Gloria L. Manney1,2, Amy H. Butler3, Zachary D. Lawrence4,5,6, Krzysztof Wargan7,8, and Michelle L. Santee91
NorthWest Research Associates, Socorro, NM, USA, 2New Mexico Institute of Mining and Technology, Socorro, NM, USA, 3NOAA Chemical Sciences Laboratory, Boulder, CO, USA, 4Cooperative Institute for Research in Environmental Sciences, University of Colorado, Boulder, CO, USA, 5NOAA Physical Sciences Laboratory, Boulder, CO, USA, 6NorthWest Research Associates, Boulder, CO, USA, 7NASA Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD, USA, 8Science Systems and Applications, Inc., Lanham, MD, USA, 9Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
“Qual è il Significato del Nome? Uso e Significato del Termine ‘Vortice Polare'”
Abstract:
I media di divulgazione scientifica mainstream e popolare sono spesso pieni di incomprensioni riguardo al significato di “vortice polare”. Questo termine descrive in modo più preciso il vortice polare stratosferico, una struttura unica che domina la circolazione atmosferica della stagione fredda tra i 15 e i 50 km di altitudine. Le variazioni dei getti aerei regionali governano la circolazione nella troposfera, che non è correttamente rappresentata dal concetto di vortice polare; in realtà, non esiste una definizione univoca e consolidata di vortice polare troposferico nella letteratura scientifica. Le perturbazioni del vortice polare stratosferico hanno un impatto significativo sugli eventi meteorologici estremi, compresi gli sbalzi di freddo intensi (CAOs). La modalità con cui il vortice polare stratosferico influisce sui getti aerei troposferici, responsabili delle anomalie locali che generano i CAOs, non è ancora completamente chiarita. Le pubblicazioni destinate al grande pubblico che trattano questo argomento spesso non sono chiare nella definizione di “vortice polare”; una maggiore precisione potrebbe migliorare la comunicazione sia all’interno della comunità scientifica che con il pubblico generale.
Sommario in Lingua Chiara: Cosa si intende per “vortice polare”? Il termine è comunemente utilizzato nella comunità scientifica atmosferica per indicare il vortice polare stratosferico, un flusso di venti che si estende dai 15 ai 50 km di altitudine, circolando attorno ai poli di ciascun emisfero durante le stagioni autunnali e primaverili. Tuttavia, nei media e nella divulgazione scientifica, “vortice polare” è spesso usato per descrivere variazioni locali nei getti aerei troposferici superiori (venti più intensi tra gli 8 e i 13 km di altitudine) e talvolta per riferirsi a singoli eventi di freddo estremo. È nostra opinione che il termine dovrebbe essere riservato esclusivamente al vortice polare stratosferico, un fenomeno distinto che ha un ruolo predominante nel controllo delle variazioni dinamiche e chimiche della stratosfera polare in inverno. Il vortice polare stratosferico è correlato, ma distinto, dalle variazioni più locali dei getti aerei e dagli eventi meteorologici estremi associati; è necessaria ulteriore ricerca per comprendere appieno queste relazioni.
I getti aerei troposferici superiori, noti anche come correnti a getto troposferiche, sono flussi d’aria ad alta velocità che si trovano nella troposfera superiore, l’atmosfera più bassa della Terra. Essi hanno alcune caratteristiche distintive:
- Altitudine e Formazione: Queste correnti a getto si formano solitamente tra 8 e 13 km di altitudine, vicino al confine tra la troposfera e la stratosfera, una regione conosciuta come tropopausa. La loro formazione è influenzata dal gradiente di temperatura tra l’aria calda dell’equatore e l’aria fredda dei poli.
- Velocità: Le correnti a getto troposferiche sono notevoli per le loro alte velocità, che possono superare i 200 km/h. Queste velocità sono il risultato dei forti gradienti di temperatura e pressione presenti in queste altitudini.
- Importanza Meteorologica: Giocano un ruolo cruciale nella meteorologia, influenzando la formazione e il movimento dei sistemi meteorologici, come le tempeste e i fronti di bassa pressione. Sono anche rilevanti per la navigazione aerea, poiché gli aerei possono sfruttare queste correnti veloci per ridurre i tempi di volo e il consumo di carburante.
- Variabilità: I getti aerei troposferici sono soggetti a variazioni stagionali e possono spostarsi e cambiare in intensità. Questi cambiamenti influenzano i modelli del tempo a livello globale e regionale.
- Tipi: Esistono principalmente due tipi di correnti a getto troposferiche: il getto aereo polare e il getto aereo subtropicale. Il getto polare si forma nelle regioni di alta latitudine ed è associato al confine tra l’aria fredda polare e l’aria più calda delle latitudini medie. Il getto subtropicale si forma a latitudini più basse ed è legato al gradiente di temperatura tra l’aria tropicale e quella delle latitudini medie.
In sintesi, i getti aerei troposferici superiori sono componenti vitali dell’atmosfera terrestre, con un impatto significativo sui modelli meteorologici e climatici globali.
“Il Vortice Polare Stratosferico, i Getti Aerei Troposferici e le Ondata di Freddo“
Testo: Questo commento fa parte della Collezione Speciale che si concentra sul “vortice polare” stratosferico artico del 2019/2020. Ma quanto chiaramente definiamo un “vortice polare”? Persiste una confusione nei media popolari riguardo la natura di un vortice polare e il suo legame con eventi meteorologici estremi. Tale confusione deriva in parte dalle descrizioni imprecise fornite dalla comunità scientifica.
Nel gennaio 2014, un’ondata di freddo (CAO) ha registrato temperature minime record in tutto il sud centrale e orientale degli Stati Uniti (vedi ad esempio Screen et al., 2015). I media ne parlavano come del “vortice polare”, e questa espressione divenne comune nei notiziari e nella divulgazione scientifica. In quel periodo, il termine “vortice polare” nella letteratura scientifica descriveva solitamente il vortice polare stratosferico (vedi, per esempio, Lillo et al., 2021; Waugh et al., 2017), ma alcuni studi lo usavano per riferirsi al “vortice polare troposferico” (come Wallace et al., 2014; Yu & Zhang, 2015), spesso senza ulteriori dettagli. Waugh et al. (2017) tentarono di chiarire la confusione, descrivendo i vortici “circumpolari” stratosferici e troposferici come comunemente intesi nella letteratura scientifica, sottolineando le loro differenze e il rapporto con eventi meteorologici estremi, e fornendo raccomandazioni su come descriverli. Sebbene questo lavoro sia ampiamente citato, i due concetti sono ancora spesso confusi, anche in siti web educativi e studi sulla comunicazione dei cambiamenti climatici (es. Lyons et al., 2018; Shepherd, 2016; UCAR, 2021; UCDavis, 2019). Anche ricerche recenti nella comunità scientifica atmosferica non sono sempre chiare su quale caratteristica della circolazione stiano trattando, e alcuni utilizzano il termine “vortice polare” per descrivere disturbi sinottici associati ai CAOs, ripetendo l’uso impreciso nei media popolari (ad esempio, Bushra & Rohli, 2019, 2021; Dai et al., 2021; Jiang, 2021; Juzbašić et al., 2021; Kömüşcü & Oğuz, 2021; Nielsen-Gammon et al., 2021; Overland, 2021; Overland & Wang, 2019; Xiong et al., 2021; Zhang et al., 2021). Talvolta le parti più accessibili dei documenti di ricerca (abstract, riassunti in linguaggio semplice, punti chiave) non definiscono chiaramente l’uso del termine “vortice polare”.
La Figura 1 mostra le caratteristiche della circolazione stratosferica e troposferica in due occasioni in cui la stampa popolare descriveva i CAOs come una “esplosione” o un “attacco” del vortice polare, ma che erano associati a condizioni molto diverse del vortice polare stratosferico. La figura mostra il vortice polare stratosferico, i getti aerei troposferici superiori e la circolazione a volte descritta come “vortice polare troposferico” (ad esempio, i contorni di vorticità potenziale da 2 e 3 PVU sulla superficie isentropica di 330-K, una definizione possibile discussa da Waugh et al., 2017).
Il vortice polare stratosferico è delimitato dal getto polare notturno, una banda di forti venti orientali che si formano nella stratosfera in autunno in ciascun emisfero e si dissolvono in primavera. Diverse diagnosi del limite del vortice polare stratosferico (ad esempio, Lawrence & Manney, 2018) identificano confini fisicamente significativi simili (Figura 1a, a sinistra, definita usando un contorno PV che coincide con i gradienti di PV più forti, come in Lawrence et al. (2018)). Il vortice polare stratosferico rappresenta una singola caratteristica che domina la circolazione e il trasporto nell’intera stratosfera polare da autunno a primavera.
Il cosiddetto “vortice polare troposferico”, come spesso definito, esiste per tutto l’anno, ma nessuna definizione unica lo identifica con precisione o specifica le altitudini a cui si trova (le caratteristiche descritte qui non dipendono in modo significativo da quale delle numerose definizioni venga utilizzata). Presentiamo una definizione comune (Waugh et al., 2017, e riferimenti ivi contenuti) dove il suo limite segue l’asse di un getto aereo troposferico superiore su una superficie isentropica nella troposfera media e alta. I venti massimi di questi getti sono molto più localizzati in altitudine rispetto al getto polare notturno stratosferico, e variano notevolmente in longitudine (ad esempio, Manney, Hegglin, et al., 2011; Manney et al., 2014, Figura 1a). Poiché la variabilità regionale dei getti aerei discontinui regola la circolazione troposferica extratropicale, le definizioni di “vortice polare troposferico” non descrivono una singola circolazione circumpolare dominante. Ulteriore confusione deriva dalla distinzione tra i getti aerei troposferici “polari” (principalmente guidati da eddies) e “subtropicali” (principalmente guidati dalla radiazione). Mentre alcuni lavori recenti e articoli di divulgazione scientifica identificano il “vortice polare troposferico” con il getto polare troposferico (es. Bushra & Rohli, 2021; UCAR, 2021; Waugh et al., 2017), numerosi studi dimostrano che i getti aerei troposferici non sono adeguatamente rappresentati da questa semplice divisione concettuale, ma formano piuttosto un complesso che varia stagionalmente e regionalmente con caratteristiche ibride guidate sia dalla radiazione che dagli eddies, raramente continuo intorno al globo (S. Lee & Kim, 2003; Manney et al., 2014; Spensberger & Spengler, 2020, e riferimenti ivi contenuti).
Queste differenze si riflettono nelle velocità dei venti (Figure 1a e 1b), che raggiungono picchi pronunciati lungo il limite del vortice polare stratosferico; al contrario, un “vortice polare troposferico” definito come sopra menzionato si snoda attraverso regioni di venti deboli e forti, portando a una distribuzione ampia e piatta delle velocità dei venti al “limite del vortice”. I gradienti di vorticità potenziale (indicativi della forza del vortice polare) sono costantemente forti lungo la circonferenza del vortice polare stratosferico, ma hanno molti massimi localizzati in piccole porzioni del “bordo del vortice troposferico” e altrove nell’extratropico (Figura 1c). Questo si traduce in gradienti medi di PV relativamente più forti lungo il bordo del vortice stratosferico, rispetto a gradienti medi di PV più deboli e valori più frequentemente vicini a zero nella troposfera (Figura 1d). Inoltre, le velocità dei venti troposferici (Figura 1a) spesso mostrano un singolo getto (o nessun getto forte) poiché i getti polari e subtropicali troposferici separati non sono sempre presenti. Un “vortice polare troposferico” potrebbe quindi seguire il getto polare in una regione ma il getto subtropicale in un’altra, attraversando quindi regimi controllati da processi dinamici diversi.
Il vortice polare stratosferico è fondamentale per il trasporto, l’elaborazione chimica, il confinamento dell’aria trattata e la perdita di ozono. I processi che favoriscono la riduzione dell’ozono sono comunemente analizzati da una prospettiva centrata sul vortice perché il vortice stratosferico rappresenta una forte barriera al trasporto, isolando l’aria predisposta alla distruzione dell’ozono (ad esempio, Manney et al., 2020; Manney, Santee, et al., 2011; Schoeberl et al., 1992); la quantità di perdita di ozono polare in una data primavera dipende criticamente dalla forza e dal freddo del vortice polare stratosferico invernale/primaverile. Al contrario, la variabilità dell’ozono nella troposfera superiore è dominata dalle variazioni regionali nello scambio stratosfera-troposfera e dalla quantità di ozono stratosferico inferiore disponibile per il trasporto nella troposfera (ad esempio, Albers et al., 2018; Breeden et al., 2021; Olsen et al., 2019).
Le Figure 1e e 1f illustrano queste differenze: i gradienti di ozono cambiano drasticamente attraverso il bordo del vortice polare stratosferico, ma sono piuttosto uniformi all’interno di esso. Invece, i gradienti di ozono sono intensi in molte regioni localizzate all’interno del “vortice polare troposferico”, con gradienti altamente variabili che si presentano spesso ben oltre il bordo del “vortice”. Queste caratteristiche sono riflesse in distribuzioni di ozono con picchi accentuati lungo il bordo del vortice polare stratosferico e una grande variabilità nell’ozono lungo il bordo del “vortice troposferico” (Figura 1f). Si noti che il passaggio da gradienti uniformi a gradienti altamente variabili attraverso il bordo del “vortice troposferico”, come qui definito, riflette i gradienti verticali di ozono e l’inclinazione della superficie isentropica di 330-K nei subtropici.
L’interazione tra stratosfera e troposfera (ad esempio, Baldwin & Dunkerton, 2001; Kidston et al., 2015) collega dinamicamente la variabilità del vortice polare a fenomeni estremi in superficie (ad esempio, Domeisen & Butler, 2020). Ad esempio, gravi perturbazioni del vortice polare stratosferico (riscaldamenti stratosferici improvvisi, SSW) sono associate a un aumento del rischio di ondate di freddo in latitudini medie (ad esempio, Baldwin et al., 2021; Butler et al., 2017; Huang et al., 2021; King et al., 2019), e vortici polari stratosferici insolitamente robusti sono collegati a temperature superficiali extratropicali anomale (comprese ondate di calore e incendi distruttivi) (Lawrence et al., 2020; Limpasuvan et al., 2005; Overland & Wang, 2021). A causa della maggiore durata dei tempi di irradiazione nella stratosfera inferiore, le perturbazioni della circolazione possono persistere lì per settimane o mesi, offrendo potenzialmente una capacità di previsione sub-stagionale o stagionale per fenomeni estremi come le ondate di freddo (ad esempio, Domeisen et al., 2019). Tuttavia, utilizzare informazioni sul vortice polare stratosferico per prevedere le ondate di freddo è complicato, poiché il tempismo e la localizzazione di singole ondate variano notevolmente in seguito alle perturbazioni del vortice polare, forse in relazione ai dettagli delle caratteristiche e dell’evoluzione del vortice polare stratosferico stesso. Ricerche recenti suggeriscono che le ondate di freddo eurasiatiche sono più strettamente legate agli SSW, mentre quelle nordamericane sono più fortemente associate all’elongazione del vortice polare stratosferico, che può o non può accompagnarsi a un SSW (ad esempio, Cohen, Agel, Barlow, Garfinkel, & White, 2021; Kretschmer et al., 2018; S. H. Lee et al., 2019). È importante sottolineare che le ondate di freddo possono verificarsi sia in condizioni di vortice polare stratosferico forte che debole (ad esempio, Cohen, Agel, Barlow, Furtado, et al., 2021; S. H. Lee et al., 2019): la Figura 1 mostra un’ondata di freddo (gennaio 2014) collegata a un vortice stratosferico forte ma distorto e un’altra (febbraio 2021) a seguito di un SSW.
Le ondate di freddo artiche (CAOs) vengono spesso etichettate come “eventi del vortice polare” nei notiziari, nei media di divulgazione scientifica e in articoli accademici meno specializzati (ad esempio, Lyons et al., 2018, sulla comunicazione dei rischi legati al cambiamento climatico). Tuttavia, i processi dinamici coinvolti suggeriscono che siano più correttamente descritte come spostamenti verso l’equatore dei getti aerei troposferici e come trasporto verso sud di aria fredda artica. Queste caratteristiche generalmente non hanno correlazione con la forza di un “vortice polare troposferico” definito a livello globale (per esempio, Bushra & Rohli, 2021; Cellitti et al., 2006; Waugh et al., 2017), quindi l’utilità di questo concetto in relazione alle CAOs è dubbia. Le CAOs in alcune aree sono effettivamente più probabili, e tendono ad essere più intense, a seguito di riscaldamenti stratosferici improvvisi (SSWs) (per esempio, Huang et al., 2021; King et al., 2019; S. H. Lee et al., 2019), il che spiega perché i media spesso annunciano l’avvicinamento di un SSW con frasi come “il vortice polare sta arrivando”, nonostante un SSW rappresenti in realtà una rapida decelerazione, o addirittura la scomparsa, dei venti del vortice polare stratosferico. Mentre la connessione con le perturbazioni del vortice polare stratosferico può migliorare i tempi di previsione probabilistica per l’occorrenza delle CAOs, è necessaria una più ampia comprensione dei meccanismi su come le anomalie del vortice polare stratosferico influenzino le deviazioni regionali dei getti aerei troposferici per perfezionare ulteriormente le previsioni su quando e dove si verificheranno le CAOs.
Il termine “vortice polare” viene utilizzato in un altro contesto non direttamente legato a un vortice circumpolare planetario, ma che è comunque correlato a molte CAOs (ad esempio, Lillo et al., 2021). Un “vortice polare della tropopausa” (TPV) è una caratteristica su scala sub-sinottica caratterizzata da un’intensa depressione della tropopausa (talvolta fino quasi al suolo) e delimitata da un “getto aereo artico” posizionato a latitudini più polari e al di sotto del getto aereo polare troposferico (Shapiro et al., 1987). Lillo et al. (2021) hanno dimostrato che l’ondata di freddo nordamericana di fine gennaio 2019 è stata direttamente causata da un TPV che si è spostato verso sud dalle sue origini ad alta latitudine; i TPV giocano un ruolo in molte (ma non tutte) CAOs (ad esempio, Biernat et al., 2021; Papritz et al., 2019). Anche se l’esistenza di un’altra entità denominata “vortice polare” potrebbe generare confusione, il legame diretto di questi vortici localizzati con le CAOs sottolinea l’importanza delle anomalie di circolazione locale/regionale (e delle relative deviazioni dei getti aerei) per gli eventi meteorologici estremi.
Punti come quelli sopra riguardo al vortice polare stratosferico sono stati evidenziati in studi che utilizzano approcci teorici di fluidodinamica o sistemi dinamici (ad esempio, Mester & Esler, 2020; Scott & Dritschel, 2006; Serra et al., 2017). Non è chiaro se approcci simili possano essere utilmente impiegati per descrivere quello che alcuni hanno definito un “vortice polare troposferico”.
La Figura 1 presenta un confronto tra le caratteristiche della circolazione stratosferica e della troposfera superiore in due momenti distinti: il 6 gennaio 2014 e il 16 febbraio 2021. Ecco una spiegazione dettagliata di ciascun pannello della figura:
(a) Velocità dei Venti e Contorni PV: Questa parte della figura mostra mappe con la velocità dei venti (indicate dai colori di riempimento) e due contorni di vorticità potenziale (PV). I contorni verdi rappresentano il bordo del vortice polare stratosferico, mentre i contorni arancioni indicano il confine della circolazione troposferica “globale”. Questi contorni sono usati per definire i limiti entro cui si effettuano le altre misure riportate nella figura.
(b) Istogrammi della Velocità del Vento: Gli istogrammi mostrano la distribuzione delle velocità del vento misurate lungo il contorno PV più vicino all’equatore (il bordo del vortice), come mostrato nel pannello (a). Le linee verticali indicano la velocità media del vento lungo quel contorno di PV.
(c) Intensità del Gradiente di PV Normalizzato: Queste immagini mostrano l’intensità dei gradienti di PV, che sono un indicatore della forza del vortice e del suo gradiente di pressione. Le immagini sono “normalizzate”, il che significa che i valori sono stati adattati per essere confrontabili attraverso l’emisfero, con 1 che rappresenta la media emisferica.
(d) Intensità del Gradiente di PV lungo il Bordo del Vortice: Gli istogrammi in questo pannello mostrano la distribuzione delle intensità del gradiente di PV lungo il bordo del vortice, con la media emisferica che è definita come 1. Le linee verticali indicano il valore medio lungo il contorno PV del vortice.
(e) Intensità del Gradiente di Ozono Normalizzato: Queste immagini mostrano i gradienti di concentrazione di ozono, che possono indicare la presenza di processi chimici o dinamici nella stratosfera che influenzano l’ozono. Anche questi dati sono normalizzati rispetto alla media emisferica.
(f) Rapporti di Miscelazione di Ozono Normalizzati: Gli istogrammi mostrano la distribuzione del rapporto di miscelazione di ozono lungo il bordo del vortice, di nuovo con il valore medio emisferico definito come 1.
I contorni ciano nei pannelli (c) e (e) indicano il bordo del vortice polare per PV, aiutando a visualizzare dove si trovano i valori più alti e più bassi rispetto alla media.
I dati a 600 K (stratosfera) e 330 K (troposfera) mostrano i rispettivi campi per questi livelli, eccetto per le velocità dei venti che sono mostrate a 345 K, che è vicino al livello dei venti massimi del getto aereo troposferico. I dati provengono da MERRA-2, che è un modello di reanalisi meteorologica globale.
In sintesi, la figura mette a confronto le condizioni atmosferiche di due periodi distinti, mostrando come vari parametri atmosferici come i venti, il PV e l’ozono differiscano tra un giorno caratterizzato da un vortice polare stratosferico forte e distorto e un altro seguito da un SSW. Queste differenze possono avere impatti significativi sul tempo atmosferico e sul clima a scala regionale e globale.
Pratiche Consigliate per Descrivere il Vortice Polare
È sicuramente appropriato e utile descrivere il vortice polare stratosferico come dominante nella variabilità della stagione fredda stratosferica e influente sul clima di superficie su scale temporali da sub-stagionali a stagionali, incluso il collegamento probabilistico con eventi meteorologici estremi. Le deviazioni dei getti aerei e le relative depressioni e creste atmosferiche sono concetti adeguati per descrivere l’origine e l’evoluzione delle ondate di aria fredda artica (CAOs), mentre il concetto di un “vortice polare troposferico” generalmente non è utile per descrivere eventi meteorologici estremi o per chiarirne le cause. Le nostre conclusioni sono:
- Il termine “vortice polare” è più appropriato per descrivere il vortice polare stratosferico. Tuttavia, data la sua ampia diffusione e il frequente uso improprio, è necessario specificare esplicitamente “stratosferico”.
- Il vortice polare stratosferico è una caratteristica climatologica persistente durante le stagioni fredde (anche se talvolta interrotta temporaneamente) e quindi non dovrebbe essere descritto come un “evento” su una scala temporale sub-stagionale.
- La circolazione troposferica, specialmente in relazione a eventi meteorologici estremi, può essere descritta più chiaramente in termini di getti aerei troposferici, senza ricorrere al termine “vortice polare troposferico”. Una terminologia più accurata e appropriata per riferirsi a tali eventi potrebbe essere “ondata di freddo artico” (o più semplicemente una CAO) o “fronte polare”.
- Benché il termine “vortice polare della tropopausa” sia stato utilizzato per descrivere vortici su scala sub-sinottica a volte collegati alle CAOs, sarebbe più chiaro descrivere queste entità locali in relazione alla loro origine, come ad esempio un “vortice della tropopausa canadese”.
- Gli scienziati dovrebbero prestare particolare attenzione nella comunicazione pubblica (come titoli, abstract, sommari in linguaggio semplice e siti web) ad essere chiari e precisi su cosa intendono con il termine “vortice polare”.
- Nelle comunicazioni con i media, gli scienziati atmosferici dovrebbero enfatizzare che la variabilità del vortice polare stratosferico è effettivamente utile nella previsione delle CAOs e di altri eventi meteorologici estremi, ma che l’influenza stratosferica si manifesta attraverso variazioni dei getti aerei regionali che non possono essere definiti in sé come un “vortice polare”.
È necessario un ulteriore studio per approfondire la relazione tra le variazioni del vortice polare stratosferico e quelle dei getti aerei troposferici regionali sottostanti e, in definitiva, con gli eventi meteorologici estremi. Il vortice polare stratosferico e i getti aerei troposferici hanno ruoli importanti ma distinti nella comprensione e previsione degli eventi meteorologici estremi. Pertanto, una descrizione accurata di queste caratteristiche è fondamentale per migliorare la comunicazione, sia all’interno della comunità scientifica che con il pubblico, riguardo a eventi che possono avere impatti umani profondi.
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1029/2021GL097617