Тази година се очаква сурова зима с тежки арктически студове – подобна прогноза се среща във все повече новинарски емисии. Истината обаче е, че не можем да определим с точност каква ще бъде зимата: дългосрочните прогнози за времето невинаги са точни, особено тези за територията на Европа. Полярният вихър, на който се основават много от прогнозите за аномално студено време, е сложен атмосферен феномен, въз основа на който не могат да се направят категорични изводи. Измененията на климата, увеличаващото се затопляне на Арктика, в съчетание с по-бързото топене на ледовете, могат да нарушат циркулацията в стратосферата, но в момента все още не може да се определи със сигурност съдбата на полярния вихър.

С настоящите познания и модели за прогнозиране могат да се изготвят надеждни прогнози за времето само за 1 – 2 седмици напред на ежедневна база. Съществуват и дългосрочни прогностични модели, чрез които можем да определим очакваните средни стойности на температура, атмосферно налягане и валеж за седмици, месеци или сезони, но без прогноза за конкретен ден и като цяло, остава голяма неяснота относно очакваните метеорологични условия. 

„Слушайте“ полярния вихър

Една от повтарящите се отправни точки в новините, обещаващи екстремна зима, е полярният вихър: атмосферно явление, за което, благодарение на изследванията през последните десетилетия, знаем много повече, но поведението му все още не е напълно ясно за учените.

Полярният вихър е област на ниско налягане и бързо въртящ се въздух в стратосферата и представлява въздушен вихър, обхващащ студен въздух, с характерна сезонна цикличност: той се забавя и изчезва през топлото полугодие и след това се появява отново над полюсите през зимното. Причината за появата му е същата като тази за формирането на сезоните: наклонът на земната ос, чрез който слънчевата енергия не достига до полюсите по време на полярната зима. В края на септември слънцето над Северният полюс залязва за половин година, причинявайки значителен спад на температурата, което на свой ред води до спад на налягането във височина, предизвиквайки нарастващо циклонично (обратно на часовниковата стрелка) въртене. Това явление се нарича стратосферен полярен вихър, който се запазва в Северното полукълбо до март, когато Слънцето отново изгрява над полюса.

За да се избегнат недоразумения, трябва да уточним, че статията разглежда стратосферния полярен вихър, който често се обърква с полярния вихър в тропосферата (който е много по-ниско, на 5 – 10 км над земната повърхност). Най-голямата разлика между двете явления е, че докато стратосферният вихър изчезва през лятото и е слабо издухан високо от източните ветрове, тропосферният полярен вихър, познат още като полярна клетка, се запазва през лятото, но с по-малка площ и изтеглен към Северния полюс. Двата вихъра, разбира се, са тясно свързани един с друг, но не бива да ги бъркаме или слагаме под общ знаменател.

Силният полярен вихър обикновено се свързва с по-топли зими, поддържайки западните движения на въздуха над континента, но тогава циклоните, идващи в Европа от Атлантическия океан, могат да бъдат източник на опасно време.

Има места, където полярният вихър отслабва за кратко време, посоката на вятъра се променя от запад към изток на голяма надморска височина, а температурата в стратосферата се повишава с повече от 10 °C.

Тези събития се наричат ​​внезапно стратосферно затопляне (ВЗС) и са сред най-интензивните промени на метеорологичните условия в атмосферата.

Открити са за първи път през 50-те години на миналия век, а след това, с появата на спътниците, изследванията върху тях се ускоряват. Сега имаме много повече информация, но тъй като се събират данни едва от около 40 г., все още остават много въпроси. Все още не е напълно ясно какво предизвиква процеса на внезапно затопляне – някои теории го свързват със значителни аномалии в тропосферата, други – с още по-високи части на атмосферата. 

Две неща могат да се случат с полярния вихър след тези внезапни затопляния:

  • от една страна, може да се промени значително позицията му (измества се от полюса),
  • от друга страна, може да се разпадне на два по-малки вихъра (тогава ще има незабавен ефект, при който по-малко озон може да се разгради, така че тези затопляния намаляват размера на озоновата дупка (което е добра новина за нас).

И в двата случая се очаква внезапното стратосферно затопляне да има ефект върху ежедневието ни, но статистически, това се случва само в 2/3 от случаите.

Ако полярният вихър отслабне, могат ли да се наблюдават по-чести нахлувания на студен въздух?

В тропосферата или в най-ниската част на атмосферата, която се простира между 0 и 8-12 км височина и е най-силно засегната от нашата дейност, ефектите от внезапно стратосферно затопляне обикновено се наблюдават 2-3 седмици след събитието. Тогава въздушното налягане над полюса много силно се повишава. Всичко това обикновено включва и движението на студените въздушни маси към по-ниските ширини, в зависимост от настоящото разположение на въздушните маси в тропосферата.

Пример като по учебник за това беше зимата на 2020/21 г., когато внезапното стратосферно затопляне на 4 януари беше последвано от екстремно студена вълна в Северна Америка и Европа през февруари.

Но ефектите, както беше споменато по-рано, не са толкова прости. Все още не е възможно да се прогнозира със сигурност кога ще се прояви дадено явление на повърхността на Земята и какво влияние ще окаже върху климата, точно както не можем да сме сигурни какво да очакваме тази година за развитието на полярния вихър. В дългосрочните прогнози можем да разчитаме и на определени климатични колебания, които могат да покажат, че промяна в една част от Земята ще има някакъв ефект другаде. Атмосферата е сложна система, така че не можем да направим толкова смели заключения като това дали ще имаме изключително студена зима, само защото, статистически, шансовете за по-слаб полярен вихър тази зима са по-високи.

Климатичните промени оказват въздействие върху полярния вихър, но все още не знаем точно как.

Защо полярният вихър е важен за нас и има ли той взаимодействие  с измененията на климата? Краткият отговор е: 

Да, но точният отговор е доста по-сложен. 

Тъй като концентрацията на парникови газове се увеличава, тропосферата ще продължи да се затопля. Как това ще окаже влияние върху стратосферата и полярния вихър обаче е трудно да се каже.

Важна тенденция, открита през последните десетилетия, е, че т.нар циркулация на Брюър-Добсън (казано просто това е движението на въздуха между тропосферата и стратосферата) се е ускорила поради измененията на климата. В бъдеще тя ще играе основна роля за промените в концентрациите на следови газове (газове, различни от азот, кислород и аргон, с много ниска концентрация в атмосферата, напр. въглероден диоксид, метан, озон и др.) в нашата атмосфера, но може да засегне и стратосферния вихър. Друга значителна промяна, която вече се наблюдава, е, че 

Арктическият кръг се затопля с по-бързи темпове от останалата част на Земята.

Това явление, редом с по-бързото топене на леда, може да наруши и циркулацията на тропосферата и стратосферата. Климатичните модели все още не са единодушни относно съдбата на стратосферния полярен вихър, но според някои сценарии (Wu et al., 2019) той може да увеличи честотата на студените нахлувания, докато други предвиждат по-силни полярни вихри. Въпреки това честотата на внезапните стратосферни затопляния не се е увеличила през последните десетилетия и моделите не предполагат значителна промяна в техния брой. Това, което е сигурно, обаче, е, че взаимодействията между тропосферата и стратосферата, макар и донякъде сложни, също ще бъдат засегнати от измененията на климата и поради тази причина смекчаването на глобалното затопляне ще продължи да бъде в наш общ интерес, независимо дали имаме студена зима тази година или не.

През последните десетилетия бяха проведени обширни проекти за изследване на полярния вихър за откриване на особености, които характеризират поведението на въздуха в стратосферата. Основната цел на това беше да се подобрят прогнозите, тъй като внезапно стратосферно затопляне (ВСЗ) може да бъде предвидено чрез числени модели за прогнозиране на времето само 2 седмици преди да се случи. Една такава особеност е квази-двугодишното колебание (КДК), което е открито още през 80-те години на миналия век. Самото колебание включва редуване на периоди със западни и източни ветрове в стратосферата над екватора приблизително на всеки две години. Връзката между КДК и полярния вихър се нарича ефект на Холтън-Тан, при който, когато току-що споменатото колебание е във фаза с източни ветрове, повече ВСЗ се наблюдават в Северното полукълбо, отколкото във фаза със западни ветрове (но това не означава, че непременно трябва да очакваме внезапно затопляне в случай на източна фаза). 

Фигура 1: Осреднените ефекти от миналото на внезапно стратосферно затопляне в тропосферата. Вляво виждаме стойностите на температурните средногодишни отклонения на повърхността, а вдясно – отклоненията от средногодишните стойности на валежите в Северното полукълбо (осредняването е извършено през 60-те дни след затопляне). Виждаме, че обикновено в Европа и Северна Америка температурите са по-ниски от обичайните, докато югозападно от Гренландия – по-високи. При валежите ефектите не са толкова добре изразени. Източник: Сборник за внезапното стратосферно затопляне – научна фигура на ResearchGate.

Безспорно е, че промените в характеристиките на полярния вихър вече оказват влияние на времето в Европа и това ще продължи и за в бъдеще. Климатичните промени допринасят за по-честа поява на вихъра, което може да доведе до периоди с по-студено време, но с малка продължителност. На фона на наблюдаваните по-топли зими, студените периоди ще е по-вероятно да са предизвикани от действието на полярния вихър.

Публикацията е адаптирана от masfelfok.hu

Източник: Климатека

В публикацията са използвани материали от:

  1. Baldwin, M., Ayarzagüena, B., Birner, T., Butchart, N., Charlton-Perez, A., Butler, A., Domeisen, D., Garfinkel, C., Garny, H., Gerber, E., Hegglin, M., Langematz, U., and Pedatella, N., 2020: Sudden Stratospheric Warmings. doi:10.1002/essoar.10502884.1
  2. Butchart, N., 2014: The Brewer-Dobson circulation. Reviews of Geophysics, 52, 157–184. doi:10.1002/2013RG000448
  3. Cohen, J., Screen, J.A., Furtado, J.C., Barlow, M., Whittleston, D., Coumou, D., Francis, J., Dethloff, K., Entekhabi, D., Overland, J., and Jones, J., 2014: Recent Arctic amplification and extreme mid-latitude weather. Nature Geoscience, 7, 627–637. doi:10.1038/ngeo2234
  4. Domeisen, D.I.V., Garfinkel, C.I., and Butler, A.H., 2019: The Teleconnection of El Niño Southern Oscillation to the Stratosphere. Reviews of Geophysics, 57, 5–47. doi:10.1029/2018RG000596
  5. Gray, L., Phipps, S., Dunkerton, T., Baldwin, M., Drysdale, E., and Allen, M., 2001: A data study of the influence of the equatorial upper stratosphere on Northern Hemisphere stratospheric sudden warmings. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127, 1985–2003. 10.1002/qj.49712757607
  6. Holton, J.R., and Tan, H.-C., 1982: The Quasi-Biennial Oscillation in the Northern Hemisphere Lower Stratosphere. Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II, 60, 140–148. doi:10.2151/jmsj1965.60.1_140
  7. Kidston, J., Scaife, A.A., Hardiman, S.C., Mitchell, D.M., Butchart, N., Baldwin, M.P., and Gray, L.J., 2015: Stratospheric influence on tropospheric jet streams, storm tracks and surface weather. Nature Geoscience, 8, 433–440. doi:10.1038/ngeo2424
  8. Marshall, A.G., and Scaife, A.A., 2009: Impact of the QBO on surface winter climate. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 114. doi:10.1029/2009JD011737
  9. Mitchell, D.M., Osprey, S.M., Gray, L.J., Butchart, N., Hardiman, S.C., Charlton-Perez, A.J., and Watson, P., 2012: The Effect of Climate Change on the Variability of the Northern Hemisphere Stratospheric Polar Vortex. Journal of the Atmospheric Sciences, 69, 2608–2618. doi:10.1175/JAS-D-12-021.1
  10. Wang, L., Hardiman, S.C., Bett, P.E., Comer, R.E., Kent, C., and Scaife, A.A., 2020: What chance of a sudden stratospheric warming in the southern hemisphere? Environmental Research Letters, 15, 104038. doi:10.1088/1748-9326/aba8c1
  11. Wu, Y., Simpson, I.R., and Seager, R., 2019: Intermodel Spread in the Northern Hemisphere Stratospheric Polar Vortex Response to Climate Change in the CMIP5 Models. Geophysical Research Letters, 46, 13290–13298. doi:10.1029/2019GL085545