Những nhiễu động tức thời miền ôn đới

- 107 - Ch−¬ng 5. Nh÷ng nhiÔu ®éng tøc thêi miÒn «n ®íi 5.1 Quy m« thêi gian cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn Hoμn l−u khÝ quyÓn thùc chÊt lμ kh«ng cã tÝnh dõng; nhiÔu ®éng cã thÓ x¶y ra ë tÊt c¶ c¸c quy m« thêi gian. Trong ch−¬ng tr−íc ®· chØ ra r»ng c¸c dßng nhiÖt, ®éng l−îng vμ c¸c d¹ng dßng kh¸c ®−îc vËn chuyÓn bëi nh÷ng qu¸ tr×nh tøc thêi ®ãng mét vai trß rÊt quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh quy m« thêi gian cña hoμn l−u khÝ quyÓn trung b×nh. Môc tiªu cña ch−¬ng nμy lμ m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh nμy víi c¸c quy m« thêi gian kh¸c nhau vμ ®Ò cËp tíi c¬ chÕ lμm t¨ng t¸c ®éng cña nh÷ng qu¸ tr×nh nμy. V× khÝ quyÓn cã kho¶ng biÕn ®æi vÒ quy m« kh«ng gian lín, tõ quy m« ph©n tö tíi quy m« toμn cÇu, do ®ã hoμn l−u khÝ quyÓn còng biÕn ®æi lín trong quy m« thêi gian, tõ kho¶ng vμi gi©y ®èi víi c¸c xo¸y rèi nhá ®Õn quy m« thêi gian cã tÝnh ®Þa chÊt ®èi víi nh÷ng biÕn ®æi khÝ hËu. Mét sè tÇn sè quan s¸t ®−îc cã quan hÖ trùc tiÕp víi tÇn sè cña nh÷ng t¸c ®éng mang tÝnh chu kú. Ch¼ng h¹n nh−, biÕn tr×nh ngμy vμ nöa ngμy cña nhiÖt ®é vμ giã g¾n liÒn víi biÕn tr×nh ngμy cña l−îng nhiÖt ®èt nãng do mÆt trêi. C¸c “triÒu nhiÖt ®é” nμy rÊt quan träng trong phÇn trªn cña khÝ quyÓn vμ cã thÓ ph¸t hiÖn thÊy ë khÝ quyÓn tÇng thÊp. Quan träng h¬n lμ chu tr×nh n¨m cña bøc x¹ cã hiÖu øng ®èi víi hoμn l−u khÝ quyÓn quy m« lín. Chu tr×nh mïa cña c¸c ®¹i l−îng khÝ t−îng ¶nh h−ëng tíi hÇu hÕt mäi miÒn trªn Tr¸i §Êt. Tuy nhiªn, bªn c¹nh nh÷ng chu kú do t¸c ®éng bªn ngoμi nh− vËy, b¶n th©n dßng khÝ trong khÝ quyÓn còng sinh ra c¸c d¹ng quy m« thêi gian bªn trong nã. Nh÷ng chuyÓn ®éng sãng kh¸c nhau cã c¸c tÇn sè ®Æc tr−ng trong khi nh÷ng nhiÔu ®éng kh«ng mang tÝnh chu kú, bÊt th−êng ph¸t sinh tõ nh÷ng ®Æc tÝnh rèi, tùa rèi cña nh÷ng dßng khÝ trong khÝ quyÓn. T¹i sao nh÷ng dao ®éng bÊt quy t¾c nh− vËy l¹i ph¸t sinh ë mét vÞ trÝ nμo ®ã trong khÝ quyÓn, ®ã lμ mét c©u hái rÊt lý thó. C©u tr¶ lêi tæng qu¸t ®ã lμ dßng trung b×nh theo thêi gian lμ bÊt æn ®Þnh ®èi víi c¸c nhiÔu cã biªn ®é nhá. Tuy nhiªn, dßng trung b×nh duy tr× nh− thÕ nμo ë tr¹ng th¸i bÊt æn ®Þnh? T¹i sao sù bÊt æn ®Þnh ®ang ph¸t triÓn l¹i kh«ng ph¸ vì nh÷ng gradien t¹o ra bÊt æn ®Þnh nh− gradien cña ®é ®øt vμ nhiÖt ®é mμ l¹i ®Ó khÝ quyÓn ë tr¹ng th¸i gÇn nh− æn ®Þnh, phiÕm ®Þnh? §©y lμ nh÷ng c©u hái mμ ta sÏ ph¶i quay trë l¹i trong môc 7.4. Trong ch−¬ng nμy sÏ nghiªn cøu c¸c ®Æc tÝnh “tøc thêi” nμy cña c¸c dßng khÝ trong khÝ quyÓn. Ta sÏ bμn ®Õn c¸c ®Æc tÝnh nμy ®−îc h×nh thμnh nh− thÕ nμo vμ chóng ®ãng gãp nh− thÕ nμo ®èi víi sù vËn chuyÓn nhiÖt vμ c¸c ®¹i l−îng kh¸c xung quanh Tr¸i §Êt. Ta sÏ minh ho¹, diÔn gi¶i nh÷ng hÖ thèng thêi tiÕt riªng biÖt ®ãng gãp nh− - 108 - thÕ nμo vμo hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu. Trong ch−¬ng tr−íc ®· l−u ý r»ng hoμn l−u Hadley lμm gi¶m gradien nhiÖt ®é ë vïng nhiÖt ®íi nh−ng l¹i lμm t¨ng gradien nhiÖt ®é vμ ®é ®øt giã ngang ë miÒn «n ®íi. C¸c qu¸ tr×nh tøc thêi ë miÒn «n ®íi lμm gi¶m gradien nhiÖt ®é ë ®©y vμ vËn chuyÓn nhiÖt, ®éng l−îng tõ miÒn cËn nhiÖt ®íi tíi miÒn vÜ ®é cao. H×nh 5.1. MÆt c¾t th¼ng ®øng theo khÝ ¸p-vÜ ®é cña ®éng n¨ng xo¸y tøc thêi (a) Tõ th¸ng 12 ®Õn th¸ng 2 vµ (b) Tõ th¸ng 6 ®Õn th¸ng 8. Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 25m2s-2; vïng t« ®Ëm chØ gi¸ trÞ v−ît qu¸ 300m2s-2 theo 6 n¨m sè liÖu cña trung t©m Dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Tr−íc khi bμn mét c¸ch chi tiÕt vÒ c¸c quy m« chiÕm −u thÕ còng nh− d¹ng cña c¸c qu¸ tr×nh tøc thêi trong khÝ quyÓn, ta h·y xem xÐt c¸c ®Æc tÝnh cña tÇn sè vμ sè sãng cña nh÷ng qu¸ tr×nh tøc thêi th¸m s¸t ®−îc. Nh¾c l¹i mét chó ý ®· nªu trong Ch−¬ng 2 trong ®ã trung b×nh thêi gian cña mét ®¹i l−îng bÊt kú Q ký hiÖu lμ Q , ®é lÖch so víi vÞ trÝ trung b×nh ký hiÖu lμ Q’. §éng n¨ng cña nh÷ng xo¸y rèi tøc thêi lμ     2'2' vu 2 1K (5.1) MÆt c¾t theo khÝ ¸p-vÜ ®é trªn H×nh 5.1 biÓu diÔn sù ph©n bè trung b×nh vÜ h−íng cña ®éng n¨ng xo¸y ë tÊt c¶ c¸c quy m« thêi gian. Nh÷ng qu¸ tr×nh nμy rÊt nhá ë miÒn nhiÖt ®íi nh−ng l¹i rÊt quan träng ®èi víi miÒn «n ®íi víi nh÷ng gi¸ trÞ cùc ®¹i ®¹t ®−îc gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u vμ vÒ phÝa cùc tíi t©m dßng xiÕt cËn nhiÖt ®íi. Nh÷ng qu¸ tr×nh tøc thêi nμy trë nªn yÕu h¬n khi di chuyÓn vÒ phÝa cùc. C¸c qu¸ tr×nh nμy vÒ mïa ®«ng m¹nh h¬n mïa hÌ; chu tr×nh mïa nμy lμ mét dÊu hiÖu râ ë B¾c B¸n CÇu. - 109 - Nh÷ng gi¸ trÞ lín h¬n còng ®−îc quan s¸t thÊy ë tÇng b×nh l−u, gÇn miÒn xÝch ®¹o vμ miÒn vÜ ®é cao ë b¸n cÇu mïa ®«ng. H×nh 5.2. §éng n¨ng xo¸y tøc thêi mùc 250hPa trong thêi kú th¸ng 12-th¸ng 2 ë B¾c B¸n CÇu. (a) §éng n¨ng xo¸y tøc thêi tæng céng, kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 50m2s-2 víi vïng t« ®Ëm lµ c¸c gi¸ trÞ v−ît qu¸ 300m2s-2. §éng n¨ng xo¸y tøc thêi t¹i mùc 250hPa thêi kú th¸ng 12-th¸ng 2 ë B¾c B¸n CÇu. §éng n¨ng xo¸y tøc thêi kh«ng chØ biÕn ®æi theo ®é cao vμ vÜ ®é mμ cßn biÕn ®æi theo kinh ®é. Vμo mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu, nh÷ng cùc ®¹i cña ®éng n¨ng xo¸y n»m ë bê phÝa t©y cña c¸c ®¹i d−¬ng vμ cùc tiÓu ë B¾c Mü vμ Ch©u ¸. Sù ph©n bè nμy ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 5.2a. Vμo mïa ®«ng cña Nam B¸n CÇu, mét cùc ®¹i ®¬n lÎ quan s¸t ®−îc ë phÝa nam §¹i T©y D−¬ng vμ Ên §é D−¬ng vμ nh÷ng gi¸ trÞ thÊp h¬n ë vïng Th¸i B×nh D−¬ng. Nh÷ng cùc ®¹i nμy trïng víi nh÷ng khu vùc ¸p thÊp ®ang ph¸t triÓn vμ ¸p thÊp thuÇn thôc cña miÒn «n ®íi x¶y ra kh¸ th−êng xuyªn. VÒ phÝa ®«ng cña c¸c ®¹i d−¬ng, c¸c hÖ thèng cã xu thÕ bÞ k×m h·m vμ suy yÕu, do ®ã Ýt nhiÒu m¹nh h¬n ë trªn c¸c lôc ®Þa. Sù ph©n bè nμy cμng thÓ hiÖn râ nÕu chuçi thêi gian cña tõng thμnh phÇn vËn tèc ®−îc läc ®Ó lo¹i bá nh÷ng qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp tr−íc khi chóng ®ãng gãp vμo nh÷ng dao ®éng. Nh×n chung, qu¸ tr×nh läc sè cña nh÷ng chuçi thêi gian bao gåm sù thay thÕ thμnh phÇn thø n trong chuçi thêi gian b»ng trung b×nh träng sè thÝch hîp cña nh÷ng thμnh phÇn cßn l¹i    j ji ini F n QwQ (5.2) - 110 - H×nh 5.2 (tiÕp). (b) §éng n¨ng xo¸y tÇn sè cao, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 25m2s-2 víi vïng ®Ëm lµ gi¸ trÞ v−ît qu¸ 150m2s-2. C¸c xo¸y nµy cã chu kú nhá h¬n 6 ngµy. H×nh vÏ nµy dùa vµo 6 n¨m sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o h¹n võa Ch©u ©u. §Æc tÝnh cña qu¸ tr×nh läc ®−îc x¸c ®Þnh bëi qu¸ tr×nh chän träng sè läc wi. Ch¼ng h¹n nh−, qu¸ tr×nh läc c¸c dao ®éng tøc thêi, tøc lμ bá qua c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè cao nh−ng gi÷ l¹i nh÷ng dao ®éng tÇn sè thÊp h¬n ®Ó bá qua ¶nh h−ëng sinh ra nÕu träng sè lμ h»ng sè vμ b»ng 1/(2j + 1). Trong tr−êng hîp nμy, gi¸ trÞ trung b×nh lμ gi¸ trÞ trung b×nh tr−ît cña chuçi thêi gian. Ng−îc l¹i, b»ng c¸ch x¸c ®Þnh Q’ lμ so víi gi¸ trÞ trung b×nh tr−ît, ng−êi ta thiÕt lËp mét phÐp läc th« bá qua c¸c dao ®éng quy m« thêi gian lín. Nh÷ng phÐp läc phøc t¹p h¬n ®−îc thiÕt lËp sao cho chØ bá qua nh÷ng kho¶ng tÇn sè ®−îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c. Tuy nhiªn v× phæ thêi gian cña c¸c chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn lμ tr¬n vμ liªn tôc vμ kh«ng cã sù gi¸n ®o¹n phæ râ rμng. §©y lμ mét nguyªn nh©n vËt lý ®Ó sö dông mét phÐp läc tinh vi h¬n cho nh÷ng môc ®Ých cña ta. §éng n¨ng xo¸y läc tÇn sè thÊp (biÓu diÔn trªn H×nh 5.2b) ®−îc x©y dùng b»ng c¸ch sö dông mét phÐp läc trung b×nh tr−ît gièng nh− ®· nªu ra ë trªn. HiÖu øng cña nã lμ bá qua nh÷ng dao ®éng g¾n liÒn víi c¸c qu¸ tr×nh cã chu kú dμi h¬n 6 ngμy. §éng n¨ng xo¸y cña nh÷ng qu¸ tr×nh ®−îc läc nμy nhá h¬n ®¸ng kÓ so víi nh÷ng qu¸ tr×nh t−¬ng tù nh−ng ch−a ®−îc läc, tuy nhiªn c¸c cùc ®¹i thÓ hiÖn râ h¬n. C¸c cùc ®¹i nμy cã tÝnh vÜ h−íng tr¶i dμi tõ bê biÓn B¾c Mü tíi §¹i T©y D−¬ng, tõ bê biÓn Ch©u ¸ tíi Th¸i B×nh D−¬ng. Nh÷ng cùc ®¹i t−¬ng tù còng thÓ hiÖn râ nÕu ta dïng c¸c th−íc ®o kh¸c ®èi víi ho¹t ®éng cña xo¸y tøc thêi, ch¼ng h¹n nh− vÏ sù biÕn ®æi cña ®é cao ®Þa thÕ vÞ, dßng nhiÖt mùc thÊp. Quü ®¹o cña c¸c trung t©m ¸p thÊp ®ang ph¸t triÓn cã xu thÕ di chuyÓn däc theo c¸c b¸n trôc lín cña nh÷ng khu vùc nμy, ®ã lμ lý do mμ ng−êi ta th−êng gäi lμ “quü ®¹o xo¸y thuËn”. Nh÷ng khu vùc quü ®¹o xo¸y thuËn nμy cã thÓ nhËn thÊy trªn c¸c tr−êng nhiÖt ë H×nh 3.8, ®Æc biÖt trong mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. Ch−¬ng 7 sÏ giíi thiÖu ®Çy ®ñ vÒ c¸c quü ®¹o xo¸y thuËn miÒn «n ®íi. - 111 - C¸c qu¸ tr×nh tÇn sè cao miÒn «n ®íi, th−êng lμ nh÷ng qu¸ tr×nh cã chu kú tõ 1 ®Õn 10 ngμy hoÆc h¬n n÷a, khèng chÕ bÊt æn ®Þnh thñy ®éng lùc cña dßng vÜ h−íng ®−îc gäi lμ “bÊt æn ®Þnh tμ ¸p”. Trong phÇn ®Çu cña ch−¬ng nμy, ta sÏ bμn ®Õn kÝch cì vμ cÊu tróc trung b×nh cña nh÷ng xo¸y tøc thêi. TiÕp sau ®ã sÏ bμn ®Õn n¨ng l−îng g¾n liÒn víi nh÷ng qu¸ tr×nh nμy vμ sù h×nh thμnh cña chóng. Lý thuyÕt bÊt æn ®Þnh tμ ¸p sÏ ®−îc tr×nh bμy trong môc 5.4 cßn phÇn më réng vμ h¹n chÕ cña lý thuyÕt nμy sÏ ®−îc tr×nh bμy trong môc 5.5. Nh÷ng qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp cã nguån gèc phøc t¹p h¬n, cho ®Õn nay vÉn ch−a ®−îc hiÓu biÕt ®Çy ®ñ. T¸c ®éng tÇn sè thÊp sinh ra tõ ®éng lùc bªn trong cña dßng khÝ, ®Æc biÖt lμ sù t−¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a chuyÓn ®éng ë c¸c quy m« kh¸c nhau dÉn tíi vËn chuyÓn mét n¨ng l−îng lín cho c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp. Tuy nhiªn, nh÷ng qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp còng chÞu nh÷ng t¸c ®éng bªn ngoμi, ®ã lμ sù t−¬ng t¸c gi÷a hoμn l−u khÝ quyÓn vμ nh÷ng hÖ thèng biÕn ®æi chËm h¬n, ch¼ng h¹n nh− ®¹i d−¬ng. Khi tÇn sè thÊp h¬n th× t¸c ®éng néi ®éng lùc trë nªn Ýt quan träng h¬n trong khi vai trß cña nh÷ng t¸c ®éng bªn ngoμi chiÕm −u thÕ. ViÖc m« t¶ sù biÕn ®æi cña qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp rÊt khã kh¨n v× chuçi sè liÖu nh×n chung kh«ng ®ñ dμi ®Ó thiÕt lËp nh÷ng m« h×nh ®ñ ®é tin cËy thèng kª cho nh÷ng t−¬ng quan vμ hÖ sè t−¬ng quan cña nh÷ng qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp. HiÓu biÕt chi tiÕt h¬n nh÷ng c¬ chÕ c¬ b¶n lμ môc tiªu cña nghiªn cøu hiÖn nay. Ta sÏ nghiªn cøu chi tiÕt h¬n vÒ sù biÕn ®æi cña qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp trong Ch−¬ng 8. PhÇn cßn l¹i cña ch−¬ng nμy sÏ nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè cao. 5.2 CÊu tróc cña c¸c xo¸y tøc thêi Ph©n tÝch quy m« cho thÊy nh÷ng chuyÓn ®éng quy m« lín ë miÒn «n ®íi trªn Tr¸i §Êt lμ gÇn nh− kh«ng ph©n kú; phÇn quay cña c©n b»ng ®Þa chuyÓn cña giã chiÕm −u thÕ h¬n so víi phÇn giã phi ®Þa chuyÓn ph©n kú quy m« nhá. Tû sè gi÷a tèc ®é giã ®Þa chuyÓn vμ phi ®Þa chuyÓn cã bËc ®¹i l−îng cña th«ng sè Rossby. ChÝnh v× vËy cã thÓ dïng ®Ó m« h×nh ho¸ cÊu tróc ngang cña c¸c xo¸y cã tøc thêi b»ng mét hμm dßng ®Þa chuyÓn gi¶ thiÕt biÕn ®æi d−íi d¹ng h×nh sin theo h−íng x vμ y  lykxi' e  (5.3) Mét c¸ch chÝnh x¸c h¬n, ph−¬ng tr×nh (5.3) cã thÓ xem nh− lμ mét thμnh phÇn cña tæng Fourier ®èi víi tÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ k vμ l. Trong ch−¬ng nμy ta sÏ gi¶i thÝch ph−¬ng tr×nh d−íi d¹ng m« t¶ xo¸y víi tøc thêi ®iÓn h×nh; gi¸ trÞ cña k vμ l ®−îc lÊy nh− lμ gi¸ trÞ trung b×nh cña tÊt c¶ c¸c hiÖn t−îng cã tøc thêi th¸m s¸t ®−îc. Ta cã thÓ coi biªn ®é cña  nh− lμ mét hμm sin cña thêi gian; trong tr−êng hîp nμy gi¸ trÞ trung b×nh trªn mét kho¶ng chu kú sãng hoμn thiÖn sÏ gièng nh− gi¸ trÞ trung b×nh trªn mét b−íc sãng. C¸c thμnh phÇn giã theo h−íng b¾c vμ h−íng ®«ng ®−îc biÓu diÔn qua hμm dßng nh− sau  lykxi ' ' eil y u   (5.4a) - 112 -  lykxi ' ' eik x v   (5.4b) §¹i l−îng i trong c¸c biÓu thøc trªn cho thÊy sãng vËn tèc vμ sãng hμm dßng lÖch pha nhau /2. BiÕn u vμ v chØ ®é lín ®Æc tr−ng cña u’ vμ v’. Hμm dßng kh«ng ®−îc ®o ®¹c trùc tiÕp nh−ng b»ng th¸m s¸t vμ ph©n tÝch ta thÊy nã cã mèi liªn hÖ víi ®é cao ®Þa thÕ vÞ Z. Hμm dßng ®Þa chuyÓn liªn hÖ víi ®é cao ®Þa thÕ vÞ theo c«ng thøc sau Z f g (5.5) Do ®ã c¸c biÕn vËn tèc vμ biÕn ®é cao ®Þa thÕ vÞ liªn hÖ víi nhau bëi c«ng thøc 2' 2 222'2' 2 222' Z f gkv,Z f glu  (5.6) gi¶ thiÕt r»ng f lμ h»ng sè trªn ®é réng /l cña xo¸y. Do vËy, viÖc so s¸nh gi÷a biÕn vËn tèc vμ biÕn ®é cao ®Þa thÕ vÞ sÏ dÉn tíi viÖc x¸c ®Þnh sè sãng ®Æc tr−ng cña c¸c hiÖn t−îng tøc thêi, nghÜa lμ x¸c ®Þnh ®−îc quy m« kh«ng gian cña chóng. ViÖc so s¸nh biÕn u vμ v cho ta phÐp ®o d¹ng ®Æc tr−ng cña xo¸y v× 2 2 2' 2' l k u v  (5.7) H×nh 5.3. (a) BiÕn ®æi cña ®é cao trung b×nh vÜ h−íng    2/12'Z vµ (b) BiÕn ®æi cña vËn tèc    2/12'u (®−êng liÒn) vµ    2/12'v (®−êng ®øt). - 113 - H×nh 5.3 (tiÕp). (c) vµ (d) t−¬ng tù nh− (a) vµ (b) nh−ng ®èi víi c¸c xo¸y tÇn sè cao. Dùa vµo 6 n¨m sè liÖu cña trung t©m Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ©u trªn mùc 250hPa vµo mïa ®«ng. NÕu 2'2' vu  , xo¸y sÏ tr¶i dμi theo vÜ h−íng, ng−îc l¹i nÕu 2'2' vu  xo¸y sÏ tr¶i dμi theo kinh h−íng. Trung b×nh vÜ h−íng cña 2'u , 2'v vμ 2'Z ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 5.3. LÊy gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cho tÇng ®èi l−u trªn miÒn «n ®íi, 2'v = 280m2s-2, 2'u = 250m2s-2 vμ 2'Z = 4 x 104 m2. V× vËy c¸c xo¸y cã h−íng kÐo dμi theo kinh h−íng. Sè sãng ®Æc tr−ng cã gi¸ trÞ kho¶ng 1 x 10-6 m-1; gi¸ trÞ nμy t−¬ng øng víi 5 sãng vÜ h−íng t¹i 40o vÜ. Khi sö dông phÐp läc, h×nh vÏ nμy sÏ cã biÕn ®æi. C¸c xo¸y tÇn sè cao bÞ kÐo dμi theo c¸c kinh tuyÕn kh¸c nhau vμ do ®ã quy m« cña nã sÏ nhá h¬n. H×nh 5.4. S¬ ®å minh ho¹ mét xo¸y nghiªng - 114 - TiÕp theo ta h·y xem xÐt xo¸y víi c¸c trôc täa ®é dμi h¬n cã h−íng ®«ng-t©y hoÆc h−íng b¾c-nam. Kh«ng cã lý do nμo ®Ó c¸c trôc nμy ph¶i h−íng theo mét gãc trung gian gi÷a hai h−íng trôc nμy. H−íng nμy liªn quan víi sù vËn chuyÓn c¸c dßng ®éng l−îng vÒ phÝa cùc, sinh ra do qu¸ tr×nh sãng. Mét c¸ch ®Þnh tÝnh, ta cã thÓ thÊy trªn H×nh 5.4 m« t¶ mét xo¸y nghiªng tõ t©y-nam sang ®«ng-b¾c. Däc theo ®o¹n AB, c¶ hai thμnh phÇn vËn tèc xo¸y u vμ v ®Òu cã gi¸ trÞ lín vμ d−¬ng; xo¸y vËn chuyÓn ®éng l−îng tõ phÝa t©y lªn phÝa b¾c. Däc theo ®o¹n CD, ®éng l−îng ®−îc vËn chuyÓn tõ phÝa ®«ng xuèng phÝa nam. HiÖu øng thuÇn cña c¶ hai qu¸ tr×nh nμy lμ vËn chuyÓn ®éng l−îng tõ phÝa t©y lªn phÝa b¾c. §o¹n ng¾n h¬n BC vμ DA ®−îc ®Æc tr−ng bëi giã yÕu h¬n vμ qu¸ tr×nh vËn chuyÓn ®éng l−îng tõ phÝa t©y xuèng phÝa nam. Trong giíi h¹n cña nh÷ng xo¸y nghiªng kÐo dμi cùc ®¹i cã thÓ bá qua sù ®ãng gãp cña hai ®o¹n nμy vμo qu¸ tr×nh vËn chuyÓn ®éng l−îng cña xo¸y. LÊy trung b×nh trªn toμn bé b−íc sãng, ta thÊy cã sù vËn chuyÓn ®éng l−îng h−íng cùc, tøc lμ ''vu cã gi¸ trÞ d−¬ng ®èi víi xo¸y nghiªng nh− vËy. B»ng c¸ch lý gi¶i t−¬ng tù th× xo¸y nghiªng theo h−íng ng−îc l¹i sÏ vËn chuyÓn ®éng l−îng tõ phÝa t©y xuèng phÝa nam. SÏ kh«ng cã sù vËn chuyÓn ®éng l−îng bëi c¸c xo¸y kh«ng nghiªng hoÆc xo¸y trßn v× c¸c phÇn ®ãng gãp kh¸c nhau sÏ lo¹i trõ nhau trong nh÷ng tr−êng hîp nμy. H×nh 5.5. MÆt c¾t th¼ng ®øng theo vÜ ®é-¸p suÊt cña c¸c dßng ®éng l−îng xo¸y tøc thêi h−íng cùc quan tr¾c vµo (a) mïa ®«ng vµ (b) mïa hÌ. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5m2s-2, vïng t« ®Ëm lµ vïng cã gi¸ trÞ ©m. - 115 - Dßng ®éng l−îng h−íng cùc quan hÖ chÆt chÏ víi h−íng cña xo¸y. H×nh 5.5 biÓu diÔn mÆt c¾t ngang cña khÝ ¸p theo vÜ ®é cña c¸c dßng ®éng l−îng h−íng cùc ®èi víi mïa ®«ng vμ mïa hÌ. Dßng ®éng l−îng xo¸y ®¹t cùc ®¹i ë miÒn «n ®íi gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u. Dßng ®éng l−îng cã xu thÕ h−íng vÒ phÝa cùc ë miÒn vÜ ®é thÊp h¬n vμ h−íng vÒ phÝa xÝch ®¹o ë miÒn vÜ ®é cao h¬n, cho thÊy r»ng c¸c xo¸y h−íng theo h−íng ng−îc l¹i víi h−íng b¾c nam cña d¶i xo¸y chÝnh. H×nh thÕ nh− vËy thÓ hiÖn kh¸ râ ë Nam B¸n CÇu nh−ng còng ®ãng vai trß rÊt quan träng ë B¾c B¸n CÇu. Sö dông c¸ch gi¶i thÝch cña môc 4.4, sù ph©n bè dßng ®éng l−îng nμy cho thÊy r»ng hoμn l−u trung b×nh Euler gi¸n tiÕp cã liªn quan víi c¸c dßng ®éng l−îng xo¸y th¸m s¸t ®−îc. Gãc ®Æc tr−ng cña c¸c xo¸y nghiªng cã thÓ tÝnh ®−îc nÕu biÕt gi¸ trÞ dßng ®éng l−îng vμ c¸c biÕn vËn tèc. Ta h·y tÝnh nh÷ng thμnh phÇn vËn tèc trong mét hÖ quy chiÕu x¸c ®Þnh bëi  y~,x~ quay víi mét gãc  xung quanh hÖ quy chiÕu c¬ së (x, y). Sö dông c«ng thøc th«ng th−êng cho hÖ to¹ ®é quay, c¸c thμnh phÇn vËn tèc xo¸y chuyÓn sang d¹ng sau  sinvcosuu~ ''' (5.8a)  cosvsinuv~ ''' (5.8b) Dßng ®éng l−îng trong hÖ to¹ ®é quay cã d¹ng     2cosvu2sinvu 2 1v~u~ '' 2'2''' (5.9) Khi chän  sao cho xo¸y kh«ng nghiªng trong hÖ to¹ ®é quay, dßng ®éng l−îng trong hÖ nμy '' v~u~ = 0. Khi ®ã gãc nghiªng x¸c ®Þnh nh− sau 2'2' '' uv vu22tan   (5.10) C«ng thøc nμy còng tho¶ m·n ®èi víi gãc  + /2, cho thÊy r»ng ®−¬ng nhiªn xo¸y cã c¶ b¸n trôc lín vμ b¸n trôc nhá. C¸c thμnh phÇn tøc thêi ch−a ®−îc läc cã 2'2' uv  do ®ã  = 45o. C¸c xo¸y ®−îc läc bá qua tÇn sè cao cã gi¸ trÞ ®Æc tr−ng ''vu = 25 m2s-2 ë phÝa trªn tÇng ®èi l−u. §iÒu nμy cho thÊy r»ng c¸c xo¸y ph¶i cã gãc quay kho¶ng 26o. Tuy nhiªn, ®Æc tÝnh cña xo¸y lμ biÕn ®æi tõ n¬i nμy ®Õn n¬i kh¸c. Trªn H×nh 5.6 biÓu diÔn tÝnh kh«ng ®¼ng h−íng cña xo¸y vμ h−íng cña b¸n trôc lín cña nã. “TÝnh kh«ng ®¼ng h−íng” sÏ ®−îc ®Þnh nghÜa trong môc 7.4 (ph−¬ng tr×nh (7.15)); ®ã ®¬n gi¶n lμ mét sè v« thø nguyªn biÕn ®æi tõ 0 ®èi víi c¸c xo¸y hoμn toμn trßn tíi 1 ®èi víi c¸c xo¸y kÐo dμi v« h¹n. Nh÷ng xo¸y kh«ng ®−îc läc hÇu hÕt lμ kh«ng ®¼ng h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi, d¹ng thÓ hiÖn cña c¸c nhiÔu tÇn sè thÊp miÒn nhiÖt ®íi, lý thuyÕt vÒ vÊn ®Ò nμy sÏ ®−îc tr×nh bμy trong môc 7.1. C¸c xo¸y tÇn sè cao bÞ kÐo dμi theo kinh h−íng ë miÒn «n ®íi do ®ã ®−îc gäi lμ c¸c vÜ ®é “quü ®¹o cña xo¸y”. B©y giê ta chuyÓn sang xem xÐt sù vËn chuyÓn nhiÖt do xo¸y vÒ phÝa cùc sinh ra do c¸c qu¸ tr×nh cã tøc thêi. §iÒu nμy liªn quan víi cÊu tróc th¼ng ®øng cña xo¸y. H×nh 5.7 biÓu diÔn mÆt c¾t th¼ng ®øng cña c¸c dßng nhiÖt cña xo¸y cã tøc thêi. C¸c - 116 - dßng nμy cã tÝnh h−íng cùc ë c¶ hai b¸n cÇu vμ cã gi¸ trÞ cùc ®¹i trong phÇn d−íi tÇng ®èi l−u ë miÒn «n ®íi. Dßng nhiÖt cã tøc thêi lμ kh«ng quan träng ®èi víi miÒn nhiÖt ®íi, n¬i sù vËn chuyÓn nhiÖt chñ yÕu do vßng hoμn l−u Hadley vμ sù vËn chuyÓn lªn cao trong c¸c hÖ thèng ®èi l−u quy m« nhá. Dßng nhiÖt vÜ h−íng trung b×nh cùc ®¹i ë tÇng ®èi l−u vμo kho¶ng 15Kms-1, cã gi¸ trÞ lín h¬n ë tÇng b×nh l−u vμo mïa ®«ng. Sù ph©n kú cña dßng nhiÖt cho ta c¸ch ®¸nh gi¸ sù ®èt nãng hoÆc lμm l¹nh sinh ra bëi c¸c xo¸y cã tøc thêi; gi¸ trÞ ®Æc tr−ng kho¶ng 0,5Kngμy-1 t−¬ng ®−¬ng víi 60Wm-2. Chu kú mïa cña dßng nhiÖt thÓ hiÖn râ ë B¾c B¸n CÇu nh−ng kh«ng thÓ hiÖn râ ë Nam B¸n CÇu. H×nh 5.6. MÆt c¾t th¼ng ®øng theo vÜ ®é-¸p suÊt biÓu diÔn tÝnh kh«ng ®¼ng h−íng cña rèi vµ tÝnh ®Þnh h−íng cña c¸c trôc chÝnh trung b×nh cña rèi. C¸c ®−êng ®¼ng trÞ biÓu diÔn tÝnh kh«ng ®¼ng h−íng cña rèi, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 0,1. Vïng ®Ëm chØ gi¸ trÞ n»m trong kho¶ng 0,2 ®Õn 0,4. C¸c vect¬ chØ h−íng cña c¸c trôc chÝnh cña rèi, c¸c vect¬ th¼ng ®øng cã h−íng b¾c-nam. (a) Rèi tøc thêi kh«ng läc, (b) Rèi tøc thêi tÇn sè cao. H×nh vÏ dùa vµo 6 n¨m sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u, thêi kú mïa ®«ng. B©y giê xem xÐt mét nhiÔu ®éng gi¶ thiÕt lμ c©n b»ng ®Þa chuyÓn vμ thuû tÜnh lý t−ëng ho¸. D¹ng h×nh häc cña tr−êng hîp nμy ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 5.8. ë ®©y biÓu - 117 - diÔn ba mÆt khÝ ¸p p - p, p vμ p + p. Hμm dßng ®Þa chuyÓn quan hÖ víi ®é cao ®Þa thÕ vÞ d−íi d¹ng sau '' Z f g (5.11) do ®ã c¸c thμnh phÇn giã cã d¹ng x Z f gv, y Z f gu ' ' ' '    (5.12) H×nh 5.7. MÆt c¾t theo vÜ ®é-¸p suÊt biÓu diÔn dßng nhiÖt h−íng cùc cña c¸c xo¸y qui m« thêi gian ng¾n  ''Tv (a) mïa ®«ng; (b) mïa hÌ. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 2Kms-1, vïng t« ®Ëm cã gi¸ trÞ ©m. H×nh vÏ nµy dùa trªn 6 n¨m sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u NhiÖt ®é trªn mÆt ®¼ng ¸p quan hÖ víi ®é dμy cña líp th«ng qua quan hÖ thuû tÜnh; nghÜa lμ nhiÖt ®é trªn mùc 0 x¸c ®Þnh bëi p2 ZZ R gp T ' 1 ' 10 0    (5.13) - 118 - Gi¶ thiÕt r»ng ®é cao ®Þa thÕ vÞ biÕn ®æi theo d¹ng sin theo trôc x. Thªm vμo ®ã coi biªn ®é lμ h»ng sè theo ®é cao nh−ng cã sù biÕn ®æi pha theo ®é cao. Ta cã thÓ viÕt   ,1,0,1i,ikxsinAZZ Rii  (5.14) trong ®ã A lμ biªn ®é sãng. Quy ®Þnh dÊu chän sao cho  d−¬ng tøc lμ sãng nghiªng vÒ phÝa t©y theo ®é cao. Khi ®ã tr−êng nhiÖt ®é cña xo¸y t¹i mùc 0 lμ )sin()kxcos(A pR gp T 0'0  (5.15) Theo trôc x sÏ kh«ng cã sù dao ®éng cña nhiÖt ®é trõ phi cã sù nghiªng pha. Giã h−íng cùc cã d¹ng  kxcosA f kgv '  (5.16) Chó ý r»ng sãng nhiÖt vμ sãng vËn tèc h−íng cùc lμ cïng pha. Do ®ã dßng nhiÖt h−íng cùc cã d¹ng    sinpfR kAgp21Tv 220'' (5.17) H×nh 5.8. S¬ ®å m« t¶ mét nhiÔu ®éng d¹ng sãng víi pha lan truyÒn vÒ h−íng t©y nghiªng theo ®é cao. Xem xÐt Hnh 5.8 gióp ta hiÓu râ kÕt qu¶ nμy. §é lÖch pha th¼ng ®øng vÒ phÝa t©y cã nghÜa lμ ®é dÇy vμ do ®ã nhiÖt ®é ®¹t cùc ®¹i n¬i giã h−íng cùc ®¹t cùc ®¹i. Do ®ã ë ®©y sÏ cã mét dßng nhiÖt thuÇn h−íng cùc. NÕu ®é lÖch pha ng−îc l¹i sãng sÏ vËn chuyÓn nhiÖt vÒ phÝa xÝch ®¹o. L−u ý quy ®Þnh dÊu cña y trïng víi gi¸ trÞ thùc ë Nam B¸n CÇu. Mét vÝ dô vÒ viÖc sö dông ph−¬ng tr×nh (5.17) lμ tÝnh ®é nghiªng pha th¼ng ®øng cña c¸c hiÖn t−îng tøc thêi ®Æc tr−ng tõ tr−êng 2'Z vμ 'T'v . Mét tËp hîp thèng kª c¸c hoμn l−u cho thÊy r»ng t¹i mùc 700hPa vμ 45oN biÕn ®æi ®é cao cña tÇn sè cao 2/1 2'Z lμ 35m, biÕn ®æi giã kinh h−íng lμ 20m2s-2 vμ dßng nhiÖt h−íng cùc lμ 4Kms-1. Tõ ph−¬ng tr×nh (5.6) ®é dμi sãng vÜ h−íng tÝnh ®−îc lμ 1070km. ThÕ nh÷ng gi¸ trÞ nμy vμo ph−¬ng tr×nh (5.17) ta thu ®−îc ®é nghiªng pha gi÷a mùc 900hPa vμ mùc 500hPa lμ kho¶ng 12o vÜ. - 119 - T−¬ng tù nh− sù vËn chuyÓn nhiÖt h−íng cùc, c¸c xo¸y cã tøc thêi còng vËn chuyÓn nhiÖt theo chiÒu th¼ng ®øng. Thªm vμo ®ã, yªu cÇu vÒ c©n b»ng giã nhiÖt b¶o ®¶m r»ng ë ®©y cã mét mèi liªn hÖ kh¸ chÆt chÏ gi÷a dßng nhiÖt h−íng cùc vμ dßng nhiÖt theo chiÒu th¼ng ®øng. H×nh 5.9 gi¶i thÝch c¬ chÕ x¶y ra hiÖn t−îng nμy. NÕu mét xo¸y ®−îc ®Æc tr−ng bëi b×nh l−u nãng t¹i mét kinh ®é nμo ®ã vμ b×nh l−u l¹nh t¹i mét kinh ®é kh¸c th× gradien nhiÖt ®é sÏ cã h−íng vÜ h−íng. §iÒu nμy cã nghÜa lμ c©n b»ng giã nhiÖt ®−îc duy tr×, do ®ã tr−êng vËn tèc mùc cao sÏ ph¶i biÕn ®æi. Gia tèc ®ã cã thÓ ®−îc sinh ra bëi hoμn l−u phi ®Þa chuyÓn trªn mÆt ph¼ng ®é cao-kinh ®é. Dßng hîp thμnh nμy liªn quan víi tr−êng nhiÖt ®é d−íi d¹ng t¹o ra dßng nhiÖt lªn cao. Ta sÏ chØ ra trong phÇn sau r»ng c¸c dßng nhiÖt th¼ng ®øng nh− vËy sÏ ®−îc t¹o thμnh nÕu c¸c xo¸y cã tøc thêi ph¸t triÓn trong dßng vÜ h−íng. H×nh 5.9. MÆt c¾t theo kinh ®é-®é cao cña mét sãng vËn chuyÓn nhiÖt h−íng cùc. NÕu c©n b»ng giã nhiÖt ®−îc duy tr×, b×nh l−u nãng vµ l¹nh liªn quan víi xo¸y sÏ t¹o thµnh c¸c hoµn l−u th¼ng ®øng vËn chuyÓn nhiÖt lªn cao. Nh− ®· ®Ò cËp trong môc 2.4, c¸c ph−¬ng ph¸p ph©n tÝch hiÖn ®¹i vμ ban ®Çu hãa cho phÐp ta x¸c ®Þnh kh¸ chÝnh x¸c tr−êng vËn tèc th¼ng ®øng kh«ng th¸m s¸t ®−îc. Tr−êng vËn tèc nμy ®−îc dïng ®Ó tÝnh dßng nhiÖt th¼ng ®øng liªn quan víi c¸c xo¸y cã tøc thêi. MÆt c¾t th¼ng ®øng däc theo kinh tuyÕn cña dßng nhiÖt th¼ng ®øng trung b×nh vÜ h−íng, g©y ra bëi c¸c qu¸ tr×nh tøc thêi,  ''T trong mïa ®«ng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 5.10. §Æc ®iÓm ®¸ng chó ý nhÊt trªn h×nh vÏ nμy lμ c¸ch ph©n bè c¸c ph¶n håi dßng cña dßng nhiÖt h−íng cùc ®óng theo c¸ch ®· ®−îc b×nh luËn trong phÇn tr−íc. Dßng nμy hÇu hÕt ®−îc vËn chuyÓn lªn cao, chØ cã mét sè vïng nhá cã dßng vËn chuyÓn xuèng d−íi rÊt yÕu ra khái c¸c khu vùc quü ®¹o xo¸y thuËn chÝnh. MÆt kh¸c, vect¬ dßng nhiÖt cã gradien gÇn nh− lμ h»ng sè h−íng vÒ phÝa cùc vμ lªn cao. Gradien ®Æc tr−ng cã gi¸ trÞ vμo kho¶ng 1/1000. 5.3 C¸c nguån n¨ng l−îng cña khÝ quyÓn §Ó cã ®−îc nh÷ng hiÓu biÕt s©u s¾c h¬n vÒ c¸c qu¸ tr×nh t¹o c¸c xo¸y tøc thêi quan tr¾c ®−îc ë miÒn «n ®íi ta sÏ xem xÐt mét c¸ch tiÕp cËn c¸c nguån n¨ng l−îng cña khÝ quyÓn qui m« lín. Ta ®· xem xÐt nh÷ng nÐt c¬ b¶n nhÊt vÒ nhiÖt ®éng lùc häc - 120 - khÝ quyÓn trong Ch−¬ng 3, tõ ®ã ta thÊy hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp ®ßi hái sù sinh ®éng n¨ng trong khÝ quyÓn. Trong môc nμy ta sÏ xem xÐt ®éng lùc häc qui m« lín tùa ®Þa chuyÓn. §iÒu nμy kh¼ng ®Þnh nh÷ng suy luËn trªn c¬ së nhiÖt ®éng lùc häc (®iÒu mμ ta mong ®îi v× c¸c ph−¬ng tr×nh cña ta ®−îc x©y dùng trªn c¬ së c¸c ®Þnh luËt c¬ b¶n cña nhiÖt ®éng lùc häc) vμ sÏ bæ sung c¸ch nh×n s©u s¾c h¬n vÒ cÊu tróc ®éng lùc cÇn thiÕt gi¶i phãng n¨ng l−îng cã thÓ biÓu diÔn d−íi d¹ng nhiÖt ®éng lùc häc. §©y lμ mét c¸ch tiÕp cËn truyÒn thèng, ®−îc Lorenz ®Ò x−íng vμo nh÷ng n¨m cña thËp kû 1950. C¸c khÝa c¹nh vÒ mÆt to¸n häc sÏ ®−îc ®Ò cËp mét c¸ch ng¾n gän v× biÓu diÔn chi tiÕt cã thÓ t×m thÊy trong c¸c cuèn s¸ch kh¸c. H×nh 5.10. MÆt c¾t th¼ng ®øng cña dßng nhiÖt th¼ng ®øng  ''T ®èi víi c¸c th¸ng 12, 1, 2. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 0,02KPas-1, dßng gi¸ng (d−¬ng) ®−îc t« ®Ëm. Dùa theo kÕt qu¶ ph©n tÝch 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n v÷a Ch©u ¢u. §éng n¨ng cña mét ®¬n vÞ khèi l−îng khÝ quyÓn lμ (u2 + v2)/2 (ta bá qua mét gia sè rÊt nhá cña ®éng n¨ng liªn quan víi chuyÓn ®éng th¼ng ®øng). §éng n¨ng khÝ quyÓn tæng céng K nhËn ®−îc mét c¸ch ®¬n gi¶n b»ng c¸ch tÝch ph©n trªn toμn bé khÝ quyÓn. Dïng hÖ to¹ ®é víi trôc th¼ng ®øng khÝ ¸p ta ®−îc     A p 0 22s dpdxdy 2 vu g 1K (5.18) trong ®ã  g/dp biÓu diÔn tÝch ph©n cho khèi l−îng; miÒn lÊy tÝch ph©n A lμ toμn bé bÒ mÆt Tr¸i §Êt hoÆc mét phÇn diÖn tÝch ®−îc më réng ®Ó sao cho kh«ng cã b×nh l−u kh«ng khÝ ®i vμo hoÆc ®i ra. TÝch ph©n nμy rÊt lín do ®ã n