Quando la stagione invernale si ‘avvicina’ all’emisfero settentrionale, l’attenzione di meteorologi e previsori di tutto il mondo si sposta decine di chilometri sopra le nostre teste, ossia nella stratosfera. È qui che prende forma il Vortice Polare, una gigantesca struttura ciclonica le cui dinamiche e le cui improvvise rotture sono in grado di condizionare le sorti del meteo invernale tra l’America del Nord, l’Europa e il Mediterraneo. Tra i massimi esperti mondiali nello studio di questi fenomeni spicca la Dr.ssa Amy Butler, fisica dell’atmosfera e ricercatrice di punta presso il NOAA Chemical Sciences Laboratory di Boulder, in Colorado.
Le sue ricerche hanno rivoluzionato la comprensione dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW) e lo sviluppo del NOAA Polar Vortex Blog, punto di riferimento internazionale per la diagnostica stratosferica. In questa intervista esclusiva per MeteoWeb, la Dr.ssa Butler ci guida attraverso i meccanismi fisici dell’accoppiamento stratosfera-troposfera, il ruolo delle teleconnessioni tropicali come ENSO e QBO, fino ai limiti attuali dei modelli di previsione stagionale (S2S). Di seguito, il testo integrale delle domande e delle risposte.
1) Dott.ssa Butler, le sue ricerche hanno ampliato notevolmente la nostra comprensione dei Riscaldamenti Stratosferici Improvvisi (SSW). Sebbene un SSW spinga spesso l’Oscillazione del Nord Atlantico (NAO) verso la sua fase negativa, non tutti gli eventi portano a colate di aria fredda in Europa. Quali meccanismi fisici o stati di fondo della troposfera determinano se un’anomalia stratosferica riesce a propagarsi con successo fino al suolo?
“Esistono generalmente due punti di vista su questo tema. Il primo sostiene che l’anomalia stratosferica si propaghi verso il basso solo in determinate condizioni, in particolare quando l’anomalia nella bassa stratosfera è di grande entità o quando la troposfera si trova già in una fase di NAO negativa. Un altro punto di vista, tuttavia, ritiene che la stratosfera invii sempre un segnale verso il basso, ma che questo segnale sia generalmente piuttosto debole rispetto alla variabilità atmosferica giornaliera. Di conseguenza, in alcuni casi, qualsiasi configurazione meteorologica sia in atto nella troposfera finirà per mascherare o sopraffare completamente il segnale stratosferico (mentre in altri casi lo amplificherà). Tendo a considerare questo secondo argomento più probabile. Lo vediamo chiaramente negli esperimenti modellistici in cui forziamo la stratosfera ai dati osservati utilizzando un vasto ensemble: anche per gli SSW che hanno mostrato un impatto minimo nella realtà, i modelli prevedevano comunque un segnale discendente verso la superficie”.
2) La teleconnessione tra ENSO e stratosfera è un ponte critico per le previsioni stagionali. In che modo il Pacifico equatoriale (El Niño vs. La Niña) altera l’innesco delle onde di Rossby verso la stratosfera e come si propaga questo segnale verso il settore euro-atlantico durante l’inverno?
“L’ENSO guida un “treno d’onde” che si propaga verso i poli a causa del riscaldamento convettivo tropicale. Un treno d’onde è essenzialmente un arco quasi-stazionario di sistemi alternati di alta e bassa pressione. El Niño tende a favorire una saccatura (bassa pressione) sul Pacifico settentrionale, un promontorio (alta pressione) sul Canada e un’altra saccatura sugli Stati Uniti sud-orientali. Per capire come questo impatti sulla stratosfera, bisogna considerare cosa fanno le onde “di fondo” climatologiche. In inverno, l’onda più grande, che chiamiamo “Onda 1” perché presenta una sola saccatura e un solo promontorio lungo un cerchio di latitudine, ha il suo cavo di bassa pressione centrato proprio sul Pacifico settentrionale. Ci concentriamo sulle onde più grandi (Onda 1 e Onda 2) perché sono le uniche capaci di viaggiare verso l’alto fino in stratosfera. Quando si sommano due onde che sono in fase tra loro, l’onda si amplifica.
El Niño spinge questo pattern sul Pacifico settentrionale esattamente nella stessa posizione dell’onda di fondo, facendo crescere l’onda in senso verticale. Questa onda può poi “rompersi” in stratosfera, rallentando la circolazione del Vortice Polare. Nel corso di una stagione dominata da El Niño, questa elevata attività di onde verso la stratosfera significa generalmente un vortice più debole (specialmente a metà e fine inverno) e un aumento della probabilità di SSW. Un vortice debole e in particolare gli eventi di SSW portano a uno spostamento verso una NAO negativa, che di fatto amplifica la teleconnessione troposferica di El Niño ed estende il pattern verso est, in direzione dell’Europa.
Si potrebbe pensare che La Niña faccia esattamente l’opposto e sebbene ciò sia vero in prima approssimazione (La Niña favorisce un promontorio di alta pressione sul Pacifico settentrionale anziché una saccatura), nelle osservazioni emergono effetti non lineari di La Niña, specialmente sulla stratosfera. La Niña è stata associata a grandi eventi periodici di Onda 2 (onde con due cavi e due promontori attorno al parallelo). Sebbene su scala stagionale si osservi in generale un Vortice Polare più forte durante La Niña, nei dati storici si sono verificati tanti SSW durante La Niña quanti durante El Niño. I modelli generalmente non catturano questa non-linearità: ciò suggerisce che le nostre serie osservative sono ancora troppo brevi (e quindi l’uguale frequenza di SSW deriva da un errore di campionamento) o che i modelli simulano male alcuni processi chiave (ad esempio sottostimando l’influenza di La Niña sugli eventi di Onda 2).”
3) Oltre all’ENSO, altri driver a bassa frequenza come l’Oscillazione Quasi-Biennale (QBO) e l’attività solare interagiscono con la stratosfera polare. In che modo questi driver interagiscono tra loro per plasmare il comportamento del Vortice Polare invernale?
“La QBO altera il luogo in cui le onde possono propagarsi una volta giunte in stratosfera. Le onde a scala planetaria non possono viaggiare all’interno di venti orientali (da est). Quando i venti stratosferici tropicali della QBO sono orientali, impediscono alle onde provenienti dalle alte latitudini di propagarsi troppo verso i tropici. In generale, questo fa sì che le onde si rompano a latitudini più polari, guidando un Vortice Polare più debole e aumentando la frequenza degli SSW. L’effetto opposto si verifica durante la fase occidentale della QBO. Il ciclo solare sembra modulare questa relazione nei dati osservati; tuttavia, alcuni studi modellistici non sono riusciti a riprodurre questa modulazione.
ENSO e QBO possono interagire alterando la probabilità di un SSW. Ad esempio, sulla base dei dati storici, la massima probabilità di assistere a un SSW si verifica con QBO orientale e condizioni di La Niña, mentre la probabilità più bassa si registra con QBO occidentale e La Niña“.
4) È in corso un acceso dibattito su come il cambiamento climatico stia influenzando il Vortice Polare stratosferico. Le serie storiche e i modelli climatici mostrano un trend solido verso un vortice più frequente, indebolito o “allungato” (stretched) in un mondo più caldo?
“Nelle osservazioni storiche non si è registrato alcun trend significativo nel numero di SSW o nella forza del Vortice Polare dell’emisfero settentrionale sull’intero registro dei dati (a partire dal 1958). Esiste una forte variabilità decennale, il che significa che si possono trovare trend significativi solo se si analizzano periodi più brevi (inferiori a 20-30 anni). Per le proiezioni climatiche future, circa la metà dei modelli mostra un rafforzamento del vortice e l’altra metà mostra un indebolimento. Nel complesso, non è ancora chiaro come la forza del Vortice Polare risponderà al cambiamento climatico, anche se i modelli mostrano con maggiore coerenza un progressivo spostamento verso est del centro del vortice”.
5) La diagnostica e le metriche stratosferiche della NOAA sono diventate strumenti essenziali per i previsori di tutto il mondo. Da una prospettiva operativa, quali sono le metriche di preallarme più affidabili in stratosfera per prevedere i regimi meteo sub-stagionali con 3-6 settimane di anticipo?
“Una metrica chiave è semplicemente la forza dei venti polari stratosferici nella media stratosfera (al livello di pressione di 10 hPa) attorno al parallelo di 60° Nord. È la metrica più comunemente usata per indicare se sta per verificarsi un SSW, poiché durante l’inverno questa metrica è climatologicamente positiva (venti occidentali) e un SSW si verifica quando diventa negativa (inversione dei venti da est).
Tuttavia, in modo deterministico, gli SSW sono prevedibili solo quanto i pattern troposferici che li guidano: questo significa che generalmente possiamo prevedere la data esatta di un SSW soltanto con 10-14 giorni di anticipo. Una volta che l’evento si è verificato, è possibile ottenere una migliore previsione dei pattern meteorologici fino a 6 settimane dopo. La vera sfida aperta risiede nel capire come utilizzare al meglio le informazioni stratosferiche per le previsioni stagionali, quando il guadagno in termini di accuratezza deriva da eventi (gli SSW) che sono essi stessi intrinsecamente imprevedibili su scala sub-stagionale”.
6) I modelli numerici sub-stagionali e stagionali (S2S) sono migliorati, eppure prevedere la tempistica esatta e l’impatto al suolo delle rotture stratosferiche rimane complesso. Qual è il principale ostacolo nella fisica dei modelli quando si simula l’attività delle onde stratosferiche e l’accoppiamento verso il basso?
“Sussistono bias stratosferici coerenti e persistenti nei vari sistemi S2S, anche se l’innalzamento del “tetto” del modello in molti sistemi di previsione negli ultimi anni ha ridotto la portata di questi errori. Una fonte di questi bias potrebbe risiedere nel trattamento della composizione stratosferica (ad esempio ozono e vapore acqueo). Nella maggior parte dei modelli S2S, ad esempio, agli schemi radiativi viene fornita una climatologia fissa dell’ozono stratosferico: questo significa che la composizione non si evolve né riflette la dinamica in atto, impedendo di catturare le interazioni reali tra ozono e circolazione.
Un altro problema risiede nelle onde di gravità a piccola scala, che non vengono risolte direttamente dai modelli S2S. Ciò può influenzare l’attività delle onde stratosferiche e il successivo accoppiamento verso il suolo. Infine, anche la scarsa risoluzione verticale vicino alla tropopausa rappresenta un ostacolo critico”.
L’analisi della Dr.ssa Amy Butler offre una lezione di straordinario rigore scientifico. Il Vortice Polare non è una semplice struttura isolata, ma un sistema dinamico e complesso in costante dialogo con i tropici, gli oceani e la troposfera. Le evidenze scientifiche sottolineate dalla ricercatrice della NOAA tracciano la strada per la meteorologia del prossimo decennio:
- Il ruolo delle teleconnessioni: El Niño tende a indebolire il vortice tramite l’amplificazione dell’Onda 1, mentre La Niña introduce risposte non lineari complesse legate all’Onda 2.
- La finestra di prevedibilità: Sebbene la data precisa di un Riscaldamento Stratosferico (SSW) si possa cogliere con 10-14 giorni di anticipo, i suoi effetti al suolo regalano una “finestra di prevedibilità” estesa fino a 6 settimane per la tendenza sub-stagionale.
- Il lavoro sulla fisica dei modelli: La sfida per migliorare le previsioni stagionali in Europa passa attraverso il superamento dei limiti attuali dei supercalcolatori, integrando la chimica dell’ozono interattivo, una maggiore risoluzione verticale alla tropopausa e una migliore parametrizzazione delle onde di gravità.
In un clima globale in trasformazione, comprendere la stratosfera rimane la chiave più preziosa in nostro possesso per allungare lo sguardo delle previsioni meteorologiche oltre la barriera delle due settimane.
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