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

- 218 - Chơng 8. Biến đổi tần số thấp của hon lu 8.1 Các quá trình tức thời tần số thấp Trong chơng trớc, trên Hình 7.14 l kết quả so sánh tensơ tơng quan xoáy đối với xoáy có tần số cao, có chu kỳ ngắn hơn mời ngy, với các xoáy có tần số thấp hơn. Các đặc trng 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 Chơng 7 đã đợc sử dụng để tách ra các chuỗi riêng của các quá trình động lực khác nhau, đó l những quá trình liên quan với bất ổn định t áp v hệ quả l sự phát triển của sóng bất ổn định t áp. Động năng của các xoáy tần số thấp có cấu trúc không rõ rệt. Hình 7.14 đã chỉ ra những bằng chứng cho thấy khu vực có tần suất cực đại thờng nằm ở vị trí cuối dòng hơn so với giá trị cực đại của xoáy tần số cao, cũng nh tơng quan giữa trung tâm dòng xiết v cực đại của những biến đổi tần số thấp. Tuy nhiên, cha có bất kỳ một hình thế no của những quá trình trên đợc chỉ ra một cách cụ thể. Một nguyên nhân giải thích hiện tợng đó l dải tần số thấp đã bao quát một dải tần số rất rộng. ở đây tồn tại những nhiễu động có chu kỳ không lớn hơn nhiều so với chu kỳ của những nhiễu động t áp, v hơn nữa những cực đại nằm cuối dòng hơn so với trung tâm quỹ đạo xoáy thuận phần no đó liên quan tới sự dao động v suy yếu của các xoáy thuận miền ôn đới, các xoáy ny chuyển động chậm hơn khi chúng đầy lên. Tuy nhiên ở đây cũng có cả sự xuất hiện của những nhiễu động tức thời có biên độ lớn với chu kỳ di hơn rất nhiều. Kết quả phân tích phổ đối với chuỗi số liệu khí tợng đủ di đã chỉ ra rằng những biến đổi quan trắc đợc có những chu kỳ di ngắn khác nhau. Hơn nữa phổ thu đợc có xu thế l phổ đỏ với biên độ tăng khi tần số giảm tới tần số rất thấp. Trong dải tần số đó đã diễn ra rất nhiều cơ chế vật lý diễn ra. Tuy nhiên một điều ngẫu nhiên l dấu hiệu phối hợp của chúng khi nghiên cứu biến đổi tần số thấp thì việc xem xét những tín hiểu tần số thấp tổng cộng l không đủ. Ta cần tách các khoảng tần số v cấu trúc không gian riêng. Để thực hiện điều nói trên bằng cách sử dụng phân tích phổ hoặc lọc chuỗi thời gian để tách ra những khoảng tần số hẹp. Điều đó có thể dẫn tới các cấu trúc không gian của các dao động với tần số khác nhau. Có một khó khăn đối với phơng pháp ny đó l lợng số liệu phải đủ lớn để có thể thu đợc những kết luận tin cậy. Điều đáng quan tâm hơn l do đặc điểm chung của nhiều hiện tợng tần số thấp đó l chúng chỉ l các quá trình tựa chu kỳ. Điều đó có nghĩa l, mặc dù có chu kỳ nhng các chu kỳ ny có thể biến đổi v cấu trúc của chúng có thể biến đổi trong khoảng giữa một cực đại ny tới một cực đại khác. Trong các thnh phần phổ, những dao động có tính chu kỳ đợc đặc trng bởi một dải hơn l những đỉnh nhọn. Những đặc điểm cho - 219 - thấy ta phải giải quyết những hiện tợng phi tuyến hơn l những mode chuẩn của những dao động rõ nét trong những phân tích tuyến tính của chuyển động khí quyển. Trong chơng ny, ta sẽ thảo luận những kỹ thuật mang tính thực nghiệm đợc sử dụng để tách các thnh phần tần số thấp của hon lu khí quyển. Những cấu trúc ny về cơ bản do những dị thờng đốt nóng địa phơng hoặc những dạng tác động khác m khi gặp điều kiện thuận lợi có thể lan truyền trên một khoảng cách lớn trên Trái Đất. Lý thuyết tia sáng đợc trình by trong mục 6.2 mô tả đơn giản hiện tợng ny. Ta cũng sẽ xem xét những dao động tựa chu kỳ của hon lu tầng bình lu v những dao động đáng quan tâm trên miền nhiệt đới Thái Bình Dơng kể cả sự tơng tác giữa hon lu khí quyển v đại dơng. Cuối cùng ta sẽ thấy rằng chỉ riêng hệ thống khí quyển cũng đã đủ phức tạp v tính phi tuyến trong việc tạo ra những hiện tợng tần số thấp dị thờng xẩy ra trong thời gian ngắn m không do bất cứ nguồn tác động no từ hệ thống bên ngoi. 8.2 Các hình thế quan hệ xa Kết quả phân tích nhất định của chuỗi thời gian di của hon lu chung khí quyển cho thấy những tơng quan quy mô lớn giữa dòng khí ở những vị trí cách xa nhau. Những dao động ny thuộc khoảng tần số thấp của quy mô thời gian v đợc gọi l ''quan hệ xa'' để nhấn mạnh mối tơng quan cùng khoảng cách trong tự nhiên. Quan hệ xa xuất hiện ở những vị trí xác định v có dạng ''sóng đứng'' với đỉnh v chân sóng xác định của những dao động tần số thấp. Chúng thờng nằm theo hớng thể hiện mối quan hệ của quá trình tần số thấp xẩy ra trong thời gian ngắn giữa miền nhiệt đới v miền ôn đới. Lý thuyết của mối liên hệ xa ny cha hon thiện nhng ta sẽ liên hệ chúng với quá trình lan truyền sóng Rossby theo hớng kinh tuyến. Trong mục ny sẽ mô tả những kỹ thuật thống kê thực nghiệm thờng đợc sử dụng để tìm các dạng của mối liên hệ xa. Kỹ thuật có triển vọng nhất l kỹ thuật phân tích tơng quan. Xem xét một trờng khí tợng Q đợc định nghĩa trên một tập hợp N điểm rời rạc; ký hiệu giá trị thứ i l Q i (t). Trong nhiều phân tích thì Q l trờng độ cao địa thế vị ở mực 500 hPa, trờng ny đợc quan trắc với độ chính xác nhất định v chuỗi thời gian đủ di, tối thiểu l cho miền ngoại nhiệt đới Bắc Bán Cầu. Cần lu ý l có thể tìm đợc các dạng của mối liên hệ xa tần số thấp bằng việc lọc Q i theo một cách no đó để loại bỏ các dao động tần số cao hơn. Đơn giản nhất l lọc bằng cách tính giá trị trung bình tháng của Q i . Trọng tâm của phơng pháp l tính, cho mỗi điểm một tơng quan với những giá trị khác của Q ở các điểm khác. Tơng quan ny có dạng 2/1 2 ' j 2/1 2 ' i ' j ' i ijj QQ QQ r (8.1) Điểm i đợc gọi l ''điểm cơ sở''. Tơng quan r ịj sẽ lớn trong lân cận của điểm cơ sở với giá trị tiến tới 1 khi j tiến tới i. Nếu không có dạng liên hệ xa thì r ij sẽ tiến tới không khi các điểm i, j cách nhau một khoảng lớn hơn quy mô ngang điển hình của hệ thống - 220 - hon lu. Giá trị dơng hay âm lớn của r ij cho thấy sự tồn tại của mối quan hệ xa giữa các điểm cách xa nhau. Những ví dụ điển hình đối với mùa đông Bắc Bán Cầu đợc chỉ ra trên Hình 8.1. Những kết quả tính toán ny đợc dựa trên cơ sở số liệu độ cao địa thế vị mực 500hPa cho 45 tháng đối với các tháng 12, tháng 1 v tháng 2, bắt đẩu từ mùa đông năm 1962-1963 v kết thúc vo mùa đông 1976-1977. Điểm cơ sở trên Hình 8.1(a) có toạ độ 55 o N v 20 o W ở giữa Đại Tây Dơng. Vùng elip của tơng quan lớn với độ rộng theo chiều kinh tuyến khoảng 2000km có tâm tại điểm cơ sở. Hình 8.1 Bản đồ tơng quan dựa theo số liệu độ cao địa thế vị trung bình tháng mực 500hPa trong 45 tháng mùa đông từ 3/1962 đến 7/1976: (a) Điểm cơ sở 55 o N, 20 o W Giá trị tơng quan trên vùng Thái Bình Dơng v Đông Nam á không lớn. Tuy nhiên những tơng quan lớn đợc vạch ra dọc theo một vòng tròn lớn đi qua điểm cơ sở với sự đổi dấu tơng quan từ dơng sang âm. Một hình thế đáng chú ý hơn đợc chỉ ra trên Hình 8.1(b). ở đây điểm cơ sở có vị trí 20 o N, 160 o W trên vùng trung tâm Thái Bình Dơng v có một loạt trung tâm đổi dấu về hớng bắc từ điểm cơ sở đến Bắc Mỹ. Ngợc lại tơng quan giữa điểm cơ sở v những điểm trên Đại Tây Dơng v Châu á nói chung l nhỏ. Những điểm cơ sở ny đợc lựa chọn vì chúng giống xác định đỉnh các dạng quan hệ xa. Còn các điểm cơ sở khác có tơng quan giảm đồng nhất tới những giá trị rất nhỏ khi khoảng cách tăng đáng kể kể từ điểm cơ sở. Hình 8.2 khái quát các dạng quan hệ xa điển hình ở Bắc Bán Cầu vo mùa đông. Hình thế đợc xác định rõ nhất đó l hình thế Thái Bình Dơng-Bắc Mỹ chỉ ra trên Hình 8.1(b). Một hình thế đáng kể khác đó l dao động bắc Đại Tây Dơng (đôi khi đợc chia thnh các hình thế đông v tây Đại Tây Dơng). Những hình thế khác, tuy không rõ rệt bằng, đôi khi cũng đợc nhận biết mặc dù chúng không có những đặc trng thống kê đáng kể. - 221 - Hình 8.1 (tiếp) (b) điểm cơ sở 20 o N, 160 o W. Khoảng giữa đờng đẳng trị là 0,2, giá trị âm là vùng đậm (Theo Wallace & Gutzler 1981) Các đặc trng của hình thế Thái Bình Dơng-Bắc Mỹ v dao động bắc Đại Tây Dơng l sự liên hệ theo chiều kinh tuyến giữa miền nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới v miền ôn đới rất đáng quan tâm. Chúng có sự tơng tự đáng kể với chuỗi xoáy Rossby đợc chỉ ra trong mục 6.2, cho thấy mô hình quan hệ xa l chuỗi sóng Rossby chịu những khu vực tác động dị thờng ở miền nhiệt đới, dị thờng trên miền ôn đới. Hình 8.2 Tổng kết về các mô hình quan hệ xa cơ bản mùa đông Bắc Bán Cầu. Đờng đậm nét chỉ các đờng đẳng trị tơng quan 0,6, và các kí tự chỉ các trung tâm dơng và âm của các mô hình cơ bản. (Wallace & Gutzler, 1981) - 222 - Phân tích tơng quan cho ta những thông tin về cấu trúc không gian của quan hệ xa nhng không cung cấp nhiều thông tin về quy mô thời gian của các sự kiện quan hệ xa. Quá trình lọc trớc phức tạp đối với chuỗi thời gian có thể hữu ích nhng phơng pháp ny sẽ rất cồng kềnh v những kết luận lại rất mơ hồ về mặt thống kê. Một cách tiếp cận khác cho kết quả tơng tự đợc gọi l phân tích hm trực giao thực nghiệm hay phân tích EOF. Phơng pháp ny đợc sử dụng rộng rãi để phân tích số liệu quan trắc cũng nh mô phỏng số trị hạn di của hon lu ton cầu. Nguyên tắc cơ bản của phân tích EOF nh sau. Trờng ton cầu của một biến khí tợng Q i v trung bình thời gian của nó i Q , đợc phân tích tại từng điểm của dãy N điểm, đợc xem nh l những vectơ trong không gian N chiều. Những dị thờng Q i ' đợc chỉ ra từ Q i v i Q . Khi hệ thống phát triển thì vectơ Q i ' có dạng sóng v dao đông lân cận i Q . Câu hỏi đợc đặt ra l các vectơ Q có đợc sắp xếp theo những hớng xác định kể từ i Q hay không? Ta có thể xác định đợc những hớng ny v gắn kèm chúng với các ý nghĩa vật lý hay không? Phân tích EOF về cơ bản cho ta một hệ các vectơ cơ bản trực giao trong không gian N, các vectơ ny đại diện cho một tập hợp các vectơ bất kỳ. Hình 8.3 l một minh hoạ dới dạng sơ đồ về cách lm ny. Hình 8.3 Sơ đồ minh họa qui tắc phân tích EOF, áp dụng cho một hệ hai biến. Trạng thái của hệ đợc mô tả bằng vectơ Q. Chúng tập trung theo một hớng nhất định. Cách mô tả hệ này là sử dụng hai vectơ cơ bản trực giao, một vectơ hớng về phía Q tập trung cực đại, vectơ còn lại vuông góc với vectơ này. Phơng pháp ny bao gồm việc tính ma trận tơng quan N x N của các thnh phần nhiễu Q i tại những điểm khác nhau. Ký hiệu ma trận tơng quan l C v các thnh phần của nó l C ij ta đợc ' j ' iij QQC (8.2) Tiếp theo ta tìm giá trị riêng v vectơ riêng của C, tức l phải giải bi toán giá trị riêng sau N,1j, jj j eCe (8.3) - 223 - Vì ' i ' j ' j ' i QQQQ , C l một ma trận đối xứng với các giá trị thực. Điều ny có nghĩa l những giá trị riêng của ma trận ny l thực v dơng. Các vectơ riêng tơng ứng tạo nên một hệ trực giao, v do đó chính l hệ vectơ cơ bản ta cần hay các hm trực giao tự nhiên EOFs. Những giá trị riêng j tỷ lệ thuận với phần phơng sai tơng ứng với các vectơ riêng. Thông thờng ngời ta sắp xếp các giá trị riêng theo thứ tự giảm dần, vì vậy EOF đầu tiên giải thích phần phơng sai lớn nhất trong số liệu v EOF thứ hai giải thích phần phơng sai lớn thứ hai v vân vân. Các giá tri của mỗi EOF có thể đợc biểu diễn nh l một trờng. Biên độ có thể cho theo tỷ lệ tuỳ ý nhng thông thờng đợc chuẩn hoá theo một cách no đó. Tuy nhiên, cấu trúc không gian của một số EOF đầu tiên nói chung l trơn v cho thấy cấu trúc quy mô lớn chung nhất thờng thấy của trờng. Với một hệ tuyến tính các EOFs có thể coi l các mode chuẩn tuyến tính của hệ thống. Đối với hệ thống sát thực tế hơn, giá trị của chúng nằm ngoi các hớng tập trung v không tập trung trong không gian N chiều. Vì chuỗi thời gian của Q i l xác định, vì vậy chỉ có một số ít giá trị riêng đầu tiên đợc xem l có ý nghĩa thống kê. Nếu nh chuỗi thời gian bao gồm M thể hiện của trờng thì số lợng các EOFs có ý nghĩa vo khoảng O(M 1/2 ). Trờng ny có thể đợc biểu diễn một cách rất chặt chẽ qua các thnh phần của EOF. Vì các hm thực nghiệm l trực giao nên ta có thể viết N 1j ijji etptQ (8.4) Chuỗi thời gian p j (t) đợc gọi l thnh phần chính thứ j của chuỗi số liệu. Nó biểu diễn chuỗi thời gian của hình chiếu của số liệu lên hm trực giao thực nghiệm thứ j. Vì vậy, các thnh phần ny mang ý nghĩa thể hiện sự tơng tác về mặt thời gian của những cấu trúc không gian xác định bởi các hm trực giao thực nghiệm. Hình 8.4 Kết quả thực hiện một phân tích hm trực giao tự nhiên của một tập hợp các trờng độ cao địa thế vị mực 500hPa vo mùa đông. Hai hm trực giao thực nghiệm đầu tiên đợc biểu diễn ở đây; chiếm 58% sphơng sai tổng cộng của số liệu. Chúng có thể có quan hệ với các hình thế quan hệ xa; sự khác biệt chủ yếu ở Âu á, nơi có sự lồng ghép (không trực giao) giữa các hình thế quan hệ xa khác nhau đợc biểu diễn trên Hình 8.2. Mặt khác, có sự liên hệ tốt giữa các hình thế quan hệ xa v các vectơ EOFs. Ví dụ nh, EOF đầu tiên bị chiếm u thế bởi hình thế PNA (Thái Bình Dơng-Bắc Mỹ) trong khi đó các đặc điểm lớn nhất của EOF thứ hai tơng ứng với hình thế NAO (Dao động Bắc Đại Tây Dơng). Sự kết hợp tuyến tính của các vectơ EOF đầu tiên cho ta các hình thế địa phơng phù hợp với các hình thế quan hệ xa đợc nhận biết qua kết quả phân tích tơng quan. Tổ hợp tuyến tính của các EOF ny thực chất l một vectơ quay xác định EOF trong không gian N chiều của ' i Q, v vì vậy các kết hợp ny đợc gọi l EOF quay. Hình 8.4(c) v (d) biểu diễn hai EOF quay đầu tiên đối với độ cao địa thế vị mực 500hPa vo mùa đông. Chúng phù hợp khá tốt với các hình thế PNA v NAO. Trong phần đầu của mục ny, các mối quan hệ xa đợc mô tả nh l những dao động đứng với các khu vực không giao nhau, nơi hệ số tơng quan với điểm cơ sở l - 224 - cao, v trong các khu vực giao nhau nơi có tơng quan với điểm cơ sở gần nh bằng không. Xem xét chuỗi thời gian của các thnh phần chúng ta thấy dao động ny rất khác dạng sin. Hơn nữa, một số tác giả mô tả các dao động nh sự chuyển đổi bất thờng giữa hai trạng thái hon lu, tơng ứng với dấu dơng v dấu âm của các thnh phần ny. Mỗi trạng thái đợc xem nh l siêu ổn định, do đó hon lu duy trì ở trạng thái ny trong một khoảng thời gian trớc khi nó chịu một sự biến đổi mạnh, tuy nhiên thực chất không lờng trớc về trạng thái đối nghịch. Các dị thờng ổn định ny hay chế độ đa dòng l một khả năng ổn định trong một thời gian, một điều đã rõ từ lâu trong khí hậu synốp. Đã có rất nhiều cố gắng để xác định chỉ số chu kỳ của các hình thế trên quy mô khu vực, trong đó sự dao động của dòng giữa một trạng thái dòng vĩ hớng mạnh v một dòng vĩ hớng yếu hơn với các xoáy có biên độ lớn. Tuy nhiên, vo các chu kỳ khác, các thnh phần chính ny dao động liên tục v thất thờng. Trong suốt thời gian ny, dao động ny tơng tự với một dao động đứng, mặc dù với chu kỳ rất khó xác định. Hình 8.4 EOFs Trờng độ cao địa thế vị mực 500hPa vào mùa đông, dựa theo cùng chuỗi số liệu 45 tháng nh Hình 8.1. (a) và (b) biểu diễn EOF thứ nhất và thứ hai tơng ứng. Các kỹ thuật thống kê trình by trong mục ny đơn giản dùng để tách các hình thế trơn (ít nhiễu động) qui mô lớn trong các trờng độ cao địa thế vị hay các biến khác. Các kỹ thuật mây ny không xác định đợc bất kỳ một cơ chế vật lý no đối với mối tơng quan của các trờng trên những khoảng cách lớn. Để lm đợc điều đó, cần kiểm tra các số hạng trong các phơng trình động lực học đối với dòng khí, v cần các thử nghiệm số với một mô hình hon lu ton cầu. Tuy nhiên, sự tơng tự giữa các hình thế quan hệ xa chẳng hạn nh hình thế PNA, v các chuỗi sóng Rossby dừng đợc mô tả trong Chơng 6 cho thấy sự lan truyền các sóng với tốc độ pha nhỏ hơn hay bằng không l một cơ chế có thể lm phát triển các hình thế quan hệ xa. Chẳng hạn nh hình thế ny có thể bị kích động bởi một dị thờng khu vực của sự đốt nóng ở miền nhiệt đới khởi đầu một dị thờng xoáy ở các vĩ độ thấp. Với bớc sóng di, các sóng Rossby dừng sẽ lan truyền gần theo kinh - 225 - hớng khỏi khu vực ban đầu v lệch về phía các vĩ độ cao hơn. Mặt khác, lý thuyết trình bầy trong Chơng 6 cho thấy biên độ của sự thích ứng trong trờng độ cao địa thế vị tăng theo vĩ độ, do đó một nhiễu động với biên độ lớn ở miền cận nhiệt đới có thể dẫn tới một sự thích ứng lại rất đáng kể ở các vĩ độ cao hơn. Chẳng hạn các dị thờng nhiệt gây ra bởi đối lu mạnh trên các đại dơng nhiệt đới nóng dị thờng, khi đó có thể tạo ra các dị thờng hon lu ở những khoảng cách lớn từ dị thờng nhiệt độ mặt biển. Hình 8.4 (tiếp) (c) và (d) biểu diễn EOF quay thứ nhất và thứ hai, có thể so sánh với các Hình 8.1 (a, b) (X. Cheng & J. M. Wallace) Một ví dụ về kiểu quan hệ ny sẽ đợc trình by trong mục 8.5. Chu kỳ của dị thờng ny chủ yếu đợc xác định bởi chu kỳ của dị thờng nhiệt độ mặt biển, có nghĩa l bởi qui mô thời gian của các hon lu trong phần trên của đại dơng nhiều hơn l trong khí quyển. Qui mô thời ny l vi tuần thì đúng hơn l vi ngy. Hiện nay nói chung ngời ta cho rằng rất nhiều biến đối ổn định của dòng khí miền ôn đới có quan hệ với đại dơng nhiệt đới theo cách ny, do đó trong bi toán dự báo qui mô thời gian mùa hay di hơn thì một điều dễ hiểu l dự báo hon lu đại dơng có chất lợng ổn định hơn so với dự báo hon lu khí quyển. Để hiểu rõ các hiện tợng miền nhiệt đới kích động nh thế no đối với chuỗi sóng Rossby ở miền cực, ta xét phơng trình xoáy đối với một mực đơn trong khí quyển. Phơng trình ny đợc viết dới dạng sau D. t v (8.5) (xem phơng trình 1.50) trong đó l xoáy tơng đối, xoáy tuyệt đối bằng f + v D phân kỳ ngang y/vx/u . Từ phơng trình liên tục, p/D . Giả thiết ma sát l nhỏ ở các mực phần trên tầng đối lu v do đó không có số hạng ma sát trong phơng trình (8.5). Tại bề mặt, vế trái của phơng trình (8.5) mô tả sự lan truyền của các sóng Rossby, nh đã trình by trong mục 6.2, trong khi đó số hạng vế phải biểu diễn tác động của các sóng ny. ở miền nhiệt đới, tốc độ thẳng đứng lớn cân bằng với - 226 - sự đốt nóng, do đó các khu vực có lợng ẩn nhiệt giải phóng lớn liên quan với đối lu nhiệt đới sẽ tác động đến dòng thăng lớn ở mực giữa v dòng phân kỳ tại các mực trên của tầng đối lu. Tuy nhiên ở miền nhiệt đới, đổi dấu ở một số khu vực gần xích đạo, v nói chung có giá trị nhỏ ở miền nhiệt đới. Mặt khác, trong mô hình Held-Hou phơng án lý tởng hoá của hon lu Hadley, bằng không khi đi qua các vòng hon lu Hadley. Do đó thay vì chứng quan trắc rõ rng về các hình thế quan hệ xa, các dị thờng đốt nóng ở miền nhiệt đới sẽ không có ảnh hởng đối với các sóng kích động sóng tạo ra các quan hệ với miền vĩ độ cao hơn. Vấn đề có thể đợc giải quyết bằng nhiều cách xem xét một cách chi tiết phơng trình xoáy (8.5). Bây giờ trờng vận tốc v có thể đợc tách thnh phần quay thuần v v phần phân kỳ thuần v (kết quả tổng quát của lý thuyết Helmholtz). Trờng vận tốc khi đó có thể đợc biểu diễn qua các số hạng của hai trờng vô hớng, trờng hm dòng v thế vận tốc nh sau v,kv (8.6) Từ những định nghĩa ny, ta có phơng trình xoáy tơng đối 2 v phần phân kỳ 2 D . Bây giờ thế vo phơng trình (8.5) đối với v v viết lại phơng trình ny dới dạng .vD.v t (8.7) Phơng trình ny biểu diễn phần hiệu chỉnh giữa các số hạng lan truyền sóng Rossby liên quan tới phần quay của trờng gió, ở vế trái của phơng trình, v các số hạng tác động liên quan đến phần phân kỳ của gió, ở vế phải. Sự lan truyền các sóng Rossby l kết quả của bình lu xoáy tuyệt đối do phần quay, không phải do phần phân kỳ của trờng gió. Số hạng phụ biểu diễn bình lu xoáy tuyệt đối do phần phân kỳ của gió đơng nhiên l không nhỏ, thậm chí mặc dù v nhìn chung có giá trị nhỏ so với v . Đó l bởi vì thnh phần gió quay nhìn chung song song với các đờng đẳng trị của , trong khi đó thnh phần gió phân kỳ nhỏ hơn có thể lm một góc lớn với các đờng ny. Các số hạng tác động đơn giản đợc gọi l số hạng nguồn Rossby S có thể dẫn về dạng sau v.S (8.8) Bây giờ ta có thể thấy các sóng Rossby có thể bị kích động bởi sự đốt nóng miền nhiệt đới, thậm chí mặc dù thờng nhỏ tại lân cận vùng đốt nóng. Dòng phần kỳ sẽ lớn nhất lân cận rìa của khu vực đốt nóng, bên ngoi khu vực ny D có giá trị lớn. Gradien của lớn khi gần tới miền cận nhiệt đới, v do đó S có thể lớn ở miền cận nhiệt đới, cũng nh của cực đại đốt nóng miền nhiệt đới. Trên Hình 8.5 l sơ đồ minh hoạ đặc điểm ny. Những ý tởng ny đợc minh họa trên Hình 8.6, hình vẽ ny cho thấy hm nguồn sóng Rossby đối với mùa đông Bắc Bán Cầu. Ta thấy một cực đại đốt nóng rộng lớn phía trên Indonesia (xem Hình 3.8), mặc dù ở đây l một khu vực có v nhỏ. Tuy nhiên, gió phân kỳ mạnh nhất ở phía bắc khu vực ny, lân cận bờ biển - 227 - Đông Nam á. Tác động của các sóng Rossby lớn nhất ở khu vực của cực đại dòng xiết Châu á, cách xa khoảng 3000km so với cực đại đốt nóng. Hình 8.5 Sơ đồ minh họa tác động của một chuỗi sóng Rossby do một cực đại đốt nóng miền nhiệt đới. Khu vực tô đậm chỉ khu vực trong đó hàm nguồn sóng Rossby là lớn. Nghiên cứu đối với các cấu trúc qui mô lớn, tần số thấp trong hon lu Nam Bán Cầu bị hạn chế do thiếu số liệu v biên độ tơng đối nhỏ của những nhiễu động tần số thấp dừng. Chất lợng của những phân tích riêng biệt nhìn chung kém hơn so với Bắc Bán Cầu, do ở đây ít trạm cao không. Chất lợng của các kết quả phân tích chuỗi thời gian kém hơn so với Bắc Bán Cầu do ít số liệu cao không. ở đây chỉ có các dãy số liệu ngắn rất khó có đợc kết quả thống kê ổn định đối với các hiện tợng tần số thấp. ở Nam Bán Cầu đều có biên độ nhỏ hơn, v không nổi rõ trên trờng nền bị nhiễu động do các hình thế quy mô synôp của trờng nền. Mặc dù đã có rất nhiều nỗ lực để xác định các hình thế quan hệ xa tái diễn trong những năm gần đây, chi tiết của các nghiên cứu không ổn định. Tuy nhiên, có hai kết quả xuất hiện rõ rng v có một số điểm chi phối với kết quả của một số nghiên cứu độc lập. ở đây, trình by kết quả từ nghiên cứu của Mo & White (1985) dựa trên trờng trung bình tháng của độ cao mực 500hPa v khí áp mặt đất đợc tổng kết. Đặc điểm quan trọng đầu tiên l sự tơng quan âm giữa khí áp mặt đất hay độ cao địa thế vị 500hPa ở miền cực v miền nhiệt đới, với một mode lân cận 60 o S. Ta thấy một nhiễu động có liên quan trong cờng độ của đới gió tây ôn đới. Một đặc điểm quan trọng khác l hình thế 3 số sóng vĩ hớng thông thờng. Hình thế kiểu nh vậy l một đặc điểm của các trờng trung bình (xem Hình 6.1(b)), tuy nhiên ở đây xuất hiện một chỉ số chu kỳ gần giá trị ny dòng khí miền ôn đới nằm giữa một trạng thái có tính vĩ hớng hơn v một trạng thái có sóng dừng với số sóng l 3. Phân tích tơng quan cho thấy sự xuất hiện ba cực đại của tơng quan quanh miền ôn đới Nam Bán Cầu. [...]... đổi hon lu khí quyển, cả các hon lu địa phơng cũng nh hon lu ton cầu Hình 8. 18 Các nghiệm của mô hình khí hậu đơn giản Lorenz, phơng trình từ (8 .19a-c) đối với hai điều kiện ban đầu: (a) hình chiếu trên mặt (U, A); (b) hình chiếu trên mặt (A, B) Các thnh phần khí quyển, v do đó tác động bức xạ của hon lu có thể dao động nh các thnh phần khí quyển, có chu kỳ giống nh sinh vật Quy mô thời gian tơng thích... năm 1 98 2-1 983 , hiện tợng ENSO mạnh nhất trong vòng 40 năm quan (a) Dị thờng trờng gió mực 85 0hPa (số liệu của ECMWF); vectơ chuẩn biểu thị 5ms-1 (b) Dị thờng nhiệt độ mặt nớc biển trên Thái Bình Dơng trong năm 1 98 2-1 983 Khoảng giữa đờng đẳng trị 1K, vùng đậm có giá trị vợt quá 1K - 239 - Những cố gắng mô hình hóa dao động ENSO chủ yếu dựa trên một dao động kép của hon lu kết hợp giữa khí quyển- đại dơng... U (8 .1 8) D - 243 - Điều kiện ny có thể đợc đảo lại để cho những giá trị của U đối với dòng vĩ hớng trong điều kiện cân bằng với địa hình v với lực Nghiệm ny dễ dng đợc giải bằng phơng pháp đồ thị đối với phơng trình (8 .1 8) , kết quả đợc biểu diễn trên sơ đồ trên Hình 8. 17 Trờng hợp cộng hởng đủ rõ, có nghĩa l độ cản D không quá lớn, ở đây có ba giá trị khác nhau của U thoả mãn phơng trình (8 .1 8) Thực... UA 0,01 38, UB 0,2 685 , AB 0,0693 Xác định các hm trực giao tự nhiên của hệ Lorenz v mỗi một hm trực giao tự nhiên biến đổi l bao nhiêu Vẽ các hm trực giao tự nhiên ny lên các mặt U-B v AB, liên hệ chúng với các Hình 8. 18 v 8. 19 8. 2 Sử dụng phơng trình (6 . 9) v (6 .1 0) để đồ hoạ tốc độ dòng thẳng đứng cản qua núi đối với biến đổi độ cao địa hình có 2 số sóng vĩ hớng, biên độ 1000m, quy mô thời gian cản... trung bình tháng dựa trên quan trắc của các trạm miền nhiệt đới ở đảo Canton (tháng 1/1953 đến 8/ 196 7), Đảo Maldive (tháng 9/1967 đến 12/197 5) và Singapore (tháng 1/1976 đến 5/199 2) Khoảng giữa các đờng đẳng trị là 10m/s, vùng tô đậm là đới gió tây (Naujokat, 1 98 6) - 230 - Đây l mặt cắt thẳng đứng theo chiều cao v thời gian của thnh phần vĩ hớng của gió quan sát đợc ở một số trạm miền nhiệt đới Dao động... gian giữa các hiện tợng ENSO có thể ngắn, khoảng 2 năm hoặc có thể di tới 7 năm; chu kỳ trung bình khoảng 40 tháng Hình 8. 14 biểu diễn hai đặc tính của ENSO năm 1 98 2-1 983 Trên Hình 8. 14(a) biểu diễn dị thờng của gió ở mực 85 0hPa mùa đông năm 1 98 2-1 983 so với thời kỳ sáu năm từ 1 98 3-1 989 Một dị thờng gió tây mạnh mở rộng nhiều về trung tâm Thái Bình Dơng nhiệt đới, với những dị thờng gió đông yếu hơn... lục địa v biển Hình 8. 16 Tơng tác giữa các xoáy tức thời tần số cao với một xoáy nghịch ngăn chặn trên khu vực tây bắc Châu Âu: (a) các xoáy tần số cao và độ cao địa thế vị tần số thấp; (b) vectơ E (Theo Hoskin và cộng sự, 1 98 3) - 242 - Lý thuyết về quá trình cỡng bức của những sóng dừng có thể dẫn tới cơ chế ngăn chặn v cơ chế dòng vĩ hớng đợc đề xuất bởi Charney v Devore (1 98 1) Đây l sự mở rộng đơn... của thời gian Để minh hoạ, trớc tiên ta xem xét một dạng hon lu đơn giản tơng tự nh hon lu khí quyển đợc Lorenz nêu ra Nó bao gồm các phơng trình vi phân bậc 3 biểu diễn sự tiến triển theo thời gian của 3 số hạng tác động lẫn nhau dU 8 U A 2 B2 (8 .19a) dt 4 dA 4UB U 1A 1 (8 .19b) dt dB 4UA U 1B (8 .19c) dt U có thể đợc coi l thớc đo thứ nguyên của gradien nhiệt độ ngang miền ôn đới hoặc nếu...Hình 8. 6 Nguồn sóng Rossby S đối với mùa đông, 197 9 -8 9 tại mực 150hPa (a) Các đờng đẳng trị của xoáy tuyệt đối , khoảng giữa đờng đẳng trị là 2 x 1 0-5 s-1, và các vectơ gió phân kỳ v Vectơ chuẩn là 2ms-1 (b) S, khoảng giữa đờng đẳng trị 5 x 1 0-1 1s-2, với vùng đậm chỉ giá trị âm Hình 8. 7 Sự khác biệt giữa sự kết hợp của trờng độ cao 500hPa ở Nam... đã giả thiết 8. 7 Sự hỗn loạn v biến đổi tần số cực thấp Khi xem xét các dao động tần số thấp hơn của hon lu khí quyển ngời ta ngy cng nhận rõ l hiệu ứng phối hợp giữa khí quyển v các thnh phần biến đổi khá chậm của hệ thống khí hậu trở nên quan trọng Quy mô thời gian động lực đặc trng của khí quyển l khoảng 5 ngy, trong khi quy mô thời gian bức xạ đặc trng l 30 ngy Ngợc lại, quy mô thời gian gắn liền . Hình 8. 4 (tiếp) (c) và (d) biểu diễn EOF quay thứ nhất và thứ hai, có thể so sánh với các Hình 8. 1 (a, b) (X. Cheng & J. M. Wallace) Một ví dụ về kiểu quan hệ ny sẽ đợc trình by trong mục 8. 5 nên độ xoáy tơng đối quy mô lớn thông qua thnh phần nguồn S của sóng Rossby (phơng trình (8 . 7) v (8 . 8) ) . Cơ chế đó cũng đợc giả thiết l cơ chế hình thnh của bão cũng nh hệ thống thời tiết. Vấn. Bán Cầu. - 2 28 - Hình 8. 6 Nguồn sóng Rossby S đối với mùa đông, 197 9 -8 9 tại mực 150hPa. (a) Các đờng đẳng trị của xoáy tuyệt đối , khoảng giữa đờng đẳng trị là 2 x 10 -5 s -1 , và các