Pohjois-Atlantin ja Euroopan eli Euro-Atlantin talvikauden laajan skaalan säätilat voidaan jaotella vallitseviin suursäätyyppeihin (englanniksi “weather regimeihin”). On havaittu, että ilmakehän laajan skaalan kiertoliike esiintyy usein muutamina erilaisina, hitaasti muuttuvina (~ 10 päivää) suursäätyyppeinä. Suursäätyypeistä on hyötyä erityisesti viikko-, kuukausi- ja vuodenaikaisennusteissa. Pitkän ajan sääennusteet eivät nimittäin saa paikallista säätä ennustettua tarkasti, mutta laajan skaalan suursäätyypin voi tietyissä tilanteissa ennustaa paremmalla tarkkuudella. Esimerkiksi, on havaittu että stratosfäärin polaaripyörteen hajoaminen ns. äkkilämpenemisen seurauksena lisää NAO- suursäätyypin todennäköisyyttä Pohjois-Atlantilla. 

Sää kuitenkin kehittyy jatkuvasti päivästä toiseen, joten kunkin hetken säätilan luokittelu äärelliseen määrään erilaisia suursäätyyppejä ei ole mikään yksinkertainen tehtävä.

Säätilojen jaotteluun käytetään useimmiten 500 hPa:n geopotentiaalikorkeutta, koska sitä käytetään meteorologiassa yleisesti kuvaamaan vallitsevaa suursäätilaa. 500 hPa:n taso paljastaa ilmakehän solat ja selänteet ja sitä kautta kertoo suihkuvirtauksen sijainnin. Jaottelu tehdään käyttäen 500 hPa:n korkeuskentän poikkeamia klimatologiasta eli ns. anomalioita. Tässä blogipostauksessa aineistona on käytetty laajennettua talvikautta eli loka-maaliskuuta vuosien 1961-2022 ajalta. Kultakin päivältä on valittu 00 UTC ajanhetken 500 hPa:n korkeuskentän anomalia. Lopuksi korkeuskenttien anomalioista poistetaan lineaarinen pitkän ajan trendi, koska ilmastonmuutoksen seurauksena alailmakehä lämpölaajenee ja 500 hPa:n taso hiljalleen nousee. Aineisto on peräisin ERA5-uusanalyysistä.

Pääkomponenttianalyysi paljastaa vallitsevat vaihtelumuodot

Jotta vallitsevat suursäätyypit saadaan varsin hälyisestä säänvaihtelusta esille, päivittäisistä 500 hPa:n korkeuskenttien poikkeamista tehdään ensin pääkomponenttianalyysi (tai teknisesti ottaen Empirical Orthogonal Function eli EOF-analyysi). Pääkomponenttianalyysi jakaa säätilat ortogonaalisiin muotoihin siten että ensimmäinen pääkomponentti (EOF1) selittää suurimman osan päivittäisistä säätilojen vaihtelusta, toinen pääkomponentti (EOF2) kuvaa toiseksi eniten, kolmas kolmanneksi eniten ja niin edelleen. Jokaisen päivän säätilanne voidaan siis muodostaa uudelleen pääkomponentteja käyttäen summaamalla yhteen kaikkien pääkomponenttien kertoimet. 

Säätilojen ensimmäinen pääkomponentti eli niin kutsuttu “leading mode of variability” kuvaa määritelmän mukaan suurinta säävaihtelua Pohjois-Atlantin ja Euroopan alueella. Kuvassa 1 on esitetty ensimmäisen ja toisen pääkomponentin lineaariset regressiot 500 hPa:n päivittäisien korkeuskenttien suhteen. 

EOF1 (kuva 1a) näyttää tutulta. Grönlannin ja Islannin tienoilla on negatiivisia regressiokertoimen arvoja ja etelämpänä Atlantilla sekä Euroopassa puolestaan positiivisia arvoja. Toisin sanottuna, EOF1 saa suuria arvoja kun Grönlannin ja Islannin alueella on keskimääräistä voimakkaampi yläilmakehän matalapaine. Tämähän muistuttaa NAO-vaihtelua! Tässä onkin yksi syy sille miksi NAO:sta puhutaan paljon Pohjois-Euroopan säätilojen selittäjänä – NAO-vaihtelu selittää suurinta osuutta päivittäisistä 500 hPa korkeuskenttien vaihteluista eli on aineiston ensimmäinen pääkomponentti. NAO-indeksin voi laskea monella tavalla, ja yksi tapa on juuri pääkomponenttianalyysia käyttäen.

Siinä missä 1. pääkomponentti kuvaa melko zonaalista virtausta, säätilojen 2. pääkomponentti kuvaa meridionaalista virtauskenttää. Tämä onkin odotettua, koska määritelmän mukaan pääkomponentit ovat ortogonaalisia eli poikittaisia toisiinsa nähden. EOF2 saa suuria arvoja silloin Pohjois-Euroopassa vallitsee korkeapaine, eli puhutaan Skandinavian korkeapaineesta (Scandinavian blocking, kuva 1b). NAO-indeksi ja Skadinavian korkeapaine-indeksi ovatkin kaksi merkittävintä säätilojen vaihtelua kuvaavaa tunnuslukua Pohjois-Euroopassa.

Neljä erilaista suursäätyyppiä

Koska 1. ja 2. pääkomponentti selittävät yhteensä vain noin 32 % 500 hPa:n korkeuskentän kokonaisvaihtelusta, suursäätyyppien luokitteluun otetaan mukaan yleensä enemmän pääkomponentteja. Kirjallisuudessa on otettu 14 ensimmäistä pääkomponenttia, jotka yhteensä selittävät noin 88 % vaihtelusta. Sen jälkeen pääkomponentit (tai tässä tapauksessa ne 14 ensimmäistä) jaetaan klustereihin eli ryhmiin. Tutkimusten mukaan talvikaudella optimaalinen määrä on neljä klusteria, mutta kirjallisuudessa on käytetty myös seitsemää klusteria tai vieläkin suurempia määriä. Lisäksi klustereiden optimaalinen määrä riippuu siitä, lasketaanko niitä koko vuodelle vai pelkästään talvikaudelle. Käytetään tässä esimerkissä neljää klusteria.

Jokainen päivä talvikausilta 1961-2022 (yhteensä 11207 päivää) on siis luokiteltu johonkin neljästä klusterista. Klusterien keskiarvokentät eli suursäätyypit ovat esitetty kuvassa 2. Näistä kaksi (kuvat 2a ja 2d) kuvastavat zonaalisen virtauskentän eli NAO:n vaihteluita, ja ovatkin siksi nimetty NAO- ja NAO+ nimisiksi suursäätyypeiksi. NAO+ (kuva 2d) kuvaa suurta paine-eroa Islannin ja Azoreiden välillä, eli tilannetta missä länsi- tai lounaisvirtaus on voimakas. NAO- (kuva 2a) puolestaan kuvaa lähes päinvastaista suursäätilaa, missä Grönlannissa vallitsee korkeapaine. Silloin meillä Pohjois-Euroopassa länsivirtaus on heikko tai se on jopa kääntynyt itäiseksi.

Kuva 2. Euroopan ja Pohjois-Atlantin eli ”Euro-Atlantin” tärkeimmät suursäätyypit. a) NAO-, b) Skandinavian korkeapaine, c) Atlantin selänne, ja d) NAO+.

Kaksi jäljellä olevaa suursäätyyppiä ovat Skandinavian korkeapaine (“Scandinavian Blocking”, kuva 2b) ja Atlantin selänne (“Atlantic Ridge”, kuva 2c). Talvikaudella kaikista päivistä n. 31 % kuuluu NAO+ suursäätyyppiin, 26 % Skandinavian korkeapaineeseen, 23 % Atlantin selänteeseen ja 20 % NAO- suursäätyyppiin. Jossain yhteyksissä käytetään lisäksi luokkaa ”ei suursäätyyppiä” (engl. ”no regime”), eli tilannetta jossa päivä ei kuulu selvästi mihinkään näistä edellä mainituista neljästä klusterista.

Huomattavaa on että NAO+ suursäätyyppi (kuva 2d) on hieman eri näköinen kuin NAO-vaihtelua kuvaava 1. pääkomponentti eli EOF1 (kuva 1a). Suurin ero näissä kahdessa on se, että NAO+ suursäätyyppi on binäärinen muuttuja (eli päivä kuuluu joko NAO+ suursäätyyppiin tai ei kuulu), kun taas NAO:a kuvavaa EOF1 on jatkuva indeksi, mikä yleensä normeerataan indeksin keskihajonnan mukaan. Tällöin NAO-indeksi eli EOF1 vaihtelee noin -3 ja 3 välillä. Jotta asia ei olisi näin yksinkertainen, suursäätyypeistä (kuva 2) on mahdollista laskea vielä indeksi, joka kuvaa kunkin suursäätyypin ”voimakkuutta”. Mutta ei mennä siihen nyt.

NAO- tietää kylmää, NAO+ lämmintä

Kuvassa 3 on esitetty keskimääräinen lämpötilan poikkeama normaalista (1981-2010) eri suursäätyyppien aikana. NAO- suursäätyypin (kuva 3a) aikana länsivirtaus on heikko. Tällöin yleensä idästä ja koillisesta pääsee virtaamaan kylmää ilmamassaa, mikä näkyy viileänä säänä Pohjois-Euroopassa. Talven ystävien kannattaakin toivoa tätä suursäätyyppiä. NAO- suursäätyyppi oli hallitsevana erityisesti talvella 2009/2010, joka muistetaan pakkasistaan. Vastaavasti NAO+ suursäätyypin (kuva 3d) aikana länsivirtaus on voimakas, ja tällöin lauha ja kostea ilmavirtaus pitää Pohjois-Euroopan normaalia lämpimämpänä. Tyyppiesimerkki NAO+ talvesta on tietysti talvi 2019/2020, jolloin varsinaisesta talvesta saatiin etelärannikolla vain haaveilla.

Skandinavian korkeapaineen (kuva 3b) aikana lämpötilat ovat korkeita erityisesti Skandinavian pohjoisosissa ja pohjoisella Pohjois-Atlantilla kuten Islannissa. Tällöin yleensä korkeapaine työntää lämmintä ilmaa virtaa Euroopasta kohti pohjoista, ja vastaavasti korkean itäpuolelta virtaa kylmää ilmaa kohti Eurooppaa. Atlantin selänteen (kuva 3c) aikana sää on viileää erityisesti Länsi-Euroopassa, kun selänne estää lauhan ilman saapumista Atlantilta. Idempänä Euroopassa ja Itä-Suomessa lämpötilan keskimääräiset poikkeamat tässä säätyypissä ovat verraten pieniä.

Kuva 3. Keskimääräinen kahden metrin lämpötilan poikkeama klimatologiasta (1981-2010) eri Euroopan ja Pohjois-Atlantin suursäätyyppien aikana. Poikkeamat ovat laskettu ERA5-uusanalyysistä loka-maaliskuiden ajalta vuosilta 1961-2022.

Seuraavien viikkojen suursäätyyppi suosii lauhaa

Euroopan keskipitkien sääennusteiden keskus tarjoaa ennusteita sekä kahdelle ensimmäiselle pääkomponentille että itse binääriselle suursäätyypille.

Kuva 4. Euroopan suursäätilan ennuste EOF1/EOF2-avaruudessa 31.10.-7.11.2022. Kuvan x-akseli kuvaa EOF1 voimakkuutta (1. pääkomponentti eli NAO-vaihtelu) ja kuvan y-akseli EOF2 voimakkuutta (2. pääkomponentti eli Skandinavian korkeapaine). Kuvan lähde: ECMWF.

Eilen julkaistu kahden ensimmäisen pääkomponentin viikkoennuste (kuva 4) marraskuun ensimmäiselle viikolle kertoo lauhasta säätilanteesta. Kuva kertoo säätilanteen EOF1/EOF2-avaruudessa, eli kuvan x-akseli kertoo EOF1 (toisin sanottuna NAO-indeksin) voimakkuuden ja y-akseli EOF2 (Skandinavian korkeapaine) voimakkuuden. Seuraavan viikon aikana olemme lähinnä NAO+/BL+ säätilanteessa, eli tilanteessa missä molemmat pääkomponentit olisivat pääosin positiivisia. Suomeksi sanottuna tämä voisi tarkoittaa korkeapaineista säätä länsivirtauksella höystettynä eli yleensä hyvin lämmintä ja lauhaa säätä Suomessa. 

Kuva 5. Euroopan ja Pohjois-Atlantin suursäätyypin ennuste. Palkin väri kertoo miten suuri osa ennusteparven jäsenistä ennustaa kutakin suursäätyyppiä. Tässä ennustetuotteessa on lisäksi vielä ”no regime” eli tilanne missä ennustettu säätyyppi ei selvästi sovi mihinkään neljästä suursäätyypistä. Alarivin viivoitettu palkki kuvaa ennusteparven keskiarvon suursäätyyppiä. Kuvan lähde: ECMWF.

Marraskuun alussa suurin osa ennusteparven jäsenistä onkin NAO+ suursäätyypin kannalla (kuva 5, siniset palkit). Sen jälkeen tilanne muuttuisi hiljalleen siten, että Skandinavian korkeapaine (punaiset palkit) vaihtuisi todennäköisimmäksi suursäätyypiksi. Tämä säätyyppi voisi merkitä lauhaa säätä varsinkin Lappiin (kuva 3b). Tätä tukee myös uusin lämpötilan viikkoennuste, joka indikoi lämpimän sään jatkumista erityisesti Suomen pohjoisosassa marraskuun alkupuoliskolla.