Studený začiatok jari v globálnych súvislostiach

Dôsledky negatívnej fázy Arktickej oscilácie, rozpadu polárneho vortexu a ústupu arktického zaľadnenia

V minulom roku bola jar v tomto čase v plnom prúde a denné teploty sa začiatkom apríla šplhali už takmer k letným 25 °C. Podobne tomu bolo napríklad aj v roku 2011 či 2009. Tento rok však namiesto príjemného jarného počasia pretrváva, a to nielen v našich končinách, už minimálne od polovice marca chladné počasie s teplotami, ktoré by boli normálne skôr pre druhú polovicu januára. Podľa teplotných záznamov ide dokonca o jednu z najchladnejších periód druhej polovice marca od roku 1951. Doslova nevľúdny začiatok tohtoročnej jari navyše v posledných marcových dňoch umocňovali aj časté zrážky, ktoré pri takto nízkych teplotách (8-12 °C pod normálom 1961-1990; Zdroj) vypadávali na mnohých miestach Slovenska stále vo forme sneženia. Navzdory presvedčeniu, že takýto charakter počasia je v našej oblasti niečím novým, pohľad do archívu klimatologických záznamov ponúka trochu iný pohľad. Už len jednoduché porovnanie priemernej marcovej teploty s dlhodobým normálom poukazuje na fakt, že aj keď išlo o najchladnejší marec od roku 1996, teplotne bol stále v rámci normálu (v Hurbanove bola odchýlka -1,8 °C v porovnaní s obdobím 1961-1990). 

Obr. 1: (hore) Odchýlky priemernej teploty vzduchu za obdobie od 14. do 20. marca 2013 od dlhodobého priemeru za obdobie 2005-2012 (údaje získané pomocou spektrorádiometru MODIS umiestneného na družici NASA AQUA); (dole) - vývoj indexu Arktickej oscilácie v období od 1. januára do 1. apríla 2013

Zdá sa, že sme si od podobne chladného marcového počasia už odvykli. Ešte v 70. rokoch minulého storočia boli však takéto jarné ochladenia celkom bežné. Či však podobný charakter počasia je normálny aj inde v Európe alebo v Severnej Amerike je už otázne, pretože mimoriadne chladno na konci marca nebola len u nás (Obr. 1 hore). Práve ohromný priestorový rozsah marcového ochladenia je veľmi pozoruhodný a celkom určite súvisí s nie príliš štandardnými veľkopriestorovými cirkulačnými podmienkami na severnej pologuli. Podobne, či dokonca ešte chladnejšie počasie totižto zasiahlo celú severnú polovicu euroázijskeho, ako aj severoamerického kontinentu. Celá rozsiahla oblasť od Portugalska až po Vladivostok na tichomorskom pobreží Ruska zaznamenala v druhej polovici marca výrazne podnormálne teploty a relatívne chladnejšia bola aj Kanada a severovýchod Spojených štátov amerických. Jedinou  výnimkou bolo Grónsko, kde napríklad v dňoch od 14. do 20. marca bolo miestami teplejšie až o 15 °C, a veľká časť strednej Ázie (Kazachstan, Mongolsko, južná Sibír). Len na okraj možno uviesť, že vo Veľkej Británii zaznamenali 4. najchladnejší marec od roku 1962 a v Nemecku išlo dokonca o najchladnejší marec od roku 1883. Rekordne nízke teploty boli registrované v tomto období aj na území Českej republiky.

Je skutočné normálne, aby v tomto čase boli rozsiahle oblasti miernych šírok tak studené, zatiaľ čo Arktída sa vyhrieva v takmer jarných teplotách? Zodpovedať otázku, prečo k tejto situácii došlo, nie je jednoduché, no kľúčom k porozumeniu širších súvislostí môže byť celkový obraz o tom, čo sa v priebehu, nielen poslednej zimy, udialo s cirkuláciou vzduchu v miernych zemepisných šírkach, a hlavne v priestore severne od Európy, v Arktíde.          

Charakter počasia v Európe a na Slovensku, nielen v priebehu zimy, utvára hlavne Atlantický oceán a Arktída. Ak zoslabne cirkulácia medzi oceánom a pevninou, vplyv na počasie na našom kontinente prevezme tlaková výš nad Ruskom a spolu s ňou tlakové níže, ktoré sa vytvárajú v oblasti Stredomoria (Obr. 4). Zmierňujúci efekt Atlantiku tak zoslabne a vytvorí sa priestor pre väčšiu teplotnú, a v neposlednom rade aj zrážkovú extémnosť. Podobne tomu bolo aj počas tejto zimy (december 2012 - február 2013), ktorá bola zvlášť pozoruhodná najmä z pohľadu veľmi bohatých a častých zrážok. Vďaka veľkej oblačnosti sa počas zimy nevyskytli silnejšie mrazy a preto zima skončila na väčšine územia Slovenska ako teplotne normálna, relatívne teplejšia bola vo východnej polovici krajiny.

Obr. 2: Vývoj výšky geopotenciálu na hladine 50 hPa v priebehu januára 2013 (Zdroj) naznačuje rozpad polárneho vortexu na dve samostatné časti - ako vidieť väčšia z oboch zasiahla v priebehu januára vnútrozemie Ruska a Sibíri, kde spôsobila ďalšiu vlnu studeného počasia
 

Poďme si ale celý marec 2013 trochu viac zosumarizovať a uviesť to celé do prehľadnej globálnej, ako aj historickej perspektívy. Prvá dekáda marca bola veľmi teplá s maximálnymi teplotami až do 18 °C. Situácia sa však v druhej polovici mesiaca radikálne zmenila a zo severu k nám prenikol veľmi studený, pôvodom arktický vzduch. V poslednej marcovej dekáde navyše v oblasti Severného ľadového oceánu a Grónska zmohutnela tlaková výš a z nej sa mimoriadne studený vzduch vylial najprv do severnej, a neskôr aj do strednej a západnej Európy. Už v zimnom období boli však v oblasti Arktídy pozorované kladné odchýlky teploty a tlaku vzduchu od dlhodobého priemeru. 

Obr. 3: Vývoj odchýlok výšky geopontenciálu na hladine 500 hPa v období od 3. marca do 1. apríla 2013 poukazuje na existenciu výraznej blokujúcej tlakovej výše nad Grónskom a centrálnou Arktídou (červené odtiene), a rozpadnutú oblasť polárneho vortexu (modrá farba; Zdroj)

Tento vývoj spôsobil zoslabnutý polárny vír (vortex, Obr. 3), ktorý sa v zimnom období v tejto oblasti prehlbuje. Za určitých situácií dochádza k jeho deštrukcii a rozdeleniu na niekoľko samostatných stredov (väčšinou na dve až tri samostatné časti). V takom prípade môže byť tento vír vystriedaný tlakovou výšou, k čomu práve došlo v druhej polovici marca. Deštrukciu polárneho vortexu môže spôsobovať viacero faktorov (okrem iných to môžu byť aj chaotické procesy v zemskej atmosfére). Tento jav bol pozorovaný už viackrát v minulosti a jeho rozpad následne spôsoboval tuhé zimy aj v strednej Európe. 

K podobnej situácii prišlo napríklad presne pred 50 rokmi, kedy sa v Európe vyskytla mimoriadne tuhá zima porovnateľná s najtuhšími zimami počas tzv. malej doby ľadovej. V januári a februári 1963 zamrzla ako londýnska Temža, tak aj celý Dunaj od Viedne až po Izmail na Ukrajine (na hranici s Rumunskom). Odvtedy už Dunaj na tak veľkej ploche nezamrzol. Netypické je, že k podobnej situácii tento rok prišlo až v druhej polovici marca, ktorá rozmiestnením tlakových útvarov pripomínala práve zimu 1962/1963. Ak by k tomu došlo o mesiac, dva skôr, situácia by mohla mať ešte dramatickejší priebeh. Na severe Slovenska by mohli klesať minimálne teploty hlboko pod -30 °C a na juhu by sme mohli mať takmer pol metra snehu. Práve také javy sa vyskytovali počas zimy 1962/1963. 

Najnovšie výskumy meteorológov a klimatológov v zahraničí naznačujú, že na zoslabnutie a rozpad polárneho víru môže mať vplyv aj dlhodobo teplotne nadnormálne počasie v oblasti Arktídy, ktoré možno vidieť ako dôsledok výrazného ústupu plochy morského zaľadnenia v oblasti Severného ľadového oceánu v posledných rokoch. Ak volná hladina oceánu vystrieda biely povrch ľadu, v celej oblasti sa zmenia podmienky bilancie žiarenia, ako aj celkovej energetickej bilancie. Tmavší povrch oceánu neodráža toľko slnečného žiarenia späť do kozmického priestoru ako povrch ľadu. To sa prejaví jednoducho v tom, že celý systém (oceán-atmosféra) sa začne viac ohrievať, čo má následne dôsledok aj v odlišnom priestorovom rozložení tlaku vzduchu nad zemským povrchom a vo vyšších častiach troposféry. V teplejšej arktickej atmosfére vzduch stúpa do vyšších troposférických vrstiev, kde buduje oblasť vyššieho tlaku vzduchu (prejavuje sa to napríklad aj v náraste výšky geopotentiálnych hladín, predovšetkým na úrovni 500 hPa). Za normálnych podmienok by tu mal byť ale tlak nižší (polárny vortex). Narastajúci tlak vo vyšších hladinách a budovanie veľmi výrazných tlakových výši blokuju prúdenie vzduchu, ktoré tradične v tejto oblasti smeruje od západu na východ (smerom do polárneho vortexu). 

Obr. 4: V dôsledku oslabeného polárneho vortexu a negatívnej fázy Arktickej oscilácie aktická vzduchová hmota preniká ďaleko na juh až do Stredomoria, kde podporuje intenzívnu cyklogenézu - tvorbu hlbokých tlakových níži, ktoré sa v priebehu zimy 2012/2013 a marca 2013 pomerne často dostávali aj do našej oblasti a spôsobovali časté a intenzívne sneženie alebo dažďové zrážky (Zdroj: SHMÚ)

Tieto nové tlakové a najmä teplotné pomery majú teda tendenciu destabilizovať nielen polárny vír, ale aj polohu a dráhu jet streamu (Obr. 5), ktorá sa začína výrazne vlniť, čo sa prejavuje tým, že samotný jet stream vo svojich „oblúkoch“ ustupuje viac na juh, ale aj viac na sever. Prúdenie pozdĺž rovnobežiek je tak vystriedané „extrémnejším“ severojužným prúdením, ktoré dokáže v priebehu veľmi krátkeho obdobia transportovať značné objemy teplého vzduchu na sever do Arktídy. Teplý vzduch tak v oblasti Arktídy nahrádza studený arktický vzduch, ktorý nemá inú možnosť, len sa odsunúť južnejšie do miernych šírok. A presne k tomuto došlo aj na začiatku poslednej zimy. Výsledkom bol jeden z najchladnejších začiatkov zimy v Rusku, kde sa na rozsiahlej ploche začala budovať pomerne vysoká a trvalá snehová pokrývka (na okraj možno uviesť, že toto bol jeden z ďalších dôvodov veľmi studeného začiatku jari u nás). Väčšie množstvá snehu navyše podporil aj väčší výpar z teplejšieho Severného ľadového oceánu. Okrem toho, s týmto nie príliš štandardným vývojom cirkulačných podmienok súviselo aj prehlbovanie Arktickej (AO) a Severoatlantickej oscilácie (NAO), ktorých indexy, najmä v prípade AO, dosiahli v druhej polovici marca 2013 takmer rekordne nízke hodnoty. 

Obr. 5: (hore) Porovnanie priemernej polohy jet streamu z 80. rokov 20. storočia s polohou z dnešného obdobia (Zdroj); (dole) Video zachytáva časť prednášky Dr. Jennifer Francis o prepojení otepľovania Arktídy s výskytom extrémneho počasia v miernych zemepisných šírkach severnej pologule (Zdroj)

Za normálnych podmienok by dostatočne hlboký polárny vír spolu s menej vlnitým jet streamom vytvárali pre studený vzduch určitú prekážku. Vortex aj jet stream arktický vzduch doslova držia v oblasti, kde pôvodne vzniká, teda v Arktíde, a nedovoľujú mu prenikať ďalej na juh. Pokiaľ sa arktický vzduch aj vydá do južnejších šírok, prúdi zväčša ponad severozápadný Atlantik a do Európy sa už dostáva v podobe transformovaného teplejšieho vzduchu, ktorý sa cestou ohrieva na teplými vodami Atlantického oceána. No ak je polárny vír zoslabnutý a rozdelený na viacero samostatných stredov, studenému vzduchu nič nebráni vylievať sa aj do európskeho vnútrozemia, a to dokonca aj po trajektóriách, ktoré nie sú až tak obvyklé (napríklad ponad snehom pokryté oblasti Ruska alebo severnej Škandinávie). Takáto situácia potom rozkolíše aj cirkulačné procesy nad celou Európou, vytvárajú sa výrazné teplotné rozhrania, s ktorými je spojená intenzívna zrážková činnosť, či už vo forme sneženia alebo dažďa. Iniciatívu za týchto podmienok potom preberajú stredomorské cyklóny. Kým do východnej časti Európy za takýchto situácii prúdi od juhu teplý vzduch, do západnej studený. Slovensko sa často nachádza na rozhraní vzduchových hmôt, a preto je počasie veľmi nestále a vlhké, pričom sa môžu vyskytovať ako snehové fujavice, tak aj povodne.

Takáto situácia môže pretrvávať aj relatívne dlhý čas, modelovým príkladom bola práve zima 1962/63, kedy takéto cirkulačné procesy prevládali v priebehu viac ako troch mesiacov. Aktuálne prognostické modely naznačujú, že podobný charakter počasia, ako bol v poslednej marcovej dekáde, môže trvať približne do začiatku druhej dekády apríla, potom by sa malo výraznejšie otepliť. Aj keď druhá polovica apríla bude zrejme premenlivá, celkovo by malo prevládať už teplejšie počasie.

Autori textu: Mgr. Jozef Pecho, Mgr. Pavel Matejovič, Ph.D.


Zdroje
www.nun.sk
http://modis.gsfc.nasa.gov/
http://aqua.nasa.gov/
http://climatemap.blogspot.cz/2013/03/klimaticka-zmena-v-arktide-prebieha.html 
http://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=80804&src=share 
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/pna/nao.shtml
http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/precip/CWlink/daily_ao_index/ao.shtml
http://www.wunderground.com/blog/JeffMasters/comment.html?entrynum=2370
http://www.milanlapin.estranky.sk/clanky/aktualne-zmeny-teploty-na-slovensku/
http://www.shmu.sk/sk/?page=1&id=klimat_operativneudaje1
http://www.washingtonpost.com/blogs/capital-weather-gang/wp/2013/03/21/record-blocking-patterns-fueling-extreme-washington-d-c-march-weather/
http://www.wunderground.com/blog/JeffMasters/comment.html?entrynum=2065 
http://www.metoffice.gov.uk/news/releases/archive/2013/cold-march-statistics
http://www.themoscowtimes.com/mobile/news/article/477498.html
http://www.spiegel.de/international/europe/cold-german-winter-refuses-to-warm-up-for-easter-a-891468.html
http://praguemonitor.com/2013/03/25/cold-weather-breaking-records
http://sphere.ssec.wisc.edu/20130104/