Đặc tính ba chiều của hoàn lưu khí quyển toàn cầu

- 184 - Ch−¬ng 7. ®Æc TÝnh ba chiÒu cña hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu 7.1 sù BiÕn ®æi vÜ h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi Cho ®Õn nay, ®· cã mét c¸ch tr×nh bμy truyÒn thèng vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu b»ng c¸ch tËp trung vμo viÖc gi¶i thÝch hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng vμ c¸c tr−êng trung b×nh vÜ h−íng cña sè c¸c xo¸y. Tuy nhiªn, hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu gÇn nh− lμ kh«ng cã tÝnh ®èi xøng vÜ h−íng. §èt nãng miÒn nhiÖt ®íi cã gi¸ trÞ cùc ®¹i kh¸c nhau t¹i c¸c kinh ®é. ë miÒn «n ®íi, c¸c xo¸y tøc thêi ®−îc ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu trªn c¸c vßng vÜ tuyÕn, mμ ®−îc tËp trung ë vïng riªng víi c¸c quü ®¹o xo¸y thuËn, ®Æc biÖt lμ ë B¾c B¸n CÇu. Ch−¬ng nμy sÏ m« t¶ tÝnh bÊt ®èi xøng vÜ h−íng cña hoμn l−u vμ c¸c hÖ qu¶ cña nã. Nh÷ng chÈn ®o¸n vÒ ho¹t ®éng cña xo¸y dõng vμ xo¸y tøc thêi mμ ta ®· ®Ò cËp trong nh÷ng ch−¬ng tr−íc Ýt hiÖu qu¶ ë miÒn nhiÖt ®íi. §éng n¨ng xo¸y ë miÒn nhiÖt ®íi nhá h¬n nhiÒu so víi miÒn «n ®íi. T−¬ng tù, c¸c dßng nhiÖt vμ ®éng l−îng cña c¶ xo¸y dõng vμ xo¸y tøc thêi ë miÒn nhiÖt ®íi còng cã gi¸ trÞ nhá. V× vËy, bøc tranh næi bËt ®ã lμ nhiÖt vμ ®éng l−îng ®−îc vËn chuyÓn, chñ yÕu do chuyÓn ®éng cã tÝnh ®èi xøng ë miÒn nhiÖt ®íi víi c¸c xo¸y vËn chuyÓn ë miÒn cËn nhiÖt ®íi vμ «n ®íi. Trong bøc tranh nμy cã mét sè ®iÒu lμ ®óng. Tuy nhiªn nã còng cã thÓ bÞ nhÇm lÉn. Tr−íc tiªn ta h·y xem c¸c tr−êng ®èt nãng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 3.8. T¸c ®éng ®èi víi hoμn l−u lμ hoμn toμn kh«ng cã tÝnh ®èi xøng, ®Æc biÖt lμ ë miÒn nhiÖt ®íi. H¬n n÷a, ë ®©y cã mét sè trung t©m ®èt nãng víi c−êng ®é m¹nh. Trung t©m quan träng nhÊt lμ trªn vïng §«ng Nam ¸ vμo mïa hÌ vμ ë Indonesia vμo mïa ®«ng. C¸c cùc ®¹i kh¸c d−êng nh− g¾n liÒn víi c¸c khèi lôc ®Þa. Mét vÊn ®Ò ta cÇn xem xÐt lμ t¹i sao sù ph©n bè cña ®èt nãng mang tÝnh ®Þa ph−¬ng lín nh− vËy l¹i dÉn ®Õn tÝnh ®èi xøng Ýt nhiÒu cña hoμn l−u. Còng cÇn nãi r»ng xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt h¬n miÒn nhiÖt ®íi ta thÊy sù thÝch øng l¹i kh«ng hoμn toμn ®èi xøng. H×nh 7.1 vμ 7.2 biÓu diÔn c¸c vect¬ cña giã trung b×nh, giã gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u vμ giã t¹i c¸c mùc thÊp. Mùc 150hPa lμ mùc gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u ë nh÷ng vïng s¸t xÝch ®¹o. ë ®©y giã vÜ h−íng chiÕm −u thÕ trong c¶ hai mïa. §©y lμ mét nguyªn nh©n trùc tiÕp gi¶i thÝch t¹i sao c¸c xo¸y kh«ng ®ãng gãp ®¸ng kÓ vμo viÖc vËn chuyÓn kinh h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi: thμnh phÇn kinh h−íng cña tr−êng giã xo¸y lμ rÊt nhá. - 185 - H×nh 7.1. Vect¬ giã ngang trung b×nh theo thêi gian v thêi kú th¸ng 12, 1, 2 ®−îc dùa trªn chuçi sè liÖu 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. (a) mùc 150hPa, gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi: vect¬ tiªu biÓu lµ 20ms-1. (b) mùc 850hPa, phÝa trªn líp biªn khÝ quyÓn: vect¬ tiªu biÓu lµ 10ms-1 Tuy nhiªn, giã vÜ h−íng cña xo¸y kh«ng nhá; ë ®©y cã mét sè cùc ®¹i cña u trªn toμn cÇu. Vμo th¸ng 12, 1, 2 cã ®íi giã ®«ng m¹nh trªn vïng Indonesia vμ ®íi giã t©y m¹nh trªn vïng ®«ng Th¸i B×nh D−¬ng vμ §¹i T©y D−¬ng. Do ®ã, giã vÜ h−íng trung b×nh chøa c¸c thμnh phÇn giã triÖt tiªu lÉn nhau; thùc tÕ t¹i nh÷ng mùc nμy giã trung b×nh lμ giã t©y (xem H×nh 4.1). Vμo th¸ng 6, 7, 8, thμnh phÇn vÜ h−íng l¹i chiÕm −u thÕ tuy nhiªn sù ph©n bè c¸c cùc ®¹i l¹i hoμn toμn kh¸c. ë ®©y cã mét khu vùc ®íi giã ®«ng m¹nh kÐo dμi tõ T©y Ch©u Phi tíi ®«ng Indonesia. Mét sè n¬i kh¸c ®íi giã ®«ng yÕu h¬n vμ cã mét vïng rÊt nhá ®íi giã t©y t−¬ng tù nh− trong c¸c th¸ng 12, 1, 2. H×nh 7.2.T−¬ng tù nh− H×nh 7.1 nh−ng ®èi víi th¸ng 6, 7, 8 - 186 - Trë l¹i víi tr−êng giã mùc thÊp, sù chiÕm −u thÕ t−¬ng tù cña dßng vÜ h−íng so víi c¸c thμnh phÇn giã kinh h−íng lμ kh¸ râ. Thêi kú th¸ng 12, 1, 2, giã chñ yÕu lμ giã ®«ng víi c¸c khu vùc héi tô Ýt hay nhiÒu t−¬ng øng víi c¸c khu vùc ph©n kú t¹i mùc 150hPa vμ ng−îc l¹i. Vμo th¸ng 6, 7, 8, h×nh thÕ t−¬ng tù cã thÓ thÊy ë hÇu kh¾p miÒn nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, c¸c tr−êng kh¸c biÖt lín lμ ë Ên §é D−¬ng. ë ®©y ta thÊy dßng kinh h−íng m¹nh trªn mét d¶i réng song song víi bê biÓn Ch©u Phi nèi liÒn ®íi giã ®«ng ë phÝa nam miÒn cËn nhiÖt ®íi víi ®íi giã t©y ë Ên §é. §íi giã nμy lμ mét phÇn cña hÖ thèng giã mïa Ch©u ¸, mét hÖ thèng cã quy m« hμnh tinh rÊt quan träng sÏ ®−îc ®Ò cËp trong phÇn sau. So s¸nh c¸c dßng t¹i mùc 850 vμ 150hPa, ë ®©y cã mét xu thÕ rÊt m¹nh víi héi tô mùc thÊp ®−îc phèi hîp víi ph©n kú trªn cao vμ ng−îc l¹i. §iÒu nμy phï hîp víi dßng th¨ng vμ dßng gi¸ng ë mùc gi÷a nèi liÒn hai mùc nμy, vμ cho ta thÊy r»ng thÝch øng cña miÒn nhiÖt ®íi ®èi víi ®èt nãng ®Þa ph−¬ng bao gåm mét hÖ thèng c¸c hoμn l−u ®¶o ng−îc trªn mÆt c¾t kinh ®é-®é cao. C¸c hoμn l−u nh− vËy ®èi khi ®−îc gäi lμ “hoμn l−u Walker” vμ lÇn ®Çu tiªn ®−îc chØ ra b»ng c¸ch so s¸nh c¸c sè liÖu khÝ t−îng bÒ mÆt t¹i tr¹m Darwin, ®«ng-b¾c Australia vμ Tahiti ë miÒn trung Th¸i B×nh D−¬ng. §Ó gi¶i thÝch cho nh÷ng kÕt qu¶ th¸m s¸t, ng−êi ta nhËn thÊy r»ng c¸c lý thuyÕt vÒ ®éng lùc häc nhiÖt ®íi nÕu ®em so s¸nh víi c¸c biÓu thøc tùa ®Þa chuyÓn vμ c¸c biÓu thøc liªn hÖ ®èi víi miÒn «n ®íi lμ kh«ng phï hîp. Lý thuyÕt dùa trªn c¬ së tuyÕn tÝnh ho¸ l©n cËn tr¹ng th¸i khÝ quyÓn tÜnh, lμ mét c¸ch tiÕp cËn ®¬n gi¶n nhÊt vμ sÏ ®−îc ®Ò cËp tíi trong phÇn nμy. Tuy nhiªn, mét ®iÒu kh«ng ®¬n gi¶n lμ më réng c¸c gi¶ thiÕt rÊt h¹n chÕ cña lý thuyÕt nμy. Nh÷ng thay ®æi nμy chøa trong c¸c nghiÖm sè kh¸ phøc t¹p cña c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng lùc ®Çy ®ñ. C¸ch lý gi¶i quy m« cho thÊy nh÷ng dao ®éng nhiÖt ®é ë miÒn nhiÖt ®íi sÏ nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi miÒn «n ®íi; thùc vËy ta cã gH U2  (miÒn nhiÖt ®íi), gH fUL  (miÒn «n ®íi) (7.1) trong ®ã H lμ quy m« ®é cao ®Æc tr−ng vμ L lμ quy m« ngang ®Æc tr−ng; / lμ kho¶ng 10-3 ®èi víi miÒn nhiÖt ®íi, lín h¬n mét bËc ®¹i l−îng ®èi víi miÒn «n ®íi. §iÒu nμy cã nghÜa lμ gradien nhiÖt ®é ngang ë miÒn nhiÖt ®íi lμ rÊt nhá, do ®ã b×nh l−u ngang kh«ng thÓ c©n b»ng víi ®èt nãng m¹nh quan tr¾c ®−îc trong c¸c khu vùc ®èi l−u. Thay vμo ®ã ®èt nãng ph¶i ®−îc c©n b»ng do b×nh l−u theo chiÒu th¼ng ®øng, ®ã lμ Q N gw 2 R  (7.2) Dßng th¨ng m¹nh, vμo kho¶ng 3cms-1 cã thÓ thÊy trong nh÷ng khu vùc ®èi l−u n¬i ®èt nãng cã thÓ ®¹t 5Kngμy-1. PhÇn cßn l¹i cña miÒn nhiÖt ®íi, dßng gi¸ng yÕu cì vμo kho¶ng 0,3 cms-1 cÇn ®Ó c©n b»ng víi lμm l¹nh bøc x¹. TÝnh liªn tôc cho thÊy chuyÓn ®éng th¼ng ®øng sÏ dÇn dÇn t¸c ®éng tíi vËn tèc ngang. §Æc tÝnh cña tr−êng vËn tèc ngang sÏ ®−îc gi¶i thÝch râ rμng b»ng c¸ch xem xÐt c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng. Lùc Coriolis b»ng kh«ng trªn xÝch ®¹o nh−ng biÕn ®æi rÊt nhanh theo vÜ ®é. Trong c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng lùc th«ng sè Coriolis cã thÓ ®−îc xÊp xØ b»ng f = y trong ®ã  = - 187 - 2/a. XÊp xØ nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ “mÆt  xÝch ®¹o”. Dïng xÊp xØ nμy, dßng ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ l©n cËn tr¹ng th¸i dõng trong ®ã c¸c biÕn khÝ quyÓn chØ biÕn ®æi theo chiÒu th¼ng ®øng. NghiÖm nμy sau ®ã cã thÓ t¸ch ra thμnh mét phÇn phô thuéc vμo ®é cao vμ mét phÇn phô thuéc vμo to¹ ®é ngang vμ thêi gian. PhÇn ngang nμy ®−îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ph−¬ng tr×nh “n−íc n«ng” ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ víi “®é s©u t−¬ng ®−¬ng” thÝch hîp. C¸c ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ viÕt nh− sau D ' u x hgyv t u    (7.3a) D ' v y hgyu t v    (7.3b) D ' 0 ' hQv.h t h   (7.3c) ë ®©y ph−¬ng tr×nh (7.3c) lμ ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ cho mét líp máng chÊt láng kh«ng nÐn ®−îc cã ®é dμy ho; Q biÓu diÔn c¸c lùc liªn quan tíi ®èt nãng. Sù tiªu t¸n d−íi d¹ng ma s¸t Rayleigh hoÆc lμm l¹nh Newton t¸c ®éng lªn c¸c nhiÔu ®éng còng ®−îc tÝnh ®Õn. C¸ch gi¶i thÝch ®¬n gi¶n nhÊt vÒ ®é s©u t−¬ng ®−¬ng ho ®−îc ®−a ra b»ng c¸ch coi khÝ quyÓn lμ kh«ng nÐn ®−îc cã tÇn sè Brunt-Vaisala N kh«ng ®æi vμ biªn trªn cøng t¹i ®é cao H. Khi ®ã c¸c thÓ hiÖn th¼ng ®øng quan träng nhÊt cã nhiÔu ¸p suÊt vμ vËn tèc ngang biÕn ®æi d−íi d¹ng cos(z/H) vμ vËn tèc th¼ng ®øng nhiÔu biÕn ®æi cã d¹ng sin(z/H). §é s©u t−¬ng ®−¬ng ®−îc x¸c ®Þnh bëi g HNh 2 22 0  (7.4) NÕu H lμ ®é cao tÇng ®èi l−u miÒn nhiÖt ®íi, kho¶ng 18km th× ®é dμy t−¬ng ®−¬ng ®Æc tr−ng lμ kho¶ng 400m. Trong viÖc nhËn c¸c ph−¬ng tr×nh t−¬ng tù nh−ng ®èi víi khÝ quyÓn nÐn ®−îc víi N biÕn ®æi, v.v…theo chiÒu th¼ng ®øng ®ã tèt h¬n lμ gi¶i bμi to¸n gi¸ trÞ riªng cho cÊu tróc th¼ng ®øng; ta nhËn ®−îc ®é dμy t−¬ng ®−¬ng t−¬ng tù ®èi víi c¸c thÓ hiÖn th¼ng ®øng quan träng nhÊt. Ta sÏ giíi h¹n viÖc nghiªn cøu ®èi víi c¸c thÓ hiÖn th¼ng ®øng quan träng nhÊt chØ cã mét cùc ®¹i vËn tèc th¼ng ®øng ë mùc gi÷a cña tÇng ®èi l−u, vμ vËn tèc th¼ng ®øng b»ng kh«ng t¹i biªn trªn vμ biªn d−íi tÇng ®èi l−u. §iÒu kiÖn nμy ®−îc tho¶ m·n v× ph©n bè th¼ng ®øng cña ®èt nãng miÒn nhiÖt ®íi ®−îc coi nh− t¸c ®éng ®Õn c¸c nhiÔu ®éng cã cÊu tróc kiÓu t−¬ng tù. Tr−íc khi xem xÐt vÊn ®Ò t¸c ®éng mét c¸ch ®Çy ®ñ, ta h·y xem xÐt mét sè chuyÓn ®éng sãng trong khÝ quyÓn nhiÖt ®íi. C¸c ph−¬ng tr×nh n−íc n«ng m« t¶ sãng träng tr−êng lan truyÒn víi tèc ®é (gho)1/2. Tuy nhiªn c¸c thÓ hiÖn ë miÒn nhiÖt ®íi quy m« lín h¬n còng tho¶ m·n vμ chóng chiÕm −u thÕ trong c¸c qu¸ tr×nh quy m« lín t¸c ®éng trë l¹i tíi c¸c cùc ®¹i ®èt nãng riªng lÎ. NghiÖm ®¬n gi¶n nhÊt cña ph−¬ng tr×nh (7.3a-c) nhËn ®−îc khi hiÖu øng cña ma s¸t vμ ®èt nãng ®−îc bá qua, vμ vËn tèc kinh h−íng lμ b»ng kh«ng. C¸c ph−¬ng tr×nh nμy trë thμnh x hg t u '    (7.5a) - 188 - y hgyu '   (7.5b) x uh t h 0 '    (7.5c) HÖ nμy ®−îc tháa m·n víi nghiÖm cã d¹ng sau        tcxfyUh,tcxfyUu 0'0  (7.6) ThÕ vμo ta t×m ®−îc     2/102/100 g/h,ghc  (7.7) vμ yU cy U 0   (7.8) DÔ dμng lÊy tÝch ph©n ph−¬ng tr×nh (7.8) ta ®−îc        2 0 0 yc2 expuyU (7.9) C¨n ©m ®èi víi co kh«ng phï hîp vÒ mÆt vËt lý v× nã sÏ dÉn tíi c¸c nhiÔu vËn tèc vÜ h−íng t¨ng theo quy luËt hμm mò khi ®i xa xÝch ®¹o. ViÖc chän c¨n d−¬ng dÉn tíi sù kh«ng ph©n kú, sãng lan truyÒn vÒ phÝa ®«ng bÞ giíi h¹n trong khu vùc xÝch ®¹o. Quy m« kinh h−íng cña nh÷ng sãng nμy lμ (2co/)1/2 hay kho¶ng 2000km khi ®é dμy t−¬ng ®−¬ng lμ 400m. Tèc ®é pha vÒ phÝa ®«ng cña c¸c sãng nμy vμo kho¶ng 60ms-1. C¸c nhiÔu bÞ chÆn nμy ®−îc gäi lμ “sãng Kelvin xÝch ®¹o” vμ lμ mét thμnh phÇn quan träng cña sù t¸c ®éng trë l¹i cña miÒn khÝ quyÓn nhiÖt ®íi ®èi víi t¸c ®éng nhiÖt ®Þa ph−¬ng. C¸c d¹ng nghiÖm kh¸c cña sãng xÝch ®¹o trong ph−¬ng tr×nh (7.3a-c) ®−îc t×m thÊy d−íi d¹ng tæng qu¸t víi v  0. Quan hÖ ph−¬ng sai tæng qu¸t lμ   0 2 2 0 c 1n2kk c       (7.10) trong ®ã n lμ mét sè nguyªn. Quy m« kinh h−íng ®èi víi tÊt c¶ c¸c sãng xÝch ®¹o bÞ chÆn nh− vËy cã bËc ®¹i l−îng (co/2)1/2, nh−ng tÇn sè vμ do ®ã tèc ®é pha vÒ c¬ b¶n biÕn ®æi. Quan hÖ ph−¬ng sai ®−îc m« t¶ trªn H×nh 7.3. Quan hÖ ph−¬ng sai sãng Kelvin còng phï hîp víi ph−¬ng t×nh (7.10) khi n = -1, vμ ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 7.3. §èi víi n  1, tån t¹i c¸c sãng träng tr−êng xÝch ®¹o tÇn sè cao lan truyÒn hoÆc vÒ phÝa t©y hoÆc vÒ phÝa ®«ng. Tuy nhiªn, còng cã mét nhãm “sãng hμnh tinh” tÇn sè thÊp lan truyÒn vÒ phÝa t©y; tèc ®é pha ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 20ms-1 khi ho = 400m. Nh÷ng sãng nμy cïng víi sãng Kelvin lμ thμnh phÇn rÊt quan träng cña sù thÝch øng trë l¹i cña miÒn nhiÖt ®íi ®èi víi sù ®èt nãng ®Þa ph−¬ng. Víi thÓ hiÖn n = 0 lμ sãng träng tr−êng-sãng Rossby hçn hîp. §èi víi k lμ d−¬ng vμ lín, nh÷ng sãng nμy cã cÊu tróc t−¬ng tù nh− nh÷ng sãng träng tr−êng lan truyÒn vÒ phÝa ®«ng. Tuy nhiªn, ®èi víi tr−êng hîp k ©m, nh÷ng sãng nμy cã thÓ hiÖn lan truyÒn vÒ phÝa t©y chËm vμ t−¬ng tù nh− sãng hμnh tinh. - 189 - B©y giê ta h·y xem xÐt dßng bÞ t¸c ®éng bëi cùc ®¹i ®èt nãng ®Þa ph−¬ng trong thμnh phÇn cña c¸c sãng bÞ chÆn ë xÝch ®¹o nμy. Bμi to¸n nμy kh¸c Ýt nhiÒu so víi bμi to¸n cña miÒn «n ®íi ®−îc ®Ò cËp trong môc 6.2. ë ®©y, sù t¸c ®éng trë l¹i ®èi víi dßng t¸c ®éng ®−îc xem xÐt trong c¸c thμnh phÇn sãng Rossby mμ c¸c thμnh phÇn sãng nμy cã tèc ®é pha b»ng kh«ng t−¬ng øng víi dßng t¸c ®éng. H×nh 7.3. Quan hÖ ph−¬ng sai theo ph−¬ng tr×nh (7.10) ®èi víi nghiÖm d¹ng sãng bÞ chÆn ë xÝch ®¹o trong c¸c ph−¬ng tr×nh n−íc n«ng tuyÕn tÝnh trªn mÆt  xÝch ®¹o. §¬n vÞ tÇn sè lµ  vµ ®¬n vÞ sè sãng lµ a-1. Hä c¸c ®−êng cong nµy chÞu sù chi phèi bëi th«ng sè co/(a) cã gi¸ trÞ lµ 0,134 trong tr−êng hîp tÝnh nµy Trong tr−êng hîp trªn xÝch ®¹o, tèc ®é pha cña tÊt c¶ c¸c sãng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 7.3 lín h¬n tèc ®é dßng vÜ h−íng ®Æc tr−ng ë tÇng ®èi l−u, vμ do ®ã nã kh«ng cã ý nghÜa trong viÖc t×m nghiÖm d−íi d¹ng sãng, nh÷ng nghiÖm nμy lμ dõng t−¬ng øng víi c¸c t¸c ®éng. Thay vμo ®ã, c¸c nghiÖm cã thÓ ®−îc thiÕt lËp sao cho dßng vÜ h−íng b»ng kh«ng nh−ng sãng Kelvin lan truyÒn vÒ phÝa ®«ng tõ khu vùc t¸c ®éng trong khi sãng hμnh tinh lan truyÒn vÒ phÝa t©y. Nh÷ng nghiÖm dõng cã thÓ ®−îc thiÕt lËp nÕu tån t¹i mét sè tiªu t¸n trong hÖ ®Ó c¸c nhiÔu u, v vμ 'h suy yÕu theo quy m« thêi gian D. Khi ®ã nhiÔu ®éng suy yÕu ë ngoμi khu vùc t¸c ®éng trªn mét quy m« kh«ng gian lμ L = (cgxD) trong ®ã cgx = k lμ thμnh phÇn vÜ h−íng cña vËn tèc nhãm sãng. §èi víi sãng Kelvin th× quy m« nμy lμ lín. LÊy D lμ 5 ngμy, ta cã L = 26000km. Do ®ã sãng Kelvin b¾t nguån tõ c¸c cùc ®¹i ®èt nãng ®¬n lÎ xuÊt hiÖn nhiÒu ë miÒn nhiÖt ®íi. Sù më réng vÒ phÝa t©y cña qu¸ tr×nh thÝch øng nμy sÏ suy gi¶m nhanh chãng; gi¸ trÞ L ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 8000km. NghiÖm ®Æc tr−ng ®èi víi bμi to¸n t¸c ®éng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 7.4. ë ®©y cã sù ph©n kú mùc thÊp trong khu vùc ®èt nãng. Tuy nhiªn, khu vùc ph©n kú nμy chiÕm −u thÕ bëi thμnh phÇn ux. Giã kinh h−íng b»ng kh«ng ë phÝa ®«ng cña vïng ®èt nãng, tr−êng hîp nμy phï hîp víi sãng Kelvin, vμ nh×n chung cã gi¸ trÞ nhá ë phÝa t©y cña khu vùc ®èt nãng. Do ®ã qu¸ tr×nh thÝch øng chÝnh bao gåm sù chuyÓn ®æi vÜ - 190 - h−íng cña hoμn l−u Walker víi hai xo¸y thuËn ë phÇn phÝa t©y-b¾c vμ t©y-nam cña khu vùc ®èt nãng. Dßng nhiÖt kinh h−íng bÊt kú sÏ cã gi¸ trÞ nhá vμ tr¸i dÊu ë c¸c mùc cao vμ mùc thÊp. Mét kÕt luËn quan träng lμ nh÷ng cùc ®¹i ®èt nãng ®Þa ph−¬ng ®−îc ®¸nh dÊu trªn H×nh 3.8 sÏ cã t¸c ®éng nhá ®èi víi vËn chuyÓn nhiÖt kinh h−íng ra khái miÒn nhiÖt ®íi. H¬n n÷a, sù vËn chuyÓn nhiÖt kinh h−íng chiÕm −u thÕ bëi sù vËn chuyÓn nhiÖt trung b×nh. §èt nãng ®Þa ph−¬ng sÏ dÉn tíi sù chuyÓn ®æi vÜ h−íng vμ g¾n víi vËn chuyÓn nhiÖt vÜ h−íng. H×nh 7.4. TÝnh tuyÕn tÝnh ®èi víi c¸c cùc ®¹i ®èt nãng ®Þa ph−¬ng cã t©m ë xÝch ®¹o, biÓu diÔn vect¬ giã mùc thÊp vµ c¸c ®−êng ®¼ng trÞ cña nhiÔu ®éng khÝ ¸p. Tuy nhiªn, c¸c tr−êng mùc cao cã d¹ng t−¬ng tù nh−ng ®æi dÊu. H×nh vÏ nµy dùa vµo nghiÖm sè cña hÖ ph−¬ng tr×nh n−íc n«ng tuyÕn tÝnh; c¸c vect¬ giã ®−îc vÏ víi tû lÖ bÊt kú sao cho gi¸ trÞ cùc ®¹i ®¹t 10m/s. Mét nghiÖm t−¬ng tù cã thÓ ®−îc t×m ra khi cùc ®¹i ®èt nãng n»m c¸ch xa xÝch ®¹o. PhÇn ®èt nãng cã thÓ chia thμnh phÇn ®èi xøng qua xÝch ®¹o (t−¬ng tù nh− trªn H×nh 7.4) vμ phÇn phi ®èi xøng, vμ sù thÝch øng trë l¹i ®èi víi mçi phÇn nμy bÞ lång ghÐp lªn nhau. H×nh 7.5 minh ho¹ mét d¹ng nghiÖm nh− vËy. VÒ phÝa ®«ng cña khu vùc t¸c ®éng, chØ cã phÇn ®èi xøng lμ cã hiÖu øng vμ nghiÖm nμy ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 7.3. VÒ phÝa t©y cña c¸c cùc ®¹i ®èt nãng, phÇn bÊt ®èi xøng lín trong xo¸y thuËn còng nh− ë phÝa khu vùc ®èt nãng ph¸t triÓn víi xo¸y thuËn ë cïng b¸n cÇu khi cùc ®¹i ®èt nãng nμy chiÕm −u thÕ. NghiÖm nμy cã nh÷ng ®iÓm t−¬ng tù ®èi víi hoμn l−u mïa hÌ ë khu vùc Ên §é, ta sÏ ®Ò cËp l¹i vÊn ®Ò nμy trong phÇn tíi. Giã kinh h−íng m¹nh h¬n do ®ã nghiÖm trung b×nh vÜ h−íng cho thÊy hoμn l−u Hadley ®ãng vai trß quan träng trªn miÒn xÝch ®¹o. Dßng th¨ng m¹nh nhÊt ë vïng l©n cËn cña cùc ®¹i ®èt nãng, phÝa b¾c xÝch ®¹o, vμ dßng gi¸ng m¹nh ë phÝa nam xÝch ®¹o trong b¸n cÇu mïa ®«ng. Nh÷ng kÕt qu¶ nμy cã m« h×nh chung t−¬ng tù nh− lý thuyÕt ®èi xøng trong môc 4.2 mÆc dï trong bμi to¸n tuyÕn tÝnh ho¸ nμy kh«ng xuÊt hiÖn giã vÜ h−íng cËn nhiÖt ®íi m¹nh g¾n liÒn víi hoμn l−u Hadley bëi v× ë ®©y kh«ng cã b×nh l−u kinh h−íng cña momen ®éng l−îng. §ã còng lμ mét kÕt luËn trong phÇn nμy mang tÝnh c¶nh b¸o. Sù ph©n tÝch thÓ hiÖn th¼ng ®øng trong ®ã lý thuyÕt cña phÇn nμy dùa trªn c¬ së tuyÕn tÝnh ho¸ l©n cËn tr¹ng th¸i kh«ng chuyÓn ®éng. §©y lμ mét gi¶ thiÕt rÊt h¹n chÕ chØ cã thÓ ®−îc tháa m·n trong tr−êng hîp tèc ®é giã rÊt nhÑ vμ c¸c t¸c ®éng lμ yÕu. Nh÷ng nghiÖm nh− vËy thùc chÊt mang tÝnh ®Þnh tÝnh, t−¬ng tù nh− c¸c nhiÔu quy m« lín quan tr¾c ®−îc trong hoμn l−u miÒn nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, nh÷ng m« h×nh phi tuyÕn phøc t¹p - 191 - h¬n (vμ c¸c m« h×nh sè tæng qu¸t) ph¶i ®−îc dïng ®Ó x¸c ®Þnh nh÷ng chi tiÕt mang tÝnh ®Þnh tÝnh cña c¸c qu¸ tr×nh thÝch øng ®èi víi t¸c ®éng cã biªn ®é lín víi cÊu tróc th¼ng ®øng tæng qu¸t. MÆc dï sãng cã cÊu tróc t−¬ng tù sãng Kelvin vμ sãng hμnh tinh ®−îc ®Ò cËp ë ®©y quan tr¾c thÊy ë tÇng ®èi l−u, tèc ®é pha cña chóng vμ cÊu tróc chi tiÕt kh«ng phï hîp víi lý thuyÕt ®¬n gi¶n nμy. HiÖu øng cña c¸c qu¸ tr×nh håi tiÕp gi÷a dßng quy m« lín vμ ®èi l−u Èm còng nh− c¸c qu¸ tr×nh líp biªn x¶y ra trong thùc tÕ còng ®−îc xem xÐt. Nh÷ng vÊn ®Ò nμy n»m trong phÇn ®éng lùc häc khÝ quyÓn miÒn nhiÖt ®íi víi nh÷ng th¶o luËn ®Çy ®ñ h¬n. H×nh 7.5. T−¬ng tù nh− H×nh 7.4 nh−ng biÓu diÔn khÝ ¸p mÆt ®Êt vµ vect¬ giã bÒ mÆt trong tr−êng hîp cùc ®¹i ®èt nãng ë 10oN vÒ phÝa b¾c xÝch ®¹o 7.2 Hoμn l−u giã mïa Mét trong nh÷ng dao ®éng lín vμ ®Òu ®Æn nhÊt kh¸c víi tÝnh ®èi xøng vÜ h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi lμ hoμn l−u giã mïa mïa hÌ Ch©u ¸. “Giã mïa” cã nghÜa lμ sù thay ®æi theo mïa cña hoμn l−u. Tuy nhiªn, giã mïa mïa hÌ ë Ên §é vμ §«ng Nam ¸ lμ mét thμnh phÇn chiÕm −u thÕ cña hoμn l−u vμ cã tÇm quan träng lín ®èi víi con ng−êi vμ ho¹t ®éng kinh tÕ mμ ng−êi ta th−êng gäi mét c¸ch ®¬n gi¶n lμ “giã mïa”. Hoμn l−u nμy chñ yÕu g¾n liÒn víi sù biÕn ®æi cña sù ph©n bè ®èt nãng gi÷a mïa ®«ng vμ mïa hÌ. Nh−ng víi nh÷ng hiÖu øng kh¸c, ch¼ng h¹n nh− c¸c qu¸ tr×nh håi tiÕp gi÷a hoμn l−u quy m« lín vμ sù gi¶i phãng Èn nhiÖt trong ®èi l−u quy m« m©y tÝch, ¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh còng ®ãng mét vai trß quan träng g©y nªn sù phøc t¹p cña giã mïa Ch©u ¸ vμ v× vËy thμnh phÇn cña hoμn l−u th¸ng 6, 7, 8 cßn ch−a ®−îc hiÓu biÕt ®Çy ®ñ. §Æc ®iÓm c¬ b¶n cña giã mïa ®−îc minh ho¹ ®Çy ®ñ trªn H×nh 7.2. Trong suèt thêi kú th¸ng 6, 7, 8, mét xo¸y nghÞch m¹nh ë mùc 150hPa n»m ë gÇn gi÷a Ên §é. Xo¸y nghÞch nμy kÐo rÊt dμi theo chiÒu vÜ h−íng. ¶nh h−ëng cña nã rÊt râ trªn vïng kho¶ng 900 kinh, tõ B¾c Phi ®Õn phÝa t©y Th¸i B×nh D−¬ng. Ph¹m vi kinh h−íng kho¶ng 3000 km. VÒ phÝa nam cña xo¸y, giã ®«ng m¹nh n»m ë gÇn xÝch ®¹o; ®ãng gãp ®¸ng kÓ vμo ®íi giã ®«ng trung b×nh vÜ h−íng trong suèt mïa nμy. Giã mùc thÊp, ch¼ng h¹n t¹i mùc 850hPa, cã xu h−íng h×nh thμnh hoμn l−u xo¸y thuËn. Tuy nhiªn - 192 - ®Æc ®iÓm næi bËt nhÊt ë mùc thÊp lμ dßng xiÕt v−ît xÝch ®¹o däc theo miÒn duyªn h¶i phÝa ®«ng Ch©u Phi vμ tõ ®ã c¾t ngang qua biÓn ArËp tíi Ên §é. Qu¸ tr×nh ®èt nãng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 3.8(b); khu vùc ®èt nãng cùc ®¹i ë miÒn §«ng Nam ¸ lμ mét trong nh÷ng ®Æc ®iÓm næi bËt nhÊt trªn h×nh vÏ nμy. Khu vùc ®èt nãng cùc ®¹i ®ã liªn quan chÆt chÏ víi khu vùc gi¸ng thñy theo mïa trªn thÕ giíi lμm cho giã mïa ®ãng vai trß ®¸ng kÓ tíi ho¹t ®éng cña con ng−êi. Hoμn l−u giã mïa mïa hÌ lμ hoμn l−u nhiÖt sinh ra do sù chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a c¸c khu vùc lôc ®Þa vμo mïa hÌ ë B¾c B¸n CÇu vμ c¸c ®¹i d−¬ng l¹nh h¬n ë Nam B¸n CÇu. ë ®©y cã ®iÒu phøc t¹p ta cã thÓ nhËn thÊy râ tõ sè liÖu th¸m s¸t r»ng hoμn l−u giã mïa m¹nh l¹i kh«ng thÓ hiÖn trªn c¸c khu vùc lôc ®Þa cËn nhiÖt ®íi, ch¼ng h¹n nh− ë phÝa b¾c n−íc óc hay Nam Mü. ë ®©y cã mét qu¸ tr×nh håi tiÕp phøc t¹p gi÷a tr−êng ®−êng dßng vμ sù ®èt nãng, ®Æc biÖt lμ sù t−¬ng t¸c gi÷a ®èi l−u Èm vμ dßng quy m« lín, sù t−¬ng t¸c nμy Ýt ®−îc hiÓu biÕt nh−ng cã thÓ ch¾c ch¾n r»ng giã mïa Ch©u ¸ ®iÓn h×nh h¬n so víi hoμn l−u giã mïa trªn c¸c lôc ®Þa kh¸c. §Þa h×nh ®Æc biÖt cña khu vùc nμy còng lμm biÕn ®æi hoμn l−u mét c¸ch ®¸ng kÓ. KÕt qu¶ lμ giã mïa lμ mét hÖ thèng thêi tiÕt rÊt phøc t¹p. M« t¶ ®Þnh l−îng vÒ giã mïa kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc b»ng nh÷ng m« h×nh ®¬n gi¶n mμ ph¶i dïng m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®Çy ®ñ. Do vËy trong môc nμy chØ tr×nh bμy mét c¸ch ng¾n gän. H×nh 7.6. S¬ ®å minh ho¹ hoµn l−u giã mïa lý t−ëng: (a) dßng khÝ g©y nªn do ¶nh h−ëng bëi lôc ®Þa nãng phÝa b¾c xÝch ®¹o vµ ®¹i d−¬ng l¹nh ë phÝa nam xÝch ®¹o; (b) HiÖu øng cña ®Þa h×nh c¾t ngang qua xÝch ®¹o; (c) HiÖu øng cña ®Þa h×nh nói phÝa b¾c khu vùc ®èt nãng Tr−íc tiªn h·y xem xÐt h×nh thÕ biÓu diÔn trªn H×nh 7.6, trong ®ã khèi lôc ®Þa nãng n»m ë phÝa b¾c xÝch ®¹o vμ ®¹i d−¬ng l¹nh h¬n n»m ë phÝa nam xÝch ®¹o. Hoμn l−u Hadley bÊt ®èi xøng tr×nh bμy trong môc 4.2 cho ta mét vÝ dô vÒ tÝnh ®èi xøng vÜ - 193 - h−íng cña mét hoμn l−u giã mïa lý t−ëng. Dßng v−ît xÝch ®¹o ë mùc thÊp ®−îc h×nh thμnh do sù ph©n bè ®èt nãng. Do nh÷ng ¶nh h−ëng kÕt hîp cña lùc gradien khÝ ¸p, lùc ma s¸t vμ lùc Coriolis , phÇn tö khÝ cã ®é xo¸y t−¬ng ®èi ©m, tøc lμ xo¸y thuËn ë Nam B¸n CÇu vμ xo¸y nghÞch ë B¾c B¸n CÇu. Sù héi tô kh«ng khÝ Èm t¹i c¸c mùc thÊp ë khu vùc ®èt nãng dÉn tíi sù h×nh thμnh ®èi l−u vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt, do ®ã t¹o qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng, lμm t¨ng c−êng hoμn l−u giã mïa. §ång thêi dÞ th−êng nãng trªn lôc ®Þa do c©n b»ng giã nhiÖt, lμm t¨ng xo¸y xo¸y nghÞch theo chiÒu cao do ®ã xo¸y nghÞch trªn cao m¹nh sÏ n»m trªn ¸p thÊp nãng mùc thÊp. B©y giê ta xem xÐt hiÖu øng cña c¸c d·y nói cao n»m däc xÝch ®¹o ®èi víi hoμn l−u nμy. §Þa h×nh ch¾n nμy lμ c¸c cao nguyªn ë §«ng Phi n¬i ®é cao trung b×nh cña lôc ®Þa kho¶ng tõ 1-2km n»m s¸t biÓn. D·y nói mùc thÊp lμm cho c¸c dßng vÜ h−íng bÊt kú bÞ chÆn t¹i xÝch ®¹o. Víi hiÖu øng t−¬ng tù nh− sù h×nh thμnh c¸c dßng ch¶y biªn phÝa t©y trong ®¹i d−¬ng (xem môc 10.5), dßng h−íng vÒ phÝa b¾c ®−îc tËp trung trong mét dßng xiÕt mùc thÊp däc theo ch©n cña c¸c d·y nói. Dßng xiÕt §«ng Phi mùc thÊp lμ mét ®Æc ®iÓm næi bËt trªn H×nh 7.2(b) cã ¶nh h−ëng lín ®èi víi dßng khèi l−îng mùc thÊp v−ît xÝch ®¹o vμo mïa hÌ. Giã mùc thÊp m¹nh còng ¶nh h−ëng tíi sù bèc h¬i n−íc trªn biÓn ArËp, vμ t¨ng c−êng ®èi l−u ë phÇn b¾c lôc ®Þa. Nã l¹i t¹o ra mét qu¸ tr×nh håi tiÕp d−¬ng kh¸c lμm ph¸t triÓn hoμn l−u giã mïa. Cao nguyªn T©y T¹ng vμ d·y Himalaya còng ®ãng mét vai trß quan träng trong hoμn l−u giã mïa, ®ã lμ vËt ch−íng ng¹i ng¨n chÆn hoμn toμn thμnh phÇn kinh h−íng cña giã mùc thÊp. ChuyÓn ®éng th¨ng vμ m−a r¬i khi dßng mùc thÊp gÆp ®Þa h×nh nói, c¶ hai nh©n tè ®ã t¨ng c−êng ®é ®èt nãng vμ ®ång thêi h¹n chÕ khu vùc nãng ë vïng phÝa nam cao nguyªn T©y T¹ng. §ång thêi, nh− ng−êi ta gi¶ thiÕt dßng hiÓn nhiÖt sinh ra do sù ®èt nãng cña mÆt trêi ®−îc cao nguyªn T©y T¹ng hÊp thô, t¹o ra mét nguån nhiÖt trªn cao lμm m¹nh thªm xo¸y nghÞch trªn cao. H×nh 7.7. Xo¸y thÕ Ertel trªn mÆt 360K trong khu vùc giã mïa th¸ng 7/1990, tÝnh tõ sè liÖu cña M. Masutani ë Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Vïng ®Ëm biÓu diÔn gi¸ trÞ n»m trong kho¶ng 0,75 vµ 1,5 PVU. H×nh vÏ nµy n»m trong vïng tõ 0oE ®Õn 140oE vµ tõ 20oS ®Õn 50oN Nh÷ng gi¶i thÝch ®Þnh l−îng cho sù tån t¹i cña hoμn l−u giã mïa chñ yÕu thÓ hiÖn trong c¸c qu¸ tr×nh håi tiÕp gi÷a hoμn l−u quy m« lín vμ nguån nhiÖt ë §«ng Nam ¸. Tuy nhiªn, so s¸nh H×nh 3.8(b) víi H×nh 7.2 ta thÊy khu vùc ®èt nãng m¹nh ®−îc giíi h¹n trong khu vùc nhá h¬n nhiÒu so víi ph¹m vi cña xo¸y nghÞch giã mïa trªn cao. - 194 - VÊn ®Ò ®Æt ra lμ nh©n tè nμo chi phèi quy m« kh«ng gian cña hoμn l−u giã mïa? Nh÷ng gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh trong môc tr−íc cho ta mét c¸ch dù b¸o lý thuyÕt ®¬n gi¶n nhÊt. Hoμn l−u giã mïa gièng nh− d¹ng biÓu diÔn trªn H×nh 7.5, cho thÊy sù thÝch øng cña khÝ quyÓn nhiÖt ®íi ®èi víi c¸c cùc ®¹i ®èt nãng n»m ë phÝa b¾c xÝch ®¹o. Quy m« kinh h−íng vÒ c¬ b¶n lμ b¸n kÝnh Rossby xÝch ®¹o, (2co/)1/2. Quy m« vÜ h−íng theo lý thuyÕt nμy, liªn quan víi quy m« thêi gian ma s¸t vμ c¸c thμnh phÇn vÜ h−íng cña vËn tèc nhãm sãng, tøc lμ L = cgxD. ý t−ëng nμy cho thÊy sù tr¶i dμi theo chiÒu vÜ tuyÕn cña hoμn l−u giã mïa trªn cao, tuy gi¶ thiÕt ®ã cã thÓ qu¸ th« ®Ó cã thÓ ®−a ra nh÷ng −íc l−îng b»ng sè ®èi víi c¸c quy m« nμy. CÇn nhËn thÊy lμ hoμn l−u giã mïa cã tÝnh phi tuyÕn lín vμ do ®ã viÖc ¸p dông lý thuyÕt tuyÕn tÝnh lμ kh«ng ®¸ng tin cËy. §iÒu nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 7.7, h×nh nμy biÓu diÔn xo¸y thÕ Ertel liªn quan víi hoμn l−u giã mïa trªn cao. TÝnh phi tuyÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng sù biÕn d¹ng m¹nh cña c¸c ®−êng ®¼ng xo¸y thÕ vμ gãc gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ nμy víi c¸c vect¬ vËn tèc. 7.3 §íi xo¸y vμ dßng xiÕt miÒn «n ®íi ë miÒn «n ®íi, sù ph©n bè cña ®éng n¨ng xo¸y tøc thêi vμ c¸c sè h¹ng xo¸y kh¸c lμ kh«ng ®ång ®Òu. H¬n n÷a, ho¹t ®éng cña qu¸ tr×nh tøc thêi cã tÇn sè cao ®−îc tËp trung ë nh÷ng khu vùc riªng. Sù ph©n chia sè liÖu dùa theo tÇn sè ®i kÌm víi viÖc ¸p dông mét phÐp läc sè, nh− m« t¶ trong môc 5.1. Ta sÏ ph©n chia c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè cao mμ chu kú cña nã nhá h¬n 6-10 ngμy vμ c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp cã chu kú dμi h¬n. H×nh 7.8(a) biÓu diÔn ®éng n¨ng x