Náhlá stratosférická oteplení zvyšují pravděpodobnost vpádů chladného vzduchu. Nastanou ještě v letošní zimě?
V zimní polární stratosféře se každoročně formuje polární vír, který představuje robustní zonální cirkulaci (od západu na východ). Polární vír se formuje už na konci léta, kdy se množství přicházejícího slunečního záření do polární stratosféry snižuje. V průběhu zimního období se polární stratosféra v důsledku absence slunečního záření extrémně prochlazuje. Naopak stratosféra nad tropy je mnohem teplejší. Aby se tento teplotní rozdíl eliminoval, proudí teplý tropický vzduch na sever. Uchylující síla zemské rotace (Coriolisova síla) toto proudění následně stáčí doprava (platí na severní polokouli) a větry se stávají primárně západními. Tyto větry pak utváření samotný polární vír a jsou dostatečně silné, aby tvořily bariéru mezi mírnými šířkami a polární stratosférou, což dále ochlazuje už tak studený stratosférický vzduch uvnitř víru. Polární vír se vyskytuje po celou zimu až do jara (obvykle do dubna, v některých případech do května). Na jaře se teplotní rozdíly mezi tropickou a polární stratosférou vyrovnávají a následně obrací, protože polární stratosféra se v tomto období otepluje intenzivněji než tropická stratosféra. To znamená, že západní větry slábnou a mění směr na východní. Změnu směru větrů během jarního období označujeme jako konečné stratosférické oteplení (final stratospheric warming).
Obr. 1: Rozložení tlakových útvarů na severní polokouli, které obvykle předcházejí odsunutí (vlevo) nebo rozdělení (vpravo) polárního víru, zdroj: climate.gov
V předchozím článku jsme uváděli, že polární vír mohou narušovat náhlá stratosférická oteplení (SSW z angl. sudden stratospheric warming). V důsledku těchto jevů se polární vír může přesunout nebo rozdělit (více v článku). Tato oteplení v mnoha případech způsobují atmosférické vlny planetárního měřítka vznikající v troposféře. Tyto vlny vznikají v podmínkách severní polokoule v důsledku teplotních rozdílů mezi pevninou a oceánem, při proudění větru přes velká pohoří nebo z tropických bouří. Pokud planetární vlny setrvávají dostatečně dlouho na určitém místě, mohou následně zesilovat a šířit se vertikálně do stratosféry. Ve stratosféře obvykle dochází k lámání těchto vln, což narušuje polární vír. Lámání vln ve stratosféře je analogické např. lámání mořských vln u pobřeží.
Z hlediska rozložení tlakového pole můžeme definovat dva základní typy (Obr. 1), které obvykle předcházejí události SSW. První typ představuje blokující tlaková níže nad Aleutskými ostrovy a blokující tlaková výše nad severním Atlantikem, druhý pak dvě blokující tlakové výše situované nad Aleutami a Uralem. Uvedené dvě konfigurace tlakového pole jsou vhodné pro zesílení stacionárních vln planetárního měřítka, které se mohou propagovat do stratosféry. Největší vlny s vlnovým číslem 1 (wave-1) v atmosféře dosahují velikosti celé polokoule. Podobně velké jsou vlny s vlnovým číslem 2 (wave-2), které utváří dvě blokující tlakové výše a dvě blokující tlakové níže v rámci polokoule. Obecně platí, že wave-1 a wave-2 jsou dostatečně velké, aby se dostaly do stratosféry.
Pro šíření těchto vln do stratosféry však musí být splněna důležitá podmínka: vlny se mohou pohybovat vertikálně, pouze pokud ve stratosféře vanou západní větry. Tato podmínka obecně platí v zimních měsících. Vlny se tak do stratosféry nemohou dostat v létě (kvůli východním větrům) nebo bezprostředně po velkém oteplení (SSW major), kdy vítr v polární stratosféře obrátí směr. Polární vír je často narušován vlnami z troposféry jen s malým dopadem. V některých případech může dojít k velkým oteplením bez zjevného troposférického vlivu. Aby došlo k události SSW v důsledku působení planetárních vln z troposféry, musí být zřejmě polární vír ve vhodné poloze. To je však předmětem probíhajících výzkumů.
Obr. 2: Rozložení geopotenciální výšky v hladině 500 hPa (barevně a izoliniemi) nad severní polokoulí dne 15. 1. 2021 (10 dnů po události SSW). Mapa byla vytvořena na základě reanalyzovaných dat MERRA-2 , zdroj: giovanni.gsfc.nasa.gov
Události SSW obvykle vedou k posílení tlakové výše nad Grónskem/severním Atlantikem, což způsobuje zápornou fázi Severoatlantické oscilace (NAO-). Při této fázi je právě oblast vyššího tlaku vzduchu nad severním Atlantikem (v oblasti okolo Islandu) a oblast nižšího tlaku vzduchu v oblasti okolo azorských ostrovů. Tato situace způsobuje meridionalizaci proudění nad Evropou a nahrává tak vpádům chladného arktického vzduchu do střední Evropy. Zmíněná situace je patrná na Obr. 2, kdy přibližně 10 dnů po události SSW došlo k vpádu arktického vzduchu do střední Evropy. Zřetelný je zde hřeben vyššího tlaku vzduchu nad severním Atlantikem. Samotná událost SSW nastala 5. 1. 2021 a došlo při ní k odsunutí polárního víru.
Obr. 3: Dny s teplotními anomáliemi (v %) vzhledem k dennímu průměru za období 1979-2017 při jednotlivých režimech, které způsobují buď podmínky se silným, nebo slabým polárním vírem. Část (a – ta je pro nás směrodatná) zobrazuje situaci se zesílenou oblastí vyššího talku vzduchu v oblasti Grónska/severního Atlantiku, která vzniká po události SSW (tedy v podmínkách se slabým polárním vírem, jenž je narušen planetární vlnou wave-1), zdroj: Lee a kol., 2019
Také studie Lee a kol. (viz článek) naznačuje, že po při události SSW, která je vyvolána zejména planetární vlnou wave-1, dochází k zesílení tlakové výše nad Grónskem/severním Atlantikem (spojeno s NAO-), což následně vede k větší pravděpodobnosti vpádů chladného vzduchu do Evropy (Obr. 4a). Naopak podmínky se silným polárním vírem, který není narušován událostmi SSW způsobují prohloubení tlakové níže nad Arktidou (nebo anomálii nižšího tlaku vzduchu), což je spojeno s opačnou fází NAO (NAO+). Tato situace pak v mnoha případech k vpádům arktického vzduchu do Evrop nevede.
Obr. 4: Ensemblová předpověď zonální rychlosti větru na 60° s. š. a arktických teplot v hladině 10 hPa, zdroj: stratobserve.com
V příštím týdnu se očekává stratosférické oteplení
Podle výpočtů numerických modelů (Obr. 4) by v tomto týdnu mohlo nastat hlavní oteplení (SSW major), což naruší polární vír. Při této události by mohlo dojít k přetočení západních větrů na východní na 60° s. š. ve střední stratosféře (Obr. 4 nahoře). Událost bude samozřejmě spojena se vzrůstem stratosférických teplot (Obr. 4 dole). Na základě výše uvedených informací tak existuje šance, že by se s odstupem pár týdnů (cca dvou) mohl vyskytnout vpád chladného arktického vzduchu do Evropy. Situace se však bude ještě vyvíjet a budeme o ní informovat.
Velké (hlavní) oteplení se vyskytuje v průměru jednou za dva roky. V letošní zimě 2023/2024 se však už jednou takové oteplení vyskytlo, a to okolo 16. 1. 2024. Oteplení mělo velmi krátké trvání a způsobilo NAO+, což není úplně zvykem (a právě tyhle situace k ochlazení nevedou a NAO+ přináší do Evropy teplejší a vlhčí proudění z Atlantiku). Dodejme, že na začátku ledna došlo ještě k malému stratosférickému oteplení, po kterém v lednu následoval vpád arktického vzduchu do Evropy. V některých zimách mohou nastat i dvě hlavní oteplení, jako například v zimě 1998/1999 (Obr. 5).
Obr. 5: Rychlost zonálních větrů na 60° s. š. v hladině 10 hPa (červená linie) v zimě 1998/1999, zdroj: acd-ext.gsfc.nasa.gov
V zimě 1998/1999 se první hlavní oteplení vyskytlo v prosinci. Oteplení trvalo jen krátkou dobu, protože planetární vlny, které jej způsobily, byly ve stratosféře odraženy zpět do troposféry. K velmi podobné situace došlo i letos v lednu. Tato oteplení mají pak v troposféře odlišné odezvy v porovnání s těmi, při nichž jsou planetární vlny ve stratosféře absorbovány. K absorpci planetárních vln došlo při oteplení v únoru 1999. Tato oteplení se pak vyznačují delším trváním.
Na závěr shrňme, že náhlá stratosférická oteplení oslabují polární vír, který následně hůře izoluje vzduch nad Arktidou a dochází k jeho rozlévání do nižších zeměpisných šířek v podobě vpádů chladného vzduchu. Situace je však velmi složitá a nemusí k tomu vždy „učebnicově“ dojít. V některých případech může událost SSW způsobit v podmínkách ČR i oteplení díky přílivu teplejšího vzduchu z Atlantiku. O tom však pojednáme v dalším článku.
Obr. 1: Rozložení tlakových útvarů na severní polokouli, které obvykle předcházejí odsunutí (vlevo) nebo rozdělení (vpravo) polárního víru, zdroj: climate.gov
V předchozím článku jsme uváděli, že polární vír mohou narušovat náhlá stratosférická oteplení (SSW z angl. sudden stratospheric warming). V důsledku těchto jevů se polární vír může přesunout nebo rozdělit (více v článku). Tato oteplení v mnoha případech způsobují atmosférické vlny planetárního měřítka vznikající v troposféře. Tyto vlny vznikají v podmínkách severní polokoule v důsledku teplotních rozdílů mezi pevninou a oceánem, při proudění větru přes velká pohoří nebo z tropických bouří. Pokud planetární vlny setrvávají dostatečně dlouho na určitém místě, mohou následně zesilovat a šířit se vertikálně do stratosféry. Ve stratosféře obvykle dochází k lámání těchto vln, což narušuje polární vír. Lámání vln ve stratosféře je analogické např. lámání mořských vln u pobřeží.
Z hlediska rozložení tlakového pole můžeme definovat dva základní typy (Obr. 1), které obvykle předcházejí události SSW. První typ představuje blokující tlaková níže nad Aleutskými ostrovy a blokující tlaková výše nad severním Atlantikem, druhý pak dvě blokující tlakové výše situované nad Aleutami a Uralem. Uvedené dvě konfigurace tlakového pole jsou vhodné pro zesílení stacionárních vln planetárního měřítka, které se mohou propagovat do stratosféry. Největší vlny s vlnovým číslem 1 (wave-1) v atmosféře dosahují velikosti celé polokoule. Podobně velké jsou vlny s vlnovým číslem 2 (wave-2), které utváří dvě blokující tlakové výše a dvě blokující tlakové níže v rámci polokoule. Obecně platí, že wave-1 a wave-2 jsou dostatečně velké, aby se dostaly do stratosféry.
Pro šíření těchto vln do stratosféry však musí být splněna důležitá podmínka: vlny se mohou pohybovat vertikálně, pouze pokud ve stratosféře vanou západní větry. Tato podmínka obecně platí v zimních měsících. Vlny se tak do stratosféry nemohou dostat v létě (kvůli východním větrům) nebo bezprostředně po velkém oteplení (SSW major), kdy vítr v polární stratosféře obrátí směr. Polární vír je často narušován vlnami z troposféry jen s malým dopadem. V některých případech může dojít k velkým oteplením bez zjevného troposférického vlivu. Aby došlo k události SSW v důsledku působení planetárních vln z troposféry, musí být zřejmě polární vír ve vhodné poloze. To je však předmětem probíhajících výzkumů.
Obr. 2: Rozložení geopotenciální výšky v hladině 500 hPa (barevně a izoliniemi) nad severní polokoulí dne 15. 1. 2021 (10 dnů po události SSW). Mapa byla vytvořena na základě reanalyzovaných dat MERRA-2 , zdroj: giovanni.gsfc.nasa.gov
Události SSW obvykle vedou k posílení tlakové výše nad Grónskem/severním Atlantikem, což způsobuje zápornou fázi Severoatlantické oscilace (NAO-). Při této fázi je právě oblast vyššího tlaku vzduchu nad severním Atlantikem (v oblasti okolo Islandu) a oblast nižšího tlaku vzduchu v oblasti okolo azorských ostrovů. Tato situace způsobuje meridionalizaci proudění nad Evropou a nahrává tak vpádům chladného arktického vzduchu do střední Evropy. Zmíněná situace je patrná na Obr. 2, kdy přibližně 10 dnů po události SSW došlo k vpádu arktického vzduchu do střední Evropy. Zřetelný je zde hřeben vyššího tlaku vzduchu nad severním Atlantikem. Samotná událost SSW nastala 5. 1. 2021 a došlo při ní k odsunutí polárního víru.
Obr. 3: Dny s teplotními anomáliemi (v %) vzhledem k dennímu průměru za období 1979-2017 při jednotlivých režimech, které způsobují buď podmínky se silným, nebo slabým polárním vírem. Část (a – ta je pro nás směrodatná) zobrazuje situaci se zesílenou oblastí vyššího talku vzduchu v oblasti Grónska/severního Atlantiku, která vzniká po události SSW (tedy v podmínkách se slabým polárním vírem, jenž je narušen planetární vlnou wave-1), zdroj: Lee a kol., 2019
Také studie Lee a kol. (viz článek) naznačuje, že po při události SSW, která je vyvolána zejména planetární vlnou wave-1, dochází k zesílení tlakové výše nad Grónskem/severním Atlantikem (spojeno s NAO-), což následně vede k větší pravděpodobnosti vpádů chladného vzduchu do Evropy (Obr. 4a). Naopak podmínky se silným polárním vírem, který není narušován událostmi SSW způsobují prohloubení tlakové níže nad Arktidou (nebo anomálii nižšího tlaku vzduchu), což je spojeno s opačnou fází NAO (NAO+). Tato situace pak v mnoha případech k vpádům arktického vzduchu do Evrop nevede.
Obr. 4: Ensemblová předpověď zonální rychlosti větru na 60° s. š. a arktických teplot v hladině 10 hPa, zdroj: stratobserve.com
V příštím týdnu se očekává stratosférické oteplení
Podle výpočtů numerických modelů (Obr. 4) by v tomto týdnu mohlo nastat hlavní oteplení (SSW major), což naruší polární vír. Při této události by mohlo dojít k přetočení západních větrů na východní na 60° s. š. ve střední stratosféře (Obr. 4 nahoře). Událost bude samozřejmě spojena se vzrůstem stratosférických teplot (Obr. 4 dole). Na základě výše uvedených informací tak existuje šance, že by se s odstupem pár týdnů (cca dvou) mohl vyskytnout vpád chladného arktického vzduchu do Evropy. Situace se však bude ještě vyvíjet a budeme o ní informovat.
Velké (hlavní) oteplení se vyskytuje v průměru jednou za dva roky. V letošní zimě 2023/2024 se však už jednou takové oteplení vyskytlo, a to okolo 16. 1. 2024. Oteplení mělo velmi krátké trvání a způsobilo NAO+, což není úplně zvykem (a právě tyhle situace k ochlazení nevedou a NAO+ přináší do Evropy teplejší a vlhčí proudění z Atlantiku). Dodejme, že na začátku ledna došlo ještě k malému stratosférickému oteplení, po kterém v lednu následoval vpád arktického vzduchu do Evropy. V některých zimách mohou nastat i dvě hlavní oteplení, jako například v zimě 1998/1999 (Obr. 5).
Obr. 5: Rychlost zonálních větrů na 60° s. š. v hladině 10 hPa (červená linie) v zimě 1998/1999, zdroj: acd-ext.gsfc.nasa.gov
V zimě 1998/1999 se první hlavní oteplení vyskytlo v prosinci. Oteplení trvalo jen krátkou dobu, protože planetární vlny, které jej způsobily, byly ve stratosféře odraženy zpět do troposféry. K velmi podobné situace došlo i letos v lednu. Tato oteplení mají pak v troposféře odlišné odezvy v porovnání s těmi, při nichž jsou planetární vlny ve stratosféře absorbovány. K absorpci planetárních vln došlo při oteplení v únoru 1999. Tato oteplení se pak vyznačují delším trváním.
Na závěr shrňme, že náhlá stratosférická oteplení oslabují polární vír, který následně hůře izoluje vzduch nad Arktidou a dochází k jeho rozlévání do nižších zeměpisných šířek v podobě vpádů chladného vzduchu. Situace je však velmi složitá a nemusí k tomu vždy „učebnicově“ dojít. V některých případech může událost SSW způsobit v podmínkách ČR i oteplení díky přílivu teplejšího vzduchu z Atlantiku. O tom však pojednáme v dalším článku.
