1. Trang Chủ
  2. Địa Lý
  3. Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 2

Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 2

Quan trắc và mô hình hóa hoàn lưu khí quyển toàn cầu 2.1 việc tính trung bình trong nghiên cứu khí quyển Một cách chặt chẽ, việc mô tả hoàn l-u khí quyển toàn cầu đòi hỏi phải xác định đ-ợc sự phát triển của tr-ờng các biến khí t-ợng trong không gian ba chiều. Việc diễn giải số liệu cần nén lại và mô tả hoàn l-u toàn cầu nhìn chung cần phải thực hiện phép lấy trung bình. Một biến bất kỳ sẽ gồm phần giá trị trung bình và phần nhiễu của nó hay phần ‘xoáy’. Giả thiết rằng... ch−¬ng 2. quan tr¾c vμ

Thể loại Tài liệu miễn phí Địa Lý

Số trang 27

Ngày tạo 8/29/2018 11:44:00 PM +00:00

Loại tệp PDF

Kích thước 0.89 M

Tên tệp

Tải Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) -... (.pdf)

Xem mẫu

  1. ch−¬ng 2. quan tr¾c vμ m« h×nh hãa hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu 2.1 viÖc tÝnh trung b×nh trong nghiªn cøu khÝ quyÓn Mét c¸ch chÆt chÏ, viÖc m« t¶ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu ®ßi hái ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc sù ph¸t triÓn cña tr−êng c¸c biÕn khÝ t−îng trong kh«ng gian ba chiÒu. ViÖc diÔn gi¶i sè liÖu cÇn nÐn l¹i vμ m« t¶ hoμn l−u toμn cÇu nh×n chung cÇn ph¶i thùc hiÖn phÐp lÊy trung b×nh. Mét biÕn bÊt kú sÏ gåm phÇn gi¸ trÞ trung b×nh vμ phÇn nhiÔu cña nã hay phÇn ‘xo¸y’. Gi¶ thiÕt r»ng t¸c ®éng cña tõng xo¸y riªng biÖt lμ kh«ng quan träng mÆc dï c¸c ®Æc tÝnh trung b×nh cña xo¸y cã thÓ cã t¸c ®éng ®¸ng kÓ ®Õn tr−êng trung b×nh. Cã nhiÒu c¸ch lÊy trung b×nh kh¸c nhau trong khÝ quyÓn nh−ng c¸ch phæ biÕn nhÊt lμ lÊy trung b×nh theo kinh ®é hay ‘trung b×nh vÜ h−íng’ vμ lÊy trung b×nh theo thêi gian. Kh¸i niÖm vÒ c¸ch lÊy trung b×nh tæng thÓ còng quan träng. Nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y vÒ hoμn l−u toμn cÇu ®Òu sö dông c¸ch lÊy trung b×nh vÜ h−íng. HÇu hÕt c¸c biÕn khÝ quyÓn biÕn ®æi theo vÜ h−íng nhiÒu h¬n so víi theo chiÒu th¼ng ®øng hoÆc kinh h−íng. H¬n n÷a, vÜ ®é trªn Tr¸i §Êt lμ yÕu tè quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh sù kh¸c biÖt vÒ khÝ hËu. Trung b×nh vÜ h−íng cña mét ®¹i luîng v« h−íng bÊt kú Q kÝ hiÖu lμ [Q] vμ ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau 2 Q  1 0Qd  (2.1) 2 BiÕn ®æi qua kho¶ng c¸ch x däc theo vßng trßn vÜ ®é ta ®−îc Q  1 0Qdx L (2.2) L Tõ ®Þnh nghÜa ta thÊy [Q] kh«ng phô thuéc vμo vÜ ®é. Gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña Q nh×n chung sÏ kh¸c so víi [Q]. §é lÖch nμy ®−îc gäi lμ ‘phÇn nhiÔu’ hay ‘dÞ th−êng vÜ h−íng’ cña Q vμ ®−îc kÝ hiÖu lμ Q* Q   Q  Q (2.3) Ta cã Q  Q vμ Q    0 (2.4) NÕu Q lμ mét hμm liªn tôc cña vÜ ®é th×  Q   x   0 (2.5)  T−¬ng tù ®èi víi c¸ch lÊy trung b×nh theo thêi gian. KÝ hiÖu trung b×nh theo thêi gian cña Q trong mét kho¶ng thêi gian  nμo ®ã lμ Q víi - 39 -
  2. 1  Q (2.6) Qdt 0 PhÇn nhiÔu cña Q kÝ hiÖu lμ Q’ víi Q  Q  Q (2.7)  ph¶i lÊy ®ñ dμi, gi¸ trÞ trung b×nh theo thêi gian cña Q sÏ kh«ng phô thuéc vμo . Thêi gian ‘®ñ dμi’ cã nghÜa lμ nã ph¶i lín h¬n kho¶ng thêi gian tån t¹i ®Æc tr−ng cña c¸c hÖ thèng thêi tiÕt vμ ®èi víi miÒn «n ®íi, phÇn lín c¸c ®¹i l−îng trung b×nh kh«ng phô thuéc vμo  víi  lín h¬n tõ 15-20 ngμy. ë miÒn nhiÖt ®íi, thêi gian cÇn thiÕt cã thÓ ng¾n h¬n. Hoμn l−u toμn cÇu biÕn ®æi ®¸ng kÓ theo chu kú mïa vμ do ®ã kho¶ng lÊy trung b×nh lμ ba th¸ng, vμo kho¶ng 91 hoÆc 92 ngμy. C¸c mïa th«ng th−êng lμ th¸ng 12, th¸ng 1, th¸ng 2 kÝ hiÖu lμ DJF lμ mïa ®«ng ë B¾c B¸n CÇu vμ mïa hÌ ë Nam B¸n CÇu; th¸ng 6, th¸ng 7, th¸ng 8 kÝ hiÖu lμ JJA lμ mïa hÌ ë B¾c B¸n CÇu vμ mïa ®«ng ë Nam B¸n CÇu. C¸c mïa chuyÓn tiÕp nh− th¸ng 3, th¸ng 4, th¸ng 5 (MAM) vμ th¸ng 9, th¸ng 10, th¸ng 11 (SON) th−êng Ýt ®−îc nghiªn cøu v× c¸c biÕn khÝ t−îng cã xu thÕ hÖ thèng trong c¸c thêi kú chuyÓn tiÕp nμy. Thùc tÕ, c¸c ®Æc ®iÓm quan träng cña chu kú mïa cã c¸c pha kh¸c nhau Ýt nhiÒu ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau. Tuy nhiªn, viÖc ph©n chia thμnh bèn mïa nh− vËy còng phï hîp víi môc ®Ých nghiªn cøu cña cuèn s¸ch nμy. MÆc dï c¸c ®Æc tr−ng tæng thÓ cña hoμn l−u ®−îc t¸i hiÖn l¹i tõ n¨m nμy qua n¨m kh¸c nh−ng nh÷ng yÕu tè trong n¨m cña nã vÉn biÕn ®æi. Ta sÏ sö dông kh¸i niÖm ‘tæng thÓ’ cã nghÜa lμ mét sè th¸ng cña mïa ®«ng DJF ®−îc lÊy trung b×nh cïng nhau. ˆ Trung b×nh tæng thÓ nμy ®−îc kÝ hiÖu Q víi Q ˆ Q (2.8) i i Tuy nhiªn, kÝ hiÖu nμy h¬i cång kÒnh. Sè mïa lÊy trung b×nh cïng nhau th−êng ®−îc x¸c ®Þnh trong thùc nghiÖm h¬n lμ trong nghiªn cøu khoa häc v× c¸c th¸m s¸t vÒ khÝ quyÓn toμn cÇu phï hîp (®Æc biÖt ë c¸c mùc c¸ch xa bÒ mÆt Tr¸i §Êt) gÇn ®©y míi cã hiÖu lùc. C¸c nghiªn cøu lÞch sö vμ cæ khÝ hËu cho thÊy hoμn l−u toμn cÇu thÓ hiÖn nh÷ng dao ®éng ë tÊt c¶ c¸c qui m« thêi gian, kÓ c¶ nh÷ng qui m« dμi nhÊt nh− qui m« lÞch sö ®Þa chÊt. Mùc ho¹t ®éng trung b×nh cña xo¸y ®−îc x¸c ®Þnh bëi sù biÕn ®æi cña mét ®¹i l−îng cho tr−íc theo thêi gian hoÆc theo kinh ®é. Sù biÕn ®æi nμy ®−îc kÝ hiÖu lμ Q * 2  hay Q ' 2 vμ nh×n chung sÏ cã gi¸ trÞ kh¸c kh«ng.     T−¬ng tù, t−¬ng quan cña hai ®¹i l−îng ®éc lËp còng cÇn quan t©m. Gi¶ thiÕt ®¹i l−îng v« h−íng thø hai kÝ hiÖu lμ R, khi ®ã t−¬ng quan cña Q vμ R lμ [Q*R*] hoÆc Q ' R ' . Cã thÓ biÓu diÔn sè h¹ng t−¬ng quan b»ng sù ®ãng gãp cña c¸c qui m« vμ tÇn sè kh¸c nhau. T−¬ng quan cña hai ®¹i l−îng cã quan hÖ chÆt chÏ víi sù dao ®éng vÒ pha cña chóng. §Ó minh ho¹ ®iÒu nμy, gi¶ thiÕt Q* vμ R* cïng biÕn ®æi theo d¹ng h×nh sin theo vÜ h−íng nh−ng lÖch pha lμ  Q   Q 0 sin kx  , R   R 0 sin kx    (2.9) - 40 -
  3. Khi ®ã cã thÓ biÓu diÔn d¹ng l−îng gi¸c nh− sau   Q  R   Q 0 R 0 cos  1 (2.10) 2 T−¬ng quan ®¹t cùc ®¹i khi  =0 vμ b»ng kh«ng khi  = /2. T−¬ng quan gi÷a c¸c ®¹i l−îng khÝ t−îng kh¸c nhau vμ c¸c thμnh phÇn vËn tèc lμ rÊt quan träng. Chóng ®−îc gäi lμ c¸c sè h¹ng ‘nhiÔu ®éng xo¸y’. XÐt ‘ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn’ cña mét ®¹i l−îng v« h−íng Q trong hÖ to¹ ®é khÝ ¸p nh− sau Q Q Q Q u v  S (2.11) t x y p trong ®ã S lμ sè h¹ng nguån, m« t¶ sù biÕn ®æi cña Q däc theo chuyÓn ®éng cña phÇn tö khÝ. Ph−¬ng tr×nh liªn tôc (1.43) kÕt hîp víi ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn cã thÓ viÕt d−íi d¹ng th«ng l−îng nh− sau uQ    vQ   Q   S Q   (2.12) p y t x   ¸p dông to¸n tö trung b×nh vÜ h−íng ®èi víi ph−¬ng tr×nh nμy. Chó ý r»ng vQ * vμ c¸c sè h¹ng t−¬ng tù b»ng kh«ng, sù biÕn ®æi cña [Q] ®−îc x¸c ®Þnh bëi Q  v Q   Q   v Q     Q   S      (2.13) t y p y p Hai sè h¹ng ®Çu tiªn vÕ ph¶i biÓu diÔn b×nh l−u cña [Q] nhê dßng trung b×nh vÜ h−íng. Hai sè h¹ng tiÕp theo biÓu diÔn sù héi tô cña th«ng l−îng rèi Q vμ thÓ hiÖn vai trß cña rèi ®èi víi sù ph©n bè trung b×nh cña [Q] mÆc dï b¶n th©n gi¸ trÞ trung b×nh cña Q* lμ b»ng kh«ng. Theo ý nghÜa khÝ hËu, [Q]/t sÏ gÇn víi kh«ng vμ do ®ã ph©n bè trung b×nh cña [Q] ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù c©n b»ng gi÷a vËn chuyÓn bëi gi¸ trÞ trung b×nh vμ vËn chuyÓn rèi cña Q vμ c¸c sè h¹ng nguån [S]. VËn chuyÓn bëi gi¸ trÞ trung b×nh vμ rèi lμ kh«ng ®éc lËp víi nhau vμ v× vËy trong mét sè tr−êng hîp chóng cã thÓ lo¹i trõ lÉn nhau. Trong phÇn nghiªn cøu ë môc nμy ®· coi gi¸ trÞ trung b×nh cña Q ë mét sè vÞ trÝ th¸m s¸t lμ dõng so víi bÒ mÆt Tr¸i §Êt. PhÐp lÊy trung b×nh nh− vËy ®−îc gäi lμ ‘trung b×nh Euler’. Trong mét sè tr−êng hîp cã thÓ lÊy trung b×nh mét ®¹i l−îng nμo ®ã theo sù chuyÓn ®éng cña tõng phÇn tö riªng biÖt trong khÝ quyÓn, c¸ch nμy gäi lμ ‘trung b×nh Lagrange’. Tuy nhiªn, trong hÇu hÕt c¸c tr−êng hîp, khi tÝnh trung b×nh Lagrange th−êng gÆp nhiÒu khã kh¨n. §ã lμ do nã g¾n liÒn víi b¶n chÊt rèi cña dßng khÝ, cã nghÜa lμ c¸c phÇn tö ban ®Çu nhanh chãng bÞ ph©n nhá ra vμ nhËp vμo phÇn cßn l¹i cña khÝ quyÓn. ChÝnh v× vËy, trung b×nh Lagrange lμ mét gi¶ thuyÕt Ýt cã tÝnh thùc tÕ. Tuy nhiªn, cã thÓ x©y dùng mét sè c¸ch lÊy trung b×nh theo kiÓu gÇn ®óng Lagrange. Ch¼ng h¹n nh−, lÊy trung b×nh mét tr−êng theo mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ h¬n lμ lÊy theo mÆt ®¼ng ¸p hay mÆt ®¼ng cao sÏ cho ta gi¸ trÞ trung b×nh ®èi víi chuyÓn ®éng ®o¹n nhiÖt vμ gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña ®èt nãng qui m« lín trong tÇng ®èi l−u. - 41 -
  4. 2.2 M¹ng quan tr¾c toμn cÇu C¸c sè liÖu quan tr¾c ®−îc thu thËp bëi c¸c quan tr¾c viªn ®Ó cung cÊp cho ta c¸c th«ng tin khÝ t−îng vμ c¸c sè liÖu ®Çu vμo ®èi víi c¸c m« h×nh dù b¸o sè. C¸c phi c«ng, thuû thñ… th−êng ®−îc cung cÊp vÒ tr¹ng th¸i hiÖn t¹i cña khÝ quyÓn. C¸c th¸m s¸t nμy t¹o thμnh mét chuçi sè liÖu c¬ b¶n dïng ®Ó ph©n tÝch vμ nghiªn cøu c¸c hÖ thèng thêi tiÕt riªng biÖt vμ sù h×nh thμnh nªn hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu. Trong môc nμy sÏ giíi thiÖu mét sè nguån sè liÖu c¬ b¶n vÒ hoμn l−u toμn cÇu. Nh÷ng kh¸i niÖm vμ ph−¬ng ph¸p giíi thiÖu trong môc nμy ®ang ®−îc øng dông t¹i c¸c viÖn khÝ t−îng trªn thÕ giíi n¬i thùc hiÖn c¸c ph©n tÝch vμ dù b¸o toμn cÇu. ViÖc l−u tr÷ sè liÖu hoμn l−u toμn cÇu ®−îc thiÕt lËp tõ kho l−u tr÷ cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u vμ mét sè nguån sè liÖu chñ yÕu kh¸c. HÖ thèng quan tr¾c c¬ b¶n lμ m¹ng l−íi cao kh«ng. Trªn thÕ giíi cã kho¶ng 1000 tr¹m th¶ bãng th¸m kh«ng thêi tiÕt mang theo c¸c thiÕt bÞ ®o. C¸c thiÕt bÞ nμy ghi l¹i gi¸ trÞ cña nhiÖt ®é, khÝ ¸p vμ ®é Èm. QuÜ ®¹o cña bãng nhê ra®a cho ta sè liÖu vÒ c¸c thμnh phÇn giã ngang ë c¸c mùc kh¸c nhau. ViÖc th¶ bãng ®−îc thùc hiÖn Ýt nhÊt 2 lÇn trong ngμy theo “giê syn«p” vμo 0h00 GMT (Greenwich Mean Time) vμ 12h00 GMT; mét sè tr¹m thùc hiÖn quan tr¾c ë kho¶ng gi÷a cña hai kú quan tr¾c nμy. Bãng th¸m kh«ng lμ mét lo¹i bãng thêi tiÕt nh−ng kh«ng cã thiÕt bÞ ®o, khi bãng bay lªn cao sÏ cho th«ng tin vÒ vect¬ giã ngang nh− lμ mét hμm cña ®é cao. HÖ thèng cao kh«ng lμ mét trong c¸c hÖ thèng quan tr¾c khÝ quyÓn chÝnh x¸c nhÊt. NhiÖt ®é ®−îc ®o víi kho¶ng sai sè + 1K, ®é Èm t−¬ng ®èi lμ + 10% vμ giã lμ + 3- 5m/s. Sai sè sÏ lín h¬n ë c¸c mùc cao h¬n n¬i mËt ®é kh«ng khÝ nhá cã nghÜa lμ thêi gian ph¶n håi tíi c¸c thiÕt bÞ sÏ dμi h¬n vμ viÖc b¶o vÖ chóng khái bøc x¹ nhiÖt trë nªn khã kh¨n h¬n. Sè liÖu cao kh«ng ®o ®−îc phÇn lín tÇng ®èi l−u vμ cã thÓ tíi phÇn d−íi tÇng b×nh l−u. HiÖn nay, kho¶ng 50% sè liÖu cao kh«ng ®¹t tíi mùc 100hPa hoÆc cao h¬n. C¸c nç lùc quèc tÕ dÉn ®Çu lμ Tæ chøc KhÝ t−îng ThÕ giíi ®¶m b¶o r»ng sè liÖu cao kh«ng mμ c¸c trung t©m khÝ t−îng sö dông ®−îc thu thËp ®Çy ®ñ víi cïng mét chuÈn vÒ ®é chÝnh x¸c. Tuy vËy, vÉn cã sù bÊt liªn tôc ®¸ng kÓ trong c¸c biÕn khÝ t−îng ë c¸c ®−êng biªn giíi quèc gia, ®Æc biÖt ë c¸c mùc trªn cao. §o ®¹c cao kh«ng rÊt chÝnh x¸c, cã ®é ph©n gi¶i th¼ng ®øng rÊt cao. C¸c tr¹m thu thËp gi¸ trÞ cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng t¹i c¸c ‘mùc chuÈn’ cïng víi gi¸ trÞ t¹i c¸c ‘mùc ®o’ n¬i mét th«ng sè hay gi¸ trÞ gradien cña nã ®−îc quan tr¾c. C¸c mùc chuÈn lμ 1000hPa, 850hPa, 700hPa, 500hPa, 400hPa, 300hPa, 250hPa, 200hPa, 150hPa, 100hPa, 50hPa vμ 30hPa. Sè liÖu cao kh«ng lμ gi¸ trÞ ®Æc tr−ng t¹i mét ®iÓm trong mét thÓ tÝch kh«ng khÝ t¹i mçi mùc mμ nã ®i qua. Tuy nhiªn, viÖc x¸c ®Þnh thÓ tÝch kh«ng khÝ ®Æc tr−ng cho ®iÓm ®ã mang tÝnh chÊt t−¬ng ®èi, ch¼ng h¹n nh− sè liÖu ®o ®−îc trong mét líp kh«ng khÝ m©y sÏ cã profile rÊt kh¸c so víi gi¸ trÞ ®o ®−îc c¸ch ®ã vμi kilomet hay vμi phót sau ®ã. §iÒu nμy lμm cho viÖc gi¶i thÝch c¸c sè liÖu ®o ®¹c ®é Èm vμ ®−¬ng nhiªn c¶ tr−êng nhiÖt vμ tr−êng giã gÆp khã kh¨n. ViÖc duy tr× c¸c tr¹m cao kh«ng kh¸ tèn kÐm, ®iÒu nμy gi¶i thÝch t¹i sao c¸c tr¹m ®−îc ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu nh− trªn H×nh 2.1. Kho¶ng c¸ch trung b×nh cña hai tr¹m liÒn kÒ lμ kho¶ng 700km, t−¬ng ®−¬ng víi qui m« ®Æc tr−ng cña xo¸y thuËn - 42 -
  5. miÒn «n ®íi lμ 1000km. Kho¶ng 800 tr¹m cao kh«ng trong tæng sè 1000 tr¹m n»m ë vïng B¾c B¸n CÇu. §iÒu nμy cã nghÜa lμ kho¶ng c¸ch trung b×nh gi÷a c¸c tr¹m ë Nam B¸n CÇu lμ 1100km. C¸c tr¹m ®−îc ph©n bè trªn ®Êt liÒn nhiÒu h¬n. Sè liÖu bÞ khuyÕt chñ yÕu trªn ®¹i d−¬ng vμ trªn nh÷ng vïng th−a thít c¸c tr¹m nh− hoang m¹c ë b¾c Ch©u Phi vμ ArËp. Mét sè hßn ®¶o n»m gi÷a biÓn còng cã c¸c tr¹m quan tr¾c vμ mét sè tμu biÓn thêi tiÕt cè ®Þnh n»m ë vïng b¾c §¹i T©y D−¬ng vμ b¾c Th¸i B×nh D−¬ng mÆc dï vËy mét sè khu vùc m¹ng l−íi cao kh«ng vÉn cßn rÊt th−a thít. Vïng th−a thít sè liÖu ®¸ng quan t©m nhÊt lμ vïng «n ®íi Th¸i B×nh D−¬ng Nam B¸n CÇu, chØ cã mét tr¹m duy nhÊt n»m gi÷a NewZealand vμ bê biÓn Chilª. H×nh 2.1. Ph©n bè toμn cÇu cña (a) tr¹m cao kh«ng (tæng sè tr¹m quan tr¾c = 611 ( 601 tr¹m trªn lôc ®Þa,  10 tr¹m trªn tμu)); vμ (b) bãng th¸m kh«ng th¶ trong ph©n tÝch 12.00 GMT ngμy 29/10/1991 cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (tæng sè quan tr¾c = 161 (c¶ trªn lôc ®Þa)). - 43 -
  6. RÊt nhiÒu tr¹m khÝ t−îng trªn thÕ giíi chØ ph¸t b¸o sè liÖu mÆt ®Êt v× viÖc duy tr× c¸c tr¹m nμy Ýt tèn kÐm h¬n, ph©n bè c¸c tr¹m nμy nh− trªn H×nh 2.2. Bªn c¹nh viÖc ®o c¸c ®¹i l−îng nh− nhiÖt ®é, khÝ ¸p, ®é Èm vμ giã, c¸c tr¹m mÆt ®Êt cßn ph¸t b¸o nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nh− hiÖn t−îng thêi tiÕt, d¹ng m©y... HiÖn nay, rÊt khã ®Ó tæ hîp d¹ng sè liÖu nμy víi sè liÖu ®−îc ph©n tÝch tõ m¸y tÝnh cho c¸c môc ®Ých dù b¸o thêi tiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ. §iÒu nμy thËt ®¸ng tiÕc v× nã chøa ®ùng kh¸ nhiÒu th«ng tin h÷u Ých. Ngoμi c¸c tr¹m quan tr¾c ®Æt cè ®Þnh trªn ®Êt liÒn lμ c¸c tr¹m syn«p bÒ mÆt cßn cã sè liÖu quan tr¾c ®o bëi c¸c tμu biÓn. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, quan tr¾c bÒ mÆt ®−îc thùc hiÖn tù ®éng. §iÒu nμy lμm t¨ng kh¶ n¨ng më réng m¹ng l−íi sè liÖu, ®Æc biÖt ë c¸c khu vùc vïng s©u vïng xa hay nh÷ng vïng cã chiÕn sù. ViÖc triÓn khai c¸c tr¹m thêi tiÕt tù ®éng trªn c¸c phao næi ë c¸c ®¹i d−¬ng phÝa nam trong suèt nh÷ng n¨m 1978-1979 lμ mét ®ãng gãp quan träng ®èi víi Thö nghiÖm vËt lý toμn cÇu thø nhÊt (FGGE-First GARP Global Experiment), mét nç lùc to lín ®Ó thu ®−îc sè liÖu cã chÊt l−îng cao trªn toμn thÕ giíi trong vßng mét n¨m. C¸c ch−¬ng tr×nh kiÓu nh− vËy ngμy nay ®· trë thμnh mét bé phËn kh«ng thÓ thiÕu cña m¹ng l−íi sè liÖu. Sè liÖu tõ c¸c phao ®−îc neo l¹i hay tr«i ®ang dïng trong ph©n tÝch hiÖn nay ®−îc m« t¶ trªn H×nh 2.3. H×nh 2.2. Ph©n bè toμn cÇu cña tr¹m quan tr¾c bÒ mÆt, c¶ trªn lôc ®Þa vμ tõ c¸c tμu biÓn lóc 12.00GMT ngμy 29/10/1991 sö dông ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (tæng sè tr¹m quan tr¾c = 7983 trong ®ã * 6993 tr¹m syn«p, x 990 tr¹m tμu biÓn) MÆc dï mËt ®é cña c¸c tr¹m nãi trªn dμy ®Æc h¬n so víi m¹ng l−íi c¸c tr¹m cao kh«ng nh−ng m¹ng l−íi c¸c tr¹m mÆt ®Êt còng cã nh÷ng nh−îc ®iÓm. C¸c tr¹m cã kho¶ng c¸ch ë lôc ®Þa B¾c B¸n CÇu ng¾n h¬n. MÆc dï vËy viÖc sö dông tμu biÓn gióp bæ khuyÕt sè liÖu trªn ®¹i d−¬ng, tuy nhiªn c¸c th¸m s¸t nμy l¹i theo mét tuyÕn ®−êng nhÊt ®Þnh cña con tμu vμ c¸c tμu thuyÒn th−êng tr¸nh gÆp c¸c hiÖn t−îng thêi tiÕt nguy hiÓm. - 44 -
  7. H×nh 2.3. Tr¹m quan tr¾c bÒ mÆt tù ®éng tõ c¸c phao neo vμ phao tr«i ®−îc sö dông trong ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u lóc 12.00GMT ngμy 29/10/1991 (tæng sè tr¹m = 369, trong ®ã cã * 335 phao tr«i, 34 phao neo) Th«ng tin tõ vÖ tinh trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®· trë thμnh nguån sè liÖu quan träng mÆc dï ®é chÝnh x¸c cña nã kÐm h¬n so víi c¸c thiÕt bÞ ®o th«ng th−êng (®Æc biÖt trong tÇng ®èi l−u). Sè liÖu ®−îc sö dông réng r·i nhÊt lμ c¸c gi¸ trÞ vÒ nhiÖt ®é ®−îc x¸c ®Þnh tõ kÕt qu¶ ®o ®¹c bøc x¹ hång ngo¹i thùc hiÖn bëi vÖ tinh quÜ ®¹o cùc. VÖ tinh nμy c¸c ®Þnh tr¹ng th¸i khÝ quyÓn phÝa d−íi quÜ ®¹o cña nã víi ®é ph©n gi¶i ngang lín. Chu kú cña quÜ ®¹o ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 90 phót, do ®ã mét vÖ tinh bÊt kú mÊt kho¶ng vμi giê ®Ó bao qu¸t ®−îc toμn bé Tr¸i §Êt. Do ®ã, sè liÖu nhËn ®−îc kh«ng trïng víi giê syn«p chÝnh. HÖ thèng ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u lÊy sè liÖu nμy trong kho¶ng chu kú 6h kÓ tõ thêi gian ph©n tÝch gÇn nhÊt. H×nh 2.4 (a) m« t¶ c¸c th«ng tin tõ hai vÖ tinh bao phñ hÇu hÕt bÒ mÆt Tr¸i §Êt. §é ph©n gi¶i th¼ng ®øng lμ nh−îc ®iÓm lín nhÊt cña th¸m s¸t tõ vÖ tinh. §é ph©n gi¶i nμy ®Æc tr−ng lμ vμi kilomet. Nã chØ phï hîp víi nghiªn cøu tÇng b×nh l−u trªn vμ tÇng trung quyÓn, ®é ph©n gi¶i nμy rÊt nhá ®èi víi nghiªn cøu tÇng ®èi l−u. Sè liÖu ®o ë ®é cao c¸c ®Ønh m©y th−êng Ýt, v× vËy kh«ng cã sè liÖu ®o trong c¸c hÖ thèng thêi tiÕt nguy hiÓm. C¸c ®Çu c¶m øng sãng ng¾n míi cã kh¶ n¨ng cho th«ng tin tõ phÝa d−íi c¸c ®Ønh m©y nh−ng ®é ph©n gi¶i th¼ng ®øng kh«ng ®−îc c¶i thiÖn nhiÒu. Do viÖc ®o ®¹c chØ thùc hiÖn víi nhiÖt ®é do ®ã th¸m s¸t vÖ tinh ®−îc x¸c ®Þnh cïng víi sù hç trî cu¶ c¸c thiÕt bÞ ®o th«ng th−êng kh¸c ®Ó nhËn ®−îc gi¸ trÞ cña khÝ ¸p. Khi ®ã, cÇn ¸p dông ®iÒu kiÖn c©n b»ng ®Ó néi suy tr−êng giã tõ khÝ ¸p mÆt ®Êt vμ nhiÖt ®é ë c¸c mùc trªn cao. MÆc dï cßn tån t¹i mét sè nh−îc ®iÓm nh−ng th¸m s¸t nhiÖt ®é tõ vÖ tinh lμ mét nguån sè liÖu quan trong nhÊt trªn ®¹i d−¬ng. C¸c ¶nh tõ vÖ tinh ®Þa tÜnh ®−îc dïng ®Ó thu c¸c gi¸ trÞ cña tr−êng giã nhê sù chuyÓn ®éng cña c¸c ®Æc ®iÓm m©y ®Æc tr−ng. H×nh 2.4(b) biÓu diÔn møc ®é bao phñ sè liÖu. Sè liÖu giã x¸c ®Þnh b»ng vÖ tinh c¶i thiÖn ®¸ng kÓ ®èi víi viÖc ph©n tÝch trªn c¸c ®¹i d−¬ng phÝa nam. - 45 -
  8. H×nh 2.4. Sè liÖu vÖ tinh dïng trong ph©n tÝch håi 12.00GMT ngμy 29/10/1991 cña ECMWF. NhiÖt ®é. DÊu chÐo chØ sè liÖu cña vÖ tinh NOAA 11, « vu«ng ®Ëm chØ sè liÖu cña vÖ tinh NOAA 12 (tæng sè quan tr¾c: 1239 trong ®ã x: 674 NOAA 11; # 565 NOAA 12) Giã x¸c ®Þnh tõ c¸c vÖ tinh ®Þa tÜnh (tæng sè quan tr¾c = 2414 trong ®ã # 1472 METEOSTAT, x 522 HIMAWARI) Ngoμi ra cßn mét sè nguån sè liÖu giíi h¹n kh¸c. C¸c th«ng tin vÒ nhiÖt ®é vμ khÝ ¸p ®−îc x¸c ®Þnh tù ®éng nhê c¸c m¸y bay d©n sù. Sè liÖu thu thËp tõ vÖ tinh bæ sung vμo m¹ng l−íi sè liÖu toμn cÇu. C¸c ®o ®¹c chØ ®−îc thùc hiÖn ë c¸c mùc m¸y bay ®i qua, hÇu hÕt lμ theo c¸c tuyÕn bay. H×nh 2.5 biÓu diÔn c¸c sè liÖu ®o ®−îc tõ m¸y bay ë khu vùc b¾c §¹i T©y D−¬ng vμ Th¸i B×nh D−¬ng. - 46 -
  9. H×nh 2.5. Sè liÖu tõ m¸y bay (AIREPs) dïng trong ph©n tÝch håi 12.00GMT cña ECMWF ngμy 29/10/1991 (tæng sè quan tr¾c b»ng 854) 2.3 C¸c m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè §Ó hiÓu ®−îc c¸ch thøc sö dông c¸c d¹ng sè liÖu kh¸c nhau tr×nh bμy ë trªn, tr−íc tiªn ta cÇn hiÓu râ c¸c nguyªn lý cña m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè. Víi gi¸ trÞ cña c¸c biÕn khÝ quyÓn quan tr¾c ban ®Çu cho tr−íc, cÇn sö dông c¸c ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n víi ®é chÝnh x¸c thÝch hîp trong mét hÖ ph−¬ng tr×nh, ch¼ng h¹n nh− c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy tõ (1.33a)-(1.36) ®Ó dù b¸o gi¸ trÞ cña c¸c biÕn khÝ t−îng ë thêi ®iÓm tiÕp theo. TÝnh phøc t¹p cña nã lμ rÊt khã ®Ó t×m nghiÖm chÝnh x¸c cho c¸c ph−¬ng tr×nh. Thay vμo ®ã, ta t×m nghiÖm sè b»ng c¸ch tÝnh trªn c¸c m¸y tÝnh cùc m¹nh. C¸c ph−¬ng tr×nh ®−îc ‘rêi r¹c ho¸’ do ®ã chóng biÓu diÔn c¸c biÕn khÝ t−îng t¹i mét sè lín c¸c ®iÓm rêi r¹c nh−ng h÷u h¹n. B»ng c¸ch nμy, c¸c ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®−îc thay thÕ b»ng mét hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹i sè gÇn ®óng t−¬ng ®−¬ng cã thÓ dïng ®Ó dù b¸o c¸c gi¸ trÞ trong kho¶ng thêi gian tiÕp theo. ThuËt to¸n nμy ®−îc lÆp l¹i nhiÇu lÇn ®Ó dù b¸o t¹i mét thêi ®iÓm bÊt kú trong t−¬ng lai. C¸c nguyªn t¾c nμy ®−îc biÓu diÔn th«ng qua ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh mét chiÒu nh− sau Q Q u 0 (2.14) t x trong ®ã Q = Q(x,t) lμ biÕn bÊt kú vμ u lμ vËn tèc b×nh l−u vμ ®−îc coi lμ h»ng sè. Gi¶ sö ph©n bè ban ®Çu cña Q lμ Qo(x), khi ®ã nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh nμy lμ Qx , t   Q 0 x  ut  (2.15) Ph©n bè ban ®Çu bÊt kú cña Q dÞch chuyÓn víi tèc ®é u däc theo trôc x sÏ kh«ng thay ®æi d¹ng. Ph−¬ng tr×nh (2.14) lμ mét d¹ng nguyªn mÉu cña mét sè sè h¹ng quan träng xuÊt hiÖn trong c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy. Ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ ®−îc rêi r¹c ho¸ b»ng c¸ch x¸c ®Þnh gi¸ trÞ Q ë ®iÓm nót l−íi trong mÆt ph¼ng (x,t). Ta cã thÓ viÕt - 47 -
  10. Qx 0  nx , t 0  mt   Q n m (2.16) trong ®ã n vμ m lμ c¸c sè nguyªn vμ x, t lμ b−íc l−íi theo trôc x vμ t t−¬ng øng. Sö dông khai triÓn chuçi Taylor l©n cËn mét ®iÓm cho tr−íc, biÓu thøc gÇn ®óng viÕt cho ®¹o hμm cã d¹ng m 1 m 1   Qn Q Q n   0 t 2 (2.17a) t 2t  Q Q m n 1  Q m n 1   0 x 2 (2.17b) x 2x Sè h¹ng cuèi cïng trong c¸c biÓu thøc nμy lμ sai sè −íc l−îng 2 cña gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n ®èi víi phÐp lÊy ®¹o hμm nμy. ThÕ biÓu thøc nμy vμo ph−¬ng tr×nh b×nh l−u vμ s¾p xÕp l¹i cho ta ph−¬ng tr×nh dù b¸o Q ë b−íc thêi gian thø (m + 1) khi biÕt gi¸ trÞ cña nã ë b−íc thêi gian (m - 1) vμ m    ut m m 1 m 1  Qn  Q n 1  Q m n 1  0 t 2 , x 2 (2.18) Qn x TÝch ph©n ®ßi hái sai sè −íc l−îng ph¶i nhá. §iÒu nμy ®¹t ®−îc nÕu x vμ t nhá. Cuèi cïng, cÇn b¶o ®¶m r»ng sai sè −íc l−îng kh«ng bÞ khuyÕch ®¹i. §Ó tho¶ m·n yªu cÇu nμy, l−u ý r»ng sai sè −íc l−îng kÝ hiÖu lμ  m ph¶i tho¶ m·n cïng ph−¬ng tr×nh tuyÕn n tÝnh (2.18) còng nh− ®èi víi Q. Gi¶ thiÕt r»ng sai sè cã d¹ng n  Ae qt e ikx m (2.19) NÕu e qt  1 , khi ®ã sai sè −íc l−îng sÏ khuyÕch ®¹i ë mçi b−íc thêi gian vμ nhanh chãng chiÕm −u thÕ trong nghiÖm. Tr−êng hîp nμy gäi lμ 'bÊt æn ®Þnh tÝnh to¸n'. MÆt kh¸c, nÕu e qt  1 , sai sè ®−îc giíi h¹n vμ s¬ ®å sè lμ 'æn ®Þnh'. ThÕ vμo ph−¬ng tr×nh (2.18) vμ gi¶i nghiÖm ph−¬ng tr×nh bËc hai cã d¹ng e qt   1   2 s 2  is N (2.20) trong ®ã   ut / x vμ S N  sin 2 / N , Nx  2 / k lμ b−íc sãng cña sai sè. §é æn ®Þnh ®−îc ®¶m b¶o nÕu   1. NÕu  > 1, sai sè ®èi víi mét sè b−íc sãng cã thÓ t¨ng theo qui luËt hμm mò. §iÒu kiÖn æn ®Þnh nμy th−êng ®−îc giíi h¹n ®èi víi b−íc thêi gian, ®−îc gäi lμ ®iÒu kiÖn 'Courant-Friedrich-Lewy' (CFL) t  x / u ®èi víi ®é æn ®Þnh (2.21) §èi víi c¸c gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n kh¸c cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u ®Òu cã c¸c chØ tiªu æn ®Þnh riªng mÆc dï hÇu hÕt c¸c s¬ ®å ®¬n gi¶n ®Òu cã ®iÒu kiÖn æn ®Þnh t−¬ng tù nh− ph−¬ng tr×nh (2.21). Quan hÖ nμy cho thÊy b−íc thêi gian cùc ®¹i sÏ nhá khi b−íc l−íi x gi¶m. Do vËy, viÖc gi¶m x ®ång nghÜa víi viÖc gi¶m b−íc thêi gian ®Ó ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh. §iÒu kiÖn CFL cã thÓ ®−îc kh¸i qu¸t ho¸ ®èi víi c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh kh¸c phøc t¹p h¬n. Nguyªn t¾c c¬ b¶n lμ "th«ng tin" kh«ng thÓ ®i qu¸ mét b−íc l−íi trong mét b−íc thêi gian. Do vËy, trong mét ph−¬ng tr×nh m« t¶ sù lan truyÒn sãng víi tèc ®é 2 sai sè −íc l−îng (hay sai sè c¾t xÐn): truncation error (ng−êi dÞch gi¶i thÝch thªm) - 48 -
  11. pha c, ®iÒu kiÖn æn ®Þnh lμ t  cx. Tèc ®é pha lín nhÊt cña sãng th−êng kh¸ lín so víi tèc ®é dßng khÝ trong khÝ quyÓn vμ v× vËy nã giíi h¹n b−íc thêi gian cùc ®¹i. Ch¼ng h¹n nh−, tèc ®é dßng khÝ trong tÇng ®èi l−u nh×n chung nhá h¬n 100m/s. Tuy nhiªn sãng träng tr−êng ngo¹i hay 'sãng Lamb' cã tèc ®é pha kho¶ng 300m/s vμ sãng träng tr−êng néi cã tèc ®é pha kh«ng v−ît qu¸ 100m/s. Trong thêi gian ®Çu cña lÜnh vùc dù b¸o thêi tiÕt sè, c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh “läc” kh¸c nhau ®−îc nghiªn cøu sö dông ®Ó lo¹i bá c¸c sãng cã tèc ®é nhanh ra khái hÖ thèng. Ch¼ng h¹n, hÖ ph−¬ng tr×nh dùa trªn ph−¬ng tr×nh xo¸y tùa ®Þa chuyÓn bao gåm ®iÒu kiÖn c©n b»ng giã nhiÖt liªn hÖ gi÷a tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt, do ®ã lo¹i bá ®−îc sãng träng tr−êng ra khái nghiÖm. C¸ch tiÕp cËn phæ biÕn hiÖn nay lμ sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy thõa nhËn nghiÖm sãng träng tr−êng kÕt häp víi s¬ ®å tÝch ph©n “nöa Èn”. S¬ ®å tÝch ph©n Èn lμ mét s¬ ®å trong ®ã gi¸ trÞ ch−a biÕt ë b−íc thêi gian (m +1) ®−îc sö dông trong biÓu thøc vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh. Ch¼ng h¹n, ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh cã thÓ viÕt d−íi d¹ng  Q m 1  Q n 1 m 1  Q n 1 m 1  Q n 1 m 1     n 1 m 1 m 1  Qn (2.22) Qn   2   C¸c ®¹o hμm theo kh«ng gian ®−îc lμm tr¬n theo thêi gian. DÔ dμng thÊy r»ng s¬ ®å kiÓu nμy lμ æn ®Þnh tÝnh to¸n víi mäi b−íc thêi gian t, do ®ã nghiÖm sè cña nã t¨ng kh«ng gièng nh− nghiÖm ph©n tÝch khi  > 1. H¬n n÷a, ®Ó nhËn ®−îc gi¸ trÞ Qnm+1 tõ quan hÖ sai ph©n h÷u h¹n nμy ®ßi hái nghiÖm cña hÖ ph−¬ng tr×nh ®ång thêi cã mét nghiÖm kÐp t¹i nót l−íi. Thao t¸c tÝnh to¸n cña mét s¬ ®å Èn lín h¬n nhiÒu so víi s¬ ®å hiÓn. Trong c¸c s¬ ®å nöa Èn, c«ng thøc nμy ®−îc ¸p dông ®èi víi c¸c sè h¹ng trong ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy h×nh thμnh nªn sãng träng tr−êng; c¸c sè h¹ng cßn l¹i ¸p dông s¬ ®å hiÓn. Giíi h¹n vÒ b−íc thêi gian khi ®ã ®−îc qui ®Þnh bëi tèc ®é dßng khÝ h¬n lμ tèc ®é pha lín nhÊt cña sãng trong tr−êng. ThËm chÝ khi t ®ñ nhá ®Ó ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh vμ ®èi víi gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n cña ®¹o hμm ®ñ ®é chÝnh x¸c th× nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u vÉn kh«ng ph¶i lμ nghiÖm thùc. Cã thÓ thÊy ®iÒu nμy nÕu tÝnh tèc ®é pha cña c¸c nhiÔu ®éng d¹ng sãng víi b−íc sãng lμ Nx. NghiÖm ph©n tÝch cho thÊy tèc ®é pha sÏ b»ng u ®èi víi tÊt c¶ c¸c b−íc sãng. §èi víi gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n cña ph−¬ng tr×nh nμy, dÔ dμng thÊy r»ng  2   c  N  1    sin  sin   (2.23) u  2   N   trong ®ã c lμ tèc ®é pha cña c¸c nhiÔu ®éng ®· ®−îc rêi r¹c ho¸ trong ph−¬ng tr×nh b×nh l−u. NÕu N lín th× c/u sÏ dÇn tíi 1. Tuy nhiªn, khi N nhá, c lu«n lu«n nhá h¬n u. §èi víi b−íc sãng nhá nhÊt b»ng b−íc l−íi 2x th× c b»ng kh«ng. Do ®ã c¸c ®Æc ®iÓm qui m« nhá ®−îc thÓ hiÖn trong nghiÖm chËm h¬n so víi nghiÖm thùc, nghiÖm gi¶i tÝch. VÝ dô nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 2.6. - 49 -
  12. H×nh 2.6 Sù biÕn ®æi cña tèc ®é pha theo b−íc sãng trong nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh. Trong vÝ dô nμy ut/x ®−îc chän b»ng 0,5. §iÒu g× t¹o ra sù kh«ng phï hîp nμy, mét nhiÔu ®éng cã d¹ng bÊt kú cã thÓ ®−îc khai triÓn theo chuçi Fourier theo c¸c b−íc sãng kh¸c nhau sÏ bÞ ph©n t¸n. C¸c thμnh phÇn cã b−íc sãng ng¾n h¬n sÏ dÞch chuyÓn chËm h¬n so víi c¸c thμnh phÇn cã b−íc sãng dμi h¬n. Nh÷ng nghiªn cøu d−íi ®©y chñ yÕu ®−îc tiÕn hμnh trong hÖ to¹ ®é §ecac, trong ®ã c¸c ®iÓm nót l−íi x¸c ®Þnh trong kh«ng gian theo h−íng x vμ y. Mét « l−íi nh− vËy cã thÓ tho¶ m·n ®èi víi mét m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè ®Þa ph−¬ng, tuy kh«ng ®Çy ®ñ ®èi víi mét m« h×nh toμn cÇu. Mét « l−íi ®−îc x¸c ®Þnh b»ng vÜ ®é  vμ kinh ®é  sÏ bÞ thu hÑp t¹i cùc víi b−íc l−íi rÊt nhá ë c¸c vÜ ®é cao. §iÒu nμy cã nghÜa lμ ®iÒu kiÖn CFL sÏ ®ßi hái c¸c b−íc thêi gian ph¶i ng¾n ®Ó phï hîp víi khu vùc nhá ë vïng cùc mμ kh«ng g©y bÊt æn ®Þnh tÝnh to¸n. Nh− vËy, "bμi to¸n vïng cùc" lμ mét khã kh¨n lín trong qu¸ tr×nh m« h×nh ho¸ khÝ quyÓn toμn cÇu. Cã mét gi¶i ph¸p lμ t¹o c¸c « l−íi cã kho¶ng c¸ch  biÕn ®æi theo vÜ ®é. C¸ch kh¾c phôc kh¸c lμ sö dông mét « l−íi ®Òu theo  vμ , tuy nhiªn ph¶i ¸p dông phÐp läc sè t¹i mçi b−íc thêi gian ®Ó lo¹i bá c¸c nhiÔu ®éng cã b−íc sãng ph¸ vì ®iÒu kiÖn CFL. Kh«ng cã gi¶i ph¸p nμo hoμn toμn tháa m·n ®iÒu kiÖn trªn. Nghiªn cøu nμy cho thÊy ta sÏ gÆp ph¶i trë ng¹i lín trong viÖc thùc hiÖn m« pháng sè mét c¸ch chÝnh x¸c c¸c ph−¬ng tr×nh dßng khÝ trong khÝ quyÓn. §èi víi mét hÖ thèng nh− khÝ quyÓn cÇn nghiªn cøu trong kh«ng gian ba chiÒu th× kh¶ n¨ng cña m¸y tÝnh cã ý nghÜa rÊt lín. Ta còng cÇn quan t©m tíi sù tháa m·n t−¬ng ®èi gi÷a ®é ph©n gi¶i vμ tÝnh kinh tÕ cña thêi gian tÝnh to¸n. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, 'ph−¬ng ph¸p phæ' ®−îc dïng kh¸ phæ biÕn. Theo ph−¬ng ph¸p nμy, mçi biÕn ®−îc khai triÓn thμnh mét chuçi c¸c hμm trùc giao c¬ b¶n. - 50 -
  13. Ch¼ng h¹n nh− mét ®¹i l−îng Q bÊt kú dao ®éng cã chu kú víi ®é dμi X vμ ®é réng Y cã thÓ ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng chuçi Fourier nh− sau N M  Q Qx , y   sin ny / Y e i 2 mx / X (2.24) m,n n 0 m 0 ë ®©y N vμ M lμ sè sãng t¹i ®ã ®é dμi chuçi ®−îc c¾t ng¾n theo ®o¹n bÊt kú. ViÖc lùa chän nμy t−¬ng ®−¬ng víi viÖc lùa chän x vμ y trong mét m« h×nh sai ph©n h÷u h¹n. ThÕ vμo mét ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh, ch¼ng h¹n nh− ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh, rót gän ph−¬ng tr×nh ®¹o hμm riªng thμnh mét hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹o hμm th−êng. C¸c ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ ®−îc gi¶i mét c¸ch chÝnh x¸c b»ng nhiÒu kü thuËt kh¸c nhau. Ph−¬ng ph¸p sö dông tÊt c¶ c¸c th«ng tin cã thÓ cã vÒ ®¹i l−îng Q khi tÝnh to¸n ®¹o hμm cã hiÖu qu¶ h¬n so víi viÖc chØ dïng c¸c th«ng tin ®Þa ph−¬ng h¹n chÕ trong ph−¬ng ph¸p sai ph©n h÷u h¹n. −u ®iÓm lín cña ph−¬ng ph¸p nμy lμ tèc ®é pha cña c¸c nhiÔu ®éng d¹ng sãng ®−îc biÓu diÔn mét c¸ch chÝnh x¸c ®èi víi tÊt c¶ c¸c sè sãng. Khã kh¨n gÆp ph¶i khi c¸c ph−¬ng tr×nh chñ yÕu chøa c¸c sè h¹ng phi tuyÕn. C¸c sè h¹ng nh− uQ/x bao gåm tÝch cña hai chuçi Fourier do ®ã sè thao t¸c tÝnh to¸n sÏ lín h¬n nhiÒu so víi s¬ ®å sai ph©n h÷u h¹n t−¬ng øng. Ph−¬ng ph¸p phæ cã thÓ cã hiÖu qu¶ so víi ph−¬ng ph¸p sai ph©n h÷u h¹n khi ‘kü thuËt khai triÓn phæ’ ph¸t triÓn. Trong ph−¬ng ph¸p nμy, mçi b−íc thêi gian ®−îc chia thμnh hai giai ®o¹n nh− sau: (i) Giai ®o¹n nót l-íi, trong ®ã tÊt c¶ tÝch cña c¸c biÕn xuÊt hiÖn trong ph-¬ng tr×nh ®-îc h×nh thµnh. (ii) Giai ®o¹n phæ. TÊt c¶ c¸c biÕn vμ c¸c tÝch cña chóng ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng chuçi phæ vμ c¸c ®¹o hμm kh«ng gian cña chóng ®−îc tÝnh ®¬n gi¶n b»ng c¸ch nh©n t−¬ng øng. Khi ®ã cã thÓ thùc hiÖn ®−îc mét b−íc thêi gian. VÒ mÆt h×nh häc ®ßi hái d¹ng cña c¸c hμm c¬ b¶n phøc t¹p h¬n, tuy nhiªn b¶o ®¶m ®óng qui luËt. C¸c hμm c¬ b¶n phï hîp ®iÒu hoμ d¹ng h×nh cÇu, tÝch cña c¸c hμm d¹ng h×nh sin biÓu diÔn sù biÕn ®æi theo h−íng vÜ h−íng vμ hμm Lagendre biÓu diÔn sù biÕn ®æi theo h−íng kinh tuyÕn. Mét −u ®iÓm rÊt quan träng cña ph−¬ng ph¸p khai triÓn phæ ®èi víi mét khu vùc h×nh cÇu lμ nã hoμn toμn tr¸nh ®−îc vÊn ®Ò khã kh¨n ë vïng cùc. BiÓu diÔn phæ lμ ®¼ng h−íng vμ gi¶i quyÕt ®−îc c¸c ®Æc ®iÓm cña vïng cùc mét c¸ch chÝnh x¸c nh− ®èi víi c¸c ®iÓm ë miÒn vÜ ®é thÊp. ViÖc thùc hiÖn cã kÕt qu¶ ph−¬ng ph¸p nμy ®ßi hái biÕn ®æi nhanh gi÷a viÖc biÓu diÔn c¸c biÕn theo phæ vμ theo ®iÓm l−íi. Khai triÓn Fourier nhanh lμ mét phÐp khai triÓn phï hîp ®èi víi mét vïng cã chu kú. C¸c ph−¬ng ph¸p phæ hiÖn còng ®−îc dïng réng r·i nh− ph−¬ng ph¸p sai ph©n h÷u h¹n trong c¸c m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt vμ hoμn l−u toμn cÇu. Trong môc nμy tËp trung giíi thiÖu c¸c d¹ng nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh ch¼ng h¹n nh− ph−¬ng tr×nh nguyªn thuû. C¸c sè h¹ng nμy chiÕm −u thÕ nghiÖm trong kho¶ng mét ngμy ®Çu tiªn hay h¬n ®èi víi dù b¸o sè. Bªn c¹nh ®ã, hiÖu øng cña chuyÓn ®éng qui m« d−íi l−íi, c¸c qu¸ tr×nh ®èt nãng vμ ma s¸t kh¸c nhau còng rÊt quan träng. Chóng ta sÏ ®Ò cËp tíi vÊn ®Ò nμy trong môc 2.5. - 51 -
  14. 2.4 quy tr×nh ph©n tÝch-dù b¸o Dù b¸o thêi tiÕt sè ®ßi hái sè liÖu ban ®Çu b»ng c¸ch nμo ®ã ph¶i ®−îc x¸c ®Þnh t¹i c¸c ®iÓm nót l−íi trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Tuy nhiªn, c¸c tr¹m quan tr¾c kh«ng n»m ®óng c¸c vÞ trÝ nh− vËy. H¬n n÷a, vÞ trÝ cña chóng ®−îc qui ®Þnh bëi c¸c sù kiÖn lÞch sö, ®Þa lý vμ kinh tÕ (kh«ng kÓ qu©n sù). Bμi to¸n chuÈn bÞ sè liÖu ban ®Çu phï hîp tõ chuçi sè liÖu quan tr¾c kh«ng ®ång nhÊt ®−îc gäi lμ “ph©n tÝch sè liÖu khÝ t−îng” hay ®¬n gi¶n lμ “ph©n tÝch”. y Q 2* Q * 3 Q * 1 Q 4* x H×nh 2.7 S¬ ®å minh häa bμi to¸n ph©n tÝch khÝ t−îng Trªn H×nh 2.7 biÓu diÔn s¬ ®å cña bμi to¸n nμy. C¸c ®−êng kÎ biÓu diÔn mét l−íi ®Òu víi c¸c ®iÓm d÷ liÖu cÇn cho m« h×nh sai ph©n h÷u h¹n hay m« h×nh phæ. DÊu sao biÓu thÞ c¸c tr¹m quan tr¾c. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt r»ng tÊt c¶ c¸c tr¹m quan tr¾c ®−îc lÊy ®ång nhÊt vμ do vËy chØ cÇn quan t©m tíi mét mùc trong khÝ quyÓn. NÕu cã nhiÒu tr¹m quan tr¾c h¬n sè nót l−íi th× bμi to¸n t−¬ng ®èi ®¬n gi¶n. Ta cã thÓ lÊy gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c tr¹m l©n cËn lμm gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cho nót l−íi ®ang xÐt. Nh−ng thùc tÕ t×nh huèng nμy hoμn toμn ng−îc l¹i. Nh×n chung sè nót l−íi th−êng nhiÒu h¬n sè tr¹m quan tr¾c vμ ë mét sè khu vùc gÇn nh− kh«ng cã tr¹m quan tr¾c nμo. Kü thuËt th«ng th−êng lμ lÊy mét gi¸ trÞ pháng ®o¸n ban ®Çu bÊt kú QG cña tr−êng thùc Q t¹i c¸c ®iÓm nót l−íi. Gi¸ trÞ −íc l−îng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch biÕn ®æi gi¸ trÞ pháng ®o¸n nμy b»ng c¸ch sö dông th«ng tin tõ c¸c tr¹m quan tr¾c trong mét kho¶ng c¸ch x¸c ®Þnh xung quanh ®iÓm nót l−íi   w w Q Q G  Q R  1  (2.25)   i i i   i i - 52 -
  15. §iÓm chñ yÕu cña ph−¬ng ph¸p nμy lμ viÖc lùa chän träng sè wi. Nh×n chung, chóng phô thuéc vμo kho¶ng c¸ch cña tr¹m ®ã tíi ®iÓm nót l−íi. Tr−êng pháng ®o¸n ®Çu tiªn th−êng lμ tr−êng dù b¸o víi thêi ®o¹n ng¾n nhÊt. Do ®ã, ®èi víi nh÷ng khu vùc th−a thít sè liÖu, tr−êng pháng ®o¸n ban ®Çu sÏ gÇn nh− kh«ng ®æi khi ta thùc hiÖn ph©n tÝch liªn tiÕp. Trong c¸c khu vùc sè liÖu dμy ®Æc, tr−êng pháng ®o¸n ®Çu tiªn ®−îc thay b»ng mét tr−êng míi dùa vμo sè liÖu quan tr¾c. Trong c¸c khu vùc n¬i chØ cã mét sè tr¹m quan tr¾c cã ®é tin cËy nhá th× cÇn cã sù hμi hoμ gi÷a tr−êng th¸m s¸t vμ tr−êng nÒn. Giai ®o¹n kiÓm so¸t chÊt l−îng quan träng nμy th−êng n»m ë ®iÓm nh− vËy. Sè liÖu ®−îc kiÓm tra ®Ó b¶o ®¶m r»ng chóng kh«ng cã nh÷ng sai sãt lín. Ch¼ng h¹n nh−, mét th¸m s¸t cã thÓ bÞ lo¹i bá nÕu nh− gi¸ trÞ cña nã sai kh¸c víi gi¸ trÞ trung b×nh cña tr−êng nÒn mét l−îng kh¸ lín. §©y lμ mét thuËt to¸n nguy hiÓm nÕu nh− tiªu chuÈn qu¸ nghiªm ngÆt v× khi ®ã cã thÓ ®· bá qua nh÷ng gi¸ trÞ ®ét biÕn; ng−îc l¹i nÕu sè liÖu ®−îc lùa chän kh«ng chÆt chÏ th× trong qu¸ tr×nh ph©n tÝch sÏ xuÊt hiÖn nh÷ng sai sè nghiªm träng hoÆc nh÷ng ®iÒu kh«ng thÝch hîp. TÝnh chñ quan cña dù b¸o viªn th−êng rÊt h÷u Ých trong nh÷ng tr−êng hîp cã nghi ngê; dù b¸o viªn ph¶i sö dông c¸c nguån sè liÖu (ch¼ng h¹n nh− ¶nh vÖ tinh) mμ ch−¬ng tr×nh ph©n tÝch kh«ng cã kh¶ n¨ng xem xÐt khi lo¹i bá nh÷ng th¸m s¸t cã nghi ngê. Ph−¬ng ph¸p nªu trªn ®−îc dïng khi ph©n tÝch kh«ng gian, trong ®ã gi¶ thiÕt r»ng tÊt c¶ c¸c sè liÖu th¸m s¸t ®−îc lÊy ®ång thêi. L−îng sè liÖu t¨ng, ®Æc biÖt lμ sè liÖu vÖ tinh ®−îc lÊy vμo c¸c thêi ®iÓm kh¸c so víi kú quan tr¾c syn«p. Nã ®−îc Ên ®Þnh vμo giê syn«p gÇn nhÊt vμ ®iÒu chØnh nh÷ng ¶nh h−ëng ph¶n ¸nh sù nghi ngê ®−îc ph¸t hiÖn. C¸c ký thuËt phøc t¹p h¬n bao gåm viÖc chÌn c¸c sè liÖu ¸ syn«p vμo trong qu¸ tr×nh ch¹y mét m« h×nh dù b¸o sè, lμm biÕn ®æi c¸c tr−êng néi suy t¹i tÊt c¶ c¸c ®iÓm vμ vμo mäi thêi ®iÓm sè liÖu ®¹t yªu cÇu. HÇu hÕt c¸c s¬ ®å ph©n tÝch cã xu thÕ xö lý c¸c biÕn khÝ t−îng kh¸c nhau mét c¸ch ®éc lËp. V× vËy ph©n tÝch tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt ®−îc thùc hiÖn riªng biÖt. §−¬ng nhiªn c¸c tr−êng nμy thùc ra kh«ng hoμn toμn ®éc lËp víi nhau. C¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng cho thÊy c¸c biÕn nμy cã quan hÖ víi nhau. C©n b»ng giã nhiÖt, liªn hÖ gi÷a tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt lμ mét vÝ dô ®iÓn h×nh, hay c©n b»ng giã gradien liªn hÖ gi÷a sù ph©n bè giã vμ khèi l−îng. T−¬ng tù, c¸c quan tr¾c ®−îc thiÕt lËp trªn qui m« lín ë miÒn ngo¹i nhiÖt ®íi, thμnh phÇn th¼ng ®øng cña xo¸y Ýt nhÊt lín h¬n thμnh phÇn ph©n kú ngang mét bËc ®¹i l−îng. §iÒu nμy cã nghÜa lμ c¸c thμnh phÇn giã ngang kh«ng hoμn toμn ®éc lËp víi nhau. ë miÒn nhiÖt ®íi, c¸c c©n b»ng kh¸c rÊt quan träng, ch¼ng h¹n nh− tùa c©n b»ng gi÷a ®èt nãng vμ lμm l¹nh, gi÷a dßng th¨ng vμ dßng gi¸ng. Mét môc tiªu cña c¸c s¬ ®å kh¸ phøc t¹p lμ lμm thÕ nμo ®Ó ®−a ®−îc c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng nμy vμo trong c¸c s¬ ®å ®ã. Tuy nhiªn, cuèi cïng c¸c tr−êng nμy kh«ng hoμn toμn ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ®éng lùc. LiÖu m« h×nh dù b¸o cã ®−îc ban ®Çu ho¸ tõ nh÷ng tr−êng nμy, tÝch ph©n cña nã sÏ bÞ chiÕm −u thÕ bëi sãng träng tr−êng cã biªn ®é lín víi tÇn sè cao. C¸c nhiÔu ®éng nh− vËy ®«i khi x¶y ra vμ v× vËy mét tr−êng ph©n tÝch sÏ lμm t¨ng nhiÔu ®éng nμy trong tÝch ph©n sè vμ ®−îc coi lμ sù bÊt æn ®Þnh vÒ mÆt vËt lý. Chóng sÏ ®−îc lo¹i bá b»ng qu¸ tr×nh ban ®Çu hãa hay lμm c©n b»ng gi÷a qu¸ tr×nh ph©n tÝch vμ dù b¸o. - 53 -
  16. Qu¸ tr×nh nμy bao gåm viÖc thùc hiÖn nh÷ng ®iÒu chØnh nhá ®èi víi c¸c tr−êng, nh×n chung nhá h¬n sai sè th¸m s¸t. Qu¸ tr×nh ban ®Çu ho¸ ®¬n gi¶n ®¶m b¶o r»ng ph©n kú ngang vμ tèc ®é biÕn ®æi cña nã b»ng kh«ng. C¸c s¬ ®å ban ®Çu ho¸ phøc t¹p h¬n t¹o ra m« h×nh vËn tèc th¼ng ®øng (hay ph©n kú) sao cho phï hîp víi tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt ®é th¸m s¸t vμ víi tèc ®é ®èt nãng. ë miÒn «n ®íi, sù phï hîp nμy cã liªn quan víi gÇn ®óng tùa ®Þa chuyÓn (xem 1.7). §èi víi môc ®Ých nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu, nh÷ng gi¸ trÞ −íc l−îng cña vËn tèc th¼ng ®øng lμ rÊt h÷u Ých vμ ®−îc sö dông theo quan ®iÓm ba chiÒu cña hoμn l−u khÝ quyÓn. Néi suy Néi suy Néi suy Ph©n tÝch Ph©n tÝch Ph©n tÝch 3 chiÒu 3 chiÒu 3 chiÒu Néi suy Néi suy Néi suy iê iê Ban ®Çu ho¸ Ban ®Çu ho¸ Ban ®Çu ho¸ Dù b¸o Dù b¸o Dù b¸o H×nh 2.8 S¬ ®å ®¬n gi¶n m« t¶ quy tr×nh ph©n tÝch-dù b¸o ®−îc sö dông t¹i Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Mét sè qu¸ tr×nh chÈn ®o¸n ®−îc tr×nh bμy trong cuèn s¸ch nμy dùa trªn kü thuËt ph©n tÝch ban ®Çu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (ECMWF). Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u thùc hiÖn ph©n tÝch toμn cÇu vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn trong tÇng ®èi l−u vμ phÇn d−íi tÇng b×nh l−u víi b−íc thêi gian 6 giê. C¸c trung t©m kh¸c thùc hiÖn ph©n tÝch t−¬ng tù tõng 12 giê mét. Mçi ngμy mét lÇn, ph©n tÝch nμy ®−îc tÝch ph©n tiÕn theo thêi gian cho ta dù b¸o h¹n dμi h¬n (lªn tíi 10 ngμy). H×nh 2.8 m« t¶ s¬ ®å cña mét quy tr×nh ph©n tÝch-dù b¸o ®−îc thùc hiÖn trong nghiÖp vô t¹i Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. C¸c l−u tr÷ nμy ®−îc tÝch luü tõ n¨m 1976 vμ do ®ã cho ta gi¸ trÞ trung b×nh mïa, tr−êng khÝ hËu dùa trªn chuçi sè liÖu 10 n¨m hoÆc dμi h¬n. Trong suèt thêi gian nμy, c¸c s¬ ®å ph©n tÝch vμ m« h×nh dù b¸o ®−îc c¶i tiÕn, v× vËy sè liÖu gÇn ®©y cã thÓ cã ®é tin cËy kh«ng b»ng nh÷ng gi¸ trÞ ph©n tÝch. §iÒu nμy ®óng víi phÇn ph©n kú cña tr−êng giã miÒn nhiÖt ®íi. CÇn nhËn thÊy r»ng mÆc dï cã rÊt nhiÒu tr−êng toμn cÇu nh−ng cã rÊt Ýt sè liÖu cã chÊt l−îng cao ®èi víi mét sè khu vùc nh− c¸c ®¹i d−¬ng phÝa nam. C¸c gi¸ tr× nμy hÇu hÕt kh«ng lμm ¶nh h−ëng ®Õn tr−êng nÒn vμ th−êng ®−îc m« pháng b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ nhiÒu h¬n lμ quan tr¾c ®éc lËp. - 54 -
  17. Chuçi sè liÖu khÝ hËu 10 n¨m gèc ®−îc chuÈn bÞ ë tr−êng ®¹i häc Reading dùa trªn chuçi sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u trong thêi kú tõ th¸ng 3/1979 ®Õn th¸ng 2/1989. NhiÒu c¶i tiÕn kh¸c ®· ®−îc thùc hiÖn ®èi víi kü thuËt ph©n tÝch vμ ban ®Çu ho¸ trong suèt thêi kú nμy. C¶i tiÕn quan träng nhÊt liªn quan ®Õn thμnh phÇn ph©n kú cña tr−êng giã miÒn nhiÖt ®íi. S¬ ®å ban ®Çu ho¸ nguyªn thñy nμy lμm suy gi¶m thμnh phÇn ph©n kú cña tr−êng giã do ®ã bÊt kú mét chÈn ®o¸n nμo liªn quan ®Õn vËn tèc th¼ng ®øng hay sù ph©n kú ë miÒn vÜ ®é thÊp ®Òu ®−îc x¸c ®Þnh tõ sè liÖu tÝnh trong thêi gian gÇn ®©y. Chuçi sè liÖu khÝ hËu dμi 6 n¨m tõ th¸ng 3/1983 ®Õn th¸ng 2/1989 ®· ®−îc sö dông trong ph©n tÝch ®Ó cung cÊp nh÷ng chÈn ®o¸n sö dông trong cuèn s¸ch nμy. 2.5 M« h×nh hoμn l−u toμn cÇu NÕu mét m« h×nh sè khÝ quyÓn tÝnh ®Õn ®Çy ®ñ c¸c t¸c ®éng nhiÖt lùc vμ cã ®Çy ®ñ c¸c thμnh phÇn ma s¸t th× m« h×nh nμy cã thÓ ch¹y trong mét kho¶ng thêi gian dμi vμ do ®ã cã thÓ m« pháng ®−îc khÝ hËu trung b×nh. M« h×nh d¹ng nμy ®−îc gäi lμ m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu, kÝ hiÖu lμ GCM (Global Circulation Model). Nh÷ng m« h×nh kiÓu nh− vËy hiÖn nay lμ mét c«ng cô cÇn thiÕt ®Ó nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu. Víi nh÷ng m¸y tÝnh ®ñ m¹nh, m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu cho ta nh÷ng c¬ héi nghiªn cøu vÒ hoμn l−u toμn cÇu mét c¸ch riªng biÖt vμ kÕt hîp c¸c hiÖu øng cña c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc vμ vËt lý kh¸c nhau. C¸c m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu còng ®−îc sö dông ®Ó dù b¸o sù biÕn ®æi khÝ hËu vμ t×m hiÓu khÝ hËu qu¸ khø. Trong môc 2.3, mét m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng kh«ng tÝnh ®Õn ma s¸t, m« pháng ®o¹n nhiÖt. Cho ®Õn nay, dù b¸o ®ßi hái c¸c s¬ ®å ph¶i tÝnh ®Õn ma s¸t, vËn chuyÓn bøc x¹, nh÷ng m« h×nh nμy rÊt gièng víi c¸c m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu. C¸c m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu còng ®· cã nh÷ng c¶i tiÕn t−¬ng tù. C¸c m« h×nh míi ®©y kÕt hîp m« pháng t−¬ng ®èi phøc t¹p c¸c qu¸ tr×nh vËt lý víi m« pháng c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc kh¸ th« ë ®é ph©n gi¶i thÊp. Râ rμng r»ng cÇn ph¶i m« t¶ c¸c hÖ thèng thêi tiÕt c¬ b¶n ë ®é ph©n gi¶i cao h¬n. ChÝnh v× vËy khi m¸y tÝnh trë nªn m¹nh h¬n vμ kh¶ n¨ng lín h¬n th× c¸c m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®−îc m« t¶ chi tiÕt h¬n. Ngμy nay, sù kh¸c biÖt gi÷a dù b¸o thêi tiÕt sè vμ c¸c m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu lμ rÊt nhá vμ trong mét sè tr−êng hîp gÇn nh− lμ kh«ng cã sù kh¸c biÖt. B©y giê ta h·y xem xÐt mét sè bæ sung cÇn thiÕt ®Ó t¹o ra mét m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt ®o¹n nhiÖt, kh«ng ma s¸t trong mét m« h×nh hoμn l−u khÝ quyÓn. Cã ba yÕu tè quan träng ®ã lμ th«ng l−îng bøc x¹ sãng ng¾n cña mÆt trêi vμ bøc x¹ sãng dμi vμo khÝ quyÓn, bøc x¹ sãng dμi t¹i bÒ mÆt Tr¸i §Êt, trao ®æi rèi cña nhiÖt, ®éng l−îng vμ ®é Èm gi÷a bÒ mÆt Tr¸i §Êt vμ khÝ quyÓn; cuèi cïng lμ hiÖu øng trong c¸c chuyÓn ®éng qui m« d−íi l−íi cña c¸c qu¸ tr×nh vËn chuyÓn (®Æc biÖt lμ vËn chuyÓn th¼ng ®øng). PhÇn sau sÏ ®Ò cËp tíi kh¸i niÖm tham sè ho¸. Bøc x¹ ®iÖn tõ trong khÝ quyÓn cã thÓ ®ãng gãp vμo th«ng l−îng bøc x¹ sãng ng¾n cña mÆt trêi, th«ng l−îng sãng dμi cña bøc x¹ hång ngo¹i ph¸t x¹ c¶ tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt vμ khÝ quyÓn. Môc tiªu ®Æt ra lμ cÇn tÝnh c¸c th«ng l−îng h−íng lªn vμ h−íng xuèng cña c¶ hai d¹ng bøc x¹ nμy t¹i mçi mùc trong khÝ quyÓn; sù ph©n kú cña th«ng - 55 -
  18. l−îng bøc x¹ thuÇn cho ta tèc ®é ®èt nãng do c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹. Kh¸i niÖm nμy kh¸ ®¬n gi¶n nh−ng viÖc thùc hiÖn nã lμ rÊt phøc t¹p vμ phô thuéc vμo kh¶ n¨ng cña m¸y tÝnh. Th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi t¹i ®Ønh khÝ quyÓn lμ mét hμm cña vÜ ®é, thêi gian trong ngμy vμ thêi gian trong n¨m. Tr¶i qua qu·ng ®−êng trong khÝ quyÓn trong suèt, mét phÇn bøc x¹ bÞ hÊp thô, mét phÇn bÞ khuyÕch t¸n, tuy nhiªn phÇn cßn l¹i kh¸ lín ®¹t tíi mÆt ®Êt. Trong ®iÒu kiÖn cã m©y, t×nh huèng x¶y ra phøc t¹p h¬n, sù ph¶n x¹ c¸c tia mÆt trêi tõ ®Ønh m©y vμ sù hÊp thô c¸c tia mÆt trêi do m©y ®Òu lμ nguyªn nh©n lμm suy gi¶m bøc x¹ mÆt trêi. C¶ hai hiÖu øng nμy phô thuéc vμo tr¹ng th¸i cña phÇn tö m©y vμ nh×n chung chØ cã thÓ biÓu diÔn mét c¸ch kh¸ th« trong c¸c m« h×nh hiÖn nay. Cßn nhiÒu qu¸ tr×nh phøc t¹p kh¸c nh− sù ph¶n x¹ nhiÒu lÇn cña tia mÆt trêi bªn trong c¸c líp m©y hoÆc gi÷a c¸c ®¸m m©y nh− albedo lín cña c¸c bÒ mÆt nh− tuyÕt, b¨ng. H×nh 2.9 Sù truyÒn bøc x¹ hång ngo¹i cña c¸c chÊt khÝ trong khÝ quyÓn trong ®iÒu kiÖn trêi quang, lμ mét hμm cña b−íc sãng. §å thÞ nμy cho thÊy d¶i b−íc sãng quan träng lμ cña carbon dioxide ë b−íc sãng 15m. H×nh vÏ trªn biÓu diÔn mét d¶i liªn tôc, hai h×nh d−íi phãng to mét sè khu vùc h¹n chÕ víi ®é ph©n gi¶i phæ t¨ng. ViÖc tÝnh th«ng l−îng thuÇn cña bøc x¹ sãng dμi kh¸ phøc t¹p. Sù ph¸t x¹ vμ truyÒn bøc x¹ cña khÝ quyÓn ë c¸c b−íc sãng nμy lμ mét hμm cña nhiÖt ®é vμ b−íc - 56 -
  19. sãng. H×nh 2.9 minh ho¹ sù phô thuéc cña ®é hÊp thô vμo b−íc sãng trong ®iÒu kiÖn trêi quang, chØ ra nh÷ng chi tiÕt ®¸ng chó ý trªn ®−êng cong biÓu thÞ sù hÊp thô. Sù hÊp thô nμy chñ yÕu do d¶i hÊp thô ph©n tö cña c¸c thμnh phÇn khÝ, ®Æc biÖt lμ h¬i n−íc, cacbonic vμ mét phÇn oz«n. C¸c chÊt khÝ cã ho¹t tÝnh bøc x¹ kh¸c nh− mªtan hiÖn nay ®ãng mét vai trß quan träng trong qu¸ tr×nh truyÒn bøc x¹ hång ngo¹i mÆc dï sù tËp trung cña nã rÊt nhá. §Ó tÝnh th«ng l−îng thuÇn cña bøc x¹ hång ngo¹i trong ®iÒu kiÖn trêi quang cÇn ph¶i tÝch ph©n theo b−íc sãng ®èi víi profile nhiÖt ®é ë vÞ trÝ xem xÐt, tÝnh ®Õn tõng ®−êng hÊp thô cña hμng ngh×n ph©n tö. Sù chuyÓn biÕn cña c¸c phÇn tö kh¸c nhau t¹o nªn c¸c ®−êng sÏ ®−îc hiÓu râ ®Õn møc ®ñ ®Ó tÝnh c¸c ®−êng víi ®é chÝnh x¸c lín. §Ó ®i tõ ®−êng nμy sang ®−êng kh¸c ph¶i cÇn cã thêi gian ®Ó tÝnh tõng phÇn cña m« h×nh hoμn l−u chung toμn cÇu. NhiÒu ph−¬ng ph¸p −íc l−îng ®· ®−îc dïng ®Ó nhãm c¸c ®−êng nμy thμnh mét d¶i gióp ®¬n gi¶n viÖc tÝch ph©n. TÝnh to¸n tõ ®−êng nμy sang ®−êng kia còng ®−îc dïng ®Ó thö nghiÖm vμ giíi h¹n sè s¬ ®å −íc l−îng. §Ó tiÕt kiÖm thêi gian m¸y tÝnh ng−êi ta nhËp c¸c dßng bøc x¹ lÇn l−ît theo mçi b−íc thêi gian. MÆc dÇu vËy, viÖc tÝnh to¸n nμy vÉn chiÕm mét thêi gian m¸y tÝnh kh¸ lín cho mçi m« h×nh. Khi xÐt tíi bøc x¹ sãng ng¾n, sù tån t¹i cña m©y sÏ t¹o ra sù thiÕu chÝnh x¸c trong viÖc −íc l−îng c¸c dßng bøc x¹ sãng dμi. C¸c ®¸m m©y lμm t¨ng tÝnh hÊp thô bøc x¹ hång ngo¹i còng nh− t¨ng c−êng sù khuyÕch t¸n vμ ph¶n håi bøc x¹ mÆt trêi ®i ®Õn Tr¸i §Êt. HiÖu øng riªng rÏ cña qu¸ tr×nh nμy cßn hoμn toμn ch−a râ rμng, ta còng ch−a râ dÊu cña hiÖu øng, mÆc dÇu vËy nãi chung cã thÓ thÊy r»ng ®©y lμ m©y cirrus tÇng cao ë miÒn nhiÖt ®íi cã hiÖu øng ®èt nãng thuÇn ®èi víi khÝ quyÓn, trong khi c¸c ®¸m m©y t»ng tÇm thÊp ë miÒn vÜ ®é cao cã hiÖu øng lμm l¹nh do ph¶n håi bøc x¹ ng−îc vÒ phÝa kh«ng gian vò trô. Cã thÓ ®iÒu nghi ngê lín nhÊt trong m« h×nh hoμn l−u chung toμn cÇu hiÖn ®¹i lμ viÖc dù b¸o m©y vμ ¶nh h−ëng bøc x¹ cña nã. §iÒu ®¸ng ngê nμy lμm cho viÖc dù b¸o sù biÕn ®æi khÝ hËu do ¶nh h−ëng cña con ng−êi b¾t nguån tõ sù « nhiÔm khÝ quyÓn trë nªn khã kh¨n. Mét phÇn ®¸ng kÓ cña bøc x¹ mÆt trêi cã thÓ tíi ®−îc bÒ mÆt Tr¸i §Êt. §iÒu ®ã cßn phô thuéc vμo b¶n chÊt cña bÒ mÆt ®Êt. BÒ mÆt ®¹i d−¬ng cã nhiÖt dung rÊt lín so víi khÝ quyÓn. NhiÒu m« h×nh hoμn l−u chung khÝ quyÓn toμn cÇu gi÷ nhiÖt ®é cña bÒ mÆt ®¹i d−¬ng kh«ng ®æi, trong khi c¸c biÕn khÝ hËu l¹i biÕn ®æi theo thêi gian. §iÒu ®ã b¶o ®¶m ®iÒu kiÖn biªn d−íi cÇn cho viÖc tÝnh to¸n c¸c dßng nhiÖt, dßng Èm vμ dßng ®éng l−îng vËn chuyÓn vμo khÝ quyÓn. §iÒu ®ã kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc trong tr−êng hîp ch¼ng h¹n tÝnh sù biÕn ®æi khÝ hËu. Sù biÕn ®æi cña ph©n bè giã sÏ lμm nhiÔu ®éng hoμn l−u ®¹i d−¬ng, hoμn l−u ®¹i d−¬ng ®Õn l−ît nã l¹i lμm biÕn ®æi nhiÖt ®é mÆt biÓn. Ngay c¶ nh÷ng hiÖu øng håi tiÕp nμy cÇn cã c¸c m« h×nh hoμn l−u ®èi víi c¶ hÖ thèng khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng, vμ sè phÇn nghiªn cøu ph¸t triÓn m« h×nh kÐp nμy sÏ t¨ng lªn. Tuy nhiªn, trong phÇn lín cuèn s¸ch nμy chØ giíi h¹n tr−êng hîp ®¬n gi¶n cña m« h×nh m« t¶ ®iÒu kiÖn mÆt biÓn. MÆt ®Êt cã nhiÖt dung nhá h¬n nhiÒu vμ nhiÖt ®é cña nã còng cã thÓ biÕn ®æi ®¸ng kÓ do kÕt qu¶ cña nhiÔu ®éng hμng ngμy cña n¨ng l−îng mÆt ®Êt còng nh− phÝa trªn mÆt ®Êt. CÇn ph¶i cã mét sè m« h×nh ®Êt ®¬n gi¶n m« t¶ c¸c dßng n¨ng l−îng tíi phÇn - 57 -
  20. trªn cña ®Êt vμ do ®ã tÝnh nhiÖt ®é mÆt ®Êt. M« h×nh ®Êt ®iÓn h×nh ®−îc m« t¶ trªn H×nh 2.9. Thùc chÊt m« h×nh nμy bao gåm nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh khuÕch t¸n T  2T K 2 (2.26) t z víi ®iÒu kiÖn biªn nh− sau T T  Td t¹i z  d , K  F t¹i z =0 (2.27) z ë ®©y T nhiÖt ®é mÆt ®Êt, z ®é s©u, K hÖ sè dÉn nhiÖt ®é, Td ‘nhiÖt ®é líp ®Êt d−íi s©u’ vμ ®−îc lÊy tõ sè liÖu khÝ hËu. §¸y d−íi cña m« h×nh ®Êt víi ®é s©u d trong ®ã d kho¶ng vμi mÐt. Dßng nhiÖt thuÇn ®i ra khái ®Êt F, bao gåm dßng bøc x¹ thuÇn, dßng hiÓn nhiÖt vμ Èn nhiÖt vËn chuyÓn bëi chuyÓn ®éng rèi trong líp biªn vμ Èn nhiÖt cÇn ®Ó lμm tan tuyÕt. ë ®©y cã hiÖu øng håi tiÕp gi÷a m« h×nh ®Êt vμ m« h×nh khÝ quyÓn. NhiÖt ®é bÒ mÆt x¸c ®Þnh dßng nhiÖt vμ dßng Èm ra khái bÒ mÆt vμo khÝ quyÓn. §ång thêi, c¸c ®iÒu kiÖn khÝ t−îng ®−îc m« pháng x¸c ®Þnh F vμ do ®ã x¸c ®Þnh nhiÖt ®é ®Êt. M« h×nh ®Êt còng ph¶i gi÷ tÝnh b¶o toμn cña bÊt kú l−îng n−íc nμo ë bÒ mÆt d−íi d¹ng m−a hay tuyÕt tan. Mét l−îng n−íc sÏ ch¶y mÊt ®i vμ bÞ mÊt vμo trong c¸c lç hæng trong ®Êt. PhÇn cßn l¹i sÏ tÝch luü vμ do ®ã ®Ó bèc h¬i. Nh÷ng ®Æc tÝnh vËt lý cña bÒ mÆt nh− albe®o, ®é chøa n−íc, ®−îc m« t¶ vμ dùa trªn sè liÖu quan tr¾c bÒ mÆt vμ nh÷ng th«ng tin vÒ ®Êt. bøc x¹ mÆt trêi c¸c dßng Èn nhiÖt vμ gi¸ng thñy hiÓn nhiÖt (r¾n hoÆc láng) bøc x¹ sãng dμi thuÇn tuyÕt dßng ch¶y tan ®Êt ®é dÉn nhiÖt ®Êt d−íi s©u H×nh 2.10 Minh häa m« h×nh ®Êt sö dông trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu hiÖn ®¹i Khi dßng nhiÖt vμ dßng Èm ®· ®i vμo ®¸y khÝ quyÓn, chóng ®−îc vËn chuyÓn lªn cao nhê líp kh«ng khÝ vμi tr¨m mÐt d−íi cïng tíi gi÷a tÇng ®èi l−u. Sù vËn chuyÓn nμy chñ yÕu lμ do c¸c qu¸ tr×nh xo¸y rèi. Mét m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu sÏ m« t¶ ®Æc - 58 -
nguon tai.lieu . vn
Toán học Môi trường Vật lý Sinh học Địa Lý Hoá học Nông - Lâm - Ngư Cơ khí - Chế tạo máy Tiếng Anh phổ thông Khoa học ứng dụng Nông - Lâm Kiến thức tổng hợp Giáo dục học Xã hội học