Khí tượng học synốp phần 1 ppt

Khí tượng học synốp(Phần nhiệt đới) NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006. Từ khoá: Hoàn lưu nhiệt đới, nhiệt đới. Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. Mục lục CHƯƠNG 1 2 NHỮNG ĐỘNG LỰC, NGUỒN NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 2 1.1 RANH GIỚI MIỀN NHIỆT ĐỚI 2 1.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG NHIỆT CỦA MẶT ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN 3 1.3 NHỮNG NHÂN TỐ VẬT LÝ CƠ BẢN 7 1.4 BẢO TOÀN MÔMEN QUAY VÀ SỰ TỒN TẠI ĐỚI GIÓ ĐÔNG NHIỆT ĐỚI VÀ ĐỚI GIÓ TÂY ÔN ĐỚI 9 1.5 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 10 1.5.1 Phân bố theo vĩ độ của tốc độ gió, khí áp, độ phân kỳ và hội tụ 11 1.5.2 Chuyển động thẳng đứng và dải mưa 11 1.5.3 Sự biến đổi theo mùa của hoàn lưu nhiệt đới và sự bất đối xứng của hai bán cầu 13 1.6 TRƯỜNG ÁP, TRƯỜNG GIÓ MIỀN NHIỆT ĐỚI 14 1.7 CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỨNG 22 1.8 DÒNG XIẾT MIỀN CẬN NHIỆT VÀ NHIỆT ĐỚI 23 Chương 1. Nhữn g độn g lực, n g uồn năn g l ư ợn g và các đặc điểm cơ bản của hoàn lưu nhiệt đới Trần Công Minh 1.9 ÁP CAO CẬN NHIỆT TÂY THÁI BÌNH DƯƠNG VÀ ÁP CAO TIBET 26 2 Chương 1 NHỮNG ĐỘNG LỰC, NGUỒN NĂNG LƯỢNG VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 1.1 RANH GIỚI MIỀN NHIỆT ĐỚI Trước tiên ta hãy xác định khu vực nhiệt đới trên Trái Đất. Hiện nay có một số cách xác định miền nhiệt đới: theo quan điểm địa lý và theo quan điểm khí tượng. Theo quan điểm địa lý, miền nhiệt đới là miền nằm ở hai phía xích đạo và giới hạn bởi chí tuyến Bắc (23 o 30’N) và chí tuyến Nam (23 o 30’S), giới hạn ngoài của khu vực Mặt Trời có thể nằm ở vị trí thiên đỉnh. Trong khí tượng người ta còn coi miền nhiệt đới là miền nằm giữa hai vĩ tuyến 30 o N và 30 o S, gần trùng với vị trí trung bình của trục cao áp cận nhiệt mỗi bán cầu, là đường phân chia hoàn lưu khí quyển thịnh hành đới gió đông (trong miền nhiệt đới) và đới gió tây ôn đới. Ranh giới này di chuyển theo hướng kinh tuyến và theo mùa, bao gồm nhiều khu vực với khí hậu cận nhiệt. Mùa hè ranh giới này có thể có vị trí bắc nhất và đóng vai trò một ranh giới phía bắc của không khí nhiệt đới biển và xích đạo. Mùa đông ranh giới này lạ i di chuyển về phía xích đạo và không khí cực đới có thể lan sâu xuống phía nam. Phần còn lại của Trái Đất bên ngoài miền nhiệt đới được gọi là miền ngoại nhiệt đới. Trên trường gió mặt đất, miền nhiệt đới được đặc trưng bởi đới gió đông còn miền ngoại nhiệt đới là đới gió tây. Chính vì vậy trong khí tượng synôp người ta còn lấy ranh giới phân chia đới gió đông nhiệt đới và đới gió tây ở ph ần dưới tầng đối lưu (mực 700mb) để xác định miền nhiệt đới. Ranh giới này biến động theo mùa và phụ thuộc vào vị trí địa lý. Miền nhiệt đới có nhiều đặc điểm khác biệt so với miền ôn đới trong chế độ bức xạ và chế độ nhiệt dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong đặc điểm hoàn lưu so với miền ngoại nhiệt đới. Ở miền nhiệt đới, tia bức xạ Mặt Trời hầu như chiếu vuông góc với mặt đất nên ở đây có lượng bức xạ nhiệt rất lớn và khá đồng đều trên toàn miền. Chính vì vậy miền nhiệt đới là nguồn nhiệt, từ đây nhiệt vận chuyển về phía hai cực. Lượng bức xạ nhiệt lớn và đồng đều tạo nền nhi ệt cao và khá đồng đều. Chính vì vậy trường áp khá đồng nhất thể hiện ở gradien khí áp ngang nhỏ hơn so với miền ngoại nhiệt đới (1-2 so với 3-5mb/100km) chỉ trừ trường hợp đặc biệt đối với hiện tượng dị thường là bão thì gradien khí áp ngang có thể tới 20mb/100km, lớn gấp 4-5 lần so với miền ngoại nhiệt đới. Do vĩ độ thấp, lực Coriolis nhỏ và bằng không khi tới xích đạo, hệ th ức địa chuyển không thực hiện tốt như đối với miền ngoại nhiệt đới, nghĩa là không có sự thích ứng tốt giữa trường áp và trường gió, không thể dùng hệ thức địa chuyển để tính tốc độ gió từ gradien khí áp và suy trường gió từ trường áp. 3 Lượng nhiệt lớn cung cấp cho quá trình bốc hơi từ các đại dương rộng lớn miền cận nhiệt và nhiệt đới tạo nguồn cung cấp ẩm lớn được tín phong đưa từ trục áp cao cận nhiệt (khoảng 30 o vĩ) vào dải hội tụ nhiệt đới gần xích đạo tạo thành các dải mây tích và vũ tích cho mưa rào và dông ở khu vực xích đạo. Trong những điều kiện thuận lợi, một trong các nhiễu động trên dải hội tụ nhiệt đới có thể khơi sâu và phát triển thành các xoáy thuận nhiệt đới, các cơn bão cho mưa to gió lớn với nhiều đặc trưng khác biệt so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Do sự dịch chuyển của đới bức xạ cực đại theo hướng bắc nam giữa hai bán cầu và sự đốt nóng khác nhau giữa mùa đông và mùa hè, giữa lục địa và đất liền nên ở các khu vực gió mùa trong miền nhiệt đới hình thành các khu vực có hướng gió thịnh hành và chế độ mưa ẩm đối lập hay gần như đối lập giữa mùa đông và mùa hè. Khác với miền ngoại nhiệt đới với dòng khí cơ bản là hướng tây, ở miền nhiệt đới dòng khí cơ bản là hướng đông, đó là dòng khí thổi ở rìa hướng về phía xích đạo của áp cao cận nhiệt. Chính vì vậy các xoáy thuận nhiệt đới kể cả bão có hướng di chuyển chủ yếu từ đông sang tây, ngược với hướng di chuyển từ tây sang đông của xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Với những đặc điểm trên các hình thế thời tiết miền nhiệt đới có cấu trúc, nguyên nhân hình thành cũng như đặc điểm di chuyển, phát triển rất khác nhau như ta sẽ thấy trong các mục trình bày dưới đây. 1.2 CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG NHIỆT CỦA MẶT ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN Mặt Trời là nguồn cung cấp năng lượng chính cho các quá trình khí quyển trên Trái Đất. Miền nhiệt đới hấp thụ được lượng bức xạ nhiệt lớn nhất trên Trái Đất và ở đây quá trình bốc hơi trên mặt biển cũng xảy ra mạnh nhất. Chính vì vậy miền nhiệt đới là nguồn nhiệt và nguồn ẩm, từ đây các dòng khí và dòng biển vận chuyển nhiệt ẩm về miền vĩ độ cao. Tồn tại một sự cân bằng giữa lượng bức xạ mà khí quyển hấp thụ và phát xạ từ hệ thống Trái Đất - khí quyển. Chính vì vậy mà nhiệt độ trung bình của mặt đất và của khí quyển hầu như không đổi trong thời gian dài. Mặt khác, các chuyển động kinh hướng và chuyển động thẳng đứng trong hệ thống hoàn lưu lại đảm bảo cân bằng nhiệt của t ừng phần Trái Đất: nhiệt độ của xích đạo có giá trị trung bình khá ổn định. Kết quả tính trung bình nhiều năm của thông lượng bức xạ, lượng mưa, lượng bốc hơi và vận chuyển nhiệt dạng hiển nhiệt và ẩn nhiệt bốc hơi và ngưng kết là cơ sở để xây dựng các đường phân bố của các thông số này theo vĩ độ ở Bắc và Nam Bán Cầu (hình 1.1 - 1.4). Phân bố bức xạ trên Trái Đất phụ thuộc trước hết vào vĩ độ địa lý và có thể đánh giá thông qua cán cân bức xạ (còn gọi là cân bằng bức xạ). Trên hình 1.1 là sơ đồ tổng quát về cân bằng bức xạ theo vĩ tuyến. Mặt đất thu được bức xạ nhiệt dương ở hầu hết các vĩ độ, trừ phần nhỏ gần hai cực (cách cực khoảng 15 o vĩ đối với mỗi bán cầu), nơi phát xạ nhiệt từ bề mặt băng tuyết lớn hơn lượng bức xạ nhận từ Mặt Trời. 4 Khí quyển mất năng lượng phát xạ do sóng dài nhỏ hơn năng lượng nhận từ mặt đất, vì vậy dòng nhiệt truyền từ mặt đất vào khí quyển, từ đó nhiệt lại truyền cho những lớp cao hơn và cuối cùng mất nhiệt vào không gian vũ trụ. Hình 1.1. Phõn bố theo v độ thụng lượng bức xạ trung bỡnh năm của mặt đất, khí quyển và hệ thống Trỏi Đất - khí quyển (Seller, 1965) Đại lượng cán cân bức xạ của hệ thống Trái Đất - khí quyển là tổng cả hai cân bằng bức xạ cho mặt đất và khí quyển. Đối với Trái Đất - khí quyển cân bằng bức xạ dương đối với miền nội nhiệt đới (giới hạn 35 o N và 35 o S) và âm đối với miền ngoại nhiệt đới. Phần dư của bức xạ (cán cân bức xạ dương) trong miền nội nhiệt đới. Miền ngoại nhiệt đới thiếu bức xạ và thường xuyên được bù lại bằng sự trao đổi nhiệt giữa các vĩ độ dưới dạng các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt, đưa đến từ miền nhiệt đới. Để bả o toàn cân bằng nhiệt toàn phần cho thời đoạn dài, thể hiện ở sự ổn định của nhiệt độ trung bình ở các độ cao và các vĩ độ thì cần phải có một cơ chế vận chuyển nhiệt từ mặt đất tới khí quyển và từ miền nhiệt đới về phía các vĩ độ cao. Vận chuyển nhiệt từ mặt đất tới khí quyển dưới dạ ng hiển nhiệt, nhiệt truyền từ nơi nhiệt độ cao sang nơi nhiệt độ thấp và ẩn nhiệt qua quá trình bốc hơi, ngưng kết hơi nước và quá trình vận chuyển của hệ thống mây. Trên biển nhiệt đới, lượng ẩn nhiệt được vận chuyển dưới dạng hơi nước lớn hơn là lượng vận chuyển hiển nhiệt. Theo Malkus, tính trung bình cho toàn Trái Đất, khí quyển thu hơn 80% nhi ệt từ mặt biển và mặt đất dưới dạng ẩn nhiệt ngưng kết, trong đó hơn nửa lượng ẩn nhiệt này là do đại dương nhiệt đới giữa 30 o N và 30 o S cung cấp. Sự chuyển pha của nước trong khí quyển và sự vận chuyển hơi nước không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo toàn cân bằng nước mà còn có ý nghĩa đối với sự vận chuyển ẩn nhiệt ngưng kết. Trên hình 1.2 là sơ đồ cân bằng nước trong hệ thống Trái Đất - khí quyển. Tính theo phân bố theo vĩ độ của lượng mưa, lượng bốc hơi và hiệu hai đại lượng này, ta thấ y lượng mưa lớn hơn lượng bốc hơi trong các đới từ khoảng vĩ độ 45-60 o về phía cực và trong khoảng 10 o vĩ hai phía xích đạo. Ngược lại, từ 10-40 o vĩ (miền cận nhiệt đới thịnh hành áp cao trên vùng sa mạc) lượng bốc hơi lớn hơn lượng mưa. Lượng mưa cực đại tại 5 xích đạo, chủ yếu do mưa rào và dông từ hệ thống mây tích trên dải áp thấp xích đạo. Hai cực đại khác nằm ở hai miền ôn đới Bắc và Nam Bán Cầu Hình 1.2. Phân bố theo vĩ độ của lượng mưa, lượng bốc hơi, và hiệu giữa lượng mưa và lượng bốc hơi tính trung bình theo năm (inch/năm) (Seller, 1965) (khoảng 50-60 o vĩ) do hoạt động của các chuỗi xoáy thuận. Hai cực tiểu lượng mưa liên quan với trục áp cao cận nhiệt ở khoảng 30 o vĩ. Lượng bốc hơi cực đại không ở xích đạo, nơi có lượng mưa lớn, nền nhiệt không quá lớn và nhiều mây. Hai cực đại của lượng bốc hơi nằm ở khu vực cách xa xích đạo khoảng 10-15 o vĩ. Hiệu lượng mưa trừ lượng bốc hơi dương ở trên xích đạo có độ ẩm lớn và trên hai khu vực có xoáy thuận ôn đới hoạt động mạnh cho lượng mưa lớn. Đại lượng này có giá trị âm trên khu vực gần trục dải áp cao cận nhiệt, ít mưa. Tính trung bình năm khu vực bốc hơi mạnh bị mất lượng nước do bốc hơi còn nơi mưa lớn hơn s ẽ thu được lượng nước đó. Đại dương, chiếm khoảng 3/4 diện tích bề mặt Trái Đất, mất nước do bốc hơi nhiều hơn là nhận nước do mưa vì lượng nước bốc hơi thành mây, và một phần được vận chuyển vào trong đất liền. Kết quả của nhiều công trình nghiên cứu cân bằng nước chứng minh là lượng mưa do dòng hoàn lưu chung đem lại lớn hơn lượ ng mưa do hoàn lưu địa phương đem lại. Hình 1.2 cũng cho thấy miền cận nhiệt đới với nhiệt độ cao phần lớn thuộc khu vực tín phong trên đại dương có lượng bốc hơi cực đại. Theo Rielh và Malkus khu vực tín phong này cung cấp lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt cho hoàn lưu toàn cầu. Năng lượng này một phần do tín phong mặt đất đưa về phía xích đạo dưới dạng hơi nước. L ượng hơi nước này được nâng lên trong khu vực rãnh xích đạo và cũng là nhánh phía nam của hoàn lưu Hadley sau đó ngưng kết tạo nên các hệ thống mây tích, giải phóng hiển nhiệt và thế năng. Sau mưa dông, không khí ở trên cao trở nên khô và được dòng phản tín phong đưa về phía 30 o vĩ mỗi bán cầu và giáng xuống. Theo Rielh và Malkus chỉ một phần trong dải gần xích đạo rộng khoảng 10 o vĩ là có các 6 khối mây tích lớn còn gọi là các "tháp nóng" để duy trì cân bằng nhiệt và bảo đảm vận chuyển một lượng nhiệt lớn về phía cực. Cân bằng năng lượng nhiệt theo vĩ độ duy trì được là nhờ sự vận chuyển nhiệt của các dòng khí trong các hoàn lưu khí quyển và các dòng nước trong hoàn lưu đại dương. Seller đã tính các dòng hiển nhiệt trung bình năm ở các vĩ độ do các dòng biển và dòng khí vận chuyển. Các dòng hiển nhiệt đề u có hướng vận chuyển từ miền nhiệt đới về các vĩ độ cao phần lớn do hoàn lưu khí quyển và chỉ khoảng 20-25% lượng nhiệt này do đại dương vận chuyển. Hình 1.3. Dòng hiển nhiệt mất đi trung bình năm do dòng biển và dòng khí ở các vĩ độ (Seller, 1965) Hình 1.4. Phân bố theo vĩ độ của các thành phần vận chuyển nhiệt tính trung bình năm (Seller, 1965) Phân bố theo vĩ độ trung bình năm của các thành phần vận chuyển năng lượng nhiệt về phía cực (hình 1.4) cho thấy ở phía bắc 5 o N vận chuyển năng lượng hiển nhiệt do các dòng khí và dòng biển hướng về phía Bắc Cực và ở phía nam 5 o S, vận chuyển 7 về phía Nam Cực. Cần lưu ý là trên hình vẽ các vận chuyển nhiệt về phía Bắc Bán Cầu là đường ở phía trên còn các vận chuyển nhiệt về phía Nam Bán Cầu ở phía dưới chứ không phải giá trị âm. Vận chuyển hiển nhiệt do dòng biển có một cực đại ở vùng cận nhiệt. Trong khi đó dòng hiển nhiệt do dòng khí có hai cực đại ở mỗi bán cầu với sự vận chuyển hơi nướ c (kèm theo là lượng ẩn nhiệt) từ 20-25 o vĩ mỗi bán cầu về phía cực và từ các vĩ tuyến này hơi nước lại được vận chuyển về phía vị trí trung bình của rãnh xích đạo (gần 5 o N) cung cấp cho nhánh hoàn lưu Hadley phía nam tạo các dải mây tích phát triển rất mạnh. Tổng hợp lại ta thấy dòng nhiệt ở cả hai bán cầu đều có hướng từ xích đạo về phía hai cực và có giá trị cực đại trên một dải gần 40 o N và 40 o S. 1.3 NHỮNG NHÂN TỐ VẬT LÝ CƠ BẢN Phân bố lục địa và biển Do hiệu ứng khác nhau trong quá trình đốt nóng vào mùa hè và làm lạnh vào mùa đông mà xuất hiện chế độ gió mùa. Điển hình nhất là ở vùng Đông Nam Á nơi khối lục địa lớn và bị đốt nóng mạnh làm cho các khối khí từ vùng biển nhiệt đới Nam Bán Cầu qua xích đạo tới tận các vĩ độ 25-30 o N. Mùa đông không khí lạnh vượt qua xích đạo sang châu Úc. Sự tiến thoái của gió thịnh hành theo mùa này phù hợp với sự dịch chuyển theo mùa của vị trí trung bình của rãnh áp thấp gió mùa với gió tây ở phần hướng về phía xích đạo và gió đông ở phần hướng về phía cực. Vị trí của các rãnh gió mùa lại liên quan chặt chẽ với dải cực đại lượng mây và lượng mưa và với sự biến động vị trí theo mùa của khu vự c có tần suất xuất hiện áp thấp nhiệt đới và bão lớn nhất. Trên biển, sự dịch chuyển theo mùa của rãnh xích đạo (nơi gặp gỡ của tín phong hai bán cầu) tương đối nhỏ do ít biến động trong nền nhiệt của đại dương qua hai mùa đông và hè. Sự đồng nhất của nền nhiệt lan tới phần giữa tầng đối lưu với dao động nhiệt độ trung bình nă m chỉ khoảng 1 o C trong dải 15 o N và 15 o S. Nhiệt độ trung bình năm của tầng đối lưu lớn nhất ở 5 o S vào mùa hè Nam Bán Cầu và 20-25 o N vào mùa hè Bắc Bán Cầu. Sự giải phóng ẩn nhiệt ngưng kết có xu thế tập trung trên lục địa nhiệt đới. Rangmage cho rằng do tần suất dông lớn, nên khu vực gần xích đạo của Nam Mỹ, châu Phi, Indonesia cung cấp lượng nhiệt vận chuyển về vĩ độ cao nhiều hơn là lượng nhiệt do đại dương miền vĩ độ thấp cung cấp. Nguồn nhiệt này tạo nên gradien nhiệt độ lớn theo kinh hướng và tạo nên dòng xiết cận nhiệt mạnh ở khu vực này. Cao nguyên Tibet cũng là nguồn giải phóng lượng ẩn nhiệt đáng kể vào khí quyển do tần suất dông lớn vào mùa hè. Theo Flohn tần suất dông này có vai trò quan trọng trong việc duy trì và phát triển của cao áp tầng cao ở châu Á (cao áp Tibet) và dòng xiết Nam Á – hệ quả của sự tồn tại cao áp này. Liên quan với dòng xiết gió đông này là khu vực khô hạn Bắc Phi, Arập, nơi dòng giáng và khu vực mưa lớn ở Indonesia và Đ ông Nam Á. Sự khác biệt trong đốt nóng giữa lục địa và biển, giữa khu vực địa hình bị chia cắt và đồng bằng cũng tạo nên hoàn lưu địa phương như gió đất biển, gió núi thung lũng. Các 8 dạng hoàn lưu địa phương có thể làm tăng cường hay giảm yếu hoàn lưu chung tùy thuộc vào sự phối hợp hướng của hai loại hoàn lưu này: tăng cường nếu trùng hướng và giảm yếu nếu ngược hướng. Địa hình địa phương và khoảng cách so với nguồn ẩm đóng vai trò chủ yếu trong phân bố lượng mưa ở miền nhiệt đới: sườn đón gió mưa lớn, sườ n khuất gió ít mưa. Nhiệt độ mặt biển Nhiệt độ mặt biển có ý nghĩa lớn đối với hoàn lưu khí quyển và thời tiết miền nhiệt đới. Nhiệt độ mặt biển là nhân tố đầu tiên quy định nhiệt độ không khí sát mặt biển. Khi nghiên cứu các điều kiện hình thành bão, Palmen thấy rằng chỉ có vùng biển ấm với nhiệt độ mặt biển lớn hơn hay b ằng 26 o C mới có khả năng giải phóng ẩn nhiệt bằng cách nâng các lớp khí sát đất trong quá trình đối lưu tạo lõi nóng của xoáy thuận đôi khi biến thành bão. Cường độ bão phụ thuộc vào phân bố nhiệt độ nước mặt biển, có ý kiến cho rằng sự biến đổi của trường nhiệt trên biển làm biến đổi quỹ đạo bão và làm bão chuyển hướng. Càng xa nguồn ẩm và nguồn nhiệt về vĩ độ cao và l ục địa, bão càng yếu. Bjerknes phát hiện mối tương quan thuận giữa cường độ của đới gió tây ôn đới mùa đông ở đông bắc Thái Bình Dương và nhiệt độ mặt biển đới xích đạo của Thái Bình Dương và có thể coi là một dấu hiệu dự báo hạn dài. Trong năm Lanina (Elnino lạnh) ven bờ Pêru và Equador do nước trồi làm lạnh mặt biển tạo dòng giáng thịnh hành ở khu vực này, hậu quả là năm đó khô h ạn, mất mùa cá. Ngược lại, trong những năm Elnino dòng biển nóng thay thế và tạo nên dòng thăng thịnh hành gây mưa lớn đến mức lụt lội. Dải hội tụ nhiệt đới (ICZ) là dải thời tiết xấu có lượng mây và lượng mưa cực đại có mối liên quan với dải có nhiệt độ mặt nước biển cực đại ở gần xích đạo. Tương tác với hoàn lưu ôn đới Hoàn lưu ôn đới thường tương tác với hoàn lưu và các hệ thống thời tiết nhiệt đới. Trên các ảnh mây vệ tinh thường xuyên có các dải mây nằm sâu trong miền nhiệt đới kéo dài tới miền ôn đới. Mùa đông front lạnh trong khu vực Đông Á và Bắc Mỹ xâm nhập sâu vào miền nhiệt đới đem theo không khí cực đới biến tính gây sóng lạnh, dẫn đến sự giảm nhiệt độ rất lớn. Trong nhiều trường h ợp front lạnh có thể tương tác với bão, dải hội tụ nhiệt đới gây hậu quả thời tiết rất lớn. Trong mùa đông khi xoáy thuận hành tinh mở rộng phạm vi hoạt động về phía xích đạo, hệ thống sống rãnh ôn đới trên cao có thể làm biến dạng các hệ thống cao áp cận nhiệt, làm biến đổi dòng dẫn đường đối với bão và làm bão chuyển hướng. Xoáy thuận cận nhiệt phát triển t ừ áp thấp trên cao và cắt khỏi đới gió tây. Những xoáy thuận này thường lan xuống dưới thấp và mở rộng khu vực mưa ở miền cận nhiệt. Mùa hè rãnh trên cao mở rộng từ miền ôn đới, tiến vào miền nhiệt đới và tương tác với hoàn lưu nhiệt đới. Ngược lại, bão di chuyển theo quỹ đạo parabol có thể tiến xa về phía cực tới miền ôn đới, khi đó không khí lạnh xâm nhập vào khu vự c bão, hệ thống front hình thành. Bão trở thành xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Đó là các trường hợp thường xảy ra với bão từ miền tây Thái Bình Dương vòng lên qua eo biển Đài Loan tới Camchatka. 9 Như vậy là không có đường ranh giới rõ rệt giữa miền nhiệt đới và miền ôn đới. Các nhà khí tượng nhiệt đới cần có hiểu biết về động lực của hoàn lưu ôn đới, mở rộng phân tích về phía cực để nhận biết và giải thích ảnh hưởng của miền ôn đới đối với khí quyển nhiệt đới. Các hiện tượng quy mô vừa và nhỏ Đối lưu và mây đố i lưu không những có vai trò quan trọng trong quá trình giải phóng ẩn nhiệt ngưng kết trong dải áp thấp xích đạo tại nhánh dòng thăng của hoàn lưu Hadley, mà còn đóng vai trò quan trọng trong quá trình vận chuyển mômen thẳng đứng và sản sinh động năng về phía vĩ độ cao. Charney, Eliassen và Gray nhấn mạnh đến tầm quan trọng của các nhân tố nội tại trong sự hình thành bão trong đó đối lưu đóng vai trò quan trọng. Có giả thuyết cho rằng các cụm mây tích và nhiễu động nhi ệt đới có sự tác động qua lại trong quá trình phát triển. Ẩn nhiệt ngưng kết của dòng thăng không khí nóng ẩm hình thành các khối mây tích là nguồn năng lượng cung cấp cho quá trình phát triển của bão. Về phần mình nhiễu động khơi sâu bảo đảm chuyển động hội tụ hơi nước ở tầng thấp cho các cụm mây tích phát triển. Về quá trình đối lưu và dông sẽ được trình bày chi tiết trong chương 5. 1.4 BẢO TOÀN MÔMEN QUAY VÀ SỰ TỒN TẠI ĐỚI GIÓ ĐÔNG NHIỆT ĐỚI VÀ ĐỚI GIÓ TÂY ÔN ĐỚI Trên bản đồ gió nhiều năm ta có thể thấy một đặc điểm lớn nhất là sự thịnh hành đới gió đông ở miền nhiệt đới và đới gió tây miền ngoại nhiệt đới. Có thể giải thích sự hình thành của chúng trên cơ sở định luật bảo toàn mômen quay đối với Trái Đất. Định luật bảo toàn mômen quay không những có thể áp dụng cho toàn bộ khối lượng chung của Trái Đất và khí quyể n mà có thể áp dụng cho từng cột khí và phần tử khí riêng lẻ. Hình 1.5. Sơ đồ mô men quay đối với đĩa quay (a) và đối với Trái Đất quay (b) Định luật này được biểu diễn dưới dạng: [...].. .10 d (ur + ωr 2 ) = 0 (1. 1) dr trong đó u là tốc độ gió, r là khoảng cách từ vật tới trục quay trên mặt phẳng quay (hình 1. 5a) Nếu ký hiệu a là bán kính Trái Đất thì r = a cosϕ, trong đó ϕ là vĩ độ; ω là d tốc độ quay của Trái Đất, ω = 2π/86.400 rad.s -1 hay 7,29 .10 -5.s -1; là sự biến đổi dr mômen toàn phần (đạo hàm mômen toàn phần) dọc theo quỹ đạo phần tử khí (hình 1. 5b) Theo (1. 1) mômen quay... trường dòng và trường áp Ta hãy làm quen với một số mô hình cơ bản của dòng khí trong khu vực nhiệt đới với nhiều đặc trưng khác biệt so với miền ngoại nhiệt đới (hình 1. 11) Trên hình 1. 11a là mô hình đơn giản nhất đã được thiết lập ngay từ thời kỳ đầu phát triển khí tượng nhiệt đới, đó là hệ thống tín phong, dòng khí thổi ở phần hướng về phía xích đạo của áp cao cận nhiệt nằm giữa trục sống áp cao... \ V) = 0 ∂z (1. 3) với ρ - mật độ không khí ; z - tọa độ thẳng đứng; w - tốc độ thẳng đứng Giả thiết là lớp khí quyển mà ta nghiên cứu mỏng khoảng 1km và phía trên của lớp này là profile có độ phân kỳ và hội tụ như trên hình 1. 7 và 1. 9 13 Mật độ biến đổi ít và có thể loại ra khỏi phương trình (1. 3) Tích phân theo chiều cao từ mặt đất tới độ cao 1km ta có: w h − w 0 = ( −∇ \ Vh )* = w h (1. 4) trong đó... dải áp thấp xích đạo là 5oS vào mùa đông Bắc Bán Cầu, còn mùa hè Bắc Bán Cầu thì nằm ở 15 oN, theo giá trị trung bình năm thì vị trí của dải áp thấp xích đạo này là 5oN được gọi là xích đạo khí tượng (hình 1. 10) Hình 1. 10 Các vị trí trung bình của rãnh áp thấp xích đạo trong tháng 1 và tháng 7 Vì vậy theo xích đạo khí tượng thì Nam Bán Cầu rộng hơn Bắc Bán Cầu Ta đã biết là miền nhiệt đới luôn cung cấp... (Strahler, 19 71) 1. 5 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 11 Theo Atkinson “Hoàn lưu chung là mô tả thống kê của các chuyển động khí quyển quy mô lớn trên toàn Trái Đất” Các thành phần của hoàn lưu miền nhiệt đới bao gồm: gió mùa mùa đông, tín phong, dải hội tụ nhiệt đới - kết quả phối hợp của hai hệ thống trên, sóng đông, sóng xích đạo và bão - hiện tượng rất đặc biệt của miền nhiệt đới 1. 5 .1 Phân... cao cận nhiệt hai bán cầu Trên mô hình đó là đới gió đông trải khắp miền nội nhiệt đới ở hai phía xích đạo Trên hình 1. 11b ở Bắc Bán Cầu, ngoài dải áp cao cận nhiệt là dải áp cao cận xích đạo, giữa hai dải áp cao này là dải áp thấp Trên hình 1. 11c là hình thế tương tự như trên hình 1. 11b chỉ có điều khác là dải áp cao cận xích đạo bị đẩy xuống phía nam nằm trên xích đạo và đó là hệ thống đệm (Ký hiệu... quay toàn phần luôn bảo toàn (không đổi) khi phần tử khí di chuyển theo quỹ đạo của nó: ur + ωr2 = const Khi không khí di chuyển, chẳng hạn từ vĩ độ 30 mỗi bán cầu lên các vĩ độ cao thì mômen quay của mặt phẳng quay ωr2 nhỏ hơn so với nơi phần tử khí xuất phát do bán kính quay giảm khi tới miền ôn đới Để mômen quay tuyệt đối bảo toàn thì mômen quay tương đối phải tăng lên, tốc độ phần tử khí u hướng... bố khí áp thể hiện trên hình 1. 8 Dải áp thấp xích đạo có khí áp nhỏ hơn khu vực xung quanh từ 5 -10 mb Dải áp thấp này di chuyển theo mùa cùng với Mặt Trời và người ta coi đó là dải có bức xạ cực đại trên Trái Đất tại các vĩ độ xích đạo (còn được gọi là xích đạo nhiệt) Hình 1. 7 Gió theo hướng kinh tuyến trung bình trên các đại dương, tháng 1 và tháng 7 Hình 1. 8 Profile khí áp mực biển theo kinh tuyến... gradien khí áp Ở miền nhiệt đới, chuyển động không khí xuất phát từ dải áp cao cận nhiệt hướng về phía dải áp thấp ở khu vực xích đạo dưới dạng tín phong Tháng 1 ở Bắc Bán Cầu thịnh hành gió bắc, ở Nam Bán Cầu là gió nam Tháng 7 khu vực gió bắc đẩy lên vĩ độ 15 – 35oN, phía nam vĩ tuyến 15 oN tới 35oS là gió nam Như vậy gió nam thịnh hành ở Nam Bán Cầu và vượt qua xích đạo về phía Bắc Bán Cầu Sự phân bố khí. .. tây ôn đới Ngược lại, khi không khí di chuyển về phía xích đạo, r sẽ tăng lên, ωr2 tăng, tốc độ phần tử khí u hướng từ đông sang tây sẽ giảm và nhỏ hơn so với chuyển động của mặt đất tại khu vực vĩ độ thấp Do khí chuyển động chậm hơn so với mặt đất nên xuất hiện đới gió đông ở miền nhiệt đới Trên hình 1. 6 là hai đới gió đông và tây hình thành trên Trái Đất quay Hình 1. 6 Sơ đồ vận chuyển mômen quay . 2π/86.400 rad.s -1 hay 7,29 .10 -5 .s -1 ; d dr là sự biến đổi mômen toàn phần (đạo hàm mômen toàn phần) dọc theo quỹ đạo phần tử khí (hình 1. 5b). Theo (1. 1) mômen quay toàn phần luôn bảo toàn. Trên hình 1. 11b ở Bắc Bán Cầu, ngoài dải áp cao cận nhiệ t là dải áp cao cận xích đạo, giữa hai dải áp cao này là dải áp thấp. Trên hình 1. 11c là hình thế tương tự như trên hình 1. 11b chỉ có. TÂY ÔN ĐỚI 9 1. 5 NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 10 1. 5 .1 Phân bố theo vĩ độ của tốc độ gió, khí áp, độ phân kỳ và hội tụ 11 1. 5.2 Chuyển động