Moni varmaan muistaa polaaripyörteen viime talven sääotsikoista, kun helmikuussa tapahtunut polaaripyörteen hajoaminen toi lopputalvesta kovat pakkaset Etelä-Suomeen.

Tänä talvena sama ilmiö tapahtui uudelleen. Tammikuun 1. päivä 2019 yläilmakehän suihkuvirtaus kääntyi polaaripyörteen hajoamisen seurauksena itäiseksi, ja tällä hetkellä oikeastaan kaikki pitkän ajan sääennusteet povaavat normaalia kylmempää lopputalvea.

Mahdollisuus kovillekin pakkasille on olemassa, koska talven tilastollisesti kylmimmät ajat koetaan vasta tammi–helmikuun vaihteessa. Mutta mikä tämä polaaripyörre on, ja miten sen hajoaminen ennakoi kylmää säätä Suomeen?

Polaaripyörre on kuin laaja matalapaine yläilmakehässä, löytyen nimensä mukaisesti polaarialueiden yltä. Polaaripyörteessä itsessään ei ole mitään normaalista poikkeavaa, vaan se on jokatalvinen ilmiö, joka syntyy talvipallonpuoliskon ylle ilmakehän voimakkaan jäähtymisen seurauksena. Polaaripyörre ei siis normaalisti sijaitse Suomen päällä, vaan pyörteen keskus löytyy pohjoisnavan yläpuolelta.

Stratosfäärin ja troposfäärin polaaripyörre. Lähde Waugh ym., BAMS, Jan 2017

Polaaripyörre sijaitsee korkealla stratosfäärissä, joka on ilmakehän toiseksi alin kerros noin 30 kilometrin korkeudella. Normaalit sääilmiöt, kuten pilvet rajoittuvat puolestaan ilmakehän alimpaan kerrokseen, jota kutsutaan troposfääriksi.

Polaaripyörre kätkee sisäänsä hyvin kylmää ilmaa: jatkuva säteilyjäähtyminen maan varjossa saa pakkasen laskemaan stratosfäärissä jopa –90 asteeseen. Suuri lämpötilaero napa-alueiden ja tropiikin välillä muodostaa polaaripyörteen ympärille voimakkaan suihkuvirtauksen, jossa tuuli puhaltaa jopa sata metriä sekunnissa lännestä itään.

Vahvan polaaripyörteen aikana myös alailmakehän länsivirtaukset ovat voimakkaita. Silloin kylmät ilmamassat pysyvät poissa eteläisiltä leveysasteilta, ja Suomessa on yleensä normaalia talvisäätä, jossa pakkanen ja lauhduttavat matalapaineet vuorottelevat.

Luitko jo?

Miten tuuli syntyy?

Alailmakehän suihkuvirtauksilla on kuitenkin tapana muodostaa pitkiä aaltoja, joita meteorologien keskuudessa kutsutaan Rossby-aalloiksi. Toisinaan, keskimäärin joka toinen talvi, tällaiset pitkät aallot voivat edetä alailmakehästä yläilmakehän puolelle. Ne kuljettavat sinne samalla lämmintä ilmaa. Näin lämpötila yläilmakehässä nousee äkisti: jopa yli 70 astetta muutamassa päivässä.

Joulukuun alussa meteorologit ja ilmastotutkijat alkoivat seurata tilannetta tarkemmin, kun yläilmakehän sääennusteissa alkoi olla merkkejä voimakkaasta lämpöpulssista. Samaan aikaan kun koko Suomessa nautittiin valkeasta joulusta ja pakkasista, 45 kilometrin korkeudessa Etelä-Suomen yllä lämpötila kohosi yli +30 asteeseen. Näin lämmin ilma ei kuitenkaan ollut peräisin tropiikista, vaan lämmin aalto johtui voimakkaista laskevista ilmavirtauksista. Fysiikan lakien mukaan nimittäin laskeutuvan ilman lämpötila nousee, koska sen paine kasvaa. Sama ilmiö tapahtuu polkupyörän rengasta pumpatessa: pumppu lämpenee koska sen sisällä paine kasvaa.

It may be white Christmas and so on, but take a look at the forecast temperatures above Finland high up in the stratosphere: +41°C on 23 Dec.

This phenomenon is called ”Sudden Stratospheric Warming”, and it can have implications for the weather in Europe during Jan-Feb period. pic.twitter.com/N2Rd01LF75

— Mika Rantanen (@mikarantane) December 18, 2018

Tämä lämmin aalto halkaisi napa-alueiden polaaripyörteen kahtia, ja sen seurauksena uudenvuodenpäivänä suihkuvirtaus yläilmakehässä kääntyi itäiseksi.

Yläilmakehän äkkilämpeneninen ja sitä seuraava polaaripyörteen heikkeneminen on yksi vaikuttavimmista tapahtumista koko maapallon ilmastojärjestelmässä: 80 asteen pakkanen ja kymmeniä metrejä sekunnissa puhaltava länsivirtaus voi muuttua muutamassa päivässä nollakeliin ja itävirtaukseen keskellä kaamoksen pimeyttä.

Miten polaaripyörteen hajoaminen vaikuttaa meidän säähämme? Itäinen virtaus korkealla yläilmakehässä voi levitä päivien kuluessa hiljalleen alaspäin heikentäen alailmakehän suihkuvirtauksia.

Tällainen alaspäin leviäminen on juuri nyt tapahtumassa, ja ennusteiden mukaan alailmakehän länsivirtaukset olisivat heikentymässä toden teolla tammikuun loppupuolella. Heikko suihkuvirtaus on usein mutkikas, jolloin kylmää ilmaa pääsee valahtamaan napa-alueilta kauemmas kohti etelää. Heikentynyt länsivirtaus tarkoittaa myös ajoittaisia idänpuoleisia tuulia, jolloin arktiset ilmamassat pääsevät leviämään Siperiasta kohti Suomea ja muuta Eurooppaa. Näin tapahtui myös viime helmi-maaliskuussa, kun Britanniassa koettiin kylmän sään ajanjakso joka sai lempinimen “Beast from the East”.

Usein polaaripyörteen hajoamisen seurauksena napa-alueille muodostuu korkeapaine, jolloin matalapaineet kulkevat normaalia eteläisemmällä reitillä. Tavallista korkeampi paine Grönlannin seudulla ja matalampi paine Azorien tienoilla tunnetaan myös negatiivisena Pohjois-Atlantin oskillaationa eli NAO-indeksinä (North Atlantic Oscillation). NAO-indeksi on verrannollinen länsituulten voimakkuuteen: viime talvena NAO-indeksi sukelsi negatiiviseksi kaksi viikkoa polaaripyörteen hajoamisen jälkeen, kun itätuulet toivat Suomeen kylmää pakkasilmaa.

Jos tänä talvena polaaripyörteen hajoamisen vaikutukset pääsevät kunnolla välittymään yläilmakehästä maan pinnalle asti, samanlainen säätyyppi on odotettavissa.

Polaaripyörteen heikentyminen ei kuitenkaan aina tuo pakkasia Suomeen. Toisinaan ala- ja yläilmakehä voivat olla huonommin kytköksissä toisiinsa, jolloin itävirtaukset eivät pääse leviämään alailmakehän puolelle. Tätä asiaa on tutkittu muun muassa Ilmatieteen laitoksella: vuonna 2017 julkaistun artikkelin mukaan vain noin 60 prosenttia stratosfäärin äkkilämpenemisistä on sellaisia, joissa vaikutukset laskeutuvat maan pinnalle asti.

Niissäkin tapauksissa vaikutukset tulevat viiveellä – joskus jopa useamman viikon päästä pyörteen hajoamisesta. Toisaalta, normaalia kylmempi sää voi kestää jopa kaksi kuukautta. Tänä talvena kytkentä troposfäärin ja stratosfäärin välillä on ollut heikompi kuin viime helmikuussa. Tästä syystä äkkilämpenemisen seuraukset ovat toistaiseksi olleet vähäisempiä. Nyt tammikuun puolivälissä alkanut pakkasjakso voidaan kuitenkin laittaa suurelta osin polaaripyörteen hajoamisen piikkiin.

Kylmää. Tuore yhdysvaltalainen (NCEP) helmikuun lämpötilan poikkeaman  kuukausiennuste.

Stratosfäärin äkkilämpenemiset voivat myös lisätä hetkellisesti pitkien sääennusteiden osuvuutta. Koska stratosfäärin tapahtumat ovat ilmakehän vähemmän kaoottisuuden vuoksi paremmin ennustettavissa, ja äkkilämpenemisen seuraukset ovat tutkimusten perusteella melko tarkkaan tiedossa, normaalia kylmempi säätyyppi voidaan ennustaa jo viikkoja etukäteen.

Tällä hetkellä Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskuksen ECMWF:n mukaan pahimmat pakkaset helpottavat Etelä-Suomesta tämän viikon jälkeen, mutta keskimääräistä kylmempi sää näyttäisi palaavan uudestaan helmikuussa. Lapissa sen sijaan kovatkin pakkaset ovat mahdollisia koko ennustejakson ajan. Talvinen sää leviää ennusteen mukaan myös pitkälle Länsi-Eurooppaan.

Se mitä polaaripyörteelle tapahtuu ilmaston lämpenemisen seurauksena, on tällä hetkellä kuuma tutkimusaihe ilmastotutkijoiden keskuudessa. On viitteitä, että Arktisen alueen lämpeneminen voisi heikentää polaaripyörrettä entistä useammin, jolloin kovista pakkasista saataisiin ajoittain nauttia myös tulevaisuudessa. Tästä asiasta on kuitenkin olemassa vastakkaisia tutkimustuloksia: elokuussa 2018 julkaistun tutkimuksen mukaan ilmastomalleissa ei näy stratosfäärin äkkilämpenemisten yleistyvän tämän vuosisadan aikana.

Teksti: Mika Rantanen