Tầng bình lưu

- 252 - ch−¬ng 9. tÇng b×nh l−u 9.1 Chu kú mïa cña c¸c hoμn l−u trong tÇng b×nh l−u Cho ®Õn nay, ta ®· tËp trung nghiªn cøu phÇn lín ®Æc ®iÓm tÇng ®èi l−u, tÇng khÝ quyÓn ®−îc ®Æc tr−ng bëi tÇng kÕt t−¬ng ®èi yÕu, víi gradien nhiÖt ®é kho¶ng 6- 7K/km. T¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u, gradien nhiÖt ®é tiÕn dÇn ®Õn phÇn d−íi 0; tÇng b×nh l−u gÇn nh− lμ ®¼ng nhiÖt. TÇng kÕt cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng øng theo biÕn ®æi cña tÇn sè Brunt-Vaisala, tÇn sè nμy biÕn ®æi tõ 10-2 s-1 ë tÇng ®èi l−u ®Õn 2 x 10-2s-1 trong phÇn d−íi tÇng b×nh l−u. ë phÇn trªn tÇng b×nh l−u, tõ ®é cao 30km ®Õn kho¶ng 50km, nhiÖt ®é t¨ng theo chiÒu cao. Vïng chuyÓn tiÕp sang c¸c ®iÒu kiÖn tÇng kÕt æn ®Þnh ®−îc gäi lμ ®Ønh tÇng ®èi l−u, vïng nμy biÓu hiÖn râ ë c¸c miÒn nhiÖt ®íi vμ «n ®íi. Nã t¨ng dÇn theo c¸c vÜ ®é cùc ®Æc biÖt lμ vμo mïa ®«ng khi ë ®ã kh«ng cã mÆt trêi chiÕu s¸ng. Ph©n tÇng t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u t¨ng ®ét ngét cã nghÜa lμ tÇng b×nh l−u sÏ cã c¬ chÕ ®éng lùc kh¸c xa so víi tÇng ®èi l−u. BÊt æn ®Þnh tμ ¸p gÇn nh− bÞ triÖt tiªu vμ c¸c nhiÔu ®éng chñ yÕu bÞ chÆn ë mùc d−íi. TÇng kÕt ®ãng vai trß nh− mét m¸y läc, lo¹i bá nh÷ng nhiÔu ®éng quy m« nhá vμ chØ cho phÐp nh÷ng sãng dμi nhÊt truyÒn qua tÇng ®èi l−u ®Õn c¸c ®é cao lín h¬n trong tÇng b×nh l−u. Do ®ã, c¸c nhiÔu ®éng cã b−íc sãng ng¾n h¬n sÏ bÞ gi÷ l¹i trong tÇng ®èi l−u, ë ®ã nã ®ãng vai trß nh− mét sãng dÉn, biªn trªn cña nã sÏ lμ ®Ønh tÇng ®èi l−u. Ch−¬ng 9 sÏ minh ho¹ qu¸ tr×nh chän läc nμy. C¸c tr−êng ®· ®−îc ®−a ra tõ tËp ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (ECMWF) biÓu diÔn m« h×nh syn«p cña dßng khÝ trong cïng thêi gian ph©n tÝch vμo mïa ®«ng, nh−ng t¹i c¸c mùc kh¸c nhau trong ph¹m vi tõ phÇn trªn tÇng ®èi l−u ®Õn phÇn gi÷a tÇng b×nh l−u. T¹i mùc 300hPa, cã thÓ thÊy nhiÒu r·nh s©u liªn quan víi hÖ thèng ¸p thÊp mÆt ®Êt còng nh− ¸p cao phÝa t©y Ireland vμ mét sè nhiÔu ®éng kh¸c. T¹i c¸c mùc cao h¬n cã thÓ thÊy ë gÇn mùc 30hPa (kho¶ng 24km trªn mÆt ®Êt) cã thÓ nh×n thÊy râ mét xo¸y nghiªng tõ cùc vÒ phÝa B¾c ¢u vμ mét xo¸y nghÞch yÕu trªn vïng b¾c Th¸i B×nh D−¬ng. KÕt qu¶ ph©n tÝch Fourier tr−êng hμm dßng t¹i c¸c mùc cao h¬n cho thÊy dßng vÜ h−íng bao gåm c¸c sãng víi sè sãng tõ mét ®Õn ba. Vμo mïa hÌ, t×nh h×nh t−¬ng tù nh−ng phøc t¹p h¬n cã thÓ thÊy nh− c¸c nhiÔu ®éng sãng. Ph©n bè hμm dßng ngμy 22 th¸ng 7 n¨m 1986 ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 9.2. T¹i mùc 300hPa, ®íi giã t©y «n ®íi rÊt Ýt bÞ nhiÔu ®éng, c¸c hÖ thèng tøc thêi víi biªn ®é lín râ trªn c¶ hai ®¹i d−¬ng. T¹i mùc 100hPa, xo¸y thuËn gÇn nh− bÞ triÖt tiªu, chØ cßn l¹i rÊt mê trªn B¾c Mü. Thay vμo ®ã, tr−êng dßng t¹i mùc nμy thèng trÞ bëi xo¸y nghÞch trªn vïng Trung §«ng vμ Trung ¸ liªn quan víi giã mïa Ch©u ¸. §Æc ®iÓm cña c¸c xo¸y nghÞch nμy trë nªn râ nÐt h¬n t¹i mùc 50hPa, trong khi ®ã t¹i mùc - 253 - 30hPa mét xo¸y nghÞch ®èi xøng trôc l¹i cã t©m ë cùc b¾c vμ bao phñ toμn bé b¸n cÇu mïa hÌ. H×nh 9.1 Ph©n bè hµm dßng ngµy 22/ 01/1987 t¹i c¸c mùc kh¸c nhau trªn B¾c B¸n CÇu. (a) 300hPa (kho¶ng 9km); (b) 100hPa (kho¶ng 17km); (c) 30hPa (kho¶ng 26km) vµ (d) 10hPa (kho¶ng 34km). Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 107m2s-1 Lý thuyÕt tr×nh bμy trong môc 6.4 cho ta mét gi¶i thÝch ®óng ®¾n vÒ sù biÕn ®æi ®Æc tr−ng cña c¸c dßng trªn cao chØ ra trªn H×nh 9.1, vμ ta sÏ ¸p dông lý thuyÕt nμy cho tÇng b×nh l−u trong môc 9.2. Nh−ng tr−íc tiªn cÇn ¸p dông ®Ó gi¶i thÝch cho dßng trung b×nh vÜ h−íng trong tÇng b×nh l−u. Dßng nμy chñ yÕu bÞ chi phèi bëi ho¹t ®éng bøc x¹, nh−ng bÞ biÕn ®æi m¹nh bëi sù truyÒn nhiÖt ®éng lùc víi cã mét chu kú mïa ®Æc tr−ng. - 254 - H×nh 9.2 T−¬ng tù H×nh 9.1 nh−ng lµ ph©n bè hµm dßng ngµy 22/07/1986. (a) mùc 300hPa; (b) mùc 100hPa; (c) mùc 30hPa vµ (d) mùc 10hPa. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5 x 106m2s-1. (CÇn l−u ý ph¶i chuyÓn 10kPa sang 100hPa tøc lµ sang mb, vÝ dô 10kPa=100hPa) KhÝ quyÓn hÊp thô kho¶ng 1% bøc x¹ mÆt trêi tíi khÝ quyÓn, phÇn lín lμ bøc x¹ cùc tÝm. Nh−ng do mËt ®é kh«ng khÝ ë ®©y rÊt nhá nªn kÕt qu¶ lμ tèc ®é ®èt nãng trë nªn ®¸ng kÓ. H×nh 9.3 biÓu diÔn dßng bøc x¹ mÆt trêi trung b×nh ngμy tíi ®Ønh khÝ quyÓn nh− hμm cña vÜ ®é vμ thêi gian trong n¨m. §é n¾ng cùc ®¹i xuÊt hiÖn vμo ngμy h¹ chÝ. GÇn ngμy ®«ng chÝ, ë c¸c ®Ønh cùc sÏ hoμn toμn kh«ng ®−îc chiÕu s¸ng. TÇng khÝ quyÓn hÊp thô bøc x¹ cùc tÝm m¹nh nhÊt vμ quan träng nhÊt lμ tÇng «zon, «zon lμ ph©n tö ®−îc liªn kÕt bëi ba nguyªn tö «xy. ¤zon cã ¸p suÊt riªng cùc ®¹i t¹i mùc kho¶ng 25km vμ tû sè hçn hîp cùc ®¹i t¹i mùc 50km. TÇng «zon ®¹t ®−îc hiÖu øng lín nhÊt trong viÖc hÊp thô bøc x¹ tia cùc tÝm v¬i b−íc sãng nhá h¬n 300nm. Do ®ã, tèc ®é ®èt nãng cùc ®¹i, lªn tíi 12K/ngμy, xuÊt hiÖn ë ®Ønh tÇng «zon t¹i mùc kho¶ng 50 km. §©y chÝnh lμ m« h×nh cña sù ®èt nãng x¸c ®Þnh râ rμng profile nhiÖt ®é tuyÕn tÝnh th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn víi tÇng kÕt æn ®Þnh tõ ®Ønh tÇng ®èi l−u ®Õn tÇng b×nh - 255 - l−u, kho¶ng 60km, vμ tÇng kÕt æn ®Þnh nhá h¬n trong tÇng trung quyÓn. Sù t¨ng nhanh cña gradien nhiÖt ®é khÝ quyÓn cã liªn quan víi qu¸ tr×nh ®èt nãng nμy, cho ®Õn khi qu¸ tr×nh lμm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dμi ®ñ lín ®Ó c©n b»ng víi qu¸ tr×nh ®èt nãng. Qu¸ tr×nh lμm l¹nh chñ yÕu lμ do dyoxit cacbon (CO2), tuy h¬i n−íc vμ «zon còng ph¸t ra d¶i tia hång ngo¹i gãp phÇn lín vμo qu¸ tr×nh lμm l¹nh. H×nh 9.4 biÓu diÔn tèc ®é ®èt nãng do tÇng «zon hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi, vμ tèc ®é ®èt nãng thuÇn do tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹. H×nh 9.3 Dßng trung b×nh ngµy cña bøc x¹ mÆt trêi t¹i giíi h¹n trªn cña khÝ quyÓn lµ hµm cña vÜ ®é vµ thêi gian trong n¨m. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 50Wm-2. Vïng ®Ëm biÓu diÔn khu vùc mïa ®«ng cùc T¹i c¸c ®iÓm chÝ, ta cã thÓ dù b¸o sù ®èt nãng theo m« h×nh tõ sù ph©n bè cña bøc x¹ mÆt trêi, víi qu¸ tr×nh ®èt nãng trªn toμn b¸n cÇu mïa hÌ vμ lμm l¹nh cùc ®¹i vμo mïa ®«ng t¹i c¸c vÜ ®é cao. T¹i c¸c ®iÓm ph©n, c¸c m« h×nh ®èi xøng trôc râ rÖt quanh xÝch ®¹o, víi ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi vμ lμm l¹nh ë c¸c vÜ ®é cao ë c¶ hai b¸n cÇu. H×nh 9.4 MÆt c¾t th¼ng ®øng biÓu diÔn tèc ®é ®èt nãng ë tÇng b×nh l−u: (a) ®èt nãng do «zon ngµy 21/12; (b) ®èt nãng do «zon ngµy 21/03 - 256 - H×nh 9.4 (tiÕp) (c) §èt nãng thuÇn bao gåm c¶ lµm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dµi, th¸ng giªng; (d) §èt nãng thuÇn, th¸ng 3. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 1K/ngµy. Trong h×nh (a) vµ (b) vïng t« ®Ëm chØ c¸c ®¹i l−îng v−ît qu¸ 8K/ngµy, trong (c) vµ (d) vïng t« ®Ëm chØ ®èt nãng thuÇn (Theo Gille & Lyjak,1986) MÆc dï «zon cã vai trß rÊt quan träng trong cÊu tróc nhiÖt ®é cña tÇng b×nh l−u nh−ng mËt ®é cña nã l¹i v« cïng nhá, sè l−îng kh«ng qu¸ mét phÇn tö khÝ trong 105 víi mËt ®é cùc ®¹i cña «zon. Tæng thÓ tÝch cña «zon bëi ®é dμy cña mét cét khÝ nÕu toμn bé l−îng «zon ®−îc t¸ch ra vμ nÐn l¹i thμnh mét líp máng t¹i khÝ ¸p 1000hPa vμ nhiÖt ®é 273K. C¸c gi¸ trÞ ®Æc tr−ng dao ®éng trong kho¶ng 2,6 ®Õn 4,5, tïy thuéc vμo vÜ ®é vμ mïa. Ng−îc l¹i, khÝ quyÓn ®ång nhÊt ®o b»ng c¸ch nμy cã ®é dÇy lμ 8km. T×nh h×nh phøc t¹p h¬n do «zon lμ yÕu tè cã sù biÕn ®æi lín. C¸c nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn mËt ®é cña nã sÏ ®−îc th¶o luËn chi tiÕt h¬n trong môc 9.3. Vμo mïa ®«ng, tèc ®é ®èt nãng t¹i c¸c vÜ ®é cao b»ng kh«ng khi ë ®ã kh«ng ®−îc mÆt trêi chiÕu s¸ng. Tèc ®é ®èt nãng t¨ng lªn t¹i c¸c vÜ ®é nhiÖt ®íi. KÕt qu¶ lμ xuÊt hiÖn gradien nhiÖt ®é rÊt lín gÇn vïng cùc t¹i 660 vÜ, vμ ë ®©y nhiÖt ®é rÊt thÊp. Trong c©n b»ng giã nhiÖt víi gradien nhiÖt ®é nμy, t¹i c¸c vÜ ®é cao giã vÜ h−íng sÏ t¨ng theo chiÒu cao vμ cã c−êng ®é kh¸ m¹nh v−ît qu¸ 50hPa. Dßng xiÕt vÜ ®é cao hoÆc dßng xiÕt “®ªm vïng cùc” nh×n chung n»m kh¸ xa so víi trôc ®èi xøng. Ýt nhÊt ë B¾c B¸n CÇu nh− ®· chØ ra trªn H×nh 9.1, nã bÞ biÕn d¹ng vμ di chuyÓn ra khái vïng cùc. - 257 - H×nh 9.5 MÆt c¾t th¼ng ®øng biÓu diÔn giã vÜ h−íng tÝnh trung b×nh theo vÜ tuyÕn  u ë tÇng b×nh l−u, dùa theo sè liÖu khÝ hËu cña Fleming & céng sù (1990): (a) th¸ng giªng; (b) th¸ng 7. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 10ms-1, vïng ®Ëm lµ giã ®«ng. H×nh vÏ nµy vµ c¸c h×nh vÏ kh¸c t−¬ng tù, täa ®é th¼ng ®øng lµ 1000log(p/pR). CÇn l−u ý r»ng c¸c kho¶ng chia ®−îc lÊy lµ 14,7km H×nh 9.5 biÓu diÔn mÆt c¾t th¼ng ®øng theo chiÒu cao–vÜ ®é cña giã vÜ h−íng trung b×nh vÜ h−íng trong tÇng b×nh l−u. ë b¸n cÇu mïa hÌ, dßng xiÕt h−íng t©y tÇng ®èi l−u biÕn mÊt rÊt nhanh trong phÇn d−íi tÇng b×nh vμ hÖ thèng giã phÇn lín cã h−íng ®«ng. Trong b¸n cÇu mïa ®«ng, dßng xiÕt h−íng t©y tÇng ®èi l−u lu«n bÞ suy yÕu ë phÝa trªn ®Ønh tÇng ®èi l−u, trong khi ®ã, dßng xiÕt “®ªm vïng cùc” l¹i t¨ng c−êng rÊt nhanh, ®¹t ®−îc gi¸ trÞ kho¶ng 60m/s t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u. C¸c tr−êng giã ë miÒn nhiÖt ®íi khã ®¸nh gi¸ h¬n. Kh«ng thÓ suy luËn giã nμy tõ c©n b»ng giã nhiÖt vμ viÖc ®o trùc tiÕp tr−êng giã cña tÇng b×nh l−u lμ rÊt khã kh¨n v× tÇng m©y th«ng th−êng n»m trªn ®é cao lín nhÊt cña th¸m s¸t cao kh«ng. MÆc dï ta ®· th¶o luËn vÒ ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña nhiÖt ®é trung b×nh vÜ h−íng vμ tr−êng giã tÇng b×nh l−u trong c¸c thμnh phÇn ph©n bè nhiÖt ®é theo c©n b»ng bøc x¹. CÇn nhËn thÊy r»ng, mét sè ®Æc ®iÓm cña tÇng b×nh l−u rÊt kh¸c so víi tr¹ng th¸i c©n b»ng bøc x¹. H×nh 9.6 biÓu diÔn kÕt qu¶ tÝnh tr−êng nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u x¸c ®Þnh b»ng c©n b»ng bøc x¹. KÕt qu¶ nμy thu ®−îc b»ng c¸ch tÝch ph©n m« h×nh bao gåm chu kú mïa cña bøc x¹ mÆt trêi nh−ng bá qua sù truyÒn nhiÖt ®éng lùc, so s¸nh víi kÕt qu¶ quan tr¾c. Cùc theo sè liÖu quan tr¾c nãng h¬n ®¸ng kÓ so víi cùc tÝnh theo c©n b»ng bøc x¹, nh− vËy lμ hoμn l−u khÝ quyÓn truyÒn nhiÖt ®Õn c¸c vïng vÜ ®é cao. §¸ng chó ý h¬n, c¸c th¸m s¸t cho thÊy mét nhiÖt ®é cùc ®¹i ®Þa ph−¬ng ë miÒn «n ®íi, víi mét xÝch ®¹o l¹nh vμ mét cùc ®¹i nhiÖt ®é gÇn 500N. Cïng víi sù ®¶o ng−îc cña gradien nhiÖt ®é th«ng th−êng lμ sù thÝch øng víi ®é ®øt giã ®«ng phÝa trªn dßng xiÕt tÇng ®èi l−u, do ®ã, ®èi víi dßng xiÕt ®Æc tr−ng cùc ®¹i ë gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u. Sù tån t¹i cña xÝch ®¹o l¹nh tÇng b×nh l−u thÓ hiÖn râ nÐt h¬n ®èi víi mét vßng hoμn l−u rÊt m¹nh vËn chuyÓn nhiÖt h−íng cùc. Lý thuyÕt "Charney-Drazin" giíi thiÖu trong môc 6.4 dù b¸o ¶nh h−ëng l¹nh cña tÇng b×nh l−u ®· quan tr¾c ®−îc ®èi víi c¸c xo¸y. Ta ®· thÊy trong ®íi giã t©y, chØ cã c¸c sãng dμi Rossby cã thÓ truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng. C¸c sãng cã b−íc sãng ng¾n h¬n lμ rÊt mê vμ sÏ bÞ suy yÕu nhanh chãng vμ biÕn mÊt theo ®é cao. §íi giã t©y cμng m¹nh th× b−íc sãng lan truyÒn theo theo chiÒu th¼ng ®øng cña sãng Rossby cμng dμi. §íi giã t©y m¹nh vμ dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc c¶n trë sù lan truyÒn lªn cao cña c¸c nhiÔu ®éng cã b−íc sãng nhá h¬n. C¸c nhiÔu ®éng nμy suy yÕu nhanh ë phÝa trªn cña ®Ønh tÇng ®èi l−u. T¹i c¸c mùc cao nhÊt, chØ tån t¹i c¸c sãng víi sè sãng 1, 2 vμ 3 víi biªn ®é ®¸ng kÓ. LiÖu r»ng biªn ®é cña c¸c sãng dμi nμy cã t¨ng theo chiÒu cao hay kh«ng. KÕt qu¶ nμy cã liªn quan víi hiÖu øng mËt ®é trong lý thuyÕt Charney-Drazin. - 258 - H×nh 9.6 So s¸nh nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u b»ng c©n b»ng bøc x¹ víi nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u tÝnh trung b×nh theo vÜ tuyÕn quan tr¾c ®−îc ®èi víi th¸ng 7: (a) c©n b»ng bøc x¹, theo K. P. Shine vµ dùa trªn nh÷ng tÝnh to¸n më réng cña Shine (1987); (b) quan tr¾c tõ sè liÖu khÝ hËu cña Fleming vµ céng sù (1990). Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 10K, vïng ®Ëm chØ nhiÖt ®é nhá h¬n –60oC Vμo gi÷a mïa hÌ, sù chiÕu s¸ng cña mÆt trêi ë vïng cùc ®¹t cùc ®¹i. Gãc thÊp cña mÆt trêi t−¬ng øng ®−îc bï l¹i nhiÒu h¬n bëi ngμy dμi ë c¸c vÜ ®é cao. Trong tÇng ®èi l−u, qu¸ tr×nh t¸n x¹ vμ hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi däc theo tia bøc x¹ ®i qua khÝ quyÓn trªn qu·ng ®−êng dμi do ®ã ®é n¾ng thËm chÝ lín h¬n ë mïa hÌ nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn trong tÇng b×nh l−u, sù khuÕch t¸n vμ hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi l¹i Ýt quan träng. Cùc ®¹i nhiÖt ®é ®¹t ®−îc ë mïa hÌ, gradien nhiÖt ®é h−íng cùc lμ ®Æc tr−ng cña tÇng b×nh l−u trong mïa hÌ. C©n b»ng giã nhiÖt t−¬ng øng víi ®é ®øt giã ®«ng trong tÇng b×nh l−u, thËt vËy, t¹i mùc kho¶ng 50hPa, ®íi giã ®«ng thiÕt lËp trong suèt b¸n cÇu mïa hÌ. C¸c dßng chuyÓn tiÕp gi÷a mïa ®«ng vμ mïa hÌ rÊt ®¸ng quan t©m. Sù chuyÓn tiÕp trong mïa thu rÊt nhÞp nhμng vμ phèi hîp pha víi quy m« thêi gian cña bøc x¹ (kho¶ng 5-20 ngμy, tïy thuéc vμo ®é cao). Khi ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi bÞ suy yÕu t¹i cùc l©n cËn c¸c ®iÓm ph©n th× b¾t ®Çu qu¸ tr×nh vμ b¾t ®Çu h×nh thμnh xo¸y thuËn nhá trªn vïng cùc. §íi giã t©y ®Æc tr−ng cho mïa hÌ vÉn æn ®Þnh ë miÒn «n ®íi. Xo¸y vïng cùc t¨ng c−êng vμ më réng cho ®Õn khi dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc bÞ nhiÔu ®éng m¹nh ®−îc h×nh thμnh, trong khi ®ã ®íi giã ®«ng rót lui vÒ phÝa miÒn nhiÖt ®íi. Sù chuyÓn tiÕp th−êng kÕt thóc vμo cuèi th¸ng 11. Sù chuyÓn biÕn mïa xu©n cã phÇn ®ét ngét h¬n. §«i khi chØ víi quy m« mét vμi ngμy, ®íi giã t©y nhanh chãng bÞ suy yÕu. Hoμn l−u xo¸y nghÞch lμm suy yÕu xo¸y vïng cùc vμ thay thÕ chóng. Cïng lóc ®ã, nhiÖt ®é t¨ng nhanh trªn c¸c vïng cùc. “Sù nãng lªn ®ét ngét ë tÇng b×nh l−u” ®ã lμ c¸c hiÖn t−îng syn«p ®ét ngét nhÊt ë phÇn gi÷a cña khÝ quyÓn. Sù biÕn ®æi ®ét ngét cña hoμn l−u lμ nguyªn nh©n cña hÖ thèng giã ®«ng trong mïa hÌ. Khi qu¸ tr×nh ®èt nãng x¶y ra muén trong mïa ®«ng th× nã cã thÓ ®¸nh dÊu sù suy yÕu cuèi cïng cña hoμn l−u mïa ®«ng. §íi giã ®«ng tån t¹i cho ®Õn mïa thu tiÕp theo. Nh−ng nÕu trong mïa ®«ng, ®èt nãng ®Õn sím h¬n hoÆc yÕu h¬n, th× ®íi giã sÏ tiÕn dÇn tíi dßng khÝ mïa ®«ng b×nh th−êng, t−¬ng øng víi quy m« thêi gian bøc x¹. - 259 - H×nh 9.7 biÓu diÔn kÕt qu¶ ®iÓn h×nh cña qu¸ tr×nh ®èt nãng ë tÇng b×nh l−u. MÆc dï sù biÕn ®æi cña giã rÊt ®ét ngét nh−ng c¸c xo¸y nghÞch vÉn h×nh thμnh bªn ngoμi xo¸y vïng cùc mét thêi gian tr−íc khi cã qu¸ tr×nh ®èt nãng. Sù biÕn ®æi ®ét ngét trong qóa tr×nh ®èt nãng, x¶y ra trong quy m« thêi gian chØ vμi ngμy cho thÊy nguån gèc ®éng lùc ®èi víi hiÖn t−îng nμy. Sù lan truyÒn cña c¸c nhiÔu ®éng tõ c¸c mùc thÊp h¬n d−êng nh− cã vμ cã mèi liªn quan gi÷a sù ®èt nãng vμ c¸c dÞ th−êng d−¬ng nh− qu¸ tr×nh ng¨n chÆn trong tÇng ®èi l−u. Sù chuyÓn biÕn trong tÇng b×nh l−u cña Nam B¸n CÇu Ýt ®ét ngét h¬n cßn dßng xiÕt ban ®ªm ë vïng cùc Ýt bÞ nhiÔu ®éng h¬n. §iÒu nμy cã thÓ ph¶n ¸nh c¸c sãng dμi dõng yÕu h¬n trong tÇng ®èi l−u cña Nam B¸n CÇu. Tr¹ng th¸i Ýt nhiÔu ®éng cña xo¸y nam cùc cã vai trß rÊt quan träng träng sù h×nh thμnh lç thñng tÇng «zon rÊt lín ph¸t hiÖn ®−îc trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y trªn Nam Cùc. Sù suy yÕu cña c¸c nhiÔu ®éng lμm cho kh«ng khÝ bÞ chÆn trong xo¸y vïng cùc trong thêi gian dμi vμ do ®ã c¸c ph¶n øng ph¸ vì cÊu tróc ph©n tö cã ®ñ thêi gian x¶y ra. H×nh 9.7 KÕt qu¶ c¸c tr−êng syn«p t¹i mùc 10hPa trong thêi kú cã hiÖn t−îng nãng lªn cña tÇng b×nh l−u. §−êng liÒn chØ ®é cao ®Þa thÕ vÞ, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 500m, vïng ®Ëm chØ nh÷ng gi¸ trÞ lín h¬n 31km. §−êng ®øt chØ nhiÖt ®é, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5K, víi ®¹i l−îng gi÷a 210K vµ 220K ®−îc t« ®Ëm. §−êng vÜ tuyÕn bªn ngoµi t¹i 30oN. (a) ngµy 23/12/1981; (b) 26/12/1981 - 260 - H×nh 9.7 (tiÕp) (c) ngµy 29/12/1981; (d) 02/01/1981 (Theo A.O’neill) Lý thuyÕt vÒ sù lan truyÒn sãng Rossby theo ph−¬ng th¼ng ®øng trong Ch−¬ng 6 trong viÖc gi¶i thÝch c¸c kÕt qu¶ th¸m s¸t nãi tíi trong phÇn nμy. §ång thêi, c¸c xo¸y trong tÇng b×nh l−u vμo mïa ®«ng t¹o ra th«ng l−îng nhiÖt vμ ®éng l−îng rÊt lín lμm biÕn ®æi tr¹ng th¸i trung b×nh vÜ h−íng. Nh− c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tr×nh bμy trong môc 6.4 cho thÊy sù lan truyÒn cña sãng vμ t−¬ng t¸c cña chóng víi c¸c dßng trung b×nh lμ c¸c vÊn ®Ò cã liªn quan víi nhau. Ta sÏ trë l¹i th¶o luËn vÊn ®Ò nμy trong môc tiÕp theo. 9.2 Sù lan truyÒn sãng vμ t−¬ng t¸c cña dßng trung b×nh C¸c ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó sù lan truyÓn theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña sãng Rossby lμ nguyªn nh©n cña sù v¾ng mÆt cña c¸c sãng trong tÇng b×nh l−u vμo mïa hÌ vμ c¸c nhiÔu ®éng sãng dμi cña dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc quan tr¾c thÊy trong mïa ®«ng. H×nh 6.19 cho ta thÊy sãng Rossby sÏ suy yÕu theo ph−¬ng th¼ng ®øng nÕu giã vÜ h−íng lμ giã ®«ng. Do ®ã, ta cã thÓ thÊy dßng trung b×nh trong tÇng b×nh l−u vμo mïa hÌ phÇn lín lμ kh«ng nhiÔu ®éng do sù lan truyÒn sãng. H¬n n÷a, c¸c dßng nμy cã tÝnh ®èi xøng trôc rÊt cao. §iÒu bÊt ngê nhÊt lμ nã kh«ng bÞ nhiÔu ®éng m¹nh bëi c¸c xo¸y tøc thêi. Lý thuyÕt môc 6.4 cã thÓ thay ®æi mét c¸ch dÔ dμng ®Ó ¸p dông cho tr−êng hîp lan truyÒn sãng víi tèc ®é pha lμ c. KÕt qu¶ nhËn ®−îc dÔ dμng b»ng c¸ch thay thÕ U b»ng U- c trong ph−¬ng tr×nh (6.43). Tèc ®é pha cña sãng Rossby trong tÇng b×nh l−u nh×n chung lμ nhá h¬n so víi tèc ®é gÝo trong ®íi giã ®«ng tÇng b×nh l−u trong mïa - 261 - hÌ. Cã kh¶ n¨ng nã lan truyÒn trong ®íi giã t©y, t−¬ng tù nh− trong tÇng b×nh l−u mïa ®«ng cã thÓ x¶y ra trong ®íi giã t©y. C¸c sãng dμi nhÊt cã thÓ lan truyÒn nhanh nhÊt, trong khi ®ã c¸c sãng ng¾n h¬n dÔ bÞ mê nh¹t. HiÖu øng läc cña tÇng b×nh l−u æn ®Þnh trong ®íi giã t©y ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 9.1, ®−îc gi¶i thÝch mét c¸ch dÔ dμng. TÊt nhiªn, lý thuyÕt tõ môc 6.4 cã sù lý t−ëng ho¸ rÊt cao, vμ sù gi¶ thiÕt h»ng sè N vμ U rÊt gÇn víi sù thùc. C«ng thøc Eliasen-Palm cho ta mét c¸ch më réng lý thuyÕt cho c¸c ®iÒu kiÖn tæng qu¸t h¬n. Trong phÇn nμy, ta sÏ tËp trung chó ý vμo t×nh h×nh mïa ®«ng ®Ó ®¸nh gi¸ c¸c tÝnh chÊt cña c¸c kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña c¸c sãng hμnh tinh tÇng b×nh l−u. Dßng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn bëi sù lan truyÒn th¼ng ®øng cña sãng Rossby ®−îc ®−a vμo ph−¬ng tr×nh (6.53) ®èi víi h×nh thÓ ®¬n gi¶n nhÊt cña sù lan truyÒn th¼ng ®øng trong mét vïng giã vÜ h−íng ®ång nhÊt. Ngoμi dßng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn trùc tiÕp bëi c¸c xo¸y cßn cã sù vËn chuyÓn nhiÖt bëi xo¸y gi¸n tiÕp bëi ¶nh h−ëng cña xo¸y ®èi víi hoμn l−u trung b×nh kinh h−íng. TÝnh chung hiÖu øng nμy x¸c ®Þnh toμn bé l−îng nhiÖt ®−îc c¸c xo¸y vËn chuyÓn. C¸c ý t−ëng t−¬ng tù cÇn ®−îc th¶o luËn vÒ sù vËn chuyÓn cña mét sè yÕu tè nh− «zon bëi hoμn l−u tÇng b×nh l−u trong mïa ®«ng, vÊn ®Ò nμy sÏ ®−îc ®Ò cËp l¹i trong môc tiÕp theo. Xo¸y vμ c¸c thμnh phÇn kinh h−íng cña dßng nhiÖt cã xu h−íng bÞ triÖt tiªu, kÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh ®· ®−îc tr×nh bμy trong môc 4.4. Trong ®ã chóng t«i ®· chØ ra r»ng cùc ®¹i cña dßng nhiÖt xo¸y h−íng cùc ë miÒn «n ®íi sÏ t¹o nªn hoμn l−u nhiÖt trung b×nh kinh h−íng gi¸n tiÕp. Hoμn l−u kinh h−íng nμy cã xu thÕ vËn chuyÓn nhiÖt ®i xuèng vμ vÒ phÝa xÝch ®¹o, trong khi ®ã dßng nhiÖt trùc tiÕp do c¸c xo¸y l¹i cã h−íng ng−îc l¹i. §Ó cã ®−îc mét lËp luËn chÆt chÏ h¬n, ta sÏ quay trë l¹i c¸c ph©n tÝch trong môc 4.4, ë ®©y ta dïng ®é cao gi¶ z’ lμm to¹ ®é th¼ng ®øng do vÊn ®Ò cã liªn quan víi tÇng b×nh l−u. C¸c ph−¬ng tr×nh trung b×nh Eulerian trong c¸c to¹ ®é §Òc¸c ®Þa ph−¬ng ®−îc cho ra trong c¸c ph−¬ng tr×nh (4.27) vμ (4.28) cïng víi ph−¬ng tr×nh giã nhiÖt (4.29). Thay ®é cao gi¶ z’ vμo ta cã thÓ viÕt l¹i nh− sau        1** Fvuyvftu  (9.1)        Qv y w g N t ** 2 R    (9.2) Cïng víi ph−¬ng tr×nh c©n b»ng giã nhiÖt     y g z u f R     (9.3) vμ ph−¬ng tr×nh liªn tôc      0w z 1 y v R R     (9.4) Ta sÏ cã mét phÐp biÕn ®æi h÷u Ých ®èi víi c¸c ph−¬ng tr×nh trªn nÕu ta ®Þnh nghÜa phÇn giã d− d−íi d¹ng - 262 -              zR ** R R r v z 1 vv (9.5a)              zR ** r v y ww (9.5b) PhÇn giã kinh h−íng d− vÉn tho¶ m·n ph−¬ng tr×nh liªn tôc cho nªn nã x¸c ®Þnh mét hoμn l−u kinh h−íng d−. Thay vμo c¸c ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc vμ ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng ta cã      1 R r FF 1 vf t u    (9.6)      Qw g N t r 2 R   (9.7) C¸c ph−¬ng tr×nh nμy ®−îc gäi lμ ph−¬ng tr×nh “biÕn ®æi Eulerian trung b×nh” (TEM). L−u ý r»ng, sè h¹ng xo¸y chØ xuÊt hiÖn râ rμng trong ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng, trong ®ã c¸c kÕt qu¶ tæ hîp cña dßng nhiÖt vμ dßng ®éng l−îng ®−îc chøa trong sè h¹ng  F. Ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc cho thÊy r»ng trong c¸c dßng dõng, hoμn l−u kinh h−íng d− hoμn toμn phï hîp víi gradien cña qu¸ tr×nh ®èt nãng. Hoμn l−u trung b×nh Eulerian ph¸t sinh bëi dßng nhiÖt h−íng cùc ®· ®−îc lo¹i bá khái c¸c hoμn l−u d− b»ng c¸ch biÕn ®æi c¸c ph−¬ng tr×nh (9.5a,b). XÐt c¸c ®iÒu kiÖn dõng, dßng kh«ng ma s¸t vμ ®o¹n nhiÖt, c¸c ph−¬ng tr×nh TEM cho ta mét kÕt qu¶ quan träng, gäi lμ ®Þnh lý Eliassen-Palm. XÐt tr−êng hîp ®Æc biÖt, dßng dõng, kh«ng ma s¸t vμ ®o¹n nhiÖt. Khi ®ã c¸c ph−¬ng tr×nh TEM cã d¹ng sau   F1vf R r  (9.8a)   0ws r2  (9.8b) Ph−¬ng tr×nh (9.8b) kÕt hîp víi ph−¬ng tr×nh liªn tôc, trong ®ã [w]r = [v]r =0, vμ v× vËy 0F.   (9.9) Ph−¬ng tr×nh trªn kh«ng cho thÊy dßng xo¸y b»ng 0. Nã chØ cho thÊy sù biÕn ®æi cña [v**] theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ cña [u*v*] theo ph−¬ng ngang sao cho dßng Eliassen- Palm cã ®é ph©n kú b»ng kh«ng. §ã lμ tr−êng hîp sãng Rossby lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng ®· ®−îc th¶o luËn trong Ch−¬ng 6. Ta ®· biÕt r»ng dßng nhiÖt h−íng cùc liªn quan víi sãng nμy rÊt ®¸ng kÓ. Tuy nhiªn, sù biÕn ®æi cña nã theo ph−¬ng th¼ng ®øng sao cho    0v z ** R   (9.10) Tøc lμ, ph−¬ng tr×nh (9.9) ®−îc tho¶ m·n nÕu [u* v*] = 0. ý nghÜa vËt lý cña ph−¬ng tr×nh nμy lμ mÆc dï cã mèi liªn quan gi÷a dßng nhiÖt h−íng cùc vμ sãng Rossby nh−ng nã vÉn c©n b»ng víi dßng nhiÖt h−íng vÒ xÝch ®¹o ®−îc vËn chuyÓn bëi hoμn l−u trung b×nh Eulerian ®· ph¸t sinh. - 263 - Ta ®· sÏ xÐt c¸c h×nh thÕ kh¸c trong ®ã lý thuyÕt Eliassen-Palm kh«ng ®óng. Th«ng l−îng nhiÖt víi mét mode Eady ph¸t triÓn, ®· ®−îc nh¾c ®Õn trong môc 5.4 kh«ng tho¶ m·n ®−îc 0F.   , thËm chÝ víi m« h×nh xo¸y lμ ®o¹n nhiÖt vμ kh«ng ma s¸t. Thùc vËy, cã sù ph©n kú kh«ng x¸c ®Þnh cña F  trong mét líp máng gÇn biªn d−íi, vμ t−¬ng øng lμ sù héi tô ë gÇn biªn trªn. Nguyªn nh©n lμ sãng Eady cã biªn ®é theo quy luËt luü thõa, nªn chóng kh«ng liªn quan víi dßng dõng. MÆc dï hoμn l−u kinh h−íng ph¸t sinh c©n b»ng víi dßng nhiÖt h−íng cùc truyÒn ®i bëi mode Eady nh−ng chóng vÉn kh«ng hoμn toμn bï ®¾p ®ñ cho nã, cho nªn vÉn cã sù vËn chuyÓn nhiÖt vÒ phÝa cùc. Trong hoμn l−u toμn cÇu tÇng ®èi l−u ta còng ¸p dông viÖc xem xÐt t−¬ng tù. Vßng hoμn l−u Ferrel lμ sù truyÒn nhiÖt gi¸n tiÕp vμ còng cã xu h−íng vËn chuyÓn nhiÖt vÒ phÝa xÝch ®¹o. Nh−ng c¸c dßng rÊt bÊt æn ®Þnh chÞu t¸c ®éng cña lùc ma s¸t gÇn bÒ mÆt. Do ®ã dßng nhiÖt h−íng cùc lμ do c¸c xo¸y trong tÇng ®èi l−u ë miÒn «n ®íi. LËp luËn cña ta qu¸ xa so víi c¸c lý thuyÕt tuyÕn tÝnh vÒ sù lan truyÒn sãng Rossby theo ph−¬ng th¼ng ®øng. B¶n chÊt cña sãng Rossby lμ sù dÞch chuyÓn nhá theo kinh h−íng cña phÇn tö khÝ. PhÇn tö khÝ b¶o tån xo¸y thÕ cña khi nã di chuyÓn vμo vïng mμ ë ®ã xo¸y thÓ ë biªn lμ kh¸c nhau. Sù ph¸t sinh c¸c hoμn l−u cã xu h−íng quay trë l¹i sãng Rossby vÒ vÜ ®é ban ®Çu cña nã, b¶n sao xu h−íng håi phôc sinh ra trong chuyÓn ®éng sãng. L−u ý r»ng sù dÞch chuyÓn nμy lμ hoμn toμn thuËn nghÞch. Tuy nhiªn, khi sãng Rossby lan truyÒn lªn cao h¬n th× biªn ®é cña nã cã thÓ thay ®æi vμ cã thÓ dÉn tíi sù biÕn d¹ng kh«ng thuËn nghÞch ®èi víi ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ hoÆc “ph¸ vì” nã. Ýt nhÊt cã hai c¬ chÕ ph¸ vì. C¬ chÕ thø nhÊt ho¹t ®éng thËm chÝ khi [u] b»ng h»ng sè; theo ph−¬ng tr×nh (6.45) biªn ®é t¨ng theo hμm mò theo ®é cao khi sãng lan truyÒn ®Õn c¸c mùc mμ ë ®ã cã mËt ®é nhá h¬n. MËt ®é ho¹t ®éng cña sãng ®−îc b¶o toμn khi sãng lan truyÒn ®Õn c¸c mùc cao h¬n, nh−ng sù dÞch chuyÓn trung b×nh cña phÇn tö khÝ t¨ng. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ trªn mùc nhÊt ®Þnh, gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh kh«ng tho¶ m·n. §Æc biÖt, ®iÒu ®ã sÏ xÈy ra khi sù dÞch kinh h−íng cña phÇn tö khÝ trë nªn t−¬ng ®−¬ng víi b−íc sãng. Trong h×nh thÕ ®ã, c¸c ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ bÞ biÕn d¹ng m¹nh, vμ xo¸y thÕ bÞ kÐo thμnh c¸c d¶i dμi. C¸c d¶i dμi ®ã lμ bÊt æn ®Þnh chÝnh ¸p vμ cã thÓ bÞ chia thμnh c¸c xo¸y riªng biÖt. Sù bÊt æn ®Þnh cã nghÜa lμ sù biÕn d¹ng cña c¸c ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ nhanh chãng trë nªn kh«ng thuËn nghÞch. C¸c qu¸ tr×nh trªn tan cã thÓ ho¹t ®éng ®èi víi c¸c nhiÔu ®éng quy m« nhá vμ san b»ng c¸c tr−êng xo¸y thÕ. Nh÷ng qu¸ tr×nh ®ã kh«ng dÔ dμng m« t¶ b»ng c¸c m« h×nh gi¶i tÝch vμ sù gi¶m nhanh cña quy m« lμm cho chóng rÊt khã ®−îc ®−a vμo biÓu diÔn trong m« h×nh sè. KÕt qu¶ c¸c chi tiÕt cña c¸c qu¸ tr×nh b·o hoμ kh«ng ®−îc hiÓu ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, hiÖu øng trªn sÏ x¸o trén xo¸y thÕ trong toμn bé vïng cã sãng Rossby b·o hoμ sinh ra mét vïng réng mμ ë miÒn «n ®íi n¬i gradien xo¸y thÕ lμ nhá. C¬ chÕ gi¸n ®o¹n thø hai cã thÓ liªn quan tíi lan truyÒn kinh h−íng hoÆc lan truyÒn th¼ng ®øng, vμ x¶y ra khi giã vÜ h−íng biÕn ®æi theo ®é cao. §Æc biÖt, nÕu [u] ®æi dÊu th× mét ®−êng tíi h¹n, nh− ®· nãi tíi trong Ch−¬ng 6, sÏ liªn quan víi vÞ trÝ cña c¸c ®iÓm, t¹i ®ã [u] = 0. Khi sãng Rossby tiÖm cËn víi mét ®−êng tíi h¹n th× biªn - 264 - ®é cña sãng t¨ng theo chiÒu cao vμ vËn tèc nhãm sÏ gi¶m. C¸c gi¶ thiÕt vÒ ®é tuyÕn tÝnh sÏ kh«ng ®−îc tháa m·n vμ sù ph©n chia kh«ng thuËn nghÞch vμ sù x¸o trén cña tr−êng xo¸y thÕ sÏ xuÊt hiÖn; sãng Rossby sÏ bÞ gi¸n ®o¹n theo c¸ch nh− khi biªn ®é t¨ng khi cã sù gi¶m cña mËt ®é. Cã sù t−¬ng tù gi÷a