Nhập môn hoàn lưu khí quyển ( đh quốc gia HN ) chương 6

chơng lan truyền sóng v xoáy dừng 6.1 kết quan trắc xoáy dừng Mặc dù dòng vĩ hớng xoáy có tính không liên tục nh đề cập chơng trớc, dòng trung bình theo mùa tính đối xứng vĩ hớng Tính bất đối xứng đóng vai trò quan trọng việc giải thích biến đổi khí hậu địa phơng Chúng lm biến đổi mô hình vận chuyển nhiệt v động lợng ton cầu, đặc biệt l vo mùa đông Bắc Bán Cầu Trong chơng ny ta xem xét số kết quan trắc mô hình sóng dừng, v tính đơn giản lý thuyết dựa lan truyền sóng tuyến tính v giải thích số đặc điểm chủ yếu kết quan trắc ny Các sóng dừng phần lớn thể rõ vo mùa đông Bắc Bán Cầu, v có biên độ lớn phần tầng đối lu Trong số trờng hợp, sóng ny đóng vai trò quan trọng mực cao tầng bình lu vo mùa đông, vấn đề ny ta đề cập trở lại Chơng Hình 6.1 biểu diễn trờng độ cao địa vị trung bình mực 250hPa vo mùa đông hai bán cầu Những đặc trng tiêu biểu hình vẽ Bắc Bán Cầu thể rãnh vùng Canada v Nhật Bản với sống nằm phía đông hai đại dơng ny Một điểm bật thể chiếm u hình số sóng vĩ hớng Hình tổng quát ny có tính ổn định mùa với dao động tơng đối nhỏ Hình vẽ tơng ứng cho Nam Bán Cầu nhìn đối xứng Xem xét kỹ ta thấy xoáy ny xê dịch đáng kể từ cực, hình ba rãnh đặc trng thấy rõ xung quanh vùng rìa Nam Cực Đặc trng nhiễu động phi vĩ hớng dòng cao thể rõ trung bình vĩ hớng đợc loại bỏ khỏi giá trị chẩn đoán, chẳng hạn nh biểu diễn Hình 6.1 Những dị thờng vĩ hớng ny đợc biểu diễn Hình 6.2 v 6.3 Các biểu đồ ny cho thấy dị thờng vĩ hớng hm dòng trung bình theo thời * gian mực 250hPa lớn dị thờng độ cao địa vị Điều ny nhằm nhấn mạnh dị thờng vĩ hớng có vai trò quan trọng dòng khí miền nhiệt đới v cận nhiệt đới nh miền vĩ độ cao Nh ta thấy mục tiếp theo, ảnh hởng miền nhiệt đới tới nhiễu động miền ôn đới đợc xem l quan trọng Sự xuất sóng vo mùa đông Bắc Bán Cầu, Hình 6.2(a) thể rõ; vĩ độ cao, số sóng hai v ba chiếm u thế, vùng vĩ độ thấp số sóng lại chiếm u Rất nhiều xoáy thể độ nghiêng pha cách có hệ thống với trục hớng từ tây nam phía đông bắc Sự nghiêng pha ny cho thấy dòng động lợng hớng cực phải gắn liền với xoáy dừng Các xoáy dừng - 148 - ny có biên độ đáng kể với bớc sóng vĩ hớng di so với mùa đông Nam Bán Cầu, nh biểu diễn Hình 6.3(b) Tuy nhiên, nghiêng pha cách có hệ thống không lớn ny thấy rõ Nam Bán Cầu Hình 6.1 Độ cao địa vị trung bình theo thời gian mực 250hPa, theo số liệu ECMWF mùa: (a) Bắc Bán Cầu, Tháng 12-1-2; (b) Nam Bán Cầu, Tháng 6-7-8 Khoảng đờng đẳng trị 100m Các sóng dừng biểu rõ vo mùa hè, với biên độ giảm đáng kể Đặc điểm vo mùa hè Bắc Bán Cầu, Hình 6.3(a), l hon lu xoáy nghịch có tâm tây nam Châu á; gắn liền với hon lu gió mùa Châu cao v thể rõ mực cao hơn, chẳng hạn nh mực 100hPa Ngoi ra, xoáy dừng - 149 - yếu v có quy mô nhỏ so với xoáy xuất vo mùa đông Đối với mùa hè Nam Bán Cầu có nhận xét tơng tự Hình 6.2(b); hình sóng vĩ hớng tơng đối yếu chiếm u Hình 6.2 Các xoáy trung bình theo thời gian dòng khí mực 250hPa, biểu diễn dị * thờng vĩ hớng hàm dòng trung bình vào mùa đông (tháng 12-1-2) Khoảng đờng đẳng trị x 106 m2s-1, giá trị âm biểu diễn nét đứt Hình vẽ dựa năm số liệu Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF) (a) Bắc Bán Cầu (b) Nam Bán Cầu Một điểm đáng lu ý tất biểu đồ ny l vắng mặt dòng vợt xích đạo Các nhiễu động dừng ny lấp đầy bán cầu tơng ứng, nhiên không lấn sang bán cầu đối diện Ngoại trừ vùng hon lu gió mùa Châu á, nơi có dòng vợt xích đạo (đặc biệt mực thấp) Nguyên nhân tách biệt rõ rng bán cầu ny với bán cầu l vấn đề m lý thuyết sóng dừng cần phải bn đến Có liên tục tơng đối rõ xoáy dừng mực cao v mực thấp Không giống nh biểu đồ Hình 6.2 v 6.3 biểu diễn cho nhiều mực tầng đối lu, Hình 6.4 biểu diễn mặt cắt thẳng đứng khí áp theo kinh tuyến, chủ yếu cho mùa đông Vo mùa đông Bắc Bán Cầu, thấy rõ chiếm u hình số sóng vĩ hớng Đáng ý l nghiêng pha cách có hệ thống sóng, với rãnh mực cao v sống nằm phía tây mực thấp tơng ứng Nh trình by Chơng 5, nghiêng ny chắn liên quan với vận chuyển nhiệt độ hớng cực xoáy Thực tế, xoáy dừng đóng vai trò quan trọng vận chuyển nhiệt hớng cực Bắc Bán Cầu vo mùa đông Mặc dù biểu ny không giải thích cách thoả đáng tợng tăng nhanh biên độ xoáy dừng hầu cao l đáng kể tầng bình lu - 150 - Hình 6.3 Tơng tự nh Hình 6.2 vào thời kỳ mùa hè (a) Bắc Bán Cầu (b) Nam Bán Cầu Vo mùa đông Nam Bán Cầu, biên độ ny nhiều nhỏ v bớc sóng nhiễu động di Quan trọng hơn, nghiêng pha theo chiều thẳng đứng nhỏ; dòng nhiệt hớng cực mang tính hệ thống xoáy dừng Nam Bán Cầu * Hình 6.4 Mặt cắt thẳng đứng theo kinh tuyến dị thờng vĩ hớng độ cao địa vị Z dựa theo chuỗi số liệu năm ECMWF Khoảng đờng đẳng trị 50m, vùng đậm vùng có giá trị âm (a) Thời kỳ mùa đông 60oN (b) Thời kỳ mùa hè 60oS - 151 - Hiệu ứng tổng cộng xoáy dừng vận chuyển nhiệt v động lợng đợc tổng kết mặt cắt theo khí áp-vĩ độ dòng nhiệt hớng cực v * T * v * dòng động lợng u v * dừng, biểu diễn Hình 6.5 v 6.6 Các dòng ny đóng vai trò quan trọng mùa đông Bắc Bán Cầu, dòng nhiệt hớng cực lan rộng suốt bề dy tầng đối lu miền ôn đới Giá trị cực đại lớn 12Kms-1 so với dòng nhiệt xoáy qui mô thời gian nhỏ Hình 6.5 Mặt cắt thẳng đứng theo vĩ độ dòng nhiệt hớng phía bắc sinh xoáy dừng v * T* dựa chuỗi số liệu năm Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu Khoảng đờng đẳng trị 2Kms-1, vùng đậm có giá trị âm (a) Thời kỳ mùa đông (b) Thời kỳ mùa hè - 152 - Cùng thời điểm đó, xuất giá trị dòng động lợng lớn phần tầng đối lu, hội tụ gần 50oN Một lần nữa, phân bố v độ lớn tơng xứng với dòng vận chuyển xoáy qui mô thời gian nhỏ Ngợc lại, dòng ny vo mùa hè v Nam Bán Cầu nhỏ nhiều so với dòng xoáy tức thời Sự tồn nhiễu động dừng ny suốt mùa v tính lặp lại từ năm ny qua năm khác cho thấy chúng chịu tác động mang tính vĩnh cửu Các tác động ny có quan hệ với nhiễu động dòng vĩ hớng sinh đặc điểm nh địa hình núi Trong hai trờng hợp có vai trò tác động lớp biên dới Trên qui mô ton cầu, dãy núi lớn chiếm diện tích tơng đối nhỏ bề mặt Trái Đất Dãy núi quan trọng l Tây Tạng với dãy Himalaya v dãy Rockies; Nam Bán Cầu l dãy Andes v vùng băng khổng lồ Nam cực l đặc điểm chủ yếu Các tác động ny có quan hệ với tơng phản lục địa v biển có quan hệ với nhiễu động dòng vĩ hớng sinh đặc điểm nh địa hình núi Trong hai trờng hợp có vai trò tác động lớp biên dới Trên qui mô ton cầu, dãy núi lớn chiếm diện tích tơng đối nhỏ bề mặt Trái Đất Dãy núi quan trọng l Tây Tạng với dãy Himalaya v dãy Rockies; Nam Bán Cầu l dãy Andes v vùng băng khổng lồ Nam Cực l đặc điểm chủ yếu Các dãy núi ny có phạm vi hạn chế Tác động nhiệt biến đổi nhiệt độ mặt biển hay tơng phản nhiệt độ lục địa v bề mặt đại dơng thờng hạn chế diện tích nhỏ Chẳng hạn nh biến đổi lớn nhiệt độ mặt nớc biển liên quan với dòng biển hẹp chảy dọc theo bờ phía tây đại dơng Nam Bán Cầu, chí tơng phản biển v lục địa mang tính địa phơng khoảng 20% bề mặt đợc bao phủ lục địa băng Từ nhận xét ny đặt câu hỏi liệu nhiễu động tác động địa phơng có khả lan truyền ảnh hởng tới ton cầu hay không, có phải l nguyên nhân hình thnh nhiễu động bao trùm bán cầu Phần lại chơng ny đề cập tới lan truyền xoáy theo phơng ngang v phơng thẳng đứng; số đặc điểm xoáy dừng đợc trình by chi tiết phần ny 6.2 Mô hình áp Một số đặc điểm biểu diễn biểu đồ phần trớc đợc mô mô hình áp đơn giản Những mô hình nh đơng nhiên đợc lý tởng hoá mức độ lớn v dùng cho mô xác hon lu trung bình theo thời gian Tuy nhiên, cách áp dụng ny giúp ta nhận biết trình rõ rng; cung cấp mô hình giải thích cho kết quan trắc v kết mô hình phức tạp Xét trờng hợp đợc mô tả Hình 6.7 Một lớp chất lỏng đơn có khí áp bề mặt ps, di chuyển qua núi có độ cao h(x,y) Giả thiết độ cao ny l nhỏ so với quy mô độ cao khí Cơ sở khởi đầu cho biểu diễn toán học mô hình ny l phơng trình xoáy tựa địa chuyển, phơng trình (1.62) có dạng - 153 - v. v f t p (6.1) Hình 6.6 Mặt cắt theo vĩ độ dòng động lợng hớng phía bắc sinh xoáy dừng u v dựa chuỗi số liệu năm Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu Khoảng * * đờng đẳng trị 5m2s-2, vùng đậm có giá trị âm (a) Thời kỳ tháng 12, 1, (b) Thời kỳ tháng 6, 7, Hình 6.7 Sơ đồ minh họa mô hình áp dòng khí miền ôn đới qua núi Đối với dòng áp, biến đổi nhiệt độ theo chiều ngang, dòng không phụ thuộc vo khí áp (hay độ cao) Số hạng kéo dãn vế phải phơng trình - 154 - không phụ thuộc vo khí áp Ta xem xét ba thnh phần đóng góp số hạng kéo dãn ny Dòng khí qua núi cho ta điều kiện biên dới p v.p s R v.h H (6.2) pR l khí áp trung bình bề mặt dới Phù hợp với mô hình áp, giả thiết biến đổi tuyến tính dần tới phía lớp biên Khi p = V.ps/pR v thnh phần lực đợc chuyển sang vế phải (6.1) Phần đóng góp thứ hai số hạng kéo dãn l ma sát bề mặt Nó đợc mô hình hoá cách dùng lý thuyết lớp Ekman cho lớp biên dới Lớp Ekman biểu diễn tốc độ thẳng đứng tỷ lệ với xoáy tơng đối đỉnh lớp Ekman pR K H 2f 1/2 (6.3) Trong phòng thí nghiệm, K l hệ số nhớt động học chất lỏng chuyển động v quan hệ ny nhìn chung xác Trong khí quyển, K đợc xác định cách thực nghiệm l hệ số nhớt rối đặc trng cho vận chuyển động lợng chuyển động rối Khi mô hình lớp Ekman đợc lý tởng hoá v không xác, nhiên cung cấp thông tin cách đầy đủ cho mục đích định tính Dùng vận tốc thẳng đứng ny nh l điều kiện biên dới cho mô hình áp, số hạng -D D = (fK/2H2)1/2 đợc biểu diễn vế phải phơng tình (6.1) Quy mô thời gian xoáy khí đặc trng l khoảng ngy Phần thứ ba sinh trình đốt nóng Phần ny biểu diễn mô hình áp dới dạng gần Đốt nóng đợc cân chuyển động thăng khí phân tầng ổn định Trong trờng hợp khí áp, giả thiết chuyển động thăng tăng tuyến tính theo khí áp v p = Phần phân kỳ D = -p gây tác động xoáy tơng đối Việc lý tởng hoá nh đặc trng cho phân bố đốt nóng vùng ôn đới Tuy nhiên l biểu diễn không tốt hiệu ứng đốt nóng miền nhiệt đới, nơi chuyển động thăng đạt cực đại phần tầng đối lu Vì xoáy có xu xoáy thuận mực dới thấp v xu xoáy nghịch mực cao Quá trình t áp nh mô hình hoá cách xác hệ phơng trình áp đơn giản Tuy nhiên, mô hình áp hữu ích bn luận Nếu tất hiệu ứng tác động ny đợc xét đến phơng trình xoáy áp có dạng f v. v v.h fD t D H (6.4) Giả thiết dòng vĩ hớng [u] đợc coi l hm y, ký hiệu U(y) Xoáy gắn liền với trạng thái ny l - U/y Nếu giả thiết độ lớn xoáy rối * l nhỏ so với U y , ta tuyến tính hoá phơng trình trạng thái trung bình vĩ hớng v thu đợc - 155 - fU h * * * U U yy v * fD H x t x D (6.5) Số hạng ( - Uyy) biểu diễn gradien hớng cực xoáy tuyệt đối; l đặc tính dòng Điều kiện Ekman tác động lm cho xoáy tơng đối giảm theo qui luật hm mũ giá trị với qui mô thời gian D, lm suy giảm trờng xoáy Các số hạng có tác động địa hình v trình phi đoạn nhiệt có dạng đơn giản, độc lập với dòng xoáy Cần thêm l trạng thái dừng đợc xác định cho tiêu tán Ekman cân với tác động xoáy ny Để đánh giá đặc tính mô hình cách rõ rng ta giả thiết địa hình có tác động lực v dạng địa hình đợc mô tả hm sin nh sau h h e i kx ly (6.6) Ta xét chất lỏng giới hạn kênh có độ rộng /l theo y v tuần hon theo x Giả thiết l U không phụ thuộc vo y Sau tìm nghiệm dới dạng * Ze i kx ly (6.7) ta tìm đợc biên độ Z quan hệ với độ cao núi ho dới dạng Z fU U / K i / D k h 2 U / K / k H D (6.8) 1/2 K = (k + l ) Do phản hồi ny có dạng sóng với số sóng vĩ hớng k v số sóng kinh hớng l Cách tính ny đợc tổng quát hoá cách dễ dng cho địa hình cách giả thiết phơng trình (6.6) l số hạng chuỗi Fourier biểu diễn độ cao núi Khi biểu thức tổng quát cho tổng biểu thức dới dạng (6.8) k v l Biên độ tơng ứng l Z fU U / K / k 2 1/2 h0 H (6.9) D pha liên hệ với pha núi công thức k tan D U / K (6.10) Công thức ny biểu diễn thích ứng cộng hởng theo cấp Thông số chủ yếu l số phi thứ nguyên /(K2U) Đối với sóng di, với /(K2U) 1, xoáy pha với pha núi, xoáy xoáy thuận phía đỉnh núi Đối với sóng ngắn, /(K2U) [...]... trình (6 .6 0) l ' kl 2 u*v* 0 e z / H (6 .6 4) 2 Biểu thức ny l kết quả nhận đợc ở phần trớc nhng có tính đến biến đổi theo chiều thẳng đứng So sánh với phơng trình (6 .6 2) ta thấy dòng động lợng hớng cực ny liên quan với vận tóc nhóm hớng cực theo công thức 4q y e z / H ' c gy K 4T 0 2 u v * * (6 .6 5) Tơng tự, dòng nhiệt độ thế vị hớng cực l v f2g * * R 2 ' 0 e z / H km (6 .6 6) quan hệ với thnh... mz t ' (6 .6 0) Thế vo phơng trình (6 .5 7) ta nhận đợc quan hệ phân tán nh sau Uk q y k 2 f 2 1 K 2 m 4H 2 N 2 (6 .6 1) trong đó số hạng nguồn S* đợc xác định Công thức ny đợc thoả mãn nếu tần số v tốc độ lan truyền đều lớn Hiệu ứng của việc giữ lại những tiêu tán nhỏ sẽ đợc nghiên cứu sau Phơng trình (6 .6 1) l một phơng trình tơng tự Khi U l hằng số v = 0 (sóng dừng) thì nó sẽ trở thnh phơng... c g / k, / l (6 .1 5) Từ quan hệ tiêu tán, phơng trình (6 .1 3), hai thnh phần của vận tốc nhóm đối với sóng dừng l c gx 2 U yy k 2 / K 4 , c gy 2 U yy kl / K 4 (6 .1 6) Sự lan truyền xẩy ra theo hớng tạo một góc với vòng cung vĩ tuyến, trong đó tan 1 c gy / c gx tan 1 l / k (6 .1 7) Phơng trình ny cho thấy việc lựa chọn căn dơng trong biểu thức (6 .1 4) tơng ứng với việc các thnh phần của sóng... cách tích phân phơng trình (6 .2 3) theo thời gian Thực tế, đơn giản hơn nhiều khi sử - 160 - dụng quan hệ chẩn đoán dựa trên quan hệ phân tán với = 0, phơng trình (6 .1 4) Vì ta biết , k v l l hm của vĩ độ, có thể tính vận tốc nhóm tại vị trí bất kỳ Quĩ đạo xác định bởi sóng Rossby khi đó đợc biểu diễn bởi dx 2 k 2 (6 .24a) dt K4 v dy 2 kl dt K4 (6 .24b) l K S2 k 2 (6 .1 4) trong đó Ta hãy xét sự lan... độ cao H = 64 km v số hạng f /(2 NH) tơng ứng với số sóng vĩ hớng l hai ở miền ôn đới Rõ rng khi U có giá trị âm hoặc U có giá trị dơng lớn, hệ số l âm nhng ngợc lại sẽ l dơng Hai trờng hợp ny có dạng nghiệm hon ton khác nhau Khi hệ số l dơng, quan hệ biên độ của phơng trình (6 .4 1) có dạng d2 m2 0 '2 dz - 170 - (6 .4 2) trong đó N f2 m K 2 f U 4N 2 H 2 1/2 (6 .4 3) Phơng trình (6 .4 2) l phơng... v f2g * * R 2 ' 0 e z / H km (6 .6 6) quan hệ với thnh phần thẳng đứng của vận tốc nhóm dới dạng 4q y e z / H ' c gz f Rz' K 4T 0 2 v * * (6 .6 7) Từ phơng trình (6 .6 5) v (6 .6 7) ta nhận thấy hớng của vectơ F R u * v * , R f v * * / Rz' (6 .6 8) song song với vận tốc nhóm địa phơng Vectơ F đợc gọi l dòng Eliassen-Palm v đây l một chẩn đoán quan trọng Cách giải thích cho dòng Eliassen-Palm... q q y v 0 t x (6 .7 4) ở đây bỏ qua ma sát v đốt nóng phi đoạn nhiệt, có một cách giải thích khác cho dòng Eliassen-Palm Nhân phơng trình (6 .7 4) với Rq*/[q]y v lấy trung bình vĩ hớng; kết quả nhận đợc R q *2 / 2 R .F 0 t q y (6 .7 5) trong đó sử dụng đồng nhất thức phơng trình (6 .7 2) Quan hệ bảo ton nh vậy rất quan trọng Nó cho thấy số hạng A R q *2 2q y (6 .7 6) đợc vận chuyển bởi... 2 km N 2 K 4T (6 .6 3) Nếu dùng gần đúng biến đổi chậm, hai biểu thức ny sẽ có dạng cơ bản của tia sóng ba chiều tơng tự nh lý thuyết hai chiều nêu ra trong phần (6 . 2) Tuy nhiên đối với mục đích giải thích số liệu khí quyển, ta không cần thiết phải dựa theo sự phát triển của lý thuyết tia sóng một cách chính xác Ta có thể kết hợp những lý luận trên để dẫn đến phơng trình (6 .3 1) v (6 .5 2) Dòng động lợng... e i kx ly trong đó l biên độ (thờng có giá trị phức) - 164 - (6 .2 7) Biểu thức dạng trên luôn đợc xem xét dới dạng ẩn bởi phần thực, do đó để chính xác hơn cần viết hm dòng ny dới dạng 1 ~ * e i kx ly e i kx ly (6 .2 8) 2 ~ trong đó chỉ phần liên hợp phức của Hai thnh phần ngang của trờng tốc độ của nhiễu khi đó l (6 .29a) (6 .29b) u* * 1 ~ ile i kx ly ile i kx ly 2 y v* ... địa chuyển (6 .5 5) v lấy trung bình vĩ hớng q t v * q * y S (6 .6 9) Phù hợp với giả thiết tựa địa chuyển, sự vận chuyển xoáy hớng cực q l thnh phần động lực duy nhất trong phơng trình trung bình vĩ hớng Tuy nhiên dòng hớng cực của xoáy thế [v*q*] có liên quan với dòng Eliassen-Palm Từ phơng trình (6 .5 9) ta có v * q * v *2 / 2 - 175 - v u * x * y fv * R f * * R z ' g Rz' z ' (6 .7 0) trong ... f2g * * R ' e z / H km (6 .6 6) quan hệ với thnh phần thẳng đứng vận tốc nhóm dới dạng 4q y e z / H ' c gz f Rz' K 4T v * * (6 .6 7) Từ phơng trình (6 .6 5) v (6 .6 7) ta nhận thấy hớng vectơ... cao - 180 - Khí áp kPa Khí áp kPa Vĩ độ Hình 6. 22 (tiếp) (c) ngày thứ 12; (d) trung bình từ ngày đến ngày 15 Khoảng đờng đẳng trị .F x 1015m3 hình (a), (b) (c) x 1015m3 hình (d) Trong giai đoạn... phơng trình (6 .4 1) có dạng d2 m2 '2 dz - 170 - (6 .4 2) N f2 m K f U 4N H 1/2 (6 .4 3) Phơng trình (6 .4 2) l phơng trình sóng có nghiệm sau z ' Ae imz Be imz ' ' (6 .4 4) v m l số sóng