Table of Contents

Понимание полярного вихря: механика, сбои и глобальные последствия

Когда синоптики предупреждают о «полярном вихре», это сигнализирует о прибытии некоторых из самых влиятельных зимних погодных условий, испытываемых умеренными регионами. Несмотря на его популярную связь с простыми похолоданиями, полярный вихрь является сложной, многослойной атмосферной особенностью, поведение которой интенсивно изучается метеорологами и климатологами. Всестороннее понимание полярного вихря, его физической механики, факторов, которые вызывают его ослабление или сдвиг, и глубокие последствия этих изменений на погодных условиях по всему миру имеет важное значение для подготовки к экстремальным холодным событиям.

Полярный вихрь: два слоя, одна система

Полярный вихрь — это не единая сущность, а скорее стойкий крупномасштабный циклон, который существует в двух различных слоях атмосферы: тропосфере и стратосфере, как подробно описано в Атлантической океанографической и метеорологической лаборатории NAA.

Тропосферный полярный вихрь

Эта нижняя часть вихря простирается от поверхности примерно до 10-15 километров в высоту и является синонимом полярного струйного потока. Она напрямую связана с температурным градиентом между холодной Арктикой и более теплыми средними широтами. Этот вихрь является постоянной особенностью зимнего полушария и непосредственно управляет погодными системами. Когда «полярный вихрь» вызывает похолодание, он обычно включает в себя нарушение этого тропосферного компонента.

Полярный вихрь Стратосферы

Расположенный выше в атмосфере, примерно в 15-50 километрах над поверхностью, стратосферный полярный вихрь имеет гораздо более сильную и стабильную циркуляцию. Он образуется при отсутствии сильного солнечного нагрева в течение полярной ночи и вращается со скоростью, превышающей 200 км/ч на его краю. Хотя он находится высоко над поверхностью, его структура оказывает значительное влияние на тропосферный вихрь ниже - явление, известное как динамическая связь. Внезапные изменения в стратосферном вихре часто предшествуют крупным вспышкам холодного воздуха на поверхности на одну-три недели.

Физическая механика полярного вихря

Существование полярного вихря является прямым следствием геометрии Земли и вращения.Королевское метеорологическое общество объясняет, что сезонный цикл является его главным контролем.

Цикл формирования

По мере того, как Арктика спускается в зимнюю темноту, поверхность резко охлаждается. Это охлаждение охлаждает наводящий воздух, заставляя его сжиматься и опускаться, создавая глубокую область низкого давления на полюсах. Вращение Земли затем вращает эту холодную, плотную воздушную массу в мощную против часовой стрелки циркуляцию. Вихрь формируется осенью, укрепляется зимой и распадается весной, когда солнце возвращается и полярная область нагревается.

Реактивный поток как барьер

Полярный струйный поток отмечает границу между холодной полярной ячейкой и более теплой ячейкой Ферреля. В сильном, стабильном вихревом состоянии струйный поток течет относительно прямым, зональным путем с запада на восток. Это действует как атмосферный забор, ограничивая самый холодный арктический воздух высокими широтами. Сильный вихрь коррелирует с более мягкой зимней погодой для средних широт, так как холодный воздух заперт.

Скорость вихря

Сильная, здоровая вихрь имеет плотную, симметричную форму с высокими скоростями ветра. Его прочность часто количественно определяется индексом арктического колебания (AO). Положительная фаза АО соответствует сильному вихре, в то время как отрицательная фаза АО указывает на слабый, смещенный вихрь, который благоприятствует вспышкам холодного воздуха.

Что ослабляет полярный вихрь?

В то время как вихрь является прочной особенностью зимней атмосферы, он подвержен разрушению.Основным механизмом ослабления является впрыск энергии из тропосферы в стратосферу в виде атмосферных волн планетарного масштаба, известных как волны Россби.

Россби Уэйвс и Wave Breaking

Большие горные хребты и контрасты температуры суши и моря порождают массивные волнообразные колебания в струйном потоке, известном как волны Россби. Когда эти волны становятся исключительно большими, они могут распространяться вверх в стратосферу. Там они ломаются к краю стратосферного полярного вихря, подобно океанским волнам, разбивающимся на берегу. Этот процесс сжимает и нагревает стратосферу, замедляя вихрь. Если откладывается достаточное количество энергии волны, вихрь может сильно искажаться.

Внезапное стратосферное потепление (SSW)

Это самое драматичное выражение ослабленного полярного вихря. Во время SSW разрыв волн Россби приводит к повышению температуры в стратосфере на несколько десятков градусов Цельсия в течение нескольких дней. Это быстрое потепление эффективно разрушает вихревую циркуляцию. Вихрь может быть либо полностью смещен с полюса, либо разделен на два или более дочерних вихря. Эти события сильно коррелируют с сильными вспышками зимней погоды в последующие недели.

Арктическое усиление

В значительной степени исследованная область в науке о климате - это роль арктического усиления - тот факт, что Арктика нагревается примерно в четыре раза быстрее, чем в среднем по миру, как подробно изучено этим Краткое объяснение углерода по арктическому потеплению и зимней погоде . Это быстрое потепление уменьшает температурный градиент север-юг, который является основным источником энергии для струйного потока. Более слабый температурный градиент может привести к более слабому, более шаткому струйному потоку, что, в свою очередь, облегчает образование и распространение волн Россби в стратосферу, увеличивая частоту вихревых сбоев.

Паттерны разрушения: перемещение против разделения

Когда полярный вихрь ослабевает, он не просто исчезает, он принимает различные конфигурации, каждая со своим набором последствий для погодных условий в умеренном климате.

Вортексное вытеснение

В случае перемещения вихрь сбивается с типичного положения, сосредоточенного над Северным полюсом. Он может смещаться над Сибирью, Скандинавией или северной Канадой. Это толкает холодный арктический воздух впереди себя, затопляя среднеширотные регионы экстремальным холодом. Например, смещение вихря в сторону Европы является классической установкой для события «Зверь с Востока», где горько холодный воздух из Сибири тянутся через Западную Европу.

Вортекс расщепляется

Это часто более эффектный и разрушительный паттерн. Во время раздвоения вихрь распадается на два или три различных центра вращения холодного воздуха. Эти дочерние вихри могут затем мигрировать на юг самостоятельно. Когда одна из этих долей оседает над Соединенными Штатами или Европой, она может припарковать глубокую заморозку над регионом на длительный период.

Влияние на умеренный климат

Разрыв полярного вихря простирается далеко за Полярный круг. Его последствия наиболее остро ощущаются в населенных умеренных регионах, которые часто плохо оснащены для длительного лечения экстремального холода.

Северная Америка

Вспышки холодного воздуха, связанные с полярным вихрем, являются основной особенностью североамериканских зим. Когда вихрь смещен или расколот, Восточные и Центральные Соединенные Штаты часто несут основную тяжесть. Плоская топография внутреннего континента позволяет арктическому воздуху подниматься на юг с небольшими барьерами, достигая побережья Мексиканского залива. Февраль 2021 года Техасская холодная волна, которая возникла из-за крупного вихревого раскола, вызвала катастрофические перебои в подаче электроэнергии и, по оценкам, ущерб в размере 195 миллиардов долларов, как документально подтверждено в исследовании 2022 года AGU на североамериканской холодной волне в феврале 2021 года .

Европа

Зимняя погода в Европе очень чувствительна к фазе Североатлантического колебания (НАО), которая плотно связана с полярным вихрем. Сильный вихрь обычно соответствует положительному НАО, принося мягкие влажные ветры из Атлантики. Слабый или смещенный вихрь благоприятствует отрицательному НАО, которое может блокировать Вестерли и позволять холодному, сухому воздуху вытекать из Сибири. Это может привести к длительным холодным периодам и сильным снегопадам в обычно мягких районах, напрягающим энергетические сети и транспорт.

Азия

Восточная Азия, особенно Китай, Япония и Корея, испытывает некоторые из самых экстремальных вспышек холодного воздуха на планете. Они часто связаны с усилением или смещением Сибирского максимума, на который влияет полярный вихрь. Когда вихрь растягивается, он может воронить интенсивно холодный воздух из сибирского интерьера на юг, принося рекордные снегопады в крупные города и вызывая широко распространенные разрушения.

Прогнозирование полярного вихря: как ученые отслеживают его

Учитывая его глубокое воздействие, значительные ресурсы выделяются на мониторинг и прогнозирование состояния полярного вихря. Синоптики используют комбинацию наблюдательных данных и сложных компьютерных моделей.

Ключевые показатели и индексы

Индекс арктического колебания (АО) является основным показателем, используемым для отслеживания состояния тропосферного полярного вихря. Сильно отрицательный АО является четким сигналом того, что вихрь слабый и что холодный воздух, вероятно, разливается в средние широты. Для стратосферного вихря синоптики отслеживают скорости ветра на уровне 10 hPa и температурные градиенты вокруг полосы широты 60 ° N. Обращение направления ветра на этом уровне с запада на восток является окончательным показателем крупного события SSW.

Роль ансамбля в прогнозировании

Прогнозирование сбоев вихря, особенно событий SSW, является сложной задачей после двухнедельного периода. Центры прогнозирования полагаются на модели ансамбля - запуск десятков или сотен симуляций с немного отличающимися начальными условиями. Если значительная часть этих членов ансамбля прогнозирует раскол вихря или смещение в диапазоне 10-20 дней, уверенность в прогнозе возрастает. Этот вероятностный подход позволяет заранее предупреждать о потенциальных угрозах зимней погоды.

Распространенные заблуждения о полярной вихре

Несмотря на широкое использование в метеорологической связи, полярный вихрь часто неправильно понимается.Расчистка этих заблуждений важна для точного понимания общественностью.

Заблуждение 1: Полярный вихрь — новое явление

Далеко не новое или редкое событие, полярный вихрь - постоянная черта атмосферы Земли. Он присутствует каждую зиму. Он входит в общественное сознание только тогда, когда ослабевает и позволяет холодному воздуху вырваться за его пределы. Сам термин стал популяризирован СМИ зимой 2013/2014 года, но метеорологической концепции уже десятилетия.

Заблуждение 2: Полярный вихрь вызывает холодную погоду

Не каждый холодный день зимой вызван полярным вихрем. Многие вспышки холодного воздуха регулируются синоптической системой погоды и региональными моделями давления. Истинное событие полярного вихря конкретно включает в себя разрушение стратосферного вихря, который соединяется с тропосферой, что приводит к крупномасштабной, постоянной перестановке холодного воздуха. Пробеги-за-мельница зимние похолодания часто являются просто результатом системы высокого давления, блокирующей струйный поток.

Заблуждение 3: Полярный вихрь — зимний циклон

В то время как полярный вихрь является циклоном, он является огромной, макромасштабной особенностью глобальной атмосферной циркуляции. Это не дискретная штормовая система, как метель или бомбовый циклон. Это резервуар холодного воздуха, из которого зимние бури черпают свою энергию. Термин не должен использоваться как синоним зимнего шторма; это основная причина холодного образца, который позволяет таким бурям формироваться.

Резюме и выводы

Полярный вихрь является опорой зимней климатической системы Северного полушария. Его поведение диктует тяжесть и место самых холодных вспышек сезона. С точки зрения прогнозирования улучшается способность предсказывать внезапные события стратосферного потепления и вихревые расколы, обеспечивая больше времени для подготовки обществ к экстремальным холодам.

Ключевые выводы из этого исследования включают:

  • Полярный вихрь имеет две части: Тропосферный вихрь (связанный с струйным потоком) и стратосферный вихрь (высотная циркуляция ветра).Нарушения стратосферного вихря часто предшествуют поверхностным холодным волнам.
  • Перерывы вызваны переносом энергии: Большие волны Россби могут распространяться вверх в стратосферу, ослабляя или разрывая вихрь, приводя к смещению или расщеплению событий.
  • Изменение климата может сыграть свою роль: Предполагается, что усиление Арктики увеличивает частоту вихревых сбоев за счет ослабления струйного потока, хотя это активная область исследований.
  • Последствия являются серьезными и широко распространенными: С 2021 года, когда Техас замерз, а европейские звери с востока, сбои нанесли значительный экономический ущерб и привели к гибели людей.
  • Прогнозирование продвигается: Модели прогнозирования сборки все более и более опытны в прогнозировании вероятности нарушения вихря за несколько недель до этого.

По мере того, как глобальный климат продолжает меняться, понимание сложного танца между Арктикой, струйным потоком и полярным вихрем останется главным приоритетом для ученых и синоптиков. Для общественности информирование о состоянии полярного вихря открывает ценное окно в потенциал экстремальной зимней погоды в ближайшие недели.