Impact van een Sudden Stratospheric Warming op de Polar Vortex

Elke winter komt het thema wel weer terug, de opwarming van de stratosfeer uitmondend eventueel in een stratosferische opwarming. Wat precies is de dynamiek achter het proces van een stratosferische opwarming? In het onderstaande volgt een beschrijving van de stratosferische opwarming, die mits voldoende krachtig kan leiden tot de vorming van een SSW, een Sudden Stratospheric Warming (omkering van de zonale wind op 60 graden NB en op het 10 hPa drukvlak, dat geldt ook voor 60 graden ZB).

• Ontdek ons ook op Facebook en X
• Bekijk onze weerfilmpjes op Youtube

Via onderstaande afbeelding wordt uitgelegd hoe obstakels in de troposfeer tot golfvorming kunnen leiden hogerop in de atmosfeer, tot in de stratosfeer aan toe. Daar nemen ze in amplitude toe en kunnen ze de polar vortex verstoren. De Rocky Mountains zijn welbekend om hun verstorende werking op de westcirculatie. Aan de andere kant van de Noordpool vervult de Siberische koudepoel, vanwege de hogedruk die zich daar gemakkelijk vormt, een minstens zo krachtige tegenhanger. 

Wanneer is de Polar Vortex het krachtigst?

In december is de stratosferische poolwervel op zijn krachtigst. Deze december heeft een voor de verstoring van de polar night jet effectief hogedrukgebied gevormd noord van Siberië, zie plaatje 2. De stratosferische poolwervel is als vanzelfsprekend over de troposferische atmosfeer gepositioneerd en wordt door het hoog omhoog gestuwd.

De druk die op de stratosfeer uitgeoefend wordt veroorzaakt een opwarming, een natuurkundig proces dat in de dagelijkse praktijk bekend is van het oppompen van een fietsenband, waarbij de samengeperste lucht de fietspomp opwarmt.

Een voorbeeld uit de meteorologie: de troposferische jet bij zijn ingang convergeert de stroming en warmt deze dus op (stabilisering van de atmosfeer), bij de uitgang veroorzaakt de divergentie afkoeling (daar zijn de fronten het meest actief). 

Wat als het los gaat?

In plaatje 3 (een profiel) zijn de verticale luchtbewegingen getoond tussen de troposfeer en de stratosfeer (blog Judah Cohen). Tussen 60 en 120 graden oosterbreedte ligt het Siberische hoog (onderaan in licht beige kleuren). Daarboven starten de verticale luchtbewegingen richting de stratosfeer, een wave activity flux (50-70 graden noorderbreedte) die uitvergroot wordt in de stratosfeer stroomafwaarts, overeenkomstig de eerste afbeelding, die betrekking had op een gebergteketen.

Stroomafwaarts wordt door de druk van onderaf de lucht opgewarmd, dat is de zo betekenisvolle stratosferische opwarming die zo verstrekkende gevolgen kan hebben voor het winterweer tot zelfs in West-Europa. Met de opwarming stijgt ook de hoogte van de geopotentiaal: er vormt zich een hogedrukgebied in de stratosfeer. 

Hogedrukgebied in de stratosfeer

Dat hoog is meestal krachtiger dan zijn tegenhanger aan de andere kant van de Noordpool, dat noemen we daarom de wave1. De wave 2, zo die al aanwezig is, ligt ertegenover. In het vierde plaatje, een bovenaanzicht van het noordpoolgebied (de getoonde kaarten zijn van de GFS 06Z run, versie Wetterzentrale.de, 10 hpa temperatuur en windsnelheid, plus de 500 hPa geopotentiaal), zijn troposfeer en stratosfeer over elkaar gelegd om het totaal aan processen te tonen die leiden tot een wave1 en wave2 in de stratosfeer. Daarvoor is ook voor de troposfeer een dubbelde wavestructuur noodzakelijk: eentje is aanwezig boven Siberië (rechts), een kleinere boven westelijk Noord-Amerika (links).

De pijlen loodrecht naar de Noordpool geven de impuls weer op de troposfeer. De blauwe pijl toont de stratosferische luchtbeweging, die een hoek maakt met de troposferische blokkade. Aan de lijzijde vindt vervolgens de opwarming plaats (roze kleuren).

Aan weerszijden de consequentie: wave 1 boven de Pacific en de kleinere wave2 boven de Atlantische Oceaan. De laatste is het residu van een eerdere opwarming boven Siberië, verder stroomafwaarts in stand gehouden door de lijwerking achter de Rocky Mountains. Deze wave manifesteerde zich als een Canadian Warming.

Split van de Poolwervel

Een krachtige wave1 in de stratosfeer veroorzaakt een verplaatsing van de stratosferische vortex, een sterke wave2 ertegenover kan een splitsing ervan bewerkstelligen. Een verplaatsing (displacement) heeft in de regel minder uitwerking op de troposferische luchtcirculatie, meestal is het effect ook korter dan bij een splitsing (split) van de stratosferische poolwervel.

De getoonde afbeelding 4 is de run van 21 december van het GFS, voor 384 uur vooruit. Inmiddels wordt een sterkere opwarming berekend en ook met een vroegere timing, maar het gegeven voorbeeld maar het proces van de stratosferische opwarming blijft dezelfde. Inmiddels ligt het zwaartepunt qua temperatuur van de opwarming op 2 januari (plaatje 5), de maximale respons voor wat betreft het windveld vindt plaats op 8 januari (plaatje 6).

Een wave1 boven Alaska met een verplaatsing van de Polar vortex richting Noord-Scandinavië. Een serieuze verzwakking van de zonale wind op 10 hPa, 60° NB, maar vooralsnog onvoldoende om de zonale wind op dat vlak te doen omkeren.