DEFINING SUDDEN STRATOSPHERIC WARMINGS

[Alessandro 81]

by Amy H. Butler, Dian J. Seidel, Steven C. Hardiman,
Neal Butchart, Thomas Birner, and Aaron Match

I Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi1 (SSWs) sono tra gli eventi dinamici più impressionanti nel sistema climatico fisico. Mossi dalla rottura delle onde planetarie che si propagano verso l’alto dalla troposfera, questi eventi comportano un rapido e ampio aumento della temperatura (>30-40 K in pochi giorni) nella media e alta stratosfera (30-50 km) e, nei casi più estremi, un’inversione dei venti zonali medi climatologici da ovest associati al getto polare notturno stratosferico (ad esempio, Scherhag 1952; Quiroz 1975; Labitzke 1977; Schoeberl 1978). La Figura 1 mostra i rapidi cambiamenti nella stratosfera durante questi eventi, che tipicamente si manifestano in uno dei due modi (o entrambi2): o il vortice viene completamente spostato fuori dal polo (Fig. 1a) o il vortice si divide in due vortici più piccoli (Fig. 1b; vedi anche supplemento).

Impressionanti di per sé, gli SSWs sono anche importanti perché le anomalie di temperatura e vento associate possono scendere nella troposfera su scale temporali di settimane o mesi (ad esempio, Baldwin e Dunkerton 2001), con impatti significativi sul clima di superficie dell’emisfero boreale in inverno. La risposta troposferica agli SSWs assomiglia strettamente alla fase negativa dell’Oscillazione Nord Atlantica (NAO), che comporta uno spostamento verso l’equatore della traiettoria delle tempeste dell’Atlantico settentrionale; irruzioni di aria fredda estrema in parti del Nord America, Eurasia settentrionale e Siberia; e un forte riscaldamento della Groenlandia, Canada orientale e Eurasia meridionale (ad esempio, Thompson et al. 2002). Gli SSWs di mezza inverno raramente si verificano nell’emisfero australe, principalmente a causa delle minori ampiezze delle onde planetarie (Van Loon et al. 1973), sebbene un’eccezione degna di nota si sia verificata nel settembre 2002 (Allen et al. 2003; vedi numero speciale del Journal of Atmospheric Sciences, 2005, Vol. 62, No. 3). Gli SSWs svolgono un ruolo importante nella variabilità dell’ozono artico e antartico (ad esempio, Schoeberl e Hartmann 1991), nel trasporto stratosferico e nella chimica (ad esempio, Manney et al. 2009). Gli SSWs possono anche influenzare il trasporto di CO2 troposferico e inquinanti (Jiang et al. 2013), l’estensione della teleconnessione El Niño-Oscillazione Meridionale (ENSO) nell’Eurasia (ad esempio, Ineson e Scaife 2009; Butler et al. 2014b), la variabilità decennale nella circolazione dell’Oceano Atlantico del Nord (Reichler et al. 2012), l’attività convettiva troposferica equatoriale (ad esempio, Kodera 2006), le nuvole troposferiche polari (Kohma e Sato 2014), e le dinamiche mesosferiche e la disgregazione e riformazione della stratopausa (ad esempio, Siskind et al. 2007; Manney et al. 2008).

Gli scienziati cercano di capire, monitorare e classificare gli SSWs da oltre 60 anni. Come per qualsiasi fenomeno meteorologico o climatico degno di nota (El Niño-Oscillazione Meridionale, uragani, siccità, tornado, ecc.), raggiungere un accordo nella comunità su un modo standard per definire gli eventi è un compito estremamente impegnativo, seppur utile.

Note:

1. Riscaldamento Stratosferico Improvviso e Sudden Stratospheric Warming sono stati usati indistintamente nella letteratura. Da notare, tuttavia, che Riscaldamento Stratosferico Improvviso corrisponde più strettamente all’originale tedesco Stratosphärenerwärmung (Scherhag 1952), dove stratosferico e riscaldamento diventano una parola sola. Acronimi chiari e univoci possono facilitare gli sforzi di organizzazioni come l’American Meteorological Society nel mantenere liste di acronimi e migliorare la comunicazione scientifica (Heideman 2014).
2. I vortici divisi sono anche tipicamente spostati dal polo.

Crediamo che le osservazioni migliorate e una migliore comprensione degli SSWs negli ultimi decenni rendano questo il momento ideale per rivalutare e/o chiarire la definizione standard di SSWs e il suo scopo. A tal fine, gli obiettivi chiave di questo articolo sono 1) descrivere lo sfondo storico e l’evoluzione della definizione di SSW, dimostrando la mancanza di una definizione “standard” corrente non ambigua; 2) esaminare come le differenze tra una serie di definizioni proposte possano influenzare l’interpretazione della frequenza di SSW osservata e simulata, implicando la necessità di una definizione standard per certe applicazioni; 3) sostenere che per le applicazioni statistiche che dipendono da una metrica robusta degli eventi, come i confronti tra modelli della stratosfera, è necessaria una definizione standard; e 4) descrivere gli attuali sforzi per raccogliere il contributo della comunità e suggerire possibili modi per procedere all’aggiornamento della definizione standard di SSW.

 

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STORIA DELLE DEFINIZIONI DI SSW.

Richard Scherhag osservò per la prima volta “riscaldamenti esplosivi nella stratosfera” (che egli chiamò “fenomeno di Berlino”) nelle misurazioni radiosondaggio a Berlino, Germania, nel gennaio/febbraio 1952 (Scherhag 1952, p. 53). In circa un decennio, e nell’ambito degli Anni Internazionali del Sole Quiete (IQSY) 1964-65, la Commissione per le Scienze dell’Atmosfera (CAS) dell’Organizzazione Meteorologica Mondiale (WMO) sviluppò un programma internazionale di monitoraggio SSW chiamato STRATALERT, basato su osservazioni disponibili di radiosondaggi e razzosondaggi. Il programma, guidato da Karin Labitzke presso la Freie Universität di Berlino, coinvolgeva team nei centri meteorologici di Washington D.C., Tokyo, Giappone, Berlino, e Melbourne, Australia. Un obiettivo principale era di “contribuire al coordinamento delle osservazioni normali e speciali, in particolare nell’Emisfero Settentrionale, relative alle condizioni fisiche nell’intervallo di altezza atmosferica da 20 a 90 km” (WMO/IQSY 1964, p. 7) durante un SSW, che a quel tempo era stato osservato solo poche volte. Da questi primi sforzi di monitoraggio, furono sviluppate varie definizioni per gli SSWs che apparvero nella letteratura scientifica nella seconda metà del ventesimo secolo (il programma STRATALERT continuò fino al 2004). Poiché alcuni dei riferimenti non sono facilmente disponibili e per completezza storica, includiamo una tabella dettagliata dei principali riferimenti che definiscono gli SSWs nel supplemento elettronico a questo articolo (http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00173.2; vedi Tabella ES1). Come evidente da questi riferimenti, le definizioni per gli SSWs sono cambiate nel tempo. Una definizione iniziale per i principali SSWs basata su cambiamenti di temperatura (WMO/IQSY 1964) è evoluta in una che utilizza l’inversione della circolazione del vento zonale medio stratosferico, concetti di base dei quali sono persistiti in qualche forma dalla fine degli anni ’70. L’attrattiva di una definizione basata sulla circolazione zonale ha origine nei lavori di Charney e Drazin (1961), Matsuno (1971), e altri (O’Neill e Taylor 1979; Palmer 1981), che hanno dimostrato che le onde stazionarie a scala planetaria non possono propagarsi in un flusso di vento da est. Pertanto, a seguito di un importante SSW in cui i venti stratosferici si invertono dal flusso medio climatologico da ovest a est, le onde non possono più propagarsi verso l’alto al di sopra del livello dell’inversione e quindi si rompono a livelli sempre più bassi nella stratosfera, invertendo il vento dallo strato superiore della stratosfera allo strato inferiore. L’inversione della circolazione zonale è quindi una caratteristica fondamentale dei principali SSWs e delle loro dinamiche associate. Poiché STRATALERT è stato organizzato sotto la WMO CAS, abbiamo cercato in tutti i rapporti delle riunioni di queste commissioni, e della WMO Executive, che ha adottato le seguenti definizioni: 1. Un riscaldamento stratosferico viene chiamato minore se viene osservato un significativo aumento della temperatura (cioè, almeno 25 gradi in un periodo di una settimana o meno) a qualsiasi livello stratosferico in qualsiasi area dell’emisfero invernale, misurato da dati di radiosondaggio o razzosondaggio e/o indicato da dati satellitari; e se non sono soddisfatti i criteri per i riscaldamenti maggiori. Riscaldamenti meno estremi saranno denominati impulsi di riscaldamento. 2.

Un riscaldamento stratosferico può essere considerato maggiore se a 10 mb o al di sotto, la temperatura media in latitudine aumenta in direzione del polo a partire dalla latitudine di 60 gradi e si verifica un’inversione della circolazione associata. Tuttavia, un rapporto WMO CAS (WMO CAS 1978, p. 36, articolo 9.4.4) pubblicato due mesi dopo, pur affermando la stessa definizione per i SSW minori, afferma: “I riscaldamenti ‘maggiori’ si verificano con un aumento della temperatura di almeno 30 gradi in una settimana o meno a 10 mb o al di sotto, o di almeno 40 gradi sopra 10 mb”. Non vengono menzionati criteri riguardanti l’inversione della circolazione in questo rapporto WMO CAS.

 

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Queste discrepanze tra due pubblicazioni ravvicinate sono emblematiche delle variazioni nelle definizioni di SSW che sono diffuse nella letteratura negli ultimi tre decenni. Sebbene la diagnostica dell’inversione del vento zonale (ad es., McInturff 1978) sia stata la base dominante per la definizione di SSW maggiori negli ultimi decenni, l’applicazione della definizione di SSW varia notevolmente. Alcune di queste interpretazioni includono: l’uso solo del livello a 10 hPa (molto comune; i dati a pressioni inferiori a 10 hPa sono raramente utilizzati); l’uso di venti zonali medi in latitudine a una singola latitudine (60° o 65° di latitudine; ad es., Labitzke e Naujokat 2000) piuttosto che venti zonali a nord del 60°; l’uso di venti zonali medi nell’area del polo nord del 60° di latitudine (contro il requisito più rigoroso che i venti zonali medi si invertano a ogni latitudine a nord del 60°); e valutare i riscaldamenti minori non in base a una tendenza della temperatura ma piuttosto come quei riscaldamenti che non invertono la circolazione (ad es., Andrews et al. 1987). Questa storia evolutiva suggerisce che una vera definizione standard di SSW è al massimo ambigua e al peggio inesistente.

Classificazioni aggiuntive di riscaldamento (oltre a minori e maggiori) appaiono anche nella letteratura (ad es., Labitzke 1981; Meriwether e Gerrard 2004). Queste includono i riscaldamenti canadesi (riscaldamenti di inizio inverno contrassegnati da uno spostamento verso est dell’alta pressione delle Aleutine) e riscaldamenti finali (riscaldamenti forzati dinamicamente e improvvisi in entrambi gli emisferi, dopo i quali il vortice ciclonico invernale non si riprende). Ma diversi studi implementano queste classificazioni in modi diversi. Ad esempio, alcuni studi (ad es., Charlton e Polvani 2007) classificano i riscaldamenti canadesi come riscaldamenti maggiori se si verifica un’inversione della circolazione, mentre Labitzke (1977) sostiene il contrario basandosi su differenze nello sviluppo sinottico.

La determinazione dei riscaldamenti finali varia anche. Alcuni studi (ad es. CP07; Bancalá et al. 2012) considerano alcuni eventi di marzo come eventi di metà inverno piuttosto che come riscaldamenti finali se il vortice torna a uno stato occidentale o a una certa ampiezza per un certo numero di giorni prima della fine dell’inverno. Sia i riscaldamenti di metà inverno che quelli finali hanno importanti (e spesso simili) influenze sull’atmosfera. La frequenza dei principali SSW di metà inverno è una metrica importante della variabilità invernale della stratosfera polare (i riscaldamenti finali si verificano ogni inverno, quindi non contribuiscono alla frequenza totale). Il tempismo stagionale dei riscaldamenti finali ogni inverno è anche una metrica importante della variabilità stratosferica interannuale. Ciò che costituisce “metà inverno” e come determinare quali riscaldamenti siano finali sono aspetti delle definizioni attuali che rimangono imprecisi.

Nuove diagnostiche per caratterizzare gli SSW (inclusi riscaldamenti minori, maggiori e finali) sono state proposte a seguito di avanzamenti tecnologici ed esigenze scientifiche. La Freie Universität Berlin ha prodotto mappe stratosferiche giornaliere continue dagli anni ’50 per le attività STRATALERT basate in gran parte su misurazioni di radiosondaggi, che sono uniche perché, a differenza delle rianalisi, non presentano salti o irregolarità dovuti ad aggiornamenti del modello, diversi flussi o effetti di limite superiore (Labitzke et al. 2002; Labitzke e Kunze 2005). Come altre analisi sinottiche tradizionali, queste contengono un certo grado di soggettività. Osservazioni più complete dai satelliti e migliori simulazioni del modello stratosferico (ad es., Rind et al. 1988; Manzini e Bengtsson 1996; Erlebach et al. 1996; Charlton et al. 2007) hanno portato a una migliore comprensione degli SSW e dei loro impatti. Le diagnostiche, molte delle quali sono alla base di varie definizioni di SSW, includono le seguenti:

 

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Venti zonali medi in latitudine a 10 hPa e 60° di latitudine (Christiansen 2001; CP07)

• Inversione del gradiente di temperatura zonale media meridionale a nord della latitudine di 60°, solitamente utilizzata in combinazione con un’inversione dei venti zonali medi in latitudine a o a nord della latitudine di 60° (ad es., Labitzke 1981; Ayarzagüena et al. 2013)

• Funzioni ortogonali empiriche (EOF) di a) dati a griglia di livello di pressione di anomalie di altezza geopotenziale (Baldwin e Dunkerton 2001; Baldwin 2001) o anomalie del vento zonale (Limpasuvan et al. 2004); b) anomalie dell’altezza geopotenziale media in latitudine (Baldwin e Thompson 2009; Gerber et al. 2010); e c) profili verticali di temperatura media della calotta polare (Kuroda e Kodera 2004; Hitchcock e Shepherd 2013; Hitchcock et al. 2013)

• Anomalie dell’altezza geopotenziale media nella calotta polare a 10 hPa (ad es., Thompson et al. 2002) • Tendenza dell’indice della modalità annulare settentrionale a 10 hPa (Martineau e Son 2013), temperatura della calotta polare (Nakagawa e Yamazaki 2006), o il vento zonale medio in latitudine a 10 hPa vicino a 60°N (Birner e Albers 2015) • Tecnica di raggruppamento k-means (Coughlin e Gray 2009)

• Geometria del vortice, inclusi momenti del vortice (Waugh e Randel 1999; Matthewman et al. 2009; Hannachi et al. 2011; Mitchell et al. 2011, 2013; Seviour et al. 2013) • Numero d’onda del vortice disturbato (Johnson et al. 1969; O’Neill e Taylor 1979)

• Approccio di apprendimento supervisionato / reti neurali (Blume et al. 2012)

Ogni diagnostica ha caratteristiche uniche; ad esempio, le EOF delle anomalie dell’altezza stratosferica possono essere più fortemente accoppiate alla troposfera rispetto ai venti zonali medi in latitudine (Baldwin e Thompson 2009), e le diagnostiche del momento del vortice sono più fisicamente legate alla dinamica della vorticità potenziale. Le diagnostiche che catturano l’accoppiamento stratosfera-troposfera sono interessanti dal punto di vista della comprensione fisica e degli eventuali impatti sociali, così come quelle che forniscono una semplice metrica dell’occorrenza degli SSW per il confronto e la validazione dei modelli climatici.

Una delle definizioni degli SSW più comunemente utilizzate (relative ai principali SSW di metà inverno) nella letteratura recente si basa sulla diagnostica del vento zonale medio in latitudine a 60° di latitudine e 10 hPa ed è descritta in dettaglio da CP07. La definizione CP07 è probabilmente popolare a causa della sua semplicità (una variabile a una latitudine e livello di pressione) e perché include linee guida dettagliate riguardanti a) la separazione di eventi ravvicinati nel tempo (cioè, se il vento zonale medio in latitudine si inverte due volte in un breve periodo di tempo, questi eventi sono considerati separati e indipendenti?), b) esclusione dei riscaldamenti finali, e c) identificazione di eventi di tipo split. Negli ultimi anni, questa definizione è stata comunemente (ma erroneamente) citata come “la definizione WMO”. Tuttavia, manca il requisito di inversione del gradiente di temperatura meridionale e la considerazione dei venti zonali a nord della latitudine di 60° nella definizione di McInturff (1978). Inoltre, la definizione CP07 distingue chiaramente tra riscaldamenti di fine inverno e riscaldamenti finali, richiedendo che i venti zonali medi in latitudine ritornino da ovest per almeno 10 giorni prima del 30 aprile per essere classificati come un evento di metà inverno. Come dimostrato nella sezione successiva, queste distinzioni sono importanti.

Tabella 1. Nove definizioni di SSW utilizzate in questo documento, i dettagli dei loro calcoli e il numero medio di SSW maggiori per anno per ciascuna definizione utilizzando 57 inverni in NCEP-NCAR (NNR; Gen 1958 – Apr 2014) e ERA-40 (Gen 1958 – Mar 1989)/ERA-Interim (Mar 1989 – Apr 2014). Le abbreviazioni per ciascuna definizione sono utilizzate nelle Figure 2 e 5b.

 

[Alessandro 81]

Fig. 1. (a) Un evento di Riscaldamento Stratosferico Improvviso (SSW) di tipo spostamento il 21 gennaio 2006 e (b) un evento SSW di tipo scissione il 24 gennaio 2009, per la media di (a sinistra) 8-15 giorni prima dell’evento, (al centro) 7 giorni prima dell’evento, e (a destra) 1-8 giorni dopo l’evento. Le anomalie di temperatura di ERA-Interim (basate sulla climatologia 1979-2012) a 10 hPa (K) sono in ombra. La linea nera continua indica il contorno di 7-PVU (1 unità di vorticita potenziale = 10^-6 K kg^-1 m^2 s^-1) a 10 hPa e indica la forma del vortice polare. Le frecce indicano i campi di vento zonale e meridionale completi a 10 hPa (le frecce con una componente zonale da ovest sono nere; le frecce con una componente zonale da est sono blu). La linea di latitudine 60°N è tratteggiata. Un filmato completo di questi eventi può essere trovato online (http://dx.doi.org/10.1175/BAMS-D-13-00173.2).

Fig. 2. Serie temporali (utilizzando la rianalisi NCEP-NCAR dal 1958 al 2014) dei principali SSW di metà inverno come definiti utilizzando sette diverse definizioni (descritte nella Tabella 1): (a) venti zonali medi in latitudine a 60°N e 10 hPa, e un’inversione del gradiente di temperatura; (b) venti zonali medi in latitudine a 60°N e 10 hPa, seguendo le linee guida di CP07; (c) come in (a), ma solo per dicembre-febbraio; (d) venti zonali medi in latitudine a 65°N e 10 hPa; (e) venti zonali medi in latitudine a 10 hPa e mediati da 60° a 90°N; (f) diagnostica del momento del vortice; (g) anomalie di altezza geopotenziale (Z) mediate da 60° a 90°N a 10 hPa, superando le tre deviazioni standard della media di gennaio-marzo (JFM); e (h) il primo EOF delle anomalie di vento zonale da 20° a 90°N e 50 hPa. Le abbreviazioni corrispondono a quelle nella Tabella 1. Il numero medio di SSW per inverno è dato nell’angolo in alto a destra di ogni pannello (i valori corrispondenti per ERA-40/ERA-Interim sono dati nella Tabella 1).

 

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SENSIBILITÀ DELLA CLASSIFICAZIONE DEGLI SSW ALLA DEFINIZIONE.

Se l’identificazione dei principali SSW di metà inverno non fosse sensibile alla definizione, le differenze nella letteratura sarebbero irrilevanti. Ma questo non è il caso a causa della natura altamente variabile degli eventi SSW e della dinamica stratosferica invernale. La Figura 2 mostra il numero di SSW principali per anno per sette diverse definizioni descritte nella Tabella 1, applicate alla rianalisi dei National Centers for Environmental Prediction – National Center for Atmospheric Research (NCEP-NCAR) (Kalnay et al. 1996) dal 1958 al 2014 (la Fig. 2c è la stessa della Fig. 2a, ma solo per gli eventi di dicembre-febbraio). Il numero medio di SSW principali per inverno in questo periodo di 57 anni varia da 0,46 a 0,81 per inverno tra le sette definizioni, e le date degli SSW principali per ogni definizione differiscono notevolmente (vedi anche Tabella ES2). Infatti, dei 26-46 SSW identificati in ogni definizione, solo 13 SSW sono identificati da tutte e sette le definizioni utilizzando i dati di rianalisi NCEP-NCAR. Utilizzando diverse rianalisi (o venti ogni sei ore piuttosto che venti medi giornalieri, o dati su una griglia orizzontale più grossolana) si ottengono risultati leggermente diversi. Le Tabelle 1 ed ES2 confrontano il numero di SSW principali per inverno nelle rianalisi NCEP-NCAR e nel 40-yr European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ReAnalysis (ERA-40) (Uppala et al. 2005)/ERA-Interim (Dee et al. 2011) dal 1958 al 2014 e dimostrano che certe definizioni sono più sensibili alle differenze tra i prodotti di rianalisi di altre.

Alcune definizioni mostrano una variabilità decennale più evidente di altre. Ad esempio, le definizioni basate sui venti zonali medi zonali a 60°N non registrano riscaldamenti significativi durante la maggior parte degli anni ’90, quando altre definizioni, tra cui una basata sull’inversione del vento zonale medio zonale a 65°N, mostrano da due a cinque SSW principali in quel decennio (Fig. 2). Perché esistono queste differenze – tra le definizioni e nel tempo? Un fattore che contribuisce potrebbe essere i cambiamenti nelle osservazioni assimilate nelle rianalisi. Le definizioni basate su una latitudine o regione potrebbero essere più sensibili a ciò rispetto alle definizioni basate su domini più ampi. Questa spiegazione sembra possibile alla luce dei cambiamenti nella rete di radiosondaggi dell’emisfero settentrionale (Fig. 3). Il numero di stazioni di radiosondaggio che riferiscono regolarmente nella regione 50°-90°N è aumentato dagli anni ’60 agli anni ’80, ma poi è diminuito drasticamente negli anni ’90 in associazione con il collasso dell’Unione delle Repubbliche Socialiste Sovietiche (URSS; ~45°-135°E) e parti delle sue reti meteorologiche. Il momento della riduzione maggiore delle osservazioni dei radiosondaggi da 55° a 65°N (che è particolarmente degno di nota nella regione dell’ex URSS; non mostrato) coincide approssimativamente con il periodo in cui pochi SSW principali vengono rilevati utilizzando l’inversione del vento zonale medio zonale a 60°N. Riteniamo degno di nota che la definizione più dipendente da questa particolare latitudine rilevi il minor numero di SSW principali durante un decennio che ha registrato la maggiore perdita di misurazioni lì.

È possibile argomentare che l’assimilazione dei dati satellitari nei prodotti di rianalisi utilizzati per calcolare gli eventi SSW qui dovrebbe in qualche modo mitigare le inomogeneità di campionamento nelle osservazioni dei radiosondaggi. Inoltre, gli eventi principali di SSW vengono ancora rilevati nei primi anni 2000 nonostante il numero ridotto di stazioni di radiosondaggio. Si sa che la metà degli anni ’90 sono stati anni particolarmente freddi nella stratosfera artica (ad es., Pawson e Naujokat 1999), il che contrasta con l’invocazione di problemi di campionamento per spiegare la mancanza di SSW rilevati negli anni ’90. D’altra parte, il fatto che la diagnostica del vento zonale medio zonale a 65°N piuttosto che a 60°N rilevi SSW principali negli anni ’90 suggerisce una sensibilità a questa particolare latitudine. Questo pone la domanda: il 60° di latitudine è una scelta ragionevole per definire gli SSW, soprattutto ora che sono disponibili misurazioni satellitari quasi globali? Questa latitudine rappresenta qualche caratteristica fisica chiave della circolazione stratosferica? O ha senso scegliere una latitudine più vicina al polo, fare una media su una regione di latitudine più ampia, o (più rigorosamente) richiedere un’inversione dei venti zonali ovunque a nord di una particolare latitudine? La Figura 4a mostra la dipendenza della frequenza dei principali SSW sulla latitudine dell’inversione di circolazione.

 

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Quando i principali SSW vengono diagnosticati utilizzando l’inversione dei venti zonali medi zonali a una sola latitudine (inversione locale, linea blu), il numero di SSW principali (1979-2012) si minimizza se tale latitudine è tra 50° e 60°N. Per capire questo risultato, consideriamo anche il numero di SSW principali che si verificano se invece i venti zonali ovunque a nord di una particolare latitudine devono anche invertire direzione (inversioni coerenti, linea rossa). A nord del 60°N, i requisiti di inversione locale e coerente producono un numero quasi identico di SSW; ovunque in questa regione, se il vento si inverte da ovest a est a una latitudine, è anche quasi certo che il vento si stia invertendo ovunque a nord di quella latitudine. A sud del 60°N, tuttavia, il numero di inversioni coerenti continua a diminuire mentre il numero di inversioni locali aumenta. Questa biforcazione può essere spiegata notando che queste latitudini segnano la zona di surf (McIntyre e Palmer 1984), dove le onde in rottura possono provocare inversioni locali nella circolazione stratosferica, che non sono associate alla dinamica coerente del vortice polare. Così, il 60°N è vicino al bordo medio del vortice polare coerente.

Un aspetto più sottile delle definizioni basate su diagnosi di vento zonale medio zonale influisce anche sull’identificazione degli SSW. Se si interpreta la definizione di McInturff (1978), ad esempio, come che i venti zonali medi zonali ovunque a nord del 60°N devono invertirsi coerentemente da ovest a est, allora la Fig. 4a suggerisce che l’uso solo del 60°N produrrà essenzialmente gli stessi eventi. D’altra parte, se si interpreta questa definizione come che i venti zonali medi zonali mediati da 60° a 90°N devono invertirsi (linea tratteggiata nera), allora verranno rilevati circa il 30% di eventi in più rispetto all’uso solo del 60°N (o inversioni coerenti da 60°N). Definire le inversioni vicino al 65°N piuttosto che al 60°N riduce quella differenza a circa il 10%, minimizzando così l’effetto della diversa interpretazione.

La stratosfera sperimenta variazioni a bassa frequenza su scale temporali interannuali e decennali, così come tendenze a lungo termine, a causa sia della variabilità naturale come il ciclo solare (ad es., Labitzke et al. 2006) che del cambiamento antropogenico (ad es., Butchart et al. 2000; Scaife et al. 2005). È quindi possibile che il bordo del vortice polare vari, così che durante alcuni anni o decenni il 60°N possa trovarsi all’interno della zona di surf e quindi non essere un luogo adatto per valutare gli SSW. Utilizzando simulazioni climatiche storiche (1860-2005) e future [2006-99; percorso di concentrazione rappresentativo 8.5 (RCP8.5)] dal modello Hadley Centre Global Environment Model, versione 2 – Carbon Cycle Stratosphere (HadGEM2-CCS) (Hardiman et al. 2012; Osprey et al. 2013), consideriamo la frequenza di SSW principali utilizzando la definizione di inversione del vento zonale medio zonale a una particolare latitudine (Fig. 5a). Troviamo che a) nella simulazione storica, la separazione tra la zona di surf e la zona di vortice coerente assomiglia alle osservazioni (Fig. 4a); e b) nella simulazione futura, la frequenza dei principali SSW rilevati utilizzando l’inversione del vento zonale a una particolare latitudine aumenta a ogni latitudine a nord di circa 55°N, e c’è uno spostamento leggero verso l’equatore nella regione che sperimenta un minimo di inversioni tra le zone di surf e coerenti. In altre parole, mentre storicamente il 60°N è al bordo del vortice polare, questa simulazione del modello suggerisce che il 60°N sarà ben all’interno del vortice coerente in un clima futuro.

La classificazione SSW è anche sensibile alla soglia utilizzata per determinare un evento estremo. In alcuni casi, come nelle definizioni basate su EOF, la soglia (solitamente due o tre deviazioni standard) non è dinamica ma statistica. Per le definizioni basate sull’inversione del vento zonale, la soglia è la velocità a cui i venti zonali devono decelerare. Da una prospettiva dinamica, una soglia accattivante rappresenta la velocità del vento al di sotto della quale le onde non possono propagarsi, portando alla rottura delle onde e alla discesa delle anomalie della circolazione. Nella teoria delle onde planetarie lineari (Charney e Drazin 1961) e nella teoria degli strati critici (Matsuno 1971), le onde planetarie stazionarie (cioè, onde con velocità di fase zero) non possono propagarsi nei venti orientali, e l’attuale soglia di 0 m/s sembra una scelta ovvia. Una domanda da considerare, in particolare per studi sugli impatti o accoppiamento stratosfera-troposfera, è se gli impatti dinamici successivi a una decelerazione del vento a 1-5 m/s (o qualche altro valore diverso da zero, cioè, riscaldamenti minori) siano sostanzialmente equivalenti agli impatti di un’inversione completa del vento. La Figura 4b suggerisce anche che la frequenza delle principali SSW non è (forse sorprendentemente) molto sensibile alla soglia critica (per valori di soglia tra 0 e 10 m/s). Tuttavia, per una definizione standard, che di per sé richiede alcuni criteri di soglia, la soglia di 0 m/s sembra giustificabile sulla base di argomenti dinamici.

Infine, alcune definizioni di SSW possono essere sensibili ai cambiamenti nella climatologia di fondo della stratosfera polare invernale. In Fig. 5b, prendiamo in considerazione il numero medio di SSW maggiori per anno, utilizzando sette diverse definizioni della Tabella 1, per simulazioni climatiche storiche e future del modello HadGEM2-CCS. Mentre la definizione che utilizza il vento zonale medio zonale a 60°N (CP07), o i venti medi nella calotta polare (U6090), mostra un aumento significativo (al livello di confidenza del 90%) delle SSW maggiori in futuro, altre definizioni come quelle che utilizzano diagnostica basata su EOF mostrano cambiamenti insignificanti. Questo risultato è in accordo con altri studi di modellazione (McLandress e Shepherd 2009; Bell et al. 2010) che indicano una frequenza maggiore di SSW maggiori nel clima futuro utilizzando i criteri di inversione del vento zonale medio, sebbene questo risultato sembri dipendere dal modello (Mitchell et al. 2012; Ayarzagüena et al. 2013). McLandress e Shepherd (2009) notano anche che l’aumento della frequenza di SSW maggiori si verifica solo per definizioni basate su diagnostica del vento zonale ma non per definizioni basate su anomalie rispetto alla climatologia contemporanea. Essi sostengono che i venti occidentali climatologici più deboli nella stratosfera polare invernale consentono alle variazioni del vento zonale di scendere al di sotto della soglia critica di 0 m/s più facilmente, quindi l’aumento della frequenza di SSW maggiori per quelle definizioni potrebbe essere almeno parzialmente dovuto a cambiamenti nello stato climatologico piuttosto che a cambiamenti nella variabilità stratosferica polare invernale.

Due prospettive sono prevalenti riguardo l’effetto dei cambiamenti nella climatologia sulla definizione di SSW (ad es. Mitchell et al. 2012). Un punto di vista sostiene che utilizzare il cambio di segno assoluto dei venti stratosferici come misura della frequenza di SSW maggiori può essere interpretato come un cambiamento nella variabilità stratosferica, ma che potrebbe effettivamente riflettere solo cambiamenti nello stato climatologico del vortice; pertanto, i cambiamenti a lungo termine nella climatologia devono essere considerati (un esempio analogo è l’adattamento da parte della National Oceanic and Atmospheric Administration della definizione ENSO per aggiornare le climatologie della temperatura della superficie del mare, per tenere conto del riscaldamento che potrebbe erroneamente suggerire che gli eventi El Niño caldi stiano aumentando; L’Heureux et al. 2013). Il punto di vista alternativo è che, anche se si verificano più SSW maggiori solo perché le soglie sono più facili da raggiungere in una climatologia occidentale più debole, la circolazione zonale stratosferica si sta comunque invertendo, il che ha reali implicazioni dinamiche a seguito degli eventi.

Questa questione di uno stato di fondo variabile può essere rilevante anche su scale temporali interannuali e decennali più brevi. Ad esempio, il vortice polare stratosferico dell’emisfero settentrionale è stato particolarmente forte durante gli anni ’90 (Shindell et al. 1999; Pawson e Naujokat 1999; Manney et al. 2005). Sebbene sia possibile che i venti del vortice polare fossero più forti perché c’erano meno SSW, è anche concepibile che le definizioni di SSW basate sulla diagnostica del vento zonale, in particolare a una singola latitudine come 60°N, potrebbero essere state meno propense a raggiungere il valore di soglia di 0 m/s durante un periodo prolungato di flusso occidentale più forte del normale (in particolare perché altre definizioni di SSW rilevano eventi importanti durante questo decennio; Fig. 2). Un altro esempio potrebbero essere studi di modellazione che riscontrano meno SSW maggiori in modelli con un vortice polare climatologico eccessivamente forte utilizzando la diagnostica del vento zonale medio zonale (Charlton et al. 2007).

Abbiamo dimostrato che l’identificazione delle principali SSW può essere piuttosto sensibile alla definizione utilizzata e alla sua interpretazione e implementazione. Oltre alla latitudine e alla soglia della velocità del vento, i risultati sono anche sensibili al livello di pressione (altitudine) considerato, alla climatologia scelta per le definizioni che coinvolgono anomalie, e allo stato medio climatologico della stessa stratosfera e alla sua variabilità a bassa frequenza.

 

[Alessandro 81]

Fig. 3. (in alto) Il numero di stazioni di radiosondaggio che riportano più di 300 sondaggi all’anno in diverse fasce di latitudine, dal 1958 al 2010. Le barre rosse indicano l’occorrenza delle SSW (dalla Fig. 2b, metodo CP07). (in basso) Il numero di stazioni che riportano nella fascia di latitudine 55°-65°N in funzione del quadrante di longitudine (centrato sulla data longitudine).

Fig. 4. (a) Il numero di SSW (durante 1979-2012, in ERA-Interim) in funzione della latitudine dove il vento zonale si inverte da ovest a est (soglia critica 0 m s-1). (b) Il numero di SSW in funzione della soglia critica (cioè, la velocità del vento sotto la quale si considera che si verifichi un riscaldamento), per il vento zonale a 60°N. Gli eventi “locali” (blu) si verificano quando i venti zonali a una particolare latitudine scendono al di sotto della soglia critica. Le inversioni “coerenti” (rosse) si verificano quando i venti zonali a tutte le latitudini a nord della latitudine data scendono anche al di sotto della soglia critica entro 20 giorni. Le inversioni “medie” (linea tratteggiata nera) si verificano quando i venti zonali mediati da una particolare latitudine a 90°N scendono al di sotto della soglia critica. Nota: qui non si applica alcun criterio di gradiente di temperatura, si utilizzano i venti zonali di Nov-Mar, e si seguono i criteri CP07 per la separazione degli eventi e la determinazione dei riscaldamenti finali.

Fig. 5. (a) Numero medio di SSW all’anno utilizzando la definizione del vento zonale CP07 (inversioni locali) valutata a diverse latitudini, per la simulazione storica (1860-2005, verde) e la simulazione del cambiamento climatico (2006-99, viola) in HadGEM2-CCS. (b) Numero medio di SSW all’anno per sette diverse definizioni (descritte nella Tabella 1), per le simulazioni storiche e del cambiamento climatico.

 

[Alessandro 81]

RACCOMANDAZIONI E OPPORTUNITÀ.

È necessaria una definizione “standard” di SSW? L’analisi sopra suggerisce che sarebbe impossibile trovare una singola definizione che possa servire per ogni scopo o descrivere perfettamente ogni evento. Crediamo che lo scopo principale di una definizione standard di SSW dovrebbe essere caratterizzare la variabilità invernale stratosferica polare; esaminare altri aspetti, come l’accoppiamento stratosfera-troposfera di questi eventi, richiede presumibilmente diverse diagnostiche. Alcune applicazioni, come la previsione delle SSW, potrebbero trarre beneficio da una definizione standard per garantire coerenza tra i centri operativi internazionali, ma richiedono anche un’ulteriore diagnosi dettagliata per ogni evento.

Una definizione standard è utile principalmente per applicazioni statistiche, come la valutazione solida e il confronto tra le frequenze delle principali SSW nei set di dati osservativi e nelle simulazioni climatiche storiche/future, e tra diverse generazioni di modelli. Ad esempio, la Fig. 5b mostra le grandi differenze nelle frequenze delle SSW per diverse definizioni quando applicate a simulazioni climatiche storiche e future. Una definizione standard permette coerenza tra studi osservativi e di modellazione. Senza coerenza, è difficile valutare quali modelli rappresentino in modo ragionevole la variabilità stratosferica polare invernale. Altre analisi che dipendono dalla frequenza (cioè, statistiche) delle principali SSW dovrebbero anche utilizzare una definizione standard per coerenza. Va notato che, mentre una definizione standard dovrebbe essere in grado di rilevare la stragrande maggioranza delle principali SSW, potrebbero essere necessarie diagnostiche più dettagliate per determinare un insieme completo di SSW storiche.

Se la comunità concorda sul fatto che una definizione standard sia utile e che lo scopo della definizione standard sia caratterizzare la variabilità stratosferica invernale, il passo successivo è considerare i dettagli della definizione. Quali qualità sono desiderabili in una definizione standard? La nostra analisi suggerisce queste tre caratteristiche:

• Semplicità: Facilmente calcolabile e applicabile a rianalisi e output di modelli, sia retrospettivamente che in tempo reale (operativamente) • Pertinenza: Serve principalmente come una metrica della variabilità stratosferica polare, piuttosto che una metrica dei fenomeni associati come l’accoppiamento stratosfera-troposfera • Robustezza: Non altamente sensibile ai dettagli, come una latitudine esatta, soglia di climatologia di fondo, velocità del vento, estensione spaziale o livello di pressione

Sono passati oltre 35 anni da quando la WMO ha proposto una definizione di SSW, durante i quali sono state osservate molte più SSW. Suggeriamo che sia giunto il momento di apportare miglioramenti e aggiornamenti. Manca un chiaro riferimento per la definizione originale della WMO e il modo in cui la definizione dovrebbe essere applicata è vago, risultando in diverse interpretazioni e identificazione e classificazione non coerenti delle SSW. Crediamo che una nuova definizione dovrebbe includere, al minimo, linee guida per determinare a) l’indipendenza di eventi ravvicinati nel tempo; b) la classificazione di eventi di tipo split rispetto a quelli di tipo displacement; e c) distinzioni precise tra SSW maggiori, minori, finali e canadesi.

Oltre a queste nuove linee guida, proponiamo diverse opzioni come punto di partenza per aggiornare la definizione di SSW.

1. Tra le definizioni esaminate qui, la definizione CP07 fornisce una solida base per una definizione delle principali SSW grazie alla sua semplicità e rilevanza. Tuttavia, manca di robustezza. Utilizzare una media latitudinale dei venti zonali piuttosto che una particolare latitudine, o utilizzare 65°N invece di 60°N, potrebbe ridurre la sensibilità alle variazioni nel bordo del vortice.
2. La definizione di McInturff (1978), che include il criterio del gradiente di temperatura, potrebbe essere chiarita e migliorata per affrontare le attuali ambiguità (ad es., quanto devono essere ravvicinati nel tempo il cambiamento del gradiente di temperatura e il rovesciamento dei venti zonali per le principali SSW? In quali mesi? Come separiamo eventi ravvicinati nel tempo?). Un vantaggio di questa tecnica è che questa definizione ha una solida base storica e familiarità; uno svantaggio è che sono necessari più dati (sia temperatura che vento zonale), il che può essere computazionalmente oneroso quando si considerano grandi confronti tra modelli.
3. Si potrebbe anche considerare lo sviluppo di un nuovo tipo di indice stratosferico, lungo il quale potrebbe essere definito un continuum di eventi stratosferici, inclusi i riscaldamenti minori e l’intensificazione del vortice polare (Limpasuvan et al. 2005). Sarebbero necessarie ricerche per sviluppare un tale indice, ma potrebbe consentire all’utente di scegliere la soglia alla quale si verificano eventi estremi in un’analisi particolare, e potrebbe avere una più ampia applicazione. Tuttavia, in questo caso, sosteniamo che sarebbe utile avere una “soglia standard” per le principali SSW o per gli eventi di intensificazione del vortice per garantire una metrica coerente della variabilità stratosferica polare.
4. Riteniamo anche che sia utile e tempestivo riflettere sul nome “riscaldamento stratosferico improvviso” e se questa terminologia sia la più utile alla luce del fatto che le principali SSW sono ora identificate principalmente sulla base di un’inversione della circolazione, piuttosto che su una qualche misura non specificata di un aumento improvviso della temperatura. Sebbene il contesto storico (le SSW sono state osservate per la prima volta nei dati sulla temperatura; ad es. Scherhag 1952) e la necessità di continuità siano ragioni importanti e valide per mantenere il termine “riscaldamento stratosferico improvviso”, si dovrebbe considerare un termine che si concentri sulla circolazione piuttosto che sul cambiamento della temperatura e che quindi rifletta in modo più accurato al pubblico ciò che viene definito.

Sotto l’egida del progetto principale del World Climate Research Programme sulle Processi Stratosfera-Troposfera e il loro Ruolo nel Clima (SPARC), sono in corso sforzi per raccogliere idee dalla comunità e sviluppare un consenso su una definizione standard di SSW aggiornata. Un incontro iniziale si è tenuto durante l’Assemblea Generale SPARC a Queenstown, Nuova Zelanda, nel gennaio 2014 per discutere una timeline e un processo per raccogliere contributi (Butler et al. 2014a). Tre ulteriori discussioni pubbliche si sono tenute nel 2015 (al Meeting Annuale della American Meteorological Society, all’Assemblea Generale della European Geophysical Union, e al Meeting Annuale della Asia Oceania Geosciences Society) per raccogliere feedback dalla comunità. I contributi da questi forum saranno raccolti in una raccomandazione per una definizione standard aggiornata, da finalizzare al meeting SPARC Dynamic Variability (DynVar) nel giugno 2016, prima di sottoporre le raccomandazioni alla WMO. Chiunque sia interessato può unirsi alla mailing list LISTSERV (visita https://sites.google.com/site/stratosphericwarmings/ e segui i link ivi presenti). Le idee sono benvenute da chiunque possa utilizzare la definizione di SSW per scopi di ricerca e operativi.

Le sfide nella comprensione della definizione di SSW e della sua storia, applicazioni e interpretazioni non sono uniche. Altre definizioni standard affrontano o affronteranno una rivalutazione alla luce di nuove e migliorate osservazioni, capacità di modellazione e comprensione dei processi fisici. Il coinvolgimento e la discussione della comunità saranno essenziali nel determinare definizioni all’avanguardia per questi fenomeni per consentire una migliore comprensione del clima passato e futuro.

RINGRAZIAMENTI.

AHB e DJS sono stati sostenuti dal Climate Observations and Monitoring Program, National Oceanic and Atmospheric Administration, Dipartimento del Commercio degli Stati Uniti. Le opinioni espresse in questo documento sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente le opinioni della NOAA. NB e SCH sono stati sostenuti dal Joint DECC/Defra Met Office Hadley Centre Climate Programme (GA01101), e TB è stato sostenuto dal NSF Climate Dynamics Program. Ringraziamo D. Mitchell e W. Seviour per aver fornito il codice per calcolare i momenti del vortice e le date centrali per le SSW utilizzando questa definizione, e D. Mitchell ed E. Gerber per il loro aiuto nel guidare gli sforzi della comunità e fornire contributi preziosi. Ringraziamo U. Langematz e K. Krüger per il loro aiuto nella comprensione e interpretazione dei riferimenti principali per la definizione delle SSW dell’OMM, il ruolo storico della Freie Universität Berlin, e l’interpretazione e l’applicazione della definizione dell’OMM oggi. Ringraziamo L.M. Polvani e A. Charlton-Perez per i loro utili commenti, e Melissa Free (NOAA) e i revisori interni del Met Office per le loro utili recensioni delle bozze iniziali di questo documento. L’editore di BAMS M. Alexander; i revisori U. Langematz, G. Manney, e B. Naujokat; e due colleghi anonimi hanno fornito commenti costruttivi e perspicaci. Ringraziamo J. Thomas alla biblioteca della NOAA per l’assistenza rapida nel reperimento di riferimenti desueti.

https://www.arl.noaa.gov/documents/JournalPDFs/Butler_et_al_2015_bams-d-13-00173.1.pdf

 

[Alessandro 81]

Spero di aver fatto cosa gradita riportando nel forum un articolo che ho riportato alcune settimane fa nel mio blog. https://portaledellameteorologia.it/ Mi scuso per l eccessiva lunghezza , ma ne consiglio una lettura dato che , almeno secondo il mio punto di vista, risulta molto interessante.