Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 3

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

72
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Cơ chế nhiệt của khí quyển 3.1 Cân bằng năng l-ợng toàn cầu Trong mục này sẽ trình bày một số định luật cơ bản giúp mô tả cơ chế nhiệt của hoàn l-u toàn cầu. Trong mục này chỉ xem xét tới cân bằng năng l-ợng trung bình toàn cầu của khí quyển; trong phần sau sẽ xét tới sự biến đổi địa lý của cân bằng này. Trong các phần này sẽ giới thiệu khái niệm về cân bằng bức xạ, chỉ ra qui mô thời gian cần để thiết lập cân bằng này. Định luật vật lý...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 3

Ch−¬ng 3. C¬ chÕ nhiÖt cña khÝ quyÓn 3.1 C©n b»ng n¨ng l−îng toμn cÇu Trong môc nμy sÏ tr×nh bμy mét sè ®Þnh luËt c¬ b¶n gióp m« t¶ c¬ chÕ nhiÖt cña hoμn l−u toμn cÇu. Trong môc nμy chØ xem xÐt tíi c©n b»ng n¨ng l−îng trung b×nh toμn cÇu cña khÝ quyÓn; trong phÇn sau sÏ xÐt tíi sù biÕn ®æi ®Þa lý cña c©n b»ng nμy. Trong c¸c phÇn nμy sÏ giíi thiÖu kh¸i niÖm vÒ c©n b»ng bøc x¹, chØ ra qui m« thêi gian cÇn ®Ó thiÕt lËp c©n b»ng nμy. §Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n ®−îc sö dông lμ ®Þnh luËt Stefan. §Þnh luËt nμy ph¸t biÓu r»ng n¨ng l−îng bøc x¹ ph¸t ra tõ mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña vËt ®en tuyÖt ®èi tû lÖ víi luü thõa bËc bèn cña nhiÖt ®é S  T 4 (3.1) trong ®ã  lμ h»ng sè Stefan-Boltzman, cã gi¸ trÞ b»ng 5,67x10-8 Wm-2K-4. §èi víi môc ®Ých cña ta, bÒ mÆt cña Tr¸i §Êt hay bÒ mÆt cña mÆt trêi ®−îc xem lμ vËt ®en tuyÖt ®èi vμ tu©n theo ®Þnh luËt Stefan. Mét vËt ®en ph¸t ra bøc x¹ trong mét kho¶ng tÇn sè nhÊt ®Þnh, tuy nhiªn víi mét tÇn sè cùc ®¹i max. §Þnh luËt Wien biÓu thÞ quan hÖ gi÷a tÇn sè max víi nhiÖt ®é cña vËt ®en tuyÖt ®èi nh− sau v max  WT (3.2) trong ®ã W lμ mét h»ng sè, cã gi¸ trÞ b»ng 1,035x1011K-1s-1. Trªn H×nh 3.1 biÓu diÔn ®å thÞ gi÷a n¨ng l−îng vμ tÇn sè cña vËt ®en ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. MÆt trêi víi nhiÖt ®é bÒ mÆt vμo kho¶ng 5750K, ph¸t x¹ chñ yÕu ë b−íc sãng nh×n thÊy vμ b−íc sãng gÇn hång ngo¹i víi mét cùc ®¹i n»m trong phæ cña b−íc sãng nh×n thÊy. KhÝ quyÓn s¹ch gÇn nh− lμ thÊu x¹ hoμn toμn ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy, do ®ã hÇu hÕt c¸c tia mÆt trêi ®¹t tíi bÒ mÆt ®Êt hoÆc Ýt nhÊt còng ®¹t tíi c¸c mùc trong tÇng ®èi l−u, n¬i cã ®Ønh c¸c ®¸m m©y. Thùc tÕ, hÇu hÕt c¸c khÝ h×nh thμnh nªn bÇu khÝ quyÓn hμnh tinh ®Òu hÊp thô rÊt Ýt tia bøc x¹ mÆt trêi. B¶n th©n khÝ quyÓn víi nhiÖt ®é trung b×nh vμo kho¶ng 200-300K sÏ ph¸t x¹ ë c¸c b−íc sãng dμi h¬n, n»m trong phæ hång ngo¹i. KhÝ quyÓn kh«ng thÊu x¹ ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy. C¸c thμnh phÇn nh− h¬i n−íc, khÝ cacbonic, vμ oz«n (n»m trong tÇng b×nh l−u) hÊp thô hÇu hÕt c¸c tia nμy. V× vËy bÒ mÆt kh«ng cã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô vμ nhËn thªm bøc x¹ sãng dμi ph¸t ra tõ c¸c líp n»m phÝa trªn khÝ quyÓn. NhiÖt ®é cña nã sÏ t¨ng cao h¬n gi¸ trÞ c©n b»ng ®èi víi mét vËt thÓ ®øng yªn. KhÝ quyÓn ®ãng vai trß nh− mét líp vá bäc, hÊp thô nhiÖt ë gÇn bÒ mÆt vμ lμm t¨ng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn, hiÖu øng nμy th−êng ®−îc gäi lμ hiÖu øng nhμ kÝnh. - 66 -
H×nh 3.1 §−êng cong biÓu diÔn bøc x¹ ph¸t ra trªn mét tÇn sè ®¬n vÞ lµ mét hµm cña tÇn sè cña vËt ®en víi nhiÖt ®é øng víi 255K vµ 5750K. C¸c kh¸i niÖm trªn cã thÓ ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®Þnh l−îng. KÝ hiÖu th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi bÊt kú chiÕu tíi Tr¸i §Êt lμ S; S ®«i khi ®−îc gäi lμ h»ng sè mÆt trêi, thùc tÕ gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi trong n¨m theo sù thay ®æi kho¶ng c¸ch gi÷a Tr¸i §Êt vμ mÆt trêi. Gi¸ trÞ trung b×nh cña S lμ 1370Wm-2. Tr¸i §Êt víi diÖn tÝch a2 vu«ng gãc víi tia mÆt trêi tuy nhiªn cã tæng diÖn tÝch bÒ mÆt lμ 4a2; Th«ng l−îng bøc x¹ trung b×nh trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt Tr¸i §Êt sÏ lμ S/4. Mét l−îng nhá  tia bøc x¹ mÆt trêi sÏ bÞ ph¶n x¹ ng−îc trë l¹i vμo kh«ng gian vò trô;  lμ albedo, cã gi¸ trÞ 0,29 ®èi víi Tr¸i §Êt, tuy nhiªn gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi theo ®Þa ph−¬ng rÊt m¹nh vμ ®ãng vai trß kh¸ quan träng. Albedo cña m©y hoÆc cña tuyÕt míi r¬i rÊt lín, kho¶ng 0.9, trong khi ®ã albedo cña rõng hoÆc cña bÒ mÆt ®¹i d−¬ng nhá h¬n nhiÒu, chØ vμo kho¶ng 0,07. Th«ng l−îng tæng céng mμ Tr¸i §Êt hÊp thô ®−îc lμ I = (1-)S/4; ë tr¹ng th¸i dõng gi¸ trÞ nμy ph¶i c©n b»ng víi l−îng bøc x¹ hång ngo¹i ph¸t ra tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Sö dông ph−¬ng tr×nh (3.1), nhiÖt ®é trung b×nh cña hÖ Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn lμ  1   S  1/ 4 TB    (3.3)  4  NhiÖt ®é tÝnh theo c¸ch nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ nhiÖt ®é ph¸t s¸ng; ®©y lμ nhiÖt ®é mμ mét vËt ®en cã thÓ cã ®Ó ph¸t ra cïng gi¸ trÞ bøc x¹ hång ngo¹i. ThÕ gi¸ trÞ nμy ®èi víi Tr¸i §Êt ta ®−îc TB = 255K. NhiÖt ®é nμy nhá h¬n so víi gi¸ trÞ nhiÖt ®é trung b×nh cña bÒ mÆt Tr¸i §Êt (kho¶ng 288K). NhiÖt ®é ph¸t x¹ TB cã thÓ ®−îc xem nh− lμ nhiÖt ®é ®Æc tr−ng cña c¸c líp phÝa trªn cña tÇng ®èi l−u cã thÓ ph¸t ra bøc x¹ hång ngo¹i trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô. BÒ mÆt vμ c¸c líp khÝ quyÓn phÝa d−íi cã nhiÖt ®é cao h¬n v× khÝ quyÓn lμ kh«ng thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ hång ngo¹i. - 67 -
H×nh 3.2 M« h×nh líp ®¬n nhÊt cña hÖ thèng Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn Cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc ®iÒu nμy nÕu coi khÝ quyÓn nh− lμ mét líp khÝ ®ång nhÊt n»m phÝa trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nh− biÓu diÔn trªn H×nh 3.2. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt r»ng khÝ quyÓn lμ hoμn toμn thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ nh×n thÊy nh−ng hÊp thô ®−îc mét phÇn bøc x¹ hång ngo¹i  xuyªn qua nã. MÆt ®Êt ph¸t ra bøc x¹ víi tèc ®é lμ U, trong ®ã mét phÇn (1-) ®i vμo kh«ng gian vò trô, trong khi ®ã khÝ quyÓn bÞ ®èt nãng ph¸t ra bøc x¹ lμ B vÒ phÝa mÆt ®Êt vμ vμo kh«ng gian vò trô. NhiÖt ®é cña mÆt ®Êt lμ Tg vμ cña kh«ng khÝ lμ Ta nhËn ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh (3.1) Tg  U /   , Ta  B /   1/ 4 1/ 4 (3.4) ë tr¹ng th¸i dõng, th«ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn vμ ®i ra khái bÒ mÆt ph¶i c©n b»ng víi nhau 1    S  B  U (3.5) 4 th«ng l−îng ®i vμo vμ ®i ra khái khÝ quyÓn 2B  U (3.6) Rót B tõ c¸c ph−¬ng tr×nh trªn vμ sö dông ph−¬ng tr×nh (3.3) ta ®−îc 1/ 4 2 Tg    (3.7) TB 2   t−¬ng tù ta cã 1/ 4  Ta    (3.8) TB 2   V× vËy, víi h¹n chÕ lμ khÝ quyÓn kh«ng thÊu x¹ víi bøc x¹ hång ngo¹i, tøc lμ   1, ta cã Tg = 21/4 TB vμ Ta = TB; bÒ mÆt cã nhiÖt ®é cao h¬n c¸c líp khÝ quyÓn phÝa trªn. LÊy TB = 255K th× Tg = 303K, gi¸ trÞ nμy cao h¬n mét chót so víi gi¸ trÞ quan tr¾c ®−îc. Víi  = 0,771 quan tr¾c ®−îc Tg = 288K. Trong tr−êng hîp nμy, Ta = 227K cho thÊy khÝ quyÓn thÊu x¹ sÏ cã tèc ®é gi¶m c©n b»ng bøc x¹ m¹nh h¬n. Mét tÝnh to¸n phøc t¹p h¬n sö dông gÇn ®óng nhiÒu mùc trong cÊu tróc th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn cho ta gi¸ trÞ nhiÖt ®é bÒ mÆt cao h¬n; m« h×nh nh− vËy gi¶i thÝch cho nhiÖt ®é bÒ mÆt cùc ®¹i - 68 -
cña Sao Kim. M« h×nh nμy cã thÓ bao gåm c¶ c¸c qu¸ tr×nh nh− ph¸t bøc x¹ cña c¸c xol khÝ. T¸c ®éng cña riªng qu¸ tr×nh bøc x¹ sÏ thiÕt lËp nªn mét cÊu tróc nhiÖt c©n b»ng, víi nhiÖt ®é gi¶m theo chiÒu cao vμ phô thuéc vμo c−êng ®é cña bøc x¹ mÆt trêi ®i ®Õn. C©n b»ng nμy ®−îc gäi lμ c©n b»ng bøc x¹. B©y giê ta h·y xem xÐt tíi thêi gian cÇn ®Ó thiÕt lËp nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ nμy. Nã cã thÓ ®−îc −íc l−îng nh− sau: gi¶ thiÕt r»ng do mét sè t¸c ®éng kh«ng râ rμng mμ nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn bÞ dao ®éng l©n cËn gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt nhiÖt dung cña bÒ mÆt ®−îc bá qua; trong tr−êng hîp nμy, ph−¬ng tr×nh (3.5) vÉn tho¶ m·n. Tuy nhiªn, ph−¬ng tr×nh (3.6) ph¶i viÕt l¹i d−íi d¹ng sau c p p s dTa  U  2B (3.9) g dt trong ®ã ps lμ gi¸ trÞ khÝ ¸p bÒ mÆt; cpps/g lμ nhiÖt dung cña c¶ cét khÝ quyÓn trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch n»m ngang. BiÓu diÔn Ta = Ta0 + T, trong ®ã Ta0 lμ gi¸ trÞ c©n b»ng tÝnh ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh (3.7), vμ T  Ta 0 . Khi ®ã ph−¬ng tr×nh (3.9) cã thÓ ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ theo Ta0 nh− sau T    42   T a 0 g T 3 d (3.10) dt pscp Ph−¬ng tr×nh nμy cã nghiÖm d¹ng ®¬n gi¶n ®· biÕt: T gi¶m theo qui luËt hμm mò víi qui m« thêi gian E trong ®ã pscp E  (3.11) 42 T 3 a 0 g ®−îc gäi lμ qui m« thêi gian c©n b»ng bøc x¹. NÕu qui m« thêi gian bøc x¹ nμy lín h¬n so víi qui m« thêi gian ®Æc tr−ng cña chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn th× chuyÓn ®éng cña dßng khÝ cã thÓ duy tr× nhiÖt ®é khÝ quyÓn nhá h¬n nhiÒu so víi gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹. MÆt kh¸c, nÕu E nhá, c¸c hiÖn t−îng khÝ t−îng sÏ chØ cã t¸c ®éng rÊt nhá ®èi víi c©n b»ng bøc x¹. §èi víi Tr¸i §Êt, gi¶ thiÕt  = 1 v× vËy TB = 255K; khi ®ã E x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh (3.11) vμo kho¶ng 30 ngμy. Thêi gian nμy lín h¬n so víi qui m« thêi gian ®Æc tr−ng lμ tõ 1-5 ngμy cña qu¸ tr×nh b×nh l−u trong hÖ thèng thêi tiÕt qui m« lín ë tÇng ®èi l−u, vμ do ®ã cã thÓ thÊy r»ng hoμn l−u khÝ quyÓn sÏ bÞ biÕn ®æi do chÝnh cÊu tróc nhiÖt cña nã. Lo¹i m« h×nh ®−îc tr×nh bμy trong môc nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ m« h×nh khÝ hËu c©n b»ng n¨ng l−îng. C¸c m« h×nh kiÓu nh− vËy sö dông c¸c gi¸ trÞ th«ng l−îng n¨ng l−îng tíi vμ mÊt ®i trung b×nh toμn cÇu ®Ó ®¸nh gi¸ nhiÖt ®é trung b×nh toμn cÇu. C¸c phiªn b¶n phøc t¹p h¬n cña lo¹i m« h×nh nμy cßn tÝnh ®Õn c¸c hiÖu øng håi tiÕp phøc t¹p, ch¼ng h¹n nh− qu¸ tr×nh håi tiÕp cña b¨ng-albedo. Tuy nhiªn, c¸c m« h×nh phøc t¹p nμy còng kh«ng ®−a ra c¸ch gi¶i thÝch míi vÒ hoμn l−u toμn cÇu, hoμn l−u bÞ ®iÒu khiÓn bëi rÊt nhiÒu sù biÕn ®æi cña tr−êng nhiÖt ë nhiÒu phÇn kh¸c nhau trong khÝ quyÓn. H¬n n÷a, do tÝnh phi tuyÕn kh¸ phøc t¹p cña hÖ thèng khÝ hËu nªn c¸c m« h×nh c©n b»ng n¨ng l−îng ®¬n gi¶n kh«ng ®−a ra ®−îc nh÷ng gi¶i thÝch tin cËy vÒ khÝ hËu trung b×nh toμn cÇu, mÆc dï c¸c m« h×nh nμy ®−îc sö dông ®Ó nghiªn cøu sù biÕn ®æi khÝ hËu do c¸c d¹ng nhiÔu ®éng kh¸c nhau. - 69 -
3.2 C©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng Trong môc tr−íc ta ®· ®Ò cËp tíi c©n b»ng bøc x¹ toμn cÇu. Tuy nhiªn, hoμn l−u qui m« lín cña khÝ quyÓn ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sù biÕn ®æi nhiÖt ®é tõ n¬i nμy ®Õn n¬i kh¸c. V× vËy trong môc nμy sÏ ®Ò cËp tíi sù biÕn ®æi cña tr−êng bøc x¹ theo ®iÒu kiÖn ®Þa lý. Sù biÕn ®æi theo ®iÒu kiÖn ®Þa lý nμy còng biÕn ®æi theo thêi gian, do ®ã nã ¶nh h−ëng tíi biÕn tr×nh ngμy vμ n¨m cña hoμn l−u khÝ quyÓn. C¶ bøc x¹ mÆt trêi ®Õn vμ albedo cña Tr¸i §Êt ®Òu biÕn ®æi rÊt m¹nh theo vÜ ®é. H×nh 3.3(a) biÓu diÔn th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®Õn trung b×nh n¨m theo vÜ ®é. KÝ hiÖu th«ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn lμ I. Khi ®ã gi¸ trÞ trung b×nh toμn cÇu cña I sÏ lμ S/4 nh− ®· chØ ra trong môc tr−íc. C¸c yÕu tè h×nh häc cho thÊy I cã gi¸ trÞ lín ë miÒn nhiÖt ®íi vμ cã gi¸ trÞ nhá h¬n ë c¸c miÒn cùc. T¹i sao gi¸ trÞ cña nã kh«ng gi¶m theo trôc cña Tr¸i §Êt, khi ®ã ®−¬ng nhiªn gi¸ trÞ ë miÒn cùc sÏ b»ng kh«ng. NÕu x¶y ra nh− vËy th× sÏ tån t¹i mét sù c« lËp ë miÒn cùc trong mïa hÌ. Thùc tÕ, gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña I ®¹t cùc ®¹i ë miÒn cùc xung quanh kho¶ng thêi gian h¹ chÝ. Gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña I gi¶m tõ xÝch ®¹o vÒ phÝa cùc lμ do sù biÕn ®æi cña albedo. Albedo ë c¸c miÒn vÜ ®é cao n¬i tuyÕt vμ b¨ng bao phñ nhiÒu vμ gÇn nh− quanh n¨m sÏ cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu so víi vïng vÜ ®é thÊp. H¬n n÷a, ë miÒn «n ®íi cã nhiÒu m©y h¬n so víi miÒn cËn nhiÖt ®íi. KÕt qu¶ lμ, mét l−îng th«ng l−îng sãng ng¾n gÇn nh− lμ h»ng sè kho¶ng 100Wm-2 bÞ ph¶n x¹ trë l¹i vμo kh«ng gian vò trô mét c¸ch trùc tiÕp t¹i tÊt c¶ c¸c vÜ ®é. Do ®ã bøc x¹ bÞ hÊp thô bëi Tr¸i §Êt vμ khÝ quyÓn biÕn ®æi trong kho¶ng 100Wm-2 ë miÒn cùc tíi kho¶ng 400Wm_2 ë miÒn xÝch ®¹o. NhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng cã thÓ tÝnh ®−îc theo c¸ch t−¬ng tù khi biÕt nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ toμn cÇu, sö dông ®Þnh luËt Stefan. NhiÖt ®é bøc x¹ ®Þa ph−¬ng x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc TB  S L /   1/ 4 (3.12) trong ®ã SL lμ bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc ë ®Þa ph−¬ng. T¹i miÒn cùc, gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña TB tÝnh theo c«ng thøc nμy vμo kho¶ng 205K, trong khi ®ã ë xÝch ®¹o lμ 290K. Sö dông ph−¬ng tr×nh (3.7) ®Ó −íc l−îng nhiÖt ®é bÒ mÆt, gi¶ thiÕt  = 0,771, hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a miÒn xÝch ®¹o vμ miÒn cùc vμo kho¶ng 96K. Thùc tÕ, hiÖu sè nhiÖt ®é nμy lín h¬n nhiÒu so víi quan tr¾c. HiÖu sè nhiÖt ®é trung b×nh n¨m vμo kho¶ng 35K, ë c¸c miÒn cùc d−êng nh− lín h¬n so víi gi¸ trÞ dù b¸o ®−îc tõ c©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng vμ ë miÒn nhiÖt ®íi th× nhá h¬n. §−êng cong thø ba trªn H×nh 3.3(a) biÓu diÔn bøc x¹ sãng dμi ph¸t ®i theo vÜ ®é. §−êng cong nμy tr¬n h¬n so víi ®−êng cong biÓu diÔn SL, nghÜa lμ sù t−¬ng ph¶n nhiÖt ®é cña nã nhá h¬n so víi sù t−¬ng ph¶n nhiÖt ®é trong c©n b»ng bøc x¹. §−¬ng nhiªn, l−îng bøc x¹ ph¸t ®i tæng céng lÊy tÝch ph©n trªn toμn Tr¸i §Êt ph¶i c©n b»ng víi tæng l−îng bøc x¹ tíi. Tuy nhiªn, ë c¸c ®Þa ph−¬ng th× tån t¹i sù kh«ng c©n b»ng. Sù kh«ng c©n b»ng ®Þa ph−¬ng nμy biÓu thÞ c¸c chuyÓn ®éng vËn chuyÓn nhiÖt trong khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng. - 70 -
H×nh 3.3 Nguån bøc x¹ cña Tr¸i §Êt lµ mét hµm cña vÜ ®é. §−êng ®øt: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi bÊt kú; §−êng chÊm: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc; §−êng liÒn: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ sãng dµi ph¸t x¹. (a) trung b×nh n¨m; (b) mïa ®«ng (th¸ng 12-1-2); (c) mïa hÌ (th¸ng 6-7-8) Sù chªnh lÖch gi÷a bøc x¹ tíi vμ bøc x¹ mÊt ®i c©n b»ng bëi sù ph©n t¸n cña c¸c th«ng l−îng nhiÖt. Sù ph©n chia c¸c th«ng l−îng nhiÖt trong khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng - 71 -
hiÖn ch−a râ, mÆc dï ta nhËn thÊy r»ng th«ng l−îng nμy nhá h¬n mét nöa th«ng l−îng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn bëi hoμn l−u ®¹i d−¬ng. H×nh 3.4 S¬ ®å minh ho¹ sù biÕn ®æi theo chiÒu cao cña th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi h−íng xuèng vµ th«ng l−îng bøc x¹ hång ngo¹i h−íng lªn trong khÝ quyÓn kh«ng m©y. HiÖu sè gi÷a th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn vµ ph¸t ®i trong líp khÝ quyÓn d−íi c©n b»ng víi sù vËn chuyÓn ®i lªn cña c¸c chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn. Nh×n chung, vËn chuyÓn th¼ng ®øng cña nhiÖt còng do hoμn l−u khÝ quyÓn. V× khÝ quyÓn lμ kh«ng thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ hång ngo¹i nªn bøc x¹ mÊt ®i vμo vò trô chñ yÕu tõ c¸c mùc thuéc phÇn trªn tÇng ®èi l−u. T¹i c¸c mùc gi÷a, cã mét sù mÊt c©n b»ng gi÷a th«ng l−îng h−íng lªn cña bøc x¹ hång ngo¹i víi th«ng l−îng h−íng xuèng cña bøc x¹ mÆt trêi. Sù mÊt c©n b»ng nμy ®−îc bï ®¾p b»ng mét dßng th«ng l−îng nhiÖt ®éng lùc h−íng lªn nhê c¸c chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn. H×nh 3.4 biÓu diÔn kh¸i qu¸t d−íi d¹ng s¬ ®å sù mÊt c©n b»ng cña c¸c th«ng l−îng nhiÖt th¼ng ®øng. 3.3 NhiÖt ®éng lùc cña chuyÓn ®éng chÊt khÝ Tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc cña mét phÇn tö khÝ kh« ®−îc qui ®Þnh bëi gi¸ trÞ cè ®Þnh cña hai biÕn tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc bÊt kú. §ã lμ c¸c ®¹i l−îng nh− nhiÖt ®é, khÝ ¸p, mËt ®é hoÆc entropy riªng. C¸c biÕn cßn l¹i cã thÓ tÝnh ®−îc b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. Víi môc ®Ých nghiªn cøu ë ®©y, thuËn tiÖn h¬n c¶ lμ biÓu diÔn tr¹ng th¸i cña mét phÇn tö khÝ x¸c ®Þnh bëi nhiÖt ®é T vμ nhiÖt ®é thÕ vÞ cña nã . Entropy riªng s quan hÖ víi  b»ng biÓu thøc sau s  c p ln  (3.13) trong ®ã khÝ ¸p nhËn ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ lý t−ëng (1.9) K p  T    (3.14) p  R  - 72 -
trong ®ã pR lμ khÝ ¸p t¹i mùc bÊt kú, th−êng lÊy lμ 1000hPa ®èi víi khÝ quyÓn Tr¸i §Êt. §Ó thay ®æi tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc cña phÇn tö khÝ, mét c¸ch tæng qu¸t th× l−îng nhiÖt ph¶i ®−îc cung cÊp hay mÊt ®i. Ngo¹i trõ duy nhÊt lμ tr−êng hîp riªng cña qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt. NhiÒu qu¸ tr×nh khÝ t−îng ®−îc coi lμ gÇn ®óng ®o¹n nhiÖt bëi v× qui m« thêi gian g¾n liÒn víi chuyÓn ®éng cña dßng khÝ th−êng ng¾n h¬n so víi qui m« thêi gian cña sù vËn chuyÓn nhiÖt do bøc x¹ hay khuÕch t¸n. Tuy nhiªn, trong nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu, sù kh¸c biÖt so víi c¸c ®iÒu kiÖn ®o¹n nhiÖt lμ kh¸ th« trong viÖc cung cÊp n¨ng l−îng cÇn ®Ó duy tr× hoμn l−u chèng l¹i ¶nh h−ëng cña ma s¸t. NhiÖt ®−îc lÊy bëi mét ®¬n vÞ khèi l−îng kh«ng khÝ thÊu x¹ qu¸ tr×nh nhiÖt ®éng lùc tõ tr¹ng th¸i A ®Õn tr¹ng th¸i B lμ B  Q  Tds (3.15) A §Ó thuËn tiÖn ta biÓu diÔn qu¸ tr×nh nμy trªn ®å th× nhiÖt ®éng lùc, trong ®ã s biÓu diÔn trªn trôc hoμnh vμ T biÓu diÔn trªn trôc tung nh− trªn H×nh 3.5. NhiÖt cung cÊp cho qu¸ tr×nh nμy lμ phÇn diÖn tÝch n»m phÝa d−íi ®−êng cong biÓu diÔn c¸c tr¹ng th¸i liªn tiÕp cña phÇn tö khÝ trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc. L−u ý r»ng nÕu gi¸ trÞ entropy riªng cña tr¹ng th¸i B v−ît qu¸ tr¹ng th¸i A th× khi ®ã Q mang dÊu d−¬ng, tøc lμ nhiÖt cÇn ph¶i cung cÊp cho phÇn tö khÝ. Ng−îc l¹i, nÕu s(B) < s(A) th× nhiÖt bÞ mÊt ®i. Râ rμng tõ ®å thÞ nμy nhiÖt cung cÊp cho qu¸ tr×nh biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A sang B lμ kh«ng ®ång nhÊt. Gi÷a hai tr¹ng th¸i nμy sÏ cã v« h¹n c¸c ®−êng biÕn ®æi kh¸c nhau, v× vËy diÖn tÝch t−¬ng øng víi ®−êng nμy còng sÏ kh¸c nhau. Mét c¸ch tæng qu¸t, nÕu entropy t¨ng ë nhiÖt ®é cao th× khi ®ã nhiÖt cÇn ®−îc cung cÊp thªm. Gi¶ thiÕt phÇn tö khÝ biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A ®Õn B sau ®ã quay trë l¹i A. Nh− ®· minh ho¹, l−îng nhiÖt ®−îc cung cÊp trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi tõ A ®Õn B nhiÒu h¬n lμ l−îng nhiÖt bÞ mÊt ®i trong qu¸ tr×nh ng−îc l¹i. PhÇn tö khÝ quay trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu cña nã vμ do ®ã l−îng nhiÖt thuÇn ®· cung cÊp cho nã. §iÒu g× sÏ x¶y ra víi n¨ng l−îng nhiÖt d− thõa nμy? C©u tr¶ lêi lμ phÇn n¨ng l−îng nμy sÏ ®−îc chuyÓn ho¸ sang mét d¹ng n¨ng l−îng kh¸c, th−êng lμ ®éng n¨ng cña phÇn tö khÝ chuyÓn ®éng. BÊt kú mét qu¸ tr×nh khÐp kÝn nμo lμm cho kh«ng khÝ xung quanh chuyÓn ®éng theo chiÒu kim ®ång hå trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc th× sÏ t¹o ra ®éng n¨ng. Ng−îc l¹i, chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu kim ®ång hå sÏ bÞ hao tæn nhiÖt nhiÒu h¬n lμ ®−îc cung cÊp nhiÖt; sù mÊt c©n b»ng nμy sinh ra do sù gi¶m ®éng n¨ng cña phÇn tö khÝ. Qu¸ tr×nh nμy lμ mét vÝ dô cña qu¸ tr×nh lμm l¹nh. C¸c chu tr×nh nhiÖt ®éng lùc nh− vËy t−¬ng tù nh− trong vËt lý hay trong c¬ häc vμ cã ý nghÜa trong viÖc nghiªn cøu c¸c c¬ chÕ nhiÖt. Râ rμng chØ mét l−îng nhiÖt nhá cung cÊp cho phÇn tö khÝ cã thÓ chuyÓn ho¸ thμnh d¹ng c¬ n¨ng; tû sè gi÷a c¬ n¨ng nhËn ®−îc víi nhiÖt ®−îc cung cÊp gäi lμ hiÖu øng nhiÖt ®éng lùc cña c¬ chÕ nhiÖt  Tds e (3.16) B  .Tds A - 73 -
HiÖu øng nhiÖt ®éng lùc cña c¬ chÕ nhiÖt thùc hiÖn gi÷a tr¹ng th¸i A vμ tr¹ng th¸i B ®¹t cùc ®¹i khi entropy t¨ng ë nhiÖt ®é TB kh«ng ®æi vμ sÏ gi¶m víi nhiÖt ®é TA kh«ng ®æi, chu tr×nh nμy ®−îc khÐp kÝn b»ng qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt. §−êng biÓu diÔn trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc khi ®ã lμ mét h×nh ch÷ nhËt. Chu tr×nh lý t−ëng nμy ®−îc gäi lμ chu tr×nh Carnot vμ ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 3.6. C¬ chÕ nhiÖt thùc tÕ lu«n cã hiÖu øng nhá h¬n so víi c¬ chÕ Carnot lý t−ëng vμ chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn l¹i cã hiÖu øng nhá h¬n rÊt nhiÒu. H×nh 3.5 §å thÞ nhiÖt ®éng lùc víi trôc hoµnh s = cpln(), trôc tung T cña mét phÇn tö khÝ biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A ®Õn B. Trong môc tr−íc, gi¶ thiÕt chuyÓn ®éng trong tÇng ®èi l−u sÏ vËn chuyÓn nhiÖt ®i lªn vμ h−íng cùc. M« h×nh ®¬n gi¶n nhÊt cña chuyÓn ®éng vËn chuyÓn nhiÖt nμy bao gåm chuyÓn ®éng th¨ng ë miÒn nhiÖt ®íi, chuyÓn ®éng h−íng cùc ë c¸c mùc trªn cao, chuyÓn ®éng gi¸ng t¹i miÒn vÜ ®é cao vμ chuyÓn ®éng vÒ xÝch ®¹o ë c¸c mùc thÊp. MÆt c¾t th¼ng ®øng cña cÊu tróc nhiÖt trung b×nh vÜ h−íng quan tr¾c ®−îc ®−îc biÓu diÔn trong môc 4.1. Nghiªn cøu hoμn l−u lý t−ëng nμy ë ®©y b»ng c¸ch biÓu diÔn c¸c tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc liªn tiÕp cña mét phÇn tö khÝ trªn gi¶n ®å nhiÖt ®éng lùc. KÕt qu¶ lμ mét nh¸nh nhá trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc cho thÊy chuyÓn ®éng nh− vËy sÏ h×nh thμnh ®éng n¨ng, do ®ã chóng cã thÓ ®−îc duy tr× chèng l¹i ma s¸t b»ng c¸ch chuyÓn ho¸ liªn tôc nhiÖt n¨ng thμnh c¬ n¨ng. C¸c hoμn l−u chuyÓn ®éng cïng chiÒu kim ®ång hå trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc bao gåm dßng th¨ng cña kh«ng khÝ nãng vμ dßng gi¸ng cña kh«ng khÝ l¹nh; chóng ®−îc gäi lμ hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp. C¸c hoμn l−u cã h−íng ng−îc l¹i bÞ c−ìng bøc vÒ c¬ n¨ng vμ do ®ã ®−îc gäi lμ hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp. §éng n¨ng h×nh thμnh tõ mçi chu vi cña phÇn tö khÝ trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng lμ  K  Tds (3.17) NÕu c lμ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó phÇn tö khÝ thùc hiÖn mét hoμn l−u khÐp kÝn trªn mÆt kinh tuyÕn th× khi ®ã tèc ®é h×nh thμnh ®éng n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng sÏ lμ dK 1   (3.18) Tds c dt B T - 74 - A
H×nh 3.6 Chu tr×nh Carnot thùc hiÖn gi÷a tr¹ng th¸i A vµ tr¹ng th¸i B. §éng n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng tû lÖ víi tèc ®é giã ®Æc tr−ng U b»ng K = U2/2. Sù h×nh thμnh ®éng n¨ng ph¶i c©n b»ng víi sù tiªu t¸n ma s¸t trong mét kho¶ng thêi gian dμi. Sö dông ma s¸t Rayleigh tr×nh bμy trong môc 2.4 nh− lμ mét c¸ch biÓu diÔn c¸c qu¸ tr×nh ma s¸t phøc t¹p, tèc ®é suy gi¶m ®éng n¨ng do ma s¸t lμ dK 2K  (3.19) D dt D lμ qui m« thêi gian ma s¸t víi gi¸ trÞ ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 5 ngμy trong tÇng ®èi l−u. C©n b»ng gi÷a sù h×nh thμnh vμ suy gi¶m ®éng n¨ng lÊy trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian dμi lμ 1/ 2   U2 1   Tds  U   D Tds  (3.20) hay  C c D  Khi biÕt D vμ C ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc U. Quan tr¾c giã kinh h−íng trung b×nh cho thÊy C vμo kho¶ng 140 ngμy víi U ~ 20ms-1. Giã trung b×nh toμn cÇu cã gi¸ trÞ kho¶ng 14ms-1, kh¸ phï hîp víi gi¸ trÞ −íc l−îng nμy. Tuy nhiªn, ®Ó dù b¸o U cÇn xem xÐt c¶ b¶n chÊt ®éng lùc lÉn nhiÖt lùc cña nã. 3.4 KÕt qu¶ quan tr¾c ®èt nãng khÝ quyÓn Trong môc nμy sÏ ®Ò cËp tíi sù ph©n bè ®èt nãng vμ lμm l¹nh trong khÝ quyÓn, sù ®èt nãng vμ lμm l¹nh nμy ®iÒu khiÓn hoμn l−u khÝ quyÓn. Chóng ta cÇn ph©n biÖt sù biÕn ®æi ®o¹n nhiÖt cña nhiÖt ®é sinh ra do chuyÓn ®éng th¼ng ®øng khi kh«ng cã nhiÖt thªm vμo hay mÊt ®i khái phÇn tö khÝ vμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é khi cã nhiÖt thªm vμo hay mÊt ®i tõ phÇn tö khÝ. Qu¸ tr×nh sau ®−îc gäi lμ qu¸ tr×nh ®èt nãng phi ®o¹n nhiÖt hay ®¬n gi¶n lμ ®èt nãng. Sù biÕn ®æi nhiÖt ®é ®o¹n nhiÖt x¶y ra khi kh«ng cã sù trao ®æi nhiÖt. MÆt kh¸c, nguån nhiÖt cung cÊp vμo hay mÊt ®i b¾t nguån tõ hoμn l−u toμn cÇu. Sù ®èt nãng sinh ra tõ rÊt nhiÒu qu¸ tr×nh nh− vËy. HÊp thô bøc x¹ sãng - 75 -
ng¾n lμ mét nguån ®èt nãng, cßn ph¸t x¹ bøc x¹ sãng dμi lμ mét nguån lμm l¹nh. Tuy nhiªn, sù biÕn ®æi nhiÖt gi÷a c¸c thμnh phÇn kh¸c nhau cña hÖ thèng khÝ hËu bao gåm c¶ Tr¸i §Êt, ®¹i d−¬ng, b¨ng tuyÕt (b¨ng quyÓn) vμ khÝ quyÓn lμ rÊt quan träng trong viÖc ®iÒu khiÓn hoμn l−u toμn cÇu. Mét sè c¬ chÕ quan träng bao gåm: (i) Trao ®æi nhiÖt víi c¸c líp d−íi cña bÒ mÆt, cã thÓ lμ bÒ mÆt ®Êt hay bÒ mÆt ®¹i d−¬ng. Tia bøc x¹ mÆt trêi ®i ®Õn trùc tiÕp ®¹t tíi bÒ mÆt vμ ®èt nãng nã. Sù ®èt nãng nμy ng−îc trë l¹i dïng ®Ó ®èt nãng khÝ quyÓn do sù vËn chuyÓn rèi trong líp biªn khÝ quyÓn. MÆt ®Êt cã nhiÖt dung kh¸ nhá do ®ã tia mÆt trêi ®¹t tíi bÒ mÆt Tr¸i §Êt bÞ ph¶n x¹ vμo khÝ quyÓn kh¸ nhanh. MÆt kh¸c, ®¹i d−¬ng cã nhiÖt dung lín h¬n nhiÒu v× vËy nã ®ãng vai trß gi÷ nhiÖt quan träng trong hÖ thèng khÝ hËu. Gi¶ thiÕt sù ®ãng gãp vμo hÖ thèng khÝ hËu cña c¸c qu¸ tr×nh cã qui m« thêi gian lín h¬n 1 th¸ng lμ do nhiÖt ®−îc tÝch luü trong ®¹i d−¬ng. (ii) PhÇn lín n¨ng l−îng mÆt trêi tíi bÒ mÆt Tr¸i §Êt cung cÊp cho bèc h¬i n−íc nhiÒu h¬n lμ lμm t¨ng nhiÖt ®é mÆt ®Êt. V× l−îng Èn nhiÖt rÊt lín cña qu¸ tr×nh bèc h¬i n−íc vμ hÇu hÕt bÒ mÆt Tr¸i §Êt lμ Èm −ít, l−îng nhiÖt rÊt lín nμy cã thÓ bÞ mÊt ®i theo c¸ch nμy. §o ®¹c cho thÊy kho¶ng 90% l−îng bøc x¹ ®Õn bÒ mÆt Tr¸i §Êt dïng ®Ó bèc h¬i n−íc. ë nh÷ng khu vùc kh« h¹n, qu¸ tr×nh bèc h¬i chiÕm tíi 10% l−îng bøc x¹ bÞ hÊp thô. (iii) H¬i n−íc trong khÝ quyÓn ®ãng vai trß nh− mét ph−¬ng thøc l−u tr÷ nhiÖt, l−îng nhiÖt nμy cã thÓ ®−îc gi¶i phãng khi ng−ng kÕt. V× kh«ng khÝ cã thÓ lan truyÒn nªn nã cã thÓ bÞ nãng lªn hay l¹nh ®i. Qu¸ tr×nh ng−ng kÕt nμy gi¶i phãng mét l−îng Èn nhiÖt rÊt lín. Trong khÝ quyÓn miÒn nhiÖt ®íi, sù ®èt nãng nμy chñ yÕu sinh ra bëi sù gi¶i phãng Èn nhiÖt trong c¸c ®¸m m©y g©y m−a. (iv) PhÇn lín sù lμm l¹nh träng khÝ quyÓn lμ do ph¸t x¹ sãng dμi, tuy nhiªn mét sè khu vùc l¹i do t−¬ng t¸c víi bÒ mÆt l¹nh h¬n ë phÝa d−íi. Ph¸t x¹ bøc x¹ sãng dμi vμo khÝ quyÓn biÕn ®æi rÊt m¹nh vμ chÞu ¶nh h−ëng cña ®é Èm kh«ng khÝ vμ sù tån t¹i cña m©y. §o ®¹c tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau lμ mét viÖc v« cïng khã kh¨n, vμ ®−¬ng nhiªn kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc ®èi víi mét thÓ tÝch kh«ng khÝ h÷u h¹n. Qu¸ tr×nh tham sè ho¸ trong c¸c m« h×nh dù b¸o sè trÞ phøc t¹p cho phÐp ®¸nh gi¸ sù ®èt nãng nμy trong c¸c sè h¹ng cña tr−êng nhiÖt, tr−êng giã, tr−êng Èm, ... cña m« h×nh. Tuy nhiªn, nh− ®· chØ ra trong ch−¬ng tr−íc, qu¸ tr×nh tham sè ho¸ nμy cã ®é tin cËy rÊt kem so víi nh÷ng mong muèn cña chóng ta vμ ®«i khi gÆp ph¶i nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ. Cã thÓ kÕt luËn r»ng sù t¸c ®éng vÒ nhiÖt ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu kh«ng thÓ quan tr¾c ®−îc vμ còng kh«ng thÓ tÝnh ®−îc mét c¸ch chÝnh x¸c. Ta chØ cã thÓ −íc l−îng qu¸ tr×nh ®èt nãng tõ tr−êng nhiÖt vμ tr−êng giã qui m« lín vμ sù biÕn ®æi cña chóng trong mét thêi gian dμi. Nh− ®· biÕt, c¸c tr−êng nμy cã thÓ ®−îc kiÓm tra mét c¸ch chÝnh x¸c b»ng m¹ng l−íi quan tr¾c nghiÖp vô. LÊy trung b×nh theo thêi gian ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc (1.12) ta ®−îc    .v         v.    (3.21) p p - 76 -
trong ®ã  biÓu thÞ sù biÕn ®æi cña  trong kho¶ng thêi gian trung b×nh . Khi  kh¸ lín th× sè h¹ng nμy sÏ nhá, ®Æc biÖt trong thêi kú mïa ®«ng vμ mïa hÌ. C¸c sè h¹ng thø hai vμ thø ba t−¬ng øng biÓu diÔn b×nh l−u ngang vμ b×nh l−u th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ do chuyÓn ®éng trung b×nh theo thêi gian. Sè h¹ng thø t− vμ thø n¨m biÓu diÔn ph©n kú th«ng l−îng rèi cña . TÊt c¶ c¸c sè h¹ng nμy ph¶i c©n b»ng víi l−îng nhiÖt ®èt nãng. Tõ ph−¬ng tr×nh (3.21) cã thÓ viÕt l¹i vÒ d¹ng biÓu thøc chÈn ®o¸n ®èi víi Q . TÝnh Q theo c¸ch nμy cÇn ph¶i bá qua c¸c sè h¹ng vËn chuyÓn kh¸c nhau víi bËc ®¹i l−îng t−¬ng ®−¬ng nh−ng cã dÊu biÕn ®æi. C¸ch tÝnh nμy cña Q ®−îc gäi lμ ph−¬ng ph¸p phÇn d−. L−u ý r»ng kh«ng thÓ ph©n biÖt gi÷a c¸c qu¸ tr×nh vËt lý kh¸c nhau g©y ra ®èt nãng mμ chØ x¸c ®Þnh ®−îc l−îng ®èt nãng thuÇn. Nã phô thuéc vμo møc ®é ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c tr−êng vËn tèc th¼ng ®øng. ViÖc nμy kh«ng ®¸ng tin cËy ®Æc biÖt ®èi víi miÒn nhiÖt ®íi vμ trong tÇng b×nh l−u. H×nh 3.7 MÆt c¾t th¼ng ®øng theo vÜ ®é-khÝ ¸p cña l−îng ®èt nãng trung b×nh vÜ h−íng theo thêi Q theo chuçi sè liÖu 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. §−êng ®¼ng gian trÞ lµ 0,2Kngµy-1, miÒn t« ®Ëm mang gi¸ trÞ d−¬ng. (a) mïa ®«ng (th¸ng 12-1-2); (b) mïa hÌ (th¸ng 6-7-8) - 77 -
Q  , tÝnh ®−îc  H×nh 3.7 biÓu diÔn l−îng ®èt nãng trung b×nh vÜ h−íng Q  p / p R   nhê sö dông ph−¬ng ph¸p phÇn d−. H×nh vÏ nμy dùa vμo chuçi sè liÖu ph©n tÝch 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (v× thùc tÕ viÖc ban ®Çu ho¸ ®Ó sau ®ã ®¸nh gi¸ vËn tèc th¼ng ®øng miÒn nhiÖt ®íi lμ rÊt khã kh¨n vμ do ®ã viÖc ®¸nh gi¸ ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi trong nh÷ng n¨m ®Çu cña ph©n tÝch vμ dù b¸o nghiÖp vô t¹i trung t©m nμy). M« h×nh tæng qu¸t trong tÇng ®èi l−u phï hîp vÒ mÆt ®Þnh tÝnh tr×nh bμy ë ®Çu ch−¬ng nμy. Bªn ngoμi miÒn nhiÖt ®íi tån t¹i qu¸ tr×nh ®èt nãng gÇn bÒ mÆt. Sù ®èt nãng nμy ®−îc quy ®Þnh bëi qu¸ tr×nh vËn chuyÓn nhiÖt rèi khái bÒ mÆt. C¸c khu vùc lμm l¹nh chñ yÕu g©y ra bëi sù ph¸t x¹ sãng dμi vμo kh«ng gian vò trô, chñ yÕu trong phÇn gi÷a vμ phÇn trªn tÇng ®èi l−u. Qu¸ tr×nh ®èt nãng nμy m¹nh vμ bao trïm toμn bé tÇng ®èi l−u ë miÒn nhiÖt ®íi. N¬i nμy xuÊt hiÖn ®èi l−u m©y tÝch s©u, gi¶i phãng Èn nhiÖt trong tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. C¸c d¶i ®èt nãng m¹nh víi møc ®é kh¸c nhau n»m ë miÒn «n ®íi. N¬i nμy tån t¹i c¸c hÖ thèng ¸p thÊp miÒn «n ®íi ho¹t ®éng m¹nh g©y m−a lín vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt. MÆt c¾t th¼ng ®øng trong mïa ®«ng vμ mïa hÌ cho thÊy chu tr×nh mïa cña sù ®èt nãng. Tèc ®é ®èt nãng cùc ®¹i ë miÒn nhiÖt ®íi x¶y ra vμo thêi kú mïa hÌ. §èt nãng ë miÒn «n ®íi x¶y ra trong thêi kú mïa ®«ng. Cùc ®¹i lín nhÊt ë kho¶ng 70oS vμo mïa hÌ lμ kh«ng cã thùc, ®©y lμ kÕt qu¶ cña viÖc ngo¹i suy tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt ë d−íi t¶ng b¨ng Nam Cùc. Tån t¹i mét sù kh¸c biÖt ®¸ng kÓ gi÷a tèc ®é ®èt nãng miÒn «n ®íi ë hai b¸n cÇu. Ta sÏ quay trë l¹i nghiªn cøu sù kh¸c biÖt nμy t¹i c¸c vÜ ®é xuÊt hiÖn ¸p thÊp ë mçi b¸n cÇu trong Ch−¬ng 5. Sù biÕn ®æi ®èt nãng theo khu vùc sÏ ®−îc lμm râ nÕu lÊy tÝch ph©n Q theo ®é cao. H×nh 3.8 biÓu diÔn ®¹i l−îng Q  g  1 ps (3.22) Qdp 0 V× ps/g lμ khèi l−îng trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña cét kh«ng khÝ tÝnh tõ mÆt ®Êt ®Õn v« cïng, Q cã thø nguyªn lμ Wm-2 vμ do ®ã cã thÓ so s¸nh trùc tiÕp víi l−îng ph¸t x¹ vμ th«ng l−îng bøc x¹ sãng dμi ®−îc ®Ò cËp trong phÇn ®Çu cña ch−¬ng. Vμo mïa ®«ng, ®èt nãng m¹nh nhÊt tËp trung ë khu vùc Indonesia. Thêi gian nμy xuÊt hiÖn mét cùc ®¹i rÊt lín trªn c¸c lôc ®Þa xÝch ®¹o ë khu vùc Ch©u Phi vμ Nam Mü. Hai khu vùc tËp trung b·o ë miÒn «n ®íi thÓ hiÖn c¸c cùc ®¹i ®èt nãng trªn Th¸i B×nh D−¬ng vμ §¹i T©y D−¬ng. Khu vùc lμm l¹nh m¹nh nhÊt gÇn víi thêi kú mïa ®«ng t¹i c¸c vïng cùc. Tèc ®é ®èt nãng hay lμm l¹nh cùc ®¹i nh×n chung kh«ng v−ît qu¸ 100Wm-2. Tuy nhiªn, cùc ®¹i ë vïng Indonesia cã thÓ ®¹t tíi 225Wm-2 trªn mét khu vùc nhá. Gi¸ trÞ nμy kh¸ nhá so víi gi¸ trÞ th«ng l−îng nhiÖt hÊp thô trung b×nh toμn cÇu lμ kho¶ng 240Wm-2, ®iÒu nμy cho thÊy mét phÇn ®¸ng kÓ cña th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi tíi ®· bÞ bÒ mÆt ph¸t x¹ trë l¹i mμ kh«ng dïng ®Ó ®èt nãng khÝ quyÓn. Vμo c¸c th¸ng 6, 7, 8, tèc ®é ®èt nãng cùc ®¹i xuÊt hiÖn ë phÝa b¾c xÝch ®¹o vμ c¸c cùc ®¹i liªn quan víi c¸c quü ®¹o dßng miÒn «n ®íi bÞ suy yÕu ®¸ng kÓ. §Æc ®iÓm næi bËt nhÊt lμ cùc ®¹i nμy gÇn víi cao nguyªn T©y T¹ng. §iÒu nμy cho thÊy mét l−îng Èn nhiÖt khæng lå gi¶i phãng khi giã mïa mïa hÌ Ch©u ¸ Èm −ít ¶nh h−ëng tíi tËn d·y Himalaya. - 78 -
H×nh 3.8 Gi¸ trÞ tÝch ph©n th¼ng ®øng cña ®èt nãng dùa trªn 6 n¨m sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o h¹n võa Ch©u ¢u. §−êng ®¼ng trÞ lµ 50Wm-2 víi vïng t« ®Ëm cã gi¸ trÞ d−¬ng. (a) mïa ®«ng (th¸ng 12-1-2); (b) mïa hÌ (th¸ng 6-7-8) 3.5 Bμi tËp 3.1 Sö dông b¶ng sè liÖu d−íi ®©y ®Ó ®¸nh gi¸ qui m« thêi gian c©n b»ng bøc x¹ cña Sao Kim, Tr¸i §Êt vμ Sao Ho¶. Trong tõng tr−êng hîp so s¸nh qui m« thêi gian nμy víi ngμy vμ n¨m mÆt trêi cña hμnh tinh ®ã. Tr¸i §Êt Sao Ho¶ Sao Kim ps 9MPa 1000hPa 700Pa S Wm-2 2550 1370 583  0,76 0,29 0,15 g ms-2 8,9 9,8 3,7 -1 -1 cp JK kg 567 1004 567 3.2 Qui m« thêi gian bøc x¹ cho tõ ph−¬ng tr×nh (3.11) ®−îc suy diÔn ®èi víi mét bÒ mÆt, bá qua gi¸ trÞ nhiÖt dung, nhiÖt ®é cña nã ®−îc thÝch øng ngay víi nh÷ng thay ®æi bøc x¹ tíi bÒ mÆt ®ã. NÕu mét bÒ mÆt cã gi¸ trÞ nhiÖt dung h÷u h¹n lμ Cg, viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn sù ph¸t triÓn cña nhiÔu ®èi víi nhiÖt ®é bÒ mÆt Tg vμ khÝ quyÓn Ta , x¸c ®Þnh sù biÕn ®æi cña nhiÔu nμy theo thêi gian. NÕu Cg lín h¬n nhiÒu so víi cpps/g  Ca, h·y chØ ra r»ng hai qui m« thêi gian t−¬ng øng víi qui m« thêi gian c©n b»ng cña bÒ mÆt vμ khÝ quyÓn ®Æc tr−ng cho sù biÕn ®æi nhiÖt ®é. - 79 -
3.3 Gi¶ thiÕt nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cña khÝ quyÓn lμ TE biÕn ®æi d¹ng h×nh sin víi chu kú s vμ biªn ®é TE. X¸c ®Þnh thêi gian gi÷a lóc gi¸ trÞ TE ®¹t cùc ®¹i víi gi¸ trÞ cùc ®¹i cña nhiÖt ®é kh«ng khÝ vμ x¸c ®Þnh biªn ®é dao ®éng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn. 3.4 Mét phÇn tö khÝ di chuyÓn tõ c¸c mùc thÊp ë miÒn nhiÖt ®íi lªn c¸c mùc cao h¬n ë miÒn cùc vμ ng−îc l¹i víi qui m« thêi gian lμ 120 ngμy. Gi¶ thiÕt qui m« thêi gian cña ma s¸t lμ 5 ngμy vμ tèc ®é giã ®Æc tr−ng lμ 15ms-1. Gi¶ thiÕt dßng ë mùc cao vμo kho¶ng 300hPa, c¸c qu¸ tr×nh th¨ng vμ gi¸ng lμ ®o¹n nhiÖt. Sö dông ®Þnh luËt thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc x¸c ®Þnh chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a miÒn cùc vμ miÒn xÝch  ®¹o. Xem mÆt c¾t th¼ng ®øng cña  (H×nh 4.2) ®Ó kiÓm tra vμ nhËn xÐt. - 80 -