Chuyên khảo này trình bầy quan điểm hiện đại về hoàn lưu khí quyển toàn cầu. Trong chuyên khảo có sự phối hợp giữa các số liệu quan trắc thực tế đối với hoàn lưu chung khí quyển bằng những mô hình lý thuyết đơn giản của cơ chế điều khiển hoàn lưu. Những chương đầu đề cập tới quan điểm truyền thống về hoàn lưu toàn cầu đối với những quá trình khởi tạo chuyển động khí quyển và các nguyên nhân động lực làm biến động chúng. Các chương tiếp theo phát triển những vấn đề gần đây nhất bao gồm cả sự biến động tần suất thấp và các quá trình hoàn lưu khí quyển toàn cầu khác.
Đại học quốc gia H Nội Trờng đại học khoa học tự nhiên Ian N James nhập môn hon lu khí Biên dịch: Vũ Thanh Hằng Lê Thị Thơng Hμ Néi – 2002 Introduction to Circulating Atmosphere Ian N James University of reading Cambridge university press -2- Published by the Press Syndicate of the University of Cambridge The Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge CB2 1RP 40 West 20th Street, New York, NY 10011-4211, USA 10 Stamford Road, Oakleigh, Melbourne 3166, Australia Cambridge University Press 1994 First published 1994 Printed in Great Britain at the University Press, Cambridge A catalogue record for this book is available from the Bristish Library Library of Congress cataloguing in publication data available ISBN 521 41895 X hardback TAG -3- Môc lôc Lêi dÉn Ký hiƯu Ch−¬ng 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 Ch−¬ng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Ch−¬ng 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Ch−¬ng 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Ch−¬ng 5.1 5.2 5.3 5.4 -4- Các định luật vật lý Định luật thứ nhiệt động lực học Bảo ton vật chất Định luật thứ hai chuyển động Newton Các hệ tọa độ Cân thuỷ tĩnh Xoáy Gần tựa địa chuyển Xoáy v phơng trình omega Xoáy Ertel Bi tập Quan trắc v mô hình hoá hon lu khí ton cầu Việc tính trung bình nghiên cứu khí Mạng quan trắc ton cầu Các mô hình dự báo thời tiết số Quy trình phân tích - dự báo Mô hình hon lu ton cầu Bi tập Cơ chế nhiệt khí Cân lợng ton cầu Cân bc xạ địa phơng Nhiệt động lực chuyển động chất khí Kết quan trắc đốt nóng khÝ qun Bμi tËp Hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh theo vĩ hớng Quan trắc Mô hình Held-Hou hon lu Hadley Mô hình hon lu Hadley thực tế Hon lu trung bình vĩ hớng vĩ ®é trung b×nh Quan ®iĨm Lagrangian vỊ hoμn l−u kinh hớng Bi tập Những nhiễu động tức thời miền ôn ®íi Quy m« thêi gian cđa chun ®éng khÝ qun Cấu trúc xoáy tức thời Các nguồn lợng khí Lý thuyết bất ổn định t ¸p 13 17 17 20 21 23 24 27 29 33 35 37 38 38 41 46 51 54 63 65 65 69 71 74 78 80 80 84 90 95 101 104 106 106 110 118 127 5.5 5.6 Ch−¬ng 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 Ch−¬ng 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 Ch−¬ng 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 8.7 8.8 Ch−¬ng 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Chơng 10 Những chu trình t áp v trình tần số cao Bi tËp Sù lan trun sãng vμ c¸c xo¸y dõng KÕt quan trắc xoáy dừng Mô hình áp áp dụng cho xoáy dừng thám sát đợc Sự lan truyền sóng Rossby theo chiều thẳng đứng Dòng Eliassen-Palm Các dòng Eliassen v chu trình t áp Bi tập Đặc tính ba chiều hon lu khí ton cầu Sự biến đổi vĩ hớng miền nhiệt đới Hon lu gió mùa Đới xoáy v dòng xiết miền ôn đới Tơng tác xoáy tức thời v xoáy dừng Sự vận chuyển nớc ton cầu Bi tập Sự biến đổi tần số thấp hon lu Các trình tức thời tần số thấp Những hình quan hệ xa Những dao động tầng bình lu Dao động nội mùa Dao động nam Cơ chế ngăn chặn dòng miền ôn đới Sự hỗn loạn v biến đổi tần số cực thấp Bi tập Tầng bình lu Chu kỳ mùa hon lu tầng bình lu Sự lan truyền sóng v tơng tác dòng trung bình Sự hình thnh v vận chuyển ôzon Sự trao đổi vật chất qua đỉnh tầng đối l−u Bμi tËp KhÝ qun cđa c¸c hμnh tinh vμ c¸c hƯ thèng chÊt láng vμ chÊt khÝ kh¸c 10.1 Các ảnh hởng chủ yếu hon lu hnh tinh 10.2 Các hon lu kiểu Trái Đất 10.3 Nh÷ng khÝ qun quay chËm 10.4 Hoμn l−u khÝ qun hnh tinh lớn 10.5 Hon lu đại dơng quy mô lớn 10.6 Các hệ thống phòng thí nghiệm 10.7 Bi tập Lời giải bi tập Danh mục sách -5- 139 145 147 147 152 163 167 172 177 181 182 182 189 192 198 207 214 216 216 217 227 232 235 239 243 249 250 250 259 265 273 280 282 282 288 296 301 307 309 315 317 334 Ti liệu tham khảo -6- 338 Chuyên khảo ny trình bầy quan điểm đại hon lu khí ton cầu Trong chuyên khảo có phối hợp số liệu quan trắc thực tế hon lu chung khí mô hình lý thuyết đơn giản chế điều khiển hon lu Những chơng đầu đề cập tới quan điểm truyền thống hon lu ton cầu trình khởi tạo chuyển động khí v nguyên nhân động lực lm biến dạng chúng Các chơng phát triển vấn đề gần bao gồm biến động tần suất thấp v trình hon lu khí ton cầu khác Chuyên khảo l ti liệu nghiên cứu lý thú sinh viên cao học v cán nghiên cứu cần kiến thức mở đầu vấn đề hon lu khí trớc đọc ti liệu nguyên Cuốn sách có nhiều hình minh hoạ kết nghiên cứu chẩn đoán v mô hình hoá Mỗi chơng có phần trình bầy vấn đề v phần dẫn ti liệu tham khảo -7- Lêi dÉn Giã thỉi tíi n¬i nã sÏ tíi, bạn nghe tiếng gió nhng bạn gió thổi từ đầu tới v thổi tới đâu (John, 3, 8) Thêi trung cỉ c©u hái giã thỉi từ đâu tới v thổi tới đâu ngời l câu hỏi khó trả lời Hơn gió hiểu đợc nên gió đợc bậc tiền bối dùng nh l di chúc không nhìn thấy đợc Chúa thánh thần (theo tiếng Hy Lạp từ gió có nghĩa l tinh thần) Khí tợng thuộc ngnh khoa học đợc nghiên cứu nhiều Nếu bạn l nh nông, thuỷ thủ hay lính đồn trú cho r»ng giã hay thêi tiÕt xÊu lμ Chóa ®−a tíi cho ng−êi ®iỊu ®au khỉ vμ tai hoạ, để giới hạn quyền lực ngời Còn có nhiều câu hỏi trớc cách mạng Newtơn vo kỷ 19, nhiều định luật nhiều khía cạnh khác giới tự nhiên đợc phát Kepler đà chuyển động hnh tinh tuân theo nguyên tắc chặt chẽ, ông giải thích thoả đáng định luật ông chuyển động hnh tinh lại có dạng nh Galileo đà chuyển động vật thể đơn giản nh chuyển động cầu kim loại nặng mặt nghiêng Newtơn với ba định luật ông chuyển động v định luật vạn vật hấp dẫn đà tổng hợp tất kết nghiên cứu đà nói v khả dự báo điều quan sát đợc nh khoa học trớc tập hợp bốn định luật ông Điều ®ã x¶y tr−íc vÊn ®Ị hoμn l−u khÝ qun h−íng tíi viƯc sư dơng c¬ häc Newt¬n Năm 1687 Halley hon thiện lý thuyết tín phong, ông cho tín phong gây nên chuyển động thăng không khí nóng xích đạo v đa không khí tới từ vĩ độ cao Hadley, năm 1720, hon thiện thêm lý thuyết ny Theo ông nh phải có dòng khí thổi phía cực, nằm tín phong mặt đất V nh cố gắng nghiên cứu gió v hon lu quy mô lớn khí đà đợc bắt đầu Nửa sau kỷ 18, chuyển động chất lỏng Trái Đất đà đợc mô tả sở toán học v với việc thiết lập lực Coriolis, vai trò to lớn chuyển động quay Trái Đất đợc xác định Tuy nhiên, cố gắng ny đà không đợc phát triển thiếu mặt lý thuyết v đặc biệt l thiếu số liệu quan trắc Giấc mơ học trò Newtơn mô tả hon lu khí nh chế dự báo đạt đợc cách áp dụng hệ thống định luật Newtơn chuyển động không khí Giấc mơ Newtơn đà trở nên gần thực lμ sau ChiÕn tranh ThÕ giíi Thø hai c¬ học lợng tử v lý thuyết tơng đối khẳng định khả sử dụng khái niệm đơn giản Newtơn để giải thích động lực học hệ thống c¸c nh¸nh cđa vËt lý häc Do ngμnh hμng không phát triển, nhu cầu thông tin chi tiết điều kiện khí tợng phạm vi lớn, khả thu thập thông tin đợc nâng cao mạng lới quan trắc đợc mở rộng Cùng với phát triển mô hình front trờng phái Bergen Nauy v việc biểu diễn định lợng mô hình với thnh phần học chất lỏng Newtơn, tảng cho vụ -8- bội thu khoa học khí tợng Những kết phân tích kiên trì Charney v Eady đà giải thích phát triển xoáy thuận lý thuyết bất ổn định chÊt láng Sù ph¸t triĨn cđa m¸y tÝnh lμm cho dự báo thời tiết phơng pháp số trị trở thnh thực, phơng pháp ny dựa việc tích phân hệ phơng trình phi tuyến chuyển động mạng lới khảo sát ton cầu Do hệ thống truyền thông phạm vi lớn đà đợc thiết lập nên ngời đà có nhìn ton cầu thực hon lu khí Đối với máy tính đà cho nh khí tợng học công cụ hữu hiệu Đà có đóng góp phát triển mô hình thực tế cho dự báo thời tiết hạn ngắn v gần l việc mô v dự báo khí hậu Cố gắng ny đà vợt qua ý định tìm hiểu tính chất động lực hon lu khí quy mô lớn Do phơng trình mô tả chuyển động khí phức tạp v phi tun, d−êng nh− cã rÊt nhiỊu lêi gi¶i b»ng phơng pháp số trị thực đợc đóng góp vo việc tìm hiểu tợng Rất nhiều trí tuệ, công sức nh khoa học đà đợc cống hiến để cải tiến mô hình số trị v hon thiện việc biểu diễn, số trình cha giải đợc nhng lại quan trọng Một nhìn sâu vo chất vật lý hon lu khí đà đợc nh khoa học nh Rossby v Ertel phát nhng tất đà bị hệ nh khoa học nghiên cứu khí lÃng quên Một số nh khí tợng lý thuyết vÉn ®ãng gãp søc lùc ®Ĩ ®−a khÝ qun vỊ dạng v đơn giản hoá đến mức Nhiều cố gắng đà sâu vo việc cải tiến phơng pháp biểu diễn phi tuyến khí Công trình Lorenz v tác giả khác đà dẫn đến việc phát triển học thuyết Hỗn loạn gọi l lý thuyết Rối đợc áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học đại khác Điều ®ã cho thÊy r»ng tÝnh phi tuyÕn cã thÓ lμm phát sinh nhiều điều phức tạp từ phơng trình thực tế đơn giản Lý thuyết rối soi sáng cho nghiên cứu hon lu khí quy mô lớn Giấc mơ Newtơn buộc phải thoả hiệp với thực tế vấn đề l chỗ tính khó dự đoán đợc lại l đặc điểm hệ thống nh khí hạn chế mặt kỹ thuật Đặc điểm khó dự báo thể rõ rệt vấn đề dự báo thời tiết ý định tiến hnh dự báo thời tiết hạn di phơng pháp so sánh tơng tự với trạng thái khí khứ đà cho thấy điều có ý nghĩa dù b¸o thêi tiÕt lμ khã cã thĨ nhËn biÕt phần tử khí riêng biệt Do chuyển động hỗn lọan khí đa phần tử khí chuyển động quay, quỹ đạo chuyển động phần tử khí trở nên uốn lợn; kéo di vμ thμnh d¶i vËt chÊt máng cuèn theo nã vμ cuèi cïng chóng hoμn toμn biÕn mÊt vμo khÝ Trong trình ny phần tử khí hon ton không nhận biết đợc Tiếp nối niềm lạc quan thời đại Newtơn ngy nhận thấy l quan sát Saint John đà Từ đâu gió thổi tới v nơi gió tới có ý nghĩa sâu sắc v thực chất l biÕt hoμn toμn chÝnh x¸c Tõ kh¸i niƯm tÜnh häc, b©y giê ta cã thĨ hiĨu lμ khÝ qun biÕn ®ỉi kh«ng ngõng, hƯ thèng nμy cã cÊu tróc phøc tạp theo không gian v thời gian Bằng cách tính trung bình theo không gian v thời gian hon lu ton cầu khí đợc xây dựng nên từ tổng hợp hiệu ứng môđun hiệu ứng hệ thống với quy mô nhỏ hơn, theo lý thuyết kinh điển Newtơn Khi xem xét cách chi tiết ta thấy với môđun ny ta xây dựng nên xoáy -9- khác Bản thân việc thiết lập ny lm biến đổi môđun Ta kết luận l hình ảnh đơn giản ny có giá trị giới hạn Ta bị giới hạn nhiều muốn sử dụng cấu trúc ny hình khác Đó l phần nguyên nhân phải dự đoán khí hậu với nồng độ CO2 lớn mμ loμi ng−êi ®· nhanh chãng nhËn thÊy r»ng vÊn đề khó v không kiểm soát đợc Đó l nguyên nhân cố gắng gần lại tập trung vo nghiên cứu hon lu khí hnh tinh khác từ dẫn đến điều ngạc nhiên không ngờ tới nhiều phơng diện Phần đầu sách ny chủ yếu dnh để mô tả điểm đại xác định hon lu chung khí Phơng pháp tiếp cận dựa quy luật vật lý có liên quan với trình thuỷ động lực học điều khiển hon lu, hớng tới trình học xác định chuyển động khí Chúng cố gắng biểu diễn số liệu quan trắc hon lu thực nh mô hình đơn giản dựa định luật học v nhiệt động lực học Những mô hình ny l mô hình ớc lợng v hạn chế nhng chúng l cẩm nang nhóm mô hình bản, cho phép nh nghiên cứu mặt giải thích kết quan trắc khí thực, mặt khác giải thích kết phức tạp mô hình hon lu chung khí cuối chuyên khảo trình by thnh tựu gần nhÊt vμ chØ tÝnh phøc t¹p cđa hoμn l−u thực v hạn chế mô hình đơn giản Các chơng từ 1-6 tập trung chủ yếu vo việc xác định quan điểm hon lu ton cầu sử dụng 50 năm Những định luật vật lý đợc biểu diễn ngôn ngữ phù hợp mặt định lợng l nội dung đa Chơng Chơng thảo luận kết quan trắc khí quy mô lớn v mô hình dự báo thời tiết mô hình hon lu khí ton cầu cho ta công cụ nghiên cứu hon lu ton cầu Cơ sở nhiệt ®éng lùc häc ®èi víi hoμn l−u nμy lμ sù ®èt nãng kh«ng ®ång ®Ịu cđa khÝ qun, vÊn ®Ị ny đợc trình by Chơng Động lực học cđa chun ®éng thĨ hiƯn rÊt râ ë sù quay Trái Đất v nhân tố học khác Khí trì khéo léo v để trì vËn chun nhiƯt Nh−ng sù thÝch øng cđa khÝ qun trình đốt nóng khác đợc trình by Chơng 4, v Các chơng lại tập trung vo trình by kết gần hiểu biết hon lu ton cầu Quan điểm kinh điển hon lu l chuyển động kinh hớng, tất nhiên l đơn giản hoá lớn Biến động hon lu vĩ hớng đợc nghiên cứu nhiều năm gần đà nhấn mạnh trì quỹ đạo xoáy thuận miền ôn đới v trình phát sinh sóng di, rÃnh v sống bán vĩnh cửu đới gió tây ôn đới BÊt ®èi xøng hoμn l−u theo chiỊu vÜ h−íng miền nhiệt đới đóng vai trò quan trọng chúng cho thấy phần giới hạn khả dự báo thời tiết miền vĩ độ cao quy mô thời gian mùa Trong chơng ny nhấn mạnh đến tơng tác quy mô chuyển động khí Kết cuối lμ cÊu tróc quy m« lín cđa hoμn l−u ë mức độ đáng kể đợc tổ chức cấu trúc tức thời qui mô nhỏ v trình ngợc lại Đó l, tiêu đề chủ yếu Chơng - 10 - thô phép tính ny ta cần kết luận hai tác động so sánh thô Chú ý hai tác động ny l dấu Ta có tổng số hạng lực 210-8 Pa s1 m-1 Để tÝnh ®é lín cđa giã vÜ h−íng /p, giả sử hai số hạng bên vế trái phơng trình (4.31) có độ lớn tơng đơng; f2 2f lùc pp s2 s p Do [v] đợc tính thô s2p/(2f2)(lực), áp dụng giá trị f v s cho miền ôn đới ta có kết l 0,2m/s Kết ny phù hợp với giá trị đà Hình 4.1 mùa đông vòng hon l−u Ferrel 4.10 Bøc tranh cđa b¹n sÏ cho thÊy mét hoμn l−u l−ìng cùc, víi mét dßng h−íng cùc tạ mực sóng suy yếu v dòng hớng xích đạo bên v bên dới Dòng hớng cực đạt đợc gia tốc f[v] m gia tốc ny sÏ bỉ sung cho gia tèc suy gi¶m sù kéo di sóng Trong trạng thái khí hậu dừng, f[v] xác phải cân với [u]/t vắng mặt trìn khác, v nh ta tính độ lớn [u]/t cần thiết để cân dòng kinh hớng 1m/s khoảng 10m/sngy A.5 Lời giải chơng 5.1 K = (u2)/2 =113 J/kg Tốc độ tiêu tán K l K/D v 2,610-4 W/kg Nhân với pR/g để đổi thnh W/m2, 2,65 W/m2 Giá trị ny khoảng 1% giá trị trung bình ton cầu 243W/m2, giá trị ny giải thích nhiệt lợng ma sát với đáy khí thờng không đa vo tích luỹ lợng ton cầu 5.2 Đối vớitháng 12,1,2 Bắc Bán Cầu, v' T' đạt cực đại 850hPa, 450N l 14Km/s Giá trị trung bình ton tầng đối lu nhỏ giá trị ny; cách tính giá trị ny l đọc dòng nhiệt độ ba mực cân không gian v sau áp dụng định luật Simpson: Trung bình đại lợng Q (Q0 + 4Q1+Q2)/6 áp dụng cho công thức ny độ dầy trung bình v' T ' 450N ta đợc o kết l 10Km/s Giá trị ny giảm 2Km/s 20 N Khoảng cách hai vòng vĩ độ ny l 1,11 105m 25o = 2,8 106m Do ®ã, v' T ' /y = 8/2,8 106 = 2,9 10-6K/s Nhân với cp để chuyển giá trị ny thnh 2,9 10 W/kg, tức l 29 W/m2 Tính tơng tự cho vĩ độ khác -3 5.3 Từ Hình 5.5(a) ta có giá trị cực đại u ' v' l 40 m2s-2 30oN; tính trung bình nh bi 5.2 thu đợc kết l 20 m2s-2 Giá trị ny giảm dần đến 10oN v nh u ' v' vïng cËn nhiƯt ®íi lμ 20/(2106)=10-5ms-2, th−êng đợc biến đổi tơng đơng thnh 1,2m/sngy Độ dầy trung b×nh u = 9m/s (xem bμi 5.6) vμ nh− vËy thêi gian quay lμ u / u ' v' 10 s, tức l 10 ngy 5.4 Từ phơng trình (5.6), quy m« theo trơc x vμ y (b»ng 1/2 b−íc sãng) t−¬ng øng lμ vμ g / f Z' / v' 1/ vμ g / f Z' / u ' 1/ Đối với xoáy 45oN, kết tơng ứng l 1850km v 2620km, với tỷ lệ 0,71 Từ phơng trình (5.10), ta có độ nghiêng pha lμ 22,5o - 327 - 5.5 Gi¶ sư r»ng biên độ v dòng nhiệt không đổi theo độ cao, bi toán ny áp dụng trực tiếp phơng trình (5.17), từ ta tính đợc =42 tức l chênh lệch pha sóng 900hPa v sóng t¹i 500hPa lμ 84o B−íc sãng vÜ h−íng lμ 2g / f Z'2 / v'2 1/ , tức l 3590km Do độ trải rộng theo phơng ngang chân sóng v dới cïng lμ 3590(84/360) = 837 km 5.6 AZ h A2 / 2s h 2A / Rp Từ công thức xác định N2 ta cã -Rp= RTN2/(pg2) = 4,710-4 K/Pa, khí áp tầng đối lu (đà cho lμ 625hPa), h(p) = (R/p)(p/pR)K=4,710-3 J/KPakg Tõ H×nh 5.15, ta cã AZ = 3,7106 Jm-2, tøc lμ 370J/kg Do ®ã, giá trị trung bình tn cầu [A2]1/2 l 8,6 K Nếu ta giả sử nhiệt độ biến đỏi theo vĩ độ theo phơng trình (4.4) [A2]1/2 = /3 v nh = 26 K Giá trị * tỷ lệ với AE cách tính tơng tự Khi ®ã AE b»ng 1,2106 Jm2 tøc lμ 118 J/kg, ta cã (*2) = 24 K2 tøc lμ nhiƯt ®é biến đổi 4,9 K Động tính dễ dng Từ KZ = 4,7105Jm-2 = 46 J/kg, giã vÜ h−íng ph¶i b»ng 9,6 m/s, vμ tõ KE = 7,5105 J m-2 gió xoáy l 12,2 m/s vμ u v lμ 20 m s Do ®ã, ®é lín cđa biĨu 5.7 Bμi toμn nμy cÇn tÝnh thμnh phÇn u y u * v * vμ h / s y v ** Ta có giá trị cđa u y t¹i 45oN lμ 15/2106 = 7,510-6s-1 * * -2 thức tích phân thnh phần l 1,510-4 W/kg = 1,53 W m-2 Thnh phần (h/s2) tính đợc từ giá trị đà cho bμi 5.6 vμ kÕt qu¶ lμ 10 J/K2 kg miền ôn đới y 30 / 10 10 5 Km 1 , ®ã v * * 10 Km/s Do thnh phần nhiệt -10-3W/kg 10.2 Wm-2 Ta kết luận biến đổi nhiệt độ (hoặc t áp) thống trị Cả hai cách tính dễ tính sử dụng số liệu miền ôn đới l giá trị trung bình ton cầu nhng tỷ lệ hai thnh phần dờng nh không thay đổi nhiều theo giá trị trung bình ton cầu A6 Lời giải bi tập chơng 6.1 Hình 6.4(a) biểu thị hai cực đại v hai cực tiểu lân cận 600N, cho ta thÊy sè sãng lμ sè sãng chiếm u 600N Nh số sóng vô thứ nguyên n tỷ lệ với số sóng vô thứ nguyên k theo công thức k = n/(acos), l vÜ ®é Nh− vËy ta cã k = 6,2810-7m-1 Tõ biểu đồ tơng tự, ta ý độ nghiêng pha 1000hPa v 300hPa khoảng 400 độ kinh, tøc lμ = 100 vμ p = 350hPa phơng trình (5.17) Để nghịch đảo phơng trình (5.17) vμ tÝnh v * T * , ta ph¶i tính biên độ A sóng dừng; kiểm tra cho ta thÊy r»ng 150m lμ kÕt qu¶ tèt nhÊt Trong tr−êng hỵp nμy v * T * khoảng 6km/s Giá trị ny hon ton phù hợp với giá trị trung bình tầng bình lu 600N m giá trị ny đọc đợc từ Hình 6.5(a) 6.2 Từ phơng trình (6.8), - 328 - Z fU h / K U H0 Để tính đợc số sóng, giả sử đỉnh sóng 1/2 bớc sóng theo chiều, cho k = /Lx, l = /Ly, tøc lμ k = 3,14 10-6m-1, l = 6,28 10-6m-1 vμ K k l 3,20 10 6 m 1 T¹i 450N, = 2cos/a = 1,6210-11 m-1s-1 Do đó, Z = -1,1510-4 h/ H0s-1 Giả sư H0 b»ng km; th× Z = 2,4710-5 s-1 Dấu âm biểu thị có xoáy nghịch phía đỉnh núi Để tính toán gió kinh hớng điển hình, ta viết v*=k, biên độ hm dßng = -Z/K2 = 2,41 106 m2/s Khi v*~ 7,6 m/s 6.3 Khi có độ nhám biên độ xoáy l ZD fUh / H U / K 2 1 / D k 1/ Thay sè vμo, ta chó ý r»ng (Dk)-1 = 0,72 m/s vμ (U-/K2) = 13,42 m/s; ta dự báo trờng hợp ny ảnh hởng lực ma sát l không lớn Trong thực tế, so s¸nh Z vμ Z D vμ sư dơng lý thuyết nhị thức, ta tìm đợc khác biên độ xoáy v ma sát khoảng 0,3% 6.4 Trên mặt , Ks / U 2cos / a /U0 cos 2 /aU0 TrÞ sè nμy phơ thc vμo vÜ ®é hc y Khi l K k v k đợc bảo ton theo tia sóng th× ta suy r»ng h−íng cđa tia sãng sÏ không thay đổi theo y, tức l l đờng thẳng Nếu lập luận tơng tự cho địa cầu ta thấy tia sóng chạy dọc theo đờng tròn lớn Đối với dòng ®· cho, Ks = 1,0710-6 m-1 §iỊu ®ã cho ta thÊy r»ng sãng lan truyÒn dμi nhÊt cã sè sãng vÜ h−íng k = Ks = 1,0710-6 m-1, tøc lμ n = 4,82 Do ®ã sè sãng vÜ h−íng lμ sè sãng lan trun dμi nhÊt t¹i 450N, vμ sè sãng kinh h−íng l = 5,910-7 m-1 Ph¹m vi c¸c sè sãng nμy sÏ lan trun lμ gãc tan-1(l/k) = 340 theo vÜ h−íng 6.5 Thμnh phÇn kinh h−íng cña vËn tèc nhãm cña sãng dõng Rossby lμ cgy = 2Ucossin = 2Ukl/K2 Trong tr−êng hỵp nμy, k = 6,6610-7m-1 vμ K s2 / U 1,08 10 12 m 2 , cho l K s2 k 1/ 7,97 10 7 m 1 Do ®ã, cgy = 14,7m/s, vμ thêi gian ®Ĩ bao phđ 200 xÝch vÜ, tøc lμ 2,2106 m, lμ 1,5106 hay 1,7 ngμy 6.6 Tốc độ hộp sóng đợc cho phơng trình (6.19): l dgs/dt (trong dg/dt l tốc ®é biÕn ®æi theo khèi) dgs dt 2U cos Khi ®ã tan = l/k, suy dg dt Chó ý r»ng l K s2 k - 329 - 1/ 1 l / k2 dgl k dgl k dt K s dt v k đợc bảo ton hộp sóng, ta tìm đợc dgl dt k d K s2 d g y k d K s2 c gy 2K s2 l dy dt 2K s2 l dy Cuèi cïng chó ý r»ng cos = k/Ks, sin = l/Ks v cgy = 2U cossin Ta thu đợc phơng tr×nh thø hai dg dt U cos d K s2 dy k2 C«ng thøc nμy có ích, đặc biệt l tránh đợc sai sót việc lấy tích phân phơng trình (6.24b) gần vùng cực xung quanh điểm tia, ®ã l0 vμ kKs 6.7 Ta cã v 13 Km/s đối lu thấp Có f = 10-4s-1 vμ s2/h = 5,710-4 KPa (xem bμi 5.6) Khi thnh phần thẳng đứng dòng Eliassen-Palm lμ: F2 hf v / s , tøc lμ 2,3 m/s2Pa Gia tèc dßng vÜ h−íng lμ F2 / p ; Gi¶ sư F2 lμ rÊt nhá tầng đối lu trên, với p 700hPa, điều ny cã nghÜa lμ gia tèc b»ng 3,3 10-5m/s2 hay 2,8 m/s ngμy Tõ H×nh 5.5 ta cã v b»ng khoảng 20m2/s2 với biến đổi theo qui mô ngang đặc tr−ng lμ 10 m Do ®ã, gia tốc lm cho mô men xoáy hội tụ kho¶ng 10-5 m/s2 hay 0,9 m/s ngμy KÕt qu¶ nμy kh«ng thĨ bá qua nh−ng ta chó ý r»ng gia tốc xoáy đợc chiếm u thnh phần thẳng đứng dòng Eliasen-Palm 6.8 Từ việc xác định dòng Eliasen-Palm toạ độ khí áp, phơng trình (6.73), ta cã hf F u u y u * v * v * * u p s Quan hÖ giã nhiệt trung bình vĩ hớng, phơng trình (1.53), viÕt l¹i cïng hy , vμ nh− vËy mét vïng nh− sau: u p f hf F u u y u * v * v * * u y s Do đó, lấy trung bình ton cầu, ta thu đợc kết dE dt F u (xem phơng trình (5.37) A.7 Giải bi tập chơng 7.1 Chó ý r»ng sãng Kelvin thn cã [u*v*] b»ng v*=0, vμ c¸c sãng hμnh tinh vμ sãng träng tr−êng Rossby ®Ịu cã [u*v*] b»ng chúng độ nghiêng pha kinh hớng Tuy nhiên, liên kết sóng Kelvin v sóng hnh tinh lại có độ nghiêng pha lớn lân cận vùng đốt nóng, độ nghiêng pha tạo dòng hớng xích đạo động lợng đới gió tây (nếu muốn ta áp dụng tơng tự cho dòng hớng cực đới gió đông) Phân tích tuyến tính Hình 7.4 ta thấy dòng cực đại bị đổi dấu, với giá trị lớn phía bắc v nam gần xích đạo, giảm đến giá trị nhỏ quy m« kinh h−íng (c0/2)1/2 - 330 - 7.2 Tõ Hình 7.3, ta ý đờng cong phân tán n = -1 v n = ®i qua gèc vμ thËt sù tuyÕn tÝnh vïng lân cận gốc, tức l v k0 Trong phạm vi ny, phơng trình (7.10) nh sau 2n k , hc c c g c0 2n Đối với độ dầy tơng đơng 400m c0 = 63m/s Với n = -1 (sãng Kelvin) cg = 63 m/s vμ víi n=1, sãng hμnh tinh, cg = -21m/s Khi ®ã víi D = ngμy = 4,3105 s, quy m« chiỊu dμi cgD 27000 km đến phía đông vùng nguồn v 9000 km đến phía tây vùng nguồn 7.3 Khi E lμ vïng nỉi bËt th× sÏ bị chiếm u 2Mx Từ Hình 7.17 45 N vệt bÃo Đại Tây Dơng, giá trị -2M biểu diễn nh sau 4,7106 m 3,5106 m 17 m2s-2 57 m2s-2 23 m2s-2 1050W 450W 00E Từ hình ®ã, ta cã = 8,510-6 m/s2 hay 0,74 m/s ngy đuôi phía tây vệt bÃo v -9,710-6 m/s2 hay 0,84 m/s ngy đuôi phía đông 7.4 Từ Hình 7.18, ta suy thnh phần thẳng đứng E dải quỹ đạo xoáy thuận Đại Tây Dơng 2,5 Pams-2 v thnh phần theo phơng x 250hPa 60 m2s-2 Do đó, độ dốc theo phơng x l 4,210-2Pa/m, tức l 420hPa/1000km Đây đợc coi l giá trị nhỏ, thnh phần theo phơng x phần tầng đối lu l lớn thnh phần theo phơng p trở nên nhỏ Sử dụng mối tơng quan thuỷ tĩnh, độ dốc l 3,510-3 Thnh phần theo phơng y vectơ E l nhỏ hơn, không vợt 20m2/s2 (xem Hình 7.8(d)), v độ dốc khoảng 1800hPa/1000km hay 1,510-2 Từ Hình 4.2(a), suy độ dốc mặt đẳng nhiệt độ vị (mặt đẳng entropy) khoảng 200hPa/1000km hay 1,610-3 7.5 Để dễ hiểu ta giả sử sóng nhiệt độ l sóng hình vuông với nhiệt độ T0+ cho nửa bớc sóng v nhiệt độ T-T cho nửa lại Do đó, nhiệt độ trung bình vĩ hớng l T0 Lúc ny tỷ số hỗn hợp ẩm l r L R e so exp p R v T0 LT 1 R e so exp p T0 T R v T0 víi T > 1, phơng trình (10.17) cho ta 2B2 = B3E vμ nh− vËy B = BE/2/3, V = 0,55 BE/(1/3) Độ nghiêng đờng đẳng nhiệt độ vị (đẳng entropy) l B/V, tức l 1,82/1/3 Độ nghiêng vectơ dòng nhiệt xoáy l [w**]/[v**] Từ phơng trình (10.10) v (10.11), ta tìm đợc giá trị ny 0,62/1/3 v 1/3 mặt đẳng entropy 10.6 Từ phơng trình (4.18), ta có độ dầy lớp biên Ekman l D = (2K/f)1/2 v nh vây tham số khuếch tán xoáy l fD2/2 Đối với miền ôn đới, giá trị ny K = 50 m2/s Ta cã ®é réng cđa vïng t áp l 3106m; số Taylor 21017 Số U 6,7 10 -2, giả sử giá trị trung bình U = 20 m/s Các giá trị ny Rossby nhiệt fL nằm ngoi phạm vi tham số kinh nghiệm đà cho Hình 10.17 v ta đoán chúng biểu thị dòng cao quy luật nh đà quan trắc Nhng l phép ngoại suy cho tham số cực trị v thông số hình học khác 10.7 Từ Hình 4.1, ta thấy gió bề mặt đại dơng phía nam có cực đại khoảng m/s 500 S v giảm dần đến 700S Do ứng suất gió cực đại l: C D u 1,25 10 3 50 6,3 10 2 Pa Xo¸y cuén øng suÊt giã lμ x/L = 6,310- /(2106) = 3,110-8 Pa/m Do lực xoáy l: 3,110-8 /(1031,5103) = 2,110-14 s-2 Vì dòng hớng cùc lμ 2,110-14/ = 1,810-3 m/s 10.8 §èi víi chất lỏng không nén đợc nh l nớc biển tần số Brunt-Vaisala đợc viết nh sau g N2 z bμi to¸n nμy ta cã 1 T T0 (phơng trình trạng thái thực nớc biển l mối tơng quan chặt chẽ v phức tạp phơng trình ny, v có chứa số hạng bậc hai) Do đó, T T N g g Tõ c¸c gi¸ trị đà cho ta tìm đợc N2 = 7,210-6s-1 Bán kÝnh cđa z z sãng Rossby NH/f (víi H b»ng 1,5 km) khoảng 40km - 336 - tμi liƯu tham kh¶o Anderson, D.T.L (1983): The oceanic general circulation and its interaction with the atmosphere In Large Scale Dynamical Processes in the Atmosphere, eds Hoskins, B.J and R.P Pearce Academic Press (London), pp 305-36 Andrews, D.G., J.R Holton & C.B Leovy (1987): Middle Atmosphere Dynamics Academic Press (Orlando, Florida), 489pp Barnes, J.R (1981): Midlatitude disturbances in the Martian atmosphere: a second year J Atmos Sci., 38, 225-34 Batchelor, G (1967): An Introduction to Fluid Dynamics Cambridge University Press, 6lSpp Beatty, J.K & A Chaikin (1990): The New Solar System (third edition) Cambridge University Press, 326pp Blackmon (1976): A climatological spectral study of the 500mb geopotential height of the Northern Hemisphere J Atmos Sci., 33, 1607-23 Brown, R.A (1991): Fluid Mechanics of the Atmosphere Academic Press (San Diego), 486pp Charney, J.G (1947): The dynamics of long waves in a baroclinic westerly current, J Meteorol., 4, 135-63 Daley, R (1991): Atmospheric Data Analysis Cambridge University Press, 457pp Drazin, P.G (1970): Non-linear baroclinic instability of a continuous zonal flow Q J Roy Met Soc., 96, 667-76 Eady, E.T (1949): Long waves and cyclone waves, Tellus, 1, 33-52 Edmon, H.J., B.J Hoskins & M.E McIntyre (1980): Eliassen-Palm cross sections for the troposphere, J Atm Sci., 37, 2600-16 (see also corrigendum ibid, 38, 1115) Fein, J.S & P.L Stephens, eds (1987): Monsoons J Wiley (New York), 632pp Fleming, E.L., S Chandra, J.J Barnett & M Corney (1990): Zonal mean temperature, pressure, zonal wind and geopotential height as functions of latitude Adv Space Res., 10, 11-62 Gill, A.E (1980): Some simple solutions for heat-induced tropical circulations Q J Roy Met Soc., 106, 447-462 Gill, A.E (1982): Atmosphere Ocean Dynamics Academic Press (New York), 662pp Gille, J.C & L.V Lyjak (1986): Radiative heating and cooling rates in the middle atmosphere J Atmos Sci., 43, 2215-29 Grassberger, P & I Procaccia (1983): Measuring the strangeness of strange attractors Physica, 9D, 189-208 Grose, W.L & B.J Hoskins (1979): On the influence of orography on large scale - 337 - atmospheric flow J Atmos Sci., 36, 223-34 Haigh, LD (1985): A fast method for calculating scale-dependent photochemical acceleration in dynamical models Q J Roy Met Soc., 111, 1027-38 Haltiner, G.J & R.T Williams (1980): Numerical Prediction and Dynamic Meteorology J Wiley (New York), 4T7pp Hart, J.E., G.A Glatzmaier & J Toomre (1986): Space laboratory and numerical simulations of thermal convection in a rotating hemispherical shell with radial gravity J Fluid Mech., 173 519-44 Held, I.M (1983): Stationary and quasi-stationary eddies in the extratropical troposphere: theory In Large Scale Dynamical Processes in the Atmosphere eds Hoskins, B.J and R.P Pearce Academic Press (London), 127-68 Held, f.M & A.Y Hou (1980): Nonlinear axially syfrimetric circulations in a nearly inviscid atmosphere J Atm Sci., 37, 15-33 Hide, R & P.J Mason (1975): Sloping convection in a rotating fluid Advances in physics, 24, 47-100 Holton, J.R (1983): The stratosphere and its links with the troposphere In Large Scale Dynamical Processes in the Atmosphere eds Hoskins, B.J and R.P Pearce Academic Press (London), 207-304 Holton, JR (1992): An Introduction to Dynamic Meteorology, 3rd edition Academic Press (San Diego), 5O7pp Hoskins, B.J., Draghici & H.C Davies (1978): A new look at the co-equation Q J Roy Met Soc., 104, 31-8 Hoskins, B.J., H.H Hsu, I.N James, M Masutani, P.D Sardeshmukh & G.H White (1989): Diagnostics of the Global Atmospheric Circulation, Based on ECMWF Analyses 19 79-1989 WCRP-27, World Meteorological Organisation (Geneva), 2l’7pp Hoskins, B.J., I.N James & G.H White (1983): The shape, propagation and mean-flow interaction of large scale weather systems J Atm Sci., 40, 1595-1612 Hoskins, B.J & D Karoly (1981): The steady linear response of a spherical atmosphere to thermal and orographic forcing J Atm Sci., 38, 1179-96 Hoskins, B.J., M.E Mcintyre and A.W Robertson (1985): On the use and significance of isentropic potential vorticity maps Q J Roy Met Soc., 111, 877-946 Hoskins, B.J & P.J Valdes (1990): On the existence of storm tracks J Atm Sci., 47, 1854-64 Ingersoll, A.P (1990): Atmospheres of the giant planets The New Solar System, eds J.K Beatty & A Chaikin, 139-52 James, IN (1987): Suppression of baroclinic instability in horizontally sheared flows J Atmos Sci., 44, 3710-20 James, IN (1988): On the forcing of planetary-scale Rossby waves by Anarctica Q J Roy Met Soc., 114, 619-637 - 338 - James, I.N & D.L.T Anderson (1984): The seasonal mean flow and distribution of weather systems in the southern hemisphere: the effects of moisture transports Q J Roy Met Soc., 110, 943-66 James, f.N & L.J Gray (1986): Concerning the effect of surface drag on the circulation of a planetary atmosphere Q J Roy Met Soc., 112, 123 1-50 James, I.N & P.M James (1992): Ultra low frequency variability of the flow in a simple atmospheric circulation model Q J Roy Met Soc., 118, 1211-33 Klein, WH (1957): Principal tracks and mean frequencies of cyclones and anticyclones in the Northern Hemisphere Research Paper No 40, US Weather Bureau, Washington DC, 6Opp Lau, N-C (1984): Circulation statistics based on FGGE level IIIb analyses produced by GFDL NOAA Data Report ERL GFDL-5, US Dept of Commerce 427pp Lindzen, R.S & A.Y Hou (1988): Hadley circulations for zondly averaged heating centred off the equator J Atmos Sci., 45, 24 16-27 Lorenz, E (1984): Irregularity: a fundamental property of the atmosphere Tellus, 36A, 98-f 10 Madden, R.A & P.R Julian (1971): Detection of a 40-50 day oscillation in the zonal wind in the tropical Pacific J Atmos Sci.,2 8, 702-8 Madden, R.A & P.R Julian (1972): Description of glôbal scale circulation cells in the tropics with a 40-50 day period J Atmos Sd., 29, 1109-23 Mo, K.C & M Ghil (1987): Statistics and dynamics of persistent anomalies J Atmos Sd., 44, 877-901 Mo, K.C & G.H White (1985): Teleconnections in the southern hemisphere Mon Wea Rev., 113, 22-37 Naujokat, B (1986): An update of the observed quasi-biennial oscillation of the stratospheric winds over the tropics J Atmos Sd., 43, 1873-7 Oort, A.H (1983): Global atmospheric circulation statistics 1958-1973 NOAA Professional Paper 14, US Dept of Commerce, l8Opp + 47 microfiches Oort, A.H & J.P Piexôto (1983): Global angular momentum and energy balance requirements from observations Advances in Geophysics, 25, 355-490 Pearce, R P (1978): On the concept of available potential energy, Q J Roy Met Soc., 104, 737-55 Pedlosky, J (1971): Finite amplitude baroclinic waves with small dissipation J Atmos Sci., 28, 587-97 Pedlosky, J (1987): Geophysical Fluid Dynamics Springer-Verlag (New York), 7l0pp Philander, S.G.H (1990): El NiNo, La Nina and the Southern Oscillation Academic Press (San Diego), 293pp Piexóto, J.P & A.H Oort (1992): Physics of Climate American Physical Society (New York), S20pp - 339 - Piexóto, J.P & A.H Oort (1983): The atmospheric branch of the hydrological cycle and climate In Variations of the Global Water Budget, eds , Reidel, London, 565 Plumb, R.A (1985): On the three dimensional propagation of stationary waves J Atmos Sci., 42, 17-29 Plumb, R.A & A.D McEwan (1978): The instability of a forced standing wave in a viscous stratified fluid: a laboratory analogue of the quasi-biennial oscillation J Atmos Sci., 35, 1827-39 Press, WH., B.P Flannery, S.A Teukolsky & W.T Vetterling (1992): Numerical Recipes the Art of Scientific Computing (2nd edition) Cambridge University Press, 992pp Read, P.L (1986): Super-rotation and diffusion of axial angular momentum: II A review of quasi-axisymmetric models of planetary atmospheres Q J Roy Met Soc., 112, 253-72 Rhines, PB (1975): Waves and turbulence on a beta plane J Fluid Mech., 69, 417-43 Rogers, R.R & M.K Yau (1989): A Short Course in Cloud Physics, third edition Pergamon (Oxford), 293pp Sardeshmukh, P.D & B.J Hoskins (1988): The generation of global rotational flow by steady idealized tropical divergence J Atmos Sci., 45, 1228-51 Sawyer, J.S (1970): Observational characteristics of atmospheric fluctuations with a timescale of a month Q J Roy Met Soc., 96, 610-25 Schneider, E.K & R.S Lindzen (1977): Axially symmetric models of the basic state for instability and climate studies Part II: Nonlinear calculations J Atmos Sci., 34, 280-96 Schofield, J.T & F.W Taylor (1983): Measurements of a mean, solar-fixed temperature and cloud structure of the middle atmosphere 9f Venus Q J Roy Met Soc., 109, 57-80 Schubert,G., C Covey, A Del Genio, L.S Elson, G Ke~ting, A Scuff, R.E Young, J Apt, C.C Counselman, A.J Kliore, S.S Limaye, H.E Revercomb, L.A Sromovsky, V.E Suomi, F Taylor, R Woo & U von Zahn (1980): Structure and circulation of the Venus atmosphere J Geophys Res., 85, 8007-25 Shapiro, M.A (1980): Turbulent mixing within tropopause folds as a mechanism for the exchanges of chemical constituents between the stratosphere and troposphere J Atm Sci., 37, 994-1004 Shine, K.P (1987): The middle atmosphere in the absence of dynamical heat fluxes Q J Roy Met Soc., 113, 603-33 Simmons, A.J & B.J Hoskins (1978): The lifecycles of some nonlinear baroclinic waves i Atm Sci., 35, 414-32 Slingo, J.M & R.A Madden (1991): Characteristics of the tropical intra-seasonal - 340 - oscillation in the NCAR community climate model Q J Roy Met Soc., 117, 1129-70 Solomon, S., J.T Kiehl, R.R Garcia & W Grose (1986): Tracer transport by teh diabatic circulation deduced from satellite observations J Atmos Sci., 43, 1603-17 Stone, P.H (1972): A simplified radiative-dynamical model for the static stability of rotating atmospheres J Atm Sci., 29, 405-18 Trenberth, K.E (1991): Storm tracks in the Southern Hemisphere J Atmos Sd., 48, 2179-94 Trenberth, K.E (ed.) (1992): Climate System Modelling Cambridge University Press (Cambridge), 788pp Townsend, R.D & D.R Johnson (1985): A diagnostic study of the isentropically and zonally averaged mass flux during the first GARP global experiment J Atmos Sd., 42, 1565-79 Wallace, J.M & M.L Blackmon (1983): Observations of low-frequency atmospheric variability In Large Scale Dynamical Processes in the Atmosphere eds Hoskins, B.J and R.P Pearce Academic Press (London), 397pp Wallace, J.M & P.V Hobbs (1977): Atmospheric Science: An introductory survey Academic Press (New York), 467pp Wallace, J.M & D.S Gutzler (1981): Teleconnections in the geopotential height field during the Northern Hemisphere winter Mon Wea Rev., 109, 784-8 12 Wallace, J.M., G-H Lim & M.L Blackmon (1988): Relationship between cyclone tracks, anticyclone tracks and baroclinic waveguides J Atm Sd., 45, 439-62 Washington, W.M & C.L Parkinson (1986): An Introduction to Three Dimensional Climate Modelling Oxford University Press, 422pp - 341 - ... tuyệt đối 1- Tọa độ thẳng đứng, p/ps 2- H»ng sè Stefan-Boltzman, 5,67 x 1 0-8 Wm-2K-4 3- Tèc độ phát triển sóng bất ổn định Thời kỳ lấy trung bình D Quy mô thời gian cản hay giảm yếu spin-up E Quy... (287Jkg-1K-1 không khí khô) R* Hằng số chất khí vạn (8314 J(kgmole )-1 K-1) Rd Hằng số chất khí không khí khô Rv Hằng số chất khí nớc (461,5Jkg-1K-1) r Tỷ hỗn hợp ẩm rs Tỷ hỗn hợp ẩm bÃo hòa S 1- Tốc... đốt nóng dQ/dt 2- Dòng xạ mặt trời s 1- Thông số ổn định tĩnh, phơng trình (1.72) 2- Entropy riêng, phơng trình (3.13) - 15 - T Nhiệt độ t Thời gian U 1- Nội cho đơn vị khối lợng 2- Qui mô tốc độ