Ch−ơng 6 Hoàn l−u chung khí quyển và khí hậu
6.3.4 Dòng năng l−ợng kinh h−ớng trung bình theo ph−ơng thẳng đứng
Có bốn dạng năng l−ợng khí quyển đóng vai trị quan trọng trong việc xác định sự vận chuyển năng l−ợng theo ph−ơng kinh tuyến (bảng 6.1). Nội năng là năng l−ợng gắn liền với nhiệt độ của khí quyển, thế năng là năng l−ợng liên quan với thế trọng tr−ờng của khơng khí nằm phía trên bề mặt một khoảng nào đó. Nội năng và thế năng cấu thành khoảng 97% năng l−ợng của khí quyển. Mặc dù động năng chỉ chiếm một phần nhỏ tổng năng l−ợng, nh−ng việc hiểu đ−ợc sự hình thành và duy trì nó là điều rất quan trọng, vì nhờ có chuyển động mà năng l−ợng đ−ợc vận chuyển từ xích đạo về cực. Chuyển động cũng đóng vai trị quan trọng trong việc chuyển đổi năng l−ợng từ dạng này sang dạng khác. Hơn nữa, phần lớn nội năng và thế năng khơng thể chuyển đổi sang dạng năng l−ợng khác. Ví dụ, trong điều kiện khí quyển thuỷ tĩnh, khơ, khơng có núi, có thể chỉ ra rằng tỷ số giữa thế năng và nội năng là R/cv=0,4. Mối quan hệ đơn giản này giữa thế năng và nội năng phản ánh một thực tế rằng khí quyển địi hỏi một l−ợng nội năng rất lớn để thắng đ−ợc lực trọng tr−ờng sao cho có thể "tự nâng nó lên", và khơng thể dùng để tạo thành chuyển động.
Độ chiếu nắng chi phối hồn l−u bằng sự đốt nóng ở các vùng nhiệt đới nhiều hơn các vùng cực. Gió bị điều khiển bởi gradient mật độ và khí áp sinh ra do sự đốt nóng khơng đều này. Hồn l−u không phản ứng lại với tổng năng l−ợng trong khí quyển mà với gradient nhiệt độ trên các mặt đẳng áp. Vì lý do đó, cực đại động năng xuất hiện vào mùa đông khi gradient nhiệt độ kinh h−ớng lớn nhất, chứ không phải xuất hiện vào mùa hè khi tổng năng l−ợng trong khí quyển lớn nhất.
139
Bảng 6.1 Các dạng và l−ợng năng l−ợng trong khí quyển tồn cầu
Tên Ký hiệu Công thức Số l−ợng ì 106 Jm-2 % so với tổng
Nội năng IE cvT 1800 70
Thế năng PE gz 700 27
Năng l−ợng ẩn nhiệt LH Lq 70 2,7
Động năng KE 1/2(u2+v2) 1.3 0.05
Tổng năng l−ợng IE+PE+LH+KE 2571 100
Sự vận chuyển năng l−ợng kinh h−ớng do khí quyển có thể đ−ợc chia thành những đóng góp từ hồn l−u kinh h−ớng trung bình và từ chuyển động xốy hoặc chuyển động sóng mà chúng chồng lên trên dịng trung bình vĩ h−ớng. Những dịng này có thể đ−ợc tích phân trên tồn khối l−ợng của khí quyển để bộc lộ dịng năng l−ợng kinh h−ớng tổng cộng ở các dạng khác nhau do hoàn l−u kinh h−ớng trung bình và các xốy (hình 6.9). Dịng năng l−ợng kinh h−ớng do hồn l−u kinh h−ớng trung bình hầu nh− bị kìm giữ lại ở vùng nhiệt đới, nơi dịng khối l−ợng liên quan với vịng hồn l−u Hadley có giá trị lớn. Các dòng hiển nhiệt và ẩn nhiệt thuần do các vịng hồn l−u Hadley đều có h−ớng về phía xích đạo và đạt cực đại ở gần 10 độ vĩ ở bán cầu mùa đơng. Dịng h−ớng xích đạo ở gần bề mặt mang theo khơng khí nóng ẩm. M−a lớn xuất hiện ở những nơi khơng khí nóng ẩm hội tụ ở vùng lận cận xích đạo. Sự giải phóng ẩn nhiệt và sự hội tụ dòng hiển nhiệt thúc đẩy chuyển động thăng mạnh mẽ trong nhánh đi lên của vịng hồn l−u Hadley. Trong nhánh đi lên của vịng hồn l−u Hadley năng l−ợng ẩn nhiệt và nội năng đ−ợc chuyển thành thế năng. Dịng h−ớng cực của thế năng trong nhánh phía trên của vịng hồn l−u Hadley v−ợt quá tổng của dòng năng l−ợng ẩn nhiệt và nội năng h−ớng xích đạo ở nhánh phía d−ới, tạo ra dịng năng l−ợng thuần h−ớng cực nhỏ.
Dòng năng l−ợng h−ớng cực trong vịng hồn l−u Hadley có thể nhận thấy một cách dễ dàng hơn khi xét đến năng l−ợng tĩnh ẩm, là tổng năng l−ợng hiển nhiệt, thế năng và ẩn nhiệt (hình 6.10).
Năng l−ợng tĩnh ẩm = cpT+gz+Lq = Hiển nhiệt+Thế năng+ẩn nhiệt (6.15) trong đó q là tỷ số xáo trộn khối l−ợng của hơi n−ớc, L là ẩn nhiệt hố hơi. Trong khí quyển phân tầng ổn định, năng l−ợng tĩnh ẩm tăng theo độ cao, do đó vịng hồn l−u kinh h−ớng trung bình sẽ vận chuyển năng l−ợng theo h−ớng của dòng ở nhánh phía trên của hồn l−u. Sự vận chuyển năng l−ợng thuần nói chung nhỏ hơn nhiều so với sự vận chuyển bất kỳ dạng năng l−ợng riêng biệt nào. Sự vận chuyển thuần trong vịng hồn l−u Hadley chỉ bằng khoảng 10% sự vận chuyển thế năng. Các vòng hồn l−u kinh h−ớng trung bình khơng phải là ph−ơng tiện vận chuyển năng l−ợng h−ớng cực đặc biệt hiệu quả, nhất là khi buộc phải xét đến việc đ−a cân bằng mơ men động l−ợng vào trong các vịng hồn l−u này.
Thơng l−ợng do xốy lớn nhất ở các vĩ độ trung bình và đạt cực đại lớn vào mùa đông, khi tác động bức xạ của gradient nhiệt độ kinh h−ớng là lớn nhất (hình 6.9). Vận chuyển xốy của thế năng là nhỏ, nh−ng cả thơng l−ợng hiển nhiệt và ẩn nhiệt
h−ớng cực lại lớn. Thông l−ợng ẩn nhiệt đạt cực đại ở gần 30 độ vĩ, nơi nhiệt độ cao hơn và độ ẩm riêng lớn hơn so với các vùng vĩ độ cao. Thơng l−ợng xốy của hiển nhiệt đạt cực đại ở gần 50 độ vĩ, nơi chúng cấu thành khoảng 80% dòng năng l−ợng h−ớng cực tổng cộng. Dòng kinh h−ớng ở vĩ độ trung bình bị chi phối bởi thơng l−ợng xốy tạm thời, là thơng l−ợng liên quan với những nhiễu động di chuyển (hình 6.11).
Chỉ có ở những vùng nhiệt đới sự vận chuyển năng l−ợng do hồn l−u kinh h−ớng trung bình là có tầm quan trọng nhất.
Hình 6.9 Thơng l−ợng h−ớng bắc của thế năng (FPE), hiển nhiệt (FSH), ẩn nhiệt (FLH) và tổng năng
l−ợng do khí quyển nh− là hàm của vĩ độ và mùa. Các hình bên trái chỉ thơng l−ợng do hồn l−u kinh h−ớng trung bình và các hình bên phải do hồn l−u xoáy. Đơn vị là 1019Cal/ngày và thông
l−ợng h−ớng nam là vùng tô đậm. (Theo Oort, 1971. In lại với sự cho phép của Hiệp hội Khí
141
Hình 6.10 Sơ đồ giải thích sự vận chuyển năng l−ợng do hồn l−u kinh h−ớng trung bình cho
tháng 1. Phân bố thẳng đứng của thế năng (PE), hiển nhiệt (SH), ẩn nhiệt (LH) và tổng năng l−ợng tĩnh ẩm (PE+SH+LH) ở gần xích đạo (hình trên bên trái). Hàm dịng khối l−ợng kinh h−ớng
trung bình cho tháng 1 vẽ trên mặt cắt khí áp − vĩ độ (hình trên bên phải). Thơng l−ợng h−ớng bắc của các dạng năng l−ợng khác nhau do hoàn l−u kinh h−ớng trung bình (hình d−ới bên
phải). (Theo Oort, 1971. In lại với sự cho phép của Hiệp hội Khí t−ợng Mỹ)
Hình 6.11 Dịng năng l−ợng h−ớng bắc trung bình năm theo vĩ độ ở bắc bán cầu. Đơn vị là 1015