- Trang Chủ
- Địa Lý
- Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 4
Xem mẫu
- Ch−¬ng 4. hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh theo
vÜ h−íng
4.1 Quan tr¾c c¬ b¶n
CÊu tróc quy m« lín cña dßng khÝ khÝ quyÓn biÕn ®æi nhanh nhÊt theo ph−¬ng
th¼ng ®øng vμ chËm nhÊt theo vÜ h−íng. V× vËy, viÖc lÊy trung b×nh vÜ h−íng cho thÊy
râ tÇm quan träng cña sù biÕn ®æi theo ph−¬ng kinh h−íng vμ ph−¬ng th¼ng ®øng, vμ
lμ ph−¬ng ph¸p h÷u Ých trong nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ®−îc sö dông trong nhiÒu
n¨m qua. Tuy nhiªn, theo nhiÒu t¸c gi¶, hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n lμ m« h×nh chiÕu
trªn mÆt ph¼ng kinh tuyÕn. Trong cuèn s¸ch nμy, ta sÏ xem xÐt réng h¬n b»ng c¸ch cè
g¾ng tæng kÕt hiÓu biÕt hiÖn t¹i cña chóng ta. VÒ m« h×nh ®Çy ®ñ ba chiÒu cña giã vμ
nhiÖt ®é trong khÝ quyÓn. Tuy nhiªn, quan ®iÓm vÒ dßng trung b×nh vÉn h÷u Ých ®Ó
b¾t ®Çu tr×nh bμy vÊn ®Ò trong ch−¬ng nμy.
u vµ vect¬ tèc ®é giã kinh h−íng. (a) Th¸ng 12,1,2; (b) Th¸ng 6,7,8
H×nh 4.1 Tèc ®é giã vÜ h−íng
- 81 -
- Giã vÜ h−íng trung b×nh vμ vÐct¬ giã kinh h−íng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.1,
dùa theo sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u.
Dßng th¨ng ë miÒn nhiÖt ®íi víi tèc ®é th¼ng ®øng cùc ®¹i ë b¸n cÇu mïa hÌ.
Dßng gi¸ng m¹nh nhÊt ë kho¶ng vÜ ®é 25-30o trªn b¸n cÇu mïa ®«ng víi dßng h−íng
vÒ xÝch ®¹o gÇn bÒ mÆt, vμ dßng ®i ra tõ miÒn nhiÖt ®íi ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u do
tÝnh liªn tôc. Trôc ®èi xøng cña hoμn l−u nμy thÝch øng râ nhÊt cña dßng khÝ khÝ
quyÓn ®èi víi sù d− thõa nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi vμ thiÕu hôt nhiÖt ë miÒn vÜ ®é cao ®·
®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng tr−íc. Halley (1689) vμ Hadley (1735) ®Òu gi¶ thiÕt vÒ sù
tån t¹i vßng hoμn l−u nãi trªn ®Ó tÝnh to¸n gi¶i thÝch tÝn phong thæi vÒ xÝch ®¹o t¹i bÒ
mÆt. C«ng tr×nh nghiªn cøu cña hä cã ý nghÜa lÞch sö lín, ®ã lμ nh÷ng cè g¾ng ®Çu tiªn
m« t¶ hoμn l−u toμn cÇu b»ng nh÷ng sè h¹ng cña m« h×nh vËt lý ®¬n gi¶n.
H×nh 4.1 (tiÕp) (c) Tèc ®é giã trung b×nh n¨m lËp trªn c¬ së sè liÖu 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt
h¹n võa Ch©u ¢u. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s t« ®Ëm. Mòi
tªn ngang chØ tèc ®é kinh h−íng 3m/svµ mòi tªn theo chiÒu th¼ng ®øng chØ tèc ®é th¼ng ®øng 0,03Pa/s
M« h×nh giã vÜ h−íng trung b×nh u trªn H×nh 4.1 quan hÖ chÆt chÏ víi ph©n bè
cña nhiÖt ®é ®Þa thÕ vÞ ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.2 víi c¸c ®−êng nh− trªn H×nh
4.1 nh−ng víi c¸c ®−êng ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ.
C¸c m« h×nh cho th¸ng 12, th¸ng 1, th¸ng 2 vμ th¸ng 6, 7, 8 bæ sung ®Çy ®ñ cho
c¸c m« h×nh trªn. C©n b»ng giã nhiÖt (ph−¬ng tr×nh 1.53) gÇn ®óng ®èi víi trung b×nh
vÜ h−íng. Do ®ã, gradien ngang cña nhiÖt ®é lín cã liªn quan víi ®é lín cña tèc ®é giã
theo chiÒu th¼ng ®øng ë hÇu kh¾p miÒn vÜ ®é trung b×nh, vμ vÜ ®é cao. ë miÒn nhiÖt
®íi gradien ngang cña nhiÖt ®é nhá, do f cã xu thÕ tiÕn dÇn tíi 0, giã kh«ng ®−îc x¸c
®Þnh bëi quan hÖ giã nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi.
§èi chiÕu H×nh 4.1 vμ 4.2 ta thÊy hoμn l−u Hadley th¨ng lªn ë vïng vÜ ®é thÊp
n¬i cã nhiÖt ®é lín nhÊt vμ gi¸ng xuèng ë vïng cã nhiÖt ®é nhá h¬n. Tõ ch−¬ng ba ta
thÊy hoμn l−u sinh ra ®éng n¨ng, ®−îc gäi lμ "hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp". Hoμn l−u
nhiÖt trùc tiÕp còng thÊy ë c¸c vÜ ®é cao, ®Æc biÖt vμo mïa ®«ng ë miÒn vÜ ®é trung
b×nh Nam B¸n CÇu. Hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh lμ hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp.
Hoμn l−u nhiÖt ®èi xøng trùc tiÕp kh«ng tån t¹i ë miÒn vÜ ®é trung b×nh, ë ®©y nã ®−îc
thay thÕ b»ng mét hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp ®−îc gäi lμ vßng hoμn l−u Ferrel. §Æc
®iÓm nhiÖt ®éng lùc cña hoμn l−u nμy ®Æc tr−ng bëi dßng gi¸ng ë khu vùc nãng vμ
dßng th¨ng ë khu vùc l¹nh h¬n, ®Æc tr−ng cho sù tiªu t¸n cña ®éng n¨ng. Hoμn l−u
- 82 -
- nμy bÞ t¸c ®éng bëi mét sè nguyªn nh©n h×nh thμnh d¹ng c¬ häc. KÕt qu¶ nghiªn cøu
®· ®−îc c¸c t¸c gi¶ Victor Starr vμ c¸c céng sù cña «ng ë MIT tiÕn hμnh vμo n¨m 1940
vμ 1950 cho thÊy vai trß ®¸ng kÓ cña c¸c xo¸y miÒn «n ®íi trong viÖc ®iÒu khiÓn hoμn
l−u.
u vµ . (a) Th¸ng 12,1,2 (b) Th¸ng 6,7,8 lËp trªn c¬ së sè liÖu cña
H×nh 4.2 §−êng ®¼ng tèc cña
ECMWF. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc nh− trªn H×nh 4.1. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng
®¼ng lµ 5K
H¹n chÕ cña hoμn l−u Hadley trong miÒn nhiÖt ®íi liªn quan víi chuyÓn ®éng
quay cña Tr¸i §Êt. ChuyÓn ®éng tùa ®èi xøng cã xu thÕ b¶o toμn m«men ®éng l−îng,
kÕt qu¶ lμ g©y nªn giã vÜ h−íng m¹nh mét c¸ch dÞ th−êng ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u
h−íng vÒ cùc tõ 20o vÜ hay lín h¬n. ViÖc x¸c ®Þnh m«men ®éng l−îng riªng cña dßng
khÝ t¹i vÜ ®é lμ ( a cos + [u]) a cos . Sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng ®èi víihoμn
l−u n¬i tèc ®é giã vÜ h−íng b»ng 0 t¹i xÝch ®¹o cho thÊy giã vÜ h−íng t¹i c¸c vÜ ®é kh¸c
®−îc tÝnh theo c«ng thøc
u a sin 2 / cos (4.1)
Theo c«ng thøc nμy ta tÝnh ®−îc giã ë 200 lμ 56m/s vμ 127m/s ë vÜ ®é 300 . Tuy nhiªn,
to¸n ®å cho thÊy lμ trong khi b¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng m« t¶ ®−îc giã vÜ
h−íng ë c¸c vÜ ®é trung b×nh vμ vÜ ®é cao th× giã ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u miÒn nhiÖt
®íi vμ cËn nhiÖt ®íi biÕn ®æi theo kiÓu nh− ph−¬ng tr×nh 4.1 m« t¶. Giã t¨ng lªn xÊp xØ
- 83 -
- hμm bËc hai tõ xÝch ®¹o, víi tèc ®é cùc ®¹i 35-40m/s ë dßng xiÕt cËn nhiÖt ®íi. Thùc tÕ
lμ giã ë dßng xiÕt cËn nhiÖt cã liªn quan víi giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña nh¸nh trªn cao
trong vßng hoμn l−u Hadley. §iÒu ®ã cho thÊy r»ng vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ lμ m«
h×nh ho¸ th« cña sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng trong vßng hoμn l−u ®èi xøng.
Tr−íc khi m« t¶ mét m« h×nh ®¬n gi¶n cña hoμn l−u Hadley dùa trªn nh÷ng
nguyªn lý c¬ b¶n ®ã, ta cÇn ph¶i thÊy r»ng m« h×nh hoμn l−u Hadley/Halley ®¬n gi¶n
b©y giê thÊy gÇn thùc tÕ h¬n lμ s¬ ®å biÓu diÔn trªn H×nh 4.1. Sè liÖu sö dông cho s¬
®å ®· ®−îc lÊy trung b×nh theo hμm Euler, ®ã lμ chuçi thêi gian cña giã ë vÜ ®é vμ mùc
nhÊt ®Þnh ®−îc tæng hîp ®Ó tÝnh ®−îc giã trung b×nh mïa. Nh−ng ta sÏ cã mét bøc
tranh rÊt kh¸c biÖt nÕu lÊy trung b×nh theo ph−¬ng ph¸p Lagrangian b»ng c¸ch lÊy
trung b×nh tèc ®é cña c¸c ph©n tö khÝ khi chóng chuyÓn ®éng vßng trong khÝ quyÓn.
ViÖc lÊy trung b×nh nμy rÊt khã thùc hiÖn do sè liÖu kh«ng ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, cã thÓ
thùc hiÖn lÊy trung b×nh xÊp xØ Lagrangian. VÝ dô, Johnson ®· ph©n tÝch sè liÖu giã bÒ
mÆt theo nhiÖt ®é thÕ vÞ tr−íc khi tiÕn hμnh lÊy trung b×nh theo thêi gian vμ theo vÜ
®é. V× vËy, nhiÖt ®é thÕ vÞ nãi chung b¶o toμn trong c¸c ph©n tö chÊt láng theo quy m«
thêi gian nhá h¬n 5 ngμy. ViÖc lÊy trung b×nh ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ nμy ®èi víi c¸c
ph©n tö khÝ trong kho¶ng thêi gian ng¾n. §Æc biÖt, cã thÓ theo dâi c¸c ph©n tö khÝ
xuyªn qua hÖ thèng ¸p thÊp ë vÜ ®é trung b×nh. Trªn H×nh 4.3 lμ kÕt qu¶ ph©n tÝch thÓ
hiÖn râ hμm dßng theo h−íng kinh tuyÕn ®èi víi thêi kú thùc hiÖn trong FGGE sö
dông c¸ch tÝnh trung b×nh Euler truyÒn thèng víi kÕt qu¶ ph©n tÝch t−¬ng tù trªn mÆt
.
H×nh 4.3 Sù ®èi lËp cña hµm dßng khèi l−îng theo chiÒu kinh h−íng th¸ng 1-1979 (a) Dïng ph−¬ng
ph¸p tÝnh trung b×nh tùa Lagrange trªn mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ vµ (b) Dïng ph−¬ng ph¸p tÝnh trung
b×nh Euler trªn mÆt ®¼ng ¸p (Townsend, Johnson, 1985)
- 84 -
- NÕu lÊy quy m« cña to¹ ®é th¼ng ®øng th× m« h×nh miÒn «n ®íi trong c¶ hai
tr−êng hîp kh«ng gièng nhau. ë miÒn «n ®íi n¬i tËp trung c¸c hÖ thèng ¸p thÊp dÞch
chuyÓn, chóng kh¸c biÖt hoμn toμn. Vßng hoμn l−u Ferrel kh«ng cã trªn c¸c s¬ ®å
®¼ng entropi, c¸c ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng tõ miÒn nhiÖt ®íi vÒ miÒn cùc theo
hoμn l−u trùc tiÕp nhiÖt ®éng lùc. B¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng ®−îc thùc hiÖn
thËm chÝ lμ gÇn ®óng ®èi víi hoμn l−u nμy t¹i c¸c vÜ ®é cao. Nguyªn nh©n lμ do
gradien khÝ ¸p vÜ h−íng ®Þa ph−¬ng cã liªn quan víi sù vËn chuyÓn theo chiÒu kinh
h−íng ë miÒn «n ®íi v−ît qu¸ chuyÓn ®éng quay theo chiÒu vÜ h−íng cña khÝ quyÓn.
Nh−ng ®iÒu ®ã kh«ng x¶y ra do tr−êng giã vÜ h−íng cã liªn quan víi hoμn l−u phi ®o¹n
nhiÖt g©y ra nhiÔu ®éng dÞch chuyÓn kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn ®Çy ®ñ. Nh÷ng hiÖu øng cña
c¸c xo¸y ®èi víi dßng vÜ h−íng sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 4.4. Nguån gèc cña c¸c
xo¸y nμy lμ tiªu ®Ò chÝnh cña Ch−¬ng 5 vμ Ch−¬ng 6.
4.2 M« h×nh Held-Hou cña hoμn l−u Hadley
M« h×nh vßng hoμn l−u Hadley ®¬n gi¶n nhÊt vμ thÓ hiÖn râ c¬ chÕ vËt lý nhÊt lμ
m« h×nh cña Held vμ Hou c«ng bè n¨m 1980. M« h×nh sö dông nh÷ng nguyªn lý c©n
b»ng m«men ®éng l−îng vμ c©n b»ng giã nhiÖt ®èi víi ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng
®Ó dù b¸o sù më réng theo h−íng vÜ tuyÕn vμ sù t¨ng c−êng cña vßng hoμn l−u
Hadley. H×nh 4.4 minh ho¹ vÒ m« h×nh nμy.
H×nh 4.4 Minh ho¹ s¬ ®å cña m« h×nh Held-Hou
M« h×nh gåm hai mùc cña tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. Dßng khÝ h−íng vÒ xÝch ®¹o t¹i
bÒ mÆt, n¬i mμ ma s¸t bÒ mÆt lμm gi¶m tèc ®é giã trung b×nh vÜ h−íng, sù b¶o toμn
m«men ®éng l−îng kh«ng ®¸ng kÓ. Dßng h−íng cùc xuÊt hiÖn ë ®é cao H. CÊu tróc
nhiÖt ®−îc m« t¶ b»ng nhiÖt ®é thÕ vÞ ë mùc gi÷a H/2.
Dßng ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sù lμm l¹nh Newt¬n theo sù ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng
bøc x¹ E( ) ®èi víi quy m« thêi gian E. §ã lμ ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc ®−îc viÕt
nh− sau
D E
(4.2)
E
Dt
- 85 -
- E ®−îc tÝnh theo biÓu thøc
E 0 P2 sin
2
(4.3)
3
trong ®ã P2 (sin ) = ( 3 sin2 -1)/2 lμ ®a thøc Lagendre bËc hai.
lμ nhiÖt ®é thÕ vÞ c©n b»ng bøc x¹ trung b×nh toμn cÇu.
lμ sù kh¸c biÖt nhiÖt ®é c©n b»ng gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o.
Sù ph©n bè ®ã ®−îc lμm tr¬n vμ coi lμ liªn tôc vμ gi÷ ®−îc ®Æc tÝnh ®èi xøng quan
träng ®ã lμ = 0 t¹i cùc vμ t¹i xÝch ®¹o. Thùc tÕ lμ d¹ng cÇu lμ mét nh©n tè lμm phøc
t¹p ho¸ ph©n tÝch vμ kh«ng ®−a vμo m« h×nh mét nguyªn lý vËt lý míi. Gi¶ thiÕt
y y
lμ nhá ®Ó cho sin cã thÓ ®−îc tÝnh bëi sin ph−¬ng tr×nh 4.3 trë thμnh
a a
2
E E 0 (4.4)
y
a2
Ph©n bè nhiÖt thùc tÕ kh¸c víi ph©n bè c©n b»ng bøc x¹ víi b×nh l−u do chuyÓn
®éng kh«ng khÝ c©n b»ng víi xu thÕ phi ®o¹n nhiÖt ®−îc cho bëi ph−¬ng tr×nh 4.2.
Thùc chÊt m« h×nh Held-Hou ®−îc dïng ®Ó dù b¸o nhiÖt ®é thùc tÕ tõ b¶o toμn c©n
b»ng m«men ®éng l−îng. Gi¶ thiÕt giã ë mùc trªn cao theo ph−¬ng tr×nh 4.1, ë nh÷ng
vÜ ®é thÊp tÝnh theo c«ng thøc
y 2
UM (4.5)
a
ChØ sè d−íi M cho biÕt ®©y lμ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ b¶o toμn m«men ®éng l−îng.
Giã vÜ h−íng ë mùc thÊp b»ng kh«ng do ma s¸t g©y nªn.
u U M y 2
(4.6)
z H aH
Nh−ng ®é ®øt giã th¼ng ®øng liªn hÖ víi gradien ngang cña nhiÖt ®é theo quan hÖ giã
nhiÖt. Víi gi¶ thiÕt lμ dßng ®èi xøng dõng vμ c©n b»ng tÜnh häc. C©n b»ng giã nhiÖt
ph¶i tho¶ m·n ngay c¶ ®èi víi miÒn vÜ ®é thÊp (xem ph−¬ng tr×nh (1.53)). Dïng chiÒu
cao lμm to¹ ®é th¼ng ®øng, ph−¬ng tr×nh cã thÓ viÕt d−íi d¹ng
u g
2 sin (4.7)
z 0 y
u
Thay tõ ph−¬ng tr×nh (4.6) ta cã
z
2 2
2 0 y3 (4.8)
y a gH
LÊy tÝch ph©n biÓu thøc nμy ta nhËn ®−îc ph©n bè nhiÖt ®é thÕ vÞ thùc tho¶ m·n m«
h×nh giã vÜ h−íng
20
M M0 y4 (4.9)
2a 2 gH
- 86 -
- H¬n n÷a, chØ sè d−íi M cho thÊy r»ng tr−êng nhiÖt ®é thÕ vÞ nhËn ®−îc tõ viÖc
sö dông tÝnh b¶o toμn m«men quay. Trong ®ã M0 lμ h»ng sè tÝch ph©n cÇn ®−îc x¸c
®Þnh nÕu biÓu diÔn nhiÖt ®é xÝch ®¹o vμ ta dù ®o¸n tr−íc lμ sù vËn chuyÓn nhiÖt do
vßng hoμn l−u Hadley lμm cho nhiÖt ®é xÝch ®¹o nhá h¬n E0. Ph©n bè cña E vμ M
®−îc so s¸nh trªn H×nh 4.5.
H×nh 4.5 Minh ho¹ sù phô thuéc hµm víi kho¶ng c¸ch tíi cùc ®èi víi m« h×nh Held-Hou. Ph¶i ®−îc
chän sao cho diÖn tÝch gi÷a hai ®−êng cong ph¶i b»ng nhau, nghÜa lµ kh«ng cã sù ®èt nãng thuÇn
cña phÇn tö khÝ
Profile nhiÖt ®é ph¼ng h¬n profile c©n b»ng bøc x¹ ë khu gÇn tíi xÝch ®¹o. ë vÜ ®é
cao, nã gi¶m nhanh h¬n. Tõ h×nh vÏ ta thÊy r»ng ë ®©y cã sù ®èt nãng trong khu vùc
tõ xÝch ®¹o ®Õn ®iÓm c¾t thø nhÊt, sù lμm l¹nh trong khu vùc tõ ®iÓm c¾t thø nhÊt tíi
®iÓm c¾t thø hai. ë nh÷ng vÜ ®é cao l¹i cã sù ®èt nãng, ®iÒu nμy lμ kh«ng thÓ cã ®−îc
vÒ mÆt ®éng lùc häc vμ cã thÓ kÕt luËn lμ chuyÓn ®éng h−íng cùc b¾t ®Çu tõ ®iÓm c¾t
thø hai, ®iÓm c¾t thø hai lμ giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley, vÜ ®é cña
nã biÓu diÔn lμ Y. ë vÜ ®é cao h¬n E trong m« h×nh ®èi xøng nμy. VÜ ®é giíi h¹n
cña nh¸nh vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Y ®−îc x¸c ®Þnh bëi gi¸ trÞ M0 ®−îc chän
sao cho ë ®©y kh«ng cã sù ®èt nãng cña ph©n tö khÝ tham gia hoμn l−u, do ®ã, (tõ
ph−¬ng tr×nh 4.2)
Y Y
M dy E dy
0 0
hoÆc
20 2
M0 Y 4 E0 (4.10)
Y
2
3a 2
10a gH
víi gi¶ thiÕt E kh«ng biÕn ®æi theo vÜ ®é, h¬n n÷a E = M t¹i y = Y ta cã ph−¬ng
tr×nh thø hai cho Y vμ M0
20 2
M0 Y 4 E0 (4.11)
Y
2
a2
2a gH
- 87 -
- Hai ph−¬ng tr×nh ®ã cã hai biÕn ch−a biÕt lμ Y vμ M0 . Cã thÓ thÊy tr−íc lμ lêi gi¶i
c¸c biÕn nμy cã d¹ng lμ
1/ 2
5gH
Y (4.12)
3 2
0
vμ
5 2 gH
E0 M0 (4.13)
18a 2 2 0
NÕu chän 0 = 255 K vμ = 40K (gi¸ trÞ quan tr¾c th−êng thÊy) ta tÝnh ®−îc Y =
2200km vμ E 0 - M0 = 0,8K. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy −íc l−îng chiÒu ngang cña
vßng hoμn l−u Hadley Ýt nhÊt phï hîp víi thùc tÕ quan tr¾c, tuy nhiªn h¬i nhá h¬n so
víi gi¸ trÞ nμy.
M« h×nh còng ®−a ra mét bøc tranh vÒ mèi quan hÖ gi÷a giã vÜ h−íng ë phÇn trªn
tÇng ®èi l−u víi vßng hoμn l−u Hadley. Víi y Y, giã vÜ h−íng ë mùc trªn ®¬n gi¶n
b»ng UM tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.5. Víi y > Y nhiÖt ®é b»ng nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹
vμ giã vÜ h−íng cã thÓ ®−îc tÝnh tõ c©n b»ng giã nhiÖt nhê sö dông E, giã nμy ký hiÖu
gH
lμ UE vμ khi vÜ ®é nhá nã ®−îc coi lμ kh«ng ®æi vμ b»ng . Cã sù gi¸n ®o¹n cña giã
a
vÜ h−íng t¹i y = Y. KÕt qu¶ dù ®o¸n cã c¶ yÕu tè phï hîp thùc tÕ vμ kh«ng phï hîp víi
thùc tÕ. §iÒu ®ã cho thÊy tån t¹i dßng xiÕt cËn nhiÖt ë giíi h¹n cùc cña vßng hoμn l−u
Hadley. Thùc vËy, H×nh 4.1 cho thÊy cã tån t¹i dßng xiÕt nμy. Nh−ng sù gi¸n ®o¹n vÒ
tèc ®é giã ë r×a cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng quan tr¾c ®−îc v× nã rÊt bÊt æn ®Þnh.
Sù kh¸c nhau gi÷a M 0 (nhiÖt ®é xÝch ®¹o thùc) vμ E 0 (nhiÖt ®é xÝch ®¹o c©n b»ng bøc
x¹) cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dßng kinh h−íng liªn quan víi hoμn l−u
Hadley. T¹i xÝch ®¹o do tÝnh ®èi xøng ta sÏ cã c©n b»ng gi÷a biÕn ®æi b×nh l−u theo
chiÒu th¼ng ®øng vμ sù ®èt nãng nªn
E 0 M 0
w
z E
g E0 M0
w (4.14)
E
0 N 2
trong ®ã N lμ tÇn sè Brunt-Vaisala cña khÝ quyÓn. Chän E = 15 ngμy vμ gi¶ thiÕt N =
10-2 /s th× W = 0,24 mm/s. Do tÝnh liªn tôc, tèc ®é giã ngang ®Æc biÖt ë phÇn cËn nhiÖt
cña vßng hoμn l−u Hadley
Y
v~ w (4.15)
H
Víi c¸c tham sè trªn th× v = 0,5 cm/s. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy giã kinh h−íng
quan tr¾c ®−îc trong vßng hoμn l−u Hadley kho¶ng 1m/s. V× vËy, ta cã thÓ nãi r»ng
m« h×nh ®· x¸c ®Þnh hîp lý h×nh d¹ng cña hoμn l−u Hadley, nh−ng c−êng ®é ®−îc x¸c
®Þnh theo m« h×nh lμ nhá. Tuy nhiªn lý thuyÕt Held-Hou cã thÓ tèt h¬n nh÷ng gi¶
thiÕt ®¬n gi¶n nμy. Ta ®· xem xÐt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m ®èi xøng qua xÝch
®¹o. Nh−ng ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi kh«ng ®èi xøng qua xÝch ®¹o trong h¹ chÝ vμ
- 88 -
- ®«ng chÝ, víi cùc ®¹i ®èt nãng ë b¸n cÇu mïa hÌ. Ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cã
d¹ng
NS
E 0 sin EP 3 sin 2 1 (4.16)
2
trong ®ã EP lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o. NS lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é
gi÷a cùc mïa hÌ vμ cùc mïa ®«ng. Khi ®ã, dßng th¨ng kh«ng cßn ë ngay trªn xÝch ®¹o.
V× vËy, b¶o toμn m«men ®éng l−îng dÉn tíi sù h×nh thμnh giã ®«ng trªn cao ë xÝch ®¹o
(do c©n b»ng giã nhiÖt) vμ cùc ®¹i M lÖch khái xÝch ®¹o tíi vÜ ®é cã dßng ®i lªn cùc ®¹i.
H×nh 4.6 minh ho¹ d¹ng cña ®−êng M vμ E trong tr−êng hîp phi ®èi xøng.
s , N , D
H×nh 4.6 M« h×nh Held- Hou ®èi víi tr−êng hîp ®èt nãng cùc ®¹i kÓ tõ xÝch ®¹o. VÜ ®é
MO t¹i xÝch ®¹o cÇn ®−îc x¸c ®Þnh
còng nh− nhiÖt ®é
Phi ®èi xøng nghÜa lμ sù t¨ng lªn cùc ®¹i kh«ng liªn quan víi vÜ ®é n¬i cã nhiÖt ®é
c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i hay liªn quan víi ®−êng chia vßng hoμn l−u B¾c B¸n CÇu vμ
Nam B¸n CÇu. KÕt qu¶ lμ ta cã mét hÖ thèng phøc t¹p h¬n víi 4 th«ng sè ch−a biÕt
chóng ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn trong ph−¬ng tr×nh 4.12 vμ 4.13. KÕt qu¶ tÝnh
to¸n cña m« h×nh phi ®èi xøng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.7.
Vßng hoμn l−u nhanh chãng trë thμnh phi ®èi xøng khi cùc ®¹i c©n b»ng bøc x¹
lÖch khái xÝch ®¹o, víi mét vßng hoμn l−u nhá ë b¸n cÇu mïa hÌ vμ mét vßng hoμn l−u
m¹nh h¬n víi dßng th¨ng ë b¸n cÇu mïa hÌ, dßng gi¸ng ë b¸n cÇu mïa ®«ng. Dßng
khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi hai vßng hoμn l−u tû lÖ thuËn víi khu vùc n»m gi÷a
®−êng cong M vμ E trªn H×nh 4.5. Kh¸c nhiÒu so víi m« h×nh ®èt nãng phi ®èi xøng
vμ ta sÏ gi¶ thiÕt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m chiÕm −u thÕ bëi hai vßng hoμn l−u
mïa ®«ng. NÕu gi¶ thiÕt nμy lμ ®óng −íc tÝnh Y sÏ t¨ng, w vμ v sÏ t¨ng víi ®¹i l−îng
lμm cho nã lín h¬n so víi ®−êng vÏ theo kÕt qu¶ quan tr¾c.
- 89 -
- Log10 ( Dßng khèi l−îng chuÈn ho¸)
Log10 ( Dßng khèi l−îng chuÈn ho¸)
Vßng hoµn l−u
mïa ®«ng
Vßng hoµn l−u
mïa hÌ
H×nh 4.7 KÕt qu¶ tÝnh ®èi víi vßng hoµn l−u Hadley bÊt ®èi xøng víi gi¶ thiÕt c¸c th«ng sè nh− trªn:
(a) biÕn s , N , D nh− hµm cña o , vÜ ®é cña d¶i cã nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i (b) biÕn cña
o
dßng khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi vßng hoµn l−u mïa ®«ng vµ mïa hÌ nh− hµm cña
Mét nguyªn lý quan träng ®· ®−îc minh ho¹ b»ng nh÷ng tÝnh to¸n ®ã. C−êng ®é
vμ ®Æc tr−ng cña c¸c vßng hoμn l−u hoμn l−u chÞu ¶nh h−ëng cña hμm phi tuyÕn cao
lμm biÕn ®æi vÜ ®é cã ®èt nãng cùc ®¹i. KÕt qu¶ lμ hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m rÊt
kh¸c so víi khi thÝch øng víi t¸c ®éng trung b×nh n¨m mμ ta sÏ dù ®o¸n. D−íi d¹ng
kh¸c nhau, vÊn ®Ò vÒ tÝnh trung b×nh phi tuyÕn lμ mét khã kh¨n lín nhÊt trong viÖc
tham sè ho¸ nhiÒu qu¸ tr×nh t¸c ®éng phi ®o¹n nhiÖt trong khÝ quyÓn. §iÒu ®ã cã
nghÜa lμ cÇn ch¹y m« h×nh hoμn l−u chung phøc t¹p thËm chÝ nÕu chØ quan t©m ®Õn
chØ mét trong hai hoμn l−u trung b×nh n¨m vμ theo vÜ h−íng.
- 90 -
- 4.3 M« h×nh hoμn l−u Hadley thùc tÕ h¬n
Cã hai ®iÒu ch−a tÝnh ®Õn trong c¸c phÇn tr−íc. Thø nhÊt lμ kh«ng tÝnh ®Õn ¶nh
h−ëng cña lùc ma s¸t ®Õn phÇn trªn cña khÝ quyÓn. V× quy m« thêi gian cña m« h×nh
dù b¸o vßng hoμn l−u Hadley lμ quy m« thêi gian bøc x¹ lín, ngay c¶ sù t¸n x¹ rÊt yÕu
còng cã thÓ lμm dßng khÝ biÕn d¹ng. Thø hai lμ ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt gi¶i phãng do
ng−ng kÕt h¬i n−íc bÞ bá qua. Thùc tÕ, Èn nhiÖt chiÕm −u thÕ trong sù ®èt nãng ë miÒn
nhiÖt ®íi. V× vËy, kh«ng thÓ nãi lμ viÖc sö dông c¸c m« h×nh nμy lμ kh«ng thùc tÕ. Môc
tiªu cña c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ së khoa häc lμ t¸ch biÖt ®−îc nh÷ng c¬ chÕ quan
träng khái c¬ chÕ phô. KÕt hîp toμn bé lμ kh«ng thÓ ®−îc trong c¸c m« h×nh nh−ng
ph¶i tÝnh ®−îc hÕt c¸c nh©n tè. M« h×nh Held-Hou −u viÖt vμ do kh«ng ph¶i nã bá qua
c¸c sù ¶nh h−ëng mμ v× ngay c¶ víi gi¶ thiÕt tèi thiÓu m« h×nh vÉn thÓ hiÖn ®−îc
nhiÒu cÊu tróc quan s¸t ®−îc cña vßng hoμn l−u kinh h−íng vμ tr−êng giã vÜ h−íng.
Tuy nhiªn trong phÇn nμy, cÇn xem xÐt møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè biÕn ®æi
phøc t¹p ®ã.
Ta sÏ xem xÐt ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t sö dông mét ph−¬ng ¸n cña m« h×nh
hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n ®· giíi thiÖu trong môc 2.4. §©y lμ tr−êng hîp bÊt ®èi
xøng trong ®ã sù biÕn ®æi vßng hoμn l−u theo h−íng kinh tuyÕn ®−îc bá qua. D¹ng
phøc t¹p h¬n cña lùc ma s¸t ®−îc sö dông, ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng cã d¹ng
u 2u
NM LM K (4.17)
t z 2
trong ®ã LM vμ NM lμ thμnh phÇn ®éng l−îng tuyÕn tÝnh vμ phi tuyÕn. K lμ mét h»ng
sè cña hÖ sè khuÕch t¸n th¼ng ®øng. Sè h¹ng khuyÕch t¸n vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh lμ
tham sè th« cña vËn chuyÓn rèi ®èi víi m«men ®éng h−îng trong líp biªn hμnh tinh.
§«i khi ®−îc gäi lμ mét hÖ sè nhít rèi. Do ¶nh h−ëng cña sè h¹ng khuyÕch t¸n lμ ®Ó
®−a ra líp biªn Ekman cæ ®iÓn vμo trong dßng khÝ, trong ®ã ®é dÇy cña líp biªn ®−îc
tÝnh bëi
1/ 2
2K
D (4.18)
f
CÇn nhí ®é dÇy cña líp biªn hμnh tinh ë vÜ ®é trung b×nh dμy kho¶ng mét km, nã kÐo
theo gi¸ trÞ hîp lý cña K lμ 10-2 m2/s. Líp biªn Ekman g©y ra mét vßng hoμn l−u thø
hai, lμm tiªu tan xo¸y trong chÊt khÝ phÝa trªn líp biªn bëi sù kÐo d·n hoÆc co l¹i cña
c¸c èng xo¸y. H×nh 4.8 minh ho¹ ®iÒu ®ã.
Quy m« thêi gian ®Æc tr−ng cho sù d·n yÕu nμy lμ
1/ 2
2H 2
D (4.19)
fK
- 91 -
- H×nh 4.8 Sù tiªu t¸n cña xo¸y do ma s¸t cña líp biªn Ekman
Kho¶ng vμi ngμy ë vÜ ®é trung b×nh. Theo xu thÕ ®ã, nÕu quy m« thêi gian cña
vßng hoμn l−u Hadley dμi h¬n quy m« thêi gian d·n yÕu, ®é ®øt giã kinh h−íng m¹nh
ph¸t triÓn ë gÇn dßng xiÕt cËn nhiÖt trong m« h×nh Held-Hou sÏ ®−îc ®iÒu chØnh bëi
sù cã mÆt cña líp biªn vÜ ®é trung b×nh.
H×nh 4.9 Vßng hoµn l−u Hadley vµ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ m« h×nh hoµn l−u toµn cÇu bÊt ®èi xøng
®¬n gi¶n. (a) (b) lµ tr−êng hîp víi E ®èi xøng qua xÝch ®¹o; (c) vµ (d) lµ tr−êng hîp E cùc ®¹i
n»m ë 10oN
- 92 -
- H×nh 4.9 (tiÕp) (c) (d) Hµm dßng khèi l−îng víi kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng lµ 5 x 109 kg s-1 Trong
khi ®èi víi giã vÜ h−íng víi kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, khu vùc t« rÊt ®Ëm lµ n¬i dßng
th¨ng cã tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s
KÕt qu¶ cña hai phÐp tÝch ph©n trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n víi sè
h¹ng ma s¸t nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.10.
ITCZ
TÇng ®èi l-u
Giã tÝn phong Giã tÝn phong
H×nh 4.10 S¬ ®å m« t¶ ITCZ vµ vßng hoµn l−u Hadley
M« h×nh ®Çu cã E ®èi xøng qua xÝch ®¹o, t−¬ng tù nh− m« h×nh Held-Hou ®¬n
gi¶n nhÊt. Mét vßng hoμn l−u Hadley yÕu më réng vÒ phÝa cËn nhiÖt, cïng víi dßng
xiÕt cËn nhiÖt. Tèc ®é giã vÜ h−íng nhá h¬n nhiÒu so víi kÕt qu¶ dù b¸o b»ng m« h×nh
kh«ng ma s¸t vμ kh«ng cã sù gi¸n ®o¹n cña giã liªn quan víi r×a cña vßng hoμn l−u
Hadley. H¬n n÷a, vßng hoμn l−u Hadley kh«ng cã biªn s¾c nÐt vÒ phÝa cùc, mÆc dï nã
®· trë nªn rÊt yÕu ë vÜ ®é cao. Quy m« cña vßng hoμn l−u Hadley rÊt lín so víi quy m«
- 93 -
- dù b¸o cña m« h×nh Held-Hou. Giã vÜ h−íng th−êng yÕu h¬n. PhÐp tÝch ph©n thø hai
lμ cho ®iÒu kiÖn víi h¹n chÕ gradien nhiÖt ®é ë vÜ ®é trung b×nh cña b¸n cÇu mïa ®«ng
b»ng gÇn hai lÇn so víi b¸n cÇu mïa hÌ. Cùc ®¹i cña E ë 60N. Sù bÊt ®èi xøng gi÷a
vßng hoμn l−u Hadley mïa ®«ng vμ vßng hoμn l−u Hadley mïa hÌ rÊt râ tuy kh«ng
thÓ hiÖn trªn H×nh 4.7. Vßng hoμn l−u mïa hÌ chØ cã mét dßng xiÕt cËn nhiÖt yÕu ë r×a
phÝa cùc cña vßng hoμn l−u, tån t¹i víi ¶nh h−ëng sù thèng trÞ cña lùc ma s¸t ®èi víi
mét dßng chuyÓn ®éng vßng chËm. Vßng hoμn l−u mïa ®«ng m¹nh h¬n, t−¬ng øng víi
nã lμ dßng xiÕt còng m¹nh h¬n, mÆc dï kh«ng m¹nh b»ng tr−êng hîp dßng ch¶y ®−îc
xem lμ b¶o toμn m«men ®éng l−îng, vμ nã ®−îc thÓ hiÖn ë dÊu hiÖu ®é ®øt rÊt s¾c nÐt
ë s−ên h−íng cùc cña vßng hoμn l−u. Khi chóng ta xem xÐt nh÷ng ch−¬ng tiÕp sau ta
sÏ thÊy dßng khÝ nμy rÊt bÊt æn ®Þnh nÕu gi¶ thiÕt ®iÒu kiÖn bÊt ®èi xøng ®−îc tho¶
m·n. KÕt qu¶ dßng xo¸y nhiÖt vμ m«men ®éng l−îng sÏ nhanh chãng lμm biÕn d¹ng
profile dßng xiÕt vμ ®−a nã vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh h¬n.
B©y giê ta h·y xem xÐt ¶nh h−ëng cña ®é Èm. ¶nh m©y vÖ tinh cho thÊy c¸c vßng
Hadley ë mçi b¸n cÇu bÞ t¸ch biÖt bëi mét d¶i m©y vò tÝch Cb. D¶i m©y nμy h×nh
thμnh ë trªn d¶i héi tô, n¬i giã tÝn phong mùc thÊp cña hai b¸n cÇu gÆp nhau vμ
th−êng ®−îc gäi lμ d¶i héi tô nhiÖt ®íi (ITCZ). H×nh 4.10 biÓu diÔn s¬ ®å vÒ sù h×nh
thμnh cña ITCZ vμ mèi quan hÖ cña nã víi vßng hoμn l−u Hadley. Kh«ng khÝ gi¸ng
xuèng ë r×a phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley ®¹t tíi tËn líp biªn víi ®é Èm t−¬ng ®èi
thÊp nhÊt. Kh«ng khÝ chuyÓn ®éng h−íng vÒ xÝch ®¹o trong dßng ch¶y mùc thÊp,
mang theo nhiÖt vμ Èm tõ bÒ mÆt bªn d−íi khi nã chuyÓn ®éng. Khi kh«ng khÝ gÆp
kh«ng khÝ tõ b¸n cÇu ®èi diÖn nã ®−îc ®Èy lªn cao. Khi th¨ng lªn kh«ng khÝ nhanh
chãng trë thμnh kh«ng khÝ b·o hßa trong ®ã x¶y ra ng−ng kÕt vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt.
L−îng Èn nhiÖt gi¶i phãng ®−îc c©n b»ng bëi dßng th¨ng vμ do ®ã ITCZ ®−îc ®Æc
tr−ng bëi ®èi l−u s©u xuyªn qua tÇng ®èi l−u. Nguyªn lý ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt lμ
nguyªn nh©n tËp trung nhÊt cña chuyÓn ®éng th¨ng cña hoμn l−u Hadley trªn mét
d¶i ITCZ hÑp.
ViÖc tÝnh ®Õn b¶n chÊt cña vßng hoμn l−u Hadley theo m« h×nh Èm nμy gÆp rÊt
nhiÒu khã kh¨n, do ph¶i tÝnh ®Õn nh÷ng sù trao ®æi nhiÖt Èm trong líp biªn còng nh−
®èi l−u m©y tÝch s©u trong ITCZ. Nh− ta ®· thÊy trong môc 2.4. ViÖc tham sè ho¸ ®ã
lμ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng nh−ng cßn Ýt ®−îc gi¶i quyÕt trong m« h×nh hoμn l−u
toμn cÇu. Tuy nhiªn, gi¶ thiÕt giíi h¹n vÒ ®é réng vμ c−êng ®é cña vßng hoμn l−u
h−íng thùc tÕ cã triÓn väng h¬n sù tÝnh to¸n ban ®Çu.
Ta h·y tiÕp tôc xem xÐt m« h×nh Held-Hou gåm hai mùc, víi mùc d−íi lμ líp biªn
Èm vμ mùc trªn lμ dßng ch¶y h−íng cùc kh«ng ma s¸t ë phÇn gi÷a vμ phÇn trªn tÇng
®èi l−u. §Ó ®¬n gi¶n ta h·y trë l¹i tr−êng hîp vßng hoμn l−u ®èi xøng qua xÝch ®¹o.
Còng nh− tr−íc kia, giã vÜ h−íng trong tÇng trªn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù b¶o toμn
m«men ®éng l−îng, vμ do ®ã biÕn ®æi cña nhiÖt ®é thÕ vÞ M theo vÜ ®é, ®−îc tÝnh theo
ph−¬ng tr×nh 4.9. Sù lμm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dμi theo kh«ng gian cã thÓ ®−îc tÝnh
theo tû sè M . T−¬ng tù, khi kh«ng cã chuyÓn ®éng chÊt khÝ, nhiÖt ®é E, sù ph©n bè
E
- 94 -
- nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.4. Sù ph©n bè cña ®èt nãng do ph¸t
x¹ sãng ng¾n ®¬n gi¶n lμ E , tæng l−îng nhiÖt ®−îc tÝnh theo
E
E
Y
H (4.20)
dy
E
0
B©y giê ta gi¶ thiÕt lμ tÊt c¶ l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®Õn ®−îc sö dông ®Ó bèc h¬i n−íc
vμo líp biªn. L−îng nhiÖt nμy lμ Èn nhiÖt ng−ng tô trong ITCZ, n¬i cã tæng l−îng
nhiÖt gi¶i phãng lμ theo ph−¬ng tr×nh 4.20. Tõ môc 4.2, ta thÊy ®é réng cña vßng hoμn
l−u Hadley cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn lμ tÝch ph©n sù ®èt nãng vμ lμm l¹nh
theo ®é réng cña vßng hoμn l−u Hadley theo
Y Y
dy H
M E
(4.21)
dy
0 0
E E
Ta ®· gÆp ph−¬ng tr×nh nμy (ph−¬ng tr×nh 4.10). Ta còng thÊy lμ l−îng nhiÖt nμy
kh«ng ®æi víi m« h×nh Held-Hou kh«. Mét ®iÒu kiÖn kh¸c lμ M = E ë y = Y còng thÊy
trong c¶ hai m« h×nh. Trong tr−êng hîp nμy, khi kh«ng cã Èm dßng khèi l−îng vμ ®é
réng cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng ®æi, kh¸c víi m« h×nh Held-Hou ®¬n gi¶n lμ ®èt
nãng vμ dßng th¨ng tËp trung trong mét d¶i hÑp trªn ITCZ, trong ®ã lμm l¹nh dßng
gi¸ng trong phÇn cßn l¹i cña vßng hoμn l−u Hadley. NÕu ta gi¶ thiÕt r»ng l−îng nhiÖt
dïng ®Ó bèc h¬i nhá h¬n l−îng bøc x¹ mÆt trêi tíi, khi ®ã l−îng d− thõa dÉn tíi sù ®èt
nãng, ta vÉn nhËn ®−îc kÕt qu¶ t−¬ng tù vÒ ®é réng vμ c−êng ®é cña vßng hoμn l−u.
Nh−ng víi dßng th¨ng ë phÇn nhiÖt ®íi cña vßng hoμn l−u vμ sù tËp trung m¹nh h¬n
cña dßng th¨ng trªn ITCZ. H×nh 4.11 minh ho¹ nh÷ng tr−êng hîp ®ã.
§Ó tæng kÕt cÇn ®¸nh gi¸ ¶nh h−ëng cña ®é Èm trong viÖc thμnh t¹o sù bÊt ®èi
xøng gi÷a dßng th¨ng vμ dßng gi¸ng quy m« lín trong vßng hoμn l−u Hadley. Trong
tr−êng hîp kh«, diÖn tÝch khu vùc dßng th¨ng gÇn b»ng diÖn tÝch khu vùc dßng gi¸ng.
V× vËy, ng−ng kÕt vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt trë nªn quan träng h¬n, chuyÓn ®éng th¼ng
®øng trë nªn m¹nh h¬n vμ tËp trung h¬n, trong khi ®ã gi÷a æ ®Æc tr−ng bëi dßng
gi¸ng. Tæng hoμn l−u vÉn kh«ng ®æi, do kh«ng cã biÕn ®æi trùc tiÕp trong t¸c ®éng
nhiÖt mμ chØ ®−îc b¶o ®¶m bëi dßng bøc x¹ mÆt trêi. §é réng cña ITCZ phô thuéc vμo
cÊu tróc cña tõng th¸p m©y tÝch riªng rÏ cÊu t¹o nªn ITCZ, x¸o trén rèi gi÷a th¸p m©y
th¨ng m¹nh vμ khu vùc quang m©y xung quanh x¸c ®Þnh cì cña æ m©y tÝch vμ do ®ã
x¸c ®Þnh ®é réng cña ITCZ. Quan s¸t cho thÊy r»ng quy m« kinh h−íng cña ITCZ nhá
h¬n hoÆc b»ng 100 km. §ã lμ qu¸ tr×nh quy m« võa kh«ng n»m trong ph¹m vi cña
cuèn s¸ch nμy.
§iÒu ®ã cã nghÜa lμ c¬ chÕ c¬ b¶n cñam« h×nh Held-Hou lμ x¸o trén m«men quay
vμ c©n b»ng giã nhiÖt dÉn ®Õn sù h×nh thμnh d¹ng chung cña vßng hoμn l−u Hadley
kh«ng nh¹y c¶m víi c¸c chi tiÕt nhiÖt trong hÖ thèng. VÞ trÝ thùc tÕ cña ITCZ vμ c−êng
®é cña nã phô thuéc vμo ®Æc ®iÓm cña líp biªn nhiÖt ®íi vμ dßng Èm ®i ra tõ bÒ mÆt,
nh÷ng qu¸ tr×nh ®ã cÇn ®−îc thÓ hiÖn trong GCMS vμ c¸c m« h×nh h×nh dù b¸o thêi
tiÕt. PhÇn lín dßng Èm th©m nhËp vμo líp biªn ®−îc quy ®Þnh bëi nhiÖt ®é mÆt biÓn.
V× nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng lín nªn nã cã chu kú mïa ng¾n h¬n so víi lôc ®Þa vμ do
®ã sù bÊt ®èi xøng cña hoμn l−u qua xÝch ®¹o còng nhá h¬n do c¸c qu¸ tr×nh cña Èm.
- 95 -
- H×nh 4.1 cho thÊy r»ng nã t−¬ng ®èi quan träng. Ta sÏ trë l¹i th¶o luËn vÒ qu¸ tr×nh
®èi l−u vμ ®èt nãng cña hoμn l−u nhiÖt ®íi quy m« lín trong Ch−¬ng 7. B©y giê ta h·y
tiÕn ®Õn c¸c vÜ ®é cao h¬n vμ xem xÐt hoμn l−u kinh h−íng phÝa trªn giíi h¹n cña vßng
hoμn l−u Hadley.
H×nh 4.11 S¬ ®å minh ho¹ hiÖu øng ®é Èm trong m« h×nh vßng hoµn l−u Hadley vµ Held-Hou: (a)
Tr−êng hîp kh«; (b) Tr−êng hîp cã mét l−îng n¨ng l−îng cung cÊp cho h¬i n−íc ; (c) Tr−êng hîp cã
toµn bé n¨ng l−îng bøc x¹ cung cÊp cho h¬i n−íc
4.4 Hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ë vÜ ®é trung b×nh
Nghiªn cøu cña chóng ta vÒ vßng hoμn l−u Hadley ë miÒn cËn nhiÖt ®íi lμ ®¬n
gi¶n bëi th¸m s¸t cho thÊy dßng xo¸y h−íng tõ vÜ ®é 300 vÒ phÝa xÝch ®¹o lμ nhá. V×
thÕ hoμn l−u cã thÓ coi lμ ®èi xøng ë vÜ ®é thÊp. Nh−ng ë c¸c vÜ ®é trung b×nh, xo¸y cã
quy m« lín vμ dßng nhiÖt, dßng ®éng l−îng mμ c¸c xo¸y mang theo lμ mét bé phËn
chÝnh cña hoμn l−u toμn cÇu. Khi m« t¶ hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ë c¸c vÜ ®é nμy
ta ph¶i thõa nhËn vai trß quan träng cña c¸c xo¸y ta gÆp ph¶i khã kh¨n lín. Ta ph¶i
- 96 -
- tÝnh sù ®ãng gãp cña dßng khÝ thμnh hai phÇn, mét phÇn do c¸c xo¸y vμ phÇn kh¸c do
dßng trung b×nh vÜ h−íng, ta ph¶i xem xÐt riªng hai phÇn nμy. Nh−ng sù ph©n biÖt
nμy lμ nh©n t¹o. C¸c xo¸y g©y ra sù biÕn ®æi trong dßng trung b×nh, ®Õn lÇn nã c¸c
dßng trung b×nh l¹i ¶nh h−ëng ®Õn sù ph©n bè vμ c−êng ®é cña c¸c xo¸y. Trong khi
nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu, ta cÇn t¸ch ¶nh h−ëng cña c¸c xo¸y khái c¸c ¶nh h−ëng
cña c¸c qu¸ tr×nh kh¸ g©y nªn sù ®èi xøng. Trong phÇn nμy, ta sÏ th¶o luËn mét c¸ch
tiÕp cËn th−êng sö dông ®Ó tÝnh ¶nh h−ëng cña xo¸y ®èi víi dßng trung b×nh. Ta gi¶
thiÕt r»ng dßng nhiÖt vμ dßng ®éng l−îng liªn quan víi xo¸y ®−îc m« t¶ (ch¼ng h¹n
b»ng quan s¸t). V× vËy ta cã thÓ xem xÐt sù thÝch øng cña dßng trung b×nh vÜ h−íng
®èi víi c¸c lùc t¸c ®éng ®ã.
Ta h·y b¾t ®Çu tõ hÖ c¸c ph−¬nng tr×nh ®Þa chuyÓn m« t¶ trong môc 1.7. Ph−¬ng
tr×nh xo¸y tùa ®Þa chuyÓn sö dông khÝ ¸p lμm trôc th¼ng ®øng cã thÓ ®−îc viÕt
u v v f F
(4.22)
t x y p
trong ®ã lμ ®é xo¸y t−¬ng ®èi uy - ux. F = F1y F2 x lμ mét d¹ng cña sè h¹ng ma s¸t.
Víi F1 vμ F2 theo thø tù lμ thμnh phÇn theo x vμ y cña gia tèc do lùc ma s¸t. CÇn nhí
ë ®©y ta lo¹i bá ¶nh h−ëng cña d¹ng cong cña Tr¸i §Êt, th«ng qua sè h¹ng v. TÝnh
trung b×nh theo hoμn l−u vÜ h−íng ta cã thÓ viÕt
v v f F1 (4.23)
t y p y
HoÆc tõ ph−¬ng tr×nh liªn tôc ta cã
v f v F1 (4.24)
t y y y
Nh−ng v× u chóng ta cã thÓ viÕt
u v f v F1 0 (4.25)
y t
LÊy tÝch ph©n theo y, vμ x¸c ®Þnh h»ng sè tÝch ph©n tõ ®iÒu kiÖn u t 0 kh«ng cã
ma s¸t víi gia tèc Coriolis hoÆc dßng ®éng lùc, ta cã mét ph−¬ng ¸n tùa ®Þa chuyÓn cña
ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng trung b×nh vÜ h−íng
u vu f v F1 (4.26)
t y
Th«ng l−îng ®éng l−îng [uv] cã thÓ viÕt u v u * v * ; ®Æc tÝnh quy m« nh− lμ trong
môc 1.7 cho thÊy r»ng u ~ u trong ®ã v v , sao cho dßng ®éng l−îng trung b×nh
* *
cã thÓ ®−îc bá qua so víi dßng xo¸y. Cuèi cïng ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng trung b×nh vÜ
h−íng ®−îc viÕt lμ
u t u v y f v F1 (4.27)
- 97 -
- trong ®ã chØ sè d−íi t vμ y lμ chØ ®¹o hμm. B»ng c¸ch kh¸c, ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ
nhËn ®−îc b»ng c¸ch lÊy trung b×nh theo vÜ h−íng tõ ph−¬ng tr×nh 1.65a vμ sö dông
quy m« tùa ®Þa chuyÓn. Sè h¹ng ®Çu tiªn ë vÕ ph¶i t−¬ng øng víi sù biÕn ®æi [u] do
b¶o toμn m«men quay b»ng chuyÓn ®éng kinh h−íng ®èi xøng, sè h¹ng thø hai t−¬ng
øng víi gia tèc do dßng xo¸y, vμ thμnh phÇn cuèi cïng m« t¶ lùc ma s¸t.
Ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc lμ ph−¬ng tr×nh (1.72) lÊy trung b×nh vÜ h−íng nã
rót gän thμnh
t v y s Q
2
(4.28)
h
ë ®©y {v} l¹i ®−îc bá qua so víi v*, sao cho dßng nhiÖt ®é thÕ vÞ cña xo¸y h−íng cùc
chiÕm −u thÕ so víi dßng xo¸y chÝnh th¼ng ®øng hay dßng h−íng cùc trung b×nh. B×nh
l−u theo chiÒu th¼ng ®øng cña sù ph©n tÇng c¬ b¶n chiÕm −u thÕ trong b×nh l−u trung
b×nh. Ph−¬ng tr×nh (4.28) vμ (4.27) ®−îc liªn kÕt qua d¹ng trung b×nh vÜ h−íng cña
ph−¬ng tr×nh giã nhiÖt, thuËn tiÖn ®−îc viÕt d−íi d¹ng
f u p hy (4.29)
Hoμn l−u kinh h−íng trong ®ã ®−îc duy tr× c©n b»ng giã nhiÖt, thay thÕ xu thÕ mÊt
c©n b»ng cña dßng xo¸y nhiÖt vμ dßng m«men, th«ng l−îng nhiÖt cña xo¸y vμ th«ng
l−îng m«men cña xo¸y cã xu h−íng kh«ng c©n b»ng, lùc ma s¸t vμ sù ®èt nãng cã thÓ
®−îc tÝnh tõ hÖ ph−¬ng tr×nh (4.27), (4.28) vμ (4.29). §Ó tiÖn lîi ta ®−a vμo hμm dßng
kinh h−íng ( )
v , (4.30)
p y
trong ®ã dÊu quy −íc ®· ®−îc chän ®Ó cùc ®¹i cña t−¬ng øng víi hoμn l−u nhiÖt trùc
tiÕp trong ®ã dßng th¨ng ë vÜ ®é thÊp (y nhá) vμ dßng gi¸ng ë vÜ ®é cao (y lín) ë B¾c
B¸n CÇu. Sau ®ã nh©n ph−¬ng tr×nh m«men víi f vμ lÊy ®¹o hμm theo p. Sau ®ã nh©n
ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc víi h−íng tr−íc khi lÊy ®¹o hμm theo y. Sau ®ã trõ hai
ph−¬ng tr×nh cho nhau ®Ó lo¹i bá thμnh phÇn b¾t nguån tõ ®iÒu kiÖn c©n b»ng
2
F1 p h2 Q y
f f h f
2 pp 2 u v
yy v (4.31)
yp yy
s2 2
s s s s
Ph−¬ng tr×nh elip liªn kÕt hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh víi chØ sè sè h¹ng
nguån. ChØ sè nμy cã thÓ nhËn ®−îc nÕu ®iÒu kiÖn biÖn thÝch hîp trªn ®−îc x¸c
®Þnh. Ta cho [v] =0 t¹i biªn cña y cã thÓ ®óng víi xÝch ®¹o vμ cùc vμ [] =0 t¹i p=0 vμ
p= ps, do = const däc theo biªn kinh h−íng vμ biªn th¼ng ®øng. To¸n tö elliptic víi
mét cùc ®¹i cña sè h¹ng nguån ë bªn ph¶i cña ph−¬ng tr×nh 4.31 liªn quan víi mét cùc
tiÓu trong hμm dßng kinh h−íng. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ víi hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp ë
B¾c B¸n CÇu. H×nh 4.12 minh ho¹ ®iÒu ®ã.
H¬n n÷a, hμm dßng kinh h−íng sÏ ph¶n ¶nh tíi cÊu tróc quy m« lín h¬n cña sè h¹ng
nguån trong qu¸ tr×nh lμm tr¬n cÊu tróc quy m« nhá h¬n cña chóng.
Ph−¬ng tr×nh 4.31 lμ ph−¬ng tr×nh chuÈn ®o¸n mèi quan hÖ. Ph−¬ng tr×nh cho
thÊy lμ hoμn l−u kinh h−íng ph¶i tån t¹i ®Ó duy tr× c©n b»ng giã nhiÖt khi sè h¹ng
- 98 -
- nguån kh¸c kh«ng. Nã t−¬ng tù víi ph−¬ng tr×nh ®· th¶o luËn trong môc 1.7, vμ h¬n
n÷a, cã thÓ nhËn ®−îc b»ng c¸ch lÊy trung b×nh vÜ h−íng ph−¬ng tr×nh vμ sau ®ã lÊy
tÝch ph©n theo y.
H×nh 4.12 S¬ ®å minh ho¹ lêi gi¶i cña ph−¬ng tr×nh (4.31)
H·y xem xÐt mét c¸ch ®¬n gi¶n cña ph−¬ng tr×nh chuÈn ®o¸n mèi quan hÖ nμy.
Gi¶ thiÕt lμ ma s¸t vμ dßng xo¸y cã thÓ ®−îc bá qua, chØ cßn sè h¹ng nguån liªn quan
víi sù ®èt nãng. Sù ®èt nãng d−¬ng víi y nhá, ©m víi y lín, víi mét cùc ®¹i t¹i -[Q]y ë
vÜ ®é trung b×nh. Do ®ã, sè h¹ng nguån -(h/s2) [Q]y sÏ cã gi¸ trÞ ©m ë hÇu kh¾p miÒn vÜ
®é trung b×nh. V× vËy cã mét gi¸ trÞ cùc ®¹i ë vÜ ®é trung b×nh, t¹o ra mét hoμn l−u
nhiÖt trùc tiÕp trong ®ã kh«ng khÝ th¨ng lªn ë n¬i cã ®èt nãng lín vμ gi¸ng xuèng ë n¬i
cã ®èt nãng nhá, nh− minh ho¹ trªn H×nh 4.13.
H×nh 4.13 Hoµn l−u kinh h−íng g©y nªn do sù thÝch øng víi gradien ®èt nãng
Tuy nhiªn, cÇn thËn träng khi gi¶i thÝch kÕt qu¶ nμy. C¸c sè h¹ng lùc næi ®· ®−îc
x¸c ®Þnh tõ hÖ ph−¬ng tr×nh tùa ®Þa chuyÓn. V× vËy nã kh«ng ®¬n gi¶n nh− lμ dßng
th¨ng cña kh«ng khÝ nãng. H¬n n÷a, sù ®èt nãng sinh ra gradien ngang cña khÝ ¸p,
lùc gradien khÝ ¸p nμy l¹i g©y nªn hoμn l−u kinh h−íng cña kh«ng khÝ. Qu¸ tr×nh
th¨ng lªn cña kh«ng khÝ ë vÜ ®é thÊp vμ dßng gi¸ng ë vÜ ®é cao x¶y ra liªn tôc.
Hoμn l−u kinh h−íng nμy g©y nªn hai hÖ qu¶. Thø nhÊt lμ dßng th¨ng ë vÜ ®é
thÊp lμm cho kh«ng khÝ l¹nh h¬n, lμm gi¶m sù t¨ng nhiÖt ®é do ®èt nãng. YÕu tè b¶o
toμn vÉn ®−îc duy tr× ë miÒn vÜ ®é cao. V× vËy gradien nhiÖt ®é t¨ng Ýt h¬n so víi
- 99 -
- tr−êng hîp nÕu khÝ quyÓn kh«ng b·o hoμ. Thø hai, lùc Coriolis t¸c ®éng lªn chuyÓn
®éng h−íng cùc cña kh«ng khÝ trªn cao g©y nªn bæ xung gia tèc h−íng sang phÝa t©y
cho dßng ch¶y, trong khi ®ã ë mùc thÊp gia tèc h−íng ®«ng xuÊt hiÖn. Do ®ã, ®é ®øt
giã t¨ng ®Ó cã c©n b»ng giã nhiÖt víi tr−êng nhiÖt ®é duy tr× kh«ng ®æi.
Ta h·y xem xÐt ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t trong vÝ dô thø hai. ë vÜ ®é trung b×nh,
giã bÒ mÆt quan s¸t ®−îc lμ giã h−íng t©y. Ta biÕt r»ng ma s¸t sÏ g©y nªn gia tèc
h−íng ®«ng ®èi víi dßng khÝ ë mùc thÊp (p lín) nh−ng ma s¸t sÏ Ýt ¶nh h−íng tíi c¸c
mùc trªn cao. Do sè h¹ng nguån d−¬ng g©y nªn hoμn l−u gi¸n tiÕp. H×nh 4.14 minh
häa hiÖu qu¶ nμy.
H×nh 4.14 Hoµn l−u kinh h−íng bÞ ¶nh h−ëng cña ma s¸t mÆt ®Êt
Trong c¸c sè h¹ng vËt lý ë mùc thÊp xuÊt hiÖn mét dßng khÝ thæi tõ vÜ ®é thÊp ®Õn
vÜ ®é cao. Lùc coriolis t¸c ®éng ®èi víi dßng h−íng cùc nμy t¹o ra gia tèc h−íng t©y, bï
l¹i gia tèc h−íng ®«ng t¹o ra trùc tiÕp tõ lùc ma s¸t. Cïng thêi gian ®ã, dßng gi¸ng
g©y nªn sù nãng lªn ë miÒn nhiÖt ®íi, trong khi dßng th¨ng g©y nªn sù l¹nh ®i ë c¸c vÜ
®é cao h¬n. B»ng c¸ch ®ã, tr−êng nhiÖt ®é ®−îc ®−a trë l¹i c©n b»ng giã nhiÖt víi ®é
®øt giã th¼ng ®øng t¨ng ë ®Ønh giíi h¹n trªn cña líp biªn.
Ma s¸t g©y nªn hoμn l−u minh ho¹ mét nguyªn t¾c quan träng vÒ vai trß cña ma
s¸t líp biªn ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu. ë phÝa nam dßng xiÕt, n¬i ®é xo¸y liªn quan víi
giã vÜ h−íng lμ ©m, ma s¸t g©y ra dßng gi¸ng. ë phÝa b¾c cña dßng xiÕt xo¸y t−¬ng ®èi
lμ d−¬ng vμ ma s¸t g©y ra dßng th¨ng. B»ng c¸ch ®ã ma s¸t líp biªn ®ãng vai trß quan
träng lμm gi¶m yÕu dßng khÝ ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u. Cã thÓ sinh ra d¹ng ®¬n gi¶n
cña ma s¸t, mèi quan hÖ gi¶i thÝch gi÷a ®é xo¸y ë giíi h¹n trªn cña líp biªn vμ ®é xo¸y
trong líp biªn. VÝ dô, khi sè h¹ng ma s¸t cã d¹ng Kuzz, trong ®ã K lμ hÖ sè nhít xo¸y
kh«ng ®æi, ®é xo¸y th¼ng ®øng cã d¹ng
1/ 2
K
w (4.32)
2f
KÕt qu¶, sù nÐn hoÆc d·n cña xo¸y sÏ lμm tiªu tan xo¸y t−¬ng ®èi trong mét quy m«
thêi gian (2H2/fK)1/2 H lμ quy ®Æc tr−ng cña ®é cao (®é dÇy tÇng ®èi l−u). Líp biªn ®ã
®−îc gäi lμ líp biªn Ekman. Líp biªn Ekman xuÊt hiÖn trong phßng thÝ nghiÖm víi sù
quay cña b×nh trô chøa chÊt láng trong ®ã dßng chÊt láng trong líp biªn lμ dßng ch¶y
tÇng, nh−ng ®©y lμ m« h×nh th« cña líp biªn khÝ quyÓn rèi. Tuy nhiªn, ngay c¶ víi
tham sè ho¸ ma s¸t thùc tÕ h¬n th× vÉn x¶y ra t×nh h×nh t−¬ng tù. M« h×nh líp biªn
- 100 -
nguon tai.lieu . vn
