Giáo trình Động lực học khí quyển vĩ độ thấp: Phần 2 - Kiều Thị Xin

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

7
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp phần 1, phần 2 của giáo trình "Động lực học khí quyển vĩ độ thấp" trình bày những nội dung về: động lực học khí quyển giữa; đối lưu khí quyển; tính ẩm trong mô hình dự báo số; mô hình hóa số và dự báo số; phương trình xoáy chính áp trong sai phân hữu hạn; mô hình phương trình nguyên thủy;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Động lực học khí quyển vĩ độ thấp: Phần 2 - Kiều Thị Xin

Chương 5 Đ Ộ N G L ự c H Ọ C K HÍ Q U Y E N • « • g iữ a Khí quyển giữa nói chung là tầng khí quyển mở rộng tù đỉnh tầng đối lưu (khoảng độ cao 10-16 km phụ thuộc vào vĩ độ) cho đến độ cao khoảng 100 km. Phần chính của khí quyến giữa Dao gồm hai lớp chính: tầng bình lưu và tầng trung. Chúng iược phân biệt theo tầng kết nhiệt độ (hình 5.1). Tầng bình lưu tó độ ổn- định tĩnh lớn gắn liền vối tăng nhiệt độ theo độ cao ỏ mọi ndì trong lớp và mờ rộng từ đỉnh đôi lưu cho đến đỉnh bình lưu trên đô cao vào khoảng 50 km. Tầng trung có tốc độ giảm nhiẻt độ theo độ cao tương tự như trong tầng dối lưu, bắt đầu từ iỉnh tầng bình lưu đến đỉnh tầng trung trên độ cao khoảng 80kn. Trong các chương trên ta đã tập trung riêng cho động lực học của tầng đối lưu. Tầng đối lưu chiếm khoảng 85% tổng khối lượng khí quyển và gần như tất cả nước khí quyển. Khônf còn nghi ngờ là các quá trình xảy ra trong tầng đối lưu phân ánh hầu hết những nhiễu động thời tiết và biến động khí hậu. Mặc dù vậy ta cũng không được phép bỏ qua tầng khí quyển ẸÍỦa. Tầng đối lưu và tầng khí quyển giữa liên kết với nhau tìông qua quá trình bức xạ và động lực học. Các quá trình này phải được thể hiện trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu toàn cầu. Chúng còn liên kết vối nhau thông qua sự trao đổi thực thể vật chất r ấ t quan trọng đối với sự quang hoá tron? lớp ôzôn. Trong chương này sẽ tập trung chủ yếu vào động lực học phần dưói của tầng khí quyển giữa và sự liên kết giũa no với tầng đối lưu. 228
Hinh 5.1. Profil nhiệt độ trung binh trên vĩ độ trung binh (dựa vào khí quyển chuẩn cùa Mỹ, 1976) 5.1. CÂU TRÚC VÀ HOÀN Lưu CỦA TẦNG KHÍ QUYỂN g iữ a Trên hình 5.2 là hai lát cắt thẳng đứng của nhiệt độ trung bình vĩ hướng cho tháng giêng và tháng bảy trong tầng khí quyển dưới và tầng khí quyển giữa. Vì trong tầng đối lưu bức xạ Mặt Trời bị hấp thụ rất ít, nên cấu trúc nhiệt của tầng dối lưu được duy trì gần như bơi sự cân bằng giửa sự làm lạnh bức xạ hồng ngoại, sự vận chuyển thẳng đứng của hiển nhiệt, ẩn nhiệt Lừ mặt đất bởi xoáy quy mô nhỏ và sự vận chuyển quy mô lớn nhò xoáy quy mô synốp. Kết cục của sự cân bàng này tạo ra cấu trúc nhiệt độ trung bình, trong đó nhiệt độ mặt đất có cực đại 229
trong vùng xích đạo và giảm về phía hai cực cả mùa đòn? và mùa hè. Sự giảm nhiệt độ theo độ cao cũng rất nhanh với tcc cỉộ 6°Ckm'1. Trong tầng bình lưu, ngược lại, sự làm lạnh bức xạ lồng ngọai gần như cân bằng chủ yếu bởi đốt nóng bức xạ sinh n do hấp thụ bức xạ cực tím nhờ ôzôn. Kết quả của sự đốt nóng bức xạ này trong lớp ôzôn là nhiệt độ trung bình trong tầng bình lưu tăng theo độ cao và đạt cực đại trên đỉnh tầng bình lưu gầi độ cao 50 km. Cao hơn đỉnh tầng bình lưu nhiệt độ lại giảm heo độ cao sinh ra do sự đốt nóng Mặt Tròi trong tầng ôzôn. Cấu trúc nhiệt độ kinh hướng trong tầng khí quyển ỊĨữa cũng rất khác so với trong tầng đối lưu. Tầng bình lưu dưới nơi nhiệt độ chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi các quá trình trong ẩng đối lưu trên thì nhiệt độ đạt cực tiểu ỏ xích đạo và cực đại :rfỉn cực mùa hè và trên vĩ độ trung bình của bán cầu đông. Caohtín 30 mb thì nhiệt độ giảm thuần tuý từ cực mùa hè đến cực núa đông phù hợp định tính với các điều kiện cân bằng hức xạ Khi hậu gió trung bình vĩ hướng đối với tầng khí quyển riữa thông thường có thể suy ra từ trường nhiệt độ thám sát báig vệ tinh. Đó là trường gió địa chuyển trên một mặt đẳng áp t-ong tầng bình lưu dưới (nhận dược từ phân tích khí tượng) làm ỉiều kiện biên dưới, và lấy tích phân phương trình gió nhiệt ,heo chiều đứng. Hai lát cắt đứng của gió trung bình vĩ hướng tháng 1 và tháng 7 cho trên hình 5.3. Những dặc điểm chung ở đíy là dòng xiết đông trong bán cầu mùa hè và dòng xiết tây trong bán cầu mùa đông, và cực đại tốc độ gió xảy ra gần ciộ cao 60 kn. Cá biệt quan trọng là dòng xiết tây vĩ độ cao trong bán cầu mùa đông. Những dòng xiết cực ban đêm này đưa ra những ỉịnh hướng sóng đối với sự lan truyền thẳng đứng của sóng hành tinh tựa dừng, ở Bắc bán cầu sự hội tụ dòng EP sinh ra do nlững loại sóng này thỉnh thoảng dẫn đến giảm nhanh dòng trung >ình 230
vĩ hướng và kèm theo đốt nóng tầng bình lưu đột ngột trong vùng ctte, sẽ ban đến trong mục 5.4. Vd íô Nhkêtđộ(K) Tháng 7 Hinh 5.2. Nhiệt độ trung binh tháng vĩ hướng (độ K) từ mặt đất đến độ cao 120km. a) thảng 1; b) thảng 7 (theo Fleming và cs., 1990) U ki ví hurtni Im/a) V .ic I Hình 5.3. Gió địa chuyển trung bình vĩ hướng (m/s) căn cứ vào nhiệt độ. a) tháng 1; b) tháng 7 dựa vào nhiệt độ trên hình 5.2 231
Dòng trung bình vĩ hưống trong tầng khí quyển giừa ở xích đạo chịu ảnh hưởng mạnh của sự lan truyền thẳng đứng củi các mode sóng xích đạo, đặc biệt là các mode sóng Kelvin và íóng Rossby - trọng trường. Những sóng này tương tác với
lư u và tí'ing đối lưu đối với trạng thái giả thiết này, Độ lệch so với trạng' thái xác định bởi bức xạ trên đây phải được duy trì bởi sự vận chuyển xoáy. Vì vậy, ngoài gây ra hoàn lưu trung bình, các kiểu đôt nóng và làm lạnh bức xạ thám sát được trong tầng k h í quyên giữa là kết quả của những xoáy gây ra dòng lệch so với cân bằng bức xạ. Hoàn lưu gây ra xoáy này có các thành p h ầ n kinh hướng và thẳng đứng và do đó tạo ra độ lệch địa phưdng lớn đáng kể so với cân bàng bức xạ, đặc biệt trong bán c ầ u mùa đông và gần đỉnh tầng trung, cả mùa đông và mùa hè. Sự phân bô' nhiệt độ phụ thuộc vĩ độ thám sát được trong tầng k h í quyển giữa phát sinh từ sự cân bằng giữa điêu kiện bức xạ t.ôVig cộng và vận chuyển nhiệt cộng V I biến đổi nhiệt địa Ớ ])h ưđng sinh ra do những chuyển động này. 5.2.1. T r u n g b ì n h E u l e r b iến đổi (TEM) Một lát cắt thẳng đứng của nhiệt độ xác định bức xạ trong mìùa đông Bắc bán cầu được biểu diễn trên hình 5.4. Phân bố nh iệt (tộ này so sánh đứợc với profil nhiệt độ thám sát của cùng miùa này cho trên hình 5.2. Mặc dù sự tăng đồng nhất hoá của nh.iẹt (lộ từ cực mùa đông sang cực mùa hè trong lớp khí quyển ị!Ìũỉa 30-60 km phù hợp định tính với sự phân bố xác định bởi bứ(c xạ; nhưng hiệu số nhiệt dộ thực giữa hai cực là rấ t nhơ so V ĨI giá trị xác định được trong trạng thái xác định bởi bức xạ. Ớ ('aio hơn 60 km thậm chí dấu građien ngược lại vối dấu trong rigỉhiệm bức xạ. Đỉnh tầng trung ở cực mùa hè rất lạnh so vối đỉmh táng trung ở cực mùa dông. Để nghiên cứu hoàn lưu trung bình vĩ hướng ta có thể dùng cácc phương trình động lượng thành phần, gần đúng thuỷ tĩnh, phiư
n h iệ t động trong hệ to ạ độ loga khí áp dưới dạng du â - Jv + - r - = X ; dị ỡx dv + fu + — = y ; dt ây í/cp RT (5.a) H ; í?ĩ/ ỂV y L £ ^ = 0 ổ.r ây pyu õz' dĩ kT ./ U = ' di H c Các phương trình trung bình Euler sẽ nhận được bằng cách lấy trung bình hệ phương trình trên đây nếu ta áp dụng toán tử trung bình hoá vĩ hướng vào một vi phân toàn phần oủ;t l.)iếh I bất kì: A = A + A ' . Khi đó ta có CÌA ở ị - \ p’ 7 i s Sá]+ / \ d ỡ_ + Pữ Av-V /l'v ’ + Po A ív + A' vv' (5.b) ây âz trong đó ta đâ dùng â(~)/ âx = 0 vi các biến với dấu trung bình không phụ thuộc vào JC. V Nếu lấy trung bình vĩ hướng phương trình liên tục ta sẽ có phương trình liên tục cho hoàn lưu kinh hướng trung bình 3V 1 â 0, (5.0) ô y p„ ở z Khai triển biểu thức (5.b) kết hợp sử dụng (õ.c) và nhóm lại ta nhận được biểu thức sau 234
A =7 ••í)+ u (•■>''')] + ị - [ poụ w ' | (5.d) cit dt â V â z tro n g dó ậị ât ây ô z là tốc dọ biến đổi theo chuyển động trung binh kinh hướng (v. M). \ c u sử dụng sở đồ trung bình hoá (5.d) vào phương trình thử nhất và phương trinh thử năm của hệ (õ.a) ta sẽ nhận được phưrìng trình động lượng vĩ hướng trung bình hoá vĩ hướng và phưóng trình năng lượng nhiệt . động cho chuyến dộng địa • 1 „ .. * ehuyêh trên m ặ t p vĩ độ trung bình cu - â u 'v — ^ - /o v = — f — + X , (õ.e) o( õy ÔT âvr J „ + N HR vv = -- ; — + , (5. í) ôt ây Cp trong dó tan số’nổi N xác định bởi N 2 . R ( k T. dTữ (5.g) //1 H + < iz Trong hai phương trình phù hợp với quy mô tựa địa chuyển (5.e) và (5.0 đã bỏ qua bình lưu bơi hoàn lưu kinh hướng trung bình phi địa chuyển và phân kỳ dòng xoáy thảng đứng. Ta có thể làm rõ vai trò động lực học của xoáy trong duv trì phàn hố nhiệt độ trung bình vĩ hướng theo thám sát bằng cách sử dụng các phương trình trung bình Euler biến đổi. Trong việc này ta sủ dụng phương trình động lượng trung bình vĩ hướng và phương trìnli năng lượng nhiệt động [từ (5.e) và (5.0] dưới dạng sau ậ ^ - /o V * = - — V-F +X = G , (5.1) ổt p0 235
— ± N 2HR 'w' = ôt trong đó F là thông lượng sinh ra bởi những xoáy quy nii lớn (còn gọi là thông lượng El.iassen - Palm - EP) F - -t kp0f oRv'T'/(N2H) - thông lượng EP là một vectơ trong m ặ t kinh tuyến. X là lực vĩ hướng sinh ra bởi những xoáy (]U/ mò nhỏ (lực cản sóng trọng trường) và G là tổng các lực vĩ hướng. Để tìm hiểu xem xoáy có thể dẫn đến làm lệch như thí nào sự phân bố nhiệt độ trung bình vĩ hưống trong tầng khí quyên giữa so với trạng thái xác định bức xạ, chúng ta sẽ dùng hệ các phương trình TEM dể xem xét một hệ thống những mô hình trạng thái ổn định không chứa chu kỳ mùa. Khi đố các đ ạohàm theo thời gian trong (5.1) và (5.2) sẽ bằng không và do cióta sẽ nhận được những quan hệ cảnh báo đơn giản đối vối hoàn lưu còn lại dạng sau (5.3) Lực Coriolis sinh ra do sự trôi kinh hướng còn lại được cân bàng bởi lực vĩ hướng sinh ra do những xoáy quy mô lớn và qiy mô nhỏ. Sự làm lạnh đoạn nhiệt sinh ra do chuyển động (hảng đứng còn lại được cân bằng bởi đốt nóng bức xạ (và ngược hí). Hai quan hệ trong (5.3) là độc lập, nhưng chúng liên hệ với nhau bởi phương trình liên tục viết cho hoàn lưu trung bVihi vĩ hướng dạng sau ởv‘ ----- 1 ---- 5 . 4a) ây p0 dz Kết hợp phương trình này với (5.3) sẽ chứng minh được âã +f1 ở ị p > ] _ 0 5.41,) â y p a â z { N 2H / 236
phương trình (5.4b) cho ta thây tốc độ đốt nóng phi đoạn nhiệt phải được liên kết như thế nào với lực xoáy trong mô hình trạng thái Ổn dinh đơn giản này. Nếu lực xoáy biến mất (G = 0) thì sự trôi kinh hướng còn lại cũng phải biến mất. Phương trình liên tục sau đó cho ta thấy, nếu ũ7' hằng không trên biên dưới thì nó sẽ bang không mọi nơi và do đó đốt nóng phi đoạn nhiệt cũng phải báng không mọi nơi. Vậy thì có thể đơn giản nhất đối vói hoàn luu tầng khí quyển giữa là một mô hình trong đó không có chu kỳ mùa, lực xoáy bằng không và nhiệt độ trung bình vĩ hướng trong cân bằng bức xạ của trạng thái ổn định. Hĩnh 5.4. Phân bố nhiệt độ tấng khí quyển giữa xác định cho ngày 15 tnáng 1 bằng mô hình bức xạ phụ thuộc thời gian theo chu kỳ năm. Dòng bức xạ lên trên đỉnh đối lưu được xác định theo nhiệt độ trong tẩng đối lưu là thực và không mây (theo Fels,1985) 237
Tiếp theo ta đưa vào mô hình vê sự phụ thuộc thời gian dưới dạng chu kỳ năm của dốt nóng Mặt Trời, nhưng vẫn chưa thừa nhận là lực xoáy biến mất. Trong trường hợp này lại trở vồ thừa nhận nhiệt độ thực có quan hệ chặt chẽ vối cân bằng bức xạ để có thể tham số h o á sự đốt nóng phi đoạn nhiệt tỷ lộ với (lộ lệch của nhiệt độ trung bình vĩ hướng so với giá trị cân bằng bức xạ của nó Tr(y,z,t) bởi biểu thức sau = -a T - T r{ y , z j ị C trong đó a r là tốc độ làm lạnh Newton. Nếu thay phương trình (5.5a) vào phương trình (5.2) và sử (lụng phương trình liên tục dạng (5.4a) đồng thời kết hợp phương trình gió nhiệt với hoàn lưụ trung bình vĩ hướng dạng , ôũ R ÔT n Á + -41 — = 0 . (5.5b) õz H ỏ V khi đó để liên kêt hai phương trình (5.1) và (5.2) ta s«> nhậu được phương trình xu th ế nhiệt độ sau ệp_ â ! c dĩ p. 0 2 Po£ + d y' õz Ầ âi ở 1 â 1- ^ \] + ạ rp 0e ự - T , )]■- 0, ỗ z pữởz trong đó f(z) 3 f l I N 2. Ép buộc ớ đây là xu thê nhiệt độ trung binh vĩ hướng gần tỉ lệ với độ lệch của nhiệt độ so vối giá trị cân bằng bức xạ. Tuy nhiên, hức tranh tương ứng của nhiệt độ suy yếu dần (do thời gian tắt dần hữu hạn) và bức tran h tương ứng này bị làm trơn theo không gian do toán tử elliptic trong số hạng xu thế. Trong mô hình biến trình năm này sự đốt nóng phi đoạn nhiệt sinh ra bởi quán tính nhiệt của khi quyển. Nỏ không bị áp đặt bởi sự điểu khiển bức xạ từ ngoài. Sự đóng góp của bứr 238
xạ sóng dài vào số hạng phi đoạn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ dược xác định bởi chính trong mô hình: nó là một phần của nghiệm. Vì thời gian tắ t dần hức xạ r ấ t ngắn so với chu ki năm nên độ lệch rủa nhiệt dộ so với giá trị xác định bức xạ của nó Tr(y,í.z) phái nhỏ so với biên độ của biến trình nám. Vì vậy một mô hình biến đối theo năm không tính đến sự phát sinh xoáy sẽ thiết lập được sự phân bố nhiệt độ biên đổi theo năm gắn liên với cân bằng bức xạ (xem hình 5.4). Đến đây ta kết luận rang, cần đê cập đến nhũng hiệu ứng của phát sinh xoáy trong mô hình để có thể mô hình hoá được độ lệch nhiệt độ trung bình so với trạng thái xác định bức xạ cua nó. Đối vối những biến đổi quv mô thời gian mùa thì cân bằng ổn định cho bởi (5.4b) là đủ chính xác. Vì vậy. nếu thay (õ.õa) vào phương trình (5.4b) thì ta sẽ tìm được độ lệch so vối cân bằng bức xạ ỔT - ịr - Tr) bằng biểu thức sau - ± J L [ pJ ^ st),-Ĩ^ 6 Ĩ. (5.7) Uõy p„ đ z \ N H j N'H1 ở đây để nhận được biểu thức cuối ở vế phải cần thừa nhận mật độ giảm theo độ cao theo hàm mủ trong đạo hàm thẳng dửng. Phương trình (5.7) khi dó có thể chuyển thành ' N 2H 2} â ã S ĩ « r. Ỉ„R ây trong đó Tr là nghịch đảo của tốc độ tắt dần bức xạ a r . Theo (5.7) lực vĩ hướng sinh ra bởi xoáy điểu khiển làm cho nhiệt độ khác với giá trị cân bằng của nó. Bức xạ tác động giống như một “]ò xo”: nó làm tiến dần nhiệt độ đến trạng thái cân bằng. Nếu cho trước phần bố không gian và thòi gian của lực vĩ hướng và tốc độ tắt dần thì có thể giải (5.7) để tìm được độ lệch nhiệt độ ỐT . Sau đó dùng quan hệ (5.3) kết hợp với (õ.5a) sẽ xác định 239
được chuyển động th ẳn g đứng trung bình còn lại. Đây sẽ là một gần đúng tốt đốĩ với sự vận chuyển khôi lượng qua mặt cắt ctẳng nhiệt thế. vidộ Hinh 5.5. Lát cát thảny đứng trung binh năm của N? (ppbv) theo 0 thám sát của thử nghiệm Nimbus 7 SAMS. ớ đày nhin thấy sự phán tấng thẳng đímg mạnh sinh ra do phân rã quang hoá trong tẩng bình lưu. Các mặt đổng mức của tỷ số xáo trộn lồi lên ở vùng xích d '10 hiển nhiên là dòng khối đi lẽn ờ vùng xich đạo này Nếu đem so sánh hai hình 5.2 và 5.4 ta sẽ tìm thấy, độ lệch nhiệt độ lớn n h ấ t so với cân bằng bức xạ xẩy ra trong tầng trung mùa hè, mùa đông và trong tầng bình lưu mùa đùng ơ cực. Lực vĩ hướng trong tầng trung sinh ra trước hết bởi lan truyền thẳng dửng nội sóng trọng trường. Loại sóng này vận chuyển dộng lượng từ tầng đối lưu vào tầng trung. Ở đây gián đoạn sóng sinh ra lực vĩ hướng mạnh. Lực vĩ hướng trong tầng bình lưu mùa đông sinh ra trước hết do sóng Rossby hành tinh dừng. Loại sóng Rossby này có thể lan truyền thẳng đứng với điều kiện là gió vĩ hướng trung bình là gió tây và nhỏ hơn một 240
giấ trị tới hạn. Giá trị tối hạn này phụ thuộc nhiều vào độ dài sóng của các xoáy. Vi lí do dó, trong Lầng hình lưu ngoại nhiệt (.L sẽ có chu kỳ năm mạnh của Ổ T , với giá trị lớn (tức là độ ỏn lệch lớn so với cân bằng bức xạ) vào mùa đông và giá trị nhỏ vào m ù a hè. Điều đó là hiển nhiên như đã thám sát được (xem hình fi.2: và 5.4). Thêm vào dó. lực xoáy duy trì nhiệt độ thám sát cao liơni so với cân bàng bức xạ của nó ở trong tầng bình lưu ngoại Iihiột. (lới, nên sẽ có làm lạnh bức xạ và do đó từ (5.3) suv ra chuyển động thẳng dứng cồn lại phải là chuyển dộng xuống. Do I ín h li< tục khối lượng nên vì th ế chuyển dộng thẳng đứng còn ’in lại trong vùng này ỏ nhiệt dới phải là chuyển động iên. Điều đó hà m ý nhiệt độ ở vùng nhiệt đỏi phải thấp hơn so với cân bàng liứ(c xạ ở vùng này. Nhận xét ỏ đây là diều khiển động lực học liỏii những xoáy ngoại nhiệt đới là thích hợp hơn so với diều k h iể n bởi lực địa phương, còn lực địa phương thể hiện chủ yếu t roing (’huyen động lên còn lại và đốt nóng bức xạ tổng trong (ổng binh lưu nhiệt đới. 5.2.2. V ận c h u y ê n t r u n g b ìn h h o á t h e o vĩ độ Như kết luận suy ra từ TEM, hoàn lưu kinh hướng trong t ầ n g bình lưu mùa đông luôn luôn có thể biểu diễn định tính Iih ư trên hình 5.2. Hoàn lưu kết cục vận chuyển khôi lượng và t ạ p chut đi lên qua tầng đôi lưu ỏ nhiệt đới và di xuống ở ngoại T h iệt (lới. Hoàn lưu dứng này khép kín trong tầng bình lưu thấp I bởii sự trôi kinh hướng về cực. Bức tranh này cho ta tổng quan đ ịn h tinh tốt và có thể xác minh bằng khảo sát sự phân bô" tỷ số x á o trộn Lrung bình vĩ hướng cúa một loại vệt phân tầng thẳng đứmg tồn tại dài bất kỳ. Ví dụ. sự phân bô" của N ,0 trên hình 5.5», N.,0 phát sinh trên mặt đất và được xáo trộn đều trong tầmg dôi lưu. nhưng suy yếu dần theo độ cao trong tầng bình lưui (lo sự phân rã quang hoá. Vì vậy, n h ư trên hình 5.5, tỷ số 241
xá o trộn g iả m d ầ n k hi c à n g lên ca o tr o n g t ầ n g b ìn h lưu. T u y n h iê n , ta còn th ấ y , các m ặ t đ ồ n g m ức c ủ a tỷ s ố x á o tr ộ n khôn g đổi được n â n g lê n ỗ n h iệ t đới v à hạ x u ố n g tr ê n các v ĩ đ ì ca o . Đ iề u đó nói lê n r ằ n g sự v ậ n c h u y ể n k hối lư ợ n g k in h h ư ớ n g t r u n g b ìn h được n â n g lên ỏ n h iệ t đới v à h ạ x u ô n g ỏ n g o ạ i n h i ọ t đới. n h ư ch ỉ ra tr ê n h ìn h 5.6. 1 o o o- 2 Hinh 5.6. Sơ đó c ắ t thẳng đứng của sự vặn chuyển trong tắng bhh lưu. Đường đậm ch ỉ hoàn lưu khối lượng kinh hướng trung binh. Đườìg đút chỉ sự xảo trộ n tựa đẳng nhiệt th ế bởi những xoảy q uy mò lớn Díu nhản nhỏ chỉ đỉnh đối lưu. J chỉ vị trí tâm dòn g xiết trung bình. Đ ườig nhạt với giả trị tỳ số xáo trộn (X) chỉ độ n gh iên g trung binh của 'ệ t phản tầng thảng đứ ng tồn tại dài N g o à i sự trôi k in h h ư ớ n g c h ậ m đo tốc độ k in h h ư ch g k ế t c ụ c n h ư b iể u d iễ n tr ê n h ìn h 5 .6 , n h ữ n g v ệ t tr o n g t ầ n g b h h lưu m ù a đ ô n g c ũ n g là đối tư ợ n g c ủ a sự v ậ n c h u y ể n n h a n h tự* đ ẳ n g n h iệ t t h ế và bị x á o trộn bởi s ó n g h à n h tin h g iá n đ oạn , hi vận c h u y ể n x o á y b iế n đ ổi cao th e o k h ô n g g i a n v à thời g ia n m ư v ạ y 242
p h ả i được đ ư a v à o m ô h ìn h đ ể m ô h ì n h h o á đ ịn h lượng tố t tr o n g giớ i h ạ n t ầ n g h ìn h lư u . T ron g t ầ n g t r u n g h o à n lưu k ế t c ụ c t h ố n g trị bởi ổ h o à n lư u chín co c h u y ể n đ ộ n g lè n tr o n g v ù n g cực m ù a h è. trôi k in h h ư ớ n g tìí bán c ầ u m ù a h è đ ô n b án c ầ u m ù a đ ô n g và hạ x u ố n g tr o n g v ù n g cự c m ù a dông. H o à n lưu n à y là h o à n lưu k ế t cụ c tr o n g t á n g b ìn h lư u và đ iề u k h iể n x oá y . N h ư n g tr o n g tầ n g tr u n g n ó x u ấ t h iệ n đ ể ch o n h ữ n g x o á y th ố n g trị là m la n tr u y ề n s ó n g tr ọ n g tr ư ờ n g nội. Loại s ó n g n à y có q u y m ô cả k h ô n g g ia n v à thời g ia n đ ểu n g á n hơn so vói s ó n g h à n h tin h . S ó n g h à n h tin h t h ố n g trị h o ạ t d ộ n g x o á y tr o n g t ầ n g b ìn h lư u . 5.3. SỐNG HÀNH TINH LAN TRUYEN thang đứng T r o n g m ụ c 5.1 ta d ã c h ỉ ra r ằ n g c h u y ể n đ ộ n g x o á y th ố n g trị tr o n g t ầ n g b ìn h lư u là s ự la n tr u y ề n t h ẳ n g đ ứ n g s ó n g h à n h t in h ti.ía d ừ n g , n h ữ n g s ó n g n à y ch ỉ giới h ạ n tr o n g b án c ầ u m ù a d ô n g . Đ ê h iế u dược sự v ắ n g m ặ t c ủ a c h u y ể n đ ộ n g q u y m ô s y n ố p v à s ự giới h ạ n s ó n g h à n h tin h tron g b án cầ u m ù a đ ô n g ta cầ n n g h iê n CIÍU n h ữ n g đ iể u k iện c ầ n t h iế t ch o s ó n g h à n h tin h lan t r u y ề n được th e o p h ư ơ n g d ứ n g. Đ ể p h â n tíc h sự la n tr u y ề n s ó n g h à n h ú n h tr o n g t ầ n g b ìn h lưu thì t h u ậ n tiệ n n h ấ t là v iế t các p h ư ơ n g tr ìn h tr o n g h ệ toạ độ lo g a k h í áp. Đ ổ p h â n tích c h u y ể n đ ộ n g s ó n g h à n h t in h n g o ạ i n h iệ t đới tr o n g t ầ n g k h í q u y ể n g iữ a ta có th ể c h u y ể n n h ữ n g c h u y ê n d ộ n g n à y lê n m ặ t p v ĩ độ tr u n g b ìn h và d ù n g p h ư ơ n g tr ìn h x o á y t h ế tự a đ ịa c h u y ể n . P h ư ơ n g tr ìn h n à y tr o n g tọa độ lo g a k h í áp có d ạ n g s a u — + v -V {ât * trong đó 243
q m V i'V + / + , A> p ữN 2 ô z Ờ đ â y y = //o là h à m d ò n g đ ịa c h u y ể n v à /o là g iá trị quy đ ịn h ở v ĩ độ t r u n g b ìn h k h ô n g đổi c ủ a t h a m s ố C o riolia. B â y giờ ta t h ừ a n h ậ n c h u y ể n đ ộ n g b a o g ồ m n h i ễ u đ ộ n g b iê n độ nhỏ c h ồ n g lê n d ò n g t r u n g b ìn h v ĩ h ư ớ n g k h ô n g đổi. N h ư v ậ y . n ê u coi »y - -ũV+ 4 ' \ (Ị = ({+ q' v à t u y ế n tín h h o á (5 .8 ) s ẽ tìin được tr ư ờ n g d a o đ ộ n g p h ả i th o ả m ã n p h ư ơ n g tr ìn h s a u ở _ d ' ỠT' — + u— =0 . (5.9) di ớ X) ỏ X t r o n g đó ỚV' q'=V2^'+ /Ồ à Po p ữN 2 â z Õ2 T rong ví du n ày p = —— ây P h ư ơ n g tr in h (5 .9 ) có n h ữ n g n g h iệ m d ạ n g s ó n g đ iể u h ò a với c á c s ố s ó n g v ĩ h ư ớ n g và k in h h ư ớ n g k v à / tư ơ n g ứ n g, c ù n g vói tốc độ p h a c r à n g b u ộ c bơi q u a n h ệ sa u 4"(x, y,2,/) = 4'(z)e'
Khi n g h iê n cứ u c h u y o n động* s ó n g tr o n g k h í q u y ể n ta (ỉă í)iẽì n r > 0 là đòi hỏi cu a s ự lan tr u y ề n s ó n g t h e o p h ư ớ n g
45° vĩ v ề h ư ớ n g cực v à o m ù a đ ô n g đòi h ỏ i p h ả i có x o á v v ĩ h ư ớ n g với độ d ứ t h ư ó n g tâ y th e o độ cao m ạ n h . T rên B ắc b án c ầ u , v à o m ộ t n ă m b ìn h th ư ờ n g n à o đ ó có k iể u m ù a đ ô n g b ìn h th ư ờ n g c ủ a t ầ n g b ìn h lư u cực lạ n h , có x o á y từ h ư ỏ n g tâ y b ỗ n g bị c h ắ n g iá n đ o ạ n m ộ t cá c h k ỳ d iệ u v à o g iữ a m ù a đông. T ron g v ò n g m ấ y n g à y x o á y cực trở n ê n m é o mó m ạ n h và n g ừ n g h o ạ t đ ộ n g , k è m th e o x ả y ra đ ố t n ó n g q u y mô lớn t ầ n g b ìn h lư u . S ự đ ố t n ó n g n à y có k h ả n ă n g l à m đ ả o ngược n h a n h c h ó n g g r a đ ie n n h iệ t độ k in h h ư ớ n g v à c â n b ằ n g g ió n h iệ t s ẽ tạ o ra d ò n g gió đ ô n g q u a n h cực. S ự đ ố t n ó n g đ ế n k h o ả n g 4 0 K tr o n g v ò n g m ấ y n g à y đã từ n g x ả y ra tr ê n m ực k h o ả n g 5 0 m b n h ư m in h h o ạ tr ên h ìn h 5 .7 . Vô s ô n h ữ n g n g h iê n cứ u t h á m sát v ề s ự d ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t n h ư v ậ y đã k h ẳ n g đ ịn h rằ n g , sự la n tr u y ề n t ả n g lê n củ a s ó n g h à n h t i n h từ t ầ n g đối lư u , trư ốc h ế t là c ủ a n h ữ n g s ố s ó n g v ĩ h ư ớ n g 1 v à 2, là n g u y ê n n h â n c h ủ y ế u c ủ a s ự p h á t tr iể n n h ữ n g đ ố t n ó n g n à y . Vì n h ữ n g đ ố t n ó n g c h ủ y ế u th á m s á t được ch ỉ ỏ tr ê n B ắ c b á n c ầ u , n ê n có t h ể k ế t lu ậ n lo g ie r ằ n g , s ự la n tr u y ề n s ó n g t ă n g m ạ n h v à o t ầ n g b ìn h lư u là do n h ữ n g s ó n g s in h ra bởi đ ịa h ìn h . C h ú n g r ấ t m ạ n h tr ê n B ấ c b á n c ầ u so với tr ê n N a m b á n cầ u . T u y v ậ y , n g a y tr ê n bắc b án c ầ u c h ú n g h ìn h n h ư c ũ n g c h ỉ x u ấ t h i ệ n v à o n h ữ n g m ù a đ ô n g n h ấ t đ ịn h , k h i tr o n g m ù a đ ô n g đó có n h ữ n g đ iề u k iệ n k h á c t h u ậ n tiệ n đ ể tạ o ra được đ ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t n h ư v ậ y . N ó i c h u n g ta c ó t h ể t h ừ a n h ậ n r ằ n g , đ ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t là m ộ t v í d ụ c ủ a n ă n g lư ợ n g d ò n g t r u n g b ìn h s i n h ra n g á n n g ủ i do s ự d iề u k h iể n s ó n g h à n h t i n h . K h i n g h i ê n c ứ u h o à n lưu c h u n g k h í q u y ể n t a đ ã c h ứ n g m in h đ ư ợc r ằ n g , đ ể c h o s ó n g h à n h t in h là m k ìm h ã m h o à n lư u t r u n g b ìn h v ĩ hướng th ì d ò n g x o á y x o á y t h ế h ư ớ n g v ề x íc h đ ạ o p h ả i k h á c k h ô n g (tức là hội tu 246
Vd T fl (•> Vĩ độ I») Hình 5.7 Biến đổi theo v ĩ độ và thời gian trên mực 50 mb: a) G ió v ĩ huớng; b) N h iệ t độ trung binh th e o v ĩ độ trong thời kỳ đ ố t nóng đột ngột c ủ a năm 1957 (theo Reed và cs.. 1963) dàng EP tổng phải khác không). T iếp th e o ngư ời ta c ũ n g đ ã c h ứ n g m in h được r ằ n g , đối với n h ữ n g s ó n g k h ô n g t i ê u tá n thì p hân kỳ d òng EP b iế n m ấ t. Đ ối với n h ữ n g s ó n g h à n h tin h d ừ n g b ìn h th ư ờ n g n à y tr o n g d ò n g x iế t b a n đ ê m cực t ầ n g b ìn h lư u thì í t n h ấ l đòi h ỏi n à y p h ả i là g ầ n n h ư được th o ả m ã n , vì tiê u t á n b ứ c xạ v à m a s á t là k h á n h ò. N h ư v ậ y , s ự tư ơ n g tá c m ạ n h g iữ a s ó n g v à d ò n g tr u n g b ìn h x ả y ra tr o n g k h u ô n k h ô đ ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t p h ả i g ắ n liề n với sự tồ n tạ i n g ắ n n g ủ i c ủ a s ó n g (tứ c là b iế n 247