Giáo trình động lực học khí quyển vĩ độ thấp phần 1 kiều thị xin

o DG a p o NHÀ XUAT BẢN ĐẠI HỌC QUỔC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KIỂU THỊ XIN Đ Ộ•N G L ự• c H Ọ•C K H Í Q UN V Ĩ ĐỘ TH ÂP N H À X U Ấ T BẢN ĐẠI HỌC Q ố c G I A HÀ NỘI Chịu trách nhiêm xuất G iá m đốc: N G U YẺN VÀN THỎA Tổng biên tập: N G U Y Ễ N T H IỆ N G IÁ P N g i n h ậ n xét: PG S T S T R A N TẢ N T IÊN PGS T S N G U YỄN VÃN T U Y Ê N PGS T S PH AN VÁN TÂN B iê n tập: NGỌC QUYÊN NHƯ QUỲNH T rìn h bàx b ìa : NGỌC ANH ĐỘNG Lực HỌC KHÍ QUYÊN vĩ ĐỘ THẤP M ã số: 14 Đ H 0 In 300 cuồn tai Nha in Đai hoc Q uốc gia Hà NÔI Sỏ xuất 2 /1 71/CXB Sồ trích ngang In xong vã nịp lưii chiểu quý IV năm 2Ọ02 287 KH/XB Giáo trìn h Đ ỏ n g lự c h o c k h í q u yển v ĩ độ c u n £ cấp cho sinh viên d i học sou đ i học th ấp nhằm ngành K h í tượng nhũng kiến thức K h i tư ợ n g động lự c học nh iệt đớ i đạ i, đ ìự th i thê chật chẽ n h ữ n g kiến thức độ n ỉ lực học k h í quyến cỏ điéìt G iáo tr in h cịn có thê m tà i Liệu th a m khảo cho cán nghiên cửu n g n h K h í tượng - T h u ỷ văn Cling n h ngành khoa học khác có quan hệ chê với th ỉtiiit k h í hậu n h iệ t đới N gười sử dụ n g g iá o trin h coi n h đả có kiến thức sở to t ể v ậ t lý cô đ iể n , hiểu biết tốt tốn tín h m ột sơ phe) toán vectơ ỉn I at d u a th is des e d itio n o f D y n a m ic a l M e te o ro lo g y of lo w have attem pted to p ro vid e to students o f m eteorology t ’ xt th a t reflects a scope o f m odern meteorology, w h ile p ro v id in g a tro p ic a l d y n a m ic a l coherent presentation of fu n la m e n ta ls o f classical d y n a m ic a l meteorology The text can he c u se fu l reference fo r researchers m eteorologists , a n d also fo r the scientists o f o th e r scie n tific fie ld s interested in d yn am ics o f weather a n d clim a te in the tropics It is assumed th a t the re a d e r has m astered the fu n la m e n ta ls o f classical physics a n d has thoroug h know ledge o f eem entary ca lcu lu s w ith little basis in vector operations MỤC LỤC Lời nói d ầ u C hương mở dầu ỉ1 M l Giới thiệu 11 M.2 Những đặc tính khí tượng học dộng lực 14 M.3 Một s ố đạc điểm hồn lưu khí qu yển độ thấp 19 C hươ ng 1: C c d in h luật b ả n c ủ a d ộ n g lực học k h i q u y ế n 29 ] K h niệm c h u n g v biểu diễn vi p h â n 29 Phương trình động lượng v iết dưối d n g vectơ hệ toạ độ q u a y 32 1.3 Các phương trình ch u y ển động hệ toạ dộ cầu 34 1.4 P h ân tích qui mơ phương trình chuyển dộng 40 1.5 Phương trình liên tục 47 1.6 Phương trình n àn g lượng nhiệt động 52 1.7 N hiệt động lực học khí khơ 57 Bài tập 63 C h n g 2: H o n lư u v x o y 65 Đ ịnh lý hoàn lưu 65 2.2 Xoáy 71 2.3 X o y thê 76 2.4 Phương trình xo áy 84 2.5 Phương trình xốy áp 91 Phương trình xốy th ế tà áp 93 Câu hỏi tập 98 C h n g 3: H o n lư u q u i m ô v a t l Nguồn gốc: n ă n g lư ợ n g hoàn lưu qui Fron t v p h t sinh front 101 mô vừa 102 103 3.3 B ấ t ổn định đối xứng 118 3.4 S ó n g núi 124 3.5 Đôi lưu c u m u lu s 3.6 X oáy xoáy th u ậ n 133 đối lưu 145 3.7 B ão nhiệt đới 155 C â u hỏi v tập 161 ( h n g 4: Đ ộ n g l ự c h ọ c k h í q u y ể n n h i ệ t đ i l6:.i C ấu trúc thám sá t hoàn lưu k h í qui mơ lỏn 164 4.2 P h â n tích qui mơ chuyển động n h iệt đới qui mơ lớn 184 4.3 Đốt 194 nóng ngừng kết 4.4 L ý thu yết sóng xích đạo 198 4.5 C h u y ể n động xích đạo ơn định c.ưỡng 208 4.6 Hồn lưu H a d l e y 21 ] C â u hỏi tậ p 225 C h n g 5: D ộ n g l ự c h ọ c k h í q u y ể n g i ữ a 227 C ấu trúc hoàn lưu c ủ a t ầ n g k h í 228 5.2 Hồn lưu trung bình vĩ hướng tần g khí 23 ] 5.3 S ó n g hành tinh lan tr u y ề n t h ẳ n g đứng 242 5.4 Sự đốt nóng đột ngột tr o n g t ầ n g bình lưu 244 5.5 S ó n g t ầ n g bình lưu xích đạo 24U 5.6 Dao động tựa hai năm 258 5.7 Lớp ôzôn 26 C â u hỏi tập 267 C h n g 6: D ô i l u k h í q u y ể n Mở đ ầu 269 26» 6.2 Đối lưu khô v ẩm 270 6.3 M â y đối lưu không mưa lớp m â y 280 6.4 Đổĩ lưu mưa 284 6.5 T ổ chức qui mô v a c ủ a đối lưu 290 6 29t'ỉ Đơi lưu đồn 6.7 Hồn lưu qui mơ lớn tron g k h í q u y ể n đối lưu C h n g 7: T í n h ả m t r o n g m ô h ì n h d ự b ả o s ố Phương trình bảo tồn ẩm 298 30.*» 30íJ Diều chỉnh đối lưu 30 Mơ hình hố q u trinh m â y 313 T h a m sỗ' hoá m â y c u m u lu s 320 T h a m scíhố mồ hình m ây 325 M hình A r a k a w a - S c h u b e rt 332 C h n g 8: M h ì n h h o s ò v d ự b o s ô 349 8.1 Sự p h t triể n lịch sử 349 V ân dể lọc n h iễ u khí tượng 352 Phương p h áp s a i p h ân hữu hạn 355 Sa Phương trìn h xốy áp s a i ph ân hữu hạn 369 Õ Phương p h p phổ Mơ hình phương trình 372 ngun t h u ỷ 379 Đ ng hố sơ liệu 387 8 39 K h ả n ă n g dự báo Câu hỏi tập T i liệ u th am k h ảo 400 403 Đ p sỏ c ủ a m ộ t s ô b i t ậ p 404 Phụ lục 405 P h ụ lục P h ụ lục H ằ n g sô v th am sô thường d ù n g P h â n tích vectơ 405 405 P h ụ lục N h iệ t độ th ế tương đương 408 p fiụ lục S ố liệu vê khí ch u ẩn 410 P h ụ lục 5: D anh mục kv hiệu 411 LỜI N Ó I Đ Ầ U Khi tượng động lực học cịn gọi K h í tượng học lý thuvêt m ôn học sỏ q u an trọng bậc đôi với chuyên ngành K h í tượng cần dược nghiên cứu tham k h ả o dối với nhiều chuyên n g n h khác qu an tâm đến trình thời tiết, khí hậu xẩy tr o n g khí T ro n g nhiều nàm giảng d v mơn K h í tượng động lực học cho sinh viên quy sinh vièn c ao học ngành K h í tượng ỏ Trường Đ H T H H N trước đ â y v Trường Đ H K H T N thuộc Đại họ< Quốc gia l l Nội c h ú n g đà sử dụng giáo trin h nưỏc ngoài, phẩn lớn từ L iê n Xơ trước dây có tham k h o số tài liộu nước phương T ây chi mỏi c u n g cấp cho sinh viên kiến thức sở dộng lực học* k h í cố điển Cơ sỏ lý th u y ế t cô điển n ày động lực học địa chuyển, áp d ụ n g tố t dôi với miền ngoại nhiệt đới g ặ p khó k h ă n tiến dần đến nhiệt đới, trước hết trình q u y mỏ synỏp đ â y biểu hiộn yêu Q u a n hệ địa chuyên hoàn toàn bị phá vỡ miến xích dạo Ngồi r a nhiệt động lực học k h í nhiệt đới giữ vai trị chi phơi thời tiết khí hậu tồn cầu , từ n hữ n g nam 80 trước chưa (lược quan tâm n g h ir n cửu (lúng mực trước hẽt s ố liệu th m s t nhiệt đới n ghèo nàn T ro n g vài thập k ỷ vừa qua khoa học* khí tượng p h t triển m n h mẽ Cơ hội phát triển nghiơn cứu khí tượng động lực đặc biột I11Ỏ rộng (lơi vỏi miền nhiệt đới trước hết ví thám sá t b ằ n g n hữ n g phương tiện lỉại dà hồn tồn có k h n ă n g c u n g cấp sỏỵ liộu cho miến T rá i Đát s a u (ló phát triển -khoa học m áy tính va diện ui viễn thơng đ ả v đ an g đáp ứng nhu CMu tốn khí tưdng học T iế n quan trọng khí tượng học m người d t tron g h thập k ỷ q u a lì hiểu biết xo áy xoáy thuận, v ề động lực học k h í q u v ể i nhiệt đới động lực học khí h ậ u c ũ n g động lực họr k h tầ n g cao T ấ t diều đặt r a cho c h ú n g nhiệm VI phải bổ s u n g hiểu biết mói n ày v o chương trình g iả n } dạy mơn học K h í tượng động lực học N h ằm bước đầu đáp ứng nhiệm vụ nêu c h ú n g (iã b ìê ỉ soạn giáo trình "Đ ộng lực học k h í q u y ể n vĩ độ thấp" s a u m ộ thời gian thu thập s ố giáo trìn h tư liệu khoa học V» K h í tượng học động lực nhiệt đới từ c c nước phướng T â y (n h i trích tà i liệu th a m khảo) Đ ây lãnh vực khoa họ' mối khó nên n h iề u chỗ giáo trình c h ú n g tòi dã buêi dịch s t với tư liệu gốc tác giả để khôn g làm sai lệch ti tưởng khoa học v ấ n dể T u y nhiên trình biên so>ại v biên dịch người viết tự th ấ y k h ô n g tr n h khỏi sa i Siót v mong muốn quý bạn đọc góp ý trực tiếp T ác giả c h ân th n h cảm ơn C N N g u v ễ n T h a n h Sơn T ỉ P h m Ván H u ấ n dóng góp nhiều cóng sức việc chê b'ải v hồn thiện thảo giáo trình T 10 / _ • c gia V C H Ư Ơ N G MỞ Đ Ẩ U M G IỚ I T H IỆ U T h u ậ t ngữ địa lý “ miền nhiệt đới” h a y miền vĩ dộ thấp” quy cho v ù n g T r i Đất giới h ạn °N (của Cancer) ° s (của Capricorn) Một định n g h ía k h ác miền vĩ dộ th ấ p miền nằm 30°N 30"S T heo cách xác định n y n h iệ t đoi nguồn gốc phát sinh động luợng q u a y k h í v c ủ a ph ần lớn nhiệt “Thời tiết nhiệt đới" lại diễn ỏ sơ v ù n g n ằm n g o i vĩ độ nhiệt đới k h o ả n g thịi gian c ủ a nam Vi dụ: xo áy th u ậ n nhiệt dới - b ã o ỏ vùn g tâ y bắc T h i B ìn h Dương x â m n h ập đến cà Tokyô n ằ m 36"N ỏ M elb o u rn (37.5"S) lại không diễn thời tiết nhiệt đối R iehl (19 ) lại gọi “ miền nhiệt đới” khí tượng ph ần c ủ a thê giới có q u trình thịi tiết k h c biệt rõ rệ t so với p h ầ n vĩ độ cao R a n h giới n h iệ t đói ngoại nhiệt đới gan tr ù n g với đưòng ph ân chia c h ế lỉộ gió đơng v c h ế độ gió tây T ro n g thực t ế k h n g có p h ầ n c ủ a khí quyển, tồn t i tách biệt m tương tác nhiệt đới v ngoại nhiệt đới r ấ t qu an trọng T rong v i thập k ỷ cuối khoa học k h í tượng động lực học tiếp t ụ c phát triển mạnh mẽ M ặc dù việc p h â n tích dự báo hệ t h ô n g quy mô synố p ngoại nhiệt đối v ẫ n tiếp tục p h t triển, s o n g hội p h t triển k h í tượng dộng lực học đặc biệt mở r o n g đôi với miên vĩ độ thấp S ự tiến hộ q u a n trọng d t dược ỏ dây hiểu biết xoáy xo áy thuận qu y mô vừa (m eso scale storm), v ề dộng lực học nhiệt đới vê động lực học k h í h ậ u dộng lực học khí V ấ n dề dự báo quỵ mô 11 vào mùa hè dòng xiết tây ỏ Nam bán cầu thể cấu trúc clịng xiết kép có cực đại vị trí nhánh hạ xuống ổ Hadlev cực đại thứ hai xa phía nam Vĩ đồ Vĩ độ c) Vĩ dồ Hình 4.15 Gió vĩ hướng trung bình theo vĩ độ vectơ gió kinh hướng a) Mùa đỏng (DJF); b) Mùa hè(JJA); c) Trung bình năm Dựa vào số liệu ECMWF Đường đồng mức cách m/s 1; Những giá trị > 20 m/s được, bôi đen ( theo James, 1994) 213 lo) Hinh 4.16 Lát cắt độ cao - kinh độ độ lệch so với dối xứng qua vĩ tuyến độ cao địa vị trung bình thời gian dọc theo 45°N (a) 25°N (b) E)ường đóng mứt cách 50 m Trên đáy biểu diễn địa hinh (theo Gill, 1982) Trong tầng đối lưu nhiệt đới độ lệch so vối đối xứng qua vĩ tuyến rấ t nhỏ so với giá trị vĩ độ trung b.nh Trên hình 4.16 biểu diễn độ lệch độ cao địa th ế vị trung bình thời gian so VỚI đối xứng qua vĩ tuyến So sánh hình 4.16a với hình 4.16b ta thấy, hoạt động xốy tầng đơi lưu V I độ cao (45°N) có biên độ r ấ t lớn so vói biên độ tương ứng VJ đ ộ nhiệt đới (25°N) BỞI vậy, để đơn giản hóa ta xây đựng mơ hình phi đối xứng hoàn lưu Hadley Sau ta nghiên cứu mơ hình loại Mơ hình hồn lưu Hadley Held-Hou Mơ hình Held-Hou mơ hình đối xứng qua xích đạo thừa nhận dịng phi đối xứng tuyến tính ổn định ‘rong cân bàng thuỷ tĩnh Đặc điểm chung mơ hình biểu diễn đdii 214 giản hố đốt nóng Mặt Trịi với sử dụng tính bảo tồn động lượng quay cân gió nhiệt Mục đích mơ hình dự báo cường độ độ trải hoàn lưu Hadley c " L p trôn kh rtn g m a sát s u" ux Lớ p (m a s t ) u -0 " " ^ % a H Hinh 4.17 So minh hoạ mị hình Held-Hou (theo James 1994) J Mị hình Held Hou gồm hai mực hình cầu vối dịng htf'árig xích đạo mặt đất hướng cực độ cao H (hì nil 4.17), bán kính Trái Đất a , tốc độ quay Trái Đất Q vĩ độ Cấu trúc nhiệt mô tả nhiệt độ vị mực giữ a Quá trình xạ mơ hình biểu diễn phương trình m lạnh Newton có quy mơ thời gian t£ dạng sau ^ _ dt Tg Ể í L (4 52) N h nhiệt độ th ế mơ hình hướng đến frofi] nhiệt dộ I h' ( ân xạ ()K theo biểu thức sau 0,.{ậ) = e o - - A ( 5in2^ - l ) , (4.53) tro m g itó 0o n h iệ t độ c â n b ằ n g hức x trung hình tồn cầu, Aớ h i ệ u SỐ n h iệ t độ g iữ a cực xích đạo 215 Trong mơ hình cịn thừa nhận, ma sát mặt đáy nhị nên gió vĩ hướng mặt đất nhỏ so với gió vĩ hướng độ cao H bỏ qua (i/ = gần mặt đất) Dịng hưóng độ cao H ƠM tính từ tính bảo tồn động lượng quay sau: động lượng quay riêng dịng khơng khí quanh vòng vĩ độ ộ vận tốc vĩ hướng u cho (ílacosệ + u)acoĩ,ộ ■ Khi thừa nhận u = xích đạo dịng vĩ hướng vĩ độ 4> cô dạng (4.54) u{ệ) = Q a ^ -$ - COS ộ Đơn giản hoá đại số biểu thức 4>«sin *y / a , (4.53) trở thành ớFừ ) = ỡ (:0 - - Aớ, thừa nhận (4.55) a đ ó Ớ E0 = ỚQ + AỚ/3 Đối với gió V I hướng mực trên, từ (4.54), cos^ = 1, ta nhận biểu thức sau UM= — y (4.56) a Cấu trúc nhiệt độ th ế mực tính từ cân bàng gió nhiệt Vối thừa nhận: Dịng phi đốixứng, tuvến tính ổn định cân thuỷ tĩnh quan hệ gió địa chuyển thoả mãn vĩ độ thấp Trên ta thừa nhận (lịng hướng ỏ mặt đáy rấ t nhỏ so vói mực cao nên độ đứt, thảng đứng hướng vĩ hướng â u _ UM Q ~ ớì~ ~ ĩr~ ~ Õ H y Cân gió nhiệt cho ta građien nhiệt độ kinh hướng sau 216 â y Q' e y a 2g H Lâ y '.ích phân biểu thức ta nhận trường nhiệt độ 2aẤgH (4.57) t ron£ sơ tích phân ỡMfl nhiệt độ xích đạo Chỉ số M đ â ’ ám trường nhiệt độ nhận dược nhò sử dụng Lính bảo '.ồn động lượng quay (iường cong cắt hai lần bán cầu vùng có > ÍM nằm xích đạo diểm cắt thứ nhất: ỠM >0f nằm ác điểm cát thứ n h ất điểm cắt thứ hai "ừ công thức (4.52) ta thấy, đốt nóng xảy vùng xích dạo điểm cắt thứ nhất, làm lạnh lại xẩy đ iể n cắt thứ điểm cắt thứ hai Trên vĩ độ cao hơin iiểm cắt thứ hai lại có đốt nóng; điêu vô lý nên ta thừa nh.ậr điểm cắt thứ hai V - Y biểu diễn biên phía cực hồn lư u iadley Đốì với vùng y >Y nhiệt độ nhận giá trị nhiệ dộ cân xạ 0r_ Đến ta hai ẩn độ rộng củía >Hadlev y nhiệt độ xích đạo ớMo Vì mơ hình trạm.í thái On định nên đốt nóng kết cục phần tử khí sau di )■ \0 Mdy = \ỡEdy 0 Tluoc hình '-0 trơn xích đạo biểu diễn (4.52) dạng mỏi 00 ỠB) - ỡ MO Õ2 Tf_ (vì ¡1 = hoàn lưu kinh hướng, V= xích đạo hồn 219 lưu ổn dinh) thừa nhận tần sơ Brunt - Vaisălã lù • f Nếu lại * t khơng đối tốc độ thẳn g dứng xích đạo xác định g(^EO ~~^MO) ỮN2.te n Q dó tần số Brunt-Vaisala iV: = — - —~ Nếu chọn ĨỊ '=15 ngày, ỠQ ũ z N sio V w *0.27 mm/s Do únh liên tục V- }'w/H -5.4 cm/s Thám sát thực cho thấy, cưịng độ dịng kinh hướng hồn lưu Hadley khống m/s Vậy thì, mơ hình Held-Hou xác dinh hợp lý hình dạng hồn lưu Hadley cường độ hồn lưu tính theo mơ hình q yếu Độ rộng ố Hadley dự báo theo mơ hình Held-Hou tỷ lệ nghịch với tốc độ quay hành tinh (í~2) theo biểu thức (4.(50) Dự báo khảng định nhờ mơ hình khác thực khí hành tinh Với tốc dộ quay chậm, ổ hồn lưu Hadley trải rộng xa phía cực mơ hình lý giải hầu hết vận chuyển nhiệt từ xích đạo vê cực Với tốc độ quay cao ổ Hadley bị giỏi hạn gần xích đạo sóng tà áp hướng cực hồn lưu Hadley giữ vai trị chủ u vận chuyển nhiệt Những phát triển đưa L'ào mơ hình Held Hou Mặc dù mơ hình Held-Hou xác định kích thutóc ‘-ủa t • • hồn lưu Hadley hợp lí cưịng độ hồn lưu xác định theo mơ hình lại q yếu Người ta hồn thiện mơ hĩnh Held-Hou cách biến đối thừa nhận trước (lây mơ hình Held Hou Đó biến đổi thừa nhận đoi xứng qi xích đạo Mặc dù đốt nóng Mặt Trời trung bình nám đỏi xứng qua xích dạo dot nóng vào thịi điểm lại khơng đối xứng nói chung thể 220 nấn* liícfng Mặt Trời khơng cần thiết phải đối xứng qua xích đạo Lin/.on Hou (1988) dã phát triển mơ hình Hold Hou cho trường hợp phi dơi xứng, giả thuyết cịn lại giữ ngun ổơ đồ minh hoạ mơ hình phát triển cho hình 4.19 Việc loại bó cp buộc đối xứng có nghĩa vị trí dốt nóng cực đại, nâng lên cực đại đường dịng phân chia ổ Hadley mùa đơng mùa hè phải khơng trùng Giả sử đốt nónị Mạt Tròi đạt cực đại vĩ độ v= Yữ Đường phán chia ổ mùi: đông ổ mùa hè nằm v ĩ độ V' = >'| vĩ độ trả i rộng phú cực ổ mùa đông mùa hè biểu diễn Y - Y + tương ứng Các trình xạ biểu diễn phương Irìm làm lạnh Newton (4.52) trước, nhiệt độ thê vị cân >àng i>âv giò xác định ớE = , o - - ? ( r - ^ ) a (4.63) đế CỴO 0\ đạt cực đại V= >0 3ảo tồn cìộng lượng quay giữ ngun trước dể lính địng vĩ hướng mực với thừa nhận gió vĩ hướng khơrg đường dịng phân chia ố mùa đông mùa hè, t ức ầ trôn V = }¡ Dòng vĩ hướng mực y nhỏ ,‘iẽ lè M= - ( y - - y , 2) a (4.64) N ấ u dùng cân gió nhiệt ta nhận (lược nhiệt clộ thê vị M = M -^ { y '-r -)\ C ằ n hớ ƠMvà (4.65) đối xứng qua xích đạo Tính phi đối 221 xứng nghiệm sinh kích thước khác r ủ a ổ mùa đông ổ mùa hè Đổi vối Ị_y| < |K|I biểu thử • (4.64) cho ta UM