Plötslig uppvärmning av stratosfären

Den stratosfäriska polarvirveln som befinner sig på en höjd av omkring 25 km upp i atmosfären kännetecknas av starka västliga vindar och en temperaturgradient från cirka 60°N till den kalla polen. Under ”sudden stratospheric warmings” (SSW) sker som namnet antyder, en snabb uppvärmning men också en omvändning av vindriktningen. Polarområdet blir då varmare än lägre breddgrader och vindarna blåser i genomsnitt från öst. Denna förändring i stratosfären inverkar på den underliggande troposfären och kan därmed ha konsekvenser på vädret som vi upplever.

Här följer en kortfattad beskrivning av förhållandena i stratosfären och dess koppling till vädret i troposfären.

Årsvariationen i de stratosfäriska polarregionerna – polarvirveln

I de båda polarregionerna råder svaga ostliga vindar i stratosfären under sommarmånaderna (juni-augusti på norra halvklotet och december-februari på södra halvklotet), som ersätts av västliga vindar på hösten.

Styrkan hos dessa västliga vindar ökar fram till mitten av vintern. Området med de starkaste vindarna ligger vid cirka 60°N och markerar gränsen för den s.k. polära virveln. Här blåser zonalvinden med i genomsnitt 40 m/s under januari (Bild 1). Orsaken till bildandet av polarvirveln är bristen på solstrålning under vintermånaderna, vilket medför en stark temperaturgradient till den kalla vinterpolen och därigenom starka zonalvindar. På våren ökar temperaturen i stratosfäriska polarregionerna och intensiteten i de västliga vindarna minskar, innan ostliga vindar etableras igen på sommaren.

 

Zonal vind vid 60°N och temperaturgradienten mellan polen och 60°N.
Figur 1. Zonal vind vid 60°N och temperaturgradienten mellan polen och 60°N. I svart visas klimatologin och i rött värden för juli 1984 - juni 1985. Data kommer från ECMWF återanalys ERA40. Illustration Semjon Schimanke. Förstora Bild

Vad är en ”sudden stratospheric warming”?

De beskrivna klimatologiska förhållandena kan ibland vändas upp och ner. Den polära stratosfären kan värmas upp med mer än 40°C inom en vecka och då skiftar temperaturgradienten, det vill säga polen blir varmare än områdena runt.

Samtidigt ökar geopotentialen (höjden till en bestämd tryckyta) över Nordpolen och polarvirveln ersätts av ett högtrycksområde.

Med den polära virvelns sammanbrott försvagas de västliga vindarna och övergår istället till ostliga vindar i genomsnitt. Om denna situation uppstår, det vill säga en vändning av temperaturgradienten mellan polen och 60°N och en ostlig vind vid 60°N, talar man om en stor stratosfärisk uppvärmning (SSW) enligt WMO:s definition (World Meteorological Organization).

SSWs uppträder huvudsakligen under månaderna januari och februari, men kan ske under hela den förlängda vintersäsongen (november till mars).

De röda linjerna i Figur 1 illustrerar ett fall av SSW från vintern 1984/1985. Det är tydligt hur snabbt temperaturgradienten och zonalvinden skiftar. Sedan tar det ett tag tills polarvirveln återställer sig. 

SSWs uppträder i genomsnitt varannan vinter. Det kan också finnas längre perioder utan SSW eller enstaka vintrar med två SSW. Till exempel fanns under vintrarna 1991/1992 – 1997/1998 ingen SSW.

Olika typer av SSW

Det finns två typer av stora SSW: förskjutningar och delningar. Båda händelserna är ungefär lika frekventa.

Exemplet från vintern 1984/1985 var en virveldelning, vilket framgår av bild 2. Den vänstra figuren visar en klimatologi och alltså den normala placeringen av den polära virveln. Den höga geopotentialen över polen för perioden 1-4 januari 1985 indikerar att ett högtrycksområde blivit etablerat. Den tidigare polarvirveln var uppdelad och låg över Kanada och Europa.

Bara svaga och mestadels ostliga vindar blåser längs breddgraden 60°N. Dessutom har hela polarstratosfären värmts upp. Det råder temperaturer över -30°C, vilket resulterar i en avvikelse på över 30°C jämfört med det klimatologiska genomsnittet.

Klimatologi (till vänster) och anomalier för 1-4 januari 1985 (till höger).
Figur 2. Klimatologi (till vänster) och anomalier för 1-4 januari 1985 (till höger). De övre bilderna visar geopotentialhöjden (GPH) och de undre bilderna visar temperatur. Data kommer från ECMWF återanalys ERA40. Illustration Semjon Schimanke. Förstora Bild

Förutom stora SSW finns det även mindre SSW. I dessa skiftar temperaturgradienten, medan vindarna endast försvagas, men förblir västliga i genomsnitt. Dessutom finns det så kallade slutliga stratosfäriska uppvärmningar (final stratospheric warmings). Dessa är uppvärmningar då polarvirveln inte återbildas senare på säsongen. De kan inträffa i februari eller mars.

På södra halvklotet är SSW extremt sällsynta på grund av den mycket stabilare polarvirveln där. Sedan observationerna började har endast en SSW registrerats. Detta hände den 26 september 2002.

Den dynamiska mekanismen som är ansvarig för bildandet av SSW är baserad på växelverkan mellan uppvällande storskaliga atmosfäriska vågor från troposfären och den zonala vinden i stratosfären. De atmosfäriska vågorna tranporterar energi och momentum, och kan därmed påverka vindarna i den polära virveln.

Hur påverkar en SSW vårt väder?

De stratosfäriska anomalierna sprider sig nedåt och gynnar en negativ fas av den arktiska oscillationen (AO) i troposfären.

Den arktiska oscillationen definieras för hela norra hemisfären, medan man för Europa ofta enbart betraktar NAO. Båda indexen är starkt korrelerade.

En negativ fas av AO eller NAO har då motsvarande effekter på det europeiska vintervädret, t.ex. kallt och relativt torrt. I genomsnitt är effekterna av SSW på AO / NAO verksamma över en period på upp till 60 dagar (bild 3). Ett exempel kunna vara vintern 1984/1985 som är illustrerad i bilderna 1+2 för stratosfären. Vintern är känd för att en mild december följdes av extremt kalla januari- och februarimånader i Sverige.

kopplingen mellan stratosfären och troposfären
Figur 3. För att illustrera kopplingen mellan stratosfären och troposfären utförs EOF-analyser (empirical orthogonal function) för geopotentialen norr om 20°N vid olika trycknivåer. I botten (vid 1000 hPa) motsvarar detta AO (Arctic Oscillation), medan det i den övriga delen av atmosfären kallas Northern Annular Mode (NAM). Man ser tydligt att en SSW (dag 0) påverkar AO i genomsnitt upp till 60 dagar. Källa: Baldwin and Dunkerton (2001, Figure 2A). Förstora Bild

Referenser

Baldwin, M. P. & Dunkerton, T. J. Stratospheric harbingers of anomalous weather regimes. Science 294, 581 - 584 (2001).