Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 4

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hoàn lưu kinh hướng trung bình theo vĩ hướng 4.1 Quan trắc cơ bản Cấu trúc quy mô lớn của dòng khí khí quyển biến đổi nhanh nhất theo ph-ơng thẳng đứng và chậm nhất theo vĩ h-ớng. Vì vậy, việc lấy trung bình vĩ h-ớng cho thấy rõ tầm quan trọng của sự biến đổi theo ph-ơng kinh h-ớng và ph-ơng thẳng đứng, và là ph-ơng pháp hữu ích trong nghiên cứu hoàn l-u toàn cầu đ-ợc sử dụng trong nhiều năm qua. Tuy nhiên, theo nhiều tác giả, hoàn l-u toàn cầu đơn giản là mô hình chiếu trên mặt...

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 4

Ch−¬ng 4. hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh theo vÜ h−íng 4.1 Quan tr¾c c¬ b¶n CÊu tróc quy m« lín cña dßng khÝ khÝ quyÓn biÕn ®æi nhanh nhÊt theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ chËm nhÊt theo vÜ h−íng. V× vËy, viÖc lÊy trung b×nh vÜ h−íng cho thÊy râ tÇm quan träng cña sù biÕn ®æi theo ph−¬ng kinh h−íng vμ ph−¬ng th¼ng ®øng, vμ lμ ph−¬ng ph¸p h÷u Ých trong nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ®−îc sö dông trong nhiÒu n¨m qua. Tuy nhiªn, theo nhiÒu t¸c gi¶, hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n lμ m« h×nh chiÕu trªn mÆt ph¼ng kinh tuyÕn. Trong cuèn s¸ch nμy, ta sÏ xem xÐt réng h¬n b»ng c¸ch cè g¾ng tæng kÕt hiÓu biÕt hiÖn t¹i cña chóng ta. VÒ m« h×nh ®Çy ®ñ ba chiÒu cña giã vμ nhiÖt ®é trong khÝ quyÓn. Tuy nhiªn, quan ®iÓm vÒ dßng trung b×nh vÉn h÷u Ých ®Ó b¾t ®Çu tr×nh bμy vÊn ®Ò trong ch−¬ng nμy. u vµ vect¬ tèc ®é giã kinh h−íng. (a) Th¸ng 12,1,2; (b) Th¸ng 6,7,8 H×nh 4.1 Tèc ®é giã vÜ h−íng - 81 -
Giã vÜ h−íng trung b×nh vμ vÐct¬ giã kinh h−íng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.1, dùa theo sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Dßng th¨ng ë miÒn nhiÖt ®íi víi tèc ®é th¼ng ®øng cùc ®¹i ë b¸n cÇu mïa hÌ. Dßng gi¸ng m¹nh nhÊt ë kho¶ng vÜ ®é 25-30o trªn b¸n cÇu mïa ®«ng víi dßng h−íng vÒ xÝch ®¹o gÇn bÒ mÆt, vμ dßng ®i ra tõ miÒn nhiÖt ®íi ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u do tÝnh liªn tôc. Trôc ®èi xøng cña hoμn l−u nμy thÝch øng râ nhÊt cña dßng khÝ khÝ quyÓn ®èi víi sù d− thõa nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi vμ thiÕu hôt nhiÖt ë miÒn vÜ ®é cao ®· ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng tr−íc. Halley (1689) vμ Hadley (1735) ®Òu gi¶ thiÕt vÒ sù tån t¹i vßng hoμn l−u nãi trªn ®Ó tÝnh to¸n gi¶i thÝch tÝn phong thæi vÒ xÝch ®¹o t¹i bÒ mÆt. C«ng tr×nh nghiªn cøu cña hä cã ý nghÜa lÞch sö lín, ®ã lμ nh÷ng cè g¾ng ®Çu tiªn m« t¶ hoμn l−u toμn cÇu b»ng nh÷ng sè h¹ng cña m« h×nh vËt lý ®¬n gi¶n. H×nh 4.1 (tiÕp) (c) Tèc ®é giã trung b×nh n¨m lËp trªn c¬ së sè liÖu 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s t« ®Ëm. Mòi tªn ngang chØ tèc ®é kinh h−íng 3m/svµ mòi tªn theo chiÒu th¼ng ®øng chØ tèc ®é th¼ng ®øng 0,03Pa/s  M« h×nh giã vÜ h−íng trung b×nh u trªn H×nh 4.1 quan hÖ chÆt chÏ víi ph©n bè  cña nhiÖt ®é ®Þa thÕ vÞ  ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.2 víi c¸c ®−êng nh− trªn H×nh 4.1 nh−ng víi c¸c ®−êng ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ. C¸c m« h×nh cho th¸ng 12, th¸ng 1, th¸ng 2 vμ th¸ng 6, 7, 8 bæ sung ®Çy ®ñ cho c¸c m« h×nh trªn. C©n b»ng giã nhiÖt (ph−¬ng tr×nh 1.53) gÇn ®óng ®èi víi trung b×nh vÜ h−íng. Do ®ã, gradien ngang cña nhiÖt ®é lín cã liªn quan víi ®é lín cña tèc ®é giã theo chiÒu th¼ng ®øng ë hÇu kh¾p miÒn vÜ ®é trung b×nh, vμ vÜ ®é cao. ë miÒn nhiÖt ®íi gradien ngang cña nhiÖt ®é nhá, do f cã xu thÕ tiÕn dÇn tíi 0, giã kh«ng ®−îc x¸c ®Þnh bëi quan hÖ giã nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi. §èi chiÕu H×nh 4.1 vμ 4.2 ta thÊy hoμn l−u Hadley th¨ng lªn ë vïng vÜ ®é thÊp n¬i cã nhiÖt ®é lín nhÊt vμ gi¸ng xuèng ë vïng cã nhiÖt ®é nhá h¬n. Tõ ch−¬ng ba ta thÊy hoμn l−u sinh ra ®éng n¨ng, ®−îc gäi lμ "hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp". Hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp còng thÊy ë c¸c vÜ ®é cao, ®Æc biÖt vμo mïa ®«ng ë miÒn vÜ ®é trung b×nh Nam B¸n CÇu. Hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh lμ hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp. Hoμn l−u nhiÖt ®èi xøng trùc tiÕp kh«ng tån t¹i ë miÒn vÜ ®é trung b×nh, ë ®©y nã ®−îc thay thÕ b»ng mét hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp ®−îc gäi lμ vßng hoμn l−u Ferrel. §Æc ®iÓm nhiÖt ®éng lùc cña hoμn l−u nμy ®Æc tr−ng bëi dßng gi¸ng ë khu vùc nãng vμ dßng th¨ng ë khu vùc l¹nh h¬n, ®Æc tr−ng cho sù tiªu t¸n cña ®éng n¨ng. Hoμn l−u - 82 -
nμy bÞ t¸c ®éng bëi mét sè nguyªn nh©n h×nh thμnh d¹ng c¬ häc. KÕt qu¶ nghiªn cøu ®· ®−îc c¸c t¸c gi¶ Victor Starr vμ c¸c céng sù cña «ng ë MIT tiÕn hμnh vμo n¨m 1940 vμ 1950 cho thÊy vai trß ®¸ng kÓ cña c¸c xo¸y miÒn «n ®íi trong viÖc ®iÒu khiÓn hoμn l−u. u  vµ  . (a) Th¸ng 12,1,2 (b) Th¸ng 6,7,8 lËp trªn c¬ së sè liÖu cña H×nh 4.2 §−êng ®¼ng tèc cña ECMWF. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc nh− trªn H×nh 4.1. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng  lµ 5K H¹n chÕ cña hoμn l−u Hadley trong miÒn nhiÖt ®íi liªn quan víi chuyÓn ®éng quay cña Tr¸i §Êt. ChuyÓn ®éng tùa ®èi xøng cã xu thÕ b¶o toμn m«men ®éng l−îng, kÕt qu¶ lμ g©y nªn giã vÜ h−íng m¹nh mét c¸ch dÞ th−êng ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u h−íng vÒ cùc tõ 20o vÜ hay lín h¬n. ViÖc x¸c ®Þnh m«men ®éng l−îng riªng cña dßng khÝ t¹i vÜ ®é  lμ (  a cos  + [u]) a cos  . Sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng ®èi víihoμn l−u n¬i tèc ®é giã vÜ h−íng b»ng 0 t¹i xÝch ®¹o cho thÊy giã vÜ h−íng t¹i c¸c vÜ ®é kh¸c ®−îc tÝnh theo c«ng thøc u   a sin 2  / cos  (4.1) Theo c«ng thøc nμy ta tÝnh ®−îc giã ë 200 lμ 56m/s vμ 127m/s ë vÜ ®é 300 . Tuy nhiªn, to¸n ®å cho thÊy lμ trong khi b¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng m« t¶ ®−îc giã vÜ h−íng ë c¸c vÜ ®é trung b×nh vμ vÜ ®é cao th× giã ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u miÒn nhiÖt ®íi vμ cËn nhiÖt ®íi biÕn ®æi theo kiÓu nh− ph−¬ng tr×nh 4.1 m« t¶. Giã t¨ng lªn xÊp xØ - 83 -
hμm bËc hai tõ xÝch ®¹o, víi tèc ®é cùc ®¹i 35-40m/s ë dßng xiÕt cËn nhiÖt ®íi. Thùc tÕ lμ giã ë dßng xiÕt cËn nhiÖt cã liªn quan víi giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña nh¸nh trªn cao trong vßng hoμn l−u Hadley. §iÒu ®ã cho thÊy r»ng vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ lμ m« h×nh ho¸ th« cña sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng trong vßng hoμn l−u ®èi xøng. Tr−íc khi m« t¶ mét m« h×nh ®¬n gi¶n cña hoμn l−u Hadley dùa trªn nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n ®ã, ta cÇn ph¶i thÊy r»ng m« h×nh hoμn l−u Hadley/Halley ®¬n gi¶n b©y giê thÊy gÇn thùc tÕ h¬n lμ s¬ ®å biÓu diÔn trªn H×nh 4.1. Sè liÖu sö dông cho s¬ ®å ®· ®−îc lÊy trung b×nh theo hμm Euler, ®ã lμ chuçi thêi gian cña giã ë vÜ ®é vμ mùc nhÊt ®Þnh ®−îc tæng hîp ®Ó tÝnh ®−îc giã trung b×nh mïa. Nh−ng ta sÏ cã mét bøc tranh rÊt kh¸c biÖt nÕu lÊy trung b×nh theo ph−¬ng ph¸p Lagrangian b»ng c¸ch lÊy trung b×nh tèc ®é cña c¸c ph©n tö khÝ khi chóng chuyÓn ®éng vßng trong khÝ quyÓn. ViÖc lÊy trung b×nh nμy rÊt khã thùc hiÖn do sè liÖu kh«ng ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, cã thÓ thùc hiÖn lÊy trung b×nh xÊp xØ Lagrangian. VÝ dô, Johnson ®· ph©n tÝch sè liÖu giã bÒ mÆt theo nhiÖt ®é thÕ vÞ tr−íc khi tiÕn hμnh lÊy trung b×nh theo thêi gian vμ theo vÜ ®é. V× vËy, nhiÖt ®é thÕ vÞ nãi chung b¶o toμn trong c¸c ph©n tö chÊt láng theo quy m« thêi gian nhá h¬n 5 ngμy. ViÖc lÊy trung b×nh ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ nμy ®èi víi c¸c ph©n tö khÝ trong kho¶ng thêi gian ng¾n. §Æc biÖt, cã thÓ theo dâi c¸c ph©n tö khÝ xuyªn qua hÖ thèng ¸p thÊp ë vÜ ®é trung b×nh. Trªn H×nh 4.3 lμ kÕt qu¶ ph©n tÝch thÓ hiÖn râ hμm dßng theo h−íng kinh tuyÕn ®èi víi thêi kú thùc hiÖn trong FGGE sö dông c¸ch tÝnh trung b×nh Euler truyÒn thèng víi kÕt qu¶ ph©n tÝch t−¬ng tù trªn mÆt . H×nh 4.3 Sù ®èi lËp cña hµm dßng khèi l−îng theo chiÒu kinh h−íng th¸ng 1-1979 (a) Dïng ph−¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh tùa Lagrange trªn mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ vµ (b) Dïng ph−¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh Euler trªn mÆt ®¼ng ¸p (Townsend, Johnson, 1985) - 84 -
NÕu lÊy quy m« cña to¹ ®é th¼ng ®øng th× m« h×nh miÒn «n ®íi trong c¶ hai tr−êng hîp kh«ng gièng nhau. ë miÒn «n ®íi n¬i tËp trung c¸c hÖ thèng ¸p thÊp dÞch chuyÓn, chóng kh¸c biÖt hoμn toμn. Vßng hoμn l−u Ferrel kh«ng cã trªn c¸c s¬ ®å ®¼ng entropi, c¸c ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng tõ miÒn nhiÖt ®íi vÒ miÒn cùc theo hoμn l−u trùc tiÕp nhiÖt ®éng lùc. B¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng ®−îc thùc hiÖn thËm chÝ lμ gÇn ®óng ®èi víi hoμn l−u nμy t¹i c¸c vÜ ®é cao. Nguyªn nh©n lμ do gradien khÝ ¸p vÜ h−íng ®Þa ph−¬ng cã liªn quan víi sù vËn chuyÓn theo chiÒu kinh h−íng ë miÒn «n ®íi v−ît qu¸ chuyÓn ®éng quay theo chiÒu vÜ h−íng cña khÝ quyÓn. Nh−ng ®iÒu ®ã kh«ng x¶y ra do tr−êng giã vÜ h−íng cã liªn quan víi hoμn l−u phi ®o¹n nhiÖt g©y ra nhiÔu ®éng dÞch chuyÓn kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn ®Çy ®ñ. Nh÷ng hiÖu øng cña c¸c xo¸y ®èi víi dßng vÜ h−íng sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 4.4. Nguån gèc cña c¸c xo¸y nμy lμ tiªu ®Ò chÝnh cña Ch−¬ng 5 vμ Ch−¬ng 6. 4.2 M« h×nh Held-Hou cña hoμn l−u Hadley M« h×nh vßng hoμn l−u Hadley ®¬n gi¶n nhÊt vμ thÓ hiÖn râ c¬ chÕ vËt lý nhÊt lμ m« h×nh cña Held vμ Hou c«ng bè n¨m 1980. M« h×nh sö dông nh÷ng nguyªn lý c©n b»ng m«men ®éng l−îng vμ c©n b»ng giã nhiÖt ®èi víi ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng ®Ó dù b¸o sù më réng theo h−íng vÜ tuyÕn vμ sù t¨ng c−êng cña vßng hoμn l−u Hadley. H×nh 4.4 minh ho¹ vÒ m« h×nh nμy. H×nh 4.4 Minh ho¹ s¬ ®å cña m« h×nh Held-Hou M« h×nh gåm hai mùc cña tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. Dßng khÝ h−íng vÒ xÝch ®¹o t¹i bÒ mÆt, n¬i mμ ma s¸t bÒ mÆt lμm gi¶m tèc ®é giã trung b×nh vÜ h−íng, sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng ®¸ng kÓ. Dßng h−íng cùc xuÊt hiÖn ë ®é cao H. CÊu tróc nhiÖt ®−îc m« t¶ b»ng nhiÖt ®é thÕ vÞ  ë mùc gi÷a H/2. Dßng ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sù lμm l¹nh Newt¬n theo sù ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹  E(  ) ®èi víi quy m« thêi gian  E. §ã lμ ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc ®−îc viÕt nh− sau D  E     (4.2) E Dt - 85 -
 E ®−îc tÝnh theo biÓu thøc  E    0 P2 sin  2 (4.3) 3 trong ®ã P2 (sin  ) = ( 3 sin2  -1)/2 lμ ®a thøc Lagendre bËc hai.  lμ nhiÖt ®é thÕ vÞ c©n b»ng bøc x¹ trung b×nh toμn cÇu.  lμ sù kh¸c biÖt nhiÖt ®é c©n b»ng gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o. Sù ph©n bè ®ã ®−îc lμm tr¬n vμ coi lμ liªn tôc vμ gi÷ ®−îc ®Æc tÝnh ®èi xøng quan  träng ®ã lμ = 0 t¹i cùc vμ t¹i xÝch ®¹o. Thùc tÕ lμ d¹ng cÇu lμ mét nh©n tè lμm phøc  t¹p ho¸ ph©n tÝch vμ kh«ng ®−a vμo m« h×nh mét nguyªn lý vËt lý míi. Gi¶ thiÕt y y   lμ nhá ®Ó cho sin  cã thÓ ®−îc tÝnh bëi sin   ph−¬ng tr×nh 4.3 trë thμnh a a  2  E     E 0  (4.4) y a2 Ph©n bè nhiÖt thùc tÕ kh¸c víi ph©n bè c©n b»ng bøc x¹ víi b×nh l−u do chuyÓn ®éng kh«ng khÝ c©n b»ng víi xu thÕ phi ®o¹n nhiÖt ®−îc cho bëi ph−¬ng tr×nh 4.2. Thùc chÊt m« h×nh Held-Hou ®−îc dïng ®Ó dù b¸o nhiÖt ®é thùc tÕ tõ b¶o toμn c©n b»ng m«men ®éng l−îng. Gi¶ thiÕt giã ë mùc trªn cao theo ph−¬ng tr×nh 4.1, ë nh÷ng vÜ ®é thÊp tÝnh theo c«ng thøc y 2 UM  (4.5) a ChØ sè d−íi M cho biÕt ®©y lμ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ b¶o toμn m«men ®éng l−îng. Giã vÜ h−íng ë mùc thÊp b»ng kh«ng do ma s¸t g©y nªn. u U M y 2   (4.6) z H aH Nh−ng ®é ®øt giã th¼ng ®øng liªn hÖ víi gradien ngang cña nhiÖt ®é theo quan hÖ giã nhiÖt. Víi gi¶ thiÕt lμ dßng ®èi xøng dõng vμ c©n b»ng tÜnh häc. C©n b»ng giã nhiÖt ph¶i tho¶ m·n ngay c¶ ®èi víi miÒn vÜ ®é thÊp (xem ph−¬ng tr×nh (1.53)). Dïng chiÒu cao lμm to¹ ®é th¼ng ®øng, ph−¬ng tr×nh cã thÓ viÕt d−íi d¹ng u g  2 sin   (4.7) z  0 y u Thay tõ ph−¬ng tr×nh (4.6) ta cã z 2 2     2 0 y3 (4.8) y a gH LÊy tÝch ph©n biÓu thøc nμy ta nhËn ®−îc ph©n bè nhiÖt ®é thÕ vÞ thùc tho¶ m·n m« h×nh giã vÜ h−íng  20  M   M0  y4 (4.9) 2a 2 gH - 86 -
H¬n n÷a, chØ sè d−íi M cho thÊy r»ng tr−êng nhiÖt ®é thÕ vÞ nhËn ®−îc tõ viÖc sö dông tÝnh b¶o toμn m«men quay. Trong ®ã  M0 lμ h»ng sè tÝch ph©n cÇn ®−îc x¸c ®Þnh nÕu biÓu diÔn nhiÖt ®é xÝch ®¹o vμ ta dù ®o¸n tr−íc lμ sù vËn chuyÓn nhiÖt do vßng hoμn l−u Hadley lμm cho nhiÖt ®é xÝch ®¹o nhá h¬n  E0. Ph©n bè cña  E vμ  M ®−îc so s¸nh trªn H×nh 4.5. H×nh 4.5 Minh ho¹ sù phô thuéc hµm víi kho¶ng c¸ch tíi cùc ®èi víi m« h×nh Held-Hou. Ph¶i ®−îc chän sao cho diÖn tÝch gi÷a hai ®−êng cong ph¶i b»ng nhau, nghÜa lµ kh«ng cã sù ®èt nãng thuÇn cña phÇn tö khÝ Profile nhiÖt ®é ph¼ng h¬n profile c©n b»ng bøc x¹ ë khu gÇn tíi xÝch ®¹o. ë vÜ ®é cao, nã gi¶m nhanh h¬n. Tõ h×nh vÏ ta thÊy r»ng ë ®©y cã sù ®èt nãng trong khu vùc tõ xÝch ®¹o ®Õn ®iÓm c¾t thø nhÊt, sù lμm l¹nh trong khu vùc tõ ®iÓm c¾t thø nhÊt tíi ®iÓm c¾t thø hai. ë nh÷ng vÜ ®é cao l¹i cã sù ®èt nãng, ®iÒu nμy lμ kh«ng thÓ cã ®−îc vÒ mÆt ®éng lùc häc vμ cã thÓ kÕt luËn lμ chuyÓn ®éng h−íng cùc b¾t ®Çu tõ ®iÓm c¾t thø hai, ®iÓm c¾t thø hai lμ giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley, vÜ ®é cña nã biÓu diÔn lμ Y. ë vÜ ®é cao h¬n    E trong m« h×nh ®èi xøng nμy. VÜ ®é giíi h¹n cña nh¸nh vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Y ®−îc x¸c ®Þnh bëi gi¸ trÞ  M0 ®−îc chän sao cho ë ®©y kh«ng cã sù ®èt nãng cña ph©n tö khÝ tham gia hoμn l−u, do ®ã, (tõ ph−¬ng tr×nh 4.2) Y Y    M dy   E dy 0 0 hoÆc  20  2  M0  Y 4   E0  (4.10) Y 2 3a 2 10a gH víi gi¶ thiÕt  E kh«ng biÕn ®æi theo vÜ ®é, h¬n n÷a  E =  M t¹i y = Y ta cã ph−¬ng tr×nh thø hai cho Y vμ  M0  20  2  M0  Y 4   E0  (4.11) Y 2 a2 2a gH - 87 -
Hai ph−¬ng tr×nh ®ã cã hai biÕn ch−a biÕt lμ Y vμ  M0 . Cã thÓ thÊy tr−íc lμ lêi gi¶i c¸c biÕn nμy cã d¹ng lμ 1/ 2  5gH  Y  (4.12)  3 2    0 vμ 5 2 gH  E0   M0  (4.13) 18a 2  2  0 NÕu chän  0 = 255 K vμ  = 40K (gi¸ trÞ quan tr¾c th−êng thÊy) ta tÝnh ®−îc Y = 2200km vμ E 0 -  M0 = 0,8K. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy −íc l−îng chiÒu ngang cña vßng hoμn l−u Hadley Ýt nhÊt phï hîp víi thùc tÕ quan tr¾c, tuy nhiªn h¬i nhá h¬n so víi gi¸ trÞ nμy. M« h×nh còng ®−a ra mét bøc tranh vÒ mèi quan hÖ gi÷a giã vÜ h−íng ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u víi vßng hoμn l−u Hadley. Víi y  Y, giã vÜ h−íng ë mùc trªn ®¬n gi¶n b»ng UM tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.5. Víi y > Y nhiÖt ®é b»ng nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ vμ giã vÜ h−íng cã thÓ ®−îc tÝnh tõ c©n b»ng giã nhiÖt nhê sö dông  E, giã nμy ký hiÖu gH lμ UE vμ khi vÜ ®é nhá nã ®−îc coi lμ kh«ng ®æi vμ b»ng . Cã sù gi¸n ®o¹n cña giã a vÜ h−íng t¹i y = Y. KÕt qu¶ dù ®o¸n cã c¶ yÕu tè phï hîp thùc tÕ vμ kh«ng phï hîp víi thùc tÕ. §iÒu ®ã cho thÊy tån t¹i dßng xiÕt cËn nhiÖt ë giíi h¹n cùc cña vßng hoμn l−u Hadley. Thùc vËy, H×nh 4.1 cho thÊy cã tån t¹i dßng xiÕt nμy. Nh−ng sù gi¸n ®o¹n vÒ tèc ®é giã ë r×a cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng quan tr¾c ®−îc v× nã rÊt bÊt æn ®Þnh. Sù kh¸c nhau gi÷a  M 0 (nhiÖt ®é xÝch ®¹o thùc) vμ  E 0 (nhiÖt ®é xÝch ®¹o c©n b»ng bøc x¹) cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dßng kinh h−íng liªn quan víi hoμn l−u Hadley. T¹i xÝch ®¹o do tÝnh ®èi xøng ta sÏ cã c©n b»ng gi÷a biÕn ®æi b×nh l−u theo chiÒu th¼ng ®øng vμ sù ®èt nãng nªn   E 0   M 0  w z E g  E0   M0 w (4.14) E 0 N 2 trong ®ã N lμ tÇn sè Brunt-Vaisala cña khÝ quyÓn. Chän  E = 15 ngμy vμ gi¶ thiÕt N = 10-2 /s th× W = 0,24 mm/s. Do tÝnh liªn tôc, tèc ®é giã ngang ®Æc biÖt ë phÇn cËn nhiÖt cña vßng hoμn l−u Hadley Y v~ w (4.15) H Víi c¸c tham sè trªn th× v = 0,5 cm/s. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy giã kinh h−íng quan tr¾c ®−îc trong vßng hoμn l−u Hadley kho¶ng 1m/s. V× vËy, ta cã thÓ nãi r»ng m« h×nh ®· x¸c ®Þnh hîp lý h×nh d¹ng cña hoμn l−u Hadley, nh−ng c−êng ®é ®−îc x¸c ®Þnh theo m« h×nh lμ nhá. Tuy nhiªn lý thuyÕt Held-Hou cã thÓ tèt h¬n nh÷ng gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n nμy. Ta ®· xem xÐt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m ®èi xøng qua xÝch ®¹o. Nh−ng ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi kh«ng ®èi xøng qua xÝch ®¹o trong h¹ chÝ vμ - 88 -
®«ng chÝ, víi cùc ®¹i ®èt nãng ë b¸n cÇu mïa hÌ. Ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cã d¹ng    NS  E    0  sin    EP 3 sin 2   1 (4.16) 2 trong ®ã  EP lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o.  NS lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc mïa hÌ vμ cùc mïa ®«ng. Khi ®ã, dßng th¨ng kh«ng cßn ë ngay trªn xÝch ®¹o. V× vËy, b¶o toμn m«men ®éng l−îng dÉn tíi sù h×nh thμnh giã ®«ng trªn cao ë xÝch ®¹o (do c©n b»ng giã nhiÖt) vμ cùc ®¹i  M lÖch khái xÝch ®¹o tíi vÜ ®é cã dßng ®i lªn cùc ®¹i. H×nh 4.6 minh ho¹ d¹ng cña ®−êng  M vμ  E trong tr−êng hîp phi ®èi xøng. s ,  N ,  D H×nh 4.6 M« h×nh Held- Hou ®èi víi tr−êng hîp ®èt nãng cùc ®¹i kÓ tõ xÝch ®¹o. VÜ ®é  MO t¹i xÝch ®¹o cÇn ®−îc x¸c ®Þnh còng nh− nhiÖt ®é Phi ®èi xøng nghÜa lμ sù t¨ng lªn cùc ®¹i kh«ng liªn quan víi vÜ ®é n¬i cã nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i hay liªn quan víi ®−êng chia vßng hoμn l−u B¾c B¸n CÇu vμ Nam B¸n CÇu. KÕt qu¶ lμ ta cã mét hÖ thèng phøc t¹p h¬n víi 4 th«ng sè ch−a biÕt chóng ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn trong ph−¬ng tr×nh 4.12 vμ 4.13. KÕt qu¶ tÝnh to¸n cña m« h×nh phi ®èi xøng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.7. Vßng hoμn l−u nhanh chãng trë thμnh phi ®èi xøng khi cùc ®¹i c©n b»ng bøc x¹ lÖch khái xÝch ®¹o, víi mét vßng hoμn l−u nhá ë b¸n cÇu mïa hÌ vμ mét vßng hoμn l−u m¹nh h¬n víi dßng th¨ng ë b¸n cÇu mïa hÌ, dßng gi¸ng ë b¸n cÇu mïa ®«ng. Dßng khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi hai vßng hoμn l−u tû lÖ thuËn víi khu vùc n»m gi÷a ®−êng cong  M vμ  E trªn H×nh 4.5. Kh¸c nhiÒu so víi m« h×nh ®èt nãng phi ®èi xøng vμ ta sÏ gi¶ thiÕt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m chiÕm −u thÕ bëi hai vßng hoμn l−u mïa ®«ng. NÕu gi¶ thiÕt nμy lμ ®óng −íc tÝnh Y sÏ t¨ng, w vμ v sÏ t¨ng víi ®¹i l−îng lμm cho nã lín h¬n so víi ®−êng vÏ theo kÕt qu¶ quan tr¾c. - 89 -
Log10 ( Dßng khèi l−îng chuÈn ho¸) Log10 ( Dßng khèi l−îng chuÈn ho¸) Vßng hoµn l−u mïa ®«ng Vßng hoµn l−u mïa hÌ H×nh 4.7 KÕt qu¶ tÝnh ®èi víi vßng hoµn l−u Hadley bÊt ®èi xøng víi gi¶ thiÕt c¸c th«ng sè nh− trªn: (a) biÕn  s ,  N ,  D nh− hµm cña  o , vÜ ®é cña d¶i cã nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i (b) biÕn cña o dßng khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi vßng hoµn l−u mïa ®«ng vµ mïa hÌ nh− hµm cña Mét nguyªn lý quan träng ®· ®−îc minh ho¹ b»ng nh÷ng tÝnh to¸n ®ã. C−êng ®é vμ ®Æc tr−ng cña c¸c vßng hoμn l−u hoμn l−u chÞu ¶nh h−ëng cña hμm phi tuyÕn cao lμm biÕn ®æi vÜ ®é cã ®èt nãng cùc ®¹i. KÕt qu¶ lμ hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m rÊt kh¸c so víi khi thÝch øng víi t¸c ®éng trung b×nh n¨m mμ ta sÏ dù ®o¸n. D−íi d¹ng kh¸c nhau, vÊn ®Ò vÒ tÝnh trung b×nh phi tuyÕn lμ mét khã kh¨n lín nhÊt trong viÖc tham sè ho¸ nhiÒu qu¸ tr×nh t¸c ®éng phi ®o¹n nhiÖt trong khÝ quyÓn. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ cÇn ch¹y m« h×nh hoμn l−u chung phøc t¹p thËm chÝ nÕu chØ quan t©m ®Õn chØ mét trong hai hoμn l−u trung b×nh n¨m vμ theo vÜ h−íng. - 90 -
4.3 M« h×nh hoμn l−u Hadley thùc tÕ h¬n Cã hai ®iÒu ch−a tÝnh ®Õn trong c¸c phÇn tr−íc. Thø nhÊt lμ kh«ng tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t ®Õn phÇn trªn cña khÝ quyÓn. V× quy m« thêi gian cña m« h×nh dù b¸o vßng hoμn l−u Hadley lμ quy m« thêi gian bøc x¹ lín, ngay c¶ sù t¸n x¹ rÊt yÕu còng cã thÓ lμm dßng khÝ biÕn d¹ng. Thø hai lμ ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt gi¶i phãng do ng−ng kÕt h¬i n−íc bÞ bá qua. Thùc tÕ, Èn nhiÖt chiÕm −u thÕ trong sù ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi. V× vËy, kh«ng thÓ nãi lμ viÖc sö dông c¸c m« h×nh nμy lμ kh«ng thùc tÕ. Môc tiªu cña c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ së khoa häc lμ t¸ch biÖt ®−îc nh÷ng c¬ chÕ quan träng khái c¬ chÕ phô. KÕt hîp toμn bé lμ kh«ng thÓ ®−îc trong c¸c m« h×nh nh−ng ph¶i tÝnh ®−îc hÕt c¸c nh©n tè. M« h×nh Held-Hou −u viÖt vμ do kh«ng ph¶i nã bá qua c¸c sù ¶nh h−ëng mμ v× ngay c¶ víi gi¶ thiÕt tèi thiÓu m« h×nh vÉn thÓ hiÖn ®−îc nhiÒu cÊu tróc quan s¸t ®−îc cña vßng hoμn l−u kinh h−íng vμ tr−êng giã vÜ h−íng. Tuy nhiªn trong phÇn nμy, cÇn xem xÐt møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè biÕn ®æi phøc t¹p ®ã. Ta sÏ xem xÐt ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t sö dông mét ph−¬ng ¸n cña m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n ®· giíi thiÖu trong môc 2.4. §©y lμ tr−êng hîp bÊt ®èi xøng trong ®ã sù biÕn ®æi vßng hoμn l−u theo h−íng kinh tuyÕn ®−îc bá qua. D¹ng phøc t¹p h¬n cña lùc ma s¸t ®−îc sö dông, ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng cã d¹ng u 2u  NM  LM  K (4.17) t z  2 trong ®ã LM vμ NM lμ thμnh phÇn ®éng l−îng tuyÕn tÝnh vμ phi tuyÕn. K lμ mét h»ng sè cña hÖ sè khuÕch t¸n th¼ng ®øng. Sè h¹ng khuyÕch t¸n vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh lμ tham sè th« cña vËn chuyÓn rèi ®èi víi m«men ®éng h−îng trong líp biªn hμnh tinh. §«i khi ®−îc gäi lμ mét hÖ sè nhít rèi. Do ¶nh h−ëng cña sè h¹ng khuyÕch t¸n lμ ®Ó ®−a ra líp biªn Ekman cæ ®iÓn vμo trong dßng khÝ, trong ®ã ®é dÇy cña líp biªn ®−îc tÝnh bëi 1/ 2  2K  D  (4.18) f CÇn nhí ®é dÇy cña líp biªn hμnh tinh ë vÜ ®é trung b×nh dμy kho¶ng mét km, nã kÐo theo gi¸ trÞ hîp lý cña K lμ 10-2 m2/s. Líp biªn Ekman g©y ra mét vßng hoμn l−u thø hai, lμm tiªu tan xo¸y trong chÊt khÝ phÝa trªn líp biªn bëi sù kÐo d·n hoÆc co l¹i cña c¸c èng xo¸y. H×nh 4.8 minh ho¹ ®iÒu ®ã. Quy m« thêi gian ®Æc tr−ng cho sù d·n yÕu nμy lμ 1/ 2  2H 2  D    (4.19)  fK    - 91 -
H×nh 4.8 Sù tiªu t¸n cña xo¸y do ma s¸t cña líp biªn Ekman Kho¶ng vμi ngμy ë vÜ ®é trung b×nh. Theo xu thÕ ®ã, nÕu quy m« thêi gian cña vßng hoμn l−u Hadley dμi h¬n quy m« thêi gian d·n yÕu, ®é ®øt giã kinh h−íng m¹nh ph¸t triÓn ë gÇn dßng xiÕt cËn nhiÖt trong m« h×nh Held-Hou sÏ ®−îc ®iÒu chØnh bëi sù cã mÆt cña líp biªn vÜ ®é trung b×nh. H×nh 4.9 Vßng hoµn l−u Hadley vµ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ m« h×nh hoµn l−u toµn cÇu bÊt ®èi xøng ®¬n gi¶n. (a) (b) lµ tr−êng hîp víi  E ®èi xøng qua xÝch ®¹o; (c) vµ (d) lµ tr−êng hîp  E cùc ®¹i n»m ë 10oN - 92 -
H×nh 4.9 (tiÕp) (c) (d) Hµm dßng khèi l−îng víi kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng lµ 5 x 109 kg s-1 Trong khi ®èi víi giã vÜ h−íng víi kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, khu vùc t« rÊt ®Ëm lµ n¬i dßng th¨ng cã tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s KÕt qu¶ cña hai phÐp tÝch ph©n trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n víi sè h¹ng ma s¸t nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.10. ITCZ TÇng ®èi l-u Giã tÝn phong Giã tÝn phong H×nh 4.10 S¬ ®å m« t¶ ITCZ vµ vßng hoµn l−u Hadley M« h×nh ®Çu cã  E ®èi xøng qua xÝch ®¹o, t−¬ng tù nh− m« h×nh Held-Hou ®¬n gi¶n nhÊt. Mét vßng hoμn l−u Hadley yÕu më réng vÒ phÝa cËn nhiÖt, cïng víi dßng xiÕt cËn nhiÖt. Tèc ®é giã vÜ h−íng nhá h¬n nhiÒu so víi kÕt qu¶ dù b¸o b»ng m« h×nh kh«ng ma s¸t vμ kh«ng cã sù gi¸n ®o¹n cña giã liªn quan víi r×a cña vßng hoμn l−u Hadley. H¬n n÷a, vßng hoμn l−u Hadley kh«ng cã biªn s¾c nÐt vÒ phÝa cùc, mÆc dï nã ®· trë nªn rÊt yÕu ë vÜ ®é cao. Quy m« cña vßng hoμn l−u Hadley rÊt lín so víi quy m« - 93 -
dù b¸o cña m« h×nh Held-Hou. Giã vÜ h−íng th−êng yÕu h¬n. PhÐp tÝch ph©n thø hai lμ cho ®iÒu kiÖn víi h¹n chÕ gradien nhiÖt ®é ë vÜ ®é trung b×nh cña b¸n cÇu mïa ®«ng b»ng gÇn hai lÇn so víi b¸n cÇu mïa hÌ. Cùc ®¹i cña  E ë 60N. Sù bÊt ®èi xøng gi÷a vßng hoμn l−u Hadley mïa ®«ng vμ vßng hoμn l−u Hadley mïa hÌ rÊt râ tuy kh«ng thÓ hiÖn trªn H×nh 4.7. Vßng hoμn l−u mïa hÌ chØ cã mét dßng xiÕt cËn nhiÖt yÕu ë r×a phÝa cùc cña vßng hoμn l−u, tån t¹i víi ¶nh h−ëng sù thèng trÞ cña lùc ma s¸t ®èi víi mét dßng chuyÓn ®éng vßng chËm. Vßng hoμn l−u mïa ®«ng m¹nh h¬n, t−¬ng øng víi nã lμ dßng xiÕt còng m¹nh h¬n, mÆc dï kh«ng m¹nh b»ng tr−êng hîp dßng ch¶y ®−îc xem lμ b¶o toμn m«men ®éng l−îng, vμ nã ®−îc thÓ hiÖn ë dÊu hiÖu ®é ®øt rÊt s¾c nÐt ë s−ên h−íng cùc cña vßng hoμn l−u. Khi chóng ta xem xÐt nh÷ng ch−¬ng tiÕp sau ta sÏ thÊy dßng khÝ nμy rÊt bÊt æn ®Þnh nÕu gi¶ thiÕt ®iÒu kiÖn bÊt ®èi xøng ®−îc tho¶ m·n. KÕt qu¶ dßng xo¸y nhiÖt vμ m«men ®éng l−îng sÏ nhanh chãng lμm biÕn d¹ng profile dßng xiÕt vμ ®−a nã vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh h¬n. B©y giê ta h·y xem xÐt ¶nh h−ëng cña ®é Èm. ¶nh m©y vÖ tinh cho thÊy c¸c vßng Hadley ë mçi b¸n cÇu bÞ t¸ch biÖt bëi mét d¶i m©y vò tÝch Cb. D¶i m©y nμy h×nh thμnh ë trªn d¶i héi tô, n¬i giã tÝn phong mùc thÊp cña hai b¸n cÇu gÆp nhau vμ th−êng ®−îc gäi lμ d¶i héi tô nhiÖt ®íi (ITCZ). H×nh 4.10 biÓu diÔn s¬ ®å vÒ sù h×nh thμnh cña ITCZ vμ mèi quan hÖ cña nã víi vßng hoμn l−u Hadley. Kh«ng khÝ gi¸ng xuèng ë r×a phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley ®¹t tíi tËn líp biªn víi ®é Èm t−¬ng ®èi thÊp nhÊt. Kh«ng khÝ chuyÓn ®éng h−íng vÒ xÝch ®¹o trong dßng ch¶y mùc thÊp, mang theo nhiÖt vμ Èm tõ bÒ mÆt bªn d−íi khi nã chuyÓn ®éng. Khi kh«ng khÝ gÆp kh«ng khÝ tõ b¸n cÇu ®èi diÖn nã ®−îc ®Èy lªn cao. Khi th¨ng lªn kh«ng khÝ nhanh chãng trë thμnh kh«ng khÝ b·o hßa trong ®ã x¶y ra ng−ng kÕt vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt. L−îng Èn nhiÖt gi¶i phãng ®−îc c©n b»ng bëi dßng th¨ng vμ do ®ã ITCZ ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®èi l−u s©u xuyªn qua tÇng ®èi l−u. Nguyªn lý ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt lμ nguyªn nh©n tËp trung nhÊt cña chuyÓn ®éng th¨ng cña hoμn l−u Hadley trªn mét d¶i ITCZ hÑp. ViÖc tÝnh ®Õn b¶n chÊt cña vßng hoμn l−u Hadley theo m« h×nh Èm nμy gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n, do ph¶i tÝnh ®Õn nh÷ng sù trao ®æi nhiÖt Èm trong líp biªn còng nh− ®èi l−u m©y tÝch s©u trong ITCZ. Nh− ta ®· thÊy trong môc 2.4. ViÖc tham sè ho¸ ®ã lμ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng nh−ng cßn Ýt ®−îc gi¶i quyÕt trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu. Tuy nhiªn, gi¶ thiÕt giíi h¹n vÒ ®é réng vμ c−êng ®é cña vßng hoμn l−u h−íng thùc tÕ cã triÓn väng h¬n sù tÝnh to¸n ban ®Çu. Ta h·y tiÕp tôc xem xÐt m« h×nh Held-Hou gåm hai mùc, víi mùc d−íi lμ líp biªn Èm vμ mùc trªn lμ dßng ch¶y h−íng cùc kh«ng ma s¸t ë phÇn gi÷a vμ phÇn trªn tÇng ®èi l−u. §Ó ®¬n gi¶n ta h·y trë l¹i tr−êng hîp vßng hoμn l−u ®èi xøng qua xÝch ®¹o. Còng nh− tr−íc kia, giã vÜ h−íng trong tÇng trªn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng, vμ do ®ã biÕn ®æi cña nhiÖt ®é thÕ vÞ  M theo vÜ ®é, ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.9. Sù lμm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dμi theo kh«ng gian cã thÓ ®−îc tÝnh  theo tû sè M . T−¬ng tù, khi kh«ng cã chuyÓn ®éng chÊt khÝ, nhiÖt ®é  E, sù ph©n bè E - 94 -
nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.4. Sù ph©n bè cña ®èt nãng do ph¸t  x¹ sãng ng¾n ®¬n gi¶n lμ E , tæng l−îng nhiÖt ®−îc tÝnh theo E E Y  H (4.20) dy E 0 B©y giê ta gi¶ thiÕt lμ tÊt c¶ l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®Õn ®−îc sö dông ®Ó bèc h¬i n−íc vμo líp biªn. L−îng nhiÖt nμy lμ Èn nhiÖt ng−ng tô trong ITCZ, n¬i cã tæng l−îng nhiÖt gi¶i phãng lμ theo ph−¬ng tr×nh 4.20. Tõ môc 4.2, ta thÊy ®é réng cña vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn lμ tÝch ph©n sù ®èt nãng vμ lμm l¹nh theo ®é réng cña vßng hoμn l−u Hadley theo Y Y   dy  H  M E (4.21) dy 0 0 E E Ta ®· gÆp ph−¬ng tr×nh nμy (ph−¬ng tr×nh 4.10). Ta còng thÊy lμ l−îng nhiÖt nμy kh«ng ®æi víi m« h×nh Held-Hou kh«. Mét ®iÒu kiÖn kh¸c lμ  M =  E ë y = Y còng thÊy trong c¶ hai m« h×nh. Trong tr−êng hîp nμy, khi kh«ng cã Èm dßng khèi l−îng vμ ®é réng cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng ®æi, kh¸c víi m« h×nh Held-Hou ®¬n gi¶n lμ ®èt nãng vμ dßng th¨ng tËp trung trong mét d¶i hÑp trªn ITCZ, trong ®ã lμm l¹nh dßng gi¸ng trong phÇn cßn l¹i cña vßng hoμn l−u Hadley. NÕu ta gi¶ thiÕt r»ng l−îng nhiÖt dïng ®Ó bèc h¬i nhá h¬n l−îng bøc x¹ mÆt trêi tíi, khi ®ã l−îng d− thõa dÉn tíi sù ®èt nãng, ta vÉn nhËn ®−îc kÕt qu¶ t−¬ng tù vÒ ®é réng vμ c−êng ®é cña vßng hoμn l−u. Nh−ng víi dßng th¨ng ë phÇn nhiÖt ®íi cña vßng hoμn l−u vμ sù tËp trung m¹nh h¬n cña dßng th¨ng trªn ITCZ. H×nh 4.11 minh ho¹ nh÷ng tr−êng hîp ®ã. §Ó tæng kÕt cÇn ®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña ®é Èm trong viÖc thμnh t¹o sù bÊt ®èi xøng gi÷a dßng th¨ng vμ dßng gi¸ng quy m« lín trong vßng hoμn l−u Hadley. Trong tr−êng hîp kh«, diÖn tÝch khu vùc dßng th¨ng gÇn b»ng diÖn tÝch khu vùc dßng gi¸ng. V× vËy, ng−ng kÕt vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt trë nªn quan träng h¬n, chuyÓn ®éng th¼ng ®øng trë nªn m¹nh h¬n vμ tËp trung h¬n, trong khi ®ã gi÷a æ ®Æc tr−ng bëi dßng gi¸ng. Tæng hoμn l−u vÉn kh«ng ®æi, do kh«ng cã biÕn ®æi trùc tiÕp trong t¸c ®éng nhiÖt mμ chØ ®−îc b¶o ®¶m bëi dßng bøc x¹ mÆt trêi. §é réng cña ITCZ phô thuéc vμo cÊu tróc cña tõng th¸p m©y tÝch riªng rÏ cÊu t¹o nªn ITCZ, x¸o trén rèi gi÷a th¸p m©y th¨ng m¹nh vμ khu vùc quang m©y xung quanh x¸c ®Þnh cì cña æ m©y tÝch vμ do ®ã x¸c ®Þnh ®é réng cña ITCZ. Quan s¸t cho thÊy r»ng quy m« kinh h−íng cña ITCZ nhá h¬n hoÆc b»ng 100 km. §ã lμ qu¸ tr×nh quy m« võa kh«ng n»m trong ph¹m vi cña cuèn s¸ch nμy. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ c¬ chÕ c¬ b¶n cñam« h×nh Held-Hou lμ x¸o trén m«men quay vμ c©n b»ng giã nhiÖt dÉn ®Õn sù h×nh thμnh d¹ng chung cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng nh¹y c¶m víi c¸c chi tiÕt nhiÖt trong hÖ thèng. VÞ trÝ thùc tÕ cña ITCZ vμ c−êng ®é cña nã phô thuéc vμo ®Æc ®iÓm cña líp biªn nhiÖt ®íi vμ dßng Èm ®i ra tõ bÒ mÆt, nh÷ng qu¸ tr×nh ®ã cÇn ®−îc thÓ hiÖn trong GCMS vμ c¸c m« h×nh h×nh dù b¸o thêi tiÕt. PhÇn lín dßng Èm th©m nhËp vμo líp biªn ®−îc quy ®Þnh bëi nhiÖt ®é mÆt biÓn. V× nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng lín nªn nã cã chu kú mïa ng¾n h¬n so víi lôc ®Þa vμ do ®ã sù bÊt ®èi xøng cña hoμn l−u qua xÝch ®¹o còng nhá h¬n do c¸c qu¸ tr×nh cña Èm. - 95 -
H×nh 4.1 cho thÊy r»ng nã t−¬ng ®èi quan träng. Ta sÏ trë l¹i th¶o luËn vÒ qu¸ tr×nh ®èi l−u vμ ®èt nãng cña hoμn l−u nhiÖt ®íi quy m« lín trong Ch−¬ng 7. B©y giê ta h·y tiÕn ®Õn c¸c vÜ ®é cao h¬n vμ xem xÐt hoμn l−u kinh h−íng phÝa trªn giíi h¹n cña vßng hoμn l−u Hadley. H×nh 4.11 S¬ ®å minh ho¹ hiÖu øng ®é Èm trong m« h×nh vßng hoµn l−u Hadley vµ Held-Hou: (a) Tr−êng hîp kh«; (b) Tr−êng hîp cã mét l−îng n¨ng l−îng cung cÊp cho h¬i n−íc ; (c) Tr−êng hîp cã toµn bé n¨ng l−îng bøc x¹ cung cÊp cho h¬i n−íc 4.4 Hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ë vÜ ®é trung b×nh Nghiªn cøu cña chóng ta vÒ vßng hoμn l−u Hadley ë miÒn cËn nhiÖt ®íi lμ ®¬n gi¶n bëi th¸m s¸t cho thÊy dßng xo¸y h−íng tõ vÜ ®é 300 vÒ phÝa xÝch ®¹o lμ nhá. V× thÕ hoμn l−u cã thÓ coi lμ ®èi xøng ë vÜ ®é thÊp. Nh−ng ë c¸c vÜ ®é trung b×nh, xo¸y cã quy m« lín vμ dßng nhiÖt, dßng ®éng l−îng mμ c¸c xo¸y mang theo lμ mét bé phËn chÝnh cña hoμn l−u toμn cÇu. Khi m« t¶ hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ë c¸c vÜ ®é nμy ta ph¶i thõa nhËn vai trß quan träng cña c¸c xo¸y ta gÆp ph¶i khã kh¨n lín. Ta ph¶i - 96 -
tÝnh sù ®ãng gãp cña dßng khÝ thμnh hai phÇn, mét phÇn do c¸c xo¸y vμ phÇn kh¸c do dßng trung b×nh vÜ h−íng, ta ph¶i xem xÐt riªng hai phÇn nμy. Nh−ng sù ph©n biÖt nμy lμ nh©n t¹o. C¸c xo¸y g©y ra sù biÕn ®æi trong dßng trung b×nh, ®Õn lÇn nã c¸c dßng trung b×nh l¹i ¶nh h−ëng ®Õn sù ph©n bè vμ c−êng ®é cña c¸c xo¸y. Trong khi nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu, ta cÇn t¸ch ¶nh h−ëng cña c¸c xo¸y khái c¸c ¶nh h−ëng cña c¸c qu¸ tr×nh kh¸ g©y nªn sù ®èi xøng. Trong phÇn nμy, ta sÏ th¶o luËn mét c¸ch tiÕp cËn th−êng sö dông ®Ó tÝnh ¶nh h−ëng cña xo¸y ®èi víi dßng trung b×nh. Ta gi¶ thiÕt r»ng dßng nhiÖt vμ dßng ®éng l−îng liªn quan víi xo¸y ®−îc m« t¶ (ch¼ng h¹n b»ng quan s¸t). V× vËy ta cã thÓ xem xÐt sù thÝch øng cña dßng trung b×nh vÜ h−íng ®èi víi c¸c lùc t¸c ®éng ®ã. Ta h·y b¾t ®Çu tõ hÖ c¸c ph−¬nng tr×nh ®Þa chuyÓn m« t¶ trong môc 1.7. Ph−¬ng tr×nh xo¸y tùa ®Þa chuyÓn sö dông khÝ ¸p lμm trôc th¼ng ®øng cã thÓ ®−îc viÕt   u   v  v  f   F  (4.22) t x y p trong ®ã  lμ ®é xo¸y t−¬ng ®èi uy - ux. F = F1y  F2 x lμ mét d¹ng cña sè h¹ng ma s¸t. Víi F1 vμ F2 theo thø tù lμ thμnh phÇn theo x vμ y cña gia tèc do lùc ma s¸t. CÇn nhí ë ®©y ta lo¹i bá ¶nh h−ëng cña d¹ng cong cña Tr¸i §Êt, th«ng qua sè h¹ng  v. TÝnh trung b×nh theo hoμn l−u vÜ h−íng ta cã thÓ viÕt     v   v  f     F1  (4.23) t y p y HoÆc tõ ph−¬ng tr×nh liªn tôc ta cã     v   f v   F1  (4.24) t y y y Nh−ng v×   u  chóng ta cã thÓ viÕt     u   v  f v  F1   0 (4.25) y  t  LÊy tÝch ph©n theo y, vμ x¸c ®Þnh h»ng sè tÝch ph©n tõ ®iÒu kiÖn u  t  0 kh«ng cã ma s¸t víi gia tèc Coriolis hoÆc dßng ®éng lùc, ta cã mét ph−¬ng ¸n tùa ®Þa chuyÓn cña ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng trung b×nh vÜ h−íng  u    vu   f v  F1  (4.26) t y   Th«ng l−îng ®éng l−îng [uv] cã thÓ viÕt u v  u * v * ; ®Æc tÝnh quy m« nh− lμ trong môc 1.7 cho thÊy r»ng u ~ u  trong ®ã v  v , sao cho dßng ®éng l−îng trung b×nh * * cã thÓ ®−îc bá qua so víi dßng xo¸y. Cuèi cïng ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng trung b×nh vÜ h−íng ®−îc viÕt lμ u t  u  v  y  f v  F1  (4.27) - 97 -
trong ®ã chØ sè d−íi t vμ y lμ chØ ®¹o hμm. B»ng c¸ch kh¸c, ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ nhËn ®−îc b»ng c¸ch lÊy trung b×nh theo vÜ h−íng tõ ph−¬ng tr×nh 1.65a vμ sö dông quy m« tùa ®Þa chuyÓn. Sè h¹ng ®Çu tiªn ë vÕ ph¶i t−¬ng øng víi sù biÕn ®æi [u] do b¶o toμn m«men quay b»ng chuyÓn ®éng kinh h−íng ®èi xøng, sè h¹ng thø hai t−¬ng øng víi gia tèc do dßng xo¸y, vμ thμnh phÇn cuèi cïng m« t¶ lùc ma s¸t. Ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc lμ ph−¬ng tr×nh (1.72) lÊy trung b×nh vÜ h−íng nã rót gän thμnh t  v    y  s   Q  2 (4.28) h ë ®©y {v} l¹i ®−îc bá qua so víi v*, sao cho dßng nhiÖt ®é thÕ vÞ cña xo¸y h−íng cùc chiÕm −u thÕ so víi dßng xo¸y chÝnh th¼ng ®øng hay dßng h−íng cùc trung b×nh. B×nh l−u theo chiÒu th¼ng ®øng cña sù ph©n tÇng c¬ b¶n chiÕm −u thÕ trong b×nh l−u trung b×nh. Ph−¬ng tr×nh (4.28) vμ (4.27) ®−îc liªn kÕt qua d¹ng trung b×nh vÜ h−íng cña ph−¬ng tr×nh giã nhiÖt, thuËn tiÖn ®−îc viÕt d−íi d¹ng f u p  hy (4.29) Hoμn l−u kinh h−íng trong ®ã ®−îc duy tr× c©n b»ng giã nhiÖt, thay thÕ xu thÕ mÊt c©n b»ng cña dßng xo¸y nhiÖt vμ dßng m«men, th«ng l−îng nhiÖt cña xo¸y vμ th«ng l−îng m«men cña xo¸y cã xu h−íng kh«ng c©n b»ng, lùc ma s¸t vμ sù ®èt nãng cã thÓ ®−îc tÝnh tõ hÖ ph−¬ng tr×nh (4.27), (4.28) vμ (4.29). §Ó tiÖn lîi ta ®−a vμo hμm dßng kinh h−íng (  ) v   ,     (4.30) p y trong ®ã dÊu quy −íc ®· ®−îc chän ®Ó cùc ®¹i cña  t−¬ng øng víi hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp trong ®ã dßng th¨ng ë vÜ ®é thÊp (y nhá) vμ dßng gi¸ng ë vÜ ®é cao (y lín) ë B¾c B¸n CÇu. Sau ®ã nh©n ph−¬ng tr×nh m«men víi f vμ lÊy ®¹o hμm theo p. Sau ®ã nh©n ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc víi h−íng tr−íc khi lÊy ®¹o hμm theo y. Sau ®ã trõ hai ph−¬ng tr×nh cho nhau ®Ó lo¹i bá thμnh phÇn b¾t nguån tõ ®iÒu kiÖn c©n b»ng     2 F1 p  h2 Q y f f h  f  2  pp  2 u  v   yy  v  (4.31) yp yy s2 2 s s s s Ph−¬ng tr×nh elip liªn kÕt hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh víi chØ sè sè h¹ng nguån. ChØ sè nμy cã thÓ nhËn ®−îc nÕu ®iÒu kiÖn biÖn thÝch hîp trªn  ®−îc x¸c ®Þnh. Ta cho [v] =0 t¹i biªn cña y cã thÓ ®óng víi xÝch ®¹o vμ cùc vμ [] =0 t¹i p=0 vμ p= ps, do  = const däc theo biªn kinh h−íng vμ biªn th¼ng ®øng. To¸n tö elliptic víi mét cùc ®¹i cña sè h¹ng nguån ë bªn ph¶i cña ph−¬ng tr×nh 4.31 liªn quan víi mét cùc tiÓu trong hμm dßng kinh h−íng. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ víi hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp ë B¾c B¸n CÇu. H×nh 4.12 minh ho¹ ®iÒu ®ã. H¬n n÷a, hμm dßng kinh h−íng sÏ ph¶n ¶nh tíi cÊu tróc quy m« lín h¬n cña sè h¹ng nguån trong qu¸ tr×nh lμm tr¬n cÊu tróc quy m« nhá h¬n cña chóng. Ph−¬ng tr×nh 4.31 lμ ph−¬ng tr×nh chuÈn ®o¸n mèi quan hÖ. Ph−¬ng tr×nh cho thÊy lμ hoμn l−u kinh h−íng ph¶i tån t¹i ®Ó duy tr× c©n b»ng giã nhiÖt khi sè h¹ng - 98 -
nguån kh¸c kh«ng. Nã t−¬ng tù víi ph−¬ng tr×nh  ®· th¶o luËn trong môc 1.7, vμ h¬n n÷a, cã thÓ nhËn ®−îc b»ng c¸ch lÊy trung b×nh vÜ h−íng ph−¬ng tr×nh  vμ sau ®ã lÊy tÝch ph©n theo y. H×nh 4.12 S¬ ®å minh ho¹ lêi gi¶i cña ph−¬ng tr×nh (4.31) H·y xem xÐt mét c¸ch ®¬n gi¶n cña ph−¬ng tr×nh chuÈn ®o¸n mèi quan hÖ nμy. Gi¶ thiÕt lμ ma s¸t vμ dßng xo¸y cã thÓ ®−îc bá qua, chØ cßn sè h¹ng nguån liªn quan víi sù ®èt nãng. Sù ®èt nãng d−¬ng víi y nhá, ©m víi y lín, víi mét cùc ®¹i t¹i -[Q]y ë vÜ ®é trung b×nh. Do ®ã, sè h¹ng nguån -(h/s2) [Q]y sÏ cã gi¸ trÞ ©m ë hÇu kh¾p miÒn vÜ ®é trung b×nh. V× vËy  cã mét gi¸ trÞ cùc ®¹i ë vÜ ®é trung b×nh, t¹o ra mét hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp trong ®ã kh«ng khÝ th¨ng lªn ë n¬i cã ®èt nãng lín vμ gi¸ng xuèng ë n¬i cã ®èt nãng nhá, nh− minh ho¹ trªn H×nh 4.13. H×nh 4.13 Hoµn l−u kinh h−íng g©y nªn do sù thÝch øng víi gradien ®èt nãng Tuy nhiªn, cÇn thËn träng khi gi¶i thÝch kÕt qu¶ nμy. C¸c sè h¹ng lùc næi ®· ®−îc x¸c ®Þnh tõ hÖ ph−¬ng tr×nh tùa ®Þa chuyÓn. V× vËy nã kh«ng ®¬n gi¶n nh− lμ dßng th¨ng cña kh«ng khÝ nãng. H¬n n÷a, sù ®èt nãng sinh ra gradien ngang cña khÝ ¸p, lùc gradien khÝ ¸p nμy l¹i g©y nªn hoμn l−u kinh h−íng cña kh«ng khÝ. Qu¸ tr×nh th¨ng lªn cña kh«ng khÝ ë vÜ ®é thÊp vμ dßng gi¸ng ë vÜ ®é cao x¶y ra liªn tôc. Hoμn l−u kinh h−íng nμy g©y nªn hai hÖ qu¶. Thø nhÊt lμ dßng th¨ng ë vÜ ®é thÊp lμm cho kh«ng khÝ l¹nh h¬n, lμm gi¶m sù t¨ng nhiÖt ®é do ®èt nãng. YÕu tè b¶o toμn vÉn ®−îc duy tr× ë miÒn vÜ ®é cao. V× vËy gradien nhiÖt ®é t¨ng Ýt h¬n so víi - 99 -
tr−êng hîp nÕu khÝ quyÓn kh«ng b·o hoμ. Thø hai, lùc Coriolis t¸c ®éng lªn chuyÓn ®éng h−íng cùc cña kh«ng khÝ trªn cao g©y nªn bæ xung gia tèc h−íng sang phÝa t©y cho dßng ch¶y, trong khi ®ã ë mùc thÊp gia tèc h−íng ®«ng xuÊt hiÖn. Do ®ã, ®é ®øt giã t¨ng ®Ó cã c©n b»ng giã nhiÖt víi tr−êng nhiÖt ®é duy tr× kh«ng ®æi. Ta h·y xem xÐt ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t trong vÝ dô thø hai. ë vÜ ®é trung b×nh, giã bÒ mÆt quan s¸t ®−îc lμ giã h−íng t©y. Ta biÕt r»ng ma s¸t sÏ g©y nªn gia tèc h−íng ®«ng ®èi víi dßng khÝ ë mùc thÊp (p lín) nh−ng ma s¸t sÏ Ýt ¶nh h−íng tíi c¸c mùc trªn cao. Do sè h¹ng nguån d−¬ng g©y nªn hoμn l−u gi¸n tiÕp. H×nh 4.14 minh häa hiÖu qu¶ nμy. H×nh 4.14 Hoµn l−u kinh h−íng bÞ ¶nh h−ëng cña ma s¸t mÆt ®Êt Trong c¸c sè h¹ng vËt lý ë mùc thÊp xuÊt hiÖn mét dßng khÝ thæi tõ vÜ ®é thÊp ®Õn vÜ ®é cao. Lùc coriolis t¸c ®éng ®èi víi dßng h−íng cùc nμy t¹o ra gia tèc h−íng t©y, bï l¹i gia tèc h−íng ®«ng t¹o ra trùc tiÕp tõ lùc ma s¸t. Cïng thêi gian ®ã, dßng gi¸ng g©y nªn sù nãng lªn ë miÒn nhiÖt ®íi, trong khi dßng th¨ng g©y nªn sù l¹nh ®i ë c¸c vÜ ®é cao h¬n. B»ng c¸ch ®ã, tr−êng nhiÖt ®é ®−îc ®−a trë l¹i c©n b»ng giã nhiÖt víi ®é ®øt giã th¼ng ®øng t¨ng ë ®Ønh giíi h¹n trªn cña líp biªn. Ma s¸t g©y nªn hoμn l−u minh ho¹ mét nguyªn t¾c quan träng vÒ vai trß cña ma s¸t líp biªn ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu. ë phÝa nam dßng xiÕt, n¬i ®é xo¸y liªn quan víi giã vÜ h−íng lμ ©m, ma s¸t g©y ra dßng gi¸ng. ë phÝa b¾c cña dßng xiÕt xo¸y t−¬ng ®èi lμ d−¬ng vμ ma s¸t g©y ra dßng th¨ng. B»ng c¸ch ®ã ma s¸t líp biªn ®ãng vai trß quan träng lμm gi¶m yÕu dßng khÝ ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u. Cã thÓ sinh ra d¹ng ®¬n gi¶n cña ma s¸t, mèi quan hÖ gi¶i thÝch gi÷a ®é xo¸y ë giíi h¹n trªn cña líp biªn vμ ®é xo¸y trong líp biªn. VÝ dô, khi sè h¹ng ma s¸t cã d¹ng Kuzz, trong ®ã K lμ hÖ sè nhít xo¸y kh«ng ®æi, ®é xo¸y th¼ng ®øng cã d¹ng 1/ 2 K w (4.32) 2f KÕt qu¶, sù nÐn hoÆc d·n cña xo¸y sÏ lμm tiªu tan xo¸y t−¬ng ®èi trong mét quy m« thêi gian (2H2/fK)1/2 H lμ quy ®Æc tr−ng cña ®é cao (®é dÇy tÇng ®èi l−u). Líp biªn ®ã ®−îc gäi lμ líp biªn Ekman. Líp biªn Ekman xuÊt hiÖn trong phßng thÝ nghiÖm víi sù quay cña b×nh trô chøa chÊt láng trong ®ã dßng chÊt láng trong líp biªn lμ dßng ch¶y tÇng, nh−ng ®©y lμ m« h×nh th« cña líp biªn khÝ quyÓn rèi. Tuy nhiªn, ngay c¶ víi tham sè ho¸ ma s¸t thùc tÕ h¬n th× vÉn x¶y ra t×nh h×nh t−¬ng tù. M« h×nh líp biªn - 100 -