SHMÚ vydal meteorologické výstrahy na Vietor na horách Zobraziť výstrahy

Aktuality SHMÚ

27 SEP 2021

Polárny vortex

METEOROLÓGIA | 27.9.2021 | ANALÝZA | MIROSLAV ŠINGER

Polárny vortex je cirkulačná štruktúra, ktorá je bežnou súčasťou všeobecnej cirkulácie atmosféry. V článku vysvetlíme, čo vortex je, ako ho identifikujeme na priemerných poliach meteorologických prvkov a veľmi zjednodušene popíšeme jeho cyklický vývoj v rámci roku.

Pojem polárny vortex nie je v meteorológii a klimatológii ničím mimoriadnym ani v našej oblasti. V miernych a vysokých zemepisných šírkach ide o celoročne sa vyskytujúcu cirkulačnú štruktúru. Predstavuje takmer stacionárnu oblasť nižšieho tlaku vzduchu siahajúcu od pólu do miernych zemepisných šírok, okolo ktorej na planetárnej škále prebieha prevažne západná cirkulácia (u nás teda prenos vzduchu sponad Atlantického oceánu do vnútrozemia Európy). V rámci roka sa však intenzita polárneho vortexu v troposfére mení, v stratosfére prechodne dokonca zaniká (obr. 1 vľavo - vertikálne členenie atmosféry). Pre tieto časti atmosféry preto osobitne popíšeme vývoj vortexu v priebehu roka na severnej hemisfére porovnaním priemerných polí geopotenciálnej výšky, teploty a prúdenia v troch hladinách: 850 hPa (spodná troposféra), 500 hPa (stredná troposféra), 10 hPa (stredná stratosféra) v lete (mesiace jún, júl, august) a v zime (december, január a február).

        

▲ Obr. 1 - Vľavo - vertikálna štruktúra atmosféry a priebeh teploty vzduchu (na horizontálnej osi teplota vzduchu, na vertikálnej osi výška v km a tlak v mb (=hPa)), zvýraznené hladiny 850 hPa (biela čiara), 500 hPa (žltá čiara) a 10 hPa (modrá čiara) (mb=hPa). Vpravo - porovnanie výšky geopotenciálnych hladín v teplom a studenom vzduchu.

 

Troposférický polárny vortex

V rámci troposféry sú polárne oblasti tie najchladnejšie (mimo vysokých hôr), a naopak najteplejšie sú subtropické až tropické oblasti. To s drobnými odchýlkami platí aj v zime, aj v lete. Zároveň platí, že v chladnejšom vzduchu sú výškové geopotenciálne hladiny nižšie ako v teplom vzduchu. Sú teda viac "nahustené" pri sebe, čo označujeme ako vyšší barický stupeň (obr. 1, vpravo). Nad pólom je tak priemerne nižší tlaku vzduchu (a nižšia geopotenciálna výška tlakových hladín), čo vedie k štandardnému cyklonálnemu prúdeniu okolo tejto chladnej oblasti. Výsledkom je západné prúdenie okolo celej hemisféry, čo nazývame troposférický polárny vortex. Oblasť na jeho periférii sa vyznačuje silným prúdením (najsilnejším pod tropopauzou, kde je dýzové prúdenie) a výrazným teplotným gradientom (rozdielom v teplote), ktorú nazývame výšková frontálna zóna.

V rámci roka však na celej planéte dochádza k zmenám poveternostných podmienok, ktoré sú v závislosti od konkrétnej oblasti viac či menej výrazné. V miernych zemepisných šírkach poznáme štandardné striedanie ročných období. Tieto zmeny sú vyvolané predovšetkým ročným chodom intenzity slnečného žiarenia, ktorý vplýva na tlak a teplotu vzduchu, a teda aj tlakový a teplotný gradient. V zime je v polárnych oblastiach polárna noc, a preto sa tam ochladí viac ako v subtrópoch, kde je zoslabenie slnečného žiarenia miernejšie. Tým sa v zime zintenzívňuje teplotný gradient medzi týmito oblasťami (porovnaj obr.  2a-b, 3a-b vľavo) a výšková frontálna zóna sa posúva viac smerom na juh. Toho dôsledkom sa vybuduje rozsiahlejšia a hlbšia oblasť nízkeho tlaku vzduchu (porovnaj obr. 2a-b a 3a-b v strede), čím zosilnie aj barický stupeň v rámci polárneho vortexu. V priemere tak zosilnie aj tlakový gradient, čoho dôsledkom je silnejšie prúdenie (porovnaj obr. 2a-b a 3a-b vpravo), čím je silnejší aj samotný polárny vortex. Jeho zintezívnenie v priemere začína na jeseň a slabnutie na jar. Situácia sa cyklicky opakuje každý rok.

 

▲ Obr. 2a - Hladina 850 hpa, leto; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

▲ Obr. 2b - Hladina 850 hpa, zima; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

 

 

▲ Obr. 3a - Hladina 500 hpa, leto; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

▲ Obr. 3b - Hladina 500 hpa, zima; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

 

 

Stratosférický polárny vortex

V stratosfére polárny vortex celoročne nepozorujeme. Na jar postupne zaniká a v lete neexistuje, pretože okolo teplej polárnej oblasti s vyššou geopotenciálnou výškou prevláda východné prúdenie okolo celej hemisféry. Na jeseň sa s úbytkom slnečného žiarenia (a následnej absencie oteplenia vzduchu v dôsledku Chapmanových fotochemických reakcií) stratosférický vzduch rýchlo ochladzuje, až je chladnejší ako okolie. Tým dochádza k zvýšeniu barického stupňa a poklesu geopotenciálnych hladín. Takto v stratosfére dochádza k vzniku cirkumpolárnej tlakovej níže, ktorá zapríčiňuje západné prúdenie okolo celej hemisféry, čo označujeme ako stratosférický polárny vortex. Na jar dochádza vplyvom oteplenia od slnečného žiarenia a ďalších interakcií s troposférou k jeho rozpadu a cyklus sa opakuje. Stratosférický vortex je však horizontálne podstatne menší ako troposférický (porovnaj obr. 3b a 4b a schéma a vertikálna štruktúra prúdenia na obr. 5).

 

▲ Obr. 4a - Hladina 10 hpa, leto; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

▲ Obr. 4b - Hladina 10 hpa, zima; dlhodobý priemer 1991-2020; vľavo - teplota (°C), v strede - geopotenciálna výška (gpm), vpravo - vietor (m/s).

 

▲ Obr. 5 - Vľavo - schéma polárneho vortexu, vpravo - dlhodobý priemer zonálneho prúdenia (len západné a východné zložky prúdenia) v januári a v júli pre vrstvu atmosféry spodných 48 km (teda troposféra a stratosféra) pre všetky zemepisné šírky.

 

Formovanie stratosférického a zintenzívňovanie troposférického vortexu na začiatku jesene a oslabovanie/rozpad na jar predstavuje bežný ročný chod týchto cirkulačných štruktúr ako dôsledok prirodzeného ročného chodu radiačnej bilancie. Tá nepriamo ovplyvňuje aj chod ďalších meteorologických prvkov ako teplota (a gradient), tlaku vzduchu, vietor a ďalšie nielen v troposfére, ale aj stratosfére.

Popis v tomto článku predstavuje priemerný ročný vývoj polárneho vortexu, ktorý nezahŕňa jeho asymetriu a výskyt anomálií v priestore a čase, čo v niektorých sezónach môže mať zásadný vplyv na charakter počasia v rozsiahlych oblastiach a dlhších obdobiach. V článku sme taktiež opomenuli procesy menej dôležité pre existenciu polárneho vortexu (pretože sú významné len na menšej škále procesov), ako napr. meandrovanie výškovej frontálnej zóny, geografické vplyvy, stav povrchu a ďalšie. Silnejší troposférický polárny vortex v zime vedie napr. k výraznejšiemu prehlbovaniu tlakových níží, najmä v oblasti severného Atlantiku a Pacifiku (kde sa nachádzajú kvázi-stacionárne tlakové útvary označované ako Islandská a Aleutská tlaková níž) a do vnútrozemia Európy sa tak dostáva vzduch od západu, ktorý je typicky teplejší a vlhký. Slabší vortex, naopak, vedie k oslabeniu západného prúdenia, a teda v zime k vyššej pravdepodobnosti vpádov studeného vzduchu do Európy. Na túto tému prinesieme samostatný článok neskôr.

Aj na južnej hemisfére má polárny vortex podobný ročný chod ako na severnej, no vzhľadom na usporiadanie pevniny, oceánov a atmosféricko-oceánických oscilácií je homogénnejší a kompaktnejší. Troposférický vortex je výrazný a so silným prúdením aj v lete (južnej hemisféry) (obr. 6 - vľavo), no je menej rozsiahly ako v zime. Stratosférický vortex na jar zaniká a v lete sa v oblasti nachádza teplá anomália s vyšším geopotenciálom a východným prúdením podobnej intenzity ako v lete severnej hemisféry, no veľký rozdiel pozorujeme v zime, kedy je vortex v stratosfére omnoho hlbší ako na severnej hemisfére (porovnaj obr. 4b a 6 v strede, farby reprezentujú iné hodnoty!) a s veľmi silným prúdením (porovnaj obr. 4b a 6 vpravo, opäť rozdielna škála!).

▲ Obr. 6 - Dlhodobý priemer 1991-2020 vybraných veličín, južná hemisféra; vľavo - 500 hpa, vietor (m/s), leto (južnej hemisféry); v strede - 10 hPa, geopotenciálna výška (gpm), zima; vpravo - 10 hPa, vietor (m/s), zima.

 

 

Literatúra:

Vysvetlenie javov a pojmov o UV žiarení a atmosférickom ozóne

Termický vietor

Waugh, D. W., A. H. Sobel, and L. M. Polvani, 2017: What is the polar vortex and how does it influence weather? Bull. Amer. Meteor. Soc., 98, 37–44

Waugh, D. W., and L. M. Polvani, 2010: Stratospheric polar vortices. The Stratosphere: Dynamics, Transport, and Chemistry, Geophys. Monogr., Vol. 190, Amer. Geophys. Union, 43–57.

Frauenfeld, O. W., and R. E. Davis, 2003: Northern Hemisphere circumpolar vortex trends and climate change implications. J. Geophys. Res., 108, 4423

Priemerné polia meteorologických prvkov: NCEP/NCAR reanalýzy