Lees…
Toen we midden-latitude cyclonen bestudeerden, spraken we een beetje over de straalstroom, dat is een kanaal van snelle winden aan de bovenkant van de troposfeer. Maar de straalstroom waar we het over hadden, is eigenlijk de straalstroom in de midden-latitude, die regelmatig het weer in de midden-latitudes beïnvloedt. De straalstroom op middenhoogte is echter niet de enige straalstroom op aarde!
Bij onze bespreking van subtropische hoogten hebben we de draaiing van de aarde en de Corioliskracht genegeerd toen we de hooggelegen, poolwaartse stroming in de Hadley Cell bespraken. Omdat onze planeet roteert, stroomt de lucht op grote hoogte niet rechtstreeks naar de polen. Integendeel, de lucht neemt een veel werveliger route. Terwijl de lucht in de bovenste tak van de Hadley Cell naar de polen stroomt, buigt deze uiteindelijk af naar het oosten (op het noordelijk halfrond). Het eindresultaat is dat luchtpakketten in de bovenste takken van de Hadley Cellen uiteindelijk rond de aarde draaien tijdens hun hooggelegen trektochten van de equatoriale gebieden naar de subtropen. Deze poolwaartse spiraal culmineert in de subtropische straalstroom (“STJ”, afgekort) nabij 30-graden breedte.
De STJ was eigenlijk een van de laatste belangrijke troposferische kenmerken die door directe menselijke waarneming werden ontdekt. Tijdens de Tweede Wereldoorlog rapporteerden Amerikaanse piloten, terwijl ze in westelijke richting vlogen in de buurt van Japan en andere eilanden in de Stille Oceaan, grondsnelheden die veel lager waren dan de door het vliegtuig aangegeven luchtsnelheid. Vliegen met zeer lage snelheden ten opzichte van de grond kon maar één ding betekenen – een geweldige tegenwind! Kijk eens naar de afbeelding hieronder, die de gemiddelde windsnelheden op lange termijn (in meter per seconde) en richtingen toont in de buurt van 40.000 voet boven Azië en de westelijke Stille Oceaan tijdens de meteorologische winter (december, januari en februari). Het smalle lint van snelle winden in de buurt van breedtegraad 30 graden markeert de gemiddelde positie van het STJ. Hoewel de piloten op sommige van hun missies weinig vooruitgang konden boeken, hadden ze een belangrijke ontdekking gedaan!
In feite is de STJ gemiddeld sterker boven het westelijk deel van de Stille Oceaan dan op enige andere plaats ter wereld. Dat komt hoofdzakelijk doordat het Himalaya- en Tibetaanse hoog de over het algemeen westelijke luchtstroom in de bovenste troposfeer onderbreken en omleiden. Verder naar het oosten stromen de omgeleide luchtstromen weer samen en versnellen ze in de buurt van Japan. Ter referentie, de afbeelding hierboven laat zien dat gemiddelde snelheden in de STJ nabij Japan 70 meter per seconde (ongeveer 157 mijl per uur) kunnen overschrijden tijdens de meteorologische winter.
Het algemene mechanisme voor het handhaven van de STJ nabij 30-graden breedtegraad, echter, is de tendens voor luchtpakketten om hun impulsmoment te behouden in de bovenste takken van de Hadley Cellen. Onthoud dat het behoud van impulsmoment het concept is dat verklaart waarom kunstschaatsers zo veel sneller draaien als ze hun armen naar binnen trekken (waardoor hun afstand tot de draaias kleiner wordt). Naarmate de pakjes in de bovenste takken van de Hadley-cellen naar de pool draaien, neemt hun afstand tot de draaiingsas van de aarde af, wat resulteert in hogere snelheden. In theorie zal lucht die vanuit rust begint (ten opzichte van het aardoppervlak) hoog boven de evenaar de breedtegraad 30 graden bereiken met een oostwaartse snelheid van 134 meter per seconde (ruwweg 260 knopen, of 300 mph), ervan uitgaande dat het zijn impulsmoment langs zijn route perfect behoudt.
Maar in werkelijkheid bereikt het STJ dergelijke snelheden niet. Dat komt omdat pakketten hun impulsmoment niet volledig behouden. Hoge bergen en torenhoge cumulonimbus wolken, bijvoorbeeld, oefenen enige weerstand uit op luchtpakketten die poolwaarts bewegen in de bovenste takken van de Hadley Cellen. Ongeacht deze en andere belemmeringen voor het behoud van impulsmoment, kan worden gesteld dat luchtpakketten de neiging hebben impulsmoment te behouden als ze naar binnen draaien in de richting van de aardas, waardoor hun impulsmoment “in de mix” wordt gegooid die we de STJ noemen.
Dus, voor het grootste deel, is de STJ fundamenteel een gevolg van het behoud van impulsmoment (in tegenstelling tot de straalstroom in het midden van de breedtegraad, die zijn vorming dankt aan hemisferische temperatuurgradiënten). Met het idee van behoud van momentum in gedachten, voeg ik eraan toe dat de rotatiesnelheid van de aarde grotendeels de gemiddelde locatie van het STJ bepaalt, omdat de rotatiesnelheid van de aarde voor een deel de grootte van de Corioliskracht bepaalt. Als de rotatiesnelheid van de aarde zou toenemen (waardoor de Corioliskracht zou toenemen), zou het STJ zich dichter bij de evenaar ontwikkelen. Als de rotatiesnelheid van de aarde zou vertragen, zou de Corioliskracht zwakker zijn, en zou de STJ zich verder van de evenaar dan 30 graden breedte ontwikkelen.
Het blijkt dat de STJ sterker is in de winter dan in de zomer, ondanks een grotere poolwaartse omvang van de bovenste tak van de Hadley-circulatie van het zomerhalfrond. Dat lijkt misschien vreemd, gezien het feit dat het belangrijkste aandrijfmechanisme van de STJ de neiging van pakketten is om impulsmoment te behouden (wat zou resulteren in hogere snelheden wanneer de STJ op hogere breedtegraden is). Dus waarom versnellen luchtpakketten die in de zomer verder naar de pool reizen niet enorm als ze nog dichter bij de draaiingsas van de aarde draaien?
Het blijkt dat intense opwarming door de zon boven de landmassa’s in het subtropische gebied van het noordelijk halfrond de appelkar van de Hadley-circulatie in de war schopt. Kort samengevat wordt het op breedtegraden in de buurt van 30 graden noord (meestal boven land) veel warmer dan boven equatoriale gebieden, waardoor de typische noord-zuid temperatuurgradiënt wordt omgekeerd. Om deze waarneming te bevestigen, bekijk eens de gemiddelde temperaturen op lange termijn in de tropen en subtropen voor juni, juli en augustus. Aangezien ons prototype-model van de Hadley-cel gebaseerd is op de veronderstelling dat de gordel van maximale opwarming zich boven de evenaars bevindt, mag het geen verrassing zijn dat wanneer deze gordel poolwaarts naar de subtropen verschuift, ons model van de geïdealiseerde Hadley-circulatie het begeeft. Het gevolg is dat de sterkte van de STJ een klap krijgt, en dat de STJ in de zomer een minder belangrijke rol speelt in het algemene weerpatroon.
Om de verandering in de sterkte van de STJ tussen zomer en winter te zien, vergelijkt u de gemiddelde winden op 40.000 voet boven Noord-Amerika en de aangrenzende oceanen tijdens de zomer en de winter (boven). Om te beginnen zie je een handtekening van snelle winden boven het midden en noorden van de Verenigde Staten. Dat is de voetafdruk van de midden-latitude straalstroom. Om de STJ te markeren, heb ik dikke zwarte pijlen gebruikt in elke afbeelding. In de zomer (linker plaatje hierboven) zijn er twee relatief zwakke windstroken die samenhangen met de gemiddelde positie van de zomer-STJ. De ene strekt zich uit van Hawaii naar het zuidwesten van de V.S. en de andere loopt van het midden van de Atlantische Oceaan naar het noordwesten van Afrika. Deze “strepen” van winden verbleken in vergelijking met de robuuste winter STJ (rechter afbeelding hierboven).
Tijdens de winter kan de robuuste STJ bijdragen aan grote winterstormen boven de middelste breedtegraden. Het STJ is een semi-permanent verschijnsel, en vergeet niet dat zijn gemiddelde plaats grotendeels wordt bepaald door de rotatiesnelheid van de aarde. Plaatselijke veranderingen in temperatuur en drukgradiënten kunnen er echter voor zorgen dat delen van het STJ van tijd tot tijd wat verder naar de pool uitpuilen of wat verder naar het zuiden afzakken. Over het algemeen komt het noordelijkste deel van het STJ overeen met het zuidelijkste deel van de meer nomadische straalstroom op middelbare breedtegraden. Het is dus veilig om aan te nemen dat de twee straalstromen soms op elkaar inwerken, en soms kan de weg worden vrijgemaakt voor de snelle ontwikkeling van cyclonen op middelbare hoogte, met name boven de Atlantische kust, waar de natuurlijke temperatuurcontrasten tussen land en zee een gunstige voedingsbodem vormen.
Een zo’n gedenkwaardige interactie resulteerde in de verrassende Presidents’ Day Snow Storm van 1979 voor Washington, D.C. en de omliggende staten in het Midden-Atlantische gebied en het zuidoosten. In dit geval werd de STJ naar het noorden getrokken in zuidwestelijke stroming vóór een sterke trog in de straalstroom op middelbare breedtegraad (soms aangeduid als de “polaire” straalstroom, blauw gemarkeerd). Deze configuratie maakte het mogelijk dat het STJ als katalysator fungeerde voor de Presidents Day storm van 1979. Verder naar het oosten, boven de Atlantische Oceaan, neemt de STJ een meer oostwaartse en uiteindelijk zuidwaartse draai (van het beeld rechts) als het begint terug te keren naar zijn gemiddelde positie.
In zijn kielzog liet de Presidents’ Day Storm zware sneeuw liggen van Georgia tot Pennsylvania, zoals te zien is op dit zichtbare satellietbeeld van 19Z op 19 februari. Inderdaad, veel grote winterstormen in de mid-latitudes profiteren van het feit dat het STJ naar het noorden wordt getrokken zoals in dit geval. Dus, terwijl de Hadley Cellen regelmatig aspecten van tropisch weer controleren, kunnen ze zeker ook invloed hebben op het weer in de midden-latitudes!
In termen van de Hadley Cellen, hebben we nu de opgaande tak in de ITCZ, de bovenste tak (die culmineert in het STJ), en de neergaande tak die de subtropische hoogten vormt in de buurt van 30-graden breedtegraad, behandeld. Nu richten we onze aandacht op de laatste tak van de circulatie – de passaatwinden: de oppervlaktestroming die vanuit de subtropen terugkeert naar de ITCZ. Lees verder!