Những chương đầu đề cập tới quan điểm truyền thống về hoμn lưu toμn cầu đối với những quá trình khởi tạo chuyển động khí quyển vμ các nguyên nhân động lực lμm biến dạng chúng.. Newtơn vớ
Trang 1Đại học quốc gia Hμ Nội
Trường đại học khoa học tự nhiên
Ian N James
nhập môn hoμn lưu
khí quyển
Biên dịch: Vũ Thanh Hằng
Lê Thị Thương
Hμ Nội – 2002
Trang 2Introduction to Circulating Atmosphere
Ian N James
University of reading
Cambridge
university press
Trang 3Published by the Press Syndicate of the University of Cambridge The Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge CB2 1RP
40 West 20th Street, New York, NY 10011-4211, USA
10 Stamford Road, Oakleigh, Melbourne 3166, Australia
Cambridge University Press 1994
First published 1994
Printed in Great Britain at the University Press, Cambridge
A catalogue record for this book is available from the Bristish Library
Library of Congress cataloguing in publication data available
ISBN 0 521 41895 X hardback
TAG
Trang 4Mục lục
1.1 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học 17
1.2 Bảo toμn vật chất 20
1.3 Định luật thứ hai về chuyển động của Newton 21
1.5 Cân bằng thuỷ tĩnh 24
1.7 Gần đúng tựa địa chuyển 29
1.8 Xoáy thế vμ phương trình omega 33
cầu
38
2.1 Việc tính trung bình trong nghiên cứu khí quyển 38
2.2 Mạng quan trắc toμn cầu 41
2.3 Các mô hình dự báo thời tiết số 46
2.4 Quy trình phân tích - dự báo 51
2.5 Mô hình hoμn lưu toμn cầu 54
3.1 Cân bằng năng lượng toμn cầu 65
3.2 Cân bằng bưc xạ địa phương 69 3.3 Nhiệt động lực của chuyển động chất khí 71
3.4 Kết quả quan trắc đốt nóng khí quyển 74
4.1 Quan trắc cơ bản 80
4.2 Mô hình Held-Hou của hoμn lưu Hadley 84
4.3 Mô hình hoμn lưu Hadley thực tế hơn 90
4.4 Hoμn lưu trung bình vĩ hướng ở vĩ độ trung bình 95
4.5 Quan điểm Lagrangian về hoμn lưu kinh hướng 101
5.1 Quy mô thời gian của chuyển động khí quyển 106
5.2 Cấu trúc của các xoáy tức thời 110
5.3 Các nguồn năng lượng của khí quyển 118
5.4 Lý thuyết bất ổn định tμ áp 127
Trang 55.5 Những chu trình tμ áp vμ các quá trình tần số cao 139
6.1 Kết quả quan trắc các xoáy dừng 147
6.2 Mô hình chính áp 152
6.3 áp dụng cho các xoáy dừng thám sát được 163
6.4 Sự lan truyền của sóng Rossby theo chiều thẳng đứng 167
6.5 Dòng Eliassen-Palm 172
6.6 Các dòng Eliassen vμ các chu trình tμ áp 177
7.1 Sự biến đổi vĩ hướng ở miền nhiệt đới 182
7.2 Hoμn lưu gió mùa 189
7.3 Đới xoáy vμ dòng xiết miền ôn đới 192
7.4 Tương tác giữa xoáy tức thời vμ xoáy dừng 198
7.5 Sự vận chuyển hơi nước trên toμn cầu 207
8.1 Các quá trình tức thời tần số thấp 216
8.2 Những hình thế quan hệ xa 217
8.3 Những dao động tầng bình lưu 227
8.4 Dao động nội mùa 232
8.6 Cơ chế ngăn chặn dòng miền ôn đới 239
8.7 Sự hỗn loạn vμ biến đổi tần số cực thấp 243
9.1 Chu kỳ mùa của các hoμn lưu trong tầng bình lưu 250
9.2 Sự lan truyền sóng vμ tương tác của dòng trung bình 259
9.3 Sự hình thμnh vμ vận chuyển ôzon 265
9.4 Sự trao đổi vật chất qua đỉnh tầng đối lưu 273
lỏng vμ chất khí khác
282
10.1 Các ảnh hưởng chủ yếu đối với các hoμn lưu hμnh tinh 282
10.2 Các hoμn lưu kiểu Trái Đất 288
10.3 Những khí quyển quay chậm 296
10.4 Hoμn lưu khí quyển của các hμnh tinh lớn 301
10.5 Hoμn lưu đại dương quy mô lớn 307
10.6 Các hệ thống phòng thí nghiệm 309
Trang 6Tμi liÖu tham kh¶o 338
Trang 7Chuyên khảo nμy trình bầy quan điểm hiện đại về hoμn lưu khí quyển toμn cầu Trong chuyên khảo có sự phối hợp giữa các số liệu quan trắc thực tế đối với hoμn lưu chung khí quyển bằng những mô hình lý thuyết đơn giản của cơ chế điều khiển hoμn lưu Những chương đầu đề cập tới quan điểm truyền thống về hoμn lưu toμn cầu đối với những quá trình khởi tạo chuyển động khí quyển vμ các nguyên nhân động lực lμm biến dạng chúng Các chương tiếp theo phát triển những vấn đề gần đây nhất bao gồm cả sự biến động tần suất thấp vμ các quá trình hoμn lưu khí quyển toμn cầu khác Chuyên khảo lμ tμi liệu nghiên cứu lý thú đối với các sinh viên cao học vμ các cán
bộ nghiên cứu cần những kiến thức mở đầu đối với vấn đề hoμn lưu khí quyển trước khi đọc các tμi liệu nguyên bản Cuốn sách có nhiều hình minh hoạ những kết quả nghiên cứu chẩn đoán vμ mô hình hoá Mỗi chương đều có phần trình bầy các vấn đề
vμ phần dẫn các tμi liệu tham khảo
Trang 8Lời dẫn
Gió thổi tới nơi nó sẽ tới, bạn có thể nghe tiếng gió nhưng bạn không biết gió thổi
từ đầu tới vμ sẽ thổi tới đâu (John, 3, 8)
Thời trung cổ câu hỏi gió thổi từ đâu tới vμ sẽ thổi tới đâu đối với mỗi người lμ câu hỏi khó trả lời Hơn nữa gió không thể hiểu được nên gió được các bậc tiền bối dùng nó như lμ di chúc không nhìn thấy được của Chúa thánh thần (theo tiếng Hy Lạp từ gió cũng có nghĩa lμ “tinh thần”) Khí tượng thuộc ngμnh khoa học được nghiên cứu nhiều nhất Nếu bạn lμ nhμ nông, thuỷ thủ hay lính đồn trú cho rằng gió hay thời tiết xấu lμ
do Chúa đưa tới cho con người điều đau khổ vμ tai hoạ, để giới hạn quyền lực của con người
Còn có rất nhiều câu hỏi cho đến trước cuộc cách mạng Newtơn vμo thế kỷ 19, khi nhiều định luật về nhiều khía cạnh khác nhau của thế giới tự nhiên được phát hiện Kepler đã chỉ ra rằng chuyển động của hμnh tinh tuân theo những nguyên tắc chặt chẽ, mặc dù ông không thể giải thích thoả đáng tại sao định luật của ông về chuyển
động của các hμnh tinh lại có dạng như vậy Galileo đã chỉ ra chuyển động của vật thể
đơn giản như chuyển động của quả cầu kim loại nặng trên mặt nghiêng Newtơn với
ba định luật của ông về chuyển động vμ định luật vạn vật hấp dẫn đã tổng hợp tất cả những kết quả nghiên cứu đã nói ở trên vμ chỉ ra khả năng dự báo những điều quan sát được của các nhμ khoa học trước đó bằng tập hợp bốn định luật của ông
Điều đó xảy ra ngay trước khi vấn đề hoμn lưu khí quyển hướng tới việc sử dụng cơ học Newtơn mới Năm 1687 Halley hoμn thiện lý thuyết về tín phong, ông cho rằng tín phong gây nên bởi chuyển động thăng của không khí nóng ở xích đạo vμ đưa không khí tới đây từ những vĩ độ cao hơn Hadley, năm 1720, hoμn thiện thêm lý thuyết nμy Theo ông như vậy phải có dòng khí thổi về phía cực, nằm trên tín phong mặt đất Vμ như vậy những cố gắng đầu tiên nghiên cứu về gió vμ hoμn lưu quy mô lớn của khí quyển đã được bắt đầu Nửa sau thế kỷ 18, chuyển động của chất lỏng trên Trái Đất
đã được mô tả trên cơ sở toán học vμ cùng với việc thiết lập lực Coriolis, vai trò to lớn của chuyển động quay của Trái Đất được xác định Tuy nhiên, những cố gắng nμy đã không được phát triển do thiếu cả về mặt lý thuyết vμ đặc biệt lμ thiếu số liệu quan trắc Giấc mơ của các học trò của Newtơn mô tả hoμn lưu khí quyển như một cơ chế có thể dự báo có thể đạt được bằng cách áp dụng hệ thống các định luật của Newtơn về chuyển động đối với không khí Giấc mơ của Newtơn đã trở nên gần hiện thực hơn nhất lμ sau Chiến tranh Thế giới Thứ hai khi cơ học lượng tử vμ lý thuyết tương đối khẳng định khả năng sử dụng khái niệm đơn giản của Newtơn để giải thích động lực học của các hệ thống trong các nhánh của vật lý học Do ngμnh hμng không phát triển, nhu cầu thông tin chi tiết về điều kiện khí tượng trên phạm vi lớn, khả năng thu thập thông tin được nâng cao trên mạng lưới quan trắc được mở rộng Cùng với sự phát triển của mô hình front của trường phái Bergen ở Nauy vμ việc biểu diễn định lượng mô hình với các thμnh phần của cơ học chất lỏng của Newtơn, nền tảng cho những vụ
Trang 9bội thu của khoa học khí tượng Những kết quả phân tích kiên trì của Charney vμ Eady đã giải thích sự phát triển của xoáy thuận bằng các lý thuyết bất ổn định của chất lỏng Sự phát triển của máy tính lμm cho dự báo thời tiết bằng phương pháp số trị trở thμnh hiện thực, phương pháp nμy dựa trên việc tích phân hệ các phương trình phi tuyến đối với chuyển động trong mạng lưới khảo sát toμn cầu Do hệ thống truyền thông trên phạm vi lớn đã được thiết lập nên con người đã có một cái nhìn mới toμn cầu thực sự đối với hoμn lưu khí quyển
Đối với tôi thì máy tính đã cho các nhμ khí tượng học một công cụ rất hữu hiệu
Đã có những đóng góp phát triển các mô hình thực tế đầu tiên cho dự báo thời tiết hạn ngắn vμ gần đây lμ việc mô phỏng vμ dự báo khí hậu Cố gắng nμy đã vượt qua ý định tìm hiểu tính chất động lực của hoμn lưu khí quyển quy mô lớn Do các phương trình cơ bản mô tả chuyển động khí quyển rất phức tạp vμ phi tuyến, dường như có rất nhiều lời giải bằng phương pháp số trị thực hiện được có thể đóng góp vμo việc tìm hiểu hiện tượng Rất nhiều trí tuệ, công sức của các nhμ khoa học đã được cống hiến
để cải tiến các mô hình số trị vμ hoμn thiện việc biểu diễn, một số quá trình chưa giải
được nhưng lại rất quan trọng Một cái nhìn sâu vμo bản chất vật lý của hoμn lưu khí quyển đã được những nhμ khoa học như Rossby vμ Ertel phát hiện nhưng tất cả đều
đã bị một thế hệ các nhμ khoa học nghiên cứu khí quyển lãng quên Một số nhμ khí tượng lý thuyết vẫn đóng góp sức lực để đưa khí quyển về dạng cơ bản vμ đơn giản hoá
đến mức có thể Nhiều cố gắng đã đi sâu hơn vμo việc cải tiến phương pháp biểu diễn phi tuyến đối với khí quyển Công trình của Lorenz vμ các tác giả khác đã dẫn đến việc phát triển học thuyết “Hỗn loạn” còn gọi lμ lý thuyết “Rối” được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học hiện đại khác Điều đó cho thấy rằng tính phi tuyến có thể lμm phát sinh nhiều điều phức tạp từ những phương trình thực tế rất đơn giản Lý thuyết “rối” hiện đang soi sáng cho nghiên cứu hoμn lưu khí quyển quy mô lớn
Giấc mơ của Newtơn buộc phải thoả hiệp với thực tế vì vấn đề lμ ở chỗ tính khó dự
đoán được lại lμ những đặc điểm cơ bản của hệ thống như khí quyển chứ không chỉ do những hạn chế về mặt kỹ thuật Đặc điểm khó dự báo thể hiện rõ rệt trong vấn đề dự báo thời tiết ý định tiến hμnh dự báo thời tiết hạn dμi bằng phương pháp so sánh tương tự với trạng thái khí quyển trong quá khứ đã cho thấy một điều có ý nghĩa đối với các dự báo thời tiết lμ khó có thể nhận biết từng phần tử khí riêng biệt Do chuyển
động hỗn lọan trong khí quyển có thể đưa phần tử khí bất kỳ chuyển động quay, quỹ
đạo chuyển động của các phần tử khí trở nên uốn lượn; kéo dμi vμ thμnh dải vật chất mỏng cuốn theo nó vμ cuối cùng chúng hoμn toμn biến mất vμo trong khí quyển Trong quá trình nμy các phần tử khí hoμn toμn không còn nhận biết được Tiếp nối niềm lạc quan của thời đại Newtơn chúng ta ngμy nay nhận thấy lμ quan sát của Saint John đã
đúng Từ đâu gió thổi tới vμ nơi gió sẽ tới có ý nghĩa sâu sắc vμ thực chất lμ không thể biết hoμn toμn chính xác Từ khái niệm tĩnh học, bây giờ ta có thể hiểu lμ khí quyển biến đổi không ngừng, hệ thống nμy có cấu trúc phức tạp theo không gian vμ thời gian Bằng cách tính trung bình theo không gian vμ thời gian hoμn lưu toμn cầu của khí quyển được xây dựng nên từ tổng hợp các hiệu ứng của “môđun” các hiệu ứng của hệ thống với quy mô nhỏ hơn, theo lý thuyết kinh điển của Newtơn Khi xem xét một cách chi tiết hơn ta thấy vẫn với những môđun nμy ta có thể xây dựng nên những xoáy
Trang 10khác nhau Bản thân việc thiết lập nμy lμm biến đổi các môđun Ta kết luận lμ những hình ảnh đơn giản nμy bao giờ cũng có những giá trị giới hạn Ta sẽ bị giới hạn rất nhiều khi muốn sử dụng các cấu trúc nμy đối với các hình thế khác Đó lμ một phần nguyên nhân tại sao phải dự đoán khí hậu với nồng độ CO2 lớn mμ loμi người đã nhanh chóng nhận thấy rằng vấn đề đó khó vμ không kiểm soát được Đó cũng lμ nguyên nhân tại sao những cố gắng gần đây lại tập trung vμo nghiên cứu hoμn lưu khí quyển của các hμnh tinh khác từ đó dẫn đến những điều ngạc nhiên không ngờ tới trong nhiều phương diện
Phần đầu quyển sách nμy chủ yếu dμnh để mô tả điểm hiện đại xác định hoμn lưu chung khí quyển Phương pháp tiếp cận dựa trên những quy luật vật lý có liên quan với quá trình thuỷ động lực học điều khiển hoμn lưu, hướng tới các quá trình cơ học xác định chuyển động của khí quyển Chúng tôi cố gắng biểu diễn bằng những số liệu quan trắc hoμn lưu thực cũng như mô hình đơn giản dựa trên các định luật cơ học vμ nhiệt động lực học Những mô hình nμy tuy chỉ lμ mô hình ước lượng vμ rất hạn chế nhưng chúng lμ cẩm nang của nhóm các mô hình cơ bản, cho phép các nhμ nghiên cứu một mặt giải thích những kết quả quan trắc của khí quyển thực, mặt khác giải thích các kết quả phức tạp của mô hình hoμn lưu chung khí quyển ở cuối chuyên khảo chúng tôi sẽ trình bμy những thμnh tựu gần đây nhất vμ chỉ ra tính phức tạp của hoμn lưu thực vμ sự hạn chế của các mô hình đơn giản
Các chương từ 1-6 tập trung chủ yếu vμo việc xác định quan điểm đối với hoμn lưu toμn cầu sử dụng trên 50 năm nay
Những định luật vật lý cơ bản được biểu diễn bằng ngôn ngữ phù hợp về mặt định lượng sẽ lμ nội dung đưa ra trong Chương 1 Chương 2 thảo luận những kết quả quan trắc khí quyển quy mô lớn vμ mô hình dự báo thời tiết mô hình hoμn lưu khí quyển toμn cầu cho ta công cụ hiện đại để nghiên cứu hoμn lưu toμn cầu Cơ sở nhiệt động lực học đối với hoμn lưu nμy lμ sự đốt nóng không đồng đều của khí quyển, vấn đề nμy
được trình bμy trong Chương 3 Động lực học của chuyển động thể hiện rất rõ ở sự quay Trái Đất vμ những nhân tố cơ học khác Khí quyển duy trì khá khéo léo vμ để duy trì vận chuyển nhiệt Nhưng sự thích ứng của khí quyển đối với những quá trình
đốt nóng khác nhau sẽ được trình bμy trong các Chương 4, 5 vμ 6
Các chương còn lại tập trung vμo trình bμy kết quả gần đây trong hiểu biết của chúng ta về hoμn lưu toμn cầu Quan điểm kinh điển đối với hoμn lưu lμ chuyển động kinh hướng, tất nhiên đó lμ sự đơn giản hoá quá lớn Biến động trong hoμn lưu vĩ hướng được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây đã nhấn mạnh về sự duy trì của các quỹ đạo xoáy thuận miền ôn đới vμ các quá trình phát sinh sóng dμi, những rãnh vμ sống bán vĩnh cửu trong đới gió tây ôn đới Bất đối xứng trong hoμn lưu theo chiều vĩ hướng của miền nhiệt đới đóng một vai trò quan trọng hơn vì chúng cho thấy một phần giới hạn của khả năng dự báo thời tiết ở miền vĩ độ cao trong quy mô thời gian mùa Trong chương nμy nhấn mạnh đến sự tương tác của các quy mô của chuyển
động trong khí quyển Kết quả cuối cùng lμ cấu trúc quy mô lớn của hoμn lưu ở mức độ
đáng kể được tổ chức do các cấu trúc tức thời qui mô nhỏ hơn vμ không có quá trình ngược lại Đó lμ, tiêu đề chủ yếu của Chương 7
Trang 11Kết quả tương tự cũng được thể hiện ở qui mô thời gian lμ chính Quy mô thời gian
dự báo trình bμy trong các chương đều quá ngắn, không quá một số ngμy hay nhiều nhất lμ một vμi tuần Những dao động của hoμn lưu khí quyển xảy ra trong những quy mô dμi hơn sự biến đổi tần số thấp, nghĩa lμ sự biến đổi có quy mô 10 ngμy (hay dμi hơn) được trình bμy trong Chương 8 Trong khi những tμi liệu từ các chương trước giúp chúng ta hiểu một số cơ chế cơ bản của những biến động tần số thấp thì những thμnh tựu hiện đại trong trường biến động rối lại cho thấy chúng đóng vai trò khá quan trọng Nhưng những quan trắc vệ tinh được hoμn thiện vμ nhất lμ sự hoμn thiện rất lớn của kỹ thuật vệ tinh đã dẫn tới sự quan tâm đối với tầng bình lưu, hoμn lưu phần giữa khí quyển được coi lμ những cố gắng tìm hiểu ảnh hưởng của con người đối với ôzon Những nghiên cứu nμy cho ta những lời cảnh báo như sự tương tác giữa hoá học ôzôn vμ hoμn lưu khối lượng ở phần giữa của khí quyển tầng bình lưu vμ tầng khí quyển giữa, vấn đề trọng tâm trong việc tìm hiểu ảnh hưởng của con người đối với
ôzôn Sự xuất hiện của lỗ hổng tầng ôzôn ở Nam Bán Cầu vμo mùa xuân minh họa
ảnh hưởng đó của con người Ngμy cμng có nhiều ý kiến cho rằng sự thiếu hụt ôzôn diễn ra trên quy mô toμn cầu đã bắt đầu, điều đó có nghĩa lμ cần phải hiểu hoμn lưu tầng bình lưu, sự vận chuyển ôzon vμ các chất xúc tác như ôzon Chương 9 dμnh để giới thiệu hoμn lưu tầng bình lưu vμ ảnh hưởng của nó đối với phân bố ôzôn
Cuối cùng trong Chương 10 ta quay trở lại xem xét riêng khí quyển của Trái Đất chúng ta có thể hiểu hoμn lưu của khí quyển Trái Đất như lμ một trường hợp riêng của các trường hợp đối với các hμnh tinh khác của hệ thống Mặt Trời Việc nghiên cứu hoμn lưu toμn cầu bao giờ cũng xuất phát từ việc nghiên cứu hệ thống riêng lẻ Bây giờ với khối lượng số liệu không lớn đã có thể tìm hiểu về tất cả các hμnh tinh có khí quyển trong hệ Mặt Trời Ngμnh khí tượng có thể phối hợp với các ngμnh khoa học khác về Trái Đất để tiến hμnh những nghiên cứu về dạng hoμn lưu toμn cầu có thể Trình độ của của chuyên khảo nμy phù hợp với sinh viên sau đại học, các sinh viên trình độ thạc sỹ Tôi hy vọng chuyên khảo nμy cũng hữu ích với các nhμ nghiên cứu để có những kiến thức cơ sở về hoμn lưu toμn cầu có thể vững tin khi đọc các nguyên bản Phần tiếp lμ phần mở rộng của giáo trình tôi đã giảng cho các sinh viên
đại học vμ sau đại học trong một số năm qua Cách trình bμy có một số thay đổi cần thiết để phù hợp khoá học nμy Kiến thức về khí tượng động lực chiếm một phần nhỏ trong các trang nói về hoμn lưu toμn cầu Những phần khác có tính mô tả do đó ít giúp cho sinh viên hiểu biết các quá trình vật lý của hoμn lưu toμn cầu với mức độ định lượng bất kỳ Nên cuốn sách nμy phải chuyển toμn bộ khí tượng động lực chỉ được coi
lμ sự áp dụng khí tượng động lực đối với hoμn lưu quy mô lớn Chúng tôi nghĩ lμ bạn
đọc đã nghiên cứu những kiến thức cơ sở của động lực học khí quyển mặc dù vậy để có thể tự đọc cuốn sách nμy chúng tôi sẽ dùng những kết quả quan trọng nhất mμ không cần dẫn giải trong phần mở đầu cuốn sách Những quá trình lớn nhất điều khiển quyển hoμn lưu khí quyển lμ sự hấp thụ vμ phát xạ bức xạ điện từ, những quá trình vật lý trong mây, vận chuyển rối trong lớp biên khí quyển (nhóm những quá trình thường được gọi lμ vật lý khí quyển) Trong khi đó, những định luật Newtơn lại không
được coi lμ định luật vật lý sẽ không được mở rộng Hơn nữa một số kết quả quan trọng sẽ được thảo luận còn những chi tiết bạn đọc có thể thu nhận từ các cuốn sách