De “Polar Vortex” en hoe deze ons winterweer bepaalt…of net niet..
Polar wat…?
De polaire vortex, of ‘Polar Vortex (PV)’, het is een term dat we de laatste jaren steeds vaker tegenkomen en u zal er de komende maanden nog wel over horen spreken. Helaas levert googelen op dit fenomeen veelal foutieve informatie op. Er worden namelijk twee fenomenen voortdurend door elkaar gebruikt.
We hebben het hier wel degelijk over de ‘stratosferische polaire vortex oftewel ‘Stratospheric Polar Vortex‘ wat ik in dit beschrijf als ‘SPV’ zal afkorten. Deze poolwervel bevindt zich op een hoogte tussen pakweg 25 en 30 km, dus ver boven de tropopauze, waaronder het weer wordt ‘gemaakt’.
In tal van artikels online, zelfs van gerenommeerde media, verwart men dit stratosferisch fenomeen met de semi-permanente koude put in de hogere troposfeer met de daaraan gekoppelde straalstroom.
Wat is de Stratosferische polar vortex echt?
De SPV ontstaat boven de polen tijdens de wintermaanden aldaar wanneer het zonlicht de stratosfeer niet meer opwarmt (o.a door het daar aanwezige ozon). Hierboven zie we de noordelijke hemisfeer met de temperatuur op 850K (rond 20 hPa) op 15 november. We zien hierop duidelijk dat de SPV goed en wel ontwikkeld is en zijn kern nabij het oosten van Groenland heeft met een minimale temperatuur rond -80 graden. Het kwik op deze hoogte (20 à 25 km hoogte, of in druk: tussen pakweg 10 en 30 hPa) kent een duidelijk jaarlijks verloop en schommelt tussen zo’n -35 graden in de juli en ongeveer -80 graden in januari. Het verloop van de laatste 24 maanden is hieronder weergegeven.
Polar Night Jet
Net zoals met de situatie in de troposfeer, zorgt zo’n cel met zeer koude lucht, aan de randen voor een thermische wind.
Het temperatuurverschil tussen de kern van de SPV en de temperatuur erbuiten bedraagt namelijk tientallen graden waardoor een flink uit de kluiten gewassen straalstroom waait omheen de koude luchtcel (men noemt deze hier de ‘polar night jet’. Deze jet zien we in het schema links met een verticale doorsnede van de zonale wind tussen 0 en 90° (westenwinden zijn positief/rood en oostenwinden negatief/blauw). We zien de (troposferische) polaire jet op een hoogte van 200 hPa met een zonale wind rond 30 m/s. Maar de jet verbonden aan de SPV zien we op veel grotere hoogte, rond 1 hPa met een uitloper naar beneden tot de drukniveaus van 10 tot 30 hPa, op een breedtegraad rond 50 tot 60°N.
Tot daar is er weinig aan de hand: we hebben een koude luchtbel in de stratosfeer ten gevolge de donkere wintermaanden daar en als gevolg ervan ontwikkelt zich omheen deze luchtbel een sterke straalstroom.
Interactie tussen troposfeer en SPV
Het interessante in dit verhaal is dat het gedrag van de SPV verre van stabiel is (in tegenstelling tot de SPV over het zuidelijke halfrond tijdens de wintermaanden aldaar) en dat de SPV zijn invloed kan doen gelden tot in de troposfeer en omgekeerd. Bovendien zorgen de planetaire golven in de troposfeer tijdens de wintermaanden voor een (sterke) verstoring van de SPV. De details hierover zijn geenszins volledig uitgeklaard maar feit is dat grootschalige golven in de troposfeer (de Rossby waves) in bepaalde gevallen verticaal kunnen groeien tot in de stratosfeer en daar voor een lokale opwarming kunnen zorgen. Vooral blokkades (staande golven) zouden daar toe in staat zijn maar ook nog andere factoren (zie verder). Deze blokkades zijn trouwens onrechtstreeks gekoppeld aan de heterogene eigenschappen van de bodem en topografie (overhangen oceaan-land en hoge bergketens).
Het is al lang bekend dat bijvoorbeeld het onregelmatige karakter van de bodem zorgt voor het klassieke onrustige patroon van de atmosfeer, met zijn kenmerkende ‘Rossby waves’. Deze Rossby golven zijn niks anders dan grootschalige planetaire golven in de troposfeer en deze trekken doorgaans van west naar oost, en hebben soms een erg onregelmatige evolutie waarbij interacties kunnen zorgen voor het tot stilstand komen van zo’n golf of zelfs het terugkeren naar het westen van zo’n golf. Wie de hoogtekaarten regelmatig bekijkt kan dit bijna dagelijks vaststellen. Zo’n grootschalige anomalieën in het hoogtepatroon zorgen dus voor krachtige golven in verticale zin en dit tot in de (stabiele) stratosfeer. Overigens dienen deze Rossby golven groot genoeg te zijn wat betreft periode, liefst in de orde van 180° of 90° breedtegraden. Kleinschalige troggen in de hoogte hebben in deze dus geen effect.
Dat de verticale voortplanting van langgolvige troposferische golven tot in de stratosfeer geraakt en daar tot (sterke) verstoringen kan leiden van de circulatie aldaar, komt omdat de stratosfeer niet in evenwicht is (en dus in zekere zin onstabiel). Daarnaast blijkt dat golven enkel kunnen binnendringen in deze stratosfeer wanneer er een westelijk regime bestaat (westenwinden) in de stratosfeer, en dit is enkel het geval gedurende de poolwinters.
Onderstaande schema geeft de interactie weer tussen een sterke breuk in de polaire straalstroom (gekoppeld met een golf) en de opwaartse interactie met de SPV.
Stratospheric Sudden Warming (SSW)
In bepaalde gevallen zijn ze in staat om voor een zeer snelle en plotse opwarming te zorgen in de stratosfeer ter hoogte van de SPV. In enkele dagen tijd kan het kwik er met wel 40° stijgen. Men spreekt dan van een zgn. Stratospheric Sudden Warming (SSW). Er zijn dan twee mogelijkheden. Of de poolwervel gaat op wandel en verlaat het centrale poolgebied (wave-1 opwarming). Of de opwarming is van die aard dat de wervel in twee stukken breekt (wave-2 opwarming). Dit laatste zien we in bovenstaande animatie van de winter 2009. Er is dan sprake van een afgesplitste dipool waarbij de twee resulterende poolvortexen zich afzonderlijk bewegen. Uiteindelijk koelt alles weer vrij snel af en herstelt de wervel zich nabij de pool.
De uiteindelijke opwarming is een gevolg van een kettingreactie in de stratosfeer dat begint bij het aantasten van het strakke westelijke stroming omheen de SPV. De jet (NPJ) begint dan danig te golven en zeker wanneer deze golven uiteindelijk ‘breken’ zorgt dit voor subsidentie en dus opwarming van de stratosfeer. Dit kan bij een ‘major SSW’ oplopen tot 10°C per dag en dus na enkele dagen tot bijna 50 graden oplopen!
Dergelijke SSW is van belang aangezien men heeft vastgesteld dat er een verband is tussen deze tijdelijke afzwakking van de SPV en het weerpatroon in de troposfeer. Een SSW wordt immers vaak gevolgd door een periode met negatieve Arctische Oscillatie (AO). Een negatieve AO komt er op neer dat de druk over de poolgebieden stijgt en bijgevolg de polaire straalstroom minder krachtig wordt en bovendien naar het zuiden afwijkt. Er ontstaat een meer meanderend patroon met een verhoogde kans op blokkades en onrechtstreeks meer kans op koudegolven over bvb de VS en Europa. Bovendien worden de gematigde breedtes, waar ook wij ons uiteraard in bevinden, zo afgesnoerd van de subtropische luchtmassa’s bezuiden de straalstroom, waardoor het vanzelf al niet echt zacht meer kan worden in zo’n fase. Hoe precies de interactie verloopt tussen de stratosfeer richting troposfeer is niet duidelijk tot nog toe. Een recente belangrijke SSW vond plaats midden januari 2013, te zien op onderstaande grafiek. Er volgde toen een koudegolf en toen reeds werd de SPV sterk ge-hyped als boosdoener van de koudegolf.
