Chương 5. Những nhiễu động tức thời miền ôn đới

- 107 - Ch−ơng 5. Những nhiễu động tức thời miền ôn đới 5.1 Quy mô thời gian của chuyển động khí quyển Hoμn l−u khí quyển thực chất lμ không có tính dừng; nhiễu động có thể xảy ra ở tất cả các quy mô thời gian. Trong ch−ơng tr−ớc đã chỉ ra rằng các dòng nhiệt, động l−ợng vμ các dạng dòng khác đ−ợc vận chuyển bởi những quá trình tức thời đóng một vai trò rất quan trọng trong việc xác định quy mô thời gian của hoμn l−u khí quyển trung bình. Mục tiêu của ch−ơng nμy lμ mô tả các quá trình nμy với các quy mô thời gian khác nhau vμ đề cập tới cơ chế lμm tăng tác động của những quá trình nμy. Vì khí quyển có khoảng biến đổi về quy mô không gian lớn, từ quy mô phân tử tới quy mô toμn cầu, do đó hoμn l−u khí quyển cũng biến đổi lớn trong quy mô thời gian, từ khoảng vμi giây đối với các xoáy rối nhỏ đến quy mô thời gian có tính địa chất đối với những biến đổi khí hậu. Một số tần số quan sát đ−ợc có quan hệ trực tiếp với tần số của những tác động mang tính chu kỳ. Chẳng hạn nh−, biến trình ngμy vμ nửa ngμy của nhiệt độ vμ gió gắn liền với biến trình ngμy của l−ợng nhiệt đốt nóng do mặt trời. Các “triều nhiệt độ” nμy rất quan trọng trong phần trên của khí quyển vμ có thể phát hiện thấy ở khí quyển tầng thấp. Quan trọng hơn lμ chu trình năm của bức xạ có hiệu ứng đối với hoμn l−u khí quyển quy mô lớn. Chu trình mùa của các đại l−ợng khí t−ợng ảnh h−ởng tới hầu hết mọi miền trên Trái Đất. Tuy nhiên, bên cạnh những chu kỳ do tác động bên ngoμi nh− vậy, bản thân dòng khí trong khí quyển cũng sinh ra các dạng quy mô thời gian bên trong nó. Những chuyển động sóng khác nhau có các tần số đặc tr−ng trong khi những nhiễu động không mang tính chu kỳ, bất th−ờng phát sinh từ những đặc tính rối, tựa rối của những dòng khí trong khí quyển. Tại sao những dao động bất quy tắc nh− vậy lại phát sinh ở một vị trí nμo đó trong khí quyển, đó lμ một câu hỏi rất lý thú. Câu trả lời tổng quát đó lμ dòng trung bình theo thời gian lμ bất ổn định đối với các nhiễu có biên độ nhỏ. Tuy nhiên, dòng trung bình duy trì nh− thế nμo ở trạng thái bất ổn định? Tại sao sự bất ổn định đang phát triển lại không phá vỡ những gradien tạo ra bất ổn định nh− gradien của độ đứt vμ nhiệt độ mμ lại để khí quyển ở trạng thái gần nh− ổn định, phiếm định? Đây lμ những câu hỏi mμ ta sẽ phải quay trở lại trong mục 7.4. Trong ch−ơng nμy sẽ nghiên cứu các đặc tính “tức thời” nμy của các dòng khí trong khí quyển. Ta sẽ bμn đến các đặc tính nμy đ−ợc hình thμnh nh− thế nμo vμ chúng đóng góp nh− thế nμo đối với sự vận chuyển nhiệt vμ các đại l−ợng khác xung quanh Trái Đất. Ta sẽ minh hoạ, diễn giải những hệ thống thời tiết riêng biệt đóng góp nh− - 108 - thế nμo vμo hoμn l−u khí quyển toμn cầu. Trong ch−ơng tr−ớc đã l−u ý rằng hoμn l−u Hadley lμm giảm gradien nhiệt độ ở vùng nhiệt đới nh−ng lại lμm tăng gradien nhiệt độ vμ độ đứt gió ngang ở miền ôn đới. Các quá trình tức thời ở miền ôn đới lμm giảm gradien nhiệt độ ở đây vμ vận chuyển nhiệt, động l−ợng từ miền cận nhiệt đới tới miền vĩ độ cao. Hình 5.1. Mặt cắt thẳng đứng theo khí áp-vĩ độ của động năng xoáy tức thời (a) Từ tháng 12 đến tháng 2 và (b) Từ tháng 6 đến tháng 8. Khoảng cách giữa các đ−ờng đẳng trị là 25m2s-2; vùng tô đậm chỉ giá trị v−ợt quá 300m2s-2 theo 6 năm số liệu của trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu. Tr−ớc khi bμn một cách chi tiết về các quy mô chiếm −u thế cũng nh− dạng của các quá trình tức thời trong khí quyển, ta hãy xem xét các đặc tính của tần số vμ số sóng của những quá trình tức thời thám sát đ−ợc. Nhắc lại một chú ý đã nêu trong Ch−ơng 2 trong đó trung bình thời gian của một đại l−ợng bất kỳ Q ký hiệu lμ Q , độ lệch so với vị trí trung bình ký hiệu lμ Q’. Động năng của những xoáy rối tức thời lμ     2'2' vu 2 1K (5.1) Mặt cắt theo khí áp-vĩ độ trên Hình 5.1 biểu diễn sự phân bố trung bình vĩ h−ớng của động năng xoáy ở tất cả các quy mô thời gian. Những quá trình nμy rất nhỏ ở miền nhiệt đới nh−ng lại rất quan trọng đối với miền ôn đới với những giá trị cực đại đạt đ−ợc gần đỉnh tầng đối l−u vμ về phía cực tới tâm dòng xiết cận nhiệt đới. Những quá trình tức thời nμy trở nên yếu hơn khi di chuyển về phía cực. Các quá trình nμy về mùa đông mạnh hơn mùa hè; chu trình mùa nμy lμ một dấu hiệu rõ ở Bắc Bán Cầu. - 109 - Những giá trị lớn hơn cũng đ−ợc quan sát thấy ở tầng bình l−u, gần miền xích đạo vμ miền vĩ độ cao ở bán cầu mùa đông. Hình 5.2. Động năng xoáy tức thời mực 250hPa trong thời kỳ tháng 12-tháng 2 ở Bắc Bán Cầu. (a) Động năng xoáy tức thời tổng cộng, khoảng giữa các đ−ờng đẳng trị là 50m2s-2 với vùng tô đậm là các giá trị v−ợt quá 300m2s-2. Động năng xoáy tức thời tại mực 250hPa thời kỳ tháng 12-tháng 2 ở Bắc Bán Cầu. Động năng xoáy tức thời không chỉ biến đổi theo độ cao vμ vĩ độ mμ còn biến đổi theo kinh độ. Vμo mùa đông Bắc Bán Cầu, những cực đại của động năng xoáy nằm ở bờ phía tây của các đại d−ơng vμ cực tiểu ở Bắc Mỹ vμ Châu á. Sự phân bố nμy đ−ợc biểu diễn trên Hình 5.2a. Vμo mùa đông của Nam Bán Cầu, một cực đại đơn lẻ quan sát đ−ợc ở phía nam Đại Tây D−ơng vμ ấn Độ D−ơng vμ những giá trị thấp hơn ở vùng Thái Bình D−ơng. Những cực đại nμy trùng với những khu vực áp thấp đang phát triển vμ áp thấp thuần thục của miền ôn đới xảy ra khá th−ờng xuyên. Về phía đông của các đại d−ơng, các hệ thống có xu thế bị kìm hãm vμ suy yếu, do đó ít nhiều mạnh hơn ở trên các lục địa. Sự phân bố nμy cμng thể hiện rõ nếu chuỗi thời gian của từng thμnh phần vận tốc đ−ợc lọc để loại bỏ những quá trình tần số thấp tr−ớc khi chúng đóng góp vμo những dao động. Nhìn chung, quá trình lọc số của những chuỗi thời gian bao gồm sự thay thế thμnh phần thứ n trong chuỗi thời gian bằng trung bình trọng số thích hợp của những thμnh phần còn lại    j ji ini F n QwQ (5.2) - 110 - Hình 5.2 (tiếp). (b) Động năng xoáy tần số cao, khoảng cách giữa các đ−ờng đẳng trị là 25m2s-2 với vùng đậm là giá trị v−ợt quá 150m2s-2. Các xoáy này có chu kỳ nhỏ hơn 6 ngày. Hình vẽ này dựa vào 6 năm số liệu của Trung tâm dự báo hạn vừa Châu âu. Đặc tính của quá trình lọc đ−ợc xác định bởi quá trình chọn trọng số lọc wi. Chẳng hạn nh−, quá trình lọc các dao động tức thời, tức lμ bỏ qua các quá trình tần số cao nh−ng giữ lại những dao động tần số thấp hơn để bỏ qua ảnh h−ởng sinh ra nếu trọng số lμ hằng số vμ bằng 1/(2j + 1). Trong tr−ờng hợp nμy, giá trị trung bình lμ giá trị trung bình tr−ợt của chuỗi thời gian. Ng−ợc lại, bằng cách xác định Q’ lμ so với giá trị trung bình tr−ợt, ng−ời ta thiết lập một phép lọc thô bỏ qua các dao động quy mô thời gian lớn. Những phép lọc phức tạp hơn đ−ợc thiết lập sao cho chỉ bỏ qua những khoảng tần số đ−ợc xác định chính xác. Tuy nhiên vì phổ thời gian của các chuyển động trong khí quyển lμ trơn vμ liên tục vμ không có sự gián đoạn phổ rõ rμng. Đây lμ một nguyên nhân vật lý để sử dụng một phép lọc tinh vi hơn cho những mục đích của ta. Động năng xoáy lọc tần số thấp (biểu diễn trên Hình 5.2b) đ−ợc xây dựng bằng cách sử dụng một phép lọc trung bình tr−ợt giống nh− đã nêu ra ở trên. Hiệu ứng của nó lμ bỏ qua những dao động gắn liền với các quá trình có chu kỳ dμi hơn 6 ngμy. Động năng xoáy của những quá trình đ−ợc lọc nμy nhỏ hơn đáng kể so với những quá trình t−ơng tự nh−ng ch−a đ−ợc lọc, tuy nhiên các cực đại thể hiện rõ hơn. Các cực đại nμy có tính vĩ h−ớng trải dμi từ bờ biển Bắc Mỹ tới Đại Tây D−ơng, từ bờ biển Châu á tới Thái Bình D−ơng. Những cực đại t−ơng tự cũng thể hiện rõ nếu ta dùng các th−ớc đo khác đối với hoạt động của xoáy tức thời, chẳng hạn nh− vẽ sự biến đổi của độ cao địa thế vị, dòng nhiệt mực thấp. Quỹ đạo của các trung tâm áp thấp đang phát triển có xu thế di chuyển dọc theo các bán trục lớn của những khu vực nμy, đó lμ lý do mμ ng−ời ta th−ờng gọi lμ “quỹ đạo xoáy thuận”. Những khu vực quỹ đạo xoáy thuận nμy có thể nhận thấy trên các tr−ờng nhiệt ở Hình 3.8, đặc biệt trong mùa đông Bắc Bán Cầu. Ch−ơng 7 sẽ giới thiệu đầy đủ về các quỹ đạo xoáy thuận miền ôn đới. - 111 - Các quá trình tần số cao miền ôn đới, th−ờng lμ những quá trình có chu kỳ từ 1 đến 10 ngμy hoặc hơn nữa, khống chế bất ổn định thủy động lực của dòng vĩ h−ớng đ−ợc gọi lμ “bất ổn định tμ áp”. Trong phần đầu của ch−ơng nμy, ta sẽ bμn đến kích cỡ vμ cấu trúc trung bình của những xoáy tức thời. Tiếp sau đó sẽ bμn đến năng l−ợng gắn liền với những quá trình nμy vμ sự hình thμnh của chúng. Lý thuyết bất ổn định tμ áp sẽ đ−ợc trình bμy trong mục 5.4 còn phần mở rộng vμ hạn chế của lý thuyết nμy sẽ đ−ợc trình bμy trong mục 5.5. Những quá trình tần số thấp có nguồn gốc phức tạp hơn, cho đến nay vẫn ch−a đ−ợc hiểu biết đầy đủ. Tác động tần số thấp sinh ra từ động lực bên trong của dòng khí, đặc biệt lμ sự t−ơng tác phi tuyến giữa chuyển động ở các quy mô khác nhau dẫn tới vận chuyển một năng l−ợng lớn cho các quá trình tần số thấp. Tuy nhiên, những quá trình tần số thấp cũng chịu những tác động bên ngoμi, đó lμ sự t−ơng tác giữa hoμn l−u khí quyển vμ những hệ thống biến đổi chậm hơn, chẳng hạn nh− đại d−ơng. Khi tần số thấp hơn thì tác động nội động lực trở nên ít quan trọng hơn trong khi vai trò của những tác động bên ngoμi chiếm −u thế. Việc mô tả sự biến đổi của quá trình tần số thấp rất khó khăn vì chuỗi số liệu nhìn chung không đủ dμi để thiết lập những mô hình đủ độ tin cậy thống kê cho những t−ơng quan vμ hệ số t−ơng quan của những quá trình tần số thấp. Hiểu biết chi tiết hơn những cơ chế cơ bản lμ mục tiêu của nghiên cứu hiện nay. Ta sẽ nghiên cứu chi tiết hơn về sự biến đổi của quá trình tần số thấp trong Ch−ơng 8. Phần còn lại của ch−ơng nμy sẽ nghiên cứu các quá trình tần số cao. 5.2 Cấu trúc của các xoáy tức thời Phân tích quy mô cho thấy những chuyển động quy mô lớn ở miền ôn đới trên Trái Đất lμ gần nh− không phân kỳ; phần quay của cân bằng địa chuyển của gió chiếm −u thế hơn so với phần gió phi địa chuyển phân kỳ quy mô nhỏ. Tỷ số giữa tốc độ gió địa chuyển vμ phi địa chuyển có bậc đại l−ợng của thông số Rossby. Chính vì vậy có thể dùng để mô hình hoá cấu trúc ngang của các xoáy có tức thời bằng một hμm dòng địa chuyển giả thiết biến đổi d−ới dạng hình sin theo h−ớng x vμ y  lykxi' e  (5.3) Một cách chính xác hơn, ph−ơng trình (5.3) có thể xem nh− lμ một thμnh phần của tổng Fourier đối với tất cả các giá trị k vμ l. Trong ch−ơng nμy ta sẽ giải thích ph−ơng trình d−ới dạng mô tả xoáy với tức thời điển hình; giá trị của k vμ l đ−ợc lấy nh− lμ giá trị trung bình của tất cả các hiện t−ợng có tức thời thám sát đ−ợc. Ta có thể coi biên độ của  nh− lμ một hμm sin của thời gian; trong tr−ờng hợp nμy giá trị trung bình trên một khoảng chu kỳ sóng hoμn thiện sẽ giống nh− giá trị trung bình trên một b−ớc sóng. Các thμnh phần gió theo h−ớng bắc vμ h−ớng đông đ−ợc biểu diễn qua hμm dòng nh− sau  lykxi ' ' eil y u   (5.4a) - 112 -  lykxi ' ' eik x v   (5.4b) Đại l−ợng i trong các biểu thức trên cho thấy sóng vận tốc vμ sóng hμm dòng lệch pha nhau /2. Biến u vμ v chỉ độ lớn đặc tr−ng của u’ vμ v’. Hμm dòng không đ−ợc đo đạc trực tiếp nh−ng bằng thám sát vμ phân tích ta thấy nó có mối liên hệ với độ cao địa thế vị Z. Hμm dòng địa chuyển liên hệ với độ cao địa thế vị theo công thức sau Z f g (5.5) Do đó các biến vận tốc vμ biến độ cao địa thế vị liên hệ với nhau bởi công thức 2' 2 222'2' 2 222' Z f gkv,Z f glu  (5.6) giả thiết rằng f lμ hằng số trên độ rộng /l của xoáy. Do vậy, việc so sánh giữa biến vận tốc vμ biến độ cao địa thế vị sẽ dẫn tới việc xác định số sóng đặc tr−ng của các hiện t−ợng tức thời, nghĩa lμ xác định đ−ợc quy mô không gian của chúng. Việc so sánh biến u vμ v cho ta phép đo dạng đặc tr−ng của xoáy vì 2 2 2' 2' l k u v  (5.7) Hình 5.3. (a) Biến đổi của độ cao trung bình vĩ h−ớng    2/12'Z và (b) Biến đổi của vận tốc    2/12'u (đ−ờng liền) và    2/12'v (đ−ờng đứt). - 113 - Hình 5.3 (tiếp). (c) và (d) t−ơng tự nh− (a) và (b) nh−ng đối với các xoáy tần số cao. Dựa vào 6 năm số liệu của trung tâm Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu âu trên mực 250hPa vào mùa đông. Nếu 2'2' vu  , xoáy sẽ trải dμi theo vĩ h−ớng, ng−ợc lại nếu 2'2' vu  xoáy sẽ trải dμi theo kinh h−ớng. Trung bình vĩ h−ớng của 2'u , 2'v vμ 2'Z đ−ợc biểu diễn trên Hình 5.3. Lấy giá trị đặc tr−ng cho tầng đối l−u trên miền ôn đới, 2'v = 280m2s-2, 2'u = 250m2s-2 vμ 2'Z = 4 x 104 m2. Vì vậy các xoáy có h−ớng kéo dμi theo kinh h−ớng. Số sóng đặc tr−ng có giá trị khoảng 1 x 10-6 m-1; giá trị nμy t−ơng ứng với 5 sóng vĩ h−ớng tại 40o vĩ. Khi sử dụng phép lọc, hình vẽ nμy sẽ có biến đổi. Các xoáy tần số cao bị kéo dμi theo các kinh tuyến khác nhau vμ do đó quy mô của nó sẽ nhỏ hơn. Hình 5.4. Sơ đồ minh hoạ một xoáy nghiêng - 114 - Tiếp theo ta hãy xem xét xoáy với các trục tọa độ dμi hơn có h−ớng đông-tây hoặc h−ớng bắc-nam. Không có lý do nμo để các trục nμy phải h−ớng theo một góc trung gian giữa hai h−ớng trục nμy. H−ớng nμy liên quan với sự vận chuyển các dòng động l−ợng về phía cực, sinh ra do quá trình sóng. Một cách định tính, ta có thể thấy trên Hình 5.4 mô tả một xoáy nghiêng từ tây-nam sang đông-bắc. Dọc theo đoạn AB, cả hai thμnh phần vận tốc xoáy u vμ v đều có giá trị lớn vμ d−ơng; xoáy vận chuyển động l−ợng từ phía tây lên phía bắc. Dọc theo đoạn CD, động l−ợng đ−ợc vận chuyển từ phía đông xuống phía nam. Hiệu ứng thuần của cả hai quá trình nμy lμ vận chuyển động l−ợng từ phía tây lên phía bắc. Đoạn ngắn hơn BC vμ DA đ−ợc đặc tr−ng bởi gió yếu hơn vμ quá trình vận chuyển động l−ợng từ phía tây xuống phía nam. Trong giới hạn của những xoáy nghiêng kéo dμi cực đại có thể bỏ qua sự đóng góp của hai đoạn nμy vμo quá trình vận chuyển động l−ợng của xoáy. Lấy trung bình trên toμn bộ b−ớc sóng, ta thấy có sự vận chuyển động l−ợng h−ớng cực, tức lμ ''vu có giá trị d−ơng đối với xoáy nghiêng nh− vậy. Bằng cách lý giải t−ơng tự thì xoáy nghiêng theo h−ớng ng−ợc lại sẽ vận chuyển động l−ợng từ phía tây xuống phía nam. Sẽ không có sự vận chuyển động l−ợng bởi các xoáy không nghiêng hoặc xoáy tròn vì các phần đóng góp khác nhau sẽ loại trừ nhau trong những tr−ờng hợp nμy. Hình 5.5. Mặt cắt thẳng đứng theo vĩ độ-áp suất của các dòng động l−ợng xoáy tức thời h−ớng cực quan trắc vào (a) mùa đông và (b) mùa hè. Khoảng giữa các đ−ờng đẳng trị là 5m2s-2, vùng tô đậm là vùng có giá trị âm. - 115 - Dòng động l−ợng h−ớng cực quan hệ chặt chẽ với h−ớng của xoáy. Hình 5.5 biểu diễn mặt cắt ngang của khí áp theo vĩ độ của các dòng động l−ợng h−ớng cực đối với mùa đông vμ mùa hè. Dòng động l−ợng xoáy đạt cực đại ở miền ôn đới gần đỉnh tầng đối l−u. Dòng động l−ợng có xu thế h−ớng về phía cực ở miền vĩ độ thấp hơn vμ h−ớng về phía xích đạo ở miền vĩ độ cao hơn, cho thấy rằng các xoáy h−ớng theo h−ớng ng−ợc lại với h−ớng bắc nam của dải xoáy chính. Hình thế nh− vậy thể hiện khá rõ ở Nam Bán Cầu nh−ng cũng đóng vai trò rất quan trọng ở Bắc Bán Cầu. Sử dụng cách giải thích của mục 4.4, sự phân bố dòng động l−ợng nμy cho thấy rằng hoμn l−u trung bình Euler gián tiếp có liên quan với các dòng động l−ợng xoáy thám sát đ−ợc. Góc đặc tr−ng của các xoáy nghiêng có thể tính đ−ợc nếu biết giá trị dòng động l−ợng vμ các biến vận tốc. Ta hãy tính những thμnh phần vận tốc trong một hệ quy chiếu xác định bởi  y~,x~ quay với một góc  xung quanh hệ quy chiếu cơ sở (x, y). Sử dụng công thức thông th−ờng cho hệ toạ độ quay, các thμnh phần vận tốc xoáy chuyển sang dạng sau  sinvcosuu~ ''' (5.8a)  cosvsinuv~ ''' (5.8b) Dòng động l−ợng trong hệ toạ độ quay có dạng     2cosvu2sinvu 2 1v~u~ '' 2'2''' (5.9) Khi chọn  sao cho xoáy không nghiêng trong hệ toạ độ quay, dòng động l−ợng trong hệ nμy '' v~u~ = 0. Khi đó góc nghiêng xác định nh− sau 2'2' '' uv vu22tan   (5.10) Công thức nμy cũng thoả mãn đối với góc  + /2, cho thấy rằng đ−ơng nhiên xoáy có cả bán trục lớn vμ bán trục nhỏ. Các thμnh phần tức thời ch−a đ−ợc lọc có 2'2' uv  do đó  = 45o. Các xoáy đ−ợc lọc bỏ qua tần số cao có giá trị đặc tr−ng ''vu = 25 m2s-2 ở phía trên tầng đối l−u. Điều nμy cho thấy rằng các xoáy phải có góc quay khoảng 26o. Tuy nhiên, đặc tính của xoáy lμ biến đổi từ nơi nμy đến nơi khác. Trên Hình 5.6 biểu diễn tính không đẳng h−ớng của xoáy vμ h−ớng của bán trục lớn của nó. “Tính không đẳng h−ớng” sẽ đ−ợc định nghĩa trong mục 7.4 (ph−ơng trình (7.15)); đó đơn giản lμ một số vô thứ nguyên biến đổi từ 0 đối với các xoáy hoμn toμn tròn tới 1 đối với các xoáy kéo dμi vô hạn. Những xoáy không đ−ợc lọc hầu hết lμ không đẳng h−ớng ở miền nhiệt đới, dạng thể hiện của các nhiễu tần số thấp miền nhiệt đới, lý thuyết về vấn đề nμy sẽ đ−ợc trình bμy trong mục 7.1. Các xoáy tần số cao bị kéo dμi theo kinh h−ớng ở miền ôn đới do đó đ−ợc gọi lμ các vĩ độ “quỹ đạo của xoáy”. Bây giờ ta chuyển sang xem xét sự vận chuyển nhiệt do xoáy về phía cực sinh ra do các quá trình có tức thời. Điều nμy liên quan với cấu trúc thẳng đứng của xoáy. Hình 5.7 biểu diễn mặt cắt thẳng đứng của các dòng nhiệt của xoáy có tức thời. Các - 116 - dòng nμy có tính h−ớng cực ở cả hai bán cầu vμ có giá trị cực đại trong phần d−ới tầng đối l−u ở miền ôn đới. Dòng nhiệt có tức thời lμ không quan trọng đối với miền nhiệt đới, nơi sự vận chuyển nhiệt chủ yếu do vòng hoμn l−u Hadley vμ sự vận chuyển lên cao trong các hệ thống đối l−u quy mô nhỏ. Dòng nhiệt vĩ h−ớng trung bình cực đại ở tầng đối l−u vμo khoảng 15Kms-1, có giá trị lớn hơn ở tầng bình l−u vμo mùa đông. Sự phân kỳ của dòng nhiệt cho ta cách đánh giá sự đốt nóng hoặc lμm lạnh sinh ra bởi các xoáy có tức thời; giá trị đặc tr−ng khoảng 0,5Kngμy-1 t−ơng đ−ơng với 60Wm-2. Chu kỳ mùa của dòng nhiệt thể hiện rõ ở Bắc Bán Cầu nh−ng không thể hiện rõ ở Nam Bán Cầu. Hình 5.6. Mặt cắt thẳng đứng theo vĩ độ-áp suất biểu diễn tính không đẳng h−ớng của rối và tính định h−ớng của các trục chính trung bình của rối. Các đ−ờng đẳng trị biểu diễn tính không đẳng h−ớng của rối, khoảng giữa đ−ờng đẳng trị là 0,1. Vùng đậm chỉ giá trị nằm trong khoảng 0,2 đến 0,4. Các vectơ chỉ h−ớng của các trục chính của rối, các vectơ thẳng đứng có h−ớng bắc-nam. (a) Rối tức thời không lọc, (b) Rối tức thời tần số cao. Hình vẽ dựa vào 6 năm số liệu của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu, thời kỳ mùa đông. Bây giờ xem xét một nhiễu động giả thiết lμ cân bằng địa chuyển vμ thuỷ tĩnh lý t−ởng hoá. Dạng hình học của tr−ờng hợp nμy đ−ợc biểu diễn trên Hình 5.8. ở đây biểu - 117 - diễn ba mặt khí áp p - p, p vμ p + p. Hμm dòng địa chuyển quan hệ với độ cao địa thế vị d−ới dạng sau '' Z f g (5.11) do đó các thμnh phần gió có dạng x Z f gv, y Z f gu ' ' ' '    (5.12) Hình 5.7. Mặt cắt theo vĩ độ-áp suất biểu diễn dòng nhiệt h−ớng cực của các xoáy qui mô thời gian ngắn  ''Tv (a) mùa đông; (b) mùa hè. Khoảng giữa các đ−ờng đẳng trị là 2Kms-1, vùng tô đậm có giá trị âm. Hình vẽ này dựa trên 6 năm số liệu của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu Nhiệt độ trên mặt đẳng áp quan hệ với độ dμy của lớp thông qua quan hệ thuỷ tĩnh; nghĩa lμ nhiệt độ trên mực 0 xác định bởi p2 ZZ R gp T ' 1 ' 10 0    (5.13) - 118 - Giả thiết rằng độ cao địa thế vị biến đổi theo dạng sin theo trục x. Thêm vμo đó coi biên độ lμ hằng số theo độ cao nh−ng có sự biến đổi pha theo độ cao. Ta có thể viết   ,1,0,1i,ikxsinAZZ Rii  (5.14) trong đó A lμ biên độ sóng. Quy định dấu chọn sao cho  d−ơng tức lμ sóng nghiêng về phía tây theo độ cao. Khi đó tr−ờng nhiệt độ của xoáy tại mực 0 lμ )sin()kxcos(A pR gp T 0'0  (5.15) Theo trục x sẽ không có sự dao động của nhiệt độ trừ phi có sự nghiêng pha. Gió h−ớng cực có dạng  kxcosA f kgv '  (5.16) Chú ý rằng sóng nhiệt vμ sóng vận tốc h−ớn