Por José María Sánchez-Laulhé Ollero, Director del Centro Meteorológico Territorial de Málaga

Figura 1. Series temporales de temperaturas al nivel de 30 hPa sobre el polo norte. La línea negra muestra la temperatura diaria, y la gris indica la normal (periodo 1981-2010). Fuente CPD/JMA (Climate Prediction Division/Japan Meteorological Agency.)

Sobre el día 10 de febrero se produjo un “gran calentamiento repentino de la estratosfera” [major Stratospheric Sudden Warminng (major SSW)]: La temperatura en la estratosfera del polo norte subió extraordinariamente en unos días (más de 50 ^oC a 30 hPa) y los vientos medios zonales se volvieron del Este hasta 50^o N.

Este es un fenómeno de gran importancia pues su ocurrencia aumenta grandemente el alcance de la predictibilidad de los pronósticos a medio plazo y suele generar un patrón de circulación similar a los de la fase negativa de los índices de Oscilación Ártica (AO) y de la Oscilación del Atlántico Norte (NAO), que genera abundantes lluvias en la península Ibérica. Este patrón se refleja muy bien en las predicciones mensuales por conjunto del ECMWF.

¿Qué es un calentamiento repentino de la estratosfera (SSW)?   

Un SSW es un fenómeno caracterizado por un rápido incremento en la temperatura, de más de 25 ^oC en menos de una semana, en la estratosfera[i] del invierno boreal, (hasta más de 80 ^oC en algunos casos). Puede ir acompañado de la desaparición del chorro polar nocturno[ii] y de su reemplazo por vientos del Este. Simultáneamente la estratopausa desciende en algunos lugares hasta 20 km.

Figura 2. Evolución del viento medio zonal en el hemisferio norte al nivel de 10-hPa  El intervalo entre contornos es 10 m/s. Fuente CPD/JMA.

Si la temperatura media zonal aumenta hacia el polo desde los 60 ^o N y el viento zonal medio se vuelve del Este desde el polo a esta latitud al nivel de 10 hPa (32 km) o por debajo, se califica como “SSW mayor” o “gran SSW”. Durante un gran SSW, el vórtice polar[iii] se rompe o se desplaza en cuestión de días y la circulación estratosférica sufre enormes cambios. Los grandes SSW no ocurren todos los inviernos. Tienden a ocurrir cada tres o cuatro años en promedio, pero ha habido periodos más largos sin ningún gran SSW.

Durante un gran SSW el vórtice polar resulta, o desplazado completamente del polo, o dividido en dos. Estos dos tipos de calentamiento son con frecuencia referidos respectivamente como calentamiento ‘onda-1’ y calentamiento ‘onda-2’. Algunos grandes calentamientos muestran un carácter híbrido, siendo el vórtice polar primero desplazado  y posteriormente dividido.

El fenómeno SSW fue descubierto por Scherhag en 1952, y  su mecanismo fue explicado teóricamente por Matsuno en 1971[iv]. Las ondas tienen la propiedad de que pueden producir efectos en regiones alejadas de sus fuentes. Como las olas generadas por un temporal pueden perder su energía en una playa al otro lado del mundo, y causar efectos significativos, las ondas que se producen en la baja atmósfera (por la orografía, o por calentamiento) pueden producir efectos significativos en niveles altos. Matsuno postuló y demostró que los cambios en el flujo medio observados en los SSW, que incluyen la desaceleración del flujo zonal medio y la elevación de las temperaturas cerca del polo en la estratosfera, eran atribuibles a los efectos de la propagación vertical de ondas planetarias forzadas en la troposfera por perturbaciones de gran escala. Trabajos posteriores han confirmado que los SSW están causados por una rápida amplificación de ondas planetarias que se propagan a lo largo de la corriente en chorro del oeste hacia la estratosfera transportando y depositando momento, creando también una circulación meridional fuerte. En la alta estratosfera las anomalías del viento zonal medio se propagan lentamente desde la alta estratosfera subtropical hacia la zona polar de la baja estratosfera y a la troposfera (Kodera et al. 1990[v]) produciendo un gran calentamiento en la estratosfera polar por calentamiento adiabático. Su efecto en la troposfera es inducir un patrón similar al de la fase negativa de la AO, o a la fase negativa de la NAO (Kodera et al. 2000[vi]).

La fuerte asociación entre SSW y la actividad transitoria de las ondas planetarias en la troposfera ofrece una explicación inmediata de por qué no ocurren SSW en el invierno del hemisferio sur (HS). Las ondas planetarias son generadas por el relieve y los contrastes entre las temperaturas de tierra y mar, y debido a que la mayoría de la superficie de la Tierra en el HS es océano, las ondas planetarias son más débiles que en el HN. En consecuencia el vórtice polar del HS es más fuerte y resiliente a cualquier incremento en la actividad de las ondas planetarias en la troposfera.

La evolución del SSW actual

En el mapa de altura del geopotencial medio entre los días 10 y 14 de febrero, al nivel de 30 hPa (figura 3) se observa que durante el SSW el vórtice polar se ha partido en dos, de intensidades muy distintas, el más intenso localizado sobre el norte de Canadá y otro mucho más débil sobre Siberia. Corresponde a un SSW ‘onda-2’.

Figura 3. Campos de altura del geopotencial medio en 30 hPa del 10 al 14 de febrero. A la izquierda normal en el periodo 1981-2010; a la derecha el correspondiente a este año (contornos) y sus anomalías (coloreado). Intervalo entre contornos 120 m. Fuente CPD/JMA.

En general en los grandes SSW, de cualquier tipo, aparece de forma destacada un crecimiento del alta de las Aleutianas estratosférica, que está fuertemente influenciada por la intensidad de la denominada baja del Este de Asia (O’Neill, 2003[vii]). Esta baja es una estructura ciclónica de gran escala de la circulación troposférica del invierno boreal, localizada cerca de la longitud de 140^o E (figura 4), que parece causada principalmente  por la cordillera del Himalaya y por los contrastes tierra-mar en invierno entre el frío continente asiático y el cálido océano Pacífico. En una primera aproximación el alta de las Aleutianas puede considerarse parte de un tren de ondas de Rossby que emana de la baja del Este de Asia, y el alta estratosférica de las Aleutianas el resultado de la propagación vertical de las ondas planetarias que componen el tren de ondas.

Figura 4. Campos de altura del geopotencial medio en 500 hPa para el invierno boreal (diciembre-febrero) del atlas ERA-40 del ECMWF. B-EA es la baja del Este de Asia;  A-AI es la dorsal anticiclónica de las Aleutianas.

En el SSW de este invierno, como en general en los SSW de tipo onda-2, la división del vórtice polar se traduce en la troposfera en el reforzamiento de la baja del este de Asia y de la baja ciclónica en el NE de Canadá (figura 5). También se desarrolla un patrón de bloqueo característico, que consiste en persistente anticiclones, anticiclones de bloqueo, sobre los océanos Atlántico y Pacífico, cuya magnitud relativa es resultado de la intensidad relativa de las dos circulaciones ciclónicas en las que el vórtice polar se ha dividido.

Figura 5. Campo de altura del geopotencial medio de 5 días en 500 hPa, contorneado cada 60 hPa; a la izquierda del 10 al 14 de febrero; a la derecha del 20 al 24 de febrero. Coloreadas las anomalías respecto a la media del periodo 1981-2010. Fuente CPD/JMA.

Tras un gran SSW es frecuente que, debido a la creación de un anticiclón de bloqueo sobre el  Atlántico a latitudes altas, la Oscilación del Atlántico Norte (NAO) entre en una fase negativa, lo que tiene una gran importancia para la península Ibérica.

La NAO consiste en un dipolo norte-sur de anomalías, con un centro localizado sobre Groenlandia o Islandia y el otro de signo opuesto situado en las latitudes centrales del Atlántico Norte, próximo a las Azores. La  fase negativa de la NAO conlleva presiones por encima de lo normal en latitudes altas y presiones por debajo de lo normal en el Atlántico norte central y el oeste de Europa. En la fase negativa  la corriente en chorro de niveles altos y la senda de las tempestades del Atlántico norte se desplazan hacia latitudes más bajas, dando como resultado precipitaciones por encima de lo normal en el sur de Europa.

Predicibilidad

El sistema de predicción mensual por conjunto del ECMWF había previsto el estado de fase negativa de la NAO para la semana del 26 de febrero al 4 de marzo con tres semanas de antelación, como se muestra en las predicciones de anomalía de presión de la figura 6 con periodo de inicio los días 8, 15, 19 y 22 de febrero. Conforme el alcance temporal de la predicción es menor se acentúan en el Atlántico norte tanto la anomalía positiva de presiones en latitudes altas, donde se produce un alta de bloqueo, como  la anomalía negativa en las latitudes de la Península, por donde se desvía la senda de las borrascas atlánticas, y consecuentemente la intensidad del viento del Este sobre la mayor parte de Europa, que conlleva una ola de frío “siberiana”.

Figura 6. Predicción semanal de la anomalía de presión para la semana del 26 de febrero al 3 de febrero de 2018 del sistema de predicción mensual por conjunto del ECMWF, resultado de las pasadas con referencia inicial 8, 15, 19 y 22 de febrero.

La predicibilidad que muestra esta predicción es muy alta, dado que la naturaleza caótica de la atmósfera impide predicciones del tiempo de alcance superior a unas dos semanas. La extensión de este límite se debe a condiciones de contorno con una variabilidad más lentamente cambiante que la de la atmósfera. Así como las condiciones de contorno del océano tropical debidas al fenómeno El Niño Oscilación Sur (ENSO) ofrece la posibilidad de predicciones climáticas estacionales que muestran cierta destreza en buena parte del globo, la variabilidad lenta de la estratosfera ofrece la posibilidad de predicciones climáticas de escala mensual de éxito para las latitudes medias. Se ha demostrado que una predicción por conjuntos realizadas justamente antes de la ocurrencia de un gran SSW en el invierno tiene una alta predicibilidad.

Hay casos de extrema extensión de la predictibilidad cuando en un invierno coexiste un gran SSW con unas una temperatura superficial del agua del mar en el Atlántico norte más alta de lo normal. En ese caso la troposfera queda rodeada de contornos de las temperaturas altas, y como reacción a esos forzamientos térmicos se creará preferentemente unas condiciones similares a las fases negativas de la OA y de la NAO (Kuroda, 2008[viii]). Este es el caso de este año, como se puede apreciar en el mapa medio de enero de la temperatura superficial del agua del mar (figura 7).

Figura 7. Anomalía media de la temperatura superficial del agua del mar durante enero de 2018. Fuente ECMWF.

Referencias:

i. Normalmente la estratosfera sobre los polos se extiende aproximadamente entre las altitudes de 10 y 50 km.

ii.El chorro polar nocturno es una corriente en chorro del oeste que se desarrolla en invierno en la estratosfera, con máximo a unos 25 km, y en latitudes altas (alrededor de 60°).

iii. El vórtice polar es una circulación ciclónica circumpolar de escala planetaria en la estratosfera en invierno que se extiende en las latitudes medias y altas.

iv. Matsuno, T., 1971: A dynamical model of the stratospheric sudden warming. J. Atmos. Sci., 28, 1479-1494.

v. Kodera, K., K. Yamazaki, M.Chiba, K.Shibata, 1990: Downward propagation of upper stratospheric mean zonal wind perturbation to the troposphere, Geophys. Res. Lett., 17, 1263-1266.

vi. Kodera, K., Y. Kuroda, S. Pawson, 2000: Stratospheric sudden warming and slowly propagating zonal-mean zonal wind anomalies, J. Geophys. Res., 105, 12351-12359.

vii. O’Neill, A.: Stratospheric Sudden Warmings. Encyclopedia of Atmospheric Sciences. Academic Press. Elsevier Sciences. Editor jefe: J. R. Holton. 2003.

viii. Kuroda Y., 2008: Role of the stratosphere on the predictability of medium-range weather forecast: A case study of winter 2003–2004. Geophys. Res. Lett. 35: L19701.