- 184 - Chơng 7. đặc Tính ba chiều của hon lu khí quyển ton cầu 7.1 sự Biến đổi vĩ hớng ở miền nhiệt đới Cho đến nay, đã có một cách trình by truyền thống về hon lu khí quyển ton cầu bằng cách tập trung vo việc giải thích hon lu trung bình vĩ hớng v các trờng trung bình vĩ hớng của số các xoáy. Tuy nhiên, hon lu khí quyển ton cầu gần nh l không có tính đối xứng vĩ hớng. Đốt nóng miền nhiệt đới có giá trị cực đại khác nhau tại các kinh độ. ở miền ôn đới, các xoáy tức thời đợc phân bố không đồng đều trên các vòng vĩ tuyến, m đợc tập trung ở vùng riêng với các quỹ đạo xoáy thuận, đặc biệt l ở Bắc Bán Cầu. Chơng ny sẽ mô tả tính bất đối xứng vĩ hớng của hon lu v các hệ quả của nó. Những chẩn đoán về hoạt động của xoáy dừng v xoáy tức thời m ta đã đề cập trong những chơng trớc ít hiệu quả ở miền nhiệt đới. Động năng xoáy ở miền nhiệt đới nhỏ hơn nhiều so với miền ôn đới. Tơng tự, các dòng nhiệt v động lợng của cả xoáy dừng v xoáy tức thời ở miền nhiệt đới cũng có giá trị nhỏ. Vì vậy, bức tranh nổi bật đó l nhiệt v động lợng đợc vận chuyển, chủ yếu do chuyển động có tính đối xứng ở miền nhiệt đới với các xoáy vận chuyển ở miền cận nhiệt đới v ôn đới. Trong bức tranh ny có một số điều l đúng. Tuy nhiên nó cũng có thể bị nhầm lẫn. Trớc tiên ta hãy xem các trờng đốt nóng đợc biểu d iễn trên Hình 3.8. Tác động đối với hon lu l hon ton không có tính đối xứng, đặc biệt l ở miền nhiệt đới. Hơn nữa, ở đây có một số trung tâm đốt nóng với cờng độ mạnh. Trung tâm quan trọng nhất l trên vùng Đông Nam á vo mùa hè v ở Indonesia vo mùa đông. Các cực đại khác dờng nh gắn liền với các khối lục địa. Một vấn đề ta cần xem xét l tại sao sự phân bố của đốt nóng mang tính địa phơng lớn nh vậy lại dẫn đến tính đối xứng ít nhiều của hon lu. Cũng cần nói rằng xem xét một cách chi tiết hơn miền nhiệt đới ta thấy sự thích ứng lại không hon ton đối xứng. Hình 7.1 v 7.2 biểu diễn các vectơ của gió trung bình, gió gần đỉnh tầng đối lu v gió tại các mực thấp. Mực 150hPa l mực gần đỉnh tầng đối lu ở những vùng sát xích đạo. ở đây gió vĩ hớng chiếm u thế trong cả hai mùa. Đây l một nguyên nhân trực tiếp giải thích tại sao các xoáy không đóng góp đáng kể vo việc vận chuyển kinh hớng ở miền nhiệt đới: thnh phần kinh hớng của trờng gió xoáy l rất nhỏ. - 185 - Hình 7.1. Vectơ gió ngang trung bình theo thời gian v thời kỳ tháng 12, 1, 2 đợc dựa trên chuỗi số liệu 6 năm của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu. (a) mực 150hPa, gần đỉnh tầng đối lu nhiệt đới: vectơ tiêu biểu là 20ms -1 . (b) mực 850hPa, phía trên lớp biên khí quyển: vectơ tiêu biểu là 10ms -1 Tuy nhiên, gió vĩ hớng của xoáy không nhỏ; ở đây có một số cực đại của u trên ton cầu. Vo tháng 12, 1, 2 có đới gió đông mạnh trên vùng Indonesia v đới gió tây mạnh trên vùng đông Thái Bình Dơng v Đại Tây Dơng. Do đó, gió vĩ hớng trung bình chứa các thnh phần gió triệt tiêu lẫn nhau; thực tế tại những mực ny gió trung bình l gió tây (xem Hình 4.1). Vo tháng 6, 7, 8, thnh phần vĩ hớng lại chiếm u thế tuy nhiên sự phân bố các cực đại lại hon ton khác. ở đây có một khu vực đới gió đông mạnh kéo di từ Tây Châu Phi tới đông Indonesia. Một số nơi khác đới gió đông yếu hơn v có một vùng rất nhỏ đới gió tây tơng tự nh trong các tháng 12, 1, 2. Hình 7.2.Tơng tự nh Hình 7.1 nhng đối với tháng 6, 7, 8 - 186 - Trở lại với trờng gió mực thấp, sự chiếm u thế tơng tự của dòng vĩ hớng so với các thnh phần gió kinh hớng l khá rõ. Thời kỳ tháng 12, 1, 2, gió chủ yếu l gió đông với các khu vực hội tụ ít hay nhiều tơng ứng với các khu vực phân kỳ tại mực 150hPa v ngợc lại. Vo tháng 6, 7, 8, hình thế tơng tự có thể thấy ở hầu khắp miền nhiệt đới. Tuy nhiên, các trờng khác biệt lớn l ở ấn Độ Dơng. ở đây ta thấy dòng kinh hớng mạnh trên một dải rộng song song với bờ biển Châu Phi nối liền đới gió đông ở phía nam miền cận nhiệt đới với đới gió tây ở ấn Độ. Đới gió ny l một phần của hệ thống gió mùa Châu á, một hệ thống có quy mô hnh tinh rất quan trọng sẽ đợc đề cập trong phần sau. So sánh các dòng tại mực 850 v 150hPa, ở đây có một xu thế rất mạnh với hội tụ mực thấp đợc phối hợp với phân kỳ trên cao v ngợc lại. Điều ny phù hợp với dòng thăng v dòng giáng ở mực giữa nối liền hai mực ny, v cho ta thấy rằng thích ứng của miền nhiệt đới đối với đốt nóng địa phơng bao gồm một hệ thống các hon lu đảo ngợc trên mặt cắt kinh độ-độ cao. Các hon lu nh vậy đối khi đợc gọi l hon lu Walker v lần đầu tiên đợc chỉ ra bằng cách so sánh các số liệu khí tợng bề mặt tại trạm Darwin, đông-bắc Australia v Tahiti ở miền trung Thái Bình Dơng. Để giải thích cho những kết quả thám sát, ngời ta nhận thấy rằng các lý thuyết về động lực học nhiệt đới nếu đem so sánh với các biểu thức tựa địa chuyển v các biểu thức liên hệ đối với miền ôn đới l không phù hợp. Lý thuyết dựa trên cơ sở tuyến tính hoá lân cận trạng thái khí quyển tĩnh, l một cách tiếp cận đơn giản nhất v sẽ đợc đề cập tới trong phần ny. Tuy nhiên, một điều không đơn giản l mở rộng các giả thiết rất hạn chế của lý thuyết ny. Những thay đổi ny chứa trong các nghiệm số khá phức tạp của các phơng trình động lực đầy đủ. Cách lý giải quy mô cho thấy những dao động nhiệt độ ở miền nhiệt đới sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với miền ôn đới; thực vậy ta có gH U 2 (miền nhiệt đới), gH fUL (miền ôn đới) (7.1) trong đó H l quy mô độ cao đặc trng v L l quy mô ngang đặc trng; / l khoảng 10 -3 đối với miền nhiệt đới, lớn hơn một bậc đại lợng đối với miền ôn đới. Điều ny có nghĩa l gradien nhiệt độ ngang ở miền nhiệt đới l rất nhỏ, do đó bình lu ngang không thể cân bằng với đốt nóng mạnh quan trắc đợc trong các khu vực đối lu. Thay vo đó đốt nóng phải đợc cân bằng do bình lu theo chiều thẳng đứng, đó l Q N g w 2 R (7.2) Dòng thăng mạnh, vo khoảng 3cms -1 có thể thấy trong những khu vực đối lu nơi đốt nóng có thể đạt 5Kngy -1 . Phần còn lại của miền nhiệt đới, dòng giáng yếu cỡ vo khoảng 0,3 cms -1 cần để cân bằng với lm lạnh bức xạ. Tính liên tục cho thấy chuyển động thẳng đứng sẽ dần dần tác động tới vận tốc ngang. Đặc tính của trờng vận tốc ngang sẽ đợc giải thích rõ rng bằng cách xem xét các phơng trình động lợng. Lực Coriolis bằng không trên xích đạo nhng biến đổi rất nhanh theo vĩ độ. Trong các phơng trình động lực thông số Coriolis có thể đợc xấp xỉ bằng f = y trong đó = - 187 - 2/a. Xấp xỉ ny đôi khi đợc gọi l mặt xích đạo. Dùng xấp xỉ ny, dòng đợc tuyến tính hoá lân cận trạng thái dừng trong đó các biến khí quyển chỉ biến đổi theo chiều thẳng đứng. Nghiệm ny sau đó có thể tách ra thnh một phần phụ thuộc vo độ cao v một phần phụ thuộc vo toạ độ ngang v thời gian. Phần ngang ny đợc xác định bởi các phơng trình nớc nông đợc tuyến tính hoá với độ sâu tơng đơng thích hợp. Các phơng trình ny có thể viết nh sau D ' u x h gyv t u (7.3a) D ' v y h gyu t v (7.3b) D ' 0 ' h Qv.h t h (7.3c) ở đây phơng trình (7.3c) l phơng trình liên tục đợc tuyến tính hoá cho một lớp mỏng chất lỏng không nén đợc có độ dy h o ; Q biểu diễn các lực liên quan tới đốt nóng. Sự tiêu tán dới dạng ma sát Rayleigh hoặc lm lạnh Newton tác động lên các nhiễu động cũng đợc tính đến. Cách giải thích đơn giản nhất về độ sâu tơng đơng h o đợc đa ra bằng cách coi khí quyển l không nén đợc có tần số Brunt-Vaisala N không đổi v biên trên cứng tại độ cao H. Khi đó các thể hiện thẳng đứng quan trọng nhất có nhiễu áp suất v vận tốc ngang biến đổi dới dạng cos( z/H) v vận tốc thẳng đứng nhiễu biến đổi có dạng sin( z/H). Độ sâu tơng đơng đợc xác định bởi g HN h 2 22 0 (7.4) Nếu H l độ cao tầng đối lu miền nhiệt đới, khoảng 18km thì độ dy tơng đơng đặc trng l khoảng 400m. Trong việc nhận các phơng trình tơng tự nhng đối với khí quyển nén đợc với N biến đổi, v.vtheo chiều thẳng đứng đó tốt hơn l giải bi toán giá trị riêng cho cấu trúc thẳng đứng; ta nhận đợc độ dy tơng đơng tơng tự đối với các thể hiện thẳng đứng quan trọng nhất. Ta sẽ giới hạn việc nghiên cứu đối với các thể hiện thẳng đứng quan trọng nhất chỉ có một cực đại vận tốc thẳng đứng ở mực giữa của tầng đối lu, v vận tốc thẳng đứng bằng không tại biên trên v biên dới tầng đối lu. Điều kiện ny đợc thoả mãn vì phân bố thẳng đứng của đốt nóng miền nhiệt đới đợc coi nh tác động đến các nhiễu động có cấu trúc kiểu tơng tự. Trớc khi xem xét vấn đề tác động một cách đầy đủ, ta hãy xem xét một số chuyển động sóng trong khí quyển nhiệt đới. Các phơng trình nớc nông mô tả sóng trọng trờng lan truyền với tốc độ (gh o ) 1/2 . Tuy nhiên các thể hiện ở miền nhiệt đới quy mô lớn hơn cũng thoả mãn v chúng chiếm u thế trong các quá trình quy mô lớn tác động trở lại tới các cực đại đốt nóng riêng lẻ. Nghiệm đơn giản nhất của phơng trình (7.3a-c) nhận đợc khi hiệu ứng của ma sát v đốt nóng đợc bỏ qua, v vận tốc kinh hớng l bằng không. Các phơng trình ny trở thnh x h g t u ' (7.5a) - 188 - y h gyu ' (7.5b) x u h t h 0 ' (7.5c) Hệ ny đợc thỏa mãn với nghiệm có dạng sau tcxfyUh,tcxfyUu 0 ' 0 (7.6) Thế vo ta tìm đợc 2/1 0 2/1 00 g/h,ghc (7.7) v yU cy U 0 (7.8) Dễ dng lấy tích phân phơng trình (7.8) ta đợc 2 0 0 y c2 expuyU (7.9) Căn âm đối với c o không phù hợp về mặt vật lý vì nó sẽ dẫn tới các nhiễu vận tốc vĩ hớng tăng theo quy luật hm mũ khi đi xa xích đạo. Việc chọn căn dơng dẫn tới sự không phân kỳ, sóng lan truyền về phía đông bị giới hạn trong khu vực xích đạo. Quy mô kinh hớng của những sóng ny l (2c o /) 1/2 hay khoảng 2000km khi độ dy tơng đơng l 400m. Tốc độ pha về phía đông của các sóng ny vo khoảng 60ms -1 . Các nhiễu bị chặn ny đợc gọi l sóng Kelvin xích đạo v l một thnh phần quan trọng của sự tác động trở lại của miền khí quyển nhiệt đới đối với tác động nhiệt địa phơng. Các dạng nghiệm khác của sóng xích đạo trong phơng trình (7.3a-c) đợc tìm thấy dới dạng tổng quát với v 0. Quan hệ phơng sai tổng quát l 0 2 2 0 c 1n2k k c (7.10) trong đó n l một số nguyên. Quy mô kinh hớng đối với tất cả các sóng xích đạo bị chặn nh vậy có bậc đại lợng (c o /2) 1/2 , nhng tần số v do đó tốc độ pha về cơ bản biến đổi. Quan hệ phơng sai đợc mô tả trên Hình 7.3. Quan hệ phơng sai sóng Kelvin cũng phù hợp với phơng tình (7.10) khi n = -1, v đợc biểu diễn trên Hình 7.3. Đối với n 1, tồn tại các sóng trọng trờng xích đạo tần số cao lan truyền hoặc về phía tây hoặc về phía đông. Tuy nhiên, cũng có một nhóm sóng hnh tinh tần số thấp lan truyền về phía tây; tốc độ pha đặc trng vo khoảng 20ms -1 khi h o = 400m. Những sóng ny cùng với sóng Kelvin l thnh phần rất quan trọng của sự thích ứng trở lại của miền nhiệt đới đối với sự đốt nóng địa phơng. Với thể hiện n = 0 l sóng trọng trờng-sóng Rossby hỗn hợp. Đối với k l dơng v lớn, những sóng ny có cấu trúc tơng tự nh những sóng trọng trờng lan truyền về phía đông. Tuy nhiên, đối với trờng hợp k âm, những sóng ny có thể hiện lan truyền về phía tây chậm v tơng tự nh sóng hnh tinh. - 189 - Bây giờ ta hãy xem xét dòng bị tác động bởi cực đại đốt nóng địa phơng trong thnh phần của các sóng bị chặn ở xích đạo ny. Bi toán ny khác ít nhiều so với bi toán của miền ôn đới đợc đề cập trong mục 6.2. ở đây, sự tác động trở lại đối với dòng tác động đợc xem xét trong các thnh phần sóng Rossby m các thnh phần sóng ny có tốc độ pha bằng không tơng ứng với dòng tác động. Hình 7.3. Quan hệ phơng sai theo phơng trình (7.10) đối với nghiệm dạng sóng bị chặn ở xích đạo trong các phơng trình nớc nông tuyến tính trên mặt xích đạo. Đơn vị tần số là và đơn vị số sóng là a -1 . Họ các đờng cong này chịu sự chi phối bởi thông số c o /(a) có giá trị là 0,134 trong trờng hợp tính này Trong trờng hợp trên xích đạo, tốc độ pha của tất cả các sóng đợc biểu diễn trên Hình 7.3 lớn hơn tốc độ dòng vĩ hớng đặc trng ở tầng đối lu, v do đó nó không có ý nghĩa trong việc tìm nghiệm dới dạng sóng, những nghiệm ny l dừng tơng ứng với các tác động. Thay vo đó, các nghiệm có thể đợc thiết lập sao cho dòng vĩ hớng bằng không nhng sóng Kelvin lan truyền về phía đông từ khu vực tác động trong khi sóng hnh tinh lan truyền về phía tây. Những nghiệm dừng có thể đợc thiết lập nếu tồn tại một số tiêu tán trong hệ để các nhiễu u, v v ' h suy yếu theo quy mô thời gian D . Khi đó nhiễu động suy yếu ở ngoi khu vực tác động trên một quy mô không gian l L = (c gx D ) trong đó c gx = k l thnh phần vĩ hớng của vận tốc nhóm sóng. Đối với sóng Kelvin thì quy mô ny l lớn. Lấy D l 5 ngy, ta có L = 26000km. Do đó sóng Kelvin bắt nguồn từ các cực đại đốt nóng đơn lẻ xuất hiện nhiều ở miền nhiệt đới. Sự mở rộng về phía tây của quá trình thích ứng ny sẽ suy giảm nhanh chóng; giá trị L đặc trng vo khoảng 8000km. Nghiệm đặc trng đối với bi toán tác động đợc biểu diễn trên Hình 7.4. ở đây có sự phân kỳ mực thấp trong khu vực đốt nóng. Tuy nhiên, khu vực phân kỳ ny chiếm u thế bởi thnh phần ux. Gió kinh hớng bằng không ở phía đông của vùng đốt nóng, trờng hợp ny phù hợp với sóng Kelvin, v nhìn chung có giá trị nhỏ ở phía tây của khu vực đốt nóng. Do đó quá trình thích ứng chính bao gồm sự chuyển đổi vĩ - 190 - hớng của hon lu Walker với hai xoáy thuận ở phần phía tây-bắc v tây-nam của khu vực đốt nóng. Dòng nhiệt kinh hớng bất kỳ sẽ có giá trị nhỏ v trái dấu ở các mực cao v mực thấp. Một kết luận quan trọng l những cực đại đốt nóng địa phơng đợc đánh dấu trên Hình 3.8 sẽ có tác động nhỏ đối với vận chuyển nhiệt kinh hớng ra khỏi miền nhiệt đới. Hơn nữa, sự vận chuyển nhiệt kinh hớng chiếm u thế bởi sự vận chuyển nhiệt trung bình. Đốt nóng địa phơng sẽ dẫn tới sự chuyển đổi vĩ hớng v gắn với vận chuyển nhiệt vĩ hớng. Hình 7.4. Tính tuyến tính đối với các cực đại đốt nóng địa phơng có tâm ở xích đạo, biểu diễn vectơ gió mực thấp và các đờng đẳng trị của nhiễu động khí áp. Tuy nhiên, các trờng mực cao có dạng tơng tự nhng đổi dấu. Hình vẽ này dựa vào nghiệm số của hệ phơng trình nớc nông tuyến tính; các vectơ gió đợc vẽ với tỷ lệ bất kỳ sao cho giá trị cực đại đạt 10m/s. Một nghiệm tơng tự có thể đợc tìm ra khi cực đại đốt nóng nằm cách xa xích đạo. Phần đốt nóng có thể chia thnh phần đối xứng qua xích đạo (tơng tự nh trên Hình 7.4) v phần phi đối xứng, v sự thích ứng trở lại đối với mỗi phần ny bị lồng ghép lên nhau. Hình 7.5 minh hoạ một dạng nghiệm nh vậy. Về phía đông của khu vực tác động, chỉ có phần đối xứng l có hiệu ứng v nghiệm ny đợc biểu diễn trên Hình 7.3. Về phía tây của các cực đại đốt nóng, phần bất đối xứng lớn trong xoáy thuận cũng nh ở phía khu vực đốt nóng phát triển với xoáy thuận ở cùng bán cầu khi cực đại đốt nóng ny chiếm u thế. Nghiệm ny có những điểm tơng tự đối với hon lu mùa hè ở khu vực ấn Độ, ta sẽ đề cập lại vấn đề ny trong phần tới. Gió kinh hớng mạnh hơn do đó nghiệm trung bình vĩ hớng cho thấy hon lu Hadley đóng vai trò quan trọng trên miền xích đạo. Dòng thăng mạnh nhất ở vùng lân cận của cực đại đốt nóng, phía bắc xích đạo, v dòng giáng mạnh ở phía nam xích đạo trong bán cầu mùa đông. Những kết quả ny có mô hình chung tơng tự nh lý thuyết đối xứng trong mục 4.2 mặc dù trong bi toán tuyến tính hoá ny không xuất hiện gió vĩ hớng cận nhiệt đới mạnh gắn liền với hon lu Hadley bởi vì ở đây không có bình lu kinh hớng của momen động lợng. Đó cũng l một kết luận trong phần ny mang tính cảnh báo. Sự phân tích thể hiện thẳng đứng trong đó lý thuyết của phần ny dựa trên cơ sở tuyến tính hoá lân cận trạng thái không chuyển động. Đây l một giả thiết rất hạn chế chỉ có thể đợc thỏa mãn trong trờng hợp tốc độ gió rất nhẹ v các tác động l yếu. Những nghiệm nh vậy thực chất mang tính định tính, tơng tự nh các nhiễu quy mô lớn quan trắc đợc trong hon lu miền nhiệt đới. Tuy nhiên, những mô hình phi tuyến phức tạp - 191 - hơn (v các mô hình số tổng quát) phải đợc dùng để xác định những chi tiết mang tính định tính của các quá trình thích ứng đối với tác động có biên độ lớn với cấu trúc thẳng đứng tổng quát. Mặc dù sóng có cấu trúc tơng tự sóng Kelvin v sóng hnh tinh đợc đề cập ở đây quan trắc thấy ở tầng đối lu, tốc độ pha của chúng v cấu trúc chi tiết không phù hợp với lý thuyết đơn giản ny. Hiệu ứng của các quá trình hồi tiếp giữa dòng quy mô lớn v đối lu ẩm cũng nh các quá trình lớp biên xảy ra trong thực tế cũng đợc xem xét. Những vấn đề ny nằm trong phần động lực học khí quyển miền nhiệt đới với những thảo luận đầy đủ hơn. Hình 7.5. Tơng tự nh Hình 7.4 nhng biểu diễn khí áp mặt đất và vectơ gió bề mặt trong trờng hợp cực đại đốt nóng ở 10 o N về phía bắc xích đạo 7.2 Hon lu gió mùa Một trong những dao động lớn v đều đặn nhất khác với tính đối xứng vĩ hớng ở miền nhiệt đới l hon lu gió mùa mùa hè Châu á. Gió mùa có nghĩa l sự thay đổi theo mùa của hon lu. Tuy nhiên, gió mùa mùa hè ở ấn Độ v Đông Nam á l một thnh phần chiếm u thế của hon lu v có tầm quan trọng lớn đối với con ngời v hoạt động kinh tế m ngời ta thờng gọi một cách đơn giản l gió mùa. Hon lu ny chủ yếu gắn liền với sự biến đổi của sự phân bố đốt nóng giữa mùa đông v mùa hè. Nhng với những hiệu ứng khác, chẳng hạn nh các quá trình hồi tiếp giữa hon lu quy mô lớn v sự giải phóng ẩn nhiệt trong đối lu quy mô mây tích, ảnh hởng của địa hình cũng đóng một vai trò quan trọng gây nên sự phức tạp của gió mùa Châu á v vì vậy thnh phần của hon lu tháng 6, 7, 8 còn cha đợc hiểu biết đầy đủ. Đặc điểm cơ bản của gió mùa đợc minh hoạ đầy đủ trên Hình 7.2. Trong suốt thời kỳ tháng 6, 7, 8, một xoáy nghịch mạnh ở mực 150hPa nằm ở gần giữa ấn Độ. Xoáy nghịch ny kéo rất di theo chiều vĩ hớng. ảnh hởng của nó rất rõ trên vùng khoảng 90 0 kinh, từ Bắc Phi đến phía tây Thái Bình Dơng. Phạm vi kinh hớng khoảng 3000 km. Về phía nam của xoáy, gió đông mạnh nằm ở gần xích đạo; đóng góp đáng kể vo đới gió đông trung bình vĩ hớng trong suốt mùa ny. Gió mực thấp, chẳng hạn tại mực 850hPa, có xu hớng hình thnh hon lu xoáy thuận. Tuy nhiên - 192 - đặc điểm nổi bật nhất ở mực thấp l dòng xiết vợt xích đạo dọc theo miền duyên hải phía đông Châu Phi v từ đó cắt ngang qua biển Arập tới ấn Độ. Quá trình đốt nóng đợc biểu diễn trên Hình 3.8(b); khu vực đốt nóng cực đại ở miền Đông Nam á l một trong những đặc điểm nổi bật nhất trên hình vẽ ny. Khu vực đốt nóng cực đại đó liên quan chặt chẽ với khu vực giáng thủy theo mùa trên thế giới lm cho gió mùa đóng vai trò đáng kể tới hoạt động của con ngời. Hon lu gió mùa mùa hè l hon lu nhiệt sinh ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các khu vực lục địa vo mùa hè ở Bắc Bán Cầu v các đại dơng lạnh hơn ở Nam Bán Cầu. ở đây có điều phức tạp ta có thể nhận thấy rõ từ số liệu thám sát rằng hon lu gió mùa mạnh lại không thể hiện trên các khu vực lục địa cận nhiệt đới, chẳng hạn nh ở phía bắc nớc úc hay Nam Mỹ. ở đây có một quá trình hồi tiếp phức tạp giữa trờng đờng dòng v sự đốt nóng, đặc biệt l sự tơng tác giữa đối lu ẩm v dòng quy mô lớn, sự tơng tác ny ít đợc hiểu biết nhng có thể chắc chắn rằng gió mùa Châu á điển hình hơn so với hon lu gió mùa trên các lục địa khác. Địa hình đặc biệt của khu vực ny cũng lm biến đổi hon lu một cách đáng kể. Kết quả l gió mùa l một hệ thống thời tiết rất phức tạp. Mô tả định lợng về gió mùa không thể thực hiện đợc bằng những mô hình đơn giản m phải dùng mô hình hon lu ton cầu đầy đủ. Do vậy trong mục ny chỉ trình by một cách ngắn gọn. Hình 7.6. Sơ đồ minh hoạ hoàn lu gió mùa lý tởng: (a) dòng khí gây nên do ảnh hởng bởi lục địa nóng phía bắc xích đạo và đại dơng lạnh ở phía nam xích đạo; (b) Hiệu ứng của địa hình cắt ngang qua xích đạo; (c) Hiệu ứng của địa hình núi phía bắc khu vực đốt nóng Trớc tiên hãy xem xét hình thế biểu diễn trên Hình 7.6, trong đó khối lục địa nóng nằm ở phía bắc xích đạo v đại dơng lạnh hơn nằm ở phía nam xích đạo. Hon lu Hadley bất đối xứng trình by trong mục 4.2 cho ta một ví dụ về tính đối xứng vĩ - 193 - hớng của một hon lu gió mùa lý tởng. Dòng vợt xích đạo ở mực thấp đợc hình thnh do sự phân bố đốt nóng. Do những ảnh hởng kết hợp của lực gradien khí áp, lực ma sát v lực Coriolis , phần tử khí có độ xoáy tơng đối âm, tức l xoáy thuận ở Nam Bán Cầu v xoáy nghịch ở Bắc Bán Cầu. Sự hội tụ không khí ẩm tại các mực thấp ở khu vực đốt nóng dẫn tới sự hình thnh đối lu v giải phóng ẩn nhiệt, do đó tạo quá trình hồi tiếp dơng, lm tăng cờng hon lu gió mùa. Đồng thời dị thờng nóng trên lục địa do cân bằng gió nhiệt, lm tăng xoáy xoáy nghịch theo chiều cao do đó xoáy nghịch trên cao mạnh sẽ nằm trên áp thấp nóng mực thấp. Bây giờ ta xem xét hiệu ứng của các dãy núi cao nằm dọc xích đạo đối với hon lu ny. Địa hình chắn ny l các cao nguyên ở Đông Phi nơi độ cao trung bình của lục địa khoảng từ 1-2km nằm sát biển. Dãy núi mực thấp lm cho các dòng vĩ hớng bất kỳ bị chặn tại xích đạo. Với hiệu ứng tơng tự nh sự hình thnh các dòng chảy biên phía tây trong đại dơng (xem mục 10.5), dòng hớng về phía bắc đợc tập trung trong một dòng xiết mực thấp dọc theo chân của các dãy núi. Dòng xiết Đông Phi mực thấp l một đặc điểm nổi bật trên Hình 7.2(b) có ảnh hởng lớn đối với dòng khối lợng mực thấp vợt xích đạo vo mùa hè. Gió mực thấp mạnh cũng ảnh hởng tới sự bốc hơi nớc trên biển Arập, v tăng cờng đối lu ở phần bắc lục địa. Nó lại tạo ra một quá trình hồi tiếp dơng khác lm phát triển hon lu gió mùa. Cao nguyên Tây Tạng v dãy Himalaya cũng đóng một vai trò quan trọng trong hon lu gió mùa, đó l vật chớng ngại ngăn chặn hon ton thnh phần kinh hớng của gió mực thấp. Chuyển động thăng v ma rơi khi dòng mực thấp gặp địa hình núi, cả hai nhân tố đó tăng cờng độ đốt nóng v đồng thời hạn chế khu vực nóng ở vùng phía nam cao nguyên Tây Tạng. Đồng thời, nh ngời ta giả thiết dòng hiển nhiệt sinh ra do sự đốt nóng của mặt trời đợc cao nguyên Tây Tạng hấp thụ, tạo ra một nguồn nhiệt trên cao lm mạnh thêm xoáy nghịch trên cao. Hình 7.7. Xoáy thế Ertel trên mặt 360K trong khu vực gió mùa tháng 7/1990, tính từ số liệu của M. Masutani ở Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu. Vùng đậm biểu diễn giá trị nằm trong khoảng 0,75 và 1,5 PVU. Hình vẽ này nằm trong vùng từ 0 o E đến 140 o E và từ 20 o S đến 50 o N Những giải thích định lợng cho sự tồn tại của hon lu gió mùa chủ yếu thể hiện trong các quá trình hồi tiếp giữa hon lu quy mô lớn v nguồn nhiệt ở Đông Nam á. Tuy nhiên, so sánh Hình 3.8(b) với Hình 7.2 ta thấy khu vực đốt nóng mạnh đợc giới hạn trong khu vực nhỏ hơn nhiều so với phạm vi của xoáy nghịch gió mùa trên cao. [...]... viết dới dạng v. v ' ' 0 (7 .1 7) Sau một số thao tác sử dụng ' v 'x u 'y , phân kỳ dòng xoáy rối tức thời có thể biểu diễn lại dới dạng v ' ' M y N x , M x N y do đó v ' ' 2M xy N xx N yy - 203 - (7 .1 8) (7 .1 9) Bây giờ ta có thể lấy phơng sai v bỏ qua số hạng Nxx trong phơng trình (7 .1 9) ta viết lại phân kỳ dòng xoáy rối nh sau .E v ' ' (7 .20a) y trong đó vectơ E đợc xác... (7 .2 2) 2 Khi đó ta có 1 '2 c g v M y N x , M x N y 2 (7 .2 3) Lựa chọn hệ toạ độ địa phơng sao cho trục x song song với các đờng đẳng trị của xoáy tuyệt đối trung bình theo thời gian Nhìn chung, các đờng đẳng trị của sẽ chỉ tạo một góc nhỏ với các vòng cung vĩ độ Khi đó M v N sẽ biến đổi thnh ~ ~ M, N M cos 2 N sin 2,M sin 2 N cos 2 (7 .2 4) (xem các phơng trình (5 .8a,b) v (5 . 9)) ... bình, vì vậy có sự phân kỳ của hơi nớc từ bắc Canada v trung tâm Châu á - 214 - Hình 7. 22 Dòng hơi nớc tổng cộng, Fm (xem phơng trình (7 .3 3)) thời kỳ (a) 12/199 1-2 /1992; (b) 68/1991 Các mũi tên chuẩn biểu diễn giá trị 300kgm-1s-1 (Dựa theo phân tích cha đợc công bố của số liệu thuộc Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu của J Dodd) Hon lu trung bình ny phù hợp với hon lu trung bình gây ra bởi sự tập... đờng đẳng trị 0,25Kngày-1 (b) Nhiễu động hàm dòng * tại 200hPa, khoảng giữa đờng đẳng trị 1,5 x 106 m2s-1 Hình 7. 19 (tiếp) (c) Tốc độ phát triển Eady, phơng trình (7 .1 1) đối với dòng nhiễu Khoảng giữa các đờng đẳng trị là 0,1ngày-1 (Theo Hoskins & Valdes, 199 0) Hm lợng hơi nớc đợc đo bằng tỷ hỗn hợp r, đợc định nghĩa trong mục 1.1 nh l tỷ số giữa khối lợng hơi nớc v khối lợng không khí khô Khi không có... ( ơn vị ms-1ngy- 1) 7. 4 Sử dụng Hình 7. 18 tính gradien đặc trng của vectơ E ba chiều (a) theo vĩ hớng (b) theo kinh hớng - 216 - 7. 5 Giả thiết rằng nhiệt độ biến đổi dạng hình sin lân cận một vòng vĩ tuyến giữa giá trị nhiệt độ To - T v To + T, nhng độ ẩm tơng đối l hằng số Ro Chứng minh rằng độ ẩm tơng đối trung bình vĩ hớng Ra, dựa vo nhiệt độ v độ ẩm riêng trung bình vĩ hớng có thể vợt quá 100% 7. 6... thnh bởi những cơ chế vật lý phức tạp hơn so với hai vùng quỹ đạo xoáy thuận ở Bắc Bán Cầu Mặt khác, ta nhớ rằng độ chính xác của các dòng ẩm ny trên các đại dơng Nam Bán Cầu l rất thấp, các quan trắc đầy đủ hơn l rất cần thiết trớc khi có thể đa ra những kết luận với độ tin cậy no đó - 215 - Hình 7. 23 Dòng hơi nớc do các xoáy tức thời Ft (xem phơng trình (7 .3 4)) thời kỳ (a) 12/199 1-2 /1992; (b) 6-8 /1991... tổng quát hoá của dòng Eliassen-Palm thnh dòng ba chiều Sự tơng tác giữa vectơ E ba chiều với dòng trung bình xác định bởi v ' q ' .E y (7 .2 7) trong đó q l xoáy thế tựa địa chuyển Rõ rng l phơng trình ny biểu diễn dạng tổng quát của phơng trình (7 .20a) Tơng tự với phơng trình (7 .2 5) l phơng trình 2 '2 q' ~ ~ hf ' ' c g v M 2 , N, 2 v 2 q 2s s (7 .2 8) ở đây dấu sóng có nghĩa l M... Hình 7. 10 (tiếp) (c) dòng nhiệt rối thẳng đứng T ; (d) dòng động lợng hớng về phía bắc u v Các ký hiệu nh Hình 7. 8 riêng trờng hợp (c) khoảng cách giữa các đờng đẳng trị là 0,2 hPa và vùng đậm có giá trị nhỏ hơn 1hPa ' - 1 97 - ' ' ' Những khu vực xoáy thuận xuất hiện gắn liền với dòng xiết tầng đối lu Đặc biệt vo mùa đông Bắc Bán Cầu, dòng vĩ hớng biến đổi đáng kể theo hớng kinh tuyến Hình 7. 11 biểu... sóng - 206 - ở đây chỉ tóm lợc các kết quả chính đợc tổng kết trong mục ny Vectơ E có dạng tổng quát ba chiều có dạng 2 hf 2 E v ' u ' , u ' v ' , 2 v ' ' s (7 .2 6) Các thnh phần kinh hớng v thẳng đứng của vectơ ny l hai thnh phần của dòng Eliassen-Palm, đợc trình by trong mục 6.5 Các thnh phần vĩ hớng v kinh hớng l các thnh phần của vectơ E chính áp đợc định nghĩa trong phơng trình (7 .20b) Ta... thi sẽ xuất phát từ phơng trình (7 .12a, b), bỏ qua lực ma sát còn tốc độ gió đợc biểu diễn l tổng của tốc độ gió trung bình cộng với thnh phần nhiễu của nó 2 v.u u ' / 2 u ' v ' x v v.v u ' v ' x '2 fv a (7 .16a) fu a y (7 .16b) y Tác động của xoáy tức thời có thể đợc cân bằng nhờ gia tốc của dòng trung bình (số hạng đầu tiên vế trái trong phơng trình) hoặc nhờ dòng phi địa chuyển Mặt . y h gyu ' (7 .5b) x u h t h 0 ' (7 .5c) Hệ ny đợc thỏa mãn với nghiệm có dạng sau tcxfyUh,tcxfyUu 0 ' 0 (7 . 6) Thế vo ta tìm đợc 2/1 0 2/1 00 g/h,ghc (7 . 7) v. sau D ' u x h gyv t u (7 .3a) D ' v y h gyu t v (7 .3b) D ' 0 ' h Qv.h t h (7 .3c) ở đây phơng trình (7 .3c) l phơng trình liên tục đợc tuyến tính. phơng trình (7 .3a-c) nhận đợc khi hiệu ứng của ma sát v đốt nóng đợc bỏ qua, v vận tốc kinh hớng l bằng không. Các phơng trình ny trở thnh x h g t u ' (7 .5a) - 188 - y h gyu '