Ch−ơng 6 Hoàn l−u chung khí quyển và khí hậu
6.3.3 Hoàn l−u xoáy và sự vận chuyển kinh h−ớng
Các xoáy thuận và xoáy nghịch là nguyên nhân gây ra hầu hết những biến động thời tiết ở các vĩ độ trung bình, tạo ra sự vận chuyển kinh h−ớng rộng lớn động l−ợng, nhiệt và ẩm. Những nhiễu động này sinh ra biến động lớn của gió và nhiệt độ trên qui mô vài ngàn km, chúng không xuất hiện trong trung bình vĩ h−ớng, nh−ng có ảnh h−ởng sâu sắc đến khí hậu trung bình vĩ h−ớng. Những dao động liên quan với thời tiết thể hiện qua độ lệch so với trung bình thời gian:
x x
x' = − (6.12)
Bên cạnh những biến động theo thời gian gắn liền với các xoáy thuận vĩ độ trung bình, trong khí quyển cịn có những biến động tựa dừng xung quanh các vòng vòng vĩ tuyến liên quan với các lục địa và đại d−ơng, và xuất hiện khá rõ trong trung bình thời gian. Những tính chất đó đ−ợc đặc tr−ng bởi độ lệch của trung bình thời gian so với trung bình vĩ h−ớng:
[ ]xx x
x* = − (6.13)
Những thơng l−ợng xốy h−ớng bắc của nhiệt độ đ−ợc sinh ra khi dịng khí thổi về h−ớng bắc ấm hơn so với dòng thổi về h−ớng nam, do đó khi lấy trung bình trên tồn bộ các kinh tuyến thì tích của vận tốc kinh h−ớng và nhiệt độ là d−ơng, thậm chí cả khi gió kinh h−ớng trung bình bằng 0 (nh−ng nhiễu động của chúng khác 0 − ND). Sử dụng định nghĩa trung bình thời gian và trung bình vĩ h−ớng, sự vận chuyển về h−ớng bắc của nhiệt độ đ−ợc lấy trung bình quanh một vịng vĩ tuyến và trung bình theo thời gian có thể đ−ợc viết nh− là tổng đóng góp của hồn l−u kinh h−ớng trung bình ([v][T]), các xoáy dừng ([v*T*]) và các xoáy tạm thời ([v′T′]), mà chúng t−ơng ứng là ba số hạng vế phải của (6.14):
]T T v [ ] T v [ ] T ][ v [ ] vT [ = + * * + ′ ′ (6.14)
Các thơng l−ợng xốy tạm thời [v′T′] gắn liền với sự phát triển và tan rã nhanh chóng của các nhiễu động thời tiết ở vĩ độ trung bình, mà nói chung chúng di chuyển về h−ớng đơng với một dịng khí rộng khắp, trong đó nhiệt độ và gió biến động lớn, nhất là vào mùa đông. Những nhiễu động này biểu hiện rất rõ trên các bản đồ thời tiết.
T−ơng quan d−ơng giữa vận tốc kinh h−ớng và nhiệt độ trong các sóng khí quyển qui mô lớn sinh ra từ xu thế của sóng nhiệt độ dịch chuyển t−ơng đối sang
h−ớng tây so với sóng khí áp, đặc biệt ở tầng đối l−u d−ới (hình 6.6). Sự sắp xếp này gắn liền với sự chuyển đổi năng l−ợng sẵn có trong gradient nhiệt độ kinh h−ớng trung bình thành năng l−ợng sóng. Các sóng xốy thuận với biên độ của chúng tăng nhanh theo thời gian có sự dịch chuyển pha vĩ h−ớng lớn giữa các sóng khí áp và sóng nhiệt độ của chúng, và do đó tạo ra sự vận chuyển h−ớng cực của nhiệt và ẩm có hiệu quả.
Hình 6.5 Mặt cắt thẳng đứng vĩ độ − độ cao của hồn l−u khối l−ợng kinh h−ớng trung bình.
Vùng tô đậm là giá trị âm. Đơn vị là 1010kg/s. (Số liệu từ Oort, 1983)
Các thông l−ợng xốy do dịng trung bình thời gian gắn liền với các sóng dừng hành tinh. Sóng dừng hành tinh là độ lệch của trung bình thời gian so với tính chất đối xứng vĩ h−ớng và dễ dàng nhận thấy từ các hình thế khí áp trung bình tháng của tầng đối l−u (hình 6.7). Chúng là kết quả của sự biến động đông − tây của độ cao mặt đẳng áp và nhiệt độ bề mặt liên quan với lục địa và biển. Các thơng l−ợng xốy dừng lớn nhất ở bắc bán cầu, nơi các dãy núi Himalaya và Rocky gây nên tác động c−ỡng bức cơ học của biến động đơng − tây trong tr−ờng gió và nhiệt độ trung bình thời gian. Sự t−ơng phản nhiệt giữa vùng n−ớc ấm của các hải l−u Kuroshio và Gulf Stream và nhiệt độ thấp (lạnh) ở sâu trong lục địa cũng tạo nhiệt lực mạnh cho sóng dừng hành tinh trong mùa đơng.
137
Hình 6.6 Sơ đồ đ−ờng dịng (đ−ờng liền nét) và đ−ờng đẳng nhiệt (đ−ờng đứt qu∙ng) liên quan
với nhiễu động khí quyển qui mơ lớn ở vĩ độ trung bình bắc bán cầu. Các h−ớng mũi tên dọc theo đ−ờng dòng chỉ h−ớng vận tốc gió. Các đ−ờng dịng gần trùng với các đ−ờng đẳng áp, vì gió gần địa chuyển. Dấu độ lệch của các thành phần gió so với giá trị trung bình vĩ h−ớng của chúng đ−ợc chỉ ra để minh hoạ rằng vị trí nghiêng NE−SW của đ−ờng dịng chỉ sự vận chuyển động l−ợng vĩ h−ớng về phía bắc và sự lệch pha về phía tây của sóng nhiệt độ đối với sóng khí
áp gây ra sự vận chuyển nhiệt về phía bắc
Hình 6.7 Độ cao trung bình của mặt đẳng áp 500mb trong tháng 1 ở Bắc bán cầu. Khoảng cách
giữa các đ−ờng là 100m
Các thơng l−ợng h−ớng cực của nhiệt độ do các xốy dừng và xoáy tạm thời đạt cực đại ở khoảng 50 độ vĩ ở phần d−ới tầng đối l−u thuộc bán cầu mùa đơng (hình 6.8). Cực đại mực thấp liên quan với cấu trúc của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới đang phát triển, trong đó sự khác biệt về pha giữa nhiệt độ và khí áp là lớn nhất ở phần d−ới tầng đối l−u. Về mùa đông các thông l−ợng biểu lộ một cực tiểu ở gần đỉnh tầng đối l−u và sau đó tăng theo độ cao lên tầng bình l−u. Thơng l−ợng nhiệt độ có biến động mùa lớn ở bắc bán cầu, với các giá trị lớn vào mùa đông và các giá trị khá nhỏ vào mùa hè. ở Nam bán cầu sự t−ơng phản mùa ít hơn. Các thơng l−ợng xốy tạm thời chi phối dịng kinh h−ớng của nhiệt độ, ngoại trừ khi bắc bán cầu đang mùa đơng, khi mà các xốy dừng đóng góp hơn một nửa.
Hình 6.8 Mặt cắt kinh tuyến của thông l−ợng nhiệt độ h−ớng bắc trung bình vĩ h−ớng gây ra bởi
xốy. Chú ý rằng ở nam bán cầu các thông l−ợng h−ớng cực là âm do định nghĩa h−ớng bắc là h−ớng d−ơng. Khoảng cách giữa các đ−ờng là 5 Km/s (Số liệu lấy từ Oort, 1983)