Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 6 – Phan Văn Tân

Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học) - Chương 6: Hoàn lưu chung khí quyển và khí hậu. Những nội dung chính trong chương gồm có: Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung, cân bằng năng lượng của khí quyển, chuyển động khí quyển và sự vận chuyển năng lượng kinh hướng, cân bằng mômen động lượng, các kiểu hoàn lưu qui mô lớn và khí hậu,...

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC

Chương 6 Hoàn lưu chung khí

quyển và khí hậu

6.1 Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung

Bức xạ thuần tại đỉnh khí quyển dư thừa ở các vùng nhiệt đới và thiếu hụt ở những vĩ độ cao cần phải được bù trừ cho nhau thông qua sự vận chuyển năng lượng theo phương ngang trong khí quyển và đại dương

Bản đồ phân bố bức xạ Trái đất nhận được (trái) và các thành phần cân bằng năng

lượng bức xạ trung bình vĩ hướng (phải)

|   Bức xạ mặt trời nhận được giảm từ xích đạo về các cực

|   Phát xạ sóng dài (OLR) đạt cực trị tại các vĩ độ cận nhiệt đới

|   Bức xạ thuần dương ở các vĩ độ nhiệt đới và âm từ các vĩ độ ngoài 40o

Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung

2.8 THE ENERGY BALANCE AT THE TOP OF THE ATMOSPHERE 43

FIGURE 2.11 Global maps of net incoming radiation Data from CERES 2000–2013.

Sự mất cân bằng năng lượng tại đỉnh khí quyển có thể được làm cân bằng lại nhờ:

|   Năng lượng bức xạ dư thừa ở nhiệt đới phải được vận chuyển về

các vùng vĩ độ cao mà ở đó thiếu hụt

2.8 THE ENERGY BALANCE AT THE TOP OF THE ATMOSPHERE 43

FIGURE 2.11 Global maps of net incoming radiation Data from CERES 2000–2013.

2.9 POLEWARD ENERGY FLUX 45

2.9 POLEWARD ENERGY FLUX

In the lowest curve of Fig 2.12, we see that the annual mean net tion is positive equatorward of about 40° of latitude and negative pole-ward of that latitude As illustrated in Fig 2.13, the energy balance for the climate system involves only the exchange at the top of the atmosphere, the transport through the lateral boundaries of the region in question by the atmosphere and ocean, and the time rate of change of energy within the region Energy exchange with the solid earth can be neglected We can write the energy balance for the climate system as

where ∂Eao/∂t is the time rate of change of the energy content of the climate

system, RTOA is the net incoming radiation at the top of the atmosphere, and ∆Fao is the divergence of the horizontal flux in the atmosphere and ocean If we average over a year, then the storage term becomes small, and we have an approximate balance between net flux at the top of the atmosphere and horizontal transport

We can then use the observation of net radiation in Fig 2.12 to derive the required annual mean energy transport in the northward direction

We assume that the energy lost to space poleward of any latitude must

be supplied by poleward transport across that latitude by the atmosphere and the ocean So if we integrate the net radiation over a polar cap area,

we can calculate the total energy flux across each latitude belt in the following way:

∂Eao∂t=RTOA−∆Fao

RTOA=∆Fao

FIGURE 2.13 Diagram of the energy balance for a vertical column of the climate

system in some latitude interval.

time rate of change of the energy content the top of the atmosphere net incoming radiation at divergence of the horizontal flux in the atmosphere and ocean

Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung

|   Năng lượng dư thừa ở nhiệt đới được vận chuyển về hai đầu

cực nhờ chuyển động của khí quyển và đại dương

|   Sự chuyển động đó được gọi là hoàn lưu chung khí quyển và

hoàn lưu chung đại dương

2.9 POLEWARD ENERGY FLUX

In the lowest curve of Fig 2.12 , we see that the annual mean net

radia-tion is positive equatorward of about 40° of latitude and negative

pole-ward of that latitude As illustrated in Fig 2.13 , the energy balance for the

climate system involves only the exchange at the top of the atmosphere,

the transport through the lateral boundaries of the region in question by

the atmosphere and ocean, and the time rate of change of energy within

the region Energy exchange with the solid earth can be neglected We can

write the energy balance for the climate system as

where ∂Eao/ ∂t is the time rate of change of the energy content of the climate

system, RTOA is the net incoming radiation at the top of the atmosphere,

and ∆Fao is the divergence of the horizontal flux in the atmosphere and

ocean If we average over a year, then the storage term becomes small,

and we have an approximate balance between net flux at the top of the

atmosphere and horizontal transport.

We can then use the observation of net radiation in Fig 2.12 to derive

the required annual mean energy transport in the northward direction

We assume that the energy lost to space poleward of any latitude must

be supplied by poleward transport across that latitude by the atmosphere

and the ocean So if we integrate the net radiation over a polar cap area,

we can calculate the total energy flux across each latitude belt in the

following way:

∂Eao∂t=RTOA−∆Fao

R TOA= ∆Fao

FIGURE 2.13 Diagram of the energy balance for a vertical column of the climate

system in some latitude interval.

Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung

Chuyển động của khí quyển và hoàn lưu chung

2.8 THE ENERGY BALANCE AT THE TOP OF THE ATMOSPHERE 43

FIGURE 2.11 Global maps of net incoming radiation Data from CERES 2000–2013.

Hệ thống chuyển động khí quyển toàn cầu được hình thành bởi sự đốt nóng của mặt trời không đồng đều các vùng trên bề mặt trái

đất được gọi là hoàn lưu chung khí quyển

|   Hoàn lưu chung khí quyển được mô tả bởi các biến gió, nhiệt độ và độ ẩm trung bình, sự biến động của chúng và những biến khác liên quan với các hệ thống thời tiết qui mô lớn

|   Hoàn lưu chung khí quyển có thể được mô phỏng bằng cách giải hệ các phương trình chuyển động trên máy tính

|   Những mô hình hoàn lưu chung như vậy tạo thành một bộ phận của các mô hình khí hậu toàn cầu

Hoàn lưu khí quyển nếu Trái đất không quay

các vòng hoàn lưu trên các bán cầu

chuyển từ xích đạo về các cực

tại bề mặt sẽ là hướng

về phía xích đạo

|   Tại sao?

Ả nh hưởng của lực Coriolis

Bắc bán cầu: Lệch phải Nam bán cầu: Lệch trái

Hoàn lưu khí quyển

•   Nếu trái đất quay chậm có

thể sẽ có hoàn lưu giống

như thế này (!) •   Chuyển động thực của khí quyển

6.2 Cân bằng n ă ng lượng của khí quyển

Nhớ lại:

|   Cân bằng năng lượng Trái đất là cân bằng giữa năng

lượng mặt trời đến và OLR của hệ Trái đất – Khí quyển

(suy ra được T ~ -18C)

|   Cân bằng năng lượng bức xạ toàn cầu là sự cân bằng

giữa các nguồn năng lượng bức xạ, phi bức xạ đến và đi đối với từng đối tượng trong hệ Trái đất – Khí quyển

(Tại bề mặt, tầng đối lưu, tầng bình lưu, đỉnh khí quyển)

|   Cân bằng năng lượng bề mặt là cân bằng giữa tích lũy

nhiệt và các thành phần bức xạ thuần, hiển nhiệt, ẩn

nhiệt và phân kỳ ngang tại lớp bề mặt

Cân bằng năng lượng khí quyển ??

•  Phương trình cân bằng:

aa

+

=

∂

∂

•  è Nếu chỉ xét nhiệt dung của khí quyển, thì ~2 tuần , chỉ riêng tác động

nhiệt độ không khí bề mặt trung bình toàn cầu hạ xuống dưới điểm băng

•  Sự làm lạnh bức xạ được cân bằng bởi

nhiệt ngưng kết và hiển nhiệt truyền

từ bề mặt

|   SH tương đối nhỏ

|   Đóng góp lớn nhất vào cân bằng lại lượng

năng lượng mất đi do bức xạ từ khí quyển

là ẩn nhiệt giải phóng khi giáng thủy

|   R a <0 (~ -90W/m2) và hầu như không phụ

thuộc vĩ độ

|   Khí quyển bị lạnh đi khoảng -90W/m2,

được cân bằng lại bởi LE khoảng 80W/m2

và bởi SH khoảng 10W/m2

|   LE phân bố rất khác nhau theo vĩ độ,

~phân bố giáng thủy

|   LE có cực đại gần140W/m2 ở nhiệt đới,

giảm xuống gần 0W/m2 ở các vĩ độ cao

|   Chuyển động khí quyển mang đi khoảng

50 W/m 2 từ vùng xích đạo và mang đến các vùng cực khoảng 85 W/m 2

trong những tác động khí hậu quan trọng của hoàn lưu chung

Phân bố theo vĩ độ của các thành phần

cân bằng năng lượng khí quyển lấy

trung bình trên kinh tuyến và biến

trình năm

6.3 Chuyển động khí quyển

•  Những hiện tượng qui mô nhỏ (rối và các

hiện tượng qui mô vừa có tổ chức như dông)

có ảnh hưởng chủ yếu đến sự vận chuyển

động lượng, ẩm và năng lượng thẳng đứng

•  Những hiện tượng có qui mô rất lớn (các

xoáy thuận ngoại nhiệt đới, sóng qui mô hành tinh, và hoàn lưu kinh hướng chậm) có ảnh hưởng đến sự vận chuyển động lượng,

nhiệt và ẩm theo phương ngang giữa các

vùng nhiệt đới và cực

•  Dòng năng lượng và ẩm đi lên trong lớp biên và dòng năng lượng hướng cực do hoàn lưu qui mô hành tinh trong khí

quyển có vai trò quan trọng như nhau

đối với khí hậu

6.3.1 Các thành phần gió trên trái đất hình cầu

Các thành phần gió ngang

Chuyển động thẳng đứng

ϕ = vĩ độ

λ = kinh độ

6.3.2 Hoàn lưu trung bình v ĩ hướng

|   Tương tự như phân tích thành các thành phần trung

bình và rối

|   Qui tắc áp dụng lấy tích phân (giống như phép lấy

trung bình của Reynold)

Trung bình vĩ hướng Độ lệch địa phương khỏi trung bình vĩ hướng Trung bình thời gian Độ lệch tức thời khỏi giá trị trung bình

Gió v ĩ hướng trung bình !

cả tầng đối lưu và có cực đại

các dòng xiết cận nhiệt đới

Trung bình thời gian của trung bình vĩ

hướng của thành gió vĩ hướng (m/s)

Dòng xiết

Hoàn lưu kinh hướng trung bình (MMC) !

|   Hàm dòng Ψ là tổng của dòng khối lượng hướng bắc

phía trên mực áp suất p

|   Được sử dụng để khảo sát dòng khí quyển trong mặt y-z

Định nghĩa hàm dòng khối lượng: Gió kinh hướng trung bình vĩ hướng

Tích phân trọng khối (mass-weighted) thẳng đứng từ đỉnh khí quyển (TOA)

Khi đó gió có thể được viết:

Dòng khối lượng giữa hai đường dòng bất ký của hàm dòng kinh hướng trung bình bằng hiệu giữa hai giá trị hàm dòng

|   Hàm dòng khối lượng biểu

thị tốc độ vận chuyển khối lượng khí quyển phía trên mực áp suất p

|   Phụ thuộc dấu của v

Ý nghĩa hàm dòng khối lượng :

(m/s2) (m/s) (kg.m/s2) (kg/s) (m)

Đỉnh khí quyển Mực áp suất p

Bề mặt Trái đất

Dòng khối lượng

tại vĩ độ φ

Hoàn lưu kinh hướng trung bình !

|   Hoàn lưu kinh hướng trung bình (MMC)

thống trị trong các mùa chí bởi một vòng hoàn lưu đơn trong đó không khí đi lên ở gần xích đạo, chảy về phía bán cầu mùa đông ở các mực trên cao và giáng xuống ở các vĩ độ cận nhiệt đới của bán cầu mùa đông

|   Đó chính là vòng hoàn lưu Hadley do

George Hadley đề xuất vào năm 1735 để giải thích tín phong

|   Gió kinh hướng trung bình gần bề mặt

mang không khí hướng về xích đạo

|   Vào các mùa chí nhánh đi lên của hoàn lưu

Hadley xuất hiện ở bán cầu mùa hè

|   Trung bình năm nhánh đi lên bị dịch

chuyển một ít về phía bán cầu Bắc, và vòng Hadley ở bán cầu Nam mạnh hơn

|   Sự bất đối xứng này tương ứng với sự vận

chuyển năng lượng yếu từ bán cầu Bắc về bán cầu Nam

Hàm dòng khối lượng kinh hướng

trung bình (10 10 kg s -1 )

Hoàn lưu kinh hướng trung bình !

|   Ở các vĩ độ trung bình có các vòng yếu hơn

được gọi là vòng Ferrel có hướng ngược với vòng Hadley

|   Trong các vòng hoàn lưu kinh hướng vĩ độ

trung bình này dòng thăng xuất hiện ở khối không khí lạnh và chìm xuống ở không khí ấm

|   Do đó các vòng này là gián tiếp về mặt nhiệt

động trong đó chúng vận chuyển năng lượng từ vùng lạnh đến vùng ấm

|   Các vòng Ferrel là sản phẩm phụ của sự vận

chuyển năng lượng và động lượng hướng cực rất mạnh do hoàn lưu xoáy

|   Ở các vĩ độ trung bình, xoáy vận chuyển năng

lượng một cách hiệu quả đến mức MMC là gián tiếp về mặt nhiệt động với chuyển động đi lên ở khối không khí lạnh và chuyển động xuống ở không khí ấm

|   Trung bình năm vòng Ferrel ở Nam bán cầu

mạnh hơn vì nó được duy trì trong tất cả các mùa

Hàm dòng khối lượng kinh hướng

trung bình (10 10 kg s -1 )

Hoàn lưu kinh hướng trung bình !

|  Nổi bật nhất là vòng hoàn lưu Hadley

phía bán cầu mùa đông

đới bán cầu mùa đông

phía bán cầu mùa hè

Các vòng hoàn lưu

6.3.3 Hoàn lưu xoáy và sự vận chuyển kinh hướng

|   Độ lệch của các biến so với trung bình thời gian phản ánh

những dao động liên quan với thời tiết

|   Độ lệch của trung bình thời gian so với trung bình vĩ hướng đặc

trưng cho những biến động tựa dừng xung quanh các vòng vĩ tuyến liên quan với sự phân bố lục địa và đại dương trên các vòng vĩ

tuyến

|   Dòng nhiệt hướng bắc

Tổng = MMC + “xoáy dừng” + “xoáy tạm thời”

168 6 ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE

6.3.3 Eddy Circulations and Meridional Transport

The cyclones and anticyclones that are responsible for most of the weather variations in mid-latitudes produce large meridional transports

of momentum, heat, and moisture These disturbances have large wind and temperature variations on scales of several thousand kilometers, which do not appear in a zonal average, but have a profound effect on the zonal mean climate The fluctuations associated with weather appear as

deviations from the time average.

The positive correlation between poleward velocity and temperature in large-scale atmospheric waves results from the tendency of the tempera-

ture wave to be displaced westward relative to the pressure wave,

with a conversion from energy available in the mean meridional ture gradient to the energy of waves Cyclone waves whose amplitude is

tempera-increasing rapidly with time have a large zonal phase shift between their pressure and temperature waves, and thus produce efficient poleward

transports of heat and moisture.

[ υT¯]=[υ¯][T¯]+[υ¯*T¯*]+[v!T!¯]

168 6 ATMOSPHERIC GENERAL CIRCULATION AND CLIMATE

6.3.3 Eddy Circulations and Meridional Transport

The cyclones and anticyclones that are responsible for most of the weather variations in mid-latitudes produce large meridional transports

of momentum, heat, and moisture These disturbances have large wind and temperature variations on scales of several thousand kilometers, which do not appear in a zonal average, but have a profound effect on the zonal mean climate The fluctuations associated with weather appear as

deviations from the time average.

The positive correlation between poleward velocity and temperature in large-scale atmospheric waves results from the tendency of the tempera-

ture wave to be displaced westward relative to the pressure wave, cially in the lower troposphere ( Fig 6.7 ) This arrangement is associated

espe-with a conversion from energy available in the mean meridional ture gradient to the energy of waves Cyclone waves whose amplitude is

tempera-increasing rapidly with time have a large zonal phase shift between their pressure and temperature waves, and thus produce efficient poleward

transports of heat and moisture.

x! =x−x¯

x ¯*=x¯−[x¯]

[ υT¯]=[υ¯][T¯]+[υ¯*T¯*]+[v!T!¯]

6.3.3 Eddy Circulations and Meridional Transport

The cyclones and anticyclones that are responsible for most of the weather variations in mid-latitudes produce large meridional transports

of momentum, heat, and moisture These disturbances have large wind and temperature variations on scales of several thousand kilometers, which do not appear in a zonal average, but have a profound effect on the zonal mean climate The fluctuations associated with weather appear as deviations from the time average.

′ = −

In addition to temporal variations associated with mid-latitude cyclones, the atmosphere exhibits variations around latitude circles asso- ciated with continents and oceans that are quasi-stationary and appear clearly in time averages These are characterized by the deviations of the time mean from its zonal average.

The positive correlation between poleward velocity and temperature in large-scale atmospheric waves results from the tendency of the tempera- ture wave to be displaced westward relative to the pressure wave, espe-

with a conversion from energy available in the mean meridional ture gradient to the energy of waves Cyclone waves whose amplitude is increasing rapidly with time have a large zonal phase shift between their pressure and temperature waves, and thus produce efficient poleward transports of heat and moisture.

[ υT¯]=[υ¯][T¯]+[υ¯*T¯*]+[v!T!¯]

Ferrel )

•  Thông lượng nhiệt liên quan với các đặc điểm qui mô lớn sinh

ra bởi sự tương phản đất-biển và địa hình (không chuyển đi nơi khác được)

•  Thông lượng nhiệt thay đổi theo những nhiễu động thời tiết (sóng

và front) (mang theo nhiều nhiệt !)

Tổng = MMC + “xoáy dừng” + “xoáy tạm thời”

6.3.3 Eddy Circulations and Meridional Transport

The cyclones and anticyclones that are responsible for most of the weather variations in mid-latitudes produce large meridional transports

of momentum, heat, and moisture These disturbances have large wind and temperature variations on scales of several thousand kilometers, which do not appear in a zonal average, but have a profound effect on the zonal mean climate The fluctuations associated with weather appear as

deviations from the time average.

The positive correlation between poleward velocity and temperature in large-scale atmospheric waves results from the tendency of the tempera-

ture wave to be displaced westward relative to the pressure wave,

with a conversion from energy available in the mean meridional ture gradient to the energy of waves Cyclone waves whose amplitude is

tempera-increasing rapidly with time have a large zonal phase shift between their pressure and temperature waves, and thus produce efficient poleward

transports of heat and moisture.

[ υT¯]=[υ¯][T¯]+[υ¯*T¯*]+[v!T!¯]

Thông lượng nhiệt hướng bắc do xoáy

Sự chuyển đổi năng lượng sẵn có trong gradient

nhiệt độ trung bình kinh hướng thành năng

lượng sóng (dấu của nhiệt và gió là độ lệch so với

trung bình vĩ hướng)

Isobars

Isotherms

Sóng trong khí quyển

Gió tây và chuyển động sóng

Hoàn lưu xoáy và vận chuyển kinh hướng

|   Thông lượng xoáy do dòng trung

bình thời gian có mối liên hệ với sóng dừng hành tinh

|   Sóng dừng hành tinh là độ lệch của

trung bình thời gian so với dòng đối xứng vĩ hướng và nhận thấy rõ trong các hình thế khí áp tầng đối lưu

trung bình tháng

|   Sóng dừng hành tinh là kết quả của

sự biến động đông-tây của độ cao bề mặt và nhiệt độ bề mặt liên quan với

sự phân bố lục địa-biển

|   Thông lượng xoáy dừng lớn ở Bắc bán cầu nơi có các dãy núi Himalaya và

Rocky gây nên cơ chế biến động cưỡng bức đông-tây của nhiệt độ và gió trung bình thời gian

|   Vào mùa đông, tương phản nhiệt giữa nước ấm của các dòng biển Kuroshio và

Gulf Stream và nền nhiệt lạnh ở sâu trong các lục địa cũng tạo ra cưỡng bức nhiệt mạnh đối với sóng dừng hành tinh

Sóng dừng hành tinh

|   Nhìn thấy rõ các sống áp cao xen kẽ

các rãnh thấp tạo thành dạng sóng

|   Các sống, rãnh này gây nên bởi sự

tương phản nhiệt độ giữa lục địa - biển

và bởi các dãy núi

|   Thường tồn tại khoảng 3 đến 4 sóng

Thông lượng nhiệt của xoáy !

|   Thông lượng nhiệt hướng cực do xoáy

dừng và xoáy tạm thời đạt đỉnh ở khoảng 50° vĩ bán cầu mùa đông trong phần

dưới tầng bình lưu

|   Cực đại mực thấp liên quan với cấu trúc

của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới đang trưởng thành trong đó sự khác pha giữa nhiệt độ và khí áp là lớn nhất ở tầng đối lưu dưới

|   Thông lượng có một cực tiểu gần đỉnh

tầng đối lưu và sau đó tăng theo độ cao

về phía tầng bình lưu mùa đông

|   Thông lượng nhiệt độ có biến động mùa

lớn ở Bắc bán cầu với giá trị lớn về mùa đông và khá nhỏ về mùa hè

|   Ở Nam bán cầu tương phản mùa là nhỏ

vì hầu hết là đại dương có nhiệt dung lớn

|   Thông lượng xoáy tạm thời thống trị

dòng kinh hướng của nhiệt độ ngoại trừ Bắc bán cầu về mùa đông khi mà các xoáy dừng đóng góp tới một nửa

Thông lượng nhiệt độ hướng bắc trung

bình vĩ hướng gây ra bởi xoáy (K m/s)

K/cách giữa các đường =5 Km/s

Front, xoáy thuận ngoại nhiệt đới và vận chuyển n ă ng lượng

kinh hướng

|  Không khí lạnh cắt qua không khí nóng

và chảy về phía nam

|  Bình lưu không khí lạnh khơi sâu rãnh

trên cao làm cho nó sâu thêm

|  Xáo trộn Bắc-Nam trong xoáy thuận

cuối cùng làm tiêu tán thế năng sẵn có

và xoáy thuận tan đi

234 Chapter 8 Air Masses, Fronts, and Middle-Latitude Cyclones

latitude cyclonic storm; that is, a storm that forms at

middle and high latitudes outside of the tropics Th is

extraordinary group of meteorologists included

Vil-helm Bjerknes, his son Jakob, Halvor Solberg, and Tor

Berge ron Th ey published their Norwegian Cyclone

Model shortly aft er World War I It was widely acclaimed

and became known as the “polar front theory of a

de-veloping wave cyclone” or, simply, the polar front

the-ory What these meteorologists gave to the world was

a working model of how a mid-latitude cyclone

pro-gresses through the stages of birth, growth, and decay

An important part of the model involved the

develop-ment of weather along the polar front As new

informa-tion became available, the original work was modifi ed,

so that, today, it serves as a convenient way to describe

the structure and weather associated with a migratory

middle-latitude cyclonic storm system.

POLAR FRONT THEORY Th e development of a

mid-latitude cyclone, according to the Norwegian model,

be-gins along the polar front Remember (from our

discus-sion of the general circulation in Chapter 7) that the polar

front is a semicontinuous global boundary separating cold

polar air from warm subtropical air Because the

mid-lat-itude cyclone forms and moves along the polar front in a

wavelike manner, the developing storm is referred to as

a wave cyclone Th e stages of a developing wave cyclone

from a surface perspective are illustrated in the sequence

of surface weather maps shown in ◗ Fig 8.24.

Figure 8.24a shows a segment of the polar front as a

stationary front It represents a trough of lower pressure

with higher pressure on both sides Cold air to the north

and warm air to the south fl ow parallel to the front, but

in opposite directions Th is type of fl ow sets up a

cy-clonic wind shear You can conceptualize the shear more

clearly if you place a pen between the palms of your

hands and move your left hand toward your body; the pen turns counterclockwise, cyclonically.

Under the right conditions, a wavelike kink forms on the front, as shown in Fig 8.24b Th e wave that forms is

known as a frontal wave Watching the formation of a

frontal wave on a weather map is like watching a water wave from its side as it approaches a beach: It fi rst builds, then breaks, and fi nally dissipates, which is why a mid- latitude cyclonic storm system is known as a wave cyclone.

Figure 8.24b shows the newly formed wave with a cold front pushing southward and a warm front moving northward Th e region of lowest pressure is at the junction

of the two fronts As the cold air displaces the warm air upward along the cold front, and as warm air rises ahead

of the warm front, a narrow band of precipitation forms (shaded green area) Steered by the winds aloft , the sys- tem typically moves east or northeastward and gradually

becomes a fully developed open wave in 12 to 24 hours

(Fig 8.24c) Th e central pressure of the wave cyclone is now much lower, and several isobars encircle the wave’s apex Th ese more tightly packed isobars create a stronger cyclonic fl ow, as the winds swirl counterclockwise and inward toward the low’s center Precipitation forms in a wide band ahead of the warm front and along a narrow band of the cold front Th e region of warm air between the cold and warm fronts is known as the warm sector Here, the weather tends to be partly cloudy, although scattered showers may develop if the air is conditionally unstable.

Energy for the storm is derived from several

sourc-es As the air masses try to attain equilibrium, warm air rises and cold air sinks, transforming potential energy into kinetic energy (that is, energy of motion) Conden- sation supplies energy to the system in the form of la- tent heat And, as the surface air converges toward the low center, wind speeds may increase, producing an in- crease in kinetic energy.

◗ FIGURE 8.24 The

idealized life cycle of a

mid-latitude cyclonic storm (a

through f) in the Northern

Hemisphere based on the

polar front theory As the

life cycle progresses, the

system moves

northeast-ward in a dynamic fashion

The small arrow next to

each L shows the direction

of storm movement.

49331_08_ch8_p212-243.indd 234 15/11/10 11:34 AM

Copyright 2010 Cengage Learning All Rights Reserved May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s)

Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.

Mid-Latitude Cyclonic Storms 241

curs principally over the Canadian provinces of Alberta and the Northwest Territories.

In general, we now have a fairly good picture as to why some surface lows intensify into huge mid-latitude cyclones while others do not For a storm to intensify, there must be an upper-level counterpart—a trough of low pressure—that lies to the west of the surface low At the same time, the polar jet stream must form into waves and swing slightly south of the developing storm When

these conditions exist, zones of converging and ing air, along with rising and sinking air, provide energy conversions for the storm’s growth When these condi- tions do not exist, we say that the surface storm does not have the proper upper-air support for its development

diverg-Th e horizontal and vertical motions, cloud patterns, and weather that typically occur with a developing open-wave mid-latitude cyclone are summarized in ◗ Fig 8.31.

◗ FIGURE 8.30 (a) As the polar jet stream and its area of maximum winds (the jet streak, or core) swings over a

de-veloping mid- latitude cyclone, an area of divergence (D) draws warm surface air upward, and an area of convergence

(C) allows cold air to sink The jet stream removes air above the surface storm, which causes surface pressures to

drop and the storm to intensify (b) When the surface storm moves northeastward and occludes, it no longer has the upper-level support of diverging air, and the surface storm gradually dies out.

◗ FIGURE 8.31 Summary

of clouds, weather, cal motions, and upper-air support associated with a developing mid-latitude cyclone.

verti-Copyright 2010 Cengage Learning All Rights Reserved May not be copied, scanned, or duplicated, in whole or in part Due to electronic rights, some third party content may be suppressed from the eBook and/or eChapter(s)

Editorial review has deemed that any suppressed content does not materially affect the overall learning experience Cengage Learning reserves the right to remove additional content at any time if subsequent rights restrictions require it.

|  Các mặt áp suất

nghiêng vì sự tương phản nhiệt

độ Bắc-Nam

|  Sóng đi qua khởi

tạo phân kỳ và độ xoáy xoáy thuận

|  Đóng vai trò quan trọng trong việc xác định bản chất của chu trình nước

|  Vận chuyển hơi nước xảy ra chủ yếu trong tầng đối lưu thấp nơi độ ẩm

riêng lớn

|  Ở nhiệt đới MMC chi phối dòng vận chuyển tổng cộng với ẩm được đưa

về vùng xích đạo bởi tín phong

6.3.4 Thông lượng nước kinh hướng trong khí quyển

Thông lượng hơi nước trung

bình vĩ hướng do xoáy (g/kg

m/s) Màu đỏ là hướng bắc

Vận chuyển ẩm kinh hướng do khí quyển (109kg/s) (trái) và hội tụ của vận chuyển ẩm kinh hướng (mm/ngày) (phải) Các thành phần đóng góp từ MMC và xoáy và đóng góp tổng cộng

|   Vì nhánh phía nam của vòng Hadley mạnh hơn nên ẩm được vận chuyển về hướng bắc tại

xích đạo đến dải ITCZ mà vị trí trung bình của nó ở phía bắc xích đạo

|   Ở các vùng ngoại nhiệt đới vận chuyển hướng cực bị chi phối bởi xoáy

|   Hội tụ kinh hướng của vận chuyển ẩm khí quyển ở nhiệt đới cũng bị chi phối bởi vận

chuyển do MMC mà nó tạo ra hội tụ tổng cộng của ẩm ở khu vực xích đạo khoảng 4mm/ ngày (1.5m/năm) được cung cấp từ cận xích đạo (hình phải)

|   Xoáy mang ẩm từ nhiệt đới và mang đến các vĩ độ trung bình và cao

|   Ở Bắc bán cầu ẩm được hội tụ hầu như đồng đều trong khu vực từ 40–90°N, nhưng ở

Nam bán cầu ẩm hội tụ mạnh hơn ở dải từ 40–70°S vì sự hiện diện của áp cao lục địa

Nam cực (Antarctica)

6.3.4 Thông lượng nước kinh hướng trong khí quyển

Thông lượng hơi nước trung

6.3.4 Dòng năng lượng kinh hướng trung bình theo phương thẳng đứng

Các dạng và lượng năng lượng trong khí quyển toàn cầu

•  Nội năng là năng lượng liên quan với nhiệt độ khí quyển, thế năng là năng lượng liên quan với thế trọng trường của không khí phía trên bề mặt

•  Nội năng và thế năng đóng góp khoảng 97% năng lượng của khí quyển

•  Mặc dù động năng chiếm một phần rất nhỏ của tổng năng lượng nhưng nó cực kỳ quan

trọng để hiểu sự phát sinh và duy trì nó, vì chuyển động là phương tiện mà năng lượng được vận chuyển từ xích đạo về các cực

•  Chuyển động rất quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác

•  Hầu hết nội năng và thế năng không sẵn có để chuyển từ dạng này sang dạng khác

•  VD: không khí khô, thuỷ tĩnh không có núi thì tỷ số giữa thế năng và nội năng là R/c︎ =0.4

•  Quan hệ đơn giản này giữa nội năng và thế năng phản ánh một thực tế là khí quyển cần một lượng nội năng cực lớn chỉ đơn giản là tự giữ nó để chống lại lực trọng trường và không có sẵn để tạo ra chuyển động

Dòng n ă ng lượng kinh hướng trung bình theo phương thẳng đứng

vùng nhiệt đới nhiều hơn các vùng cực

{   Gió bị điều khiển bởi gradient mật độ và khí áp sinh ra do sự đốt nóng

không đồng đều này

mà với gradient nhiệt độ trên các mặt khí áp

{   Động năng cực đại xuất hiện vào mùa đông khi gradient nhiệt độ kinh

hướng là lớn nhất mà không phải vào mùa hè khi tổng năng lượng khí quyển là lớn nhất

chia thành đóng góp từ các dạng hiển nhiệt, địa thế vị (thế năng

6.3 ATMOSPHERIC MOTIONS AND THE MERIDIONAL TRANSPORT OF ENERGY 173

is the energy associated with the gravitational potential of air some

dis-tance above the surface Together internal and potential energy

consti-tute about 97% of the energy of the atmosphere Although kinetic energy

comprises a small fraction of the total energy, it is still very important to

understand its generation and maintenance, because the motions are the

means by which energy is transported from equator to pole Motions are

also important in converting one form of energy to another Furthermore,

most of the internal and potential energy is unavailable for conversion

into other forms For example, in a dry, hydrostatic atmosphere without

mountains, one can show that the ratio of the potential energy to the

inter-nal energy is R/c! = 0.4 This simple relation between internal and potential

energy reflects the fact that much of the internal energy of the atmosphere

is required simply so that the atmosphere may “hold itself up” against

gravity, and is not available for generating motion.

Insolation drives the circulation by heating the tropics more than the

polar regions Winds are driven by the density and pressure gradients

generated by this uneven heating The circulation responds not to the total

amount of energy in the atmosphere, but to the temperature gradients on

constant pressure surfaces For this reason, the maximum kinetic energy

occurs during winter, when the meridional temperature gradients are

strongest, and not in the summer, when the total amount of energy in the

atmosphere is greatest.

The meridional transport of energy by the atmosphere may be divided

into contributions from sensible, geopotential and latent forms that

com-prise the moist static energy.

Moist static energy p sensible potential latent (6.14)

Here g is the acceleration of gravity, z is altitude, q is the mass-mixing

ratio of water vapor, and L is the latent heat of vaporization Moist static

energy is moved around by the motions of the atmosphere and these

transports can be integrated through the mass of the atmosphere to reveal

the total meridional flux of energy in various forms ( Fig 6.12 ) Although

Moist static energy=cpT+gz+Lq

=sensible+potential+latent

TABLE 6.1 Kinds and Amounts of Energy in the Global Atmosphere

Name Symbol Formula Amount (J m−2 ) Total (%)

g là gia tốc trọng trường, z là độ cao, q là tỷ số xáo trộn khối lượng của hơi

nước, L là ẩn nhiệt hoá hơi

Dòng n ă ng lượng kinh hướng trung bình theo phương thẳng đứng

|   Mặc dù vận chuyển tổng năng lượng tĩnh ẩm hướng cực là “trơn tru” ở cả hai bán

cầu, các thành phần riêng biệt đổi dấu và bù trừ cho nhau

|   Nếu vận chuyển hiển nhiệt và thế năng được gộp với nhau thành vận chuyển năng

lượng tĩnh khô thì có thể thấy rằng vận chuyển ẩn nhiệt cũng quan trọng như vận chuyển năng lượng tĩnh khô ở các vĩ độ trung bình, nhất là ở Nam bán cầu

|   Vận chuyển tổng cộng là âm tại xích đạo, do đó trung bình năm khí quyển mang

năng lượng từ Bắc bán cầu đến Nam bán cầu

|   Vận chuyển năng lượng hướng nam này tại xích đạo có liên quan với thực tế là

vòng Hadley đi lên ở Bắc bán cầu

Vận chuyển hướng bắc các dạng năng lượng khí quyển: Thế năng, hiển nhiệt và ẩn nhiệt