Zona Tampone dell’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO)

Autori: Aaron Match – Programma in Scienze Atmosferiche e Oceaniche, Università di Princeton, Princeton, New Jersey
Stephan Fueglistaler – Dipartimento di Geoscienze, e Programma in Scienze Atmosferiche e Oceaniche, Università di Princeton, Princeton, New Jersey
(Manoscritto ricevuto il 30 maggio 2019, approvato in forma definitiva il 16 agosto 2019)

Abstract:
L’oscillazione quasi-biennale (QBO) è caratterizzata da un modello di venti discendenti nella stratosfera che si estingue vicino alla sommità dello strato tropicale troposferico. Nonostante le onde che si propagano verticalmente e che alimentano la QBO abbiano origine diversi chilometri più in basso nella troposfera, esiste una zona, denominata “zona tampone”, dove la potenza della QBO è ridotta nonostante l’attività significativa delle onde. I modelli tradizionali unidimensionali della QBO non sono adeguati per descrivere la dinamica di questa zona poiché presuppongono un’attenuazione della QBO tramite una condizione di vento nullo al confine inferiore. Questo studio analizza i bilanci di momento nelle ri-analisi MERRA-2 e ERA-Interim per indagare sulla formazione della zona tampone. Si è scoperto che la debole accelerazione indotta dalle onde in MERRA-2 non è sufficiente a giustificare la formazione della zona tampone; pertanto, è necessario considerare l’annullamento di tale accelerazione. Tale annullamento è principalmente dovuto all’ammortamento delle anomalie di momento angolare, risultante in gran parte dalla divergenza del flusso di momento sia medio orizzontale che turbolento, con contributi minori dal torque di Coriolis e dalla divergenza del flusso di momento verticale medio. L’importanza di questi termini di smorzamento sottolinea il ruolo cruciale della zona tampone nel mediare lo scambio di momento angolare tra il dominio della QBO e le regioni più lontane. Infine, alcune delle anomalie di momento angolare in queste regioni lontane influenzano effettivamente la Terra solida, contribuendo alla correlazione osservata tra la QBO e variazioni nella durata del giorno.

1. Introduzione

L’oscillazione quasi-biennale (QBO) è un fenomeno nella stratosfera tropicale caratterizzato da un alternarsi di venti orientali e occidentali con un periodo di circa 28 mesi. Scoperta nel 1960 (Reed et al. 1961; Ebdon e Veryard 1961), la QBO inizialmente non aveva una spiegazione chiara fino a quando, alla fine degli anni ’60, fu elaborata una teoria basata sulle interazioni tra le onde e il flusso medio (Lindzen e Holton 1968). Questa teoria fu poi sintetizzata in un modello unidimensionale (Holton e Lindzen 1972) che ancora oggi è fondamentale per comprendere la propagazione verso il basso delle zone di taglio della QBO (Plumb 1977).

Il meccanismo della QBO è fondamentalmente legato all’interazione tra le onde che si propagano verticalmente e il flusso medio atmosferico. Una domanda pertinente è se il limite inferiore della QBO corrisponda al livello di origine delle onde verticali. Le osservazioni indicano che il potere della QBO, misurato come potenza spettrale media del vento zonale alle frequenze della QBO, si riduce sensibilmente man mano che le anomalie del vento si avvicinano alla tropopausa tropicale. L’origine esatta delle onde è generalmente ritenuta essere nella troposfera, ben al di sotto del punto di scomparsa del potere della QBO, suggerendo così l’esistenza di una “zona tampone” tra il fondo della QBO e la fonte delle onde (terminologia di Saravanan 1990).

La zona tampone ha un impatto significativo sul clima in due modi principali: primo, è probabile che le interazioni tra i campi medi della QBO e la troposfera tropicale avvengano proprio in questa regione, come dimostra la possibile connessione tra la QBO e l’oscillazione Madden-Julian (MJO) (Kuma 1990; Yoo e Son 2016; Hendon e Abhik 2018). Inoltre, la circolazione secondaria della QBO influisce sulla distribuzione di traccianti come l’ozono e il vapore acqueo stratosferico, che a loro volta modificano la struttura termica della stratosfera e l’equilibrio radiativo terrestre (Plumb e Bell 1982; Randel et al. 1998; Giorgetta e Bengtsson 1999; Fueglistaler e Haynes 2005).

I modelli unidimensionali, fondamentali per la comprensione attuale della QBO, adottano una condizione al contorno di vento zero al limite inferiore e mostrano che una zona tampone stretta si forma attraverso un equilibrio tra il drag delle onde e la diffusione verticale. Questi modelli, tuttavia, non attenuano la QBO spontaneamente lontano dal limite inferiore, e l’altezza di questo limite viene tipicamente scelta per corrispondere al fondo climatologico della QBO. Nell’atmosfera reale, tuttavia, le onde che alimentano la QBO possono propagarsi per diversi chilometri prima di raggiungere effettivamente la QBO, mentre nei modelli, le onde iniziano molto più vicino al fondo della QBO. Saravanan (1990) ha ipotizzato che la zona tampone potrebbe filtrare le onde con velocità di fase vicine a zero, un fenomeno non risolvibile nei modelli attuali a causa della loro strettezza irrealistica. Questi modelli non sono in grado di risolvere questioni come l’estensione verticale della QBO, se la QBO possa propagarsi fino al fondo di una sorgente d’onda distribuita verticalmente, o se la QBO possa influenzare il vento medio sotto la regione attiva della QBO per modulare le onde che la guidano.

Nonostante le limitazioni dei modelli esistenti, diversi studi idealizzati hanno indagato il confine inferiore della QBO, ottenendo risultati ambigui sulle dinamiche della zona tampone. Plumb (1977) distanziò la fonte delle onde dal fondo del dominio del modello annullando la dissipazione delle onde vicino al fondo, tuttavia, la fonte delle onde e l’estensione inferiore della QBO rimanevano collocate vicino al confine inferiore. Saravanan (1990) creò una zona tampone introducendo un profilo di risalita esponenzialmente decrescente, pensato per rappresentare il vertice della cella di Hadley. Anche se il modello di Saravanan (1990) adottava una versione modificata della parametrizzazione di Plumb (1977) per il drag delle onde di gravità, i loro ragionamenti qualitativi sulla formazione della zona tampone si basavano sulla parametrizzazione delle onde di gravità di Lindzen e Holton (1968). Le due parametrizzazioni differiscono nel modo in cui propagano le informazioni verticalmente, e le conclusioni tratte da una parametrizzazione non sono necessariamente applicabili all’altra (Campbell et al. 2005). Held et al. (1993) identificarono un’oscillazione simile alla QBO in un modello bidimensionale di equilibrio radiativo-convettivo che si propagava fino alla superficie terrestre, un fenomeno che è stato esaminato ulteriormente in studi successivi (Nishimoto et al. 2016; Bui et al. 2017). Dunkerton (1985) osservò che in una simulazione bidimensionale della QBO, aumentando il coefficiente di diffusione del momento laterale, la QBO si indeboliva, specialmente quando il tempo di decadimento del momento era inferiore al periodo della QBO. Dunkerton (1997), utilizzando un modello monodimensionale, dimostrò che in assenza di trasporto orizzontale ad opera della cella di Hadley nella troposfera, la QBO simulata si estendeva nella troposfera. Sosteneva che, oltre all’avvezione media verticale proposta da Saravanan (1990), l’avvezione media orizzontale della cella di Hadley potrebbe avere un ruolo significativo nella formazione della zona tampone.

Solo alcuni dei modelli moderni di circolazione generale riescono a simulare spontaneamente una QBO, come evidenziato da soli 5 dei 47 contributi dei modelli CMIP5 (Schenzinger et al. 2017). Un difetto comune osservato in queste simulazioni è che la QBO non si estende abbastanza verso il basso, terminando in media 10 hPa più alto nella stratosfera rispetto alle osservazioni reali (Schenzinger et al. 2017). È stato rilevato che la simulazione della QBO raggiunge quote più basse quando la risoluzione verticale vicino alla tropopausa viene incrementata (Anstey et al. 2016; Geller et al. 2016). Tuttavia, è complesso interpretare l’effetto della risoluzione del modello o di altri processi sulla formazione della zona tampone senza una solida comprensione teorica della dinamica di questa zona.

Con Saravanan (1990) che suggerisce un ruolo dell’avvezione media verticale e Dunkerton (1997) che considera sia l’avvezione media verticale che quella orizzontale nella formazione della zona tampone, appare plausibile che diversi processi possano contribuire alla sua produzione. Quali caratteristiche comuni presentano questi processi attenuanti? E, se più processi possono attenuare indipendentemente la QBO, quale di questi incontrerebbe per primo la QBO terrestre? Per rispondere a queste domande, analizziamo il bilancio del momento angolare della zona tampone attraverso due ri-analisi meteorologiche.

Nella Sezione 2, presentiamo le ri-analisi meteorologiche che utilizzeremo, MERRA-2 e ERA-Interim. Nella Sezione 3, esploriamo due approcci principali per formare una zona tampone: 1) un’accelerazione debole indotta dalle onde e/o 2) la neutralizzazione dell’accelerazione indotta dalle onde. Dimostriamo che una debole accelerazione indotta dalle onde non è sufficiente per spiegare l’insufficiente potenza della QBO nella zona tampone. Utilizziamo analisi cross-spettrali per mostrare il disallineamento tra l’accelerazione indotta dalle onde e il vento, suggerendo che la QBO viene attenuata tramite smorzamento. Nella Sezione 4, evidenziamo come i flussi di momento angolare medio orizzontale e turbolento riducano significativamente le anomalie di momento angolare relativo nella zona tampone. Infine, nella Sezione 5, interpretiamo la nota correlazione tra i venti della QBO e la durata del giorno terrestre come supporto a un modello concettuale della zona tampone in cui le anomalie di momento angolare della QBO sono interscambiate tra la QBO stessa e il campo distante, con parte del momento angolare anomalo che alla fine raggiunge la Terra solida.

Figura 1: Climatologia del vento zonale e del momento angolare relativo nelle profondità dei tropici

• Pannello A: Vento Zonale
  • Questo grafico mostra l’andamento del vento zonale nel tempo e a varie altezze (indicate in hPa) nella stratosfera. Le zone blu indicano venti verso ovest, mentre le zone rosse indicano venti verso est. L’intensità del colore riflette la forza del vento, con colori più saturi che indicano venti più forti.
• Pannello B: Deviazione Standard del Vento Zonale
  • Questo grafico rappresenta la deviazione standard del vento zonale, suddivisa in bande spettrali per varie frequenze: semiannuale, annuale, e QBO. Le diverse linee colorate mostrano le fluttuazioni del vento zonale per ciascuna banda temporale, evidenziando come la variabilità del vento cambia in base alla frequenza.
• Pannello C: Momento Angolare Relativo
  • Il grafico traccia il momento angolare relativo, mostrato attraverso una gradazione di colori dal blu al rosso, dove il blu rappresenta valori negativi e il rosso valori positivi. Questo indica come il momento angolare cambia nel tempo e a varie altezze.
• Pannello D: Deviazione Standard del Momento Angolare Relativo
  • Analogamente al Pannello B, questo grafico mostra la deviazione standard del momento angolare relativo, anche questa suddivisa nelle stesse bande spettrali: semiannuale, annuale, e QBO. Le curve colorate rappresentano le fluttuazioni del momento angolare in base alle diverse scale temporali.

Questa figura fornisce una rappresentazione dettagliata e visuale delle variazioni temporali e verticali del vento zonale e del momento angolare relativo, evidenziando le differenze nei pattern di vento e nelle dinamiche del momento angolare attraverso diverse scale di tempo.

2. Ri-analisi Globali

Le informazioni delle analisi meteorologiche sono essenziali per studiare il bilancio del momento angolare della regione della zona tampone. Questo è necessario poiché l’unico termine del bilancio osservabile direttamente è la tendenza netta. Considerato che le analisi meteorologiche nella zona tampone sono poco vincolanti e suscettibili a errori compensativi tra i termini del bilancio, conduciamo il nostro studio utilizzando due differenti sistemi: MERRA-2 ed ERA-Interim. Presentiamo i risultati principali usando MERRA-2, dato che non tutti i termini di ERA-Interim sono accessibili. Laddove possibile, confrontiamo i risultati con ERA-Interim per verificare la coerenza tra le due ri-analisi.

Per la ri-analisi utilizziamo i dati di MERRA-2 registrati ogni 3 ore su livelli di pressione dal gennaio 1980 al novembre 2018 (GMAO 2015a,b; Gelaro et al. 2017). MERRA-2 include tutti i termini necessari per completare il bilancio del momento, come le tendenze del modello causate dal trascinamento dell’onda di gravità, turbolenza, processi umidi e la tendenza analitica. La QBO in MERRA-2 è prevalentemente influenzata dal trascinamento dell’onda di gravità non orografica (Coy et al. 2016), con una parametrizzazione basata su Garcia e Boville (1994), che segue Lindzen (1981). Lo stress dell’onda di gravità non orografica iniziale è impostato a 400 hPa e si attenua a seconda dello stato del vento (Molod et al. 2015). Ulteriori dettagli sul bilancio del momento di MERRA-2 saranno discussi più avanti.

Utilizziamo anche i dati di ERA-Interim, raccolti ogni 6 ore su livelli di pressione (Dee et al. 2011; ECMWF 2011). Purtroppo, la tendenza analitica di ERA-Interim non è disponibile per il nostro uso.

3. Formazione della Zona Tampone

a. Definizione

Saravanan (1990) descrive la zona tampone della QBO come una “zona tranquilla vicina al limite inferiore [del modello]”. Tuttavia, nella realtà terrestre, la zona tampone non può essere definita attraverso i confini di un modello. Piuttosto, essa rappresenta la regione situata tra la fonte delle onde e l’estensione inferiore della QBO.

Proponiamo una definizione universale della zona tampone come la regione in cui la QBO potrebbe manifestarsi se non fosse per l’interferenza di dinamiche non correlate alla QBO stessa. Il limite inferiore della zona tampone è associato alla fonte delle onde che si propagano verticalmente, presupposta indipendente dalla QBO. Queste onde, ritenute cruciali per l’attivazione della QBO, sono generalmente considerate originarsi dalla convezione profonda nella troposfera (ad esempio, Baldwin e Dunkerton 2001). Tali movimenti convettivi si estendono comunemente fino a 200 hPa, ma diventano rapidamente rari oltre questa quota, ben al di sotto della QBO attiva (Fueglistaler et al. 2009).

Il limite superiore della zona tampone è definito come il livello al di sotto del quale il vento zonale medio non segue più un regime QBO. Stabilire che una regione sia al di fuori del regime della QBO richiede un modello semplificato che spieghi come varia la potenza del vento zonale medio in tale regime. Il modello più semplice presuppone che la potenza della QBO sia costante con l’altezza; il limite superiore della zona tampone si verificherebbe quindi quando la potenza della QBO diminuisce fino a una frazione del suo valore massimo. Tuttavia, per un dato flusso di momento delle onde, l’accelerazione risultante è inversamente proporzionale alla densità, il che introduce una struttura verticale alla potenza della QBO. Il modello più semplice che considera la “scala di densità” presume che la potenza della QBO sia inversamente proporzionale alla densità. Anche se questo modello non considera la possibile saturazione della potenza della QBO (come osservato da Plumb nel 1977), tale limitazione non dovrebbe comprometterne l’applicabilità nei livelli più bassi della regione QBO. Il limite superiore della zona tampone può quindi essere identificato come il livello in cui la potenza del vento zonale medio scende sotto una certa frazione della sua scala di densità.

b. Struttura Verticale della Potenza della QBO

La Figura 2 illustra la potenza spettrale alle frequenze della QBO relative alla tendenza del vento e al trascinamento dell’onda di gravità, e le relative scalature di densità riferite a 30 hPa. Al di sotto dei 70 hPa, si osserva un rapido decadimento della potenza della tendenza del vento rispetto alla sua scalatura di densità. Questo indica che qualsiasi valore soglia considerato ragionevole (ad esempio, 5% o 1%) individuerà il limite superiore della zona tampone tra i 100 e i 70 hPa.

La formazione della zona tampone può avvenire attraverso 1) una debole accelerazione guidata dalle onde e/o 2) la cancellazione dell’accelerazione guidata dalle onde. Analizzando i casi estremi, la zona tampone potrebbe risultare da una forte accelerazione guidata dalle onde con una contemporanea forte cancellazione di questa accelerazione, suggerendo che la cancellazione contribuisce alla formazione della zona tampone. Alternativamente, la zona tampone potrebbe manifestarsi in presenza di una quasi assente accelerazione guidata dalle onde, suggerendo che una debole accelerazione guidata dalle onde contribuisce alla sua formazione. La Figura 2 evidenzia che la potenza della QBO a 100 hPa in MERRA-2 si origina da un caso intermedio: il trascinamento dell’onda di gravità è un ordine di grandezza inferiore rispetto alla sua scalatura di densità (implicando parzialmente una debole accelerazione guidata dalle onde), e la tendenza del vento è un ordine di grandezza inferiore rispetto al trascinamento dell’onda di gravità (implicando parzialmente una cancellazione).

Questo documento si concentrerà sulle dinamiche della cancellazione dell’accelerazione guidata dalle onde, necessaria per spiegare la ridotta potenza della QBO nella zona tampone, in quanto le dinamiche della debole accelerazione guidata dalle onde sono al di fuori dell’ambito di questa analisi, considerando che tale accelerazione è sia una causa che una conseguenza della zona tampone (come discusso nella sezione successiva).

Figura 2: Potenza della Tendenza del Vento QBO e del Trascinamento dell’Onda di Gravità

Panello A: Potenza Spettrale a Frequenze QBO (1.5–3 anni)

• Tendenza del Vento QBO: Rappresentata dalla linea solida nera, questa curva mostra come varia la potenza della tendenza del vento QBO con l’altitudine, che è indicata sull’asse verticale in hPa.
• Trascinamento dell’Onda di Gravità: Mostrato dalla linea solida rossa, indica la potenza del trascinamento dell’onda di gravità a varie altitudini.
• Scalatura di Densità: Le linee tratteggiate, nera per la tendenza del vento e rossa per il trascinamento dell’onda di gravità, mostrano la scalatura di densità riferita a 30 hPa per entrambi i termini.

Panello B: Rapporto tra Trascinamento dell’Onda di Gravità e Tendenza del Vento

• Questo grafico rappresenta il rapporto tra il trascinamento dell’onda di gravità e la tendenza del vento, visualizzato in funzione dell’altitudine. L’asse verticale mostra ancora l’altitudine in hPa, mentre l’asse orizzontale mostra il rapporto tra i due termini.

Regione Sfumata Grigia

• Indica la regione approssimativa della zona tampone, con ulteriori discussioni sulle incertezze nella sua definizione presentate nelle sezioni 3a e 6 del documento.

Interpretazione Generale

• Questi grafici forniscono una chiara visualizzazione di come i contributi dinamici alla QBO, rappresentati dalla tendenza del vento e dal trascinamento dell’onda di gravità, variano con l’altitudine.
• L’analisi aiuta a comprendere il comportamento di questi processi dinamici all’interno della zona tampone e nelle regioni adiacenti, offrendo dettagli su come l’interazione tra questi due fenomeni influisce sulla struttura verticale della QBO.

c. Cancellazione dell’accelerazione guidata dalle onde

Nella zona tampone, si osserva che la potenza del trascinamento dell’onda di gravità supera quella della tendenza netta del vento, come evidenziato dalla Figura 2. Questo suggerisce che esistono altre forze che neutralizzano parte del trascinamento dell’onda di gravità. Identifichiamo due principali tipi di cancellazione: opposizione e smorzamento.

L’opposizione avviene quando la cancellazione è completamente fuori fase con l’accelerazione guidata dall’onda, il che significa che l’accelerazione e la sua cancellazione sono dirette opposte ma originate dallo stesso processo. Lo smorzamento si verifica quando l’accelerazione guidata dall’onda crea un’anomalia di momento angolare che si riduce nel tempo attraverso uno scambio di momento angolare rilassato con il campo esterno, definito come qualsiasi area dell’atmosfera al di fuori della zona attiva della QBO o della zona tampone, sia orizzontalmente che verticalmente.

Mentre lo smorzamento dipende dal valore locale del vento, l’opposizione non lo richiede necessariamente. Un sistema che include sia forze esterne che smorzamento aiuta a distinguere tra opposizione e smorzamento in modo efficace.

Saravanan (1990) sosteneva che la zona tampone si formasse dove l’avvezione media verticale si oppone all’accelerazione guidata dalle onde. Se l’opposizione fosse il meccanismo predominante nella formazione della zona tampone, l’accelerazione guidata dalle onde e il vento rimarrebbero angolarmente disallineati. Dunkerton (1997) aggiungeva che l’avvezione media orizzontale operata dalla cella di Hadley impedisce alla QBO di propagarsi nella troposfera, presumibilmente attraverso lo smorzamento della QBO. Se fosse lo smorzamento a formare la zona tampone, allora l’accelerazione guidata dalle onde e il vento dovrebbero mostrare un maggiore allineamento di fase.

Continuiamo a esplorare lo sfasamento tra l’accelerazione guidata dall’onda e il vento attraverso l’analisi dei dati di MERRA-2, per approfondire la comprensione di queste dinamiche.

Figura 3: Diagnostiche Cross-Spettrali tra il Trascinamento dell’Onda di Gravità e il Vento Zonale

Panello A: Sfasamento

• Questo pannello mostra lo sfasamento angolare tra il trascinamento dell’onda di gravità e il vento zonale alla frequenza della QBO. L’asse verticale mostra l’altitudine in hPa, mentre l’asse orizzontale rappresenta il grado di sfasamento in gradi. I punti neri indicano il valore di sfasamento a varie quote, dove un valore vicino a zero suggerirebbe un allineamento mentre valori estremi indicano opposizione completa.

Panello B: Coerenza

• Questo grafico valuta la coerenza tra le due misure menzionate, con valori che variano da 0 a 1. Un valore vicino a 1 indica una forte correlazione tra i segnali in termini di frequenza e fase, mentre un valore vicino a 0 indica nessuna correlazione. L’asse verticale indica l’altitudine in hPa, e i punti neri mostrano il livello di coerenza a ciascuna quota.

Panello C: Tasso di Smorzamento Effettivo

• Il terzo pannello visualizza il tasso di smorzamento dedotto dallo sfasamento, misurato in giorno⁻¹. L’asse orizzontale mostra il tasso di smorzamento, e i punti neri riflettono questo tasso a varie altitudini.

Regione Sfumata Grigia

• La zona grigia sfumata presente in tutti e tre i pannelli rappresenta l’area approssimativa della zona tampone. Le incertezze nella definizione di questa zona sono discusse dettagliatamente nelle sezioni 3a e 6 del testo associato.

Questa figura fornisce informazioni preziose su come interagiscono il trascinamento dell’onda di gravità e il vento zonale all’interno della zona tampone, evidenziando le dinamiche di sfasamento, coerenza e smorzamento con la variazione dell’altitudine. Questa analisi è cruciale per comprendere il comportamento della QBO e le dinamiche associate nella stratosfera.

d. Evidenza di Smorzamento in MERRA-2

Utilizziamo diagnostiche cross-spettrali alle frequenze della QBO per calcolare lo sfasamento tra il trascinamento dell’onda di gravità e il vento. Questo ci aiuta a determinare la presenza di smorzamento nella zona tampone.

Come illustrato nella Figura 3, a quote pari o superiori a 30 hPa, lo sfasamento tra il trascinamento dell’onda di gravità e il vento è prossimo ai 90 gradi, indicando un livello di smorzamento trascurabile. Al di sotto dei 30 hPa, lo sfasamento si avvicina agli 0 gradi, suggerendo uno smorzamento marcato. Inoltre, si registra una significativa riduzione della coerenza tra 70 e 100 hPa, il che dimostra che il trascinamento dell’onda di gravità non è più il principale motore della variabilità del vento in quelle quote.

Un forte smorzamento è coerente con l’idea di smorzamento attraverso l’avvezione orizzontale media proposta da Dunkerton (1997) e non sostiene la teoria dell’opposizione basata sull’avvezione verticale media. Tuttavia, la presenza di forte smorzamento non implica automaticamente che:

1. l’opposizione non giochi alcun ruolo,
2. l’avvezione orizzontale media citata in Dunkerton (1997) sia la causa dello smorzamento,
3. l’avvezione verticale media, proposta come meccanismo di opposizione in Saravanan (1990), non possa invece contribuire allo smorzamento,
4. altri fattori, come i flussi di momento eddy, non svolgano un ruolo nello smorzamento.

Nella sezione successiva, quindi, esamineremo in dettaglio lo smorzamento attribuibile a ciascun termine del bilancio del momento.

4. Quali termini causano lo smorzamento?

Riconoscendo che diversi termini potrebbero essere indipendentemente capaci di produrre uno smorzamento significativo che contribuisce alla formazione della zona tampone, e non avendo una teoria forte a priori su quali termini lo facciano effettivamente in natura, utilizziamo il modello MERRA-2 per identificare i termini di smorzamento nella zona tampone e determinare i termini di smorzamento più influenti nella sua formazione.

a. Equazione del momento angolare

Per identificare quali termini sono responsabili dello smorzamento della QBO, analizziamo l’equazione del momento angolare. Il momento angolare totale atmosferico per unità di massa può essere scomposto in momento angolare terrestre più momento angolare relativo. Assumiamo che l’atmosfera sia poco profonda, quindi la distanza dal centro della Terra viene approssimata al raggio terrestre. La derivazione del momento angolare totale considera diversi contributi come il geopotenziale e la componente di stress zonale.

Il momento angolare medio zonale viene conservato materialmente in assenza di stress zonale. La media zonale di questa equazione, assumendo la continuità, ci porta a una forma di flusso che include diversi termini come la divergenza del flusso di momento medio orizzontale, la divergenza del flusso di momento eddy orizzontale, la coppia di Coriolis, la divergenza del flusso di momento medio verticale, e la divergenza del flusso di momento eddy verticale.

Il parametro di Coriolis, insieme alle tendenze non risolte che nel bilancio del momento di MERRA-2 includono il trascinamento dell’onda di gravità, processi umidi, turbolenza e la tendenza dell’analisi, giocano un ruolo nel bilancio del momento angolare. L’integrazione di questa equazione attraverso un elemento di massa ci permette di produrre un bilancio del momento angolare relativo ponderato per la massa nel dominio della QBO. Le variazioni del momento angolare integrato nel dominio della QBO nel tempo indicano che la QBO scambia momento angolare con aree esterne.

b. Bilancio del Momento Angolare nelle Ri-analisi

La Figura 4 illustra i termini del bilancio della densità del momento angolare relativo desezionalizzato, presentati in coordinate di log-pressione e organizzati rispetto alla fase della QBO. Le anomalie desezionalizzate sono rappresentate attraverso contorni distinti. Quando una tendenza positiva da un dato termine si allinea con il passaggio del momento angolare relativo da negativo a positivo, questo termine supporta l’attivazione della QBO. Al contrario, una tendenza negativa che coincide con questo passaggio lavora contro la QBO. Ad esempio, la Figura 4 dimostra che il trascinamento dell’onda di gravità favorisce la QBO, mentre la divergenza del flusso di momento angolare eddy orizzontale agisce in opposizione nella zona tampone.

I flussi di momento tra i 200 e i 100 hPa sono ampi e non sempre in coerenza con la QBO. La Figura S1 nel materiale supplementare online mostra una replica della Figura 4, con aree ombreggiate che coprono le regioni dove il segnale è inferiore al rumore.

Significativamente, la grande divergenza del flusso di momento angolare eddy orizzontale nella parte più bassa della stratosfera eccede il rumore nella maggior parte dei casi, giocando un ruolo cruciale nel contrastare la QBO. Anche la divergenza del flusso di momento angolare medio verticale, sebbene in misura minore, opera contro la QBO in quella regione. Le tendenze di MERRA-2 relative alla turbolenza e ai processi umidi non sono presentate perché sono trascurabili rispetto agli altri termini nella stratosfera; infatti, la loro potenza alle frequenze della QBO è notevolmente inferiore a quella del trascinamento dell’onda di gravità.

La Figura 4 rivela che la tendenza netta nella zona tampone è di magnitudine inferiore rispetto a molti dei termini individuali nel bilancio. Inoltre, la potenza spettrale della tendenza netta alle frequenze della QBO nella zona tampone è inferiore a quella di tutti gli altri termini mostrati. Dato che la tendenza netta rappresenta la somma vincolata di vari termini significativi, esiste il rischio che gli errori nei singoli termini possano portare a errori compensativi in altri termini che risultano altrettanto significativi quanto la tendenza netta.

Se MERRA-2 non riesce a simulare le tendenze osservate della QBO attraverso flussi di momento risolti o parametrizzati, allora la tendenza netta risulterebbe dalla tendenza analitica. Come mostrato nella Figura 4g di MERRA-2, la tendenza analitica è generalmente limitata, sebbene possa rafforzare debolmente le anomalie di momento angolare nella parte bassa della stratosfera, per esempio fornendo tendenze orientali all’interno delle anomalie di momento angolare orientali, particolarmente intorno ai 70 hPa.

La Figura 4c rivela che la maggior parte dell’impulso alla QBO in MERRA-2 deriva dal trascinamento dell’onda di gravità, con un contributo anche dalla divergenza del flusso di momento angolare eddy verticale, come indicato nella Figura 4b. Coy et al. (2016) hanno argomentato che in MERRA-2 la QBO è maggiormente guidata da termini fisicamente fondati, rappresentando un miglioramento rispetto al modello MERRA precedente, dove la QBO era prevalentemente guidata dalla tendenza analitica.

Affidarsi a termini fisicamente fondati per descrivere le tendenze della QBO anziché alla tendenza analitica segnala un miglioramento in MERRA-2, sebbene ciò possa oscurare altre deficienze. La divergenza del flusso di momento angolare eddy verticale è sorprendentemente minore come driver della QBO in MERRA-2 rispetto a quanto osservato in ERA-Interim. Dunkerton (1997) sosteneva che tra il 25% e il 50% della spinta delle onde della QBO provenisse da onde equatoriali su scala globale, che dovrebbero essere risolte esplicitamente nella divergenza ri-analizzata del flusso di momento angolare eddy verticale. Onde di Kelvin, significative a scala globale, potrebbero facilitare la transizione della QBO da est a ovest. Analizzando i dati di High Resolution Dynamics Limb Sounder, Alexander e Ortland (2010) hanno scoperto che le onde di Kelvin contribuiscono circa alla metà della forza delle onde nelle zone di taglio occidentale discendente. Ern e Preusse (2009) hanno trovato che in ERA-Interim le onde di Kelvin sono responsabili del 15%-30% della spinta totale delle onde nella stratosfera tra 10°S e 10°N, il che è al limite inferiore delle stime di Dunkerton (1997). Flannaghan e Fueglistaler (2013) hanno osservato che ERA-Interim include onde di Kelvin discrete che si propagano dalla troposfera alla stratosfera.

Dopo l’inizio dell’assimilazione delle temperature dal Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere, and Climate (COSMIC), si è osservato un aumento dell’attività delle onde di Kelvin in ERA-Interim. Di conseguenza, visto che MERRA-2 mostra meno attività ondulatoria rispetto a ERA-Interim — che già tende a sottostimare questa attività — è ragionevole presumere che MERRA-2 non riesca a catturare completamente l’attività ondulatoria.

Anche basandosi su stime conservative, MERRA-2 appare carente nel suo approccio alla spinta ondulatoria della QBO. L’introduzione di un maggiore stress delle onde di gravità non orografiche in MERRA-2 potrebbe parzialmente compensare le carenze nel risolvere le onde tropicali che si propagano verticalmente e che sono cruciali per la dinamica della QBO, come le onde di Kelvin e le onde miste Rossby-gravità. Questa modifica ha spostato la forza motrice delle tendenze nette, che prima erano influenzate principalmente dalla tendenza analitica in MERRA, verso il trascinamento dell’onda di gravità in MERRA-2.

La dipendenza di MERRA-2 dalle onde parametrizzate trova conferma negli studi di Holt et al. (2016), che hanno evidenziato come, in una simulazione autonoma che utilizza un modello globale di circolazione simile a quello di MERRA-2, la QBO fosse significativamente influenzata dalle onde parametrizzate, anche a risoluzioni spaziali elevate. Questi risultati suggeriscono la necessità di procedere con cautela nell’interpretazione dei bilanci del momento angolare nella regione della QBO e nella zona tampone, data la variabilità nelle dinamiche osservate tra diversi modelli.

Figura 4: Composizione delle Tendenze del Momento Angolare Relativo rispetto alla Fase della QBO

Questa figura visualizza le tendenze del momento angolare relativo in funzione della fase della QBO per diversi contributi fisici, mostrando come interagiscono con la QBO a varie altitudini. I dati sono desezionalizzati e rappresentati in coordinate di log-pressione, integrati longitudinalmente da 10°S a 10°N.

Descrizione dei Pannelli

• A: Media Verticale
• B: Eddy Verticale
• C: Trascinamento dell’Onda di Gravità
• D: Media Orizzontale
• E: Eddy Orizzontale
• F: Coppia di Coriolis
• G: Tendenza dell’Analisi
• H: Tendenza Netta
• I: Residuo

Interpretazione delle Tendenze

• Tendenze Positive: Aree rosse indicano un incremento del momento angolare relativo, suggerendo un’accelerazione positiva che può supportare la QBO.
• Tendenze Negative: Aree blu indicano una riduzione del momento angolare relativo, suggerendo un’accelerazione negativa che può opporsi alla QBO.

Implicazioni per la QBO

La disposizione dei pannelli e la colorazione forniscono una visione chiara di come vari processi come il trascinamento dell’onda di gravità, le medie verticali e orizzontali, e le eddy dinamiche contribuiscano o interferiscano con la dinamica della QBO. Questi insight sono cruciali per comprendere i meccanismi sottostanti la QBO e per valutare la rappresentazione di questi processi nei modelli climatici.

Significato dei Contorni

I contorni rappresentano il momento angolare relativo a diversi livelli di pressione, con linee tratteggiate per valori negativi, aiutando a visualizzare la distribuzione del momento angolare attraverso la stratosfera durante le diverse fasi della QBO.

Questa figura, quindi, serve come strumento importante per analizzare la dinamica complessa della QBO e i suoi driver nei modelli climatici, evidenziando le aree in cui i modelli potrebbero necessitare di ulteriori affinamenti o correzioni.

Figura 5: Tassi di Smorzamento Effettivi e Coefficienti di Correlazione per i Termini Principali del Bilancio del Momento Angolare Relativo

Questa figura utilizza dati da MERRA-2, mediati mensilmente e longitudinalmente da 10°S a 10°N, per esplorare le dinamiche di smorzamento nel bilancio del momento angolare relativo.

Pannello A: Tassi di Smorzamento Effettivi

• Visualizzazione: Questo grafico mostra i tassi di smorzamento calcolati come il reciproco negativo della pendenza di regressione dei minimi quadrati tra la tendenza e il momento angolare relativo desezionalizzato, a diverse quote atmosferiche.
• Asse Verticale: Altitudine in hPa.
• Asse Orizzontale: Tassi di smorzamento in giorno⁻¹.
• Curve Colorate: Rappresentano i diversi contributi al bilancio del momento angolare:
  • Blu: Media Orizzontale
  • Rosso: Eddy Orizzontale
  • Viola: Coppia di Coriolis
  • Ciano: Media Verticale
  • Nero: Eddy Verticale

Pannello B: Coefficienti di Correlazione

• Visualizzazione: Mostra i coefficienti di correlazione associati alla regressione lineare tra la tendenza e il momento angolare relativo desezionalizzato.
• Asse Verticale: Altitudine in hPa.
• Asse Orizzontale: Coefficienti di correlazione da -1 a +1.
• Curve Colorate: Corrispondono ai termini rappresentati nel Pannello A.

Significato dei Risultati

• Tassi di Smorzamento: Valori distanti da zero indicano un forte smorzamento. Questi dati aiutano a identificare a quale altitudine e per quale termine si verifica il maggiore smorzamento.
• Coefficiente di Correlazione: Valori vicino a +1 o -1 indicano una forte relazione lineare, mostrando che le variabili sono fortemente correlate. Valori vicino a zero indicano una debole o nessuna correlazione.

Zona Sfumata Grigia

• Identifica la zona tampone approssimativa: dove le incertezze nella definizione della zona tampone sono discusse nelle sezioni 3a e 6 del documento.

Questa figura fornisce una chiara visualizzazione di come vari processi contribuiscano o modulino il momento angolare relativo attraverso la stratosfera, evidenziando le aree dove i modelli possono richiedere ulteriori studi o correzioni.

Tassi di Smorzamento Effettivi nella Zona Cuscinetto di QBO

Per determinare quali termini contribuiscono alla formazione della zona cuscinetto nei dati di MERRA-2 e ERAInterim, calcoliamo i tassi di smorzamento efficace. Questi tassi sono definiti dalla pendenza negativa della regressione ai minimi quadrati tra la tendenza e il momento angolare relativo. Un tasso di smorzamento positivo indica che, in presenza di un momento angolare relativo elevato, la tendenza del termine considerato è generalmente negativa. Questo metodo presuppone che le anomalie del momento angolare del QBO nella zona cuscinetto influenzino le regioni più distanti nello stesso modo di altre anomalie del momento angolare, permettendo di valutare la risposta atmosferica alla presenza del QBO in aree dove è attualmente ridotto.

La figura 5 illustra i tassi di smorzamento stimati per ciascun livello nella regione QBO secondo i dati di MERRA-2. In particolare, la figura 5a rivela che sia la divergenza del flusso di momento medio orizzontale sia quella del flusso di momento turbolento orizzontale inducono il maggiore smorzamento a 100 hPa, con tempi di smorzamento di circa 50 giorni. Il momento torcente di Coriolis a questa quota ha un tempo di smorzamento di 82 giorni. Tali tempi di smorzamento, significativamente inferiori alla durata del ciclo QBO, suggeriscono un’attenuazione efficace di questo fenomeno.

La figura 5b evidenzia che, a 100 hPa, la divergenza del flusso di momento medio orizzontale mostra un coefficiente di correlazione di -0.57, superiore a quello della divergenza del flusso di momento turbolento orizzontale, che è di -0.19. Mentre il secondo termine mostra un forte smorzamento solo a 100 hPa, il primo termine e il momento torcente di Coriolis presentano un’azione di smorzamento marcata anche a livelli inferiori.

Nell’analisi ERA-Interim, la divergenza del flusso di momento medio orizzontale si conferma come il principale fattore di smorzamento a 100 hPa, con un tempo di smorzamento di circa 30 giorni (r = -0.64), come mostrato in Figura S3. A differenza delle teorie precedenti, come quella proposta da Saravanan nel 1990, nessuna delle rianalisi suggerisce un ruolo significativo per la divergenza del flusso di momento medio verticale nella formazione della zona cuscinetto. Entrambe le analisi supportano l’ipotesi di Dunkerton (1997), con la divergenza del flusso di momento medio orizzontale che emerge come fattore predominante in ERA-Interim e quasi equivalente a quello del flusso di momento turbolento orizzontale in MERRA-2 a 100 hPa. La significativa azione di smorzamento da parte della divergenza del flusso di momento medio orizzontale e del momento torcente di Coriolis si estende fino alla troposfera, consolidando l’argomentazione di Dunkerton che le interazioni orizzontali medie con la cella di Hadley eliminerebbero qualsiasi segnale di QBO nella troposfera superiore.

Figura 6: Analisi Spettrale dell’Interazione tra Termini del Bilancio del Momento Angolare e il Dragaggio delle Onde di Gravità

Pannello (a) – Cospectrum

Il cospectrum in questa figura mostra come la potenza spettrale dei termini selezionati interagisca con il dragaggio delle onde di gravità attraverso varie altitudini, espressa in hPa. Ogni colore rappresenta un diverso contributo al bilancio del momento angolare:

• Blu scuro: Flusso di momento medio orizzontale
• Blu chiaro: Flusso di momento turbolento orizzontale
• Rosso: Coppia di Coriolis
• Verde: Flusso di momento medio verticale
• Grigio: Flusso di momento turbolento verticale

L’asse orizzontale mostra l’intensità della potenza spettrale, misurata in m² s⁻² day⁻², con valori negativi verso sinistra e positivi verso destra. La presenza di picchi indica un forte impatto di un termine sul dragaggio delle onde di gravità a una determinata altitudine.

Pannello (b) – Quadrature Spectrum

Il quadrature spectrum esplora la componente della potenza spettrale che è sfasata di 90 gradi rispetto al dragaggio delle onde di gravità. Questa analisi aiuta a capire la relazione di fase tra i termini e il dragaggio delle onde. Le linee rappresentano gli stessi termini indicati nel cospectrum.

Zona Ombreggiata Grigia

La regione grigia ombreggiata segnala l’area approssimativa della zona cuscinetto, che rappresenta un’area di incertezza nelle interazioni tra i vari termini e il dragaggio delle onde di gravità. Questa zona è discussa in dettaglio nelle sezioni 3a e 6 del documento associato.

In conclusione, la Figura 6 fornisce una visione dettagliata delle dinamiche di interazione tra vari termini del bilancio del momento angolare e il dragaggio delle onde di gravità, evidenziando differenze significative in base all’altitudine e alla natura dell’interazione (diretta o sfasata).

Cancellazione delle Frequenze QBO Attraverso Analisi Cross-Spettrali

L’analisi precedente sui tassi di smorzamento ha integrato dati da un ampio spettro di frequenze, assumendo che il comportamento di smorzamento sia indipendente dalla frequenza. Tuttavia, ora adottiamo un approccio diverso utilizzando diagnostiche cross-spettrali per esaminare specificamente la cancellazione del dragaggio delle onde di gravità alle frequenze QBO. Come illustrato nella Figura 6, queste diagnostiche esaminano le interazioni tra termini selezionati del bilancio del momento angolare relativo e il dragaggio delle onde di gravità. Valori negativi nel cospectrum indicano una relazione in controfase tra i termini analizzati.

Un’opposizione esatta tra i termini è rappresentata da un valore negativo nel cospectrum accompagnato da uno spettro di quadratura nullo. Nel caso di smorzamento debole, questo si manifesta con un valore negativo nello spettro di quadratura; al contrario, in condizioni di forte smorzamento, si osserva un valore negativo nel cospectrum. In situazioni di smorzamento intermedio, si registrano valori negativi in entrambi gli spettri.

La Figura 6 evidenzia come la divergenza del flusso di momento medio verticale induca un forte smorzamento fino a 70 hPa, in linea con le teorie che propongono l’indebolimento del QBO dovuto a movimenti ascensionali (es. Saravanan 1990; McIntyre 1994). Tuttavia, l’effetto di smorzamento di questo termine si riduce notevolmente all’interno della zona cuscinetto, suggerendo che non contribuisce significativamente alla formazione di questa zona, coerentemente con i risultati ottenuti dalla regressione ai minimi quadrati mostrata in Figura 5.

La divergenza del flusso di momento turbolento orizzontale genera uno smorzamento significativo sia a 70 che a 100 hPa. La divergenza del flusso di momento turbolento verticale tende a rinforzare il dragaggio delle onde di gravità, come previsto se MERRA-2 fosse in grado di risolvere una certa quantità di attività ondulatoria globale che influenza il QBO. Al contrario, la divergenza del flusso di momento medio orizzontale supporta il dragaggio delle onde di gravità nella regione attiva del QBO ma lo annulla a 100 hPa. Nonostante ciò, la coppia di Coriolis rafforza il dragaggio delle onde di gravità alle frequenze QBO nella zona cuscinetto, nonostante generi un tasso di smorzamento efficace indipendente dalla frequenza positivo.

È importante notare che i tassi di smorzamento efficaci calcolati nella sezione precedente si basano su tutte le anomalie del momento angolare, riflettendo lo smorzamento che il QBO subirebbe se si propagasse più in profondità. Invece, le diagnostiche cross-spettrali della Figura 6 si applicano solo nelle aree dove il dragaggio delle onde di gravità è sufficientemente intenso da influenzare la variabilità del QBO. Di conseguenza, la bassa magnitudine del cospectrum nella troposfera superiore non implica necessariamente l’assenza di termini capaci di attenuare il QBO.

Utilizzo di Priorità Fisiche per Distinguere l’Opposizione dall’Attenuazione

Abbiamo dimostrato che le tendenze del momento angolare annullano parte del dragaggio delle onde di gravità (Fig. 2) e che gli sfasamenti di fase tra l’accelerazione indotta dalle onde e il vento implicano che deve esserci un’attenuazione nella zona cuscinetto (Fig. 3). Tuttavia, non abbiamo definitivamente escluso un ruolo per l’opposizione. In particolare, una volta che una regione è nel limite di forte attenuazione, può essere difficile districare se vi sia anche opposizione.

Le priorità fisiche aiutano a distinguere l’opposizione dall’attenuazione. L’opposizione può essere plausibilmente causata solo dall’avvezione media verticale e da nessun altro termine. Pertanto, se un termine diverso dall’avvezione media verticale produce l’annullamento, tale termine è probabilmente un’attenuazione e non un’opposizione. L’avvezione media verticale può opporsi al dragaggio delle onde di gravità se entrambi i processi sono proporzionali al taglio verticale. In Lindzen e Holton (1968), il dragaggio delle onde di gravità è parametrizzato basandosi su un continuum di onde che si rompono nei loro strati critici, e il dragaggio delle onde può essere formulato come un’avvezione verso il basso, proporzionale al taglio verticale. Pertanto, utilizzando la parametrizzazione di Lindzen e Holton (1968), l’avvezione media verticale potrebbe opporsi al dragaggio delle onde di gravità. In Plumb (1977), il dragaggio delle onde di gravità è parametrizzato in base a una dissoluzione costante delle onde, e il dragaggio delle onde di gravità a un dato livello non dipende dal taglio verticale. Pertanto, utilizzando la parametrizzazione di Plumb (1977), non ci sarebbe opposizione al dragaggio delle onde di gravità da parte dell’avvezione media verticale. La parametrizzazione del dragaggio delle onde di gravità rimane una sfida e oggi esistono diverse parametrizzazioni plausibili con comportamenti diversi.

Tuttavia, dato che scopriamo che la cancellazione più forte non deriva dalla divergenza del flusso di momento medio verticale (che contiene l’avvezione media verticale), è improbabile che la zona cuscinetto sia formata dall’opposizione al dragaggio delle onde di gravità indipendentemente dalla parametrizzazione, e invece è l’attenuazione a essere responsabile.

Poiché il momento angolare è conservato globalmente, l’attenuazione riguarda lo scambio di momento angolare tra il QBO e il campo lontano. Se lo scambio di momento angolare tra il QBO e il campo lontano mescola le due regioni verso un valore intermedio, tale scambio apparirà come un’attenuazione delle anomalie del momento angolare del QBO.

Analisi del Tasso di Smorzamento Effettivo da Avvezione Media Orizzontale e Verticale

L’efficacia dello smorzamento dovuto all’avvezione media orizzontale si può dedurre considerando che il momento nel campo lontano è generalmente molto inferiore, o non correlato, al momento del QBO. Se prendiamo come esempio una velocità caratteristica di 1 m/s, il tasso di smorzamento risultante è di circa 10 giorni, in linea con i risultati mostrati nelle figure analitiche precedenti.

Per quanto riguarda l’avvezione media verticale, con una velocità verticale di circa 0.1 mm/s e una distanza verticale di 1 km, il tasso di smorzamento calcolato è di circa 100 giorni. Tuttavia, questa ipotesi di non correlazione non si applica pienamente all’interno della zona QBO. L’avvezione verticale tende a funzionare principalmente come un meccanismo di smorzamento nella parte inferiore della regione QBO, spostando verso l’alto i venti calmi della zona cuscinetto nella regione attiva del QBO.

L’Impatto degli Eddies Orizzontali sulle Anomalie del Momento Angolare

Gli studi hanno dimostrato che gli eddies orizzontali smorzano le anomalie del momento angolare nella zona cuscinetto, particolarmente evidenti su scale temporali del QBO. Il processo esatto attraverso il quale gli eddies orizzontali inducono questo smorzamento non è completamente chiaro. Se il trasporto di momento angolare operato da questi eddies fosse di tipo diffusivo, allora contribuirebbero allo smorzamento nella zona cuscinetto. Tuttavia, ci sono indicazioni che il trasporto di momento angolare attraverso le onde atmosferiche potrebbe non essere diffusivo. Infatti, le onde atmosferiche sono in grado di trasportare momento angolare su lunghe distanze, spesso contro il gradiente, e le onde planetarie generano effetti specifici solo dove si frantumano.

Questi aspetti suggeriscono che le onde atmosferiche potrebbero non comportarsi in maniera diffusiva e, pertanto, il modo in cui gli eddies orizzontali riescono a produrre tassi di smorzamento così elevati merita ulteriori approfondimenti in studi futuri.

Correlazione tra Venti QBO e Variazioni nella Durata del Giorno

I modelli unidimensionali classici del QBO sono influenzati da flussi d’onda simmetrici, quindi queste onde non contribuiscono con un incremento netto del momento angolare all’interno del dominio del modello. Nonostante ciò, il momento angolare del dominio modellato oscilla ancora in sincronia con il QBO. Queste oscillazioni del momento angolare nel dominio del QBO sono sostenute dai flussi di momento angolare che attraversano il confine inferiore del modello, rappresentando così lo scambio tra il QBO e le aree più remote.

In uno studio precedente, abbiamo mostrato che, analogamente alla teoria unidimensionale, la zona cuscinetto terrestre media lo scambio di momento angolare tra il QBO e le regioni lontane. Ma cosa accade al momento angolare anomalo quando raggiunge queste aree distanti? Se questo momento angolare rimane nell’atmosfera, il QBO risulterebbe essere una redistribuzione del momento angolare tra il suo dominio e le aree lontane. Tuttavia, in realtà, una parte del momento angolare anomalo del QBO viene trasferita al nucleo solido della Terra, generando una correlazione ritardata tra i venti del QBO e la variazione nella durata del giorno, come documentato in vari studi.

La nostra analisi, illustrata nella Figura 7, evidenzia una forte correlazione diretta tra la velocità del vento zonale all’equatore a 30 hPa e il momento angolare del QBO senza ritardo, confermando che la velocità del vento è un buon indicatore del momento angolare del QBO. Inoltre, la significativa correlazione ritardata tra queste due misure sottolinea la regolarità del QBO. È interessante notare che la correlazione tra la variazione nella durata del giorno e i venti QBO mostra che una parte del momento angolare trasferito dal dominio QBO viene successivamente passata al nucleo terrestre attraverso le coppie di torsione atmosferiche.

In termini quantitativi, mentre la regione QBO comprende solo l’1.5% della massa atmosferica totale, essa contribuisce quasi al 15% della variabilità del momento angolare relativo atmosferico globale. Questo sottolinea l’importanza del QBO nel bilancio del momento angolare atmosferico.

Per concludere, per bilanciare completamente il momento angolare del QBO, è essenziale considerare il momento angolare nella regione QBO, nell’atmosfera delle aree lontane e nel nucleo solido della Terra. Il nostro studio si è focalizzato sugli scambi di momento tra la regione QBO e le aree lontane, mostrando che molti di questi scambi avvengono nella zona cuscinetto e che questi rappresentano un forte smorzamento attraverso termini orizzontali nel bilancio del momento angolare. Una volta che le anomalie di momento angolare raggiungono le aree lontane, possono essere trasferite fino alla superficie terrestre, dove sono poi cedute al nucleo solido attraverso il torque di attrito o il torque montano. Le vie percorse dalle anomalie di momento angolare del QBO dall’atmosfera delle aree lontane al nucleo terrestre rimangono largamente inesplorate e meritano ulteriori investigazioni.

Analisi della Correlazione Ritardata tra Venti QBO e Variabili del Momento Angolare

La Figura 7 illustra la correlazione ritardata tra il vento zonale uQBO, misurato all’equatore e a 30 hPa nel database MERRA-2, e diverse misure del momento angolare atmosferico e della durata del giorno (LOD).

Variabili Correlate:

• m: Indica il momento angolare totale integrato dell’atmosfera a scala globale, come riportato da MERRA-2.
• mQBO: Rappresenta il momento angolare calcolato specificamente per la regione compresa tra 20°S e 20°N e tra 10 e 100 hPa.
• m – mQBO: Mostra la differenza di momento angolare atmosferico al di fuori della regione QBO.
• LOD (Durata del Giorno): Calcolata indipendentemente dal momento angolare atmosferico, basata su misurazioni dell’orientamento terrestre.

Le correlazioni sono presentate in funzione del ritardo temporale, misurato in mesi, che varia da -20 a +20 mesi. Un ritardo di zero mesi indica una sincronia temporale tra uQBO e le altre variabili. L’asse verticale mostra il coefficiente di correlazione, che varia da -1 a +1, dove +1 indica una correlazione perfetta positiva, -1 una perfetta negativa, e 0 nessuna correlazione.

Osservazioni Principali:

• Esiste una correlazione forte a zero ritardo tra uQBO e mQBO, confermando che uQBO è un indicatore efficace del momento angolare nella regione QBO.
• La correlazione tra LOD e uQBO evidenzia come il momento angolare trasferito dalla regione QBO influenzi le misurazioni della durata del giorno derivanti dagli orientamenti terrestri.
• Le variazioni di uQBO sono meno correlate con il momento angolare fuori dalla regione QBO (m – mQBO), sottolineando l’importanza localizzata del QBO nel contesto del momento angolare atmosferico globale.

Questo grafico fornisce una visione chiara su come le variazioni nei venti zonali QBO siano interconnesse con le dinamiche globali del momento angolare e influenzino variabili geofisiche come la durata del giorno, illustrando la complessa interazione tra i fenomeni atmosferici e terrestri.

Definizione e Implicazioni della Zona Cuscinetto nel Contesto del QBO

La Figura 2a ha illustrato che una debole accelerazione guidata dalle onde contribuisce alla formazione della zona cuscinetto, ma non è sufficientemente decisiva da spiegare integralmente la sua formazione. Questa debole accelerazione potrebbe risultare in una ridotta potenza del QBO, ma potrebbe altresì essere una conseguenza di questa bassa potenza. Secondo la teoria del QBO di Holton e Lindzen (1972), la dissipazione delle onde aumenta con valori più estremi del vento, quindi un calo nella potenza del QBO potrebbe ridurre la potenza del dragaggio delle onde di gravità, innescando un ciclo di feedback positivo che potrebbe ulteriormente ridurre la potenza del QBO. Questo ciclo di feedback necessiterebbe di una diminuzione iniziale della potenza del QBO, potenzialmente causata dall’attenuazione descritta in questo documento. La portata di questo feedback positivo non può essere definitivamente determinata solo dalle analisi di rianalisi, ma merita un’indagine più approfondita.

Sebbene il momento angolare sia un tracciante dinamicamente attivo, esso potrebbe inserirsi in un paradigma di trasporto stratosferico, tradizionalmente applicato ai tracciatori chimici. La regione attiva del QBO coincide con la parte della stratosfera conosciuta come “tubo tropicale”, un’area dove le masse d’aria tendono a salire con un limitato miscelamento orizzontale (Plumb 1996). Questo isolamento dinamico è dimostrato dal “registratore di vapore acqueo stratosferico”, un fenomeno caratterizzato dall’avvezione di anomalie di vapore acqueo originarie dalla tropopausa fredda, ma osservabile anche in altri tracciatori (Mote et al. 1996). È plausibile che lo stesso isolamento dinamico che permette alle anomalie dei tracciatori di propagarsi coerentemente verso l’alto attraverso l’avvezione permetta anche alle anomalie di momento di propagarsi verso il basso tramite il meccanismo di flusso medio-onde di Lindzen e Holton (1968), evitando un miscelamento orizzontale dannoso (Dunkerton 1997). Sotto il tubo tropicale si trova lo strato della tropopausa tropicale e la zona che abbiamo identificato come zona cuscinetto, dove si verifica un intenso miscelamento orizzontale del momento angolare che attenua il QBO. In questa zona, anche altri tracciatori atmosferici subiscono un trasporto rapido e quasi isentropico (Randel et al. 2001; Fueglistaler et al. 2009).

Ritornando alla questione della definizione della zona cuscinetto, la identifichiamo come la regione dove il QBO esisterebbe in assenza di interferenze dinamiche. Idealmente, una definizione della zona cuscinetto dovrebbe basarsi su osservazioni e essere applicabile in modo oggettivo in contesti variati, come la Terra antica, gli esopianeti e gli esperimenti di laboratorio. La definizione dei limiti superiore e inferiore della zona cuscinetto incorpora criteri distinti e si basa su ipotesi specifiche relative alla dinamica del QBO.

Una definizione ottimale per il limite superiore della zona cuscinetto identificherebbe il punto in cui l’intensità del QBO è inferiore rispetto a quanto previsto dalla scalatura della densità. Questa definizione, basata su misurazioni dirette di vento e densità, è applicabile in modo oggettivo in diversi contesti scientifici. Per una definizione universalmente valida, il periodo del QBO dovrebbe essere adeguato per corrispondere al periodo rilevante in ciascun contesto, poiché il QBO potrebbe non mantenere un ciclo di 28 mesi in contesti differenti.

La determinazione del limite inferiore della zona cuscinetto, tuttavia, non può basarsi esclusivamente su osservazioni dirette. Ipotesi comuni suggeriscono che, in assenza di interferenze dinamiche, il QBO possa estendersi fino alla base di una fonte d’onda verticale profonda, coincidendo così il limite inferiore della zona cuscinetto con la base della fonte d’onda. Nel modello MERRA-2, questo confine è situato a 400 hPa, dove hanno origine le onde di gravità non orografiche che influenzano il QBO. Tuttavia, in realtà, le onde di gravità non emergono da un singolo livello, né tendono a originarsi così in basso nell’atmosfera. Studi come quelli di Alexander e Vincent (2000) indicano che le caratteristiche osservate delle onde di gravità nella stratosfera inferiore non sono coerenti con origini isotropiche nella bassa troposfera, ma piuttosto con origini vicine alla tropopausa.

Per quanto riguarda l’estensione latitudinale, la zona cuscinetto è generalmente confinata ai tropici, coprendo le latitudini in cui il QBO mostra significativa intensità nella stratosfera. Definire la zona cuscinetto come l’area in cui il QBO potrebbe esistere senza interferenze dinamiche solleva interrogativi sulla sua possibile propagazione meridionale sotto l’influenza attuale delle onde. Si discute da tempo il ruolo delle onde che si propagano lateralmente di origine temperata nel guidare il QBO. Studi come quello di Dunkerton (1983) hanno dimostrato che un modello unidimensionale alimentato da una singola onda propagante verticalmente può generare un QBO, evidenziando l’effetto delle onde planetarie che si propagano lateralmente. Il disturbo del QBO del 2015/16 ha ulteriormente sottolineato come le onde di Rossby che si propagano lateralmente possano dissiparsi nella regione del QBO. Nonostante non ci siano prove di una propagazione critica laterale nel QBO osservato, rimane incerto se tale propagazione sia preclusa dalla dinamica delle onde o se eventuali segnali propaganti lateralmente siano ostacolati da interferenze dinamiche. Le interferenze dinamiche, idealmente indipendenti dal QBO, possono complicare l’identificazione di segnali che si propagano lateralmente, dato che il QBO potrebbe influenzare la dinamica delle medie latitudini modulando la posizione della linea di vento zero.

Schema della Zona Cuscinetto e Dinamiche del QBO

La Figura 8 rappresenta uno schema dettagliato della zona cuscinetto nel contesto della Oscillazione Quasi-Biennale (QBO), evidenziando come il vento zonale medio del QBO si manifesta durante un giorno tipico. I contorni nella figura indicano le aree di taglio occidentale (segnate con “+”) e taglio orientale (segnate con “-“), che rappresentano le zone di inversione del vento da ovest verso est e viceversa.

Le dinamiche del trasporto di momento angolare sono rappresentate da diverse frecce che illustrano i movimenti chiave nel processo:

• Onde tropicali: Queste onde trasportano momento angolare verso l’alto nella regione del QBO, dando origine a anomalie nel QBO. Questo meccanismo spiega come l’attività atmosferica nei tropici contribuisca direttamente alle caratteristiche dinamiche del QBO.
• Propagazione delle anomalie del QBO: Dopo la loro formazione, le anomalie del momento angolare del QBO si spostano nella zona cuscinetto, dove avviene un ulteriore trasferimento di momento angolare verso il campo lontano.
• Interazione con la Terra solida: Il momento angolare del campo lontano, una volta ricevuto dalla zona cuscinetto, viene parzialmente trasferito alla Terra solida, mostrando come le dinamiche atmosferiche possano influenzare altri sistemi geofisici, inclusa la rotazione terrestre.

In aggiunta, il diagramma mette in evidenza la convezione troposferica situata sotto la zona cuscinetto, mostrando come il processo di miscelamento verso il basso possa portare il momento e l’energia nuovamente verso la superficie terrestre. Questo rappresenta il feedback continuo tra la dinamica atmosferica alta e quella più vicina alla superficie.

In conclusione, questa figura enfatizza l’importanza della zona cuscinetto come fulcro per la redistribuzione del momento angolare, collegando le dinamiche atmosferiche locali e globali e il loro impatto su fenomeni atmosferici e geofisici.

Conclusioni sulla Zona Cuscinetto e le Interazioni del QBO

La zona cuscinetto è identificata come la regione in cui il QBO potrebbe esistere senza interferenze dinamiche esterne. Nei modelli classici unidimensionali del QBO, l’esistenza di questa zona è garantita artificialmente attraverso l’imposizione di una condizione al contorno di vento nullo al limite inferiore.

Dall’analisi dei dati MERRA-2, abbiamo constatato che l’intensità del QBO a 100 hPa è notevolmente inferiore, di un ordine di grandezza, rispetto alla potenza del dragaggio delle onde di gravità. Questo suggerisce un effetto di cancellazione del dragaggio delle onde di gravità. L’osservazione di uno sfasamento tra il dragaggio delle onde di gravità e il vento suggerisce un forte smorzamento del QBO al di sotto dei 50 hPa. Utilizzando un approccio basato sui minimi quadrati, abbiamo determinato che lo smorzamento nella zona cuscinetto è primariamente attribuibile a tre fattori in MERRA-2: la divergenza del flusso di momento angolare dei vortici orizzontali, la divergenza del flusso di momento angolare medio orizzontale e il torque di Coriolis; e nella reanalisi ERA-Interim, è dovuto principalmente alla divergenza del flusso di momento angolare medio orizzontale.

Adottando un approccio cross-spettrale dipendente dalla frequenza, abbiamo identificato che lo smorzamento nella zona cuscinetto alle frequenze del QBO è causato principalmente dai flussi di momento angolare dei vortici orizzontali.

La zona cuscinetto funge da intermediario nel processo di scambio rilassato di momento angolare tra il QBO e il campo lontano. Il momento angolare trasferito dalla regione QBO può eventualmente raggiungere il nucleo solido della Terra, contribuendo alla correlazione osservata tra il momento angolare del QBO e le variazioni nella durata del giorno. Questo collegamento evidenzia l’interazione significativa tra fenomeni atmosferici e geofisici.

https://repository.library.noaa.gov/view/noaa/29928/noaa_29928_DS1.pdf