Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 8 pps

Các đặc trưng thống kê của xoáy tần số cao có cấu trúc rất rõ ở miền ôn đới, với cực đại trong vùng quỹ đạo xoáy thuận..Những toán tử lọc tần số cao sử dụng trong Chương 7 đã được sử dụn

Chương 8 Biến đổi tần số thấp của hoμn lưu

8.1 Các quá trình tức thời tần số thấp

Trong chương trước, trên Hình 7.14 lμ kết quả so sánh tensơ tương quan xoáy đối với xoáy có tần số cao, có chu kỳ ngắn hơn mười ngμy, với các xoáy có tần số thấp hơn Các đặc trưng thống kê của xoáy tần số cao có cấu trúc rất rõ ở miền ôn đới, với cực đại trong vùng quỹ đạo xoáy thuận Những toán tử lọc tần số cao sử dụng trong Chương 7

đã được sử dụng để tách ra các chuỗi riêng của các quá trình động lực khác nhau, đó lμ những quá trình liên quan với bất ổn định tμ áp vμ hệ quả lμ sự phát triển của sóng bất ổn định tμ áp Động năng của các xoáy tần số thấp có cấu trúc không rõ rệt Hình 7.14 đã chỉ ra những bằng chứng cho thấy khu vực có tần suất cực đại thường nằm ở

vị trí cuối dòng hơn so với giá trị cực đại của xoáy tần số cao, cũng như tương quan giữa trung tâm dòng xiết vμ cực đại của những biến đổi tần số thấp Tuy nhiên, chưa

có bất kỳ một hình thế nμo của những quá trình trên được chỉ ra một cách cụ thể Một nguyên nhân giải thích hiện tượng đó lμ dải tần số thấp đã bao quát một dải tần số rất rộng ở đây tồn tại những nhiễu động có chu kỳ không lớn hơn nhiều so với chu kỳ của những nhiễu động tμ áp, vμ hơn nữa những cực đại nằm cuối dòng hơn so với trung tâm quỹ đạo xoáy thuận phần nμo đó liên quan tới sự dao động vμ suy yếu của các xoáy thuận miền ôn đới, các xoáy nμy chuyển động chậm hơn khi chúng đầy lên Tuy nhiên ở đây cũng có cả sự xuất hiện của những nhiễu động tức thời có biên độ lớn với chu kỳ dμi hơn rất nhiều Kết quả phân tích phổ đối với chuỗi số liệu khí tượng

đủ dμi đã chỉ ra rằng những biến đổi quan trắc được có những chu kỳ dμi ngắn khác nhau Hơn nữa phổ thu được có xu thế lμ phổ đỏ với biên độ tăng khi tần số giảm tới tần số rất thấp Trong dải tần số đó đã diễn ra rất nhiều cơ chế vật lý diễn ra Tuy nhiên một điều ngẫu nhiên lμ dấu hiệu phối hợp của chúng khi nghiên cứu biến đổi tần số thấp thì việc xem xét những tín hiểu tần số thấp tổng cộng lμ không đủ Ta cần tách các khoảng tần số vμ cấu trúc không gian riêng

Để thực hiện điều nói trên bằng cách sử dụng phân tích phổ hoặc lọc chuỗi thời gian để tách ra những khoảng tần số hẹp Điều đó có thể dẫn tới các cấu trúc không gian của các dao động với tần số khác nhau Có một khó khăn đối với phương pháp nμy đó lμ lượng số liệu phải đủ lớn để có thể thu được những kết luận tin cậy Điều

đáng quan tâm hơn lμ do đặc điểm chung của nhiều hiện tượng tần số thấp đó lμ chúng chỉ lμ các quá trình tựa chu kỳ Điều đó có nghĩa lμ, mặc dù có chu kỳ nhưng các chu kỳ nμy có thể biến đổi vμ cấu trúc của chúng có thể biến đổi trong khoảng giữa một cực đại nμy tới một cực đại khác Trong các thμnh phần phổ, những dao động có tính chu kỳ được đặc trưng bởi một dải hơn lμ những đỉnh nhọn Những đặc điểm cho

thấy ta phải giải quyết những hiện tượng phi tuyến hơn lμ những mode chuẩn của

những dao động rõ nét trong những phân tích tuyến tính của chuyển động khí quyển

Trong chương nμy, ta sẽ thảo luận những kỹ thuật mang tính thực nghiệm được

sử dụng để tách các thμnh phần tần số thấp của hoμn lưu khí quyển Những cấu trúc

nμy về cơ bản do những dị thường đốt nóng địa phương hoặc những dạng tác động

khác mμ khi gặp điều kiện thuận lợi có thể lan truyền trên một khoảng cách lớn trên

Trái Đất Lý thuyết tia sáng được trình bμy trong mục 6.2 mô tả đơn giản hiện tượng

nμy Ta cũng sẽ xem xét những dao động tựa chu kỳ của hoμn lưu tầng bình lưu vμ

những dao động đáng quan tâm trên miền nhiệt đới Thái Bình Dương kể cả sự tương

tác giữa hoμn lưu khí quyển vμ đại dương Cuối cùng ta sẽ thấy rằng chỉ riêng hệ

thống khí quyển cũng đã đủ phức tạp vμ tính phi tuyến trong việc tạo ra những hiện

tượng tần số thấp dị thường xẩy ra trong thời gian ngắn mμ không do bất cứ nguồn tác

động nμo từ hệ thống bên ngoμi

8.2 Các hình thế quan hệ xa

Kết quả phân tích nhất định của chuỗi thời gian dμi của hoμn lưu chung khí

quyển cho thấy những tương quan quy mô lớn giữa dòng khí ở những vị trí cách xa

nhau Những dao động nμy thuộc khoảng tần số thấp của quy mô thời gian vμ được gọi

lμ ''quan hệ xa'' để nhấn mạnh mối tương quan cùng khoảng cách trong tự nhiên

Quan hệ xa xuất hiện ở những vị trí xác định vμ có dạng ''sóng đứng'' với đỉnh vμ chân

sóng xác định của những dao động tần số thấp Chúng thường nằm theo hướng thể

hiện mối quan hệ của quá trình tần số thấp xẩy ra trong thời gian ngắn giữa miền

nhiệt đới vμ miền ôn đới Lý thuyết của mối liên hệ xa nμy chưa hoμn thiện nhưng ta

sẽ liên hệ chúng với quá trình lan truyền sóng Rossby theo hướng kinh tuyến Trong

mục nμy sẽ mô tả những kỹ thuật thống kê thực nghiệm thường được sử dụng để tìm

các dạng của mối liên hệ xa

Kỹ thuật có triển vọng nhất lμ kỹ thuật phân tích tương quan Xem xét một

trường khí tượng Q được định nghĩa trên một tập hợp N điểm rời rạc; ký hiệu giá trị

thứ i lμ Qi(t) Trong nhiều phân tích thì Q lμ trường độ cao địa thế vị ở mực 500 hPa,

trường nμy được quan trắc với độ chính xác nhất định vμ chuỗi thời gian đủ dμi, tối

thiểu lμ cho miền ngoại nhiệt đới Bắc Bán Cầu Cần lưu ý lμ có thể tìm được các dạng

của mối liên hệ xa tần số thấp bằng việc lọc Qi theo một cách nμo đó để loại bỏ các dao

động tần số cao hơn Đơn giản nhất lμ lọc bằng cách tính giá trị trung bình tháng của

Qi Trọng tâm của phương pháp lμ tính, cho mỗi điểm một tương quan với những giá

trị khác của Q ở các điểm khác Tương quan nμy có dạng

2 / 1 ' j

2 / 1 ' i

' j ' i ijj

QQ

QQ

Điểm i được gọi lμ ''điểm cơ sở'' Tương quan rịj sẽ lớn trong lân cận của điểm cơ sở với

giá trị tiến tới 1 khi j tiến tới i Nếu không có dạng liên hệ xa thì rij sẽ tiến tới không

khi các điểm i, j cách nhau một khoảng lớn hơn quy mô ngang điển hình của hệ thống

hoμn lưu Giá trị dương hay âm lớn của rij cho thấy sự tồn tại của mối quan hệ xa giữa các điểm cách xa nhau

Những ví dụ điển hình đối với mùa đông Bắc Bán Cầu được chỉ ra trên Hình 8.1 Những kết quả tính toán nμy được dựa trên cơ sở số liệu độ cao địa thế vị mực 500hPa cho 45 tháng đối với các tháng 12, tháng 1 vμ tháng 2, bắt đẩu từ mùa đông năm 1962-1963 vμ kết thúc vμo mùa đông 1976-1977 Điểm cơ sở trên Hình 8.1(a) có toạ độ

55oN vμ 20oW ở giữa Đại Tây Dương Vùng elip của tương quan lớn với độ rộng theo chiều kinh tuyến khoảng 2000km có tâm tại điểm cơ sở

Hình 8.1 Bản đồ tương quan dựa theo số liệu độ cao địa thế vị trung bình tháng mực 500hPa trong 45

tháng mùa đông từ 3/1962 đến 7/1976: (a) Điểm cơ sở 55 o N, 20 o W

Giá trị tương quan trên vùng Thái Bình Dương vμ Đông Nam á không lớn Tuy nhiên những tương quan lớn được vạch ra dọc theo một vòng tròn lớn đi qua điểm cơ

sở với sự đổi dấu tương quan từ dương sang âm Một hình thế đáng chú ý hơn được chỉ

ra trên Hình 8.1(b) ở đây điểm cơ sở có vị trí 20o

N, 160o

W trên vùng trung tâm Thái Bình Dương vμ có một loạt trung tâm đổi dấu về hướng bắc từ điểm cơ sở đến Bắc Mỹ Ngược lại tương quan giữa điểm cơ sở vμ những điểm trên Đại Tây Dương vμ Châu á nói chung lμ nhỏ Những điểm cơ sở nμy được lựa chọn vì chúng giống xác định đỉnh các dạng quan hệ xa Còn các điểm cơ sở khác có tương quan giảm đồng nhất tới những giá trị rất nhỏ khi khoảng cách tăng đáng kể kể từ điểm cơ sở Hình 8.2 khái quát các dạng quan hệ xa điển hình ở Bắc Bán Cầu vμo mùa đông Hình thế được xác

định rõ nhất đó lμ hình thế Thái Bình Dương-Bắc Mỹ chỉ ra trên Hình 8.1(b)

Một hình thế đáng kể khác đó lμ dao động bắc Đại Tây Dương (đôi khi được chia thμnh các hình thế đông vμ tây Đại Tây Dương) Những hình thế khác, tuy không rõ rệt bằng, đôi khi cũng được nhận biết mặc dù chúng không có những đặc trưng thống

kê đáng kể

Hình 8.1 (tiếp) (b) điểm cơ sở 20o N, 160 o W Khoảng giữa đường đẳng trị là 0,2, giá trị âm là vùng đậm

(Theo Wallace & Gutzler 1981)

Các đặc trưng của hình thế Thái Bình Dương-Bắc Mỹ vμ dao động bắc Đại Tây Dương lμ sự liên hệ theo chiều kinh tuyến giữa miền nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới vμ miền ôn đới rất đáng quan tâm Chúng có sự tương tự đáng kể với chuỗi xoáy Rossby

được chỉ ra trong mục 6.2, cho thấy mô hình quan hệ xa lμ chuỗi sóng Rossby chịu những khu vực tác động dị thường ở miền nhiệt đới, dị thường trên miền ôn đới

Hình 8.2 Tổng kết về các mô hình quan hệ xa cơ bản mùa đông Bắc Bán Cầu Đường đậm nét chỉ các

đường đẳng trị tương quan 0,6, và các kí tự chỉ các trung tâm dương và âm của các mô hình cơ bản

(Wallace & Gutzler, 1981)

Phân tích tương quan cho ta những thông tin về cấu trúc không gian của quan hệ

xa nhưng không cung cấp nhiều thông tin về quy mô thời gian của các sự kiện quan hệ

xa Quá trình lọc trước phức tạp đối với chuỗi thời gian có thể hữu ích nhưng phương

pháp nμy sẽ rất cồng kềnh vμ những kết luận lại rất mơ hồ về mặt thống kê Một cách

tiếp cận khác cho kết quả tương tự được gọi lμ phân tích hμm trực giao thực nghiệm

hay phân tích EOF Phương pháp nμy được sử dụng rộng rãi để phân tích số liệu quan

trắc cũng như mô phỏng số trị hạn dμi của hoμn lưu toμn cầu

Nguyên tắc cơ bản của phân tích EOF như sau Trường toμn cầu của một biến khí

tượng Qi vμ trung bình thời gian của nó Q , được phân tích tại từng điểm của dãy N i

'

được chỉ ra từ Qi vμ Q Khi hệ thống phát triển thì vectơ Qi i' có dạng sóng vμ dao đông

lân cận Q Câu hỏi được đặt ra lμ các vectơ Qi ’ có được sắp xếp theo những hướng xác

chúng với các ý nghĩa vật lý hay không? Phân tích EOF về cơ bản cho ta một hệ các

vectơ cơ bản trực giao trong không gian N, các vectơ nμy đại diện cho một tập hợp các

vectơ bất kỳ Hình 8.3 lμ một minh hoạ dưới dạng sơ đồ về cách lμm nμy

Hình 8.3 Sơ đồ minh họa qui tắc phân tích EOF, áp dụng cho một hệ hai biến Trạng thái của hệ được

mô tả bằng vectơ Q Chúng tập trung theo một hướng nhất định Cách mô tả hệ này là sử dụng hai

vectơ cơ bản trực giao, một vectơ hướng về phía Q tập trung cực đại, vectơ còn lại vuông góc với

j

Vì '

i '

những giá trị riêng của ma trận nμy lμ thực vμ dương Các vectơ riêng tương ứng tạo

nên một hệ trực giao, vμ do đó chính lμ hệ vectơ cơ bản ta cần hay các hμm trực giao tự

nhiên EOFs Những giá trị riêng j tỷ lệ thuận với phần phương sai tương ứng với các

vectơ riêng Thông thường người ta sắp xếp các giá trị riêng theo thứ tự giảm dần, vì

vậy EOF đầu tiên giải thích phần phương sai lớn nhất trong số liệu vμ EOF thứ hai

giải thích phần phương sai lớn thứ hai vμ vân vân

Các giá tri của mỗi EOF có thể được biểu diễn như lμ một trường Biên độ có thể cho

theo tỷ lệ tuỳ ý nhưng thông thường được chuẩn hoá theo một cách nμo đó Tuy nhiên,

cấu trúc không gian của một số EOF đầu tiên nói chung lμ trơn vμ cho thấy cấu trúc

quy mô lớn chung nhất thường thấy của trường Với một hệ tuyến tính các EOFs có

thể coi lμ các mode chuẩn tuyến tính của hệ thống Đối với hệ thống sát thực tế hơn,

giá trị của chúng nằm ngoμi các hướng tập trung vμ không tập trung trong không gian

N chiều Vì chuỗi thời gian của Qi lμ xác định, vì vậy chỉ có một số ít giá trị riêng đầu

tiên được xem lμ có ý nghĩa thống kê Nếu như chuỗi thời gian bao gồm M thể hiện của

trường thì số lượng các EOFs có ý nghĩa vμo khoảng O(M1/2)

Trường nμy có thể được biểu diễn một cách rất chặt chẽ qua các thμnh phần của EOF

Vì các hμm thực nghiệm lμ trực giao nên ta có thể viết

    



1 j

ij j

Chuỗi thời gian pj(t) được gọi lμ ‘thμnh phần chính thứ j’ của chuỗi số liệu Nó biểu

diễn chuỗi thời gian của hình chiếu của số liệu lên hμm trực giao thực nghiệm thứ j Vì

vậy, các thμnh phần nμy mang ý nghĩa thể hiện sự tương tác về mặt thời gian của

những cấu trúc không gian xác định bởi các hμm trực giao thực nghiệm

Hình 8.4 Kết quả thực hiện một phân tích hμm trực giao tự nhiên của một tập hợp

các trường độ cao địa thế vị mực 500hPa vμo mùa đông Hai hμm trực giao thực

nghiệm đầu tiên được biểu diễn ở đây; chiếm 58% sphương sai tổng cộng của số liệu

Chúng có thể có quan hệ với các hình thế quan hệ xa; sự khác biệt chủ yếu ở Âu á, nơi

có sự lồng ghép (không trực giao) giữa các hình thế quan hệ xa khác nhau được biểu

diễn trên Hình 8.2 Mặt khác, có sự liên hệ tốt giữa các hình thế quan hệ xa vμ các

vectơ EOFs Ví dụ như, EOF đầu tiên bị chiếm ưu thế bởi hình thế PNA (Thái Bình

Dương-Bắc Mỹ) trong khi đó các đặc điểm lớn nhất của EOF thứ hai tương ứng với

hình thế NAO (Dao động Bắc Đại Tây Dương) Sự kết hợp tuyến tính của các vectơ

EOF đầu tiên cho ta các hình thế địa phương phù hợp với các hình thế quan hệ xa

được nhận biết qua kết quả phân tích tương quan Tổ hợp tuyến tính của các EOF nμy

thực chất lμ một vectơ quay xác định EOF trong không gian N chiều của Q , vμ vì vậy 'i

các kết hợp nμy được gọi lμ ‘EOF quay’ Hình 8.4(c) vμ (d) biểu diễn hai EOF quay đầu

tiên đối với độ cao địa thế vị mực 500hPa vμo mùa đông Chúng phù hợp khá tốt với

các hình thế PNA vμ NAO

Trong phần đầu của mục nμy, các mối quan hệ xa được mô tả như lμ “những dao

động đứng” với các khu vực không giao nhau, nơi hệ số tương quan với điểm cơ sở lμ

cao, vμ trong các khu vực giao nhau nơi có tương quan với điểm cơ sở gần như bằng không Xem xét chuỗi thời gian của các thμnh phần chúng ta thấy dao động nμy rất khác dạng sin Hơn nữa, một số tác giả mô tả các dao động như sự chuyển đổi bất thường giữa hai trạng thái hoμn lưu, tương ứng với dấu dương vμ dấu âm của các thμnh phần nμy Mỗi trạng thái được xem như lμ siêu ổn định, do đó hoμn lưu duy trì

ở trạng thái nμy trong một khoảng thời gian trước khi nó chịu một sự biến đổi mạnh, tuy nhiên thực chất không lường trước về trạng thái đối nghịch ‘Các dị thường ổn

định’ nμy hay ‘chế độ đa dòng’ lμ một khả năng ổn định trong một thời gian, một điều

đã rõ từ lâu trong khí hậu synốp Đã có rất nhiều cố gắng để xác định chỉ số chu kỳ của các hình thế trên quy mô khu vực, trong đó sự dao động của dòng giữa một trạng thái dòng vĩ hướng mạnh vμ một dòng vĩ hướng yếu hơn với các xoáy có biên độ lớn Tuy nhiên, vμo các chu kỳ khác, các thμnh phần chính nμy dao động liên tục vμ thất thường Trong suốt thời gian nμy, dao động nμy tương tự với một dao động đứng, mặc

dù với chu kỳ rất khó xác định

Hình 8.4 EOFs Trường độ cao địa thế vị mực 500hPa vào mùa đông, dựa theo cùng chuỗi số liệu 45

tháng như Hình 8.1 (a) và (b) biểu diễn EOF thứ nhất và thứ hai tương ứng.

Các kỹ thuật thống kê trình bμy trong mục nμy đơn giản dùng để tách các hình thế trơn (ít nhiễu động) qui mô lớn trong các trường độ cao địa thế vị hay các biến khác Các kỹ thuật mây nμy không xác định được bất kỳ một cơ chế vật lý nμo đối với mối tương quan của các trường trên những khoảng cách lớn Để lμm được điều đó, cần kiểm tra các số hạng trong các phương trình động lực học đối với dòng khí, vμ cần các thử nghiệm số với một mô hình hoμn lưu toμn cầu

Tuy nhiên, sự tương tự giữa các hình thế quan hệ xa chẳng hạn như hình thế PNA, vμ các chuỗi sóng Rossby dừng được mô tả trong Chương 6 cho thấy sự lan truyền các sóng với tốc độ pha nhỏ hơn hay bằng không lμ một cơ chế có thể lμm phát triển các hình thế quan hệ xa Chẳng hạn như hình thế nμy có thể bị kích động bởi một dị thường khu vực của sự đốt nóng ở miền nhiệt đới khởi đầu một dị thường xoáy

ở các vĩ độ thấp Với bước sóng dμi, các sóng Rossby dừng sẽ lan truyền gần theo kinh

hướng khỏi khu vực ban đầu vμ lệch về phía các vĩ độ cao hơn Mặt khác, lý thuyết

trình bầy trong Chương 6 cho thấy biên độ của sự thích ứng trong trường độ cao địa

thế vị tăng theo vĩ độ, do đó một nhiễu động với biên độ lớn ở miền cận nhiệt đới có thể

dẫn tới một sự thích ứng lại rất đáng kể ở các vĩ độ cao hơn Chẳng hạn các dị thường

nhiệt gây ra bởi đối lưu mạnh trên các đại dương nhiệt đới nóng dị thường, khi đó có

thể tạo ra các dị thường hoμn lưu ở những khoảng cách lớn từ dị thường nhiệt độ mặt

biển

Hình 8.4 (tiếp) (c) và (d) biểu diễn EOF quay thứ nhất và thứ hai, có thể so sánh với các Hình 8.1 (a, b)

(X Cheng & J M Wallace)

Một ví dụ về kiểu quan hệ nμy sẽ được trình bμy trong mục 8.5 Chu kỳ của dị

thường nμy chủ yếu được xác định bởi chu kỳ của dị thường nhiệt độ mặt biển, có

nghĩa lμ bởi qui mô thời gian của các hoμn lưu trong phần trên của đại dương nhiều

hơn lμ trong khí quyển Qui mô thời nμy lμ vμi tuần thì đúng hơn lμ vμi ngμy Hiện

nay nói chung người ta cho rằng rất nhiều biến đối ổn định của dòng khí miền ôn đới

có quan hệ với đại dương nhiệt đới theo cách nμy, do đó trong bμi toán dự báo qui mô

thời gian mùa hay dμi hơn thì một điều dễ hiểu lμ dự báo hoμn lưu đại dương có chất

lượng ổn định hơn so với dự báo hoμn lưu khí quyển

Để hiểu rõ các hiện tượng miền nhiệt đới kích động như thế nμo đối với chuỗi sóng

Rossby ở miền cực, ta xét phương trình xoáy đối với một mực đơn trong khí quyển

Phương trình nμy được viết dưới dạng sau

D

t  





(xem phương trình 1.50) trong đó  lμ xoáy tương đối, xoáy tuyệt đối bằng f +  vμ D

phân kỳ ngang u/xv/y Từ phương trình liên tục, D/p Giả thiết ma sát

lμ nhỏ ở các mực phần trên tầng đối lưu vμ do đó không có số hạng ma sát trong

phương trình (8.5) Tại bề mặt, vế trái của phương trình (8.5) mô tả sự lan truyền của

các sóng Rossby, như đã trình bμy trong mục 6.2, trong khi đó số hạng vế phải biểu

diễn tác động của các sóng nμy ở miền nhiệt đới, tốc độ thẳng đứng lớn cân bằng với

sự đốt nóng, do đó các khu vực có lượng ẩn nhiệt giải phóng lớn liên quan với đối lưu

nhiệt đới sẽ tác động đến dòng thăng lớn ở mực giữa vμ dòng phân kỳ tại các mực trên

của tầng đối lưu Tuy nhiên ở miền nhiệt đới,  đổi dấu ở một số khu vực gần xích đạo,

vμ nói chung có giá trị nhỏ ở miền nhiệt đới Mặt khác, trong mô hình Held-Hou

phương án lý tưởng hoá của hoμn lưu Hadley,  bằng không khi đi qua các vòng hoμn

lưu Hadley Do đó thay vì chứng quan trắc rõ rμng về các hình thế quan hệ xa, các dị

thường đốt nóng ở miền nhiệt đới sẽ không có ảnh hưởng đối với các sóng kích động

sóng tạo ra các quan hệ với miền vĩ độ cao hơn

Vấn đề có thể được giải quyết bằng nhiều cách xem xét một cách chi tiết phương

trình xoáy (8.5) Bây giờ trường vận tốc v có thể được tách thμnh phần quay thuần



Phương trình nμy biểu diễn phần hiệu chỉnh giữa các số hạng lan truyền sóng Rossby

liên quan tới phần quay của trường gió, ở vế trái của phương trình, vμ các số hạng tác

động liên quan đến phần phân kỳ của gió, ở vế phải Sự lan truyền các sóng Rossby lμ

kết quả của bình lưu xoáy tuyệt đối do phần quay, không phải do phần phân kỳ của

trường gió Số hạng phụ biểu diễn bình lưu xoáy tuyệt đối do phần phân kỳ của gió

đương nhiên lμ không nhỏ, thậm chí mặc dù v nhìn chung có giá trị nhỏ so với



v

Đó lμ bởi vì thμnh phần gió quay nhìn chung song song với các đường đẳng trị của ,

trong khi đó thμnh phần gió phân kỳ nhỏ hơn có thể lμm một góc lớn với các đường

nμy Các số hạng tác động đơn giản được gọi lμ số hạng nguồn Rossby S có thể dẫn về

Bây giờ ta có thể thấy các sóng Rossby có thể bị kích động bởi sự đốt nóng miền

nhiệt đới, thậm chí mặc dù  thường nhỏ tại lân cận vùng đốt nóng Dòng phần kỳ sẽ

lớn nhất lân cận rìa của khu vực đốt nóng, bên ngoμi khu vực nμy D có giá trị lớn

Gradien của  lớn khi gần tới miền cận nhiệt đới, vμ do đó S có thể lớn ở miền cận

nhiệt đới, cũng như của cực đại đốt nóng miền nhiệt đới Trên Hình 8.5 lμ sơ đồ minh

hoạ đặc điểm nμy Những ý tưởng nμy được minh họa trên Hình 8.6, hình vẽ nμy cho

thấy hμm nguồn sóng Rossby đối với mùa đông Bắc Bán Cầu Ta thấy một cực đại đốt

nóng rộng lớn phía trên Indonesia (xem Hình 3.8), mặc dù ở đây lμ một khu vực có 

vμ  nhỏ Tuy nhiên, gió phân kỳ mạnh nhất ở phía bắc khu vực nμy, lân cận bờ biển

Đông Nam á Tác động của các sóng Rossby lớn nhất ở khu vực của cực đại dòng xiết Châu á, cách xa khoảng 3000km so với cực đại đốt nóng

Hình 8.5 Sơ đồ minh họa tác động của một chuỗi sóng Rossby do một cực đại đốt nóng miền nhiệt

đới Khu vực tô đậm chỉ khu vực trong đó hàm nguồn sóng Rossby là lớn

Nghiên cứu đối với các cấu trúc qui mô lớn, tần số thấp trong hoμn lưu Nam Bán Cầu bị hạn chế do thiếu số liệu vμ biên độ tương đối nhỏ của những nhiễu động tần số thấp dừng Chất lượng của những phân tích riêng biệt nhìn chung kém hơn so với Bắc Bán Cầu, do ở đây ít trạm cao không Chất lượng của các kết quả phân tích chuỗi thời gian kém hơn so với Bắc Bán Cầu do ít số liệu cao không ở đây chỉ có các dãy số liệu ngắn rất khó có được kết quả thống kê ổn định đối với các hiện tượng tần số thấp ở Nam Bán Cầu đều có biên độ nhỏ hơn, vμ không nổi rõ trên trường nền bị nhiễu động

do các hình thế quy mô synôp của trường nền

Mặc dù đã có rất nhiều nỗ lực để xác định các hình thế quan hệ xa tái diễn trong những năm gần đây, chi tiết của các nghiên cứu không ổn định Tuy nhiên, có hai kết quả xuất hiện rõ rμng vμ có một số điểm chi phối với kết quả của một số nghiên cứu

độc lập ở đây, trình bμy kết quả từ nghiên cứu của Mo & White (1985) dựa trên trường trung bình tháng của độ cao mực 500hPa vμ khí áp mặt đất được tổng kết

Đặc điểm quan trọng đầu tiên lμ sự tương quan âm giữa khí áp mặt đất hay độ cao địa thế vị 500hPa ở miền cực vμ miền nhiệt đới, với một mode lân cận 60oS Ta thấy một nhiễu động có liên quan trong cường độ của đới gió tây ôn đới Một đặc điểm quan trọng khác lμ hình thế 3 số sóng vĩ hướng thông thường Hình thế kiểu như vậy

lμ một đặc điểm của các trường trung bình (xem Hình 6.1(b)), tuy nhiên ở đây xuất hiện một chỉ số chu kỳ gần giá trị nμy dòng khí miền ôn đới nằm giữa một trạng thái

có tính vĩ hướng hơn vμ một trạng thái có sóng dừng với số sóng lμ 3 Phân tích tương quan cho thấy sự xuất hiện ba cực đại của tương quan quanh miền ôn đới Nam Bán Cầu

Hình 8.6 Nguồn sóng Rossby S đối với mùa đông, 1979-89 tại mực 150hPa (a) Các đường đẳng trị của

xoáy tuyệt đối  , khoảng giữa đường đẳng trị là 2 x 10-5 s -1 , và các vectơ gió phân kỳ v Vectơ chuẩn

là 2ms -1 (b) S, khoảng giữa đường đẳng trị 5 x 10-11 s -2 , với vùng đậm chỉ giá trị âm

Hình 8.7 Sự khác biệt giữa sự kết hợp của trường độ cao 500hPa ở Nam Bán Cầu với chỉ số 3 sóng cực

đại, và sự kết hợp với chỉ số 3 sóng cực tiểu Khoảng giữa đường đẳng trị là 40m, với vùng tô đậm chỉ

các giá trị dương (Mo & White, 1985)

Dị thường tại tâm của các cực đại nμy có thể dùng để xây dựng một chỉ số về cường độ của hình thế ba sóng nμy Hình 8.7 mô tả hình thế ba sóng Hình vẽ nμy dựa trên sự kết hợp của các trường mμ chỉ số ba sóng lμ lớn nhất vμ một sự kết hợp tương

tự của các trường với chỉ số ba sóng nhỏ Trên hình vẽ nμy cho thấy sự khác biệt giữa hai cực trị Trên hình nμy cũng cho thấy tương quan khí áp giữa miền vĩ độ cao vμ miền vĩ độ thấp một phần cũng có mối quan hệ với dao động ba sóng nμy, vì nhìn chung nó thể hiện khí áp cao hơn trên khu vực Nam Cực so với trên khu vực cận nhiệt

đới

Kết quả phân tích EOF dựa trên các trường trung bình tháng cũng chỉ ra được những hình thế nμy Chúng chiếm ưu thế đối với hai hμm trực giao đầu tiên, chiếm tới 37% phương sai của giá trị trung bình tháng

Trong mục nμy đã nhấn mạnh sự lan truyền các sóng Rossby từ miền nhiệt đới

đến miền ôn đới Một phần quan trọng của sự biến đổi tần số thấp bao gồm những dị thường dòng khí ổn định ở miền ôn đới có thể liên quan tới sự lan truyền nμy, vμ do đó liên quan với những dị thường trong hoμn lưu đại dương nhiệt đới Tuy nhiên, cần nhớ rằng phần lớn dao động tần số thấp quan trắc được vμ hoạt động sóng Rossby dừng bắt nguồn ở miền ôn đới vμ chủ yếu lan truyền về phía miền nhiệt đới Điều nμy được chứng minh một cách rõ rμng lμ các thông lượng động lượng dừng chiếm ưu thế ở miền cực Các nguồn sóng Rossby miền ôn đới lμ sự tương phản của địa hình vμ của đại dương-lục địa, cũng như sự kích động các sóng Rossby bởi các hệ thống tμ áp tức thời thuần thục

8.3 Những dao động tầng bình lưu

Người ta quan trắc thấy một số dao động có tần suất xuất hiện lớn của gió vĩ hướng trong tầng bình lưu nhiệt đới Đây lμ những ví dụ về những dao động của hoμn lưu khí quyển vμ người ta cho rằng chúng được hình thμnh do những bản chất động lực nội tại của khí quyển hơn lμ do những tác động bên ngoμi Trong mục nμy ta sẽ bμn đến hai dạng dao động Một dao động được gọi lμ “dao động tựa hai năm” (hay lμ

“QBO” ); vμ “dao động nửa năm” (hay lμ “SAO”) QBO được quan sát thấy ở phần dưới

vμ phần giữa tầng bình lưu vμ có thể được nghiên cứu bằng số liệu cao không SAO xẩy ra ở các tầng cao hơn trong khí quyển vμ khó quan trắc được Phía trên độ cao tới

được của các thiết bị thám không, nguồn dữ liệu chủ yếu do thám sát nhiệt độ từ vệ tinh Tuy nhiên, gần miền xích đạo không có điều kiện cân bằng phù hợp để có thể liên

hệ giữa các thám sát nhiệt độ với trường gió Phần lớn các thám sát của dao động SAO lấy từ một chuỗi hữu hạn các đo đạc từ tên lửa được phóng từ các trạm ở miền nhiệt

đới

Dao động QBO bao gồm một dao động của gió vĩ hướng, từ đông sang tây ở các mực trên cao của miền nhiệt đới Gió dao động với một biên độ cực đại vμo khoảng 20-30m/s ở gần mực 20hPa, vμ những dao động nμy có biên độ nhỏ hơn phía dưới mực 50hPa Đới gió đông nhìn chung khá mạnh hơn so với đới gió tây Biến đổi vĩ hướng có

vĩ Chu kỳ biến đổi trong khoảng từ 22-34 tháng; trong một khoảng thời gian dμi, chu kỳ trung bình của dao động khoảng 27

tháng Điều nμy cho thấy rằng dao động nμy không có quan hệ với chu trình năm mặc

dù có một số bằng chứng cho thấy ở đây có một xu thế đảo ngược gió diễn ra vμo mùa

hè ở Bắc Bán Cầu Trong suốt pha hướng tây, đới gió tây vĩ hướng mạnh nhất ở trên xích đạo; đây lμ một dấu hiệu rõ rμng rằng các thông lượng mômen động lượng của xoáy được bao hμm trong dao động QBO, vì dòng khí phía tây nμy có mômen góc trên một đơn vị khối lượng lớn hơn bất kỳ một vùng nμo khác trên bề mặt Trái Đất Cực

đại nμy không thể đạt được trong hoμn lưu không ma sát đối xứng trục Về vấn đề nμy

sẽ được thảo luận trong mục 10.3 Một bằng chứng quan trọng về bản chất của các cơ chế hình thμnh dao động QBO được biểu diễn trên Hình 8.8

Hình 8.8 Mặt cắt thẳng đứng theo thời gian-độ cao của gió vĩ hướng trung bình tháng dựa trên quan

trắc của các trạm miền nhiệt đới ở đảo Canton (tháng 1/1953 đến 8/1967), Đảo Maldive (tháng 9/1967

đến 12/1975) và Singapore (tháng 1/1976 đến 5/1992) Khoảng giữa các đường đẳng trị là 10m/s, vùng

tô đậm là đới gió tây (Naujokat, 1986)

Đây lμ mặt cắt thẳng đứng theo chiều cao vμ thời gian của thμnh phần vĩ hướng

của gió quan sát được ở một số trạm miền nhiệt đới Dao động nμy bắt nguồn từ các

mực trên cao vμ lan truyền chậm xuống phía dưới ở đây có tính bất đối xứng đáng kể

Chẳng hạn như, sự chuyển từ dòng gió đông sang dòng gió tây lan truyền xuống phía

dưới nhanh hơn so với sự chuyển từ dòng gió tây sang dòng gió đông Dễ dμng nhận

thấy rằng dao động QBO không đơn giản lμ một sóng lan truyền từ trên cao xuống Sự

tiêu tán sẽ nhanh chóng ngăn chặn dao động nμy, mật độ giảm theo quy luật hμm mũ

theo chiều cao đòi hỏi biên độ phải lớn nhất ở khu vực tác động vμ biên độ giảm theo

quy luật hμm mũ khi sóng lan truyền xuống phía dưới Trong trường hợp bất kỳ rất

khó chứng minh rằng cơ chế nμo có thể tạo sóng tần số thấp ở các mực trên cao trong

tầng bình lưu Lý thuyết về dao động được chấp nhận hiện nay về QBO cho rằng dòng

bị tác động từ tầng đối lưu vμ do đó có sự tương tác giữa các sóng lan truyền lên phía

trên vμ dòng trung bình

Một mô phỏng theo hướng nμy được Plumb & McEwan (1978) thực hiện trong

phòng thí nghiệm Các thiết bị nμy được minh họa trên Hình 8.9 bao gồm một bể hình

trụ chứa nước biển được phân tầng với một cơ chế kích động tạo sóng đứng, tần số  vμ

số sóng vĩ hướng k trên biên dưới Sóng đứng kiều như vậy có thể được tách thμnh hai

sóng di chuyển với biên độ bằng nhau nhưng di chuyển theo hướng ngược nhau với tốc

độ pha c/k Dung dịch nước biển cho ta các sóng trọng trường nội, với số sóng vĩ

hướng k vμ số sóng thẳng đứng m Quan hệ tiêu tán đối với các sóng trọng trường nội

lan truyền thẳng đứng lμ

 2 21 / 2

mk

NkUk







trong đó U lμ gió vĩ hướng, được coi lμ không đổi hoặc chỉ lμ một hμm biến đổi rất

chậm theo chiều cao z, vμ N lμ tần số Brunt-Vaisala Lý thuyết về sự lan truyền thẳng

đứng của các sóng trọng trường nội qua môi trường trong đó gió vĩ hướng biến đổi

chậm theo độ cao có thể phát triển, dựa trên quan hệ tiêu tán Các bước nμy giống với

các bước trong mục 6.2 đối với sự lan truyền theo phương ngang của sóng Rossby Tần

số vμ số sóng vĩ hướng được bảo toμn theo sóng lan truyền trong khi đó phương trình

(8.9) có thể được sắp xếp lại để cho ta quan hệ chẩn đoán giữa m vμ giá trị địa phương

của gió vĩ hướng U

 2 2

2 2

kUc

N



Dấu của m được xác định bởi điều kiện vận tốc nhóm của sóng trọng trường hướng lên

trên Từ quan hệ tiêu tán, thμnh phần thẳng đứng của vận tốc nhóm, /m có thể

viết dưới dạng

 

2

3 gz

N

kmUc

Do đó, để bảo đảm sự lan truyền năng lượng lên trên, căn âm đối với m phải được chọn

khi U > c, vμ căn dương khi U < c Phương trình (8.10) cũng cho thấy có sự hạn chế đối

với giá trị của U trong bất kỳ sự lan truyền thẳng đứng nμo Số sóng theo chiều thẳng

đứng lμ ảo, có nghĩa lμ các sóng bị biến dạng theo chiều thẳng đứng, trừ phi

 2 2 2

k/NU

Sự lan truyền thẳng đứng chỉ xẩy ra đối với khoảng tốc độ dòng tập trung ở c Kích

thước của khoảng nμy phụ thuộc vμo việc lựa chọn các giá trị N vμ k

Hình 8.9 Các dụng cụ được Plumb & McEwan sử dụng như là một mô hình của QBO

Minh họa về sự giới hạn đối với giá trị U được biểu diễn trên Hình 8.10 Hình nμy

cho ta thμnh phần thẳng đứng của vận tốc nhóm lμ một hμm của tốc độ dòng khí U

Các giá trị của U, k vμ  lμ các giá trị được Plumb-McEwan sử dụng trong thí nghiệm

Sự lan truyền thẳng đứng chỉ có thể xẩy ra với U nhỏ hơn 57 mm/s Giả thiết U lμ gió

tây, vμ có độ lớn xẩy ra sự lan truyền thẳng đứng Độ nghiêng của các đường pha

không đổi đơn giản lμ m/k; yêu cầu cgz phải hướng lên trên có nghĩa lμ m trái dấu với c

– U Vì vậy sự nghiêng pha về phía tây theo độ cao khi U > c Điều nμy có nghĩa lμ

 * *

w

tiêu tán, do khuếch tán nội chẳng hạn, phải có sự hội tụ của dòng động lượng gió đông,

vμ do đó gia tốc hướng đông sẽ lμ phổ biến Lân cận các mực nμy, U sẽ giảm từ từ, vμ

cuối cùng đạt tới giá trị tại đó khởi đầu sự lan truyền thẳng đứng Nếu tác động ở mực

nμy được duy trì, mực gió bằng không do đó dần dần sẽ hạ xuống trong dòng khí Cuối

cùng, đới gió đông sẽ hạ xuống tới đáy Khi đó các sóng với U < c có thể lan truyền theo

chiều thẳng đứng Nếu tất cả các lập luận trên đảo ngược, khi đó các sóng nμy sẽ vận

chuyển động lượng hướng tây lên cao, vμ gây ra sự đảo ngược dòng khí, trước hết ở các

mực trên cao sau đó tại các mực thấp hơn Dụng cụ nμy thể hiện một dao động tần số

thấp của gió vĩ hướng, điều khiển bởi các tương tác phi tuyến giữa các sóng trọng

trường lan truyền lên trên vμ dòng vĩ hướng

Nói chung, hiện nay người ta đã chấp nhận rằng dao động tựa hai năm của khí

quyển bị điều khiển theo cách nμy Các chuyển động trong tầng đối lưu, đặc biệt

những chuyển động gắn liền với các đám mây tích đối lưu ở miền nhiệt đới, có thể tác

động tới một phổ các nhiễu động tại đỉnh tầng đối lưu nhiệt đới Các sóng trọng trường

lan truyền thẳng đứng có thể ít quan trọng hơn nhiều đối với QBO so với các sóng lan truyền thẳng đứng qui mô lớn hơn; quan trọng lμ các sóng Kelvin qui mô hμnh tinh, có thể lan truyền lên tầng bình lưu trong các điều kiện gió đông vμ các sóng hỗn hợp Rossby-trọng trường có thể lan truyền trong các điều kiện gió tây Mục 7.1 cho ta một cách giải thích về các sóng qui mô hμnh tinh lan truyền về phía xích đạo Đặc trưng khác biệt của những sóng nμy giúp ta giải thích sự bất đối xứng quan trắc được giữa pha gió đông vμ gió tây của đao động tựa hai năm QBO; bản chất hỗn loạn của tác

động có sự biến đổi tần số thấp đáng kể, điều nμy giải thích tại sao QBO chỉ có nửa chu kỳ Sự hạn chế của QBO đối với những vĩ độ nhiệt đới phản ánh sự hạn chế có tính kính hướng của các dao động xích đạo điều khiển nó

Hình 8.10 Sự phụ thuộc của các thành phần thẳng đứng của vận tốc nhóm vào dòng vĩ hướng U đối

với mô hình QBO trong phòng thí nghiệm của Plumb-McEwan Đường liền biểu diễn các trường hợp U

vμ một nửa độ rộng lμ 25o

vĩ Cực đại của gió tây tại đỉnh tầng đối lưu xuất hiện ngay sau điểm phân vμ cực đại gió đông xuất hiện ngay sau điểm chí Đôi khi người ta nói rằng SAO có phạm vi toμn cầu chứ không chỉ hạn chế ở miền nhiệt

đới Tuy nhiên, dường như SAO ở miền ngoại nhiệt đới đơn giản lμ một hμm điều hòa

đầu tiên của chu trình năm của gió vĩ hướng

Gia tốc gió tây của SAO tầng bình lưu đầu tiên xuất tại đỉnh tầng bình lưu vμ lan truyền xuống dưới, với tốc độ khoảng 10km/tháng Nó hoμn toμn tương tự với QBO, vμ

có bằng chứng rõ rμng rằng các sóng Kelvin lan truyền theo chiều thẳng đứng liên quan với gia tốc gió tây Tuy nhiên, không có bằng chứng đầy đủ về hoạt động của sóng Kelvin giải thích cho độ lớn của gia tốc nμy; điều nμy có thể lμ các sóng trọng trường cũng đóng một vai trò nμo đó Gia tốc gió đông thì hoμn toμn khác Nó xuất hiện hầu như đồng thời tại tất cả các mực, vμ do đó các sóng lan truyền theo chiều

thẳng đứng phải đóng một vai trò phụ trợ trong việc điều khiển nó Vận chuyển theo phương ngang của mômen động lượng cần để cung cấp tạo gia tốc đồng thời tại tất cả các mực Bình lưu trung bình vĩ hướng của đới gió đông mùa hè vượt xích đạo có thể giải thích cho độ lớn của gia tốc gió đông, với vận chuyển động lượng theo phương ngang liên quan với sự phá vỡ các sóng Rossby trong bán cầu mùa đông, có thể đóng một vai trò quan trong thứ hai Chi tiết hơn về các vấn đề liên quan tới hoμn lưu tầng bình lưu sẽ được đề cập trong Chương 9

SAO tại đỉnh tầng trung quyển không được quan trắc một cách rõ rμng Người ta cho rằng nó chủ yếu bị điều khiển bởi các sóng trọng trường lan truyền lên trên, tương

tự trong dạng Plumb-McEwan của QBO

8.4 Dao động nội mùa

Ngoμi các chu trình dao động theo mùa thông thường, những dao động tựa chu kỳ của hoμn lưu tầng đối lưu lμ khá hiếm Vì vậy nó trở thμnh chủ đề mới lạ đầu những năm của thập kỷ 70, khi người ta phát hiện ra một dao động tựa chu kỳ của hoμn lưu gió vĩ hướng với chu kỳ khoảng từ 40 đến 50 ngμy Từ đó dao động nμy được dẫn chứng nhiều trong những nghiên cứu về sự biến đổi của tầng đối lưu Chu kỳ nμy có thể biến

đổi, vμ khoảng biến đổi của nó đến nay đã mở rộng từ 30 đến 60 ngμy Các tên gọi khác nhau như dao động 30-60 ngμy, dao động 40-50 ngμy vμ dao động Madden-Julian, tên gọi phù hợp nhất có thể lμ “dao động nội mùa”, tức lμ một dao động bất thường nμo đó có quy mô thời gian đủ dμi để đem so sánh với những quy mô synôp nhưng lại ngắn hơn so với quy mô thời gian theo mùa Hình 8.11 biểu diễn số liệu khí

áp bề mặt tại trạm đơn, Canton Island (3o

S, 172o

W); dao động nμy thể hiện trong số liệu tại trạm đó vμ thể hiện rất rõ khi thực hiện một phép lọc dải tần số thích hợp để

bỏ qua những tần số cao vμ chu kỳ mùa

Hình 8.11 Biến trình khí áp mặt đất từ Canton (3o S, 172 o W) Đường cong trên là biến trình số liệu thô và

đường cong nằm dưới là kết quả của việc áp dụng phép lọc có trung tâm lân cận 45 ngày đối với chuỗi

số liệu ( Madden & Julian, 1972)