Analisi stratosfera: ricerca di possibili eventi di stratwarming

Indici teleconnettivi e previsioni long range

AAO (Antarctic Oscillation)	NAM (North Annular Mode)	SCAND (Scandinavia pattern)	Analisi Stratosfera
AO (Arctic Oscillation)	NAO (North Atlantic Oscillation)	SOI (Southern Oscillation)	Temp Stratosfera Polo-Nord
EA (East Atlantic)	Polar/Eurasia	SST (Sea Surface Temperature)	Temp e geopotenziali 10 hPa
EA/WR (East Atl./Western Russia)	PNA (Pacific North-America)		Temp e geopotenziali 100 hPa
MJO (Madden Julian Oscillation)	QBO (Quasi-Biennial Oscillation)		Oscillazioni intrastagionali

Indici teleconnettivi - Analisi stratosfera (individuazione eventi stratwarming)

In questa pagina sono raccolti alcuni grafici e diagrammi utili all'individuazione di possibili eventi di stratwarming, ovvero improvvise e notevoli aumenti della temperatura della stratosfera sulle regioni polari. La stratosfera è la porzione di atmosfera sovrastante la troposfera, e si estende tra circa 15 e 60 km di altitudine (vedi figura). Il fenomemo è anche noto come Sudden Stratospheric Warming (SSW). In alcuni casi le correnti occidentali svaniscono e durante il riscaldamento compaiono venti orientali.
Il riscaldamento è chiamato minor, quando la temperatura polare aumenta di oltre 25 gradi in un periodo di una settimana o meno a qualsiasi livello stratosferico. Se la temperatura media zonale aumenta verso i poli da 60 gradi di latitudine e i venti zonali medi zonali netti diventano orientali a 10 hPa (30 km) o meno, viene classificata come major. Un SSW è detto major se il riscaldamento repentino della temperatura è notevole, anche +70 °C in pochi giorni.
L'aumento della temperatura della stratosfera può avere delle ripercussioni sull'evoluzione meteorologica, in particolare nell'emisfero boreale. Lo stratwarming può dar luogo ad una rottura del vortice polare con conseguenti irruzioni di aria fredda verso le medie latitudini. Questo evento, etichettato come major, è anticipato anche da un cambio di circolazione dei venti in quota (solitamente si osserva il livello di pressione a 10 hPa, corrispondenti a circa 30 km di altitudine). Rientra sempre negli eventi major anche uno spostamento del vertice polare verso le medie latitudini, con conseguente calo termico.
Lo SSW fu scoperto nel 1952 da Scherag^[1], ma ci volle del tempo (1971) prima che il meccanismo fosse teoricamente identificato da Matsuno². Lo SSW è causato da una rapida amplificazione delle onde planetarie che si propagano verso l'alto dalla troposfera. Le onde planetarie depositano slancio verso ovest e creano una forte circolazione meridionale che produce un grande riscaldamento nella stratosfera polare a causa del riscaldamento adiabatico (ad esempio, McIntyre 1982, [3]).
Lo split del vortice polare comporta la formazione nella zona polare di una vasta area di alta pressione caratterizzata da anomalie positive delle temperature, sia in troposfera che stratosfera. Contemporaneamente i due lobi originatosi dallo split si dirigono verso sud (verso nord nell'emisfero australe) portando con sé maltempo e calo delle temperature.
Il fenomeno dello split del vortice polare ha anteceduto le più grandi irruzioni fredde osservate anche in Italia, ma non esiste una correlazione diretta tra osservazione di grandi freddi ed eventi di stratwarming. E' cioè possibile che una ondata di gelo sia causata da altri fattori. Un esempio su tutti è stato osservato nel 1956, dato che l'irruzione di aria fredda non fu preceduta da SSW.
Solitamente sono necessarie 2-3 settimane affinché il vortice polare possa ricomporsi.
[1]: Die explosionsartige Stratospharenerwarmung des Spatwinters 1951/52, Ber. Deut. Wetterdienst 38, 51-63. [2]: A dynamical model of the stratospheric sudden warming. J. Atmos. Sci., 28, 1479-1494
[3]: How well do we understand the dynamics of stratospheric warming? J. Meteor. Soc. Japan, 60, 37-65

Profilo verticale dell'atmsfera e classificazione dei primi 4 livelli.
Credits: ucsd.edu

Mappa vortice polare forte — Esempio di vortice polare forte, osservato a novembre 2013. Credits: wikipedia.org.

Mappa vortice polare debole — Esempio di vortice polare debole, osservato a gennaio 2014. Credits: wikipedia.org.

Interazione tra stratosfera e troposfera

La relazione tra la stratosfera e la troposfera è stata ampiamente dimostrata. Durante l'inverno, le onde planetarie troposferiche si propagano nella stratosfera lungo il getto occidentale. Più recentemente, si nota anche la relazione inversa che le anomalie del vento zonale medio zonale si propagano lentamente dalla stratosfera subtropicale superiore alla regione polare della stratosfera inferiore e alla troposfera durante l'inverno boreale.
È stato dimostrato che gli SSW si verificano in associazione con anomalie del vento zonale medio a propagazione lenta e i relativi cambiamenti nella troposfera mostrano la struttura simile all'Annular Mode (AO). La propagazione verso il basso dell'AO dalla stratosfera alla troposfera avviene in associazione con le SSW.

Analisi del flusso E-P

La circolazione stratosferica e quella troposferica sono collegate tra loro attraverso interazioni di flusso medio ondulatorio. Il flusso Eliassen-Palm (E-P) è ampiamente utilizzato per caratterizzare l'attività delle onde. La direzione del flusso E-P è proporzionale alla velocità di gruppo e indica la direzione di propagazione delle onde. Approssimativamente, le componenti verticale e orizzontale del flusso E-P sono proporzionali rispettivamente al calore parassita e al flusso di quantità di moto. La divergenza del flusso E-P è proporzionale al flusso verso nord della vorticità potenziale quasi geostrofica, quindi è una misura diretta della forzatura totale del flusso medio zonale da parte dei vortici. Pertanto, il flusso E-P e la sua divergenza sono importanti e utili per diagnosticare la propagazione delle onde planetarie così come l'effettiva forza zonale media indotta dalle onde.

Temperature regioni polari - Analisi e previsione

Nel seguente diagramma, basato su analisi e previsioni GFS, sono riportati valori osservati e previsti delle temperature delle regione polari (media tra 60° N e 90° N) tra 200 e 1 hPa.

Temperature polo nord analisi e previsione — Analisi e previsione temperature nelle regioni polari a diverse quote. Credits: stratobserve.com

Venti zonali 60° N - Analisi e previsione

In atmosfera libera e lontani dalle forze di attrituto della superficie terrestre, si osserva in buona approssimazione il cosiddetto vento geostrofico, ovvero un vento ideale ottenuto in condizioni stazionarie dall'equilibrio tra le sole forze di gradiente (cioè la forza che spinge l'aria tra un centro di alta pressione ed uno di bassa pressione) e quella di Coriolis (cioè la forza che nell'emisfero nord devia il moto verso destra). Il vento geostrofico ha direzione parallela alle isobare e nell'emisfero nord mantiene alla sua destra l'alta pressione.
L'intensità del vento geostrofico cresce con la latitudine e con il gradiente orizzontale di pressione e diminuisce all'aumentare della densità dell'aria.
Il vento zonale segue le linee dei paralleli, formando cerchi latitudinali, nella direzione ovest-est. Come scritto in precedenza, è stato dimostrato che gli SSW si verificano in associazione con anomalie del vento zonale medio.
Nel seguente diagramma, basato su analisi e previsioni GFS, sono riportati valori osservati e previsti delle velocità dei venti zonali a 60° N tra 200 e 1 hPa.