Läs…
När vi studerade cykloner på de mellersta latituderna pratade vi lite om jetströmmen, som är en kanal med snabba vindar nära troposfärens topp. Men den jetström vi pratade om är egentligen jetströmmen på de mellersta latituderna, som regelbundet påverkar vädret på de mellersta latituderna. Jetströmmen på de mellersta latituderna är dock inte jordens enda jetström!
I vår diskussion om subtropiska högtryck ignorerade vi jordens rotation och corioliskraften när vi diskuterade det höglänta, polära flödet i Hadleycellen. Eftersom vår planet roterar strömmar luften inte direkt mot polerna på hög höjd. Den tar i stället en mycket mer virvlande väg. När luften strömmar mot polen i den övre grenen av Hadleycellen, kröker den så småningom mot öster (på norra halvklotet). Slutresultatet är att luftpaket i de övre grenarna av Hadley-cellerna hamnar i cirklar runt jorden under sina höga vandringar från ekvatoriala områden till subtropiska områden. Denna spiral mot polen kulminerar i den subtropiska jetströmmen (förkortat STJ) nära 30-graders latitud.
STJ var faktiskt ett av de sista större troposfäriska dragen som upptäcktes genom direkt mänsklig observation. Under andra världskriget rapporterade amerikanska piloter, när de flög västerut i närheten av Japan och andra öar i Stilla havet, om markhastigheter som var dramatiskt lägre än flygplanets angivna lufthastighet. Att flyga med mycket låga hastigheter i förhållande till marken kunde bara betyda en sak – en jättebra motvind! Titta på bilden nedan, som visar de genomsnittliga vindhastigheterna (i meter per sekund) och vindriktningarna på lång sikt nära 40 000 fot över Asien och västra Stilla havet under den meteorologiska vintern (december, januari och februari). Det smala bandet av snabba vindar nära latitud 30 grader markerar STJ:s genomsnittliga position. Även om piloterna kunde göra små framsteg i vissa av sina uppdrag hade de gjort en viktig upptäckt!
I själva verket är STJ starkare över västra Stillahavsregionen, i genomsnitt, än någon annan plats i världen. Det beror främst på att Himalayas och Tibets högland avbryter och avleder det generellt västliga luftflödet i övre troposfären. Längre österut strömmar de avledda luftgrenarna samman igen och accelererar nära Japan. Som referens visar bilden ovan att medelhastigheterna i STJ nära Japan kan överstiga 70 meter per sekund (cirka 157 miles per timme) under meteorologisk vinter.
Den övergripande mekanismen för att upprätthålla STJ nära 30-graders latitud är dock tendensen för luftpaket att bevara sitt vinkelmoment i de övre grenarna av Hadley-cellerna. Kom ihåg att bevarandet av vinkelmomentet är det koncept som förklarar hur konståkare snurrar så mycket snabbare när de drar armarna inåt (vilket minskar deras avstånd från rotationsaxeln). När paketen i de övre grenarna av Hadley-cellerna spiralerar mot polen minskar deras avstånd från jordens rotationsaxel, vilket resulterar i högre hastigheter. I teorin kommer luft som startar från vila (i förhållande till jordytan) högt över ekvatorn att nå latitud 30 grader med en hastighet österut på 134 meter per sekund (ungefär 260 knop, eller 300 mph) om man antar att den perfekt bevarar sitt vinkelmoment längs vägen.
Men i verkligheten uppnår STJ inte sådana hastigheter. Det beror på att paket inte helt och hållet bevarar sitt vinkelmoment. Höga berg och höga cumulonimbusmoln, till exempel, utövar ett visst motstånd mot luftpaket som rör sig polärt i de övre grenarna av Hadley-cellerna. Oavsett dessa och andra hinder för bevarandet av vridmomentet är det rimligt att säga att luftpaket tenderar att bevara vridmomentet när de spiralformas inåt mot jordens rotationsaxel, vilket gör att de kastar sitt vridmoment ”in i den blandning” som vi kallar STJ.
Så, för det mesta är STJ i grunden en konsekvens av bevarandet av vridmomentet (till skillnad från jetströmmen på de mellersta latituderna, som har sin bildning att tacka för temperaturgradienterna på den halvklotformiga sidan). Med tanken på bevarande i åtanke vill jag tillägga att jordens rotationshastighet till stor del bestämmer STJ:s genomsnittliga läge, eftersom jordens rotationshastighet delvis styr storleken på corioliskraften. Om jordens rotationshastighet ökar (vilket ger en starkare corioliskraft) skulle STJ utvecklas närmare ekvatorn. Om jordens rotation minskade skulle corioliskraften vara svagare och STJ skulle bildas längre bort från ekvatorn än 30 grader latitud.
Det visar sig att STJ är starkare under vintern än under sommaren, trots en större polutbredning av den övre grenen av sommarhalvklotets Hadleycirkulation. Detta kan tyckas märkligt, med tanke på att den huvudsakliga drivmekanismen för STJ är tendensen för paket att bevara vinkelmomentet (vilket skulle resultera i högre hastigheter när STJ befinner sig på högre latituder). Så varför accelererar inte höga luftpaket som reser längre mot polen på sommaren kraftigt när de spiralar ännu närmare jordens rotationsaxel?
Det visar sig att intensiv solvärme över landmassorna i den subtropiska regionen på norra halvklotet stör Hadleycirkulationens äppelkärra. I ett nötskal blir det i princip mycket varmare på latituder nära 30 grader norr (mestadels över land) än över ekvatoriala regioner, vilket vänder den typiska temperaturgradienten från norr till söder. För att bekräfta denna observation kan man titta på de långsiktiga medeltemperaturerna över tropikerna och subtropikerna för juni, juli och augusti. Med tanke på att vår prototypmodell av Hadleycellen bygger på antagandet att bältet med maximal uppvärmning sker över ekvatoriala områden, borde det inte komma som någon överraskning att när detta bälte flyttas polärt mot subtropikerna, bryter vår modell av den idealiserade Hadleycirkulationen samman. Som ett resultat av detta tar STJ:s styrka stryk, och STJ spelar inte en lika viktig roll i det övergripande vädermönstret under sommaren.
För att se förändringen i STJ:s styrka mellan sommar och vinter kan man jämföra de genomsnittliga vindarna nära 40 000 fot över Nordamerika och angränsande hav under sommar och vinter (ovan). Till att börja med kan man se en signatur av snabba vindar över centrala och norra USA. Det är avtrycket av jetströmmen på de mellersta latituderna. För att markera STJ har jag använt tjocka svarta pilar i varje bild. På sommaren (vänstra bilden ovan) finns det två relativt svaga streck av vindar som är förknippade med den genomsnittliga positionen för sommarens STJ. Den ena sträcker sig från Hawaii mot sydvästra USA och den andra går från mellersta Atlanten mot nordvästra Afrika. Dessa ”stråk” av vindar bleknar i jämförelse med den robusta vinter-STJ (höger bild ovan).
Under vintern kan den robusta STJ bidra till stora vinterstormar över de mellersta latituderna. STJ är ett halvpermanent inslag, och kom ihåg att dess genomsnittliga läge till stor del bestäms av jordens rotationshastighet. Lokala förändringar i temperatur- och tryckgradienter kan dock leda till att delar av STJ från tid till annan buktar ut lite längre mot polen eller sjunker lite längre mot söder. I stort sett motsvarar den nordligaste delen av STJ den sydligaste delen av den mer nomadiska jetströmmen på de mellersta breddgraderna. Så det är säkert att anta att de två jetströmmarna ibland interagerar, och ibland kan scenen läggas för en snabb utveckling av cykloner på de mellersta latituderna, särskilt över Atlantkusten, där de naturliga temperaturkontrasterna mellan land och hav utgör en gynnsam grogrund.
En sådan minnesvärd interaktion resulterade i den överraskande snöstormen på presidentens dag 1979 för Washington, DC och de omgivande staterna i mellersta Atlanten och sydöstra delen av landet. I det här fallet drogs STJ norrut i sydvästlig strömning framför ett starkt tråg i jetströmmen på den mellersta latituden (ibland kallad den ”polära” jetströmmen, markerad med blått). Denna konfiguration gjorde det möjligt för STJ att fungera som en katalysator för stormen Presidents’ Day 1979. Längre österut, över Atlanten, tar STJ en mer östlig och slutligen sydlig vändning (utanför bilden till höger) när den börjar återgå till sin medelposition.
I sitt kölvatten lämnade stormen Presidents’ Day tunga snöbyar från Georgia till Pennsylvania, vilket syns på denna synliga satellitbild från 19Z den 19 februari. Många större vinterstormar på de mellersta latituderna gynnas faktiskt av att STJ dras norrut som i detta fall. Så även om Hadleycellerna regelbundet kontrollerar vissa aspekter av det tropiska vädret kan de verkligen påverka vädret på de mellersta latituderna också!
När det gäller Hadleycellerna har vi nu behandlat den uppåtgående grenen i ITCZ, den övre grenen (som kulminerar i STJ) och den nedåtgående grenen som bildar de subtropiska högtrycksområdena nära 30-graders latitud. Härnäst ska vi rikta vårt fokus mot den sista grenen av cirkulationen – passadvindarna: det ytflöde som återvänder till ITCZ från de subtropiska områdena. Läs vidare!