Chương 9. Tầng bình lưu

Cho đến nay, ta đã tập trung nghiên cứu phần lớn đặc điểm tầng đối lưu, tầng khí quyển được đặc trưng bởi tầng kết tương đối yếu, với gradien nhiệt độ khoảng 6ư7K/km. Tại đỉnh tầng đối lưu, gradien nhiệt độ tiến dần đến phần dưới 0; tầng bình lưu gần nhưlàđẳng nhiệt. Tầng kết có thể được xác định tương ứng theo biến đổi của tần số BruntưVaisala, tần số này biến đổi từ 10-2s-1ở tầng đối lưu đến 2 x 10-2s-1 trong phần dưới tầng bình lưu.

pdf29 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Lượt xem: 1355 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Chương 9. Tầng bình lưu, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
- 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 ®