dinsdag 2 december 2014

Winterweer vooruitzichten komende 3 weken

Winterweer vooruitzichten komende 3 weken - 02-12-2014

Noot vooraf: deze middellange termijn verwachting is gebaseerd op wetenschappelijk onderbouwde feiten en maakt gebruik van onder andere diverse ensemble verwachtingen van GFS en ECMWF (MT en extended forecast), alsook van de voorziene ontwikkelingen van de stratosferische 'polar vortex' (zie hier voor meer achtergrond over deze SPV). Per week wordt in % aangegeven hoe groot de kans is dat de verwachting uitkomt.

week 1 : LICHT WINTERS (90%)
week 2 : ZACHT (80%)
week 3 : ZACHT (70%)


zeer zacht:
geen vorst noch winterse neerslag en maxima in Vlaanderen boven 8 °C.
zacht:
nauwelijks tot geen vorst noch winterse neerslag. Maxima in Vlaanderen veelal tussen 4 en 7 °C.
licht winters: 
af en toe kans op nachtvorst en slechts zeer occasioneel eventueel een ijsdag, occasioneel wat sneeuw in Vlaanderen mogelijk. Maxima in Vlaanderen veelal tussen 1 en 4 °C.
winters:
dikwijls nachtvorst en reële kans op enkele ijsdagen, eventuele neerslag die valt is vaak winters van aard (sneeuw, ijzel)
Maxima in Vlaanderen veelal tussen -2 en +2 °C. 
zeer winters:
quasi continue (matige tot strenge) nachtvorst en vaak ook overdag vrieskou. Er valt bij momenten (significante) sneeuwval. Maxima in Vlaanderen veelal onder 0 °C. 

Onderbouw:

De weerkaarten tonen een duidelijke evolutie naar een meer klassiek patroon. De hogedruk over het westen van Rusland verdwijnt nu vrij snel van de weerkaarten en nabij IJsland tonen de weerkaarten op termijn een sterke depressieactiviteit. Hogedruk gaat zich positioneren te westen van het Iberisch Schiereiland. Het is duidelijk dat we op die manier het continentale karakter van de stroming verliezen en hiermee ook de te benedengemiddelde temperaturen.

Maar deze week hebben we voorlopig nog te maken met een 'licht winters' weertype. Dit vooral omdat het Russische hogedruk, met de steun van een lagedrukgebied over het Middellandse Zeegebied, traag maar gestaag koude lucht heeft doen binnensluipen tot over de Benelux, en dit vooral in de grenslaag onder een krachtige inversie. We hebben dus deels te maken met transportkou maar vooral van grenslaagkou onder de dikke stratuslaag die ons reeds dagen bedekt. Door de aanwakkerende wind uit noordoost zal een portie koudere lucht, nu over het noorden van Duitsland, morgen woensdag België bereiken waardoor het dieptepunt van de kou wordt verwacht met maxima nauwelijks boven het vriespunt! Daarna wordt het gestaag zachter omdat de bel met koudste lucht westwaarts wordt gestuwd.

Vanaf vrijdag en zeker naar het weekend toe, en volgende week, wordt de stroming maritiem en meer zonaal van aard. Het kwik zal dan eerder schommelen rond de normale waarden voor de tijd van het jaar en dat is dan een graad of 6 à 7 overdag en rond of iets boven het vriespunt 's nachts. De kansen op regen nemen toe en ook de wind toont een duidelijk stijgende lijn in de loop van volgende week.

Ook in week 3 (pakweg 15-25 december) lijkt zich geen echt winterweer in te zetten. De T850 lijkt te schommelen tussen 0 en -5° zodat de kans op zacht weer of hoogstens 'licht winters' weer vrij groot is. De kansen op zeer zacht weer met maxima richting 10 graden lijken erg klein, daarvoor is onder meer de stroming niet zuidelijk genoeg. De clusterverwachting van ECMWF geeft vanaf volgende week op 500 hPa een continue een zwakke rug over het oosten van de Atlantische Oceaan en een meer uitgesproken trog over Centraal/Oost-Europa. Wij bevinden ons gemiddeld in een  noordwestelijke hoogtestroming met aanvoer van subpolaire luchtmassa's met bijhorende seizoensnormale temperaturen en eveneens inherente verstoorde lucht.

De evolutie van de stratosferisch polar front (SPV) is evenmin gunstig voor stijgende kansen op winters weer. Actueel vertoont de SPV nog enigszins een wave-2 configuratie maar dit degradeert snel richting een wave-1 fase en uiteindelijk een vrij strak circulair patroon. M.a.w. de SPV herwint aan sterkte en van een nakende 'stratospheric sudden warming' (SSW) is voorlopig geen sprake (zie GFS kaarten voor 10 hPa hieronder). 


Nu, erg verwonderlijk is dit niet want die komen doorgaans pas voor in de periode tussen eind december en midden februari, als ze al komen. Ik wil wel benadrukken dat koudegolven perfect kunnen zonder SSW, bewijze de koudegolf twee weken terug over delen van de VS.

Alles samen lijken de kansen op winters weer tot 20-25 december beperkt te blijven.

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.

De SPV wint de laatste jaren flink aan aandacht omdat meer en meer studies een link leggen tussen het gedrag van deze SPV en het weer. Vooral enkele koudegolven zijn bijvoorbeeld gelinkt aan deze SPV en vooral in de VS is de SPV intussen flink gehyped.

Om de komende weken en maanden alle misverstanden de wereld uit te helpen (het is ijdele hoop, ik weet het maar toch) tracht ik hier beknopt samen te vatten waar het allemaal over gaat.

Wat is de Stratosferische polar vortex echt?

Eerst en vooral: wat is nu die SPV? Wel, het is een gebied van erg koude lucht dat zich tijdens de donkere koude poolwinters manifesteert op grote hoogte (20-40 km), dus pakweg van november tot eind februari op het noordelijk halfrond. In de zomer is de SPV afwezig. Op beide polen is er sprake van zo'n SPV maar over het zuidelijk halfrond is de wervel sterker en stabieler. Over het noordelijk halfrond is deze wervel een stuk onrustiger en dat heeft nu net zo zijn consequenties. 



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.

Een andere, erg uitgesproken, SSW deed zich voor voorafgaand op de koudegolf van januari 1985. Onderstaande schema toont een temperatuurstijging begin januari van -65° tot -30° op een paar dagen tijd. Op dezelfde grafiek zien we overigens een andere sterke SSW midden februari 1984, waarna eveneens een koude periode aanbrak.


Er zijn nog factoren die invloed hebben op het gedrag van de SPV en SSW, zoals de Quasi-Biennial Oscillation (QBO) en de aanwezigheid van een El-Nino (en de eraan gekoppelde El-Nino Southern Oscillation (ENSO). Hier ga ik in dit artikel niet op in. Het volstaat te vermelden dat er een verhoogde kans bestaat op een zwakkere SPV wanneer de QBO zich bevindt in een negatieve (oostelijke) fase. Rond ca. 30 hPa zien we dan een oostelijke jet boven de evenaar. Een oostelijke en westelijke fase wisselen elkaar af met een periode van ca. 27 maanden. Vervolgens zakt deze jet zeer traag naar beneden wat in onderstaande tijdreeks goed is te zien. Eens bij de tropopauze aangekomen (rond 100 hPa) stopt de neerwaartse progressie, maar tegen die tijd is de fase op 30 hPa alweer omgedraaid. Een negatieve QBO zien we op de grafiek op jaar 2, 4 en 6. De herhaling doet zich dus voor met een periode van ruim 2 jaar.

Tenslotte heeft ook de zonneactiviteit een rol te spelen in gans het verhaal, waarbij men stelt dat perioden met een zonnevlekkenmaximum de triggering van een SSW zou bevorderen.

We kunnen dus stellen dat perioden met een krachtige en goed gesloten SPV worden afgewisseld met perioden waar de SPV zeer wispelturig is en gemakkelijk breekt en opwarmt. Hieronder eerst een animatie van de evolutie naar een zwakke SPV.

Hier  een voorbeeld van een vrijwel onverstoorde stevige SPV met constante koude kern.

Voorspellende waarde van de SPV


Wat kunnen we nu met deze SPV? Wel, het gedrag van de SPV wordt gemonitord door zowel satellietgegevens als modeldata en deze zijn online terug te vinden op diverse websites. In principe kunnen we dus de SPV in de gaten houden op bv. 10, 20 of 30 hPa. Wanneer de SPV begint te sputteren (te zien aan de kerntemperatuur, de vorm of de sterkte van de PNJ), kan dit in de nabije toekomst zijn uitwerking hebben op het algemene weerpatroon. Zeker bij een wavenumber-2 configuratie (spitting) zal de SSW prominent aanwezig zijn. In zo'n situaties moeten we rekening houden met een verhoogde kans op een negatieve AO en bijhorende meanderende en zuidwaarts zakkende straalstroom. Dit opent 'potentieel' de deuren van de noordelijke ijskast. Voor Centraal/Oost-Europa en Continentaal-Amerika gaat dit nog het best op. Tussen het inzetten van een SSW en de interactie op de polaire jet zit een 10 à 14 dagen tijd. Vandaar dus ook het enigszins 'voorspellende' karakter van wat er hoog in de stratosfeer gebeurt...in theorie althans.

Helaas bevinden wij ons nabij de Oceaan en is het zelfs in een zogenaamde winterse configuratie op de weerkaarten, nooit zeker in hoeverre het winterweer echt zal doorbreken en zal standhouden. We moeten dus maar uitgaan van stijgende kansen op koud winterweer maar details kunnen het verschil maken in zo'n situaties tussen kil kwakkelweer en een stevige koudegolf...

Recente studies leggen een link tussen de omvang van het poolijs en interacties met de SPV. In die zin dat een afname van het poolijs evenredig is met een frequenter voorkomen van SSW's. De relatief koude winters die we sinds 2000 gekend hebben, hier en in de VS, zou daar een aanwijzing kunnen voor zijn. En zo strookt de hypothese dat een klimaatopwarming onrechtstreeks voor het bizarre gevolg kan hebben dat het aantal koudegolven kan toenemen.

In een volgende blog bespreek ik de actuele situatie van de SPV en bijhorende kansen voor ons winterweer.