Aggiornamento Outlook inverno 2019-2020

In questo aggiornamento più che concentrarmi nel fare nuove proiezioni vorrei fissare maggiormente l’attenzione su ciò che sta avvenendo e, in parte alla sua origine, in quest’ultimo caso grazie al senno di poi.

Per prima cosa esaminiamo la posizione dell’asse e il centro di massa prevalente del vortice polare stratosferico nel mese di dicembre e in questo primo scampolo di gennaio attraverso le figure 1, 1a e 1b, rispettivamente del mese di dicembre, gennaio e la posizione dal primo dicembre all’11 gennaio. Come è possibile notare la posizione dell’asse è rimasta più o meno inalterata confermando la persistenza dello stesso schema già discusso nel precedente articolo. Come ben osservabile ci sono state piccole variazioni di posizione dell’asse che si notano per l’intero periodo esaminato, ad indicare che le rotazioni e le perdite di eccentricità sono state assai rapide e i disturbi mai del tutto scomparsi. Ovviamente c’è da tenere presente che il dato complessivo è fortemente influenzato dal fatto che per dicembre è disponibile l’intera serie, mentre per gennaio abbiamo solo la prima decade. Come scritto nel precedente articolo le posizioni sia dell’asse che del centro di massa non favoriscono la stazionarietà della prima onda che, nella sua progressione di sviluppo, scivola verso il continente nord americano imponendo dapprima un deciso disturbo e spostamento verso l’area Siberiana del vortice polare e poi, in fase di risoluzione, un accentramento della massa con raffreddamento, calo del geopotenziale e accelerazione zonale. Inoltre questo movimento ha sfavorito, nel migliore dei casi, o inibito completamente, nel peggiore, lo sviluppo della seconda onda. Da questo schema si può anche capire il perché dei flussi di calore mediamente divergenti (equatorward), salvo qualche rara eccezione. Questo quadro si è ripetuto durante questa prima parte invernale e ci sono già i presupposti per una riedizione.

Come secondo aspetto, connesso a quanto appena scritto, c’è la conferma del mancato ESE cold che più avanti illustrerò tecnicamente. Come scritto nei commenti al precedente articolo un Evento Stratosferico Estremo è un evento che incide profondamente nell’evoluzione stratosferica e troposferica. Riporto soltanto poche righe di risposta ad un commento che ritengo basilari e da tenere sempre presente.

“…Posso però anticiparti che a mio modesto avviso non si avrà l’ESE cold se non evidenziato nel numero del NAM_10hPa. Ormai è qualche anno che vado scrivendo che il valore del NAM_10hPa non è di per sé esaustivo nell’interezza dei casi a descrivere sempre e comunque il conclamarsi di un evento stratosferico estremo. Ricordo che un evento stratosferico estremo trae origine da un’anomalia dell’attività d’onda troposferica che si evidenzia attraverso il tracciante dei flussi di calore traendo spesso origine da un’alterata attività convettiva tropicale a sua volta indice di alterazioni della quantità di calore latente e sensibile (vedi anche l’ENSO)”.

Un ESE, così come la letteratura insegna, è un evento che non evolve in un qualsiasi lasso di tempo attraverso una qualsiasi dinamica ma necessita di particolari processi di propagazione la cui durata è attorno ai 60 giorni. Questo significa che un comportamento che differisce sia nei processi di avvio che di propagazione nonché dei tempi indicati non è classificabile come ESE a prescindere dal superamento della soglia del NAM_10hPa poiché non sono presenti le caratteristiche fisiche a supporto di tale dinamica. Questi eventi rientrano nei casi identificati con i nomi di Low/High Heat Flux Events (Waugh e Polvani) che hanno durata inferiore, attorno ai 40 giorni, e dinamiche diverse. Dunque un evento estremo, o un high/low heat flux events, hanno la loro genesi in troposfera ma differiscono nella dinamica e nella evoluzione. La loro causa è però sempre riconducibile ad una anomalia dei flussi di calore e, nel caso specifico di un ESE, Polvani ha individuato chiaramente il superamento del valore di ±5,5K m/s. Dunque limitarsi a classificare un ESE solo attraverso il superamento della soglia del NAM_10hPa è quantomeno riduttivo e in taluni casi può esporre  a errori di valutazione e susseguente prognosi. Tornerò più avanti a discuterne.

Il NAM è assimilabile, semplificando, al valore normalizzato dell’anomalia del gradiente meridionale del geopotenziale rilevato tra i 20°N e i 90°N o anche tra i 60°N e i 90°N (le due modalità offrono alcune  differenze nei risultati).

Veniamo al caso attuale in cui il valore del NAM_10hPa è stato superato, anche abbondantemente, come visibile in figura 2 a partire dal 12 gennaio scorso. In verità la variabile più interessante del grafico è rappresentata dalla curva dell’indice SEI (Stratospheric Event Index) che assimila sia il NAM_10hPa che l’anomalia dell’attività d’onda espressa mediante l’anomalia dei flussi di calore alla quota isobarica di 100hPa recependo i risultati di ricerca di Polvani. L’indice è normalizzato al NAM_10hPa seguendo le stesse soglie positive e negative così da essere da un lato facilmente fruibile e dall’altro comparabile allo stesso NAM_10hPa. L’indice SEI ci informa che non sono state raggiunge le anomalie necessarie per dichiarare con sicurezza in atto una dinamica di ESE di tipo cold.

Dunque guardando la figura 3, inerente gli eventi dei flussi di calore calcolati su di un intervallo di 40 giorni, si nota che il loro valore raggiunto al superamento della soglia di +1,5 dell’indice NAM_10hPa, è effettivamente ancora lontano dalla soglia critica dei -5,5K m/s. Dal grafico 2 si nota anche la notevole anomalia raggiunta dal vento zonale sempre alla quota isobarica di 10hPa che induce ad indicare un vortice piuttosto “chiuso”. In realtà guardando la figura 4, inerente l’indice del tipo di circolazione in atto e prevista (barotropica o baroclina) rispetto alla media attesa nel periodo, si evidenzia chiaramente il tipo di circolazione baroclina che indica la presenza di disturbi d’onda in grado di mantenere una sufficiente eccentricità tale da impedire una caduta dei flussi di calore.

Infatti dalla figura 5 inerente la media del geopotenziale alla quota isobarica di 10hPa dal 7 gennaio al 16 gennaio scorso si nota la forma ellittica del vortice, ma salta all’occhio la posizione dell’asse dello stesso tra il nord Atlantico e la Siberia nord orientale. In siffatta posizione la prima onda tende a scivolare verso il Canada provocando uno spostamento del vortice verso il lato siberiano mantenendo il centro di massa mai sotto i 75°N di latitudine.

Il complesso di queste informazioni deve far dubitare sulla realizzazione di un ESE cold ma per avere un ulteriore conferma analizziamo prima le differenze medie della distribuzione delle anomalie del geopotenziale attraverso i casi di Low Heat Flux Events (d’ora in poi abbreviato LHFE) e i casi di ESE cold con il superamento della soglia NAM_10hPa e degli eventi dei flussi di calore (d’ora in poi abbreviato in HNE) visibile nei grafici in figura 6, tratti dal lavoro di Polvani.

Le zone contrassegnate dalle lettere rappresentano le impronte digitali delle due dinamiche i cui effetti troposferici possono apparentemente sembrare simili ma che in effetti consegnano processi e dinamiche di incipit ed evoluzione assai diverse.

Entriamo nello specifico: alle lettere contrassegnate A, B e C corrisponde una dinamica di High Heat Flux Event (d’ora in poi abbreviato HHFE) con evento T-S-T che mediamente trova i massimi effetti di anomalia positiva del geopotenziale nella media stratosfera, proprio attorno ai 10 hPa, e anomalie via via più contenute fino a scomparire nell’alta stratosfera ai limiti della stratopausa. Vediamo di individuare le corrispondenze, se ce ne sono, nella stagione 2019-2020. I grafici delle figure 7, 8 e 9 ci aiutano visivamente a ricostruire la scena con le medesime lettere. Come è possibile constatare tra la seconda metà di novembre e la prima di dicembre si è avuto un evento T-S-T prodotto da un HHFE. Se ci soffermiamo sui grafici alle figure 2 e 9 possiamo indicare il giorno 2/12/2019 in cui si è raggiunto il minimo valore del NAM_10hPa e il giorno 12/01/2020 in cui si è raggiunto il valore di soglia positivo del NAM_10hPa. Il tempo trascorso dunque tra l’HHFE e il momento zero del LHFE con il raggiungimento della soglia NAM_10hPa di +1,5 è di 41 giorni perfettamente riconducibile alla dinamica media dei casi di cui alla figura 6 tratta dal lavoro di Polvani. Infatti se guardiamo nuovamente il grafico degli Eventi dei Flussi di Calore contrassegnato questa volta alla figura 10 riconosciamo chiaramente gli eventi HHFE e LHFE che si sono succeduti ad una distanza temporale di 43 giorni. Inoltre, sempre dalla figura 6, in un HNE rispetto ad un LHFE si possono chiaramente vedere i tipici impulsi dell’evento che, nel caso di un LHFE, non si presentano se non nel momento conclusivo dell’evento stesso nel periodo compreso tra i 20 e i 35 giorni successivi il tempo zero. Dalla figura 9 intanto mancano sia il primo impulso di risposta immediata al superamento della soglia di un HNE e i successivi di cui alla lettera O, ma si scorge nella previsione la pulsazione di cui alla lettera G, facente parte della chiusura dell’evento databile attorno alla fine di gennaio ovvero 15 giorni, o poco più, dal superamento della soglia.  Dunque tutti gli aspetti evidenziati ci portano ad escludere l’insorgere di un classico ESE cold.

Ma come si generano questi impulsi?

La stratosfera è assimilabile ad un sistema quasi barotropico caratterizzato da elevata stabilità statica e da onde lunghe quasi stazionarie. Questo significa che le isoipse sono assimilabili alle isocore ovvero, a volume costante, la pressione varia in funzione della temperatura.

Se il vortice polare è soggetto ad assenza di disturbi, provocati dalle onde principali, il centro di rotazione tende a conquistare una posizione prossima al polo geografico acquistando una struttura quasi barotropica. Ora la variazione di pressione può essere approssimata alla variazione di temperatura secondo la seconda legge di Gay-Lussac p=p₀ (1+αΔt).

Come già scritto i processi che conducono verso un qualsiasi evento stratosferico trovano la loro origine in anomalie troposferiche di attività d’onda e di conseguenza dei flussi di calore. Nei 45/50 giorni che precedono un HNE si assiste ad una costante riduzione dei flussi di calore e la temperatura della media stratosfera diminuisce raggiungendo valori ben al di sotto dei valori medi del periodo. Alla cessazione dei disturbi provocati dalle onde planetarie il vortice conquista il polo geografico e assume una struttura quasi barotropica. Quindi secondo la legge di Gay-Lussac, considerate le anomale basse temperature raggiunte in area polare, si determina in maniera improvvisa un vero e proprio crollo del geopotenziale alla ricerca di un equilibrio con gli stessi bassi valori di temperatura.

In un processo di trasformazione isocora, l’energia interna del sistema U dipende dalla temperatura, quindi la variazione repentina del geopotenziale determina una variazione di energia interna ∆U che sarà di valore negativo. Secondo il primo principio della termodinamica la variazione di energia interna è la somma algebrica del calore e del lavoro scambiati: ΔU=Q-L. Poiché nelle trasformazioni isocore il volume rimane costante e la variazione di pressione è direttamente riconducibile alla variazione di temperatura ne deriva che il lavoro L è nullo e la variazione ΔU si riduce al solo scambio di calore Q. Quindi il calore perduto nell’abbattimento del geopotenziale quale energia interna del sistema, deve essere ceduto all’ambiente circostante. Ecco le pulsazioni del NAM_10hPa che non sono altro che il rimbalzo del geopotenziale secondo le relative oscillazioni di temperatura. Questi segnali che si generano raggiungono la troposfera esacerbando una circolazione già compromessa con vortice piuttosto profondo e getti molto rapidi alle alte latitudini.  In seconda battuta la caduta di geopotenziale verso l’asse di rotazione determina un’accelerazione del flusso zonale  con sviluppo di superfici isobariche di tipo parabolidi di rotazione inducendo la comparsa alle basse latitudini di un aumento del geopotenziale e abbozzando una circolazione a due onde che gradualmente induce ad un incremento dell’eccentricità del vortice e ad un innesco di contenuti riscaldamenti a cominciare dalle quote più alte. 

Dalla figura 10a si nota bene come non compaiono queste figure, infatti, ad un abbassamento consistente del geopotenziale alle alte latitudini (curva blu) non corrisponde un aumento del geopotenziale alle basse latitudini (curva rossa) ad indicare che l’approfondimento si realizza con vortice baroclino come visto nella figura 4. Per capire cosa accade possiamo rilevarlo facendo un semplice esperimento. Riempite un recipiente cilindrico d’acqua che rappresenterà la nostra colonna atmosferica. Con un lungo cucchiaio cominciate ad imprimere una rotazione. All’aumentare della rotazione dal basso comincerà dall’alto a crearsi un vortice e se aumentate ancora di più la velocità di rotazione vedrete il vortice scendere verso il fondo e contemporaneamente l’acqua si solleverà verso i bordi. Ecco cosa sono le superfici isobariche di tipo paraboloidi di rotazione.

Questo processo si chiude nel momento in cui la temperatura in ripresa dalle quote superiori e con essa la risalita del geopotenziale non si trasferisce verso il basso. Questo è un vero terremoto atmosferico che per compiersi dal principio alla fine necessita dei tempi indicati nei vari studi in letteratura e quantificabili mediamente in una sessantina di giorni.

Ecco spiegati i vari motivi per i quali non siamo in presenza di un ESE cold e, benché non ancora a tiro dei modelli deterministici, è plausibile ritenere che non avremo a che fare con le classiche serie di pulsazioni.

Il grafico dell’attività d’onda elaborato secondo l’IZE risulta essere un prodotto assolutamente performante e unico nel suo genere, evidenziando efficacemente l’alternarsi nel trimestre invernale dell’anomalia dell’attività d’onda subtropicale in zona polare. Non ha per ora la capacità di spiegare la posizione delle onde (cosa a cui sto lavorando), però per capire la validità degli obiettivi fin qui raggiunti pubblico in figura 11 le tendenziali dell’attività d’onda frutto del calcolo del modello IZE e la tendenziale dei flussi di calore osservati dal primo dicembre scorso. Come è possibile constatare, le due curve sono quasi perfettamente correlate ad indicare la validità del prodotto stesso, ricordando che gli output scaturiscono dall’analisi atmosferica del mese di ottobre. Attualmente la massima difficoltà, a tale enorme distanza temporale dalla stagione invernale, è dare la giusta interpretazione a quei dati in mancanza di elementi importanti quale la prognosi della posizione d’onda.

Come scritto poco più su, l’alterata attività d’onda trae origine anche da un’anomalia dell’attività convettiva equatoriale che, come visibile in figura 12, è stata lungamente poco attiva ed incisiva, soprattutto tra la seconda metà di novembre fino alla prima metà della prima decade di gennaio. Non da meno è da considerare l’elevato valore positivo raggiunto dall’indice IOD (Indian Oscillation Dipole) all’origine della tremenda fase secca e calda in Australia. Nel primo articolo ho accennato al regime oceanico riconducibile all’indice PDO indicando, quale fattore precursore, la graduale modifica del regime atmosferico nel Pacifico settentrionale imputato al successivo lento cambiamento di segno dell’indice. Nell’articolo indicai il raggiungimento di una fase negativa tra la seconda parte dell’inverno o nel corso della primavera.

Questo segnale è confermato e potrebbe indicare l’atteso cambio di regime atmosferico. Vedremo.

Ora provando a spingerci oltre verso una possibile evoluzione futura, possiamo attenderci sia la ripresa dell’attività d’onda che dei relativi flussi di calore, come da grafico in figura 11. Il che potrebbe portare ad un altro HHFE entro la prima decade di marzo. Quindi potremmo aspettarci un cambiamento rispetto alle condizioni atmosferiche in atto più o meno ad iniziare dalla fine della prima decade o la metà di febbraio per un periodo che potrebbe rimanere favorevole fino alla metà di marzo. Seguiremo gli eventi attraverso i deterministici per le eventuali conferme o smentite.