Uitleg Sudden Stratospheric Warming

Bericht van: VdeV(Heerenveen) , 13-01-2013 14:29 

Hier probeer ik uitleg te geven over wat een SSW is en hoe het werkt. Het is lastig uit te leggen en een lang verhaal geworden. Ga er rustig voor zetten of kijk gewoon goed naar de plaatjes. Hopelijk wordt het zo duidelijk. Succes!



Afbeelding 1. Op de poolwervel heerst een naar binnen gerichte kracht veroorzaakt door het drukverschil tussen de pool en lage breedten, Fgradiënt. Daartegenover staat een naar buitengerichte kracht agv het draaien van de aarde, Fcoriolis. Deze twee krachten heffen elkaar op waardoor de lucht netjes rond het koude lagedrukgebied stroomt. De stroming is nu in geostrofisch evenwicht. Fcoriolis hangt samen met de snelheid. Wanneer de wind afremt neemt Fcoriolis af terwijl Fgradiënt gelijk blijft zodat Fgradiënt nu sterker op de luchtstroming werkt dan Fcoriolis. Het geostrofische evenwicht is nu verstoord met een netto kracht richting de lagedruk. Gevolg is dat de lucht naar binnen stroomt.


(Invalid img)
Afbeelding 2





Technische processen ter inleiding.

In de donkere winternacht onstaat een koud vat boven het poolgebied. Koude lucht krimpt dus de luchtdruk daalt. Dit trekt omringende lucht aan maar het draaien van de aarde verhindert dat de lucht naar binnen kan stromen. De lucht kan nog meer afkoelen en de druk daalt verder met daarom sterke westelijke winden, de poolwervel of poolnachtjet.
Een SSW (sudden stratosferic warming) begint met het breken van golven in de stratosfeer in de flanken van de poolwervel, min of meer vergelijkbaar met de golven van de zee die breken voor het strand. De golftop (of rug) stort in het voorliggende dal (of trog) waarbij de lucht adiabatisch opwarmt. Anderzijds zorgt de brekende golf voor een westwaartse verplaatsing van lucht (tegen de stroom in) waardoor die uit geostrofisch evenwicht raakt. Hierdoor rolt de golf noordwaarts de poolwervel binnen. Daar onstaat een ophoping van lucht die de aanwezige luchtlagen naar beneden duwt met subsidentie tot gevolg. Je kunt zeggen dat het koude vat van bovenaf wordt gevuld.
Op afbeelding 1 probeer ik uit te leggen hoe de verstoring van het geostrofisch evenwicht (waarbij de gradiëntkracht op de poolwervel en de corioliskracht elkaar niet meer opheffen) tot ophoping (convergentie) boven het poolgebied leidt.
Op afbeelding 2 is te zien hoe dalende lucht de stratosfeer opwarmt.



(Invalid img)
Afbeelding 3


Op afbeelding 3 is al een warme laag te zien (ballonmeting ergens in Rusland 4-1-2013).
Of een golf breekt hangt af van het vertikale temperatuurverloop en de vertikale windsnelheidsverschillen (windschering). Wanneer een golf een warmere laag binnen dringt wordt de golflengte daarin korter (warme lucht is lichter en kan dus gemakkelijker en sneller op en neer bewegen). Het bovenste deel van de golf haalt het onderste deel in en slaat over de kop. Maken we een uitstapje naar het strand dan zie we hetzelfde. Het onderste deel van de golf wordt door de zeebodem afgeremt terwijl het bovenste deel gewoon door gaat, uiteindelijk het onderste deel inhaalt en voorover rolt. Ook een zwakkere bovenwind kan in de atmosfeer ervoor zorgen dat het bovenste deel over het onderste deel heen tuimelt.










Afbeelding 4 t/m 7, golven breken in de stratosfeer en spreiden zich poolwaarts uit.




Major warming.

Brekende golven komen vrijwel iedere winter regelmatig voor. Dit gebeurt doorgaans hoog in de stratosfeer vanaf 10 hPa (rond 30 km) en hoger en vaak boven Siberië. De poolwervel warmt dan in de flanken op en wordt wat uit het lood geduwd maar blijft wel intact. Soms zijn het grote golven die breken en de lucht kilometers naar beneden duwt. Bij elke kilometer daling warmt de lucht 10 graden op en zo kan de lucht in één dag meer dan 50 graden in temperatuur stijgen. Daarna spreidt de warme laag zich uit tegen de stroom in en in de richting van de pool. Dit is op de afbeeldingen 4 t/m 7 te zien.

Er kan nu een kettingreactie ontstaan. Onder in de warme laag, met geringere westelijke stroming, gaan ook het lagere gedeelte van de golf en andere golven breken. Ook deze golven spreiden zich stroomopwaarts en poolwaarts uit waarmee ze de oude warme laag van onderen aanvullen. Op deze nieuwe laag breken weer andere golven die op lagere niveaus warme lagen uitsmeren enzovoort. Op deze wijze kan de opwarming zich door de gehele poolwervel en tot in de lagere stratosfeer uitbreiden. Er is nu sprake van een major warming of SSW (hoewel dat bij een enkele golf misschien ook al kan) maar pin me niet vast aan definities.

De opwarming breidt zich op nog andere manier naar beneden toe uit. De stratosfeerlagen zijn via warmtestraling aan elkaar gekoppeld, waarbij de ozonconcentraties ook een rol speelt. Wanneer na een enkele gebroken golf de hogere stratosfeer is opgewarmt straalt die warme laag uit, zowel naar boven als naar beneden. De benedenwaartse straling warmt dan ook de middelbare stratosfeer op. Is die eenmaal opgewarmt dan kan de lagere stratosfeer ook wat extra warmte op zijn stralingsbalans bijschrijven. Ondertussen is de hogere stratosfeer alweer afgekoelt en dat gaat betrekkelijk snel omdat het om zeer ijle lucht gaat die zowat grenst aan de ruimte. Deze wijze van opwarming is echter een stuk minder sterk dan de opwarming als gevolg van de luchtlawines bij een major warming en neemt ook meer tijd in beslag (2-3 weken).










Afbeeldingen 8 t/m 10. Nieuwe golven breken op lagere hoogte en de opwarming breidt zich in etappes uit. Op Afbeeldingen 9 en 10 geven de lichtblauwe kleuren de situatie boven in de troposfeer weer. Terwijl er in de stratosfeer hogedruk heerst ligt er in de troposfeer nog lagedruk bij de pool. Door uitstraling koelt de stratosfeer van bovenuit af. De druk stijgt dan ook in de troposfeer en er ontstaat een poolhoog.


Drukontwikkeling stratosfeer.

In de meteorologie wordt gewerkt met drukvlakken. De hoogte van of afstand tussen de verschillende drukvlakken wordt bepaald door de temperatuur. Warme lucht neemt meer ruimte in dan koude lucht en dus liggen de drukvlakken dan ook verder uitelkaar. Anders gezegd: bóven een warme laag is de luchdruk hoger of liggen de drukvlakken hoger en bóven een koude luchtlaag is de druk lager of liggen de drukvlakken lager. Natuurlijk is de luchtdruk ook boven een warme laag (veel) lager dan de druk van de laag zelf maar het gaat om de verschillen, de verhoudingen op een bepaald niveau. Drukvlakken worden ook wel geopotentialen genoemd (geo’s).

Boven de noordelijke IJszee is er een hogedrukgebied, zo hebben een aantal van ons geleerd bij Aardrijkskunde. Maar de lucht is zo koud dat de drukvlakken dicht boven elkaar liggen dus op enkele kilometers hoogte is er van dat hogedrukgebied niets meer over. Gaan we verder omhoog dan liggen de geo’s veel lager dan buiten het poolgebied, waaromheen de westelijke winden waaien. Is de stratosfeer ook nog eens koud dan wordt de pooldepressie naar boven toe steeds dieper. Daalt het 500 hPa-vlak regelmatig beneden 5 km, tegenover 5,85 km boven de (sub)tropen (hoogteverschil 1 km), het 10 hPa-vlak zakt soms tot beneden 28 km tegenover 30,7 km op lage breedten (hoogteverschil meer dan 2,5 km).
Wanneer delen van de stratosfeer bij een SSW plotseling tientallen graden opwarmen zet de lucht enorm uit. De drukvlakken komen dan verder uitelkaar te liggen, accumulerend in een enorme steiging van de geo’s hoog in de stratosfeer. Wanneer de opwarming zich verder naar beneden voortplant komen ook op lagere etages de drukvlakken hoger te liggen maar nog altijd boven de laag die opwarmt. Zo kan het 10 hPa vlak plaatselijk tot 31,5 km stijgen en dat is maar liefst 3,5 km hoger dan de oorspronkelijke kern van de poolwervel. De drukverschillen met de randen van de poolwervel nemen dan snel af zodat de poolwervel van bovenaf wordt afgebroken. Soms is de drukstijging zo sterk dat de winden de andere kant op gaan waaien. Gemiddeld komt er dan een oostenwind te staan i.p.v. een westenwind.
Er blijven meestal nog wel restanten van de wervel over maar die worden uit het poolgebied verdreven. Er zijn dan nog relatief kleine gebiedjes in de stratosfeer met lagere geo’s gevuld met koude lucht.



(Invalid img)

Afbeelding 11, tijdschema stratosfeer. Fase 1: eerste golf breekt hoog in de stratosfeer. Fase 2: SSW of MW, waarbij de opwarming zich als een lawine naar beneden toe voortplant. Fase 3: Afkoelingsfase waarbij de stratosfeer van bovenuit hersteld.


Uitwerking op de troposfeer.

Tot nu toe hebben we het alleen over de stratosfeer gehad en niet over de troposfeer, de onderste atmosfeerlaag waarin ons weer zich afspeelt. De effecten van een SSW op de troposfeer zijn divers en niet altijd even duidelijk. Het gaat me te ver hier uitgebreid op in te gaan. Deels vanwege de complexiteit en deels vanwege mijn ontoereikende kennis op dit vlak.

Voor processen die zich boven 10 hPa afspelen is de troposfeer ongevoelig. Van groot belang is in hoeverre veranderingen de middelbare stratosfeer doorkomen. Daarbij is mijns inziens de verhouding tussen radiatieve opwarming en dynamische opwarming doorslaggevend. Het eerste behelst de warmtestraling, die de lagen naar beneden toe opwarmt en het tweede de kettingreactie van brekende golven die naar beneden toe steeds nieuwe warme lagen aanmaken. Ik had het eerder over de enorme stijging van de drukvlakken hoger in de stratosfeer als gevolg van opwarming. Onder een warme laag dalen de drukvlakken juist. Als bijvoorbeeld het 100 hPa vlak (ca 15,5 km) lager komt te liggen dan betekent dat ook dat de onderliggende vlakken, zoals 200 en 300 hPa lager komen te liggen, en nu komen we de troposfeer binnen. Opwarming van de stratosfeer in het poolgebied zou dan tot een versterking van de poolwervel in de troposfeer moeten leiden. Dus sterkere westenwinden/ krachtige WC’s. Gaan we terug naar de aanleiding van de opwarming dan was dat convergentie, agv het binnenrollen van gebroken golven. Er stroomde immers lucht richting de pool waardoor de netto hoeveelheid lucht boven het poolgebied is toegenomen. What comes in must go out. Daarnaast is er in troposfeer altijd een beetje wrijving die de tropopolarvortex ietsje afremt en uit geostrofisch evenwicht haalt (vergelijkbaar met het effect van de brekende golven die naar binnen rollen). Het eerste compenseert de drukdaling onder de uitzettende stratosfeer. Slaan de golven in de stratosfeer massaal over de kop bij een krachtige, dynamische SSW dan zou de luchtdruk ook rond de tropopauze kunnen stijgen met als gevolg een afname van de westenwinden.

Belangrijker lijkt me de afkoelingsfase na een SSW. Wanneer lager in de stratosfeer de laatste golven stuk lopen op het warme plafond is de hoge stratosfeer alweer aan het afkoelen. Het is nog lang nacht op hoge breedten dus de warme lagen stralen sterk uit. De zeer hoge en ijle luchtlagen koelen snel af waarna de onderliggende stratosfeerlagen volgen. De atmosfeer begint van bovenuit te krimpen. De hoogste geo’s zakken weer terug maar in de middelbare stratosfeer stijgen de drukvlakken nog iets verder omdat de bovenliggende lucht afkoelt en de onderliggende laag nog warm is. Bij verdere uitbreiding naar beneden van de afkoeling stijgt de druk ook in de troposfeer.

We hebben het nog steeds over het gebied binnen 60° noorderbreedte. Drukstijging daar leidt tot afname van de zonaliteit op de gematigde zones.
Dit betekent niet dat er meteen enorme hogedrukbastions verschijnen op hoge breedte maar gemiddeld is de druk er wat hoger. Op de kaarten van wetterzentrale is er veel groen te zien in het noorden in plaats van de diepblauwe kleuren, door winterliefhebbers zo gevreest en vervloekt. Vaak verschijnen er ook poolhogen die het arctische koude rantsoen uitelkaar blaast. Deze ijskoude lucht dringt hier en daar de gematigde zones binnen. Verder tollen er enkele koude putjes rond de poolcircel.

Een ander effect van een SSW is de zuidelijke ligging van de straalstroom. Dat zou als volgt kunnen werken. Als op grote hoogte het poolgebied wordt gevuld betekent dat er elders te korten ontstaan. Elke keer als er een golf breekt vloeit er lucht uit de buitenste randen van de poolwervel weg, aan de equatoriale zijde van de golf. Deze lucht moet ook weer worden aangevuld en die aanvulling komt deels uit de lagere stratosfeer. Aangezien de tropopauze op zuidelijker breedten hoger ligt komt de divergentie daar ook al snel terecht. In samenwerking met de subtropische jet nemen depressietreinen ineens een veel zuidelijkere route. Op breedten die normaal het domein zijn van stabiele hogedruk wordt het nu wisselvallig en stormachtig.

Simpel gezegd zorgt een SSW voor een kringloop. In de stratosfeer stroom lucht van lage breedten naar de pool. Onderin stroomt lucht van de pool naar lagere breedten. De dalende tak boven de pool zorgt voor sterke opwarming, de stijgende tak op lagere breedten zorgt voor oplevende depressie aktiviteit (en afkoeling?).
Dit is mijn kijk op dit fenomeen, gebaseerd op 7 jaar bestudering van de winterkaarten van het noordelijk halfrond, aangevuld met basis meteorologie. Aanvullingen en discussie is zeer welkom.




Uitleg Sudden Stratospheric Warming   ( 1403) ‐   2
VdeV(Heerenveen) -- 13-01-2013 14:29
Ziet er mooi uit   ( 224)
Peter (Wiltz -Luxemburg) -- 13-01-2013 18:07
Re : Ziet er mooi uit   ( 173)
leviathanfd (Heerlen) -- 13-01-2013 18:45
Re : Ziet er mooi uit   ( 295)
VdeV(Heerenveen) -- 14-01-2013 00:05
Siberische sneeuwbedekking   ( 194)
Peter (Borculo) ( 14m) -- 16-01-2013 11:39
Re : Siberische sneeuwbedekking   ( 138)
leviathanfd (Heerlen) -- 16-01-2013 12:06
zie hier   ( 218)
sebastiaan (bussum) -- 16-01-2013 13:21
Re : Ziet er mooi uit   ( 111)
Herman (Overloon) -- 16-01-2013 12:22
  Zeer interessant. Dank.  
Vincent (NO Brabant) -- 14-01-2013 19:39
Re : Uitleg Sudden Stratospheric Warming   ( 166)
Hein (Schiedam) -- 14-01-2013 23:42