1. Amplification of the BDC by GW driving on the edges of the surf zone

Per studiare la terza modalità di interazione tramite la modifica dell’indice di rifrazione, è necessario generare un momento torcente idealizzato che sia sufficientemente debole e diffuso da non indurre instabilità. Inoltre, questo momento torcente deve essere applicato fuori dalla zona di surf per prevenire interazioni rapide attraverso la miscelazione del Potenziale Vorticoso (PV), ma abbastanza vicino per influenzare le onde planetarie. In pratica, abbiamo riscontrato che è molto difficile creare un tale momento torcente. Come evidenziato nello studio CGB13, l’effetto di un momento torcente sul PV è particolarmente sensibile alle derivate meridionali di secondo e quarto ordine del momento torcente stesso. Pertanto, qualsiasi momento torcente localizzato probabilmente causa inversioni di PV, almeno ai suoi margini.

La parametrizzazione NOGW è concepita per considerare le onde gravitazionali che provengono da diverse fonti, come la convezione umida, l’emissione spontanea da fronti e getti, e instabilità varie. Anche se la natura esatta dell’emissione d’onde da queste fonti è largamente incerta, tutte emettono onde con uno spettro ampio, includendo un’ampia varietà di lunghezze d’onda e frequenze. Queste onde spettrali hanno più strati critici e non si limitano a rompersi nella zona di surf. Inoltre, la parametrizzazione NOGW è interattiva: in presenza di rotture di grande ampiezza, piuttosto che provocare flussi potenzialmente instabili, lo schema adatta il livello di rottura in risposta ai cambiamenti del vento zonale. Questa caratteristica rende il NOGWD intrinsecamente ampio e debole, meno incline a generare instabilità, rendendolo quindi ideale per lo studio di questo meccanismo.

In questo esperimento, confrontiamo due configurazioni del nostro modello con diverse parametrizzazioni NOGW. Un’analisi che utilizza la parametrizzazione NOGW di Alexander e Dunkerton (1999), impiegata come controllo in questo studio, è messa a confronto con un’analisi dove i NOGW sono parametrizzati mediante un attrito di Rayleigh, come nel modello di Polvani e Kushner (2002).

(Per contesto, queste due integrazioni sono state anche paragonate in CGB13, nelle sezioni 2 e 5.) La Figura 12a illustra la perturbazione [ossia la differenza tra il momento torcente NOGW secondo Alexander e Dunkerton (1999) e quello della frizione di Rayleigh] evidenziata dai contorni neri, e la reazione (il cambiamento nel comportamento delle onde risolte) rappresentata dall’ombreggiatura. Il mutamento nelle onde risolte si presenta quasi ortogonale, in termini spaziali, alla perturbazione nella forza motrice delle onde parametrizzate, risultando quindi inefficace nella compensazione della perturbazione (il livello di compensazione è basso; C = 0.21 ± 0.04). Tuttavia, queste modifiche ortogonali nelle onde risolte accentuano l’effetto della perturbazione sulla circolazione residua, come si può osservare analizzando i cambiamenti nella funzione di corrente residua a 70 hPa nella Figura 12b. La variazione della circolazione associata alle onde risolte (in blu) segue lo stesso andamento della variazione indotta dalla forza motrice delle onde parametrizzate (in verde). Di conseguenza, la reazione del flusso tende a incrementare la perturbazione, come si evince dal cambiamento complessivo della funzione di corrente residua (in nero). L’impatto dell’intensificato guidare delle onde da parte dei NOGW è stato più che raddoppiato dall’aumento correlato nel guidare delle onde risolte.

Ci concentriamo ora sulla perturbazione nella stratosfera superiore, illustrata nella Figura 12a. È importante notare che l’ampiezza della perturbazione negativa si estende meridionalmente per circa 35° e presenta un’intensità di circa 10^26 m s^(-2). Questa perturbazione negativa viene compensata solo in modo limitato, dato che non risponde ai criteri di compensazione tramite instabilità e si manifesta al di fuori della zona di surf. Il suo impatto diretto sul flusso medio è un indebolimento del vortice polare. Tale riduzione del vento zonale favorisce una maggiore propagazione verso l’alto delle onde planetarie, conformemente alla condizione di Charney-Drazin/Matsuno. Contemporaneamente, una perturbazione NOGW positiva, centrata intorno ai 35°N, trasforma gli easterlies presenti nella configurazione di Polvani e Kushner (2002) in westerlies, permettendo così alle onde planetarie di spingersi più a sud. Questi cambiamenti contribuiscono ad ampliare l’area in cui le onde planetarie possono propagarsi, aumentando di conseguenza la zona di surf.

Questo fenomeno è visibile nel campo dell’indice di rifrazione, ombreggiato in rosso, nelle Figure 13a e 13b. L’esame del cambiamento nel gradiente di PV, mostrato nella Figura 13c, conferma un’alterazione che supporta le variazioni dell’indice di rifrazione osservate nelle Figure 13a e 13b. In questo contesto, le perturbazioni NOGW positive e negative collaborano per orientare la traiettoria dell’onda planetaria verso l’equatore, creando più spazio per la miscelazione del PV. Quest’estensione della zona di surf si traduce in un notevole incremento della guida delle onde planetarie, come si vede nella Figura 12a, potenziando di conseguenza l’intero Circolazione Brewer-Dobson (BDC).

Riassunto e Discussione: La Circolazione Dominata da Onde (BDC) è principalmente guidata dalle onde di Rossby e, in misura minore, dalle onde di gravità. Tuttavia, stabilire un collegamento quantitativo tra il BDC e i suoi fattori ondulatori è complesso a causa delle intense interazioni tra questi ultimi, come discusso nei lavori di CGB13 e Sigmond e Shepherd (2014). Abbiamo identificato tre meccanismi di interazione tra le onde di gravità parametrizzate e le onde di Rossby risolte.

Il primo meccanismo, denominato vincolo di stabilità, si verifica quando la dispersione di onde di gravità (GWD) porta il flusso stratosferico a uno stato di instabilità. Questo meccanismo è più probabile in presenza di torsioni di grande ampiezza e confinate meridionalmente, e si prevede che sia predominante al di fuori della zona di surf o nelle regioni elevate della stratosfera o della mesosfera. Le Onde di Gravità Ortagonali (OGW) osservate sono di natura intermittente e tendono a causare brevi ma intensi picchi di forza ondulatoria, aumentando così la probabilità di instabilità.

Il secondo meccanismo, chiamato vincolo di miscelazione, deriva dal modello concettuale della zona di surf. Si basa sul fatto che le onde di Rossby su larga scala mescolano la Vorticità Potenziale (PV). Questo meccanismo è ritenuto influente per la GWD nella stratosfera bassa delle medie latitudini invernali, dove qualsiasi variazione di PV indotta dalla GWD viene dispersa dalle fluttuazioni esistenti delle onde planetarie, che appiattiscono le superfici di PV nella zona di surf. Le OGW, essendo stazionarie, tendono a rompersi nei livelli critici di zero vento, dove di solito si frantumano anche le onde planetarie. Di conseguenza, si prevede una compensazione per queste onde. La differenza fondamentale tra questo meccanismo e quello dell’instabilità risiede nella posizione meridionale delle torsioni e nella scala temporale dell’interazione. In regioni dove la miscelazione del PV è debole, il flusso ha il tempo di diventare instabile e il vincolo dominante è quindi la stabilità. Invece, in regioni dove la miscelazione del PV è forte, ci si aspetta che l’interazione attraverso la miscelazione del PV avvenga rapidamente, impedendo così al flusso di diventare instabile.

Sigmond e Scinocca (2010) e Sigmond e Shepherd (2014) hanno presentato risultati ottenuti da un modello atmosferico completo che confermano l’efficienza del meccanismo di miscelazione della Vorticità Potenziale (PV). In particolare, nel loro studio del 2014 (vedi Figure 4b,d), Sigmond e Shepherd hanno evidenziato come le variazioni nella potenza delle Onde di Gravità Ortagonali (OGW) stratosferiche abbiano un impatto minimo sulla circolazione totale tra la latitudine di svolta e il 52°N, area centrale della zona di surf, sia nelle condizioni climatiche attuali sia in un contesto con una concentrazione di CO2 doppia rispetto a quella attuale.

Il terzo meccanismo, l’interazione dell’indice di rifrazione, diventa rilevante quando la perturbazione è estesa ma debole, riducendo così la probabilità di indurre instabilità. In questo scenario, la torsione influisce direttamente sul flusso medio, modificando di conseguenza le proprietà rifrattive delle onde planetarie. Queste variazioni nell’indice di rifrazione possono deviare le onde planetarie dalla perturbazione, generando interazioni non locali. Tale meccanismo è più probabile in presenza di perturbazioni delle onde di gravità vicine, ma esterne, alla regione di rottura delle onde planetarie. Queste perturbazioni devono verificarsi al di fuori della zona di surf per evitare interazioni rapide tramite la miscelazione del PV, ma allo stesso tempo devono essere sufficientemente vicine da poter interagire con le onde planetarie. Un esempio di questo meccanismo di interazione non lineare, osservato in un modello AGCM complesso, è stato documentato da Manzini e McFarlane (1998, vedi Figure 13 e 16). Hanno scoperto che le perturbazioni nella guida parametrizzata delle onde di gravità vicino alla sommità della zona di surf, in prossimità della stratopausa, hanno provocato un ampliamento della guida delle onde risolte nella mesosfera.

Questi meccanismi non si escludono reciprocamente e è probabile che agiscano in sinergia. Spesso, la posizione della torsione e la scala temporale dell’interazione determinano quale meccanismo diventa predominante. Mentre i primi due meccanismi prevedono interazioni locali intense e compensative, il terzo meccanismo non comporta necessariamente una compensazione diretta. Cambiamenti non locali nelle onde risolte possono infatti amplificare l’effetto complessivo della perturbazione iniziale nella guida delle onde parametrizzate. È importante sottolineare che anche i meccanismi di instabilità e miscelazione includono effetti non locali, come messo in evidenza nella discussione sugli esperimenti di torsione idealizzati nella sezione 5.

La possibilità di interazioni tra onde planetarie e onde di gravità (queste ultime solitamente parametrizzate) suggerisce una risposta sfumata alla domanda su cosa guidi la BDC. Il paradigma tradizionale, riassunto nella Figura 1a, propone che, partendo dalla forza esercitata dalle onde, sia possibile dedurre i campi del flusso medio zonale attraverso la dinamica del flusso medio, utilizzando il principio di controllo verso il basso (Haynes et al. 1991). Al contempo, le modifiche nel flusso medio si interconnettono, tramite la dinamica delle onde lineari, alla forza stessa delle onde, come indicato dall’indice di rifrazione (Charney e Drazin 1961; Matsuno 1970). Tuttavia, è prassi comune trascurare questa interconnessione nel sistema, focalizzandosi esclusivamente sul ramo di controllo verso il basso per quantificare la BDC guidata dalle onde (indicato dalla freccia superiore nella Figura 1a).

La visione della decomposizione lineare considera l’influenza totale delle onde, o alternativamente la funzione di flusso residua totale, come la somma dei suoi contributi derivanti dall’influenza delle onde di Rossby risolte e dall’influenza delle onde di gravità orografiche e non orografiche non risolte (parametrizzate). Questo approccio, tuttavia, non vede il sistema come accoppiato e potrebbe dare un’impressione ingannevole sull’importanza relativa dei diversi tipi di onde.

Noi riteniamo che la domanda su cosa guidi la Circolazione Brewer-Dobson (BDC) non possa essere risolta usando solo il controllo verso il basso. Questo perché è possibile che ci siano forti interazioni tra i componenti delle onde nonostante la stessa forza totale delle onde. Per valutare l’importanza dei diversi tipi di onde, si potrebbe considerare l’impatto della loro assenza; ad esempio, come cambia la circolazione quando le parametrizzazioni delle onde di gravità sono disattivate? Tuttavia, questo potrebbe non essere fattibile nella pratica, dato che la guida dell’onda di gravità (GWD) è cruciale per stabilizzare il vortice polare nella stratosfera superiore.

In questo contesto, riteniamo che l’approccio della decomposizione lineare tenda a sovrastimare l’importanza delle onde di gravità orografiche (OGW) nella BDC e a sottostimare quella delle onde di gravità non orografiche (NOGW). Questo perché le OGW tendono a spezzarsi nella zona di rottura dell’onda, quindi il loro effetto è probabilmente neutralizzato dalle onde risolte, mentre le NOGW mostrano interazioni non locali con le onde risolte. Questi effetti sono fondamentali ma difficili da valutare in un’interpretazione lineare e semplificata del controllo verso il basso.

In risposta a queste interazioni, proponiamo un metodo aggiornato che prende in considerazione l’influenza della dinamica ondulatoria sulla vorticità potenziale della stratosfera. Come illustrato nella Figura 1b, è utile analizzare il sistema accoppiato nel suo insieme, adottando una visione basata sulla vorticità potenziale della zona di surf. Nelle regioni stratosferiche di medie latitudini, dove è intensa la rottura delle onde planetarie, le alterazioni apportate al gradiente di vorticità potenziale dalle onde di gravità in rottura tendono a essere livellate dalle onde planetarie. Di conseguenza, queste non influenzano significativamente la forza d’onda complessiva, la quale è determinata principalmente dall’ampiezza della zona di surf. Questo suggerisce che il ruolo primario delle onde di gravità guidate è quello di modellare l’ampiezza e la profondità della zona di surf. Anche se questo approccio confonde in qualche modo i ruoli delle onde di Rossby e delle onde di gravità, offre una visione più chiara di come le perturbazioni di ciascun componente influenzino la circolazione generale.

Shepherd e McLandress, nel 2011, hanno dimostrato che la reazione della circolazione Brewer-Dobson (BDC) al riscaldamento globale può essere interpretata attraverso le variazioni nello strato critico per la rottura delle onde, legate all’espansione verso l’alto dei getti subtropicali. Questo implica un’allargamento verso l’alto della zona di surf stratosferica, che influisce sia sulle onde di gravità parametrizzate che sulle onde planetarie effettivamente risolte. Di conseguenza, ci si aspetta un marcato incremento del BDC, indipendentemente dal ruolo attuale delle onde di gravità guidate e delle onde planetarie nella climatologia. Questa previsione è stata confermata da Sigmond e Shepherd nel 2014, che hanno osservato che il ruolo relativo delle onde di Rossby e delle onde di gravità nella risposta del BDC all’aumento della concentrazione di CO2 dipende dallo stato di base dell’atmosfera.

Sul fronte pratico, esortiamo i gruppi di modellazione a documentare dettagliatamente la struttura in latitudine e pressione delle forze ondulatorie parametrizzate e risolte in tutta la stratosfera. Sebbene siamo consapevoli della complessità nel gestire modelli sempre più sofisticati del sistema terrestre, è fondamentale comprendere questa struttura bidimensionale della dinamica ondulatoria per distinguere i ruoli specifici delle onde di gravità e delle onde risolte nella guida della circolazione Brewer-Dobson.

a) Nel pannello a sinistra (a), abbiamo una rappresentazione grafica che mostra l’impatto della differenza tra due forze atmosferiche: la resistenza di gravità non orografica (NOGWD) e la resistenza di Rayleigh. Le linee di contorno (le curve chiuse nere) rappresentano la perturbazione, cioè la differenza tra l’impatto di queste due forze sulla dinamica atmosferica. Le zone ombreggiate con colori dal blu al rosso mostrano la risposta delle onde planetarie esterne (EPFD) a queste perturbazioni. La pressione (in hPa) e la latitudine sono le due coordinate usate qui, permettendo di osservare come questa interazione varia con l’altitudine e la posizione geografica. Quindi, ciò che vediamo è un confronto tra le forze che agiscono per modificare il movimento dell’atmosfera a diverse altitudini e latitudini.

b) Nel pannello a destra (b), il grafico illustra come la funzione di corrente residua a un’altitudine di 70 hPa è influenzata dai componenti analizzati a sinistra. La funzione di corrente residua è essenzialmente un modo per rappresentare il flusso netto dell’atmosfera a quella quota. Le diverse linee indicano contributi separati di vari fattori: il contributo diretto senza nessuna forza di resistenza, il contributo quando sia EPFD che GWD (Gravity Wave Drag) sono considerati, e infine la situazione in cui solo EPFD è presa in considerazione. La linea verde “NOGWD” suggerisce che in questa simulazione, la resistenza di gravità non orografica non è stata considerata.

In generale, questa figura ci aiuta a capire come vari tipi di resistenza atmosferica influenzano i movimenti dell’aria in alto nell’atmosfera. Questi risultati sono importanti per i meteorologi e gli scienziati del clima che cercano di prevedere e modellare con precisione il comportamento dell’atmosfera terrestre.

La Figura 13 presenta tre distinti grafici che esplorano la dinamica atmosferica considerando due diversi tipi di forza di resistenza: il drag di Rayleigh e il NOGWD (Non-Orographic Gravity Wave Drag). Ogni grafico mostra relazioni complesse tra variabili atmosferiche importanti a varie latitudini e quote.

a) Il primo pannello (a) mostra la distribuzione dell’indice di rifrazione adimensionale per il numero d’onda 2, indicato dalla sfumatura rossa. Questo indice aiuta a comprendere come le onde atmosferiche si propagano, con aree più scure che indicano condizioni più favorevoli per la propagazione delle onde. Contemporaneamente, il grafico traccia il vento zonale medio zonale, ovvero il vento che soffia da ovest verso est, attraverso linee nere. Insieme, indice di rifrazione e vento zonale ci danno una panoramica di come la resistenza di Rayleigh impatta la dinamica atmosferica.

b) Il secondo pannello (b) è simile al primo ma esclude l’influenza del NOGWD. Il confronto tra i due pannelli offre una visione chiara di come la mancanza di questo tipo di drag modifica sia l’indice di rifrazione che il vento zonale, sottolineando l’importanza del NOGWD nella modulazione del sistema atmosferico.

c) Infine, il terzo pannello (c) illustra due variabili: la gradiente meridionale del vortice potenziale (PV), rappresentata dalla sfumatura rossa, e il cambiamento di questa gradiente, rappresentato dalle linee nere, quando si passa da un modello con drag di Rayleigh a uno senza NOGWD. La gradiente di PV è fondamentale per capire la stabilità dell’atmosfera e le aree con sfumature più intense indicano una maggiore stabilità e resistenza ai movimenti meridionali dell’aria.

Complessivamente, la Figura 13 offre una finestra approfondita sul delicato equilibrio tra le forze che governano il movimento dell’atmosfera. La presenza o assenza del drag di Rayleigh e del NOGWD ha effetti significativi su come le onde atmosferiche si propagano e su come il vento e la stabilità atmosferica sono distribuiti lungo diverse latitudini e quote. Queste informazioni sono cruciali per gli scienziati che cercano di prevedere il tempo e di comprendere meglio i cambiamenti climatici.

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato. I campi obbligatori sono contrassegnati *

Translate »