Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 8

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Biến đổi tần số thấp của hoàn lưu 8.1 Các quá trình tức thời tần số thấp Trong ch-ơng tr-ớc, trên Hình 7.14 là kết quả so sánh tensơ t-ơng quan xoáy đối với xoáy có tần số cao, có chu kỳ ngắn hơn m-ời ngày, với các xoáy có tần số thấp hơn. Các đặc tr-ng thống kê của xoáy tần số cao có cấu trúc rất rõ ở miền ôn đới, với cực đại trong vùng quỹ đạo xoáy thuận..Những toán tử lọc tần số cao sử dụng trong Ch-ơng 7 đã đ-ợc sử dụng để tách ra các...

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 8

Ch−¬ng 8. BiÕn ®æi tÇn sè thÊp cña hoμn l−u 8.1 C¸c qu¸ tr×nh tøc thêi tÇn sè thÊp Trong ch−¬ng tr−íc, trªn H×nh 7.14 lμ kÕt qu¶ so s¸nh tens¬ t−¬ng quan xo¸y ®èi víi xo¸y cã tÇn sè cao, cã chu kú ng¾n h¬n m−êi ngμy, víi c¸c xo¸y cã tÇn sè thÊp h¬n. C¸c ®Æc tr−ng thèng kª cña xo¸y tÇn sè cao cã cÊu tróc rÊt râ ë miÒn «n ®íi, víi cùc ®¹i trong vïng quü ®¹o xo¸y thuËn..Nh÷ng to¸n tö läc tÇn sè cao sö dông trong Ch−¬ng 7 ®· ®−îc sö dông ®Ó t¸ch ra c¸c chuçi riªng cña c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc kh¸c nhau, ®ã lμ nh÷ng qu¸ tr×nh liªn quan víi bÊt æn ®Þnh tμ ¸p vμ hÖ qu¶ lμ sù ph¸t triÓn cña sãng bÊt æn ®Þnh tμ ¸p. §éng n¨ng cña c¸c xo¸y tÇn sè thÊp cã cÊu tróc kh«ng râ rÖt. H×nh 7.14 ®· chØ ra nh÷ng b»ng chøng cho thÊy khu vùc cã tÇn suÊt cùc ®¹i th−êng n»m ë vÞ trÝ cuèi dßng h¬n so víi gi¸ trÞ cùc ®¹i cña xo¸y tÇn sè cao, còng nh− t−¬ng quan gi÷a trung t©m dßng xiÕt vμ cùc ®¹i cña nh÷ng biÕn ®æi tÇn sè thÊp. Tuy nhiªn, ch−a cã bÊt kú mét h×nh thÕ nμo cña nh÷ng qu¸ tr×nh trªn ®−îc chØ ra mét c¸ch cô thÓ. Mét nguyªn nh©n gi¶i thÝch hiÖn t−îng ®ã lμ d¶i tÇn sè thÊp ®· bao qu¸t mét d¶i tÇn sè rÊt réng. ë ®©y tån t¹i nh÷ng nhiÔu ®éng cã chu kú kh«ng lín h¬n nhiÒu so víi chu kú cña nh÷ng nhiÔu ®éng tμ ¸p, vμ h¬n n÷a nh÷ng cùc ®¹i n»m cuèi dßng h¬n so víi trung t©m quü ®¹o xo¸y thuËn phÇn nμo ®ã liªn quan tíi sù dao ®éng vμ suy yÕu cña c¸c xo¸y thuËn miÒn «n ®íi, c¸c xo¸y nμy chuyÓn ®éng chËm h¬n khi chóng ®Çy lªn. Tuy nhiªn ë ®©y còng cã c¶ sù xuÊt hiÖn cña nh÷ng nhiÔu ®éng tøc thêi cã biªn ®é lín víi chu kú dμi h¬n rÊt nhiÒu. KÕt qu¶ ph©n tÝch phæ ®èi víi chuçi sè liÖu khÝ t−îng ®ñ dμi ®· chØ ra r»ng nh÷ng biÕn ®æi quan tr¾c ®−îc cã nh÷ng chu kú dμi ng¾n kh¸c nhau. H¬n n÷a phæ thu ®−îc cã xu thÕ lμ phæ ®á víi biªn ®é t¨ng khi tÇn sè gi¶m tíi tÇn sè rÊt thÊp. Trong d¶i tÇn sè ®ã ®· diÔn ra rÊt nhiÒu c¬ chÕ vËt lý diÔn ra. Tuy nhiªn mét ®iÒu ngÉu nhiªn lμ dÊu hiÖu phèi hîp cña chóng khi nghiªn cøu biÕn ®æi tÇn sè thÊp th× viÖc xem xÐt nh÷ng tÝn hiÓu tÇn sè thÊp tæng céng lμ kh«ng ®ñ. Ta cÇn t¸ch c¸c kho¶ng tÇn sè vμ cÊu tróc kh«ng gian riªng. §Ó thùc hiÖn ®iÒu nãi trªn b»ng c¸ch sö dông ph©n tÝch phæ hoÆc läc chuçi thêi gian ®Ó t¸ch ra nh÷ng kho¶ng tÇn sè hÑp. §iÒu ®ã cã thÓ dÉn tíi c¸c cÊu tróc kh«ng gian cña c¸c dao ®éng víi tÇn sè kh¸c nhau. Cã mét khã kh¨n ®èi víi ph−¬ng ph¸p nμy ®ã lμ l−îng sè liÖu ph¶i ®ñ lín ®Ó cã thÓ thu ®−îc nh÷ng kÕt luËn tin cËy. §iÒu ®¸ng quan t©m h¬n lμ do ®Æc ®iÓm chung cña nhiÒu hiÖn t−îng tÇn sè thÊp ®ã lμ chóng chØ lμ c¸c qu¸ tr×nh tùa chu kú. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ, mÆc dï cã chu kú nh−ng c¸c chu kú nμy cã thÓ biÕn ®æi vμ cÊu tróc cña chóng cã thÓ biÕn ®æi trong kho¶ng gi÷a mét cùc ®¹i nμy tíi mét cùc ®¹i kh¸c. Trong c¸c thμnh phÇn phæ, nh÷ng dao ®éng cã tÝnh chu kú ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét d¶i h¬n lμ nh÷ng ®Ønh nhän. Nh÷ng ®Æc ®iÓm cho - 218 -
thÊy ta ph¶i gi¶i quyÕt nh÷ng hiÖn t−îng phi tuyÕn h¬n lμ nh÷ng mode chuÈn cña nh÷ng dao ®éng râ nÐt trong nh÷ng ph©n tÝch tuyÕn tÝnh cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn. Trong ch−¬ng nμy, ta sÏ th¶o luËn nh÷ng kü thuËt mang tÝnh thùc nghiÖm ®−îc sö dông ®Ó t¸ch c¸c thμnh phÇn tÇn sè thÊp cña hoμn l−u khÝ quyÓn. Nh÷ng cÊu tróc nμy vÒ c¬ b¶n do nh÷ng dÞ th−êng ®èt nãng ®Þa ph−¬ng hoÆc nh÷ng d¹ng t¸c ®éng kh¸c mμ khi gÆp ®iÒu kiÖn thuËn lîi cã thÓ lan truyÒn trªn mét kho¶ng c¸ch lín trªn Tr¸i §Êt. Lý thuyÕt tia s¸ng ®−îc tr×nh bμy trong môc 6.2 m« t¶ ®¬n gi¶n hiÖn t−îng nμy. Ta còng sÏ xem xÐt nh÷ng dao ®éng tùa chu kú cña hoμn l−u tÇng b×nh l−u vμ nh÷ng dao ®éng ®¸ng quan t©m trªn miÒn nhiÖt ®íi Th¸i B×nh D−¬ng kÓ c¶ sù t−¬ng t¸c gi÷a hoμn l−u khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng. Cuèi cïng ta sÏ thÊy r»ng chØ riªng hÖ thèng khÝ quyÓn còng ®· ®ñ phøc t¹p vμ tÝnh phi tuyÕn trong viÖc t¹o ra nh÷ng hiÖn t−îng tÇn sè thÊp dÞ th−êng xÈy ra trong thêi gian ng¾n mμ kh«ng do bÊt cø nguån t¸c ®éng nμo tõ hÖ thèng bªn ngoμi. 8.2 C¸c h×nh thÕ quan hÖ xa KÕt qu¶ ph©n tÝch nhÊt ®Þnh cña chuçi thêi gian dμi cña hoμn l−u chung khÝ quyÓn cho thÊy nh÷ng t−¬ng quan quy m« lín gi÷a dßng khÝ ë nh÷ng vÞ trÝ c¸ch xa nhau. Nh÷ng dao ®éng nμy thuéc kho¶ng tÇn sè thÊp cña quy m« thêi gian vμ ®−îc gäi lμ ''quan hÖ xa'' ®Ó nhÊn m¹nh mèi t−¬ng quan cïng kho¶ng c¸ch trong tù nhiªn. Quan hÖ xa xuÊt hiÖn ë nh÷ng vÞ trÝ x¸c ®Þnh vμ cã d¹ng ''sãng ®øng'' víi ®Ønh vμ ch©n sãng x¸c ®Þnh cña nh÷ng dao ®éng tÇn sè thÊp. Chóng th−êng n»m theo h−íng thÓ hiÖn mèi quan hÖ cña qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp xÈy ra trong thêi gian ng¾n gi÷a miÒn nhiÖt ®íi vμ miÒn «n ®íi. Lý thuyÕt cña mèi liªn hÖ xa nμy ch−a hoμn thiÖn nh−ng ta sÏ liªn hÖ chóng víi qu¸ tr×nh lan truyÒn sãng Rossby theo h−íng kinh tuyÕn. Trong môc nμy sÏ m« t¶ nh÷ng kü thuËt thèng kª thùc nghiÖm th−êng ®−îc sö dông ®Ó t×m c¸c d¹ng cña mèi liªn hÖ xa. Kü thuËt cã triÓn väng nhÊt lμ kü thuËt ph©n tÝch t−¬ng quan. Xem xÐt mét tr−êng khÝ t−îng Q ®−îc ®Þnh nghÜa trªn mét tËp hîp N ®iÓm rêi r¹c; ký hiÖu gi¸ trÞ thø i lμ Qi(t). Trong nhiÒu ph©n tÝch th× Q lμ tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ ë mùc 500 hPa, tr−êng nμy ®−îc quan tr¾c víi ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh vμ chuçi thêi gian ®ñ dμi, tèi thiÓu lμ cho miÒn ngo¹i nhiÖt ®íi B¾c B¸n CÇu. CÇn l−u ý lμ cã thÓ t×m ®−îc c¸c d¹ng cña mèi liªn hÖ xa tÇn sè thÊp b»ng viÖc läc Qi theo mét c¸ch nμo ®ã ®Ó lo¹i bá c¸c dao ®éng tÇn sè cao h¬n. §¬n gi¶n nhÊt lμ läc b»ng c¸ch tÝnh gi¸ trÞ trung b×nh th¸ng cña Qi. Träng t©m cña ph−¬ng ph¸p lμ tÝnh, cho mçi ®iÓm mét t−¬ng quan víi nh÷ng gi¸ trÞ kh¸c cña Q ë c¸c ®iÓm kh¸c. T−¬ng quan nμy cã d¹ng Q 'i Q 'j rijj  (8.1) 1/2 1/2 2 2 Q 'i Q 'j §iÓm i ®−îc gäi lμ ''®iÓm c¬ së''. T−¬ng quan rÞj sÏ lín trong l©n cËn cña ®iÓm c¬ së víi gi¸ trÞ tiÕn tíi 1 khi j tiÕn tíi i. NÕu kh«ng cã d¹ng liªn hÖ xa th× rij sÏ tiÕn tíi kh«ng khi c¸c ®iÓm i, j c¸ch nhau mét kho¶ng lín h¬n quy m« ngang ®iÓn h×nh cña hÖ thèng - 219 -
hoμn l−u. Gi¸ trÞ d−¬ng hay ©m lín cña rij cho thÊy sù tån t¹i cña mèi quan hÖ xa gi÷a c¸c ®iÓm c¸ch xa nhau. Nh÷ng vÝ dô ®iÓn h×nh ®èi víi mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu ®−îc chØ ra trªn H×nh 8.1. Nh÷ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n nμy ®−îc dùa trªn c¬ së sè liÖu ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa cho 45 th¸ng ®èi víi c¸c th¸ng 12, th¸ng 1 vμ th¸ng 2, b¾t ®Èu tõ mïa ®«ng n¨m 1962-1963 vμ kÕt thóc vμo mïa ®«ng 1976-1977. §iÓm c¬ së trªn H×nh 8.1(a) cã to¹ ®é 55oN vμ 20oW ë gi÷a §¹i T©y D−¬ng. Vïng elip cña t−¬ng quan lín víi ®é réng theo chiÒu kinh tuyÕn kho¶ng 2000km cã t©m t¹i ®iÓm c¬ së. H×nh 8.1 B¶n ®å t−¬ng quan dùa theo sè liÖu ®é cao ®Þa thÕ vÞ trung b×nh th¸ng mùc 500hPa trong 45 th¸ng mïa ®«ng tõ 3/1962 ®Õn 7/1976: (a) §iÓm c¬ së 55oN, 20oW Gi¸ trÞ t−¬ng quan trªn vïng Th¸i B×nh D−¬ng vμ §«ng Nam ¸ kh«ng lín. Tuy nhiªn nh÷ng t−¬ng quan lín ®−îc v¹ch ra däc theo mét vßng trßn lín ®i qua ®iÓm c¬ së víi sù ®æi dÊu t−¬ng quan tõ d−¬ng sang ©m. Mét h×nh thÕ ®¸ng chó ý h¬n ®−îc chØ ra trªn H×nh 8.1(b). ë ®©y ®iÓm c¬ së cã vÞ trÝ 20oN, 160oW trªn vïng trung t©m Th¸i B×nh D−¬ng vμ cã mét lo¹t trung t©m ®æi dÊu vÒ h−íng b¾c tõ ®iÓm c¬ së ®Õn B¾c Mü. Ng−îc l¹i t−¬ng quan gi÷a ®iÓm c¬ së vμ nh÷ng ®iÓm trªn §¹i T©y D−¬ng vμ Ch©u ¸ nãi chung lμ nhá. Nh÷ng ®iÓm c¬ së nμy ®−îc lùa chän v× chóng gièng x¸c ®Þnh ®Ønh c¸c d¹ng quan hÖ xa. Cßn c¸c ®iÓm c¬ së kh¸c cã t−¬ng quan gi¶m ®ång nhÊt tíi nh÷ng gi¸ trÞ rÊt nhá khi kho¶ng c¸ch t¨ng ®¸ng kÓ kÓ tõ ®iÓm c¬ së. H×nh 8.2 kh¸i qu¸t c¸c d¹ng quan hÖ xa ®iÓn h×nh ë B¾c B¸n CÇu vμo mïa ®«ng. H×nh thÕ ®−îc x¸c ®Þnh râ nhÊt ®ã lμ h×nh thÕ Th¸i B×nh D−¬ng-B¾c Mü chØ ra trªn H×nh 8.1(b). Mét h×nh thÕ ®¸ng kÓ kh¸c ®ã lμ dao ®éng b¾c §¹i T©y D−¬ng (®«i khi ®−îc chia thμnh c¸c h×nh thÕ ®«ng vμ t©y §¹i T©y D−¬ng). Nh÷ng h×nh thÕ kh¸c, tuy kh«ng râ rÖt b»ng, ®«i khi còng ®−îc nhËn biÕt mÆc dï chóng kh«ng cã nh÷ng ®Æc tr−ng thèng kª ®¸ng kÓ. - 220 -
H×nh 8.1 (tiÕp) (b) ®iÓm c¬ së 20oN, 160oW. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 0,2, gi¸ trÞ ©m lµ vïng ®Ëm (Theo Wallace & Gutzler 1981) C¸c ®Æc tr−ng cña h×nh thÕ Th¸i B×nh D−¬ng-B¾c Mü vμ dao ®éng b¾c §¹i T©y D−¬ng lμ sù liªn hÖ theo chiÒu kinh tuyÕn gi÷a miÒn nhiÖt ®íi hoÆc cËn nhiÖt ®íi vμ miÒn «n ®íi rÊt ®¸ng quan t©m. Chóng cã sù t−¬ng tù ®¸ng kÓ víi chuçi xo¸y Rossby ®−îc chØ ra trong môc 6.2, cho thÊy m« h×nh quan hÖ xa lμ chuçi sãng Rossby chÞu nh÷ng khu vùc t¸c ®éng dÞ th−êng ë miÒn nhiÖt ®íi, dÞ th−êng trªn miÒn «n ®íi. H×nh 8.2 Tæng kÕt vÒ c¸c m« h×nh quan hÖ xa c¬ b¶n mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. §−êng ®Ëm nÐt chØ c¸c ®−êng ®¼ng trÞ t−¬ng quan 0,6, vµ c¸c kÝ tù chØ c¸c trung t©m d−¬ng vµ ©m cña c¸c m« h×nh c¬ b¶n. (Wallace & Gutzler, 1981) - 221 -
Ph©n tÝch t−¬ng quan cho ta nh÷ng th«ng tin vÒ cÊu tróc kh«ng gian cña quan hÖ xa nh−ng kh«ng cung cÊp nhiÒu th«ng tin vÒ quy m« thêi gian cña c¸c sù kiÖn quan hÖ xa. Qu¸ tr×nh läc tr−íc phøc t¹p ®èi víi chuçi thêi gian cã thÓ h÷u Ých nh−ng ph−¬ng ph¸p nμy sÏ rÊt cång kÒnh vμ nh÷ng kÕt luËn l¹i rÊt m¬ hå vÒ mÆt thèng kª. Mét c¸ch tiÕp cËn kh¸c cho kÕt qu¶ t−¬ng tù ®−îc gäi lμ ph©n tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm hay ph©n tÝch EOF. Ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc sö dông réng r·i ®Ó ph©n tÝch sè liÖu quan tr¾c còng nh− m« pháng sè trÞ h¹n dμi cña hoμn l−u toμn cÇu. Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ph©n tÝch EOF nh− sau. Tr−êng toμn cÇu cña mét biÕn khÝ t−îng Qi vμ trung b×nh thêi gian cña nã Q i , ®−îc ph©n tÝch t¹i tõng ®iÓm cña d·y N ®iÓm, ®−îc xem nh− lμ nh÷ng vect¬ trong kh«ng gian N chiÒu. Nh÷ng dÞ th−êng Qi' ®−îc chØ ra tõ Qi vμ Q i . Khi hÖ thèng ph¸t triÓn th× vect¬ Qi' cã d¹ng sãng vμ dao ®«ng l©n cËn Qi . C©u hái ®−îc ®Æt ra lμ c¸c vect¬ Q’ cã ®−îc s¾p xÕp theo nh÷ng h−íng x¸c ®Þnh kÓ tõ Qi hay kh«ng? Ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nh÷ng h−íng nμy vμ g¾n kÌm chóng víi c¸c ý nghÜa vËt lý hay kh«ng? Ph©n tÝch EOF vÒ c¬ b¶n cho ta mét hÖ c¸c vect¬ c¬ b¶n trùc giao trong kh«ng gian N, c¸c vect¬ nμy ®¹i diÖn cho mét tËp hîp c¸c vect¬ bÊt kú. H×nh 8.3 lμ mét minh ho¹ d−íi d¹ng s¬ ®å vÒ c¸ch lμm nμy. H×nh 8.3 S¬ ®å minh häa qui t¾c ph©n tÝch EOF, ¸p dông cho mét hÖ hai biÕn. Tr¹ng th¸i cña hÖ ®−îc m« t¶ b»ng vect¬ Q. Chóng tËp trung theo mét h−íng nhÊt ®Þnh. C¸ch m« t¶ hÖ nµy lµ sö dông hai vect¬ c¬ b¶n trùc giao, mét vect¬ h−íng vÒ phÝa Q tËp trung cùc ®¹i, vect¬ cßn l¹i vu«ng gãc víi vect¬ nµy. Ph−¬ng ph¸p nμy bao gåm viÖc tÝnh ma trËn t−¬ng quan N x N cña c¸c thμnh phÇn nhiÔu Q’i t¹i nh÷ng ®iÓm kh¸c nhau. Ký hiÖu ma trËn t−¬ng quan lμ C vμ c¸c thμnh phÇn cña nã lμ Cij ta ®−îc C ij  Q i' Q 'j (8.2) TiÕp theo ta t×m gi¸ trÞ riªng vμ vect¬ riªng cña C, tøc lμ ph¶i gi¶i bμi to¸n gi¸ trÞ riªng sau Ce j   je j , j  1, N (8.3) - 222 -
V× Q i' Q 'j  Q 'j Q i' , C lμ mét ma trËn ®èi xøng víi c¸c gi¸ trÞ thùc. §iÒu nμy cã nghÜa lμ nh÷ng gi¸ trÞ riªng cña ma trËn nμy lμ thùc vμ d−¬ng. C¸c vect¬ riªng t−¬ng øng t¹o nªn mét hÖ trùc giao, vμ do ®ã chÝnh lμ hÖ vect¬ c¬ b¶n ta cÇn hay c¸c hμm trùc giao tù nhiªn EOFs. Nh÷ng gi¸ trÞ riªng j tû lÖ thuËn víi phÇn ph−¬ng sai t−¬ng øng víi c¸c vect¬ riªng. Th«ng th−êng ng−êi ta s¾p xÕp c¸c gi¸ trÞ riªng theo thø tù gi¶m dÇn, v× vËy EOF ®Çu tiªn gi¶i thÝch phÇn ph−¬ng sai lín nhÊt trong sè liÖu vμ EOF thø hai gi¶i thÝch phÇn ph−¬ng sai lín thø hai vμ v©n v©n. C¸c gi¸ tri cña mçi EOF cã thÓ ®−îc biÓu diÔn nh− lμ mét tr−êng. Biªn ®é cã thÓ cho theo tû lÖ tuú ý nh−ng th«ng th−êng ®−îc chuÈn ho¸ theo mét c¸ch nμo ®ã. Tuy nhiªn, cÊu tróc kh«ng gian cña mét sè EOF ®Çu tiªn nãi chung lμ tr¬n vμ cho thÊy cÊu tróc quy m« lín chung nhÊt th−êng thÊy cña tr−êng. Víi mét hÖ tuyÕn tÝnh c¸c EOFs cã thÓ coi lμ c¸c mode chuÈn tuyÕn tÝnh cña hÖ thèng. §èi víi hÖ thèng s¸t thùc tÕ h¬n, gi¸ trÞ cña chóng n»m ngoμi c¸c h−íng tËp trung vμ kh«ng tËp trung trong kh«ng gian N chiÒu. V× chuçi thêi gian cña Qi lμ x¸c ®Þnh, v× vËy chØ cã mét sè Ýt gi¸ trÞ riªng ®Çu tiªn ®−îc xem lμ cã ý nghÜa thèng kª. NÕu nh− chuçi thêi gian bao gåm M thÓ hiÖn cña tr−êng th× sè l−îng c¸c EOFs cã ý nghÜa vμo kho¶ng O(M1/2). Tr−êng nμy cã thÓ ®−îc biÓu diÔn mét c¸ch rÊt chÆt chÏ qua c¸c thμnh phÇn cña EOF. V× c¸c hμm thùc nghiÖm lμ trùc giao nªn ta cã thÓ viÕt N Q i t    p j t e ij (8.4) j1 Chuçi thêi gian pj(t) ®−îc gäi lμ ‘thμnh phÇn chÝnh thø j’ cña chuçi sè liÖu. Nã biÓu diÔn chuçi thêi gian cña h×nh chiÕu cña sè liÖu lªn hμm trùc giao thùc nghiÖm thø j. V× vËy, c¸c thμnh phÇn nμy mang ý nghÜa thÓ hiÖn sù t−¬ng t¸c vÒ mÆt thêi gian cña nh÷ng cÊu tróc kh«ng gian x¸c ®Þnh bëi c¸c hμm trùc giao thùc nghiÖm. H×nh 8.4 KÕt qu¶ thùc hiÖn mét ph©n tÝch hμm trùc giao tù nhiªn cña mét tËp hîp c¸c tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vμo mïa ®«ng. Hai hμm trùc giao thùc nghiÖm ®Çu tiªn ®−îc biÓu diÔn ë ®©y; chiÕm 58% sph−¬ng sai tæng céng cña sè liÖu. Chóng cã thÓ cã quan hÖ víi c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa; sù kh¸c biÖt chñ yÕu ë ¢u ¸, n¬i cã sù lång ghÐp (kh«ng trùc giao) gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa kh¸c nhau ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 8.2. MÆt kh¸c, cã sù liªn hÖ tèt gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa vμ c¸c vect¬ EOFs. VÝ dô nh−, EOF ®Çu tiªn bÞ chiÕm −u thÕ bëi h×nh thÕ PNA (Th¸i B×nh D−¬ng-B¾c Mü) trong khi ®ã c¸c ®Æc ®iÓm lín nhÊt cña EOF thø hai t−¬ng øng víi h×nh thÕ NAO (Dao ®éng B¾c §¹i T©y D−¬ng). Sù kÕt hîp tuyÕn tÝnh cña c¸c vect¬ EOF ®Çu tiªn cho ta c¸c h×nh thÕ ®Þa ph−¬ng phï hîp víi c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa ®−îc nhËn biÕt qua kÕt qu¶ ph©n tÝch t−¬ng quan. Tæ hîp tuyÕn tÝnh cña c¸c EOF nμy thùc chÊt lμ mét vect¬ quay x¸c ®Þnh EOF trong kh«ng gian N chiÒu cña Q 'i , vμ v× vËy c¸c kÕt hîp nμy ®−îc gäi lμ ‘EOF quay’. H×nh 8.4(c) vμ (d) biÓu diÔn hai EOF quay ®Çu tiªn ®èi víi ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vμo mïa ®«ng. Chóng phï hîp kh¸ tèt víi c¸c h×nh thÕ PNA vμ NAO. Trong phÇn ®Çu cña môc nμy, c¸c mèi quan hÖ xa ®−îc m« t¶ nh− lμ “nh÷ng dao ®éng ®øng” víi c¸c khu vùc kh«ng giao nhau, n¬i hÖ sè t−¬ng quan víi ®iÓm c¬ së lμ - 223 -
cao, vμ trong c¸c khu vùc giao nhau n¬i cã t−¬ng quan víi ®iÓm c¬ së gÇn nh− b»ng kh«ng. Xem xÐt chuçi thêi gian cña c¸c thμnh phÇn chóng ta thÊy dao ®éng nμy rÊt kh¸c d¹ng sin. H¬n n÷a, mét sè t¸c gi¶ m« t¶ c¸c dao ®éng nh− sù chuyÓn ®æi bÊt th−êng gi÷a hai tr¹ng th¸i hoμn l−u, t−¬ng øng víi dÊu d−¬ng vμ dÊu ©m cña c¸c thμnh phÇn nμy. Mçi tr¹ng th¸i ®−îc xem nh− lμ siªu æn ®Þnh, do ®ã hoμn l−u duy tr× ë tr¹ng th¸i nμy trong mét kho¶ng thêi gian tr−íc khi nã chÞu mét sù biÕn ®æi m¹nh, tuy nhiªn thùc chÊt kh«ng l−êng tr−íc vÒ tr¹ng th¸i ®èi nghÞch. ‘C¸c dÞ th−êng æn ®Þnh’ nμy hay ‘chÕ ®é ®a dßng’ lμ mét kh¶ n¨ng æn ®Þnh trong mét thêi gian, mét ®iÒu ®· râ tõ l©u trong khÝ hËu synèp. §· cã rÊt nhiÒu cè g¾ng ®Ó x¸c ®Þnh chØ sè chu kú cña c¸c h×nh thÕ trªn quy m« khu vùc, trong ®ã sù dao ®éng cña dßng gi÷a mét tr¹ng th¸i dßng vÜ h−íng m¹nh vμ mét dßng vÜ h−íng yÕu h¬n víi c¸c xo¸y cã biªn ®é lín. Tuy nhiªn, vμo c¸c chu kú kh¸c, c¸c thμnh phÇn chÝnh nμy dao ®éng liªn tôc vμ thÊt th−êng. Trong suèt thêi gian nμy, dao ®éng nμy t−¬ng tù víi mét dao ®éng ®øng, mÆc dï víi chu kú rÊt khã x¸c ®Þnh. H×nh 8.4 EOFs Tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vµo mïa ®«ng, dùa theo cïng chuçi sè liÖu 45 th¸ng nh− H×nh 8.1. (a) vµ (b) biÓu diÔn EOF thø nhÊt vµ thø hai t−¬ng øng. C¸c kü thuËt thèng kª tr×nh bμy trong môc nμy ®¬n gi¶n dïng ®Ó t¸ch c¸c h×nh thÕ tr¬n (Ýt nhiÔu ®éng) qui m« lín trong c¸c tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ hay c¸c biÕn kh¸c. C¸c kü thuËt m©y nμy kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc bÊt kú mét c¬ chÕ vËt lý nμo ®èi víi mèi t−¬ng quan cña c¸c tr−êng trªn nh÷ng kho¶ng c¸ch lín. §Ó lμm ®−îc ®iÒu ®ã, cÇn kiÓm tra c¸c sè h¹ng trong c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc ®èi víi dßng khÝ, vμ cÇn c¸c thö nghiÖm sè víi mét m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu. Tuy nhiªn, sù t−¬ng tù gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa ch¼ng h¹n nh− h×nh thÕ PNA, vμ c¸c chuçi sãng Rossby dõng ®−îc m« t¶ trong Ch−¬ng 6 cho thÊy sù lan truyÒn c¸c sãng víi tèc ®é pha nhá h¬n hay b»ng kh«ng lμ mét c¬ chÕ cã thÓ lμm ph¸t triÓn c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa. Ch¼ng h¹n nh− h×nh thÕ nμy cã thÓ bÞ kÝch ®éng bëi mét dÞ th−êng khu vùc cña sù ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi khëi ®Çu mét dÞ th−êng xo¸y ë c¸c vÜ ®é thÊp. Víi b−íc sãng dμi, c¸c sãng Rossby dõng sÏ lan truyÒn gÇn theo kinh - 224 -
h−íng khái khu vùc ban ®Çu vμ lÖch vÒ phÝa c¸c vÜ ®é cao h¬n. MÆt kh¸c, lý thuyÕt tr×nh bÇy trong Ch−¬ng 6 cho thÊy biªn ®é cña sù thÝch øng trong tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ t¨ng theo vÜ ®é, do ®ã mét nhiÔu ®éng víi biªn ®é lín ë miÒn cËn nhiÖt ®íi cã thÓ dÉn tíi mét sù thÝch øng l¹i rÊt ®¸ng kÓ ë c¸c vÜ ®é cao h¬n. Ch¼ng h¹n c¸c dÞ th−êng nhiÖt g©y ra bëi ®èi l−u m¹nh trªn c¸c ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi nãng dÞ th−êng, khi ®ã cã thÓ t¹o ra c¸c dÞ th−êng hoμn l−u ë nh÷ng kho¶ng c¸ch lín tõ dÞ th−êng nhiÖt ®é mÆt biÓn. H×nh 8.4 (tiÕp) (c) vµ (d) biÓu diÔn EOF quay thø nhÊt vµ thø hai, cã thÓ so s¸nh víi c¸c H×nh 8.1 (a, b) (X. Cheng & J. M. Wallace) Mét vÝ dô vÒ kiÓu quan hÖ nμy sÏ ®−îc tr×nh bμy trong môc 8.5. Chu kú cña dÞ th−êng nμy chñ yÕu ®−îc x¸c ®Þnh bëi chu kú cña dÞ th−êng nhiÖt ®é mÆt biÓn, cã nghÜa lμ bëi qui m« thêi gian cña c¸c hoμn l−u trong phÇn trªn cña ®¹i d−¬ng nhiÒu h¬n lμ trong khÝ quyÓn. Qui m« thêi nμy lμ vμi tuÇn th× ®óng h¬n lμ vμi ngμy. HiÖn nay nãi chung ng−êi ta cho r»ng rÊt nhiÒu biÕn ®èi æn ®Þnh cña dßng khÝ miÒn «n ®íi cã quan hÖ víi ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi theo c¸ch nμy, do ®ã trong bμi to¸n dù b¸o qui m« thêi gian mïa hay dμi h¬n th× mét ®iÒu dÔ hiÓu lμ dù b¸o hoμn l−u ®¹i d−¬ng cã chÊt l−îng æn ®Þnh h¬n so víi dù b¸o hoμn l−u khÝ quyÓn. §Ó hiÓu râ c¸c hiÖn t−îng miÒn nhiÖt ®íi kÝch ®éng nh− thÕ nμo ®èi víi chuçi sãng Rossby ë miÒn cùc, ta xÐt ph−¬ng tr×nh xo¸y ®èi víi mét mùc ®¬n trong khÝ quyÓn. Ph−¬ng tr×nh nμy ®−îc viÕt d−íi d¹ng sau   v.  D (8.5) t (xem ph−¬ng tr×nh 1.50) trong ®ã  lμ xo¸y t−¬ng ®èi, xo¸y tuyÖt ®èi b»ng f +  vμ D ph©n kú ngang u / x  v / y . Tõ ph−¬ng tr×nh liªn tôc, D   / p . Gi¶ thiÕt ma s¸t lμ nhá ë c¸c mùc phÇn trªn tÇng ®èi l−u vμ do ®ã kh«ng cã sè h¹ng ma s¸t trong ph−¬ng tr×nh (8.5). T¹i bÒ mÆt, vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh (8.5) m« t¶ sù lan truyÒn cña c¸c sãng Rossby, nh− ®· tr×nh bμy trong môc 6.2, trong khi ®ã sè h¹ng vÕ ph¶i biÓu diÔn t¸c ®éng cña c¸c sãng nμy. ë miÒn nhiÖt ®íi, tèc ®é th¼ng ®øng lín c©n b»ng víi - 225 -
sù ®èt nãng, do ®ã c¸c khu vùc cã l−îng Èn nhiÖt gi¶i phãng lín liªn quan víi ®èi l−u nhiÖt ®íi sÏ t¸c ®éng ®Õn dßng th¨ng lín ë mùc gi÷a vμ dßng ph©n kú t¹i c¸c mùc trªn cña tÇng ®èi l−u. Tuy nhiªn ë miÒn nhiÖt ®íi,  ®æi dÊu ë mét sè khu vùc gÇn xÝch ®¹o, vμ nãi chung cã gi¸ trÞ nhá ë miÒn nhiÖt ®íi. MÆt kh¸c, trong m« h×nh Held-Hou ph−¬ng ¸n lý t−ëng ho¸ cña hoμn l−u Hadley,  b»ng kh«ng khi ®i qua c¸c vßng hoμn l−u Hadley. Do ®ã thay v× chøng quan tr¾c râ rμng vÒ c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa, c¸c dÞ th−êng ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi sÏ kh«ng cã ¶nh h−ëng ®èi víi c¸c sãng kÝch ®éng sãng t¹o ra c¸c quan hÖ víi miÒn vÜ ®é cao h¬n. VÊn ®Ò cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt b»ng nhiÒu c¸ch xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt ph−¬ng  tr×nh xo¸y (8.5). B©y giê tr−êng vËn tèc v cã thÓ ®−îc t¸ch thμnh phÇn quay thuÇn   v  vμ phÇn ph©n kú thuÇn v  (kÕt qu¶ tæng qu¸t cña lý thuyÕt Helmholtz). Tr−êng vËn tèc khi ®ã cã thÓ ®−îc biÓu diÔn qua c¸c sè h¹ng cña hai tr−êng v« h−íng, tr−êng hμm dßng  vμ thÕ vËn tèc  nh− sau    v   k   , v     (8.6) Tõ nh÷ng ®Þnh nghÜa nμy, ta cã ph−¬ng tr×nh xo¸y t−¬ng ®èi    2  vμ phÇn ph©n kú  D   2  . B©y giê thÕ vμo ph−¬ng tr×nh (8.5) ®èi víi v vμ viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh nμy d−íi d¹ng     v  .  D  v  . (8.7) t Ph−¬ng tr×nh nμy biÓu diÔn phÇn hiÖu chØnh gi÷a c¸c sè h¹ng lan truyÒn sãng Rossby liªn quan tíi phÇn quay cña tr−êng giã, ë vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh, vμ c¸c sè h¹ng t¸c ®éng liªn quan ®Õn phÇn ph©n kú cña giã, ë vÕ ph¶i. Sù lan truyÒn c¸c sãng Rossby lμ kÕt qu¶ cña b×nh l−u xo¸y tuyÖt ®èi do phÇn quay, kh«ng ph¶i do phÇn ph©n kú cña tr−êng giã. Sè h¹ng phô biÓu diÔn b×nh l−u xo¸y tuyÖt ®èi do phÇn ph©n kú cña giã   ®−¬ng nhiªn lμ kh«ng nhá, thËm chÝ mÆc dï v  nh×n chung cã gi¸ trÞ nhá so víi v  . §ã lμ bëi v× thμnh phÇn giã quay nh×n chung song song víi c¸c ®−êng ®¼ng trÞ cña , trong khi ®ã thμnh phÇn giã ph©n kú nhá h¬n cã thÓ lμm mét gãc lín víi c¸c ®−êng nμy. C¸c sè h¹ng t¸c ®éng ®¬n gi¶n ®−îc gäi lμ sè h¹ng nguån Rossby S cã thÓ dÉn vÒ d¹ng sau S  .v     (8.8) B©y giê ta cã thÓ thÊy c¸c sãng Rossby cã thÓ bÞ kÝch ®éng bëi sù ®èt nãng miÒn nhiÖt ®íi, thËm chÝ mÆc dï  th−êng nhá t¹i l©n cËn vïng ®èt nãng. Dßng phÇn kú sÏ lín nhÊt l©n cËn r×a cña khu vùc ®èt nãng, bªn ngoμi khu vùc nμy D cã gi¸ trÞ lín. Gradien cña  lín khi gÇn tíi miÒn cËn nhiÖt ®íi, vμ do ®ã S cã thÓ lín ë miÒn cËn nhiÖt ®íi, còng nh− cña cùc ®¹i ®èt nãng miÒn nhiÖt ®íi. Trªn H×nh 8.5 lμ s¬ ®å minh ho¹ ®Æc ®iÓm nμy. Nh÷ng ý t−ëng nμy ®−îc minh häa trªn H×nh 8.6, h×nh vÏ nμy cho thÊy hμm nguån sãng Rossby ®èi víi mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. Ta thÊy mét cùc ®¹i ®èt nãng réng lín phÝa trªn Indonesia (xem H×nh 3.8), mÆc dï ë ®©y lμ mét khu vùc cã  vμ  nhá. Tuy nhiªn, giã ph©n kú m¹nh nhÊt ë phÝa b¾c khu vùc nμy, l©n cËn bê biÓn - 226 -
§«ng Nam ¸. T¸c ®éng cña c¸c sãng Rossby lín nhÊt ë khu vùc cña cùc ®¹i dßng xiÕt Ch©u ¸, c¸ch xa kho¶ng 3000km so víi cùc ®¹i ®èt nãng. H×nh 8.5 S¬ ®å minh häa t¸c ®éng cña mét chuçi sãng Rossby do mét cùc ®¹i ®èt nãng miÒn nhiÖt ®íi. Khu vùc t« ®Ëm chØ khu vùc trong ®ã hµm nguån sãng Rossby lµ lín. Nghiªn cøu ®èi víi c¸c cÊu tróc qui m« lín, tÇn sè thÊp trong hoμn l−u Nam B¸n CÇu bÞ h¹n chÕ do thiÕu sè liÖu vμ biªn ®é t−¬ng ®èi nhá cña nh÷ng nhiÔu ®éng tÇn sè thÊp dõng. ChÊt l−îng cña nh÷ng ph©n tÝch riªng biÖt nh×n chung kÐm h¬n so víi B¾c B¸n CÇu, do ë ®©y Ýt tr¹m cao kh«ng. ChÊt l−îng cña c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch chuçi thêi gian kÐm h¬n so víi B¾c B¸n CÇu do Ýt sè liÖu cao kh«ng. ë ®©y chØ cã c¸c d·y sè liÖu ng¾n rÊt khã cã ®−îc kÕt qu¶ thèng kª æn ®Þnh ®èi víi c¸c hiÖn t−îng tÇn sè thÊp. ë Nam B¸n CÇu ®Òu cã biªn ®é nhá h¬n, vμ kh«ng næi râ trªn tr−êng nÒn bÞ nhiÔu ®éng do c¸c h×nh thÕ quy m« syn«p cña tr−êng nÒn. MÆc dï ®· cã rÊt nhiÒu nç lùc ®Ó x¸c ®Þnh c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa t¸i diÔn trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, chi tiÕt cña c¸c nghiªn cøu kh«ng æn ®Þnh. Tuy nhiªn, cã hai kÕt qu¶ xuÊt hiÖn râ rμng vμ cã mét sè ®iÓm chi phèi víi kÕt qu¶ cña mét sè nghiªn cøu ®éc lËp. ë ®©y, tr×nh bμy kÕt qu¶ tõ nghiªn cøu cña Mo & White (1985) dùa trªn tr−êng trung b×nh th¸ng cña ®é cao mùc 500hPa vμ khÝ ¸p mÆt ®Êt ®−îc tæng kÕt. §Æc ®iÓm quan träng ®Çu tiªn lμ sù t−¬ng quan ©m gi÷a khÝ ¸p mÆt ®Êt hay ®é cao ®Þa thÕ vÞ 500hPa ë miÒn cùc vμ miÒn nhiÖt ®íi, víi mét mode l©n cËn 60oS. Ta thÊy mét nhiÔu ®éng cã liªn quan trong c−êng ®é cña ®íi giã t©y «n ®íi. Mét ®Æc ®iÓm quan träng kh¸c lμ h×nh thÕ 3 sè sãng vÜ h−íng th«ng th−êng. H×nh thÕ kiÓu nh− vËy lμ mét ®Æc ®iÓm cña c¸c tr−êng trung b×nh (xem H×nh 6.1(b)), tuy nhiªn ë ®©y xuÊt hiÖn mét chØ sè chu kú gÇn gi¸ trÞ nμy dßng khÝ miÒn «n ®íi n»m gi÷a mét tr¹ng th¸i cã tÝnh vÜ h−íng h¬n vμ mét tr¹ng th¸i cã sãng dõng víi sè sãng lμ 3. Ph©n tÝch t−¬ng quan cho thÊy sù xuÊt hiÖn ba cùc ®¹i cña t−¬ng quan quanh miÒn «n ®íi Nam B¸n CÇu. - 227 -
H×nh 8.6 Nguån sãng Rossby S ®èi víi mïa ®«ng, 1979-89 t¹i mùc 150hPa. (a) C¸c ®−êng ®¼ng trÞ cña  xo¸y tuyÖt ®èi  , kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 2 x 10-5s-1, vµ c¸c vect¬ giã ph©n kú v  . Vect¬ chuÈn lµ 2ms-1. (b) S, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 5 x 10-11s-2, víi vïng ®Ëm chØ gi¸ trÞ ©m. H×nh 8.7 Sù kh¸c biÖt gi÷a sù kÕt hîp cña tr−êng ®é cao 500hPa ë Nam B¸n CÇu víi chØ sè 3 sãng cùc ®¹i, vµ sù kÕt hîp víi chØ sè 3 sãng cùc tiÓu. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 40m, víi vïng t« ®Ëm chØ c¸c gi¸ trÞ d−¬ng (Mo & White, 1985) - 228 -
DÞ th−êng t¹i t©m cña c¸c cùc ®¹i nμy cã thÓ dïng ®Ó x©y dùng mét chØ sè vÒ c−êng ®é cña h×nh thÕ ba sãng nμy. H×nh 8.7 m« t¶ h×nh thÕ ba sãng. H×nh vÏ nμy dùa trªn sù kÕt hîp cña c¸c tr−êng mμ chØ sè ba sãng lμ lín nhÊt vμ mét sù kÕt hîp t−¬ng tù cña c¸c tr−êng víi chØ sè ba sãng nhá. Trªn h×nh vÏ nμy cho thÊy sù kh¸c biÖt gi÷a hai cùc trÞ. Trªn h×nh nμy còng cho thÊy t−¬ng quan khÝ ¸p gi÷a miÒn vÜ ®é cao vμ miÒn vÜ ®é thÊp mét phÇn còng cã mèi quan hÖ víi dao ®éng ba sãng nμy, v× nh×n chung nã thÓ hiÖn khÝ ¸p cao h¬n trªn khu vùc Nam Cùc so víi trªn khu vùc cËn nhiÖt ®íi. KÕt qu¶ ph©n tÝch EOF dùa trªn c¸c tr−êng trung b×nh th¸ng còng chØ ra ®−îc nh÷ng h×nh thÕ nμy. Chóng chiÕm −u thÕ ®èi víi hai hμm trùc giao ®Çu tiªn, chiÕm tíi 37% ph−¬ng sai cña gi¸ trÞ trung b×nh th¸ng. Trong môc nμy ®· nhÊn m¹nh sù lan truyÒn c¸c sãng Rossby tõ miÒn nhiÖt ®íi ®Õn miÒn «n ®íi. Mét phÇn quan träng cña sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp bao gåm nh÷ng dÞ th−êng dßng khÝ æn ®Þnh ë miÒn «n ®íi cã thÓ liªn quan tíi sù lan truyÒn nμy, vμ do ®ã liªn quan víi nh÷ng dÞ th−êng trong hoμn l−u ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, cÇn nhí r»ng phÇn lín dao ®éng tÇn sè thÊp quan tr¾c ®−îc vμ ho¹t ®éng sãng Rossby dõng b¾t nguån ë miÒn «n ®íi vμ chñ yÕu lan truyÒn vÒ phÝa miÒn nhiÖt ®íi. §iÒu nμy ®−îc chøng minh mét c¸ch râ rμng lμ c¸c th«ng l−îng ®éng l−îng dõng chiÕm −u thÕ ë miÒn cùc. C¸c nguån sãng Rossby miÒn «n ®íi lμ sù t−¬ng ph¶n cña ®Þa h×nh vμ cña ®¹i d−¬ng-lôc ®Þa, còng nh− sù kÝch ®éng c¸c sãng Rossby bëi c¸c hÖ thèng tμ ¸p tøc thêi thuÇn thôc. 8.3 Nh÷ng dao ®éng tÇng b×nh l−u Ng−êi ta quan tr¾c thÊy mét sè dao ®éng cã tÇn suÊt xuÊt hiÖn lín cña giã vÜ h−íng trong tÇng b×nh l−u nhiÖt ®íi. §©y lμ nh÷ng vÝ dô vÒ nh÷ng dao ®éng cña hoμn l−u khÝ quyÓn vμ ng−êi ta cho r»ng chóng ®−îc h×nh thμnh do nh÷ng b¶n chÊt ®éng lùc néi t¹i cña khÝ quyÓn h¬n lμ do nh÷ng t¸c ®éng bªn ngoμi. Trong môc nμy ta sÏ bμn ®Õn hai d¹ng dao ®éng. Mét dao ®éng ®−îc gäi lμ “dao ®éng tùa hai n¨m” (hay lμ “QBO” ); vμ “dao ®éng nöa n¨m” (hay lμ “SAO”). QBO ®−îc quan s¸t thÊy ë phÇn d−íi vμ phÇn gi÷a tÇng b×nh l−u vμ cã thÓ ®−îc nghiªn cøu b»ng sè liÖu cao kh«ng. SAO xÈy ra ë c¸c tÇng cao h¬n trong khÝ quyÓn vμ khã quan tr¾c ®−îc. PhÝa trªn ®é cao tíi ®−îc cña c¸c thiÕt bÞ th¸m kh«ng, nguån d÷ liÖu chñ yÕu do th¸m s¸t nhiÖt ®é tõ vÖ tinh. Tuy nhiªn, gÇn miÒn xÝch ®¹o kh«ng cã ®iÒu kiÖn c©n b»ng phï hîp ®Ó cã thÓ liªn hÖ gi÷a c¸c th¸m s¸t nhiÖt ®é víi tr−êng giã. PhÇn lín c¸c th¸m s¸t cña dao ®éng SAO lÊy tõ mét chuçi h÷u h¹n c¸c ®o ®¹c tõ tªn löa ®−îc phãng tõ c¸c tr¹m ë miÒn nhiÖt ®íi. Dao ®éng QBO bao gåm mét dao ®éng cña giã vÜ h−íng, tõ ®«ng sang t©y ë c¸c mùc trªn cao cña miÒn nhiÖt ®íi. Giã dao ®éng víi mét biªn ®é cùc ®¹i vμo kho¶ng 20- 30m/s ë gÇn mùc 20hPa, vμ nh÷ng dao ®éng nμy cã biªn ®é nhá h¬n phÝa d−íi mùc 50hPa. §íi giã ®«ng nh×n chung kh¸ m¹nh h¬n so víi ®íi giã t©y. BiÕn ®æi vÜ h−íng cã d¹ng hμm Gauss víi nöa ®é réng lμ 120vÜ. Chu kú biÕn ®æi trong kho¶ng tõ 22-34 th¸ng; trong mét kho¶ng thêi gian dμi, chu kú trung b×nh cña dao ®éng kho¶ng 27 - 229 -
th¸ng. §iÒu nμy cho thÊy r»ng dao ®éng nμy kh«ng cã quan hÖ víi chu tr×nh n¨m mÆc dï cã mét sè b»ng chøng cho thÊy ë ®©y cã mét xu thÕ ®¶o ng−îc giã diÔn ra vμo mïa hÌ ë B¾c B¸n CÇu. Trong suèt pha h−íng t©y, ®íi giã t©y vÜ h−íng m¹nh nhÊt ë trªn xÝch ®¹o; ®©y lμ mét dÊu hiÖu râ rμng r»ng c¸c th«ng l−îng m«men ®éng l−îng cña xo¸y ®−îc bao hμm trong dao ®éng QBO, v× dßng khÝ phÝa t©y nμy cã m«men gãc trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng lín h¬n bÊt kú mét vïng nμo kh¸c trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Cùc ®¹i nμy kh«ng thÓ ®¹t ®−îc trong hoμn l−u kh«ng ma s¸t ®èi xøng trôc. VÒ vÊn ®Ò nμy sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 10.3. Mét b»ng chøng quan träng vÒ b¶n chÊt cña c¸c c¬ chÕ h×nh thμnh dao ®éng QBO ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 8.8. H×nh 8.8 MÆt c¾t th¼ng ®øng theo thêi gian-®é cao cña giã vÜ h−íng trung b×nh th¸ng dùa trªn quan tr¾c cña c¸c tr¹m miÒn nhiÖt ®íi ë ®¶o Canton (th¸ng 1/1953 ®Õn 8/1967), §¶o Maldive (th¸ng 9/1967 ®Õn 12/1975) vµ Singapore (th¸ng 1/1976 ®Õn 5/1992). Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 10m/s, vïng t« ®Ëm lµ ®íi giã t©y (Naujokat, 1986) - 230 -
§©y lμ mÆt c¾t th¼ng ®øng theo chiÒu cao vμ thêi gian cña thμnh phÇn vÜ h−íng cña giã quan s¸t ®−îc ë mét sè tr¹m miÒn nhiÖt ®íi. Dao ®éng nμy b¾t nguån tõ c¸c mùc trªn cao vμ lan truyÒn chËm xuèng phÝa d−íi. ë ®©y cã tÝnh bÊt ®èi xøng ®¸ng kÓ. Ch¼ng h¹n nh−, sù chuyÓn tõ dßng giã ®«ng sang dßng giã t©y lan truyÒn xuèng phÝa d−íi nhanh h¬n so víi sù chuyÓn tõ dßng giã t©y sang dßng giã ®«ng. DÔ dμng nhËn thÊy r»ng dao ®éng QBO kh«ng ®¬n gi¶n lμ mét sãng lan truyÒn tõ trªn cao xuèng. Sù tiªu t¸n sÏ nhanh chãng ng¨n chÆn dao ®éng nμy, mËt ®é gi¶m theo quy luËt hμm mò theo chiÒu cao ®ßi hái biªn ®é ph¶i lín nhÊt ë khu vùc t¸c ®éng vμ biªn ®é gi¶m theo quy luËt hμm mò khi sãng lan truyÒn xuèng phÝa d−íi. Trong tr−êng hîp bÊt kú rÊt khã chøng minh r»ng c¬ chÕ nμo cã thÓ t¹o sãng tÇn sè thÊp ë c¸c mùc trªn cao trong tÇng b×nh l−u. Lý thuyÕt vÒ dao ®éng ®−îc chÊp nhËn hiÖn nay vÒ QBO cho r»ng dßng bÞ t¸c ®éng tõ tÇng ®èi l−u vμ do ®ã cã sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c sãng lan truyÒn lªn phÝa trªn vμ dßng trung b×nh. Mét m« pháng theo h−íng nμy ®−îc Plumb & McEwan (1978) thùc hiÖn trong phßng thÝ nghiÖm. C¸c thiÕt bÞ nμy ®−îc minh häa trªn H×nh 8.9 bao gåm mét bÓ h×nh trô chøa n−íc biÓn ®−îc ph©n tÇng víi mét c¬ chÕ kÝch ®éng t¹o sãng ®øng, tÇn sè  vμ sè sãng vÜ h−íng k trªn biªn d−íi. Sãng ®øng kiÒu nh− vËy cã thÓ ®−îc t¸ch thμnh hai sãng di chuyÓn víi biªn ®é b»ng nhau nh−ng di chuyÓn theo h−íng ng−îc nhau víi tèc ®é pha c   / k . Dung dÞch n−íc biÓn cho ta c¸c sãng träng tr−êng néi, víi sè sãng vÜ h−íng k vμ sè sãng th¼ng ®øng m. Quan hÖ tiªu t¸n ®èi víi c¸c sãng träng tr−êng néi lan truyÒn th¼ng ®øng lμ Nk   Uk  (8.9)   1/ 2 k  m2 2 trong ®ã U lμ giã vÜ h−íng, ®−îc coi lμ kh«ng ®æi hoÆc chØ lμ mét hμm biÕn ®æi rÊt chËm theo chiÒu cao z, vμ N lμ tÇn sè Brunt-Vaisala. Lý thuyÕt vÒ sù lan truyÒn th¼ng ®øng cña c¸c sãng träng tr−êng néi qua m«i tr−êng trong ®ã giã vÜ h−íng biÕn ®æi chËm theo ®é cao cã thÓ ph¸t triÓn, dùa trªn quan hÖ tiªu t¸n. C¸c b−íc nμy gièng víi c¸c b−íc trong môc 6.2 ®èi víi sù lan truyÒn theo ph−¬ng ngang cña sãng Rossby. TÇn sè vμ sè sãng vÜ h−íng ®−îc b¶o toμn theo sãng lan truyÒn trong khi ®ã ph−¬ng tr×nh (8.9) cã thÓ ®−îc s¾p xÕp l¹i ®Ó cho ta quan hÖ chÈn ®o¸n gi÷a m vμ gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña giã vÜ h−íng U N2 m2   k2 (8.10) c  U  2 DÊu cña m ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn vËn tèc nhãm cña sãng träng tr−êng h−íng lªn trªn. Tõ quan hÖ tiªu t¸n, thμnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm,  / m cã thÓ viÕt d−íi d¹ng c  U 3 km c gz  (8.11) N2 Do ®ã, ®Ó b¶o ®¶m sù lan truyÒn n¨ng l−îng lªn trªn, c¨n ©m ®èi víi m ph¶i ®−îc chän khi U > c, vμ c¨n d−¬ng khi U < c. Ph−¬ng tr×nh (8.10) còng cho thÊy cã sù h¹n chÕ ®èi - 231 -
víi gi¸ trÞ cña U trong bÊt kú sù lan truyÒn th¼ng ®øng nμo. Sè sãng theo chiÒu th¼ng ®øng lμ ¶o, cã nghÜa lμ c¸c sãng bÞ biÕn d¹ng theo chiÒu th¼ng ®øng, trõ phi c  U 2  N 2 / k 2 (8.12) Sù lan truyÒn th¼ng ®øng chØ xÈy ra ®èi víi kho¶ng tèc ®é dßng tËp trung ë c. KÝch th−íc cña kho¶ng nμy phô thuéc vμo viÖc lùa chän c¸c gi¸ trÞ N vμ k. H×nh 8.9 C¸c dông cô ®−îc Plumb & McEwan sö dông nh− lµ mét m« h×nh cña QBO Minh häa vÒ sù giíi h¹n ®èi víi gi¸ trÞ U ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 8.10. H×nh nμy cho ta thμnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm lμ mét hμm cña tèc ®é dßng khÝ U. C¸c gi¸ trÞ cña U, k vμ  lμ c¸c gi¸ trÞ ®−îc Plumb-McEwan sö dông trong thÝ nghiÖm. Sù lan truyÒn th¼ng ®øng chØ cã thÓ xÈy ra víi U nhá h¬n 57 mm/s. Gi¶ thiÕt U lμ giã t©y, vμ cã ®é lín xÈy ra sù lan truyÒn th¼ng ®øng. §é nghiªng cña c¸c ®−êng pha kh«ng ®æi ®¬n gi¶n lμ m/k; yªu cÇu cgz ph¶i h−íng lªn trªn cã nghÜa lμ m tr¸i dÊu víi c – U. V× vËy sù nghiªng pha vÒ phÝa t©y theo ®é cao khi U > c. §iÒu nμy cã nghÜa lμ   u * w * ©m, ph¶i lμ dßng th¼ng ®øng cña ®éng l−îng giã ®«ng. GÇn c¸c mùc n¬i sãng bÞ tiªu t¸n, do khuÕch t¸n néi ch¼ng h¹n, ph¶i cã sù héi tô cña dßng ®éng l−îng giã ®«ng, vμ do ®ã gia tèc h−íng ®«ng sÏ lμ phæ biÕn. L©n cËn c¸c mùc nμy, U sÏ gi¶m tõ tõ, vμ cuèi cïng ®¹t tíi gi¸ trÞ t¹i ®ã khëi ®Çu sù lan truyÒn th¼ng ®øng. NÕu t¸c ®éng ë mùc nμy ®−îc duy tr×, mùc giã b»ng kh«ng do ®ã dÇn dÇn sÏ h¹ xuèng trong dßng khÝ. Cuèi cïng, ®íi giã ®«ng sÏ h¹ xuèng tíi ®¸y. Khi ®ã c¸c sãng víi U < c cã thÓ lan truyÒn theo chiÒu th¼ng ®øng. NÕu tÊt c¶ c¸c lËp luËn trªn ®¶o ng−îc, khi ®ã c¸c sãng nμy sÏ vËn chuyÓn ®éng l−îng h−íng t©y lªn cao, vμ g©y ra sù ®¶o ng−îc dßng khÝ, tr−íc hÕt ë c¸c mùc trªn cao sau ®ã t¹i c¸c mùc thÊp h¬n. Dông cô nμy thÓ hiÖn mét dao ®éng tÇn sè thÊp cña giã vÜ h−íng, ®iÒu khiÓn bëi c¸c t−¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c sãng träng tr−êng lan truyÒn lªn trªn vμ dßng vÜ h−íng. Nãi chung, hiÖn nay ng−êi ta ®· chÊp nhËn r»ng dao ®éng tùa hai n¨m cña khÝ quyÓn bÞ ®iÒu khiÓn theo c¸ch nμy. C¸c chuyÓn ®éng trong tÇng ®èi l−u, ®Æc biÖt nh÷ng chuyÓn ®éng g¾n liÒn víi c¸c ®¸m m©y tÝch ®èi l−u ë miÒn nhiÖt ®íi, cã thÓ t¸c ®éng tíi mét phæ c¸c nhiÔu ®éng t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. C¸c sãng träng tr−êng - 232 -
lan truyÒn th¼ng ®øng cã thÓ Ýt quan träng h¬n nhiÒu ®èi víi QBO so víi c¸c sãng lan truyÒn th¼ng ®øng qui m« lín h¬n; quan träng lμ c¸c sãng Kelvin qui m« hμnh tinh, cã thÓ lan truyÒn lªn tÇng b×nh l−u trong c¸c ®iÒu kiÖn giã ®«ng vμ c¸c sãng hçn hîp Rossby-träng tr−êng cã thÓ lan truyÒn trong c¸c ®iÒu kiÖn giã t©y. Môc 7.1 cho ta mét c¸ch gi¶i thÝch vÒ c¸c sãng qui m« hμnh tinh lan truyÒn vÒ phÝa xÝch ®¹o. §Æc tr−ng kh¸c biÖt cña nh÷ng sãng nμy gióp ta gi¶i thÝch sù bÊt ®èi xøng quan tr¾c ®−îc gi÷a pha giã ®«ng vμ giã t©y cña ®ao ®éng tùa hai n¨m QBO; b¶n chÊt hçn lo¹n cña t¸c ®éng cã sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp ®¸ng kÓ, ®iÒu nμy gi¶i thÝch t¹i sao QBO chØ cã nöa chu kú. Sù h¹n chÕ cña QBO ®èi víi nh÷ng vÜ ®é nhiÖt ®íi ph¶n ¸nh sù h¹n chÕ cã tÝnh kÝnh h−íng cña c¸c dao ®éng xÝch ®¹o ®iÒu khiÓn nã. H×nh 8.10 Sù phô thuéc cña c¸c thµnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm vµo dßng vÜ h−íng U ®èi u w  u w  víi m« h×nh QBO trong phßng thÝ nghiÖm cña Plumb-McEwan. §−êng liÒn biÓu diÔn c¸c tr−êng hîp U * * * * < c vµ do ®ã > 0. §−êng ®øt biÓu diÔn c¸c tr−êng hîp U > c vµ < 0. Dao ®éng nöa mïa (SAO) cã nhiÒu ®Æc ®iÓm chung víi dao ®éng tùa hai n¨m QBO. Gièng nh− QBO, nã bao gåm mét dao ®éng giã vÜ h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi. Dao ®éng nμy cã biªn ®é cùc ®¹i ë gÇn ®Ønh tÇng b×nh l−u vμ ®Ønh tÇng khÝ quyÓn gi÷a; d−êng nh− dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng trung l−u kh¸c nhiÒu so víi dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u, vμ cã thÓ bÞ ®iÒu khiÓn bëi c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau. D−íi 40km, dao ®éng nμy trë nªn yÕu h¬n vμ bÞ lÊn ¸t bëi QBO. Dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u cã biªn ®é kho¶ng 30ms-1 vμ mét nöa ®é réng lμ 25o vÜ. Cùc ®¹i cña giã t©y t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u xuÊt hiÖn ngay sau ®iÓm ph©n vμ cùc ®¹i giã ®«ng xuÊt hiÖn ngay sau ®iÓm chÝ. §«i khi ng−êi ta nãi r»ng SAO cã ph¹m vi toμn cÇu chø kh«ng chØ h¹n chÕ ë miÒn nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, d−êng nh− SAO ë miÒn ngo¹i nhiÖt ®íi ®¬n gi¶n lμ mét hμm ®iÒu hßa ®Çu tiªn cña chu tr×nh n¨m cña giã vÜ h−íng. Gia tèc giã t©y cña SAO tÇng b×nh l−u ®Çu tiªn xuÊt t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u vμ lan truyÒn xuèng d−íi, víi tèc ®é kho¶ng 10km/th¸ng. Nã hoμn toμn t−¬ng tù víi QBO, vμ cã b»ng chøng râ rμng r»ng c¸c sãng Kelvin lan truyÒn theo chiÒu th¼ng ®øng liªn quan víi gia tèc giã t©y. Tuy nhiªn, kh«ng cã b»ng chøng ®Çy ®ñ vÒ ho¹t ®éng cña sãng Kelvin gi¶i thÝch cho ®é lín cña gia tèc nμy; ®iÒu nμy cã thÓ lμ c¸c sãng träng tr−êng còng ®ãng mét vai trß nμo ®ã. Gia tèc giã ®«ng th× hoμn toμn kh¸c. Nã xuÊt hiÖn hÇu nh− ®ång thêi t¹i tÊt c¶ c¸c mùc, vμ do ®ã c¸c sãng lan truyÒn theo chiÒu - 233 -
th¼ng ®øng ph¶i ®ãng mét vai trß phô trî trong viÖc ®iÒu khiÓn nã. VËn chuyÓn theo ph−¬ng ngang cña m«men ®éng l−îng cÇn ®Ó cung cÊp t¹o gia tèc ®ång thêi t¹i tÊt c¶ c¸c mùc. B×nh l−u trung b×nh vÜ h−íng cña ®íi giã ®«ng mïa hÌ v−ît xÝch ®¹o cã thÓ gi¶i thÝch cho ®é lín cña gia tèc giã ®«ng, víi vËn chuyÓn ®éng l−îng theo ph−¬ng ngang liªn quan víi sù ph¸ vì c¸c sãng Rossby trong b¸n cÇu mïa ®«ng, cã thÓ ®ãng mét vai trß quan trong thø hai. Chi tiÕt h¬n vÒ c¸c vÊn ®Ò liªn quan tíi hoμn l−u tÇng b×nh l−u sÏ ®−îc ®Ò cËp trong Ch−¬ng 9. SAO t¹i ®Ønh tÇng trung quyÓn kh«ng ®−îc quan tr¾c mét c¸ch râ rμng. Ng−êi ta cho r»ng nã chñ yÕu bÞ ®iÒu khiÓn bëi c¸c sãng träng tr−êng lan truyÒn lªn trªn, t−¬ng tù trong d¹ng Plumb-McEwan cña QBO. 8.4 Dao ®éng néi mïa Ngoμi c¸c chu tr×nh dao ®éng theo mïa th«ng th−êng, nh÷ng dao ®éng tùa chu kú cña hoμn l−u tÇng ®èi l−u lμ kh¸ hiÕm. V× vËy nã trë thμnh chñ ®Ò míi l¹ ®Çu nh÷ng n¨m cña thËp kû 70, khi ng−êi ta ph¸t hiÖn ra mét dao ®éng tùa chu kú cña hoμn l−u giã vÜ h−íng víi chu kú kho¶ng tõ 40 ®Õn 50 ngμy. Tõ ®ã dao ®éng nμy ®−îc dÉn chøng nhiÒu trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ sù biÕn ®æi cña tÇng ®èi l−u. Chu kú nμy cã thÓ biÕn ®æi, vμ kho¶ng biÕn ®æi cña nã ®Õn nay ®· më réng tõ 30 ®Õn 60 ngμy. C¸c tªn gäi kh¸c nhau nh− dao ®éng 30-60 ngμy, dao ®éng 40-50 ngμy vμ dao ®éng Madden- Julian, tªn gäi phï hîp nhÊt cã thÓ lμ “dao ®éng néi mïa”, tøc lμ mét dao ®éng bÊt th−êng nμo ®ã cã quy m« thêi gian ®ñ dμi ®Ó ®em so s¸nh víi nh÷ng quy m« syn«p nh−ng l¹i ng¾n h¬n so víi quy m« thêi gian theo mïa. H×nh 8.11 biÓu diÔn sè liÖu khÝ ¸p bÒ mÆt t¹i tr¹m ®¬n, Canton Island (3oS, 172oW); dao ®éng nμy thÓ hiÖn trong sè liÖu t¹i tr¹m ®ã vμ thÓ hiÖn rÊt râ khi thùc hiÖn mét phÐp läc d¶i tÇn sè thÝch hîp ®Ó bá qua nh÷ng tÇn sè cao vμ chu kú mïa. H×nh 8.11 BiÕn tr×nh khÝ ¸p mÆt ®Êt tõ Canton (3oS, 172oW). §−êng cong trªn lµ biÕn tr×nh sè liÖu th« vµ ®−êng cong n»m d−íi lµ kÕt qu¶ cña viÖc ¸p dông phÐp läc cã trung t©m l©n cËn 45 ngµy ®èi víi chuçi sè liÖu. ( Madden & Julian, 1972) - 234 -
KÕt qu¶ so s¸nh sè liÖu quan tr¾c tõ nhiÒu tr¹m ë miÒn nhiÖt ®íi cho thÊy dao ®éng nμy dÞch chuyÓn vÒ phÝa ®«ng, cã sè sãng vÜ h−íng lμ 1, tËp trung ë xÝch ®¹o víi nöa ®é réng kho¶ng 10 ®é vÜ. Nã thÓ hiÖn râ nhÊt trong c¸c tr−êng khÝ ¸p bÒ mÆt, nhiÖt ®é vμ giã vÜ h−íng, vμ gÇn ®©y còng ®−îc x¸c ®Þnh trong c¸c m« h×nh ph©n bè m©y ®èi l−u vμ ph©n bè m−a. Dao ®éng nμy biÕn ®æi c¶ vÒ c−êng ®é vμ tèc ®é pha. Nã biÕn ®æi lín nhÊt vμo c¸c th¸ng mïa ®«ng vμ yÕu nhÊt trong nh÷ng th¸ng mïa hÌ vμ còng cã thÓ nhËn thÊy ë mäi thêi gian trong n¨m. MÆt c¾t th¼ng ®øng theo kinh ®é- thêi gian cho thÊy nh÷ng nhiÔu ®éng trong mïa di chuyÓn vÒ phÝa ®«ng qua Ên §é D−¬ng vμ ®¹t biªn ®é cùc ®¹i ë Indonesia. Trªn vïng trung t©m vμ vïng t©y Th¸i B×nh D−¬ng, c¸c nhiÔu ®éng nμy kh¸ yÕu vμ diÔn ra víi ®Æc tr−ng cña mét dao ®éng ®øng. H×nh 8.12 biÓu diÔn cÊu tróc cña dao ®éng néi mïa, dùa trªn t¸m chu kú mïa ®«ng lÊy tõ ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ©u (ECMWF). Ph©n tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm ®· ®−îc sö dông ®Ó c« lËp dao ®éng nμy trong tr−êng thÕ vËn tèc. ¸p dông phÐp läc sè ta t¸ch ®−îc c¸c chu kú 30-60 ngμy ®èi víi chuçi thêi gian cña thÕ vËn tèc t¹i mùc 150hPa vμ 850hPa. Chuçi thêi gian läc ®−îc sö dông nh− lμ c¬ së cña phÐp ph©n tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm EOF. H×nh 8.12 (a,b) hai hμm trùc giao thùc nghiÖm ®Çu tiªn t¹i mùc 150hPa. §Æc ®iÓm næi bËt nhÊt cña EOF1 trªn khu vùc Indonesia víi sù ph©n kú mùc trªn cao trªn vïng Indonesia vμ sù héi tô mùc thÊp. EOF2 hÇu nh− kh¸c pha víi EOF1, vμ chuçi thêi gian cña thμnh phÇn chÝnh t−¬ng øng (H×nh 8.12(c)) dao ®éng theo hμm bËc hai. KÕt hîp c¸c tr−êng EOF1 vμ EOF2 cho ta mét nhiÔu ®éng lan truyÒn chñ yÕu theo h−íng ®«ng víi biªn ®é lín nhÊt ë khu vùc Indonesia. H×nh 8.12 EOF1 (a) vµ 2 (b) cña tr−êng ph©n kú ®èi víi 8 mïa ®«ng cña sè liÖu t¹i Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u - 235 -
ThÕ vËn tèc th−êng ®−îc sö dông nh− biÓu diÔn trªn H×nh 8.12, ®Ó chÈn ®o¸n nh÷ng chuyÓn ®éng bÞ ®iÒu khiÓn bëi ®èi l−u ë miÒn nhiÖt ®íi. Nã cho thÊy mét bøc tranh vÒ dßng ®i ra khái nh÷ng khu vùc ®èi l−u m¹nh, vμ ®iÒu nμy cho thÊy dßng khÝ toμn cÇu cã ph¶n øng víi t¸c ®éng nμy. Tuy nhiªn, ®iÒu nμy cã thÓ rÊt dÔ nhÇm lÉn. Ch¼ng h¹n nh−, gi¶ thiÕt r»ng tr−êng giã liªn quan víi sãng Kelvin xÝch ®¹o ®−îc chia thμnh thμnh phÇn quay vμ thμnh phÇn ph©n kú, cã thÓ ®−îc biÓu diÔn b»ng hμm dßng vμ thÕ vËn tèc t−¬ng øng. C¶ hai tr−êng nμy ®Òu mang tÝnh toμn cÇu. V× sãng Kelvin thùc chÊt lμ nhiÔu ®éng xÝch ®¹o nhanh chãng gi¶m yÕu vμ biÕn mÊt khi v−ît qua vÜ tuyÕn 200 vÒ phÝa cùc. H×nh 8.12 (tiÕp) (c) C¸c chuçi thêi gian cña thµnh phÇn chñ yÕu t−¬ng øng; ®−êng liÒn lµ PC1, ®−êng ®øt lµ PC2 (Theo A. Matthews) Thùc tÕ, thμnh phÇn quay vμ thμnh phÇn ph©n kú cña vÐc t¬ giã ®èi víi sãng Kelvin thuÇn triÖt tiªu lÉn nhau ë miÒn «n ®íi nh−ng chóng kÝch ®éng lÉn nhau ë miÒn nhiÖt ®íi. Trong khi hiÖu øng Helmhol cña tr−êng giã rÊt cã ý nghÜa vÒ mÆt to¸n häc l¹i kh«ng cã ý nghÜa vËt lý trong tr−êng hîp nμy. §iÒu ®ã còng ®óng, Ýt nhÊt á møc ®é nμo ®ã, ®èi víi dßng khÝ liªn quan víi dao ®éng trong mïa. Trªn mÆt c¾t th¼ng ®øng theo kinh tuyÕn, dao ®éng giã vÜ h−íng m¹nh nhÊt ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u, gi÷a mùc 150 vμ 200hPa vμ còng cã cÊu tróc tμ ¸p cña nhiÔu ®éng tÇng ®èi l−u víi chuÈn sai giã ®«ng mùc thÊp n»m d−íi chuÈn sai giã t©y trªn cao vμ ng−îc l¹i. Quan hÖ gi÷a tr−êng ¸p vμ tr−êng gÝo mÆt ®Êt vμ sù ph©n bè cña khu vùc ®èi l−u t¨ng c−êng ®−îc minh ho¹ b»ng s¬ ®å trªn H×nh 8.13. Chu tr×nh ®−îc chiÕm −u thÕ bëi sù t¨ng c−êng ®èi l−u phÝa trªn c¸c khu vùc chuÈn sai lín héi tô. Khu vùc ®èi l−u t¨ng c−êng nμy xuÊt hiÖn ë Indonªsia vμ di chuyÓn vÒ phÝa ®«ng ngang qua Th¸i B×nh D−¬ng, gÇn tíi kinh tuyÕn 1800W tr−íc khi tan biÕn. ChuÈn sai ®èi l−u mét phÇn cña d¶i ®èi l−u ph¸t triÓn n»m theo h−íng vÜ tuyÕn hay lμ mét phÇn cña vßng hoμn l−u Walker, gÇn nh− c¸c vßng hoμn l−u Walker cña dßng trung b×nh theo thêi gian ®−îc m« t¶ trong môc 8.1 CÊu tróc m©y cïng víi tèc ®é lan truyÒn sang phÝa ®«ng ®−îc coi lμ dao ®éng néi mïa vμ cã thÓ gi¶i thÝch b»ng c¸c thμnh phÇn cña sãng Kelvin lan truyÒn. Khã kh¨n trong viÖc gi¶i thÝch t¹i sao tèc ®é lan truyÒn nhá h¬n tèc ®é lan truyÒn cña sãng Kelvin kh«ng ®¬n gi¶n nh− th¶o luËn trong môc 8.2. VÊn ®Ò thø hai lμ c¬ chÕ - 236 -
khëi t¹o sãng Kelvin. Râ rμng lμ ®èi l−u Èm nhiÖt ®íi cã thÓ b¶o ®¶m n¨ng l−îng cÇn thiÕt th«ng qua hiÖu øng håi tiÕp gi÷a dßng quy m« lín vμ quy m« ®èi l−u. §é bÊt æn ®Þnh ®iÒu kiÖn lo¹i hai (CISK) lμ m« h×nh gi¶ thiÕt vÒ c¬ chÕ håi tiÕp nμy. V× vËy, ®Ó ®èi l−u khëi t¹o ë khu vùc nhÊt ®Þnh cÇn ph¶i cã sù héi tô dßng h¬i n−íc vμo khu vùc nμy. Qu¸ tr×nh gi¶i phãng Èn nhiÖt trong yÕu tè ®èi l−u ®iÒu khiÓn dßng th¨ng mùc gi÷a, t¨ng c−êng sù héi tô Èm mùc thÊp vμo khu vùc héi tô. M« h×nh héi tô vμ ph©n kú b»ng c¸ch ®ã còng t¹o nªn ®é xo¸y t−¬ng ®èi quy m« lín th«ng qua thμnh phÇn nguån S cña sãng Rossby (ph−¬ng tr×nh (8.7) vμ (8.8)). C¬ chÕ ®ã còng ®−îc gi¶ thiÕt lμ c¬ chÕ h×nh thμnh cña b·o còng nh− hÖ thèng thêi tiÕt. VÊn ®Ò ®èi víi c¬ chÕ nμy lμ chóng phô thuéc vμo mét sè quan hÖ gi÷a chuyÓn ®éng quy m« ®èi l−u vμ tr−êng syn«p quy m« lín do ®ã v−ît qu¸ viÖc tham sè ho¸ ®èi l−u. Tõ ®ã mét ®iÒu kh«ng g× ng¹c nhiªn lμ c¸c m« h×nh lý thuyÕt cña dao ®éng néi mïa cho kÕt qu¶ dù b¸o kh¸c nhau ®èi víi tèc ®é lan truyÒn sãng. C¬ chÕ CISK cã thÓ t¸c ®éng mét c¸ch râ rμng lμm chËm sãng Kelvin b»ng c¸ch biÕn ®æi phèi hîp gi÷a dßng khÝ trªn cao vμ d−íi thÊp. NhiÒu dßng trong m« h×nh khÝ hËu toμn cÇu cã thÓ t¹o nªn mét sè dao ®éng nh−ng cho tèc ®é lan truyÒn qu¸ cao. KÕt qu¶ ch¾c ch¾n lμ nhËy c¶m víi ph−¬ng ph¸p tham sè ho¸ ®èi l−u ®· ®−îc sö dông. Do dao ®éng mïa lÇn ®Çu tiªn ®−îc nhËn biÕt vμ ®−îc minh häa b»ng sè liÖu quan tr¾c khÝ quyÓn nhiÖt ®íi (®Æc biÖt lμ nhê kh¶ n¨ng cña sè liÖu vÖ tinh) vμ kÕt qu¶ ph©n tÝch chi tiÕt sè liÖu tr−íc ®ã ®· ph¸t hiÖn dÊu hiÖu cña dao ®éng nμy trong nhiÒu tr−êng khÝ t−îng. Ch¼ng han, thêi kú giã mïa thô ®éng vμ tÝch cùc trong giã mïa Ên §é, trong thêi gian ®ã cã sù nhiÔu ®éng m−a giã mïa ®−îc nhËn biÕt nh− lμ m« pháng cña hoμn l−u giã mïa g©y nªn do dao ®éng néi mïa. L−îng m©y trªn Nam Mü vμ Ch©u Phi còng biÕn ®æi phï hîp víi pha cña dao ®éng néi mïa. Ng−êi ta còng ph¸t hiÖn ra ®−îc mét sè thÝch øng toμn cÇu. Ch¼ng h¹n, ®é dμi ngμy trùc tiÕp ph¶n ¸nh nh÷ng biÕn ®æi cña m« men ®éng l−îng còng cã dao ®éng víi chu kú 30-60 ngμy. 8.5 Dao ®éng nam Nh÷ng dao ®éng víi quy m« thêi gian mét n¨m hay dμi h¬n gãp phÇn lμm biÕn ®æi dao ®éng gi÷a c¸c n¨m trong ®ã mét mïa ®«ng vμ mét mïa hÌ nμy cã sù kh¸c biÖt ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ so víi mïa hÌ vμ mïa ®«ng n¨m kh¸c. Ph©n tÝch EOF hay ph©n tÝch t−¬ng quan c¸c tr−êng trung b×nh theo mïa hay trung b×nh n¨m cho thÊy c−êng ®é, h×nh thÕ kh«ng gian cã liªn quan víi c¸c biÕn ®æi qua c¸c n¨m. Mét h×nh thÕ nh− vËy ®· ®−îc ph¸t hiÖn vμ nhËn biÕt nh− mét cÊu tróc biÓu hiÖn râ. Nã gi¶i thÝch cho mét phÇn ph−¬ng sai biÕn ®æi qua c¸c n¨m toμn cÇu. ë ®©y cã hai mÆt qu¸ tr×nh: mét lμ dao ®éng cña hoμn l−u khÝ quyÓn vμ hai lμ dao ®éng cña hoμn l−u ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi. HiÖn t−îng nμy xuÊt hiÖn trong nhiÒu n¨m d−íi d¹ng t−¬ng quan ©m gi÷a khÝ ¸p bÒ mÆt t¹i khu vùc Darwin, Australia vμ ®¶o Easter ë gi÷a Th¸i B×nh D−¬ng. HiÖn t−îng nμy ®−îc gäi lμ “dao ®éng nam”. PhÇn phÝa trªn ®¹i d−¬ng cña dao ®éng nμy thÓ hiÖn ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é mÆt biÓn ngoμi kh¬i Peru. Th«ng th−êng n−íc tråi mang n−íc l¹nh giμu chÊt dinh d−ìng lªn bÒ mÆt ë ®©y. Nh−ng vμi n¨m mét lÇn n−íc tråi bÞ suy yÕu vμ nhiÖt ®é mÆt n−íc biÓn t¨ng vμi ®é dÉn ®Õn hËu qu¶ lμ sù thÊt thu trong - 237 -