenomeno nel tempo. Nel nostro lavoro, dimostriamo che per comprendere a fondo queste interazioni è fondamentale analizzare la loro evoluzione temporale, e che un aspetto cruciale è la localizzazione del momento torcente applicato.
Partendo dall’analisi del potenziale vorticità (PV) effettuata da Scott e Liu nel 2014, proponiamo un passaggio intermedio nel paradigma del controllo discendente e dell’indice di rifrazione, applicato alla dinamica della Circolazione di Brewer-Dobson (BDC). Questo stadio intermedio mette in evidenza come le onde di Rossby reagiscano alla distribuzione del PV. Tale approccio si fonda sul modello concettuale della “zona di surf” di McIntyre e Palmer del 1983, ed è utilizzato per suggerire un meccanismo semplice per le interazioni tra le onde planetarie risolte e le onde di gravità parametrizzate nella stratosfera. Questo punto di vista, simile a quello del controllo discendente o degli argomenti basati sull’indice di rifrazione, non offre una visione completa del BDC, ma apre nuove prospettive sull’interazione tra le onde di gravità (GW) e le onde di Rossby (RW). Questo nuovo paradigma è rappresentato nella Figura 1b e approfondito nella sezione 2.
Nella sezione 3, utilizziamo questi paradigmi contrastanti per identificare tre meccanismi possibili di interazione, distinguibili in base alla posizione e all’intensità delle onde di gravità parametrizzate. Per confermare la nostra ipotesi, mettiamo alla prova il modello concettuale attraverso l’uso di un modello generale di circolazione atmosferica (AGCM), come descritto nelle sezioni 4 e 5. Infine, nella sezione 6, concludiamo il nostro studio, affrontando la questione di cosa influenzi il BDC e come potrebbe evolversi il BDC alla luce di questi nuovi paradigmi.
Le figure mostrano due paradigmi utilizzati per interpretare la dinamica del controllo discendente Brewer-Dobson (BDC), che è un processo che descrive il trasporto di massa nell’atmosfera, in particolare dalla troposfera verso la stratosfera e all’interno della stratosfera stessa.
Paradigma Convenzionale (Figura a)
- Downward Control: Questo concetto indica che le onde generate nella troposfera esercitano un’influenza sul movimento dell’aria nella stratosfera, specialmente sul flusso medio. Le onde viaggiano verso l’alto e, man mano che si muovono verso strati atmosferici con minore densità, trasferiscono quantità di moto verso il flusso medio, che può causare un cambiamento nella circolazione dell’aria a larga scala.
- Mean Flow: Il flusso medio è il movimento generale dell’atmosfera escludendo le turbolenze e le oscillazioni temporanee causate dalle onde. È una rappresentazione della circolazione atmosferica su larga scala, come i venti prevalenti e le correnti a getto.
- Wave Forcing: Rappresenta la forza che le onde esercitano sul flusso medio. Queste onde possono essere generate da vari fenomeni, come tempeste o variazioni topografiche, e portano energia e quantità di moto verso l’alto.
- Refractive Index: L’indice di rifrazione atmosferico determina come e dove le onde atmosferiche possono propagarsi. Le onde tendono a muoversi verso aree con indice di rifrazione più alto e possono essere riflesse o assorbite a seconda delle condizioni atmosferiche locali.
Paradigma Modificato (Figura b)
- PV Impact e PV Inversion: Il “Potential Vorticity” (PV) è una misura dell’inclinazione e dell’intensità delle correnti a getto e delle grandi masse d’aria nella stratosfera. Il PV viene influenzato dall’energia e dal momento angolare trasferiti dalle onde. Quando il PV viene modificato (PV Impact), è possibile calcolare il ritorno al flusso medio utilizzando l’inversione di PV, che è il processo di deduzione del movimento dell’aria basato sul PV.
- Surf Zone: È un’area della stratosfera in cui le onde rompono, simile alle onde oceaniche che rompono sulla spiaggia. Questo processo di rottura delle onde causa mescolamento e scambi di quantità di moto e sostanze chimiche, influenzando la composizione e la circolazione della stratosfera.
- PV Relaxation: Dopo che il PV è stato alterato significativamente dalla rottura delle onde, tende a ritornare a un equilibrio. Questo processo di rilassamento può influenzare ulteriormente il flusso medio e la struttura della circolazione atmosferica.
Entrambi i paradigmi servono per comprendere la dinamica complessa tra le onde atmosferiche e il flusso medio. Tuttavia, il paradigma modificato introduce ulteriori dettagli sulla meccanica di come le onde influenzano la stratosfera e come il PV modificato può essere utilizzato per dedurre i cambiamenti nella circolazione atmosferica.