- Trang Chủ
- Địa Lý
- Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 8
Xem mẫu
- Ch−¬ng 8. BiÕn ®æi tÇn sè thÊp cña hoμn l−u
8.1 C¸c qu¸ tr×nh tøc thêi tÇn sè thÊp
Trong ch−¬ng tr−íc, trªn H×nh 7.14 lμ kÕt qu¶ so s¸nh tens¬ t−¬ng quan xo¸y ®èi
víi xo¸y cã tÇn sè cao, cã chu kú ng¾n h¬n m−êi ngμy, víi c¸c xo¸y cã tÇn sè thÊp h¬n.
C¸c ®Æc tr−ng thèng kª cña xo¸y tÇn sè cao cã cÊu tróc rÊt râ ë miÒn «n ®íi, víi cùc ®¹i
trong vïng quü ®¹o xo¸y thuËn..Nh÷ng to¸n tö läc tÇn sè cao sö dông trong Ch−¬ng 7
®· ®−îc sö dông ®Ó t¸ch ra c¸c chuçi riªng cña c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc kh¸c nhau, ®ã lμ
nh÷ng qu¸ tr×nh liªn quan víi bÊt æn ®Þnh tμ ¸p vμ hÖ qu¶ lμ sù ph¸t triÓn cña sãng
bÊt æn ®Þnh tμ ¸p. §éng n¨ng cña c¸c xo¸y tÇn sè thÊp cã cÊu tróc kh«ng râ rÖt. H×nh
7.14 ®· chØ ra nh÷ng b»ng chøng cho thÊy khu vùc cã tÇn suÊt cùc ®¹i th−êng n»m ë
vÞ trÝ cuèi dßng h¬n so víi gi¸ trÞ cùc ®¹i cña xo¸y tÇn sè cao, còng nh− t−¬ng quan
gi÷a trung t©m dßng xiÕt vμ cùc ®¹i cña nh÷ng biÕn ®æi tÇn sè thÊp. Tuy nhiªn, ch−a
cã bÊt kú mét h×nh thÕ nμo cña nh÷ng qu¸ tr×nh trªn ®−îc chØ ra mét c¸ch cô thÓ.
Mét nguyªn nh©n gi¶i thÝch hiÖn t−îng ®ã lμ d¶i tÇn sè thÊp ®· bao qu¸t mét d¶i
tÇn sè rÊt réng. ë ®©y tån t¹i nh÷ng nhiÔu ®éng cã chu kú kh«ng lín h¬n nhiÒu so víi
chu kú cña nh÷ng nhiÔu ®éng tμ ¸p, vμ h¬n n÷a nh÷ng cùc ®¹i n»m cuèi dßng h¬n so
víi trung t©m quü ®¹o xo¸y thuËn phÇn nμo ®ã liªn quan tíi sù dao ®éng vμ suy yÕu
cña c¸c xo¸y thuËn miÒn «n ®íi, c¸c xo¸y nμy chuyÓn ®éng chËm h¬n khi chóng ®Çy
lªn. Tuy nhiªn ë ®©y còng cã c¶ sù xuÊt hiÖn cña nh÷ng nhiÔu ®éng tøc thêi cã biªn ®é
lín víi chu kú dμi h¬n rÊt nhiÒu. KÕt qu¶ ph©n tÝch phæ ®èi víi chuçi sè liÖu khÝ t−îng
®ñ dμi ®· chØ ra r»ng nh÷ng biÕn ®æi quan tr¾c ®−îc cã nh÷ng chu kú dμi ng¾n kh¸c
nhau. H¬n n÷a phæ thu ®−îc cã xu thÕ lμ phæ ®á víi biªn ®é t¨ng khi tÇn sè gi¶m tíi
tÇn sè rÊt thÊp. Trong d¶i tÇn sè ®ã ®· diÔn ra rÊt nhiÒu c¬ chÕ vËt lý diÔn ra. Tuy
nhiªn mét ®iÒu ngÉu nhiªn lμ dÊu hiÖu phèi hîp cña chóng khi nghiªn cøu biÕn ®æi
tÇn sè thÊp th× viÖc xem xÐt nh÷ng tÝn hiÓu tÇn sè thÊp tæng céng lμ kh«ng ®ñ. Ta cÇn
t¸ch c¸c kho¶ng tÇn sè vμ cÊu tróc kh«ng gian riªng.
§Ó thùc hiÖn ®iÒu nãi trªn b»ng c¸ch sö dông ph©n tÝch phæ hoÆc läc chuçi thêi
gian ®Ó t¸ch ra nh÷ng kho¶ng tÇn sè hÑp. §iÒu ®ã cã thÓ dÉn tíi c¸c cÊu tróc kh«ng
gian cña c¸c dao ®éng víi tÇn sè kh¸c nhau. Cã mét khã kh¨n ®èi víi ph−¬ng ph¸p
nμy ®ã lμ l−îng sè liÖu ph¶i ®ñ lín ®Ó cã thÓ thu ®−îc nh÷ng kÕt luËn tin cËy. §iÒu
®¸ng quan t©m h¬n lμ do ®Æc ®iÓm chung cña nhiÒu hiÖn t−îng tÇn sè thÊp ®ã lμ
chóng chØ lμ c¸c qu¸ tr×nh tùa chu kú. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ, mÆc dï cã chu kú nh−ng
c¸c chu kú nμy cã thÓ biÕn ®æi vμ cÊu tróc cña chóng cã thÓ biÕn ®æi trong kho¶ng gi÷a
mét cùc ®¹i nμy tíi mét cùc ®¹i kh¸c. Trong c¸c thμnh phÇn phæ, nh÷ng dao ®éng cã
tÝnh chu kú ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét d¶i h¬n lμ nh÷ng ®Ønh nhän. Nh÷ng ®Æc ®iÓm cho
- 218 -
- thÊy ta ph¶i gi¶i quyÕt nh÷ng hiÖn t−îng phi tuyÕn h¬n lμ nh÷ng mode chuÈn cña
nh÷ng dao ®éng râ nÐt trong nh÷ng ph©n tÝch tuyÕn tÝnh cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn.
Trong ch−¬ng nμy, ta sÏ th¶o luËn nh÷ng kü thuËt mang tÝnh thùc nghiÖm ®−îc
sö dông ®Ó t¸ch c¸c thμnh phÇn tÇn sè thÊp cña hoμn l−u khÝ quyÓn. Nh÷ng cÊu tróc
nμy vÒ c¬ b¶n do nh÷ng dÞ th−êng ®èt nãng ®Þa ph−¬ng hoÆc nh÷ng d¹ng t¸c ®éng
kh¸c mμ khi gÆp ®iÒu kiÖn thuËn lîi cã thÓ lan truyÒn trªn mét kho¶ng c¸ch lín trªn
Tr¸i §Êt. Lý thuyÕt tia s¸ng ®−îc tr×nh bμy trong môc 6.2 m« t¶ ®¬n gi¶n hiÖn t−îng
nμy. Ta còng sÏ xem xÐt nh÷ng dao ®éng tùa chu kú cña hoμn l−u tÇng b×nh l−u vμ
nh÷ng dao ®éng ®¸ng quan t©m trªn miÒn nhiÖt ®íi Th¸i B×nh D−¬ng kÓ c¶ sù t−¬ng
t¸c gi÷a hoμn l−u khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng. Cuèi cïng ta sÏ thÊy r»ng chØ riªng hÖ
thèng khÝ quyÓn còng ®· ®ñ phøc t¹p vμ tÝnh phi tuyÕn trong viÖc t¹o ra nh÷ng hiÖn
t−îng tÇn sè thÊp dÞ th−êng xÈy ra trong thêi gian ng¾n mμ kh«ng do bÊt cø nguån t¸c
®éng nμo tõ hÖ thèng bªn ngoμi.
8.2 C¸c h×nh thÕ quan hÖ xa
KÕt qu¶ ph©n tÝch nhÊt ®Þnh cña chuçi thêi gian dμi cña hoμn l−u chung khÝ
quyÓn cho thÊy nh÷ng t−¬ng quan quy m« lín gi÷a dßng khÝ ë nh÷ng vÞ trÝ c¸ch xa
nhau. Nh÷ng dao ®éng nμy thuéc kho¶ng tÇn sè thÊp cña quy m« thêi gian vμ ®−îc gäi
lμ ''quan hÖ xa'' ®Ó nhÊn m¹nh mèi t−¬ng quan cïng kho¶ng c¸ch trong tù nhiªn.
Quan hÖ xa xuÊt hiÖn ë nh÷ng vÞ trÝ x¸c ®Þnh vμ cã d¹ng ''sãng ®øng'' víi ®Ønh vμ ch©n
sãng x¸c ®Þnh cña nh÷ng dao ®éng tÇn sè thÊp. Chóng th−êng n»m theo h−íng thÓ
hiÖn mèi quan hÖ cña qu¸ tr×nh tÇn sè thÊp xÈy ra trong thêi gian ng¾n gi÷a miÒn
nhiÖt ®íi vμ miÒn «n ®íi. Lý thuyÕt cña mèi liªn hÖ xa nμy ch−a hoμn thiÖn nh−ng ta
sÏ liªn hÖ chóng víi qu¸ tr×nh lan truyÒn sãng Rossby theo h−íng kinh tuyÕn. Trong
môc nμy sÏ m« t¶ nh÷ng kü thuËt thèng kª thùc nghiÖm th−êng ®−îc sö dông ®Ó t×m
c¸c d¹ng cña mèi liªn hÖ xa.
Kü thuËt cã triÓn väng nhÊt lμ kü thuËt ph©n tÝch t−¬ng quan. Xem xÐt mét
tr−êng khÝ t−îng Q ®−îc ®Þnh nghÜa trªn mét tËp hîp N ®iÓm rêi r¹c; ký hiÖu gi¸ trÞ
thø i lμ Qi(t). Trong nhiÒu ph©n tÝch th× Q lμ tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ ë mùc 500 hPa,
tr−êng nμy ®−îc quan tr¾c víi ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh vμ chuçi thêi gian ®ñ dμi, tèi
thiÓu lμ cho miÒn ngo¹i nhiÖt ®íi B¾c B¸n CÇu. CÇn l−u ý lμ cã thÓ t×m ®−îc c¸c d¹ng
cña mèi liªn hÖ xa tÇn sè thÊp b»ng viÖc läc Qi theo mét c¸ch nμo ®ã ®Ó lo¹i bá c¸c dao
®éng tÇn sè cao h¬n. §¬n gi¶n nhÊt lμ läc b»ng c¸ch tÝnh gi¸ trÞ trung b×nh th¸ng cña
Qi. Träng t©m cña ph−¬ng ph¸p lμ tÝnh, cho mçi ®iÓm mét t−¬ng quan víi nh÷ng gi¸
trÞ kh¸c cña Q ë c¸c ®iÓm kh¸c. T−¬ng quan nμy cã d¹ng
Q 'i Q 'j
rijj (8.1)
1/2 1/2
2 2
Q 'i Q 'j
§iÓm i ®−îc gäi lμ ''®iÓm c¬ së''. T−¬ng quan rÞj sÏ lín trong l©n cËn cña ®iÓm c¬ së víi
gi¸ trÞ tiÕn tíi 1 khi j tiÕn tíi i. NÕu kh«ng cã d¹ng liªn hÖ xa th× rij sÏ tiÕn tíi kh«ng
khi c¸c ®iÓm i, j c¸ch nhau mét kho¶ng lín h¬n quy m« ngang ®iÓn h×nh cña hÖ thèng
- 219 -
- hoμn l−u. Gi¸ trÞ d−¬ng hay ©m lín cña rij cho thÊy sù tån t¹i cña mèi quan hÖ xa gi÷a
c¸c ®iÓm c¸ch xa nhau.
Nh÷ng vÝ dô ®iÓn h×nh ®èi víi mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu ®−îc chØ ra trªn H×nh 8.1.
Nh÷ng kÕt qu¶ tÝnh to¸n nμy ®−îc dùa trªn c¬ së sè liÖu ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa
cho 45 th¸ng ®èi víi c¸c th¸ng 12, th¸ng 1 vμ th¸ng 2, b¾t ®Èu tõ mïa ®«ng n¨m
1962-1963 vμ kÕt thóc vμo mïa ®«ng 1976-1977. §iÓm c¬ së trªn H×nh 8.1(a) cã to¹ ®é
55oN vμ 20oW ë gi÷a §¹i T©y D−¬ng. Vïng elip cña t−¬ng quan lín víi ®é réng theo
chiÒu kinh tuyÕn kho¶ng 2000km cã t©m t¹i ®iÓm c¬ së.
H×nh 8.1 B¶n ®å t−¬ng quan dùa theo sè liÖu ®é cao ®Þa thÕ vÞ trung b×nh th¸ng mùc 500hPa trong 45
th¸ng mïa ®«ng tõ 3/1962 ®Õn 7/1976: (a) §iÓm c¬ së 55oN, 20oW
Gi¸ trÞ t−¬ng quan trªn vïng Th¸i B×nh D−¬ng vμ §«ng Nam ¸ kh«ng lín. Tuy
nhiªn nh÷ng t−¬ng quan lín ®−îc v¹ch ra däc theo mét vßng trßn lín ®i qua ®iÓm c¬
së víi sù ®æi dÊu t−¬ng quan tõ d−¬ng sang ©m. Mét h×nh thÕ ®¸ng chó ý h¬n ®−îc chØ
ra trªn H×nh 8.1(b). ë ®©y ®iÓm c¬ së cã vÞ trÝ 20oN, 160oW trªn vïng trung t©m Th¸i
B×nh D−¬ng vμ cã mét lo¹t trung t©m ®æi dÊu vÒ h−íng b¾c tõ ®iÓm c¬ së ®Õn B¾c Mü.
Ng−îc l¹i t−¬ng quan gi÷a ®iÓm c¬ së vμ nh÷ng ®iÓm trªn §¹i T©y D−¬ng vμ Ch©u ¸
nãi chung lμ nhá. Nh÷ng ®iÓm c¬ së nμy ®−îc lùa chän v× chóng gièng x¸c ®Þnh ®Ønh
c¸c d¹ng quan hÖ xa. Cßn c¸c ®iÓm c¬ së kh¸c cã t−¬ng quan gi¶m ®ång nhÊt tíi
nh÷ng gi¸ trÞ rÊt nhá khi kho¶ng c¸ch t¨ng ®¸ng kÓ kÓ tõ ®iÓm c¬ së. H×nh 8.2 kh¸i
qu¸t c¸c d¹ng quan hÖ xa ®iÓn h×nh ë B¾c B¸n CÇu vμo mïa ®«ng. H×nh thÕ ®−îc x¸c
®Þnh râ nhÊt ®ã lμ h×nh thÕ Th¸i B×nh D−¬ng-B¾c Mü chØ ra trªn H×nh 8.1(b).
Mét h×nh thÕ ®¸ng kÓ kh¸c ®ã lμ dao ®éng b¾c §¹i T©y D−¬ng (®«i khi ®−îc chia
thμnh c¸c h×nh thÕ ®«ng vμ t©y §¹i T©y D−¬ng). Nh÷ng h×nh thÕ kh¸c, tuy kh«ng râ
rÖt b»ng, ®«i khi còng ®−îc nhËn biÕt mÆc dï chóng kh«ng cã nh÷ng ®Æc tr−ng thèng
kª ®¸ng kÓ.
- 220 -
- H×nh 8.1 (tiÕp) (b) ®iÓm c¬ së 20oN, 160oW. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 0,2, gi¸ trÞ ©m lµ vïng ®Ëm
(Theo Wallace & Gutzler 1981)
C¸c ®Æc tr−ng cña h×nh thÕ Th¸i B×nh D−¬ng-B¾c Mü vμ dao ®éng b¾c §¹i T©y
D−¬ng lμ sù liªn hÖ theo chiÒu kinh tuyÕn gi÷a miÒn nhiÖt ®íi hoÆc cËn nhiÖt ®íi vμ
miÒn «n ®íi rÊt ®¸ng quan t©m. Chóng cã sù t−¬ng tù ®¸ng kÓ víi chuçi xo¸y Rossby
®−îc chØ ra trong môc 6.2, cho thÊy m« h×nh quan hÖ xa lμ chuçi sãng Rossby chÞu
nh÷ng khu vùc t¸c ®éng dÞ th−êng ë miÒn nhiÖt ®íi, dÞ th−êng trªn miÒn «n ®íi.
H×nh 8.2 Tæng kÕt vÒ c¸c m« h×nh quan hÖ xa c¬ b¶n mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. §−êng ®Ëm nÐt chØ c¸c
®−êng ®¼ng trÞ t−¬ng quan 0,6, vµ c¸c kÝ tù chØ c¸c trung t©m d−¬ng vµ ©m cña c¸c m« h×nh c¬ b¶n.
(Wallace & Gutzler, 1981)
- 221 -
- Ph©n tÝch t−¬ng quan cho ta nh÷ng th«ng tin vÒ cÊu tróc kh«ng gian cña quan hÖ
xa nh−ng kh«ng cung cÊp nhiÒu th«ng tin vÒ quy m« thêi gian cña c¸c sù kiÖn quan hÖ
xa. Qu¸ tr×nh läc tr−íc phøc t¹p ®èi víi chuçi thêi gian cã thÓ h÷u Ých nh−ng ph−¬ng
ph¸p nμy sÏ rÊt cång kÒnh vμ nh÷ng kÕt luËn l¹i rÊt m¬ hå vÒ mÆt thèng kª. Mét c¸ch
tiÕp cËn kh¸c cho kÕt qu¶ t−¬ng tù ®−îc gäi lμ ph©n tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm
hay ph©n tÝch EOF. Ph−¬ng ph¸p nμy ®−îc sö dông réng r·i ®Ó ph©n tÝch sè liÖu quan
tr¾c còng nh− m« pháng sè trÞ h¹n dμi cña hoμn l−u toμn cÇu.
Nguyªn t¾c c¬ b¶n cña ph©n tÝch EOF nh− sau. Tr−êng toμn cÇu cña mét biÕn khÝ
t−îng Qi vμ trung b×nh thêi gian cña nã Q i , ®−îc ph©n tÝch t¹i tõng ®iÓm cña d·y N
®iÓm, ®−îc xem nh− lμ nh÷ng vect¬ trong kh«ng gian N chiÒu. Nh÷ng dÞ th−êng Qi'
®−îc chØ ra tõ Qi vμ Q i . Khi hÖ thèng ph¸t triÓn th× vect¬ Qi' cã d¹ng sãng vμ dao ®«ng
l©n cËn Qi . C©u hái ®−îc ®Æt ra lμ c¸c vect¬ Q’ cã ®−îc s¾p xÕp theo nh÷ng h−íng x¸c
®Þnh kÓ tõ Qi hay kh«ng? Ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nh÷ng h−íng nμy vμ g¾n kÌm
chóng víi c¸c ý nghÜa vËt lý hay kh«ng? Ph©n tÝch EOF vÒ c¬ b¶n cho ta mét hÖ c¸c
vect¬ c¬ b¶n trùc giao trong kh«ng gian N, c¸c vect¬ nμy ®¹i diÖn cho mét tËp hîp c¸c
vect¬ bÊt kú. H×nh 8.3 lμ mét minh ho¹ d−íi d¹ng s¬ ®å vÒ c¸ch lμm nμy.
H×nh 8.3 S¬ ®å minh häa qui t¾c ph©n tÝch EOF, ¸p dông cho mét hÖ hai biÕn. Tr¹ng th¸i cña hÖ ®−îc
m« t¶ b»ng vect¬ Q. Chóng tËp trung theo mét h−íng nhÊt ®Þnh. C¸ch m« t¶ hÖ nµy lµ sö dông hai
vect¬ c¬ b¶n trùc giao, mét vect¬ h−íng vÒ phÝa Q tËp trung cùc ®¹i, vect¬ cßn l¹i vu«ng gãc víi
vect¬ nµy.
Ph−¬ng ph¸p nμy bao gåm viÖc tÝnh ma trËn t−¬ng quan N x N cña c¸c thμnh
phÇn nhiÔu Q’i t¹i nh÷ng ®iÓm kh¸c nhau. Ký hiÖu ma trËn t−¬ng quan lμ C vμ c¸c
thμnh phÇn cña nã lμ Cij ta ®−îc
C ij Q i' Q 'j (8.2)
TiÕp theo ta t×m gi¸ trÞ riªng vμ vect¬ riªng cña C, tøc lμ ph¶i gi¶i bμi to¸n gi¸ trÞ
riªng sau
Ce j je j , j 1, N (8.3)
- 222 -
- V× Q i' Q 'j Q 'j Q i' , C lμ mét ma trËn ®èi xøng víi c¸c gi¸ trÞ thùc. §iÒu nμy cã nghÜa lμ
nh÷ng gi¸ trÞ riªng cña ma trËn nμy lμ thùc vμ d−¬ng. C¸c vect¬ riªng t−¬ng øng t¹o
nªn mét hÖ trùc giao, vμ do ®ã chÝnh lμ hÖ vect¬ c¬ b¶n ta cÇn hay c¸c hμm trùc giao tù
nhiªn EOFs. Nh÷ng gi¸ trÞ riªng j tû lÖ thuËn víi phÇn ph−¬ng sai t−¬ng øng víi c¸c
vect¬ riªng. Th«ng th−êng ng−êi ta s¾p xÕp c¸c gi¸ trÞ riªng theo thø tù gi¶m dÇn, v×
vËy EOF ®Çu tiªn gi¶i thÝch phÇn ph−¬ng sai lín nhÊt trong sè liÖu vμ EOF thø hai
gi¶i thÝch phÇn ph−¬ng sai lín thø hai vμ v©n v©n.
C¸c gi¸ tri cña mçi EOF cã thÓ ®−îc biÓu diÔn nh− lμ mét tr−êng. Biªn ®é cã thÓ cho
theo tû lÖ tuú ý nh−ng th«ng th−êng ®−îc chuÈn ho¸ theo mét c¸ch nμo ®ã. Tuy nhiªn,
cÊu tróc kh«ng gian cña mét sè EOF ®Çu tiªn nãi chung lμ tr¬n vμ cho thÊy cÊu tróc
quy m« lín chung nhÊt th−êng thÊy cña tr−êng. Víi mét hÖ tuyÕn tÝnh c¸c EOFs cã
thÓ coi lμ c¸c mode chuÈn tuyÕn tÝnh cña hÖ thèng. §èi víi hÖ thèng s¸t thùc tÕ h¬n,
gi¸ trÞ cña chóng n»m ngoμi c¸c h−íng tËp trung vμ kh«ng tËp trung trong kh«ng gian
N chiÒu. V× chuçi thêi gian cña Qi lμ x¸c ®Þnh, v× vËy chØ cã mét sè Ýt gi¸ trÞ riªng ®Çu
tiªn ®−îc xem lμ cã ý nghÜa thèng kª. NÕu nh− chuçi thêi gian bao gåm M thÓ hiÖn cña
tr−êng th× sè l−îng c¸c EOFs cã ý nghÜa vμo kho¶ng O(M1/2).
Tr−êng nμy cã thÓ ®−îc biÓu diÔn mét c¸ch rÊt chÆt chÏ qua c¸c thμnh phÇn cña EOF.
V× c¸c hμm thùc nghiÖm lμ trùc giao nªn ta cã thÓ viÕt
N
Q i t p j t e ij (8.4)
j1
Chuçi thêi gian pj(t) ®−îc gäi lμ ‘thμnh phÇn chÝnh thø j’ cña chuçi sè liÖu. Nã biÓu
diÔn chuçi thêi gian cña h×nh chiÕu cña sè liÖu lªn hμm trùc giao thùc nghiÖm thø j. V×
vËy, c¸c thμnh phÇn nμy mang ý nghÜa thÓ hiÖn sù t−¬ng t¸c vÒ mÆt thêi gian cña
nh÷ng cÊu tróc kh«ng gian x¸c ®Þnh bëi c¸c hμm trùc giao thùc nghiÖm.
H×nh 8.4 KÕt qu¶ thùc hiÖn mét ph©n tÝch hμm trùc giao tù nhiªn cña mét tËp hîp
c¸c tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vμo mïa ®«ng. Hai hμm trùc giao thùc
nghiÖm ®Çu tiªn ®−îc biÓu diÔn ë ®©y; chiÕm 58% sph−¬ng sai tæng céng cña sè liÖu.
Chóng cã thÓ cã quan hÖ víi c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa; sù kh¸c biÖt chñ yÕu ë ¢u ¸, n¬i
cã sù lång ghÐp (kh«ng trùc giao) gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa kh¸c nhau ®−îc biÓu
diÔn trªn H×nh 8.2. MÆt kh¸c, cã sù liªn hÖ tèt gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa vμ c¸c
vect¬ EOFs. VÝ dô nh−, EOF ®Çu tiªn bÞ chiÕm −u thÕ bëi h×nh thÕ PNA (Th¸i B×nh
D−¬ng-B¾c Mü) trong khi ®ã c¸c ®Æc ®iÓm lín nhÊt cña EOF thø hai t−¬ng øng víi
h×nh thÕ NAO (Dao ®éng B¾c §¹i T©y D−¬ng). Sù kÕt hîp tuyÕn tÝnh cña c¸c vect¬
EOF ®Çu tiªn cho ta c¸c h×nh thÕ ®Þa ph−¬ng phï hîp víi c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa
®−îc nhËn biÕt qua kÕt qu¶ ph©n tÝch t−¬ng quan. Tæ hîp tuyÕn tÝnh cña c¸c EOF nμy
thùc chÊt lμ mét vect¬ quay x¸c ®Þnh EOF trong kh«ng gian N chiÒu cña Q 'i , vμ v× vËy
c¸c kÕt hîp nμy ®−îc gäi lμ ‘EOF quay’. H×nh 8.4(c) vμ (d) biÓu diÔn hai EOF quay ®Çu
tiªn ®èi víi ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vμo mïa ®«ng. Chóng phï hîp kh¸ tèt víi
c¸c h×nh thÕ PNA vμ NAO.
Trong phÇn ®Çu cña môc nμy, c¸c mèi quan hÖ xa ®−îc m« t¶ nh− lμ “nh÷ng dao
®éng ®øng” víi c¸c khu vùc kh«ng giao nhau, n¬i hÖ sè t−¬ng quan víi ®iÓm c¬ së lμ
- 223 -
- cao, vμ trong c¸c khu vùc giao nhau n¬i cã t−¬ng quan víi ®iÓm c¬ së gÇn nh− b»ng
kh«ng. Xem xÐt chuçi thêi gian cña c¸c thμnh phÇn chóng ta thÊy dao ®éng nμy rÊt
kh¸c d¹ng sin. H¬n n÷a, mét sè t¸c gi¶ m« t¶ c¸c dao ®éng nh− sù chuyÓn ®æi bÊt
th−êng gi÷a hai tr¹ng th¸i hoμn l−u, t−¬ng øng víi dÊu d−¬ng vμ dÊu ©m cña c¸c
thμnh phÇn nμy. Mçi tr¹ng th¸i ®−îc xem nh− lμ siªu æn ®Þnh, do ®ã hoμn l−u duy tr×
ë tr¹ng th¸i nμy trong mét kho¶ng thêi gian tr−íc khi nã chÞu mét sù biÕn ®æi m¹nh,
tuy nhiªn thùc chÊt kh«ng l−êng tr−íc vÒ tr¹ng th¸i ®èi nghÞch. ‘C¸c dÞ th−êng æn
®Þnh’ nμy hay ‘chÕ ®é ®a dßng’ lμ mét kh¶ n¨ng æn ®Þnh trong mét thêi gian, mét ®iÒu
®· râ tõ l©u trong khÝ hËu synèp. §· cã rÊt nhiÒu cè g¾ng ®Ó x¸c ®Þnh chØ sè chu kú
cña c¸c h×nh thÕ trªn quy m« khu vùc, trong ®ã sù dao ®éng cña dßng gi÷a mét tr¹ng
th¸i dßng vÜ h−íng m¹nh vμ mét dßng vÜ h−íng yÕu h¬n víi c¸c xo¸y cã biªn ®é lín.
Tuy nhiªn, vμo c¸c chu kú kh¸c, c¸c thμnh phÇn chÝnh nμy dao ®éng liªn tôc vμ thÊt
th−êng. Trong suèt thêi gian nμy, dao ®éng nμy t−¬ng tù víi mét dao ®éng ®øng, mÆc
dï víi chu kú rÊt khã x¸c ®Þnh.
H×nh 8.4 EOFs Tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ mùc 500hPa vµo mïa ®«ng, dùa theo cïng chuçi sè liÖu 45
th¸ng nh− H×nh 8.1. (a) vµ (b) biÓu diÔn EOF thø nhÊt vµ thø hai t−¬ng øng.
C¸c kü thuËt thèng kª tr×nh bμy trong môc nμy ®¬n gi¶n dïng ®Ó t¸ch c¸c h×nh
thÕ tr¬n (Ýt nhiÔu ®éng) qui m« lín trong c¸c tr−êng ®é cao ®Þa thÕ vÞ hay c¸c biÕn
kh¸c. C¸c kü thuËt m©y nμy kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc bÊt kú mét c¬ chÕ vËt lý nμo ®èi víi
mèi t−¬ng quan cña c¸c tr−êng trªn nh÷ng kho¶ng c¸ch lín. §Ó lμm ®−îc ®iÒu ®ã, cÇn
kiÓm tra c¸c sè h¹ng trong c¸c ph−¬ng tr×nh ®éng lùc häc ®èi víi dßng khÝ, vμ cÇn c¸c
thö nghiÖm sè víi mét m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu.
Tuy nhiªn, sù t−¬ng tù gi÷a c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa ch¼ng h¹n nh− h×nh thÕ
PNA, vμ c¸c chuçi sãng Rossby dõng ®−îc m« t¶ trong Ch−¬ng 6 cho thÊy sù lan
truyÒn c¸c sãng víi tèc ®é pha nhá h¬n hay b»ng kh«ng lμ mét c¬ chÕ cã thÓ lμm ph¸t
triÓn c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa. Ch¼ng h¹n nh− h×nh thÕ nμy cã thÓ bÞ kÝch ®éng bëi
mét dÞ th−êng khu vùc cña sù ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi khëi ®Çu mét dÞ th−êng xo¸y
ë c¸c vÜ ®é thÊp. Víi b−íc sãng dμi, c¸c sãng Rossby dõng sÏ lan truyÒn gÇn theo kinh
- 224 -
- h−íng khái khu vùc ban ®Çu vμ lÖch vÒ phÝa c¸c vÜ ®é cao h¬n. MÆt kh¸c, lý thuyÕt
tr×nh bÇy trong Ch−¬ng 6 cho thÊy biªn ®é cña sù thÝch øng trong tr−êng ®é cao ®Þa
thÕ vÞ t¨ng theo vÜ ®é, do ®ã mét nhiÔu ®éng víi biªn ®é lín ë miÒn cËn nhiÖt ®íi cã thÓ
dÉn tíi mét sù thÝch øng l¹i rÊt ®¸ng kÓ ë c¸c vÜ ®é cao h¬n. Ch¼ng h¹n c¸c dÞ th−êng
nhiÖt g©y ra bëi ®èi l−u m¹nh trªn c¸c ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi nãng dÞ th−êng, khi ®ã cã
thÓ t¹o ra c¸c dÞ th−êng hoμn l−u ë nh÷ng kho¶ng c¸ch lín tõ dÞ th−êng nhiÖt ®é mÆt
biÓn.
H×nh 8.4 (tiÕp) (c) vµ (d) biÓu diÔn EOF quay thø nhÊt vµ thø hai, cã thÓ so s¸nh víi c¸c H×nh 8.1 (a, b)
(X. Cheng & J. M. Wallace)
Mét vÝ dô vÒ kiÓu quan hÖ nμy sÏ ®−îc tr×nh bμy trong môc 8.5. Chu kú cña dÞ
th−êng nμy chñ yÕu ®−îc x¸c ®Þnh bëi chu kú cña dÞ th−êng nhiÖt ®é mÆt biÓn, cã
nghÜa lμ bëi qui m« thêi gian cña c¸c hoμn l−u trong phÇn trªn cña ®¹i d−¬ng nhiÒu
h¬n lμ trong khÝ quyÓn. Qui m« thêi nμy lμ vμi tuÇn th× ®óng h¬n lμ vμi ngμy. HiÖn
nay nãi chung ng−êi ta cho r»ng rÊt nhiÒu biÕn ®èi æn ®Þnh cña dßng khÝ miÒn «n ®íi
cã quan hÖ víi ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi theo c¸ch nμy, do ®ã trong bμi to¸n dù b¸o qui m«
thêi gian mïa hay dμi h¬n th× mét ®iÒu dÔ hiÓu lμ dù b¸o hoμn l−u ®¹i d−¬ng cã chÊt
l−îng æn ®Þnh h¬n so víi dù b¸o hoμn l−u khÝ quyÓn.
§Ó hiÓu râ c¸c hiÖn t−îng miÒn nhiÖt ®íi kÝch ®éng nh− thÕ nμo ®èi víi chuçi sãng
Rossby ë miÒn cùc, ta xÐt ph−¬ng tr×nh xo¸y ®èi víi mét mùc ®¬n trong khÝ quyÓn.
Ph−¬ng tr×nh nμy ®−îc viÕt d−íi d¹ng sau
v. D (8.5)
t
(xem ph−¬ng tr×nh 1.50) trong ®ã lμ xo¸y t−¬ng ®èi, xo¸y tuyÖt ®èi b»ng f + vμ D
ph©n kú ngang u / x v / y . Tõ ph−¬ng tr×nh liªn tôc, D / p . Gi¶ thiÕt ma s¸t
lμ nhá ë c¸c mùc phÇn trªn tÇng ®èi l−u vμ do ®ã kh«ng cã sè h¹ng ma s¸t trong
ph−¬ng tr×nh (8.5). T¹i bÒ mÆt, vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh (8.5) m« t¶ sù lan truyÒn cña
c¸c sãng Rossby, nh− ®· tr×nh bμy trong môc 6.2, trong khi ®ã sè h¹ng vÕ ph¶i biÓu
diÔn t¸c ®éng cña c¸c sãng nμy. ë miÒn nhiÖt ®íi, tèc ®é th¼ng ®øng lín c©n b»ng víi
- 225 -
- sù ®èt nãng, do ®ã c¸c khu vùc cã l−îng Èn nhiÖt gi¶i phãng lín liªn quan víi ®èi l−u
nhiÖt ®íi sÏ t¸c ®éng ®Õn dßng th¨ng lín ë mùc gi÷a vμ dßng ph©n kú t¹i c¸c mùc trªn
cña tÇng ®èi l−u. Tuy nhiªn ë miÒn nhiÖt ®íi, ®æi dÊu ë mét sè khu vùc gÇn xÝch ®¹o,
vμ nãi chung cã gi¸ trÞ nhá ë miÒn nhiÖt ®íi. MÆt kh¸c, trong m« h×nh Held-Hou
ph−¬ng ¸n lý t−ëng ho¸ cña hoμn l−u Hadley, b»ng kh«ng khi ®i qua c¸c vßng hoμn
l−u Hadley. Do ®ã thay v× chøng quan tr¾c râ rμng vÒ c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa, c¸c dÞ
th−êng ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi sÏ kh«ng cã ¶nh h−ëng ®èi víi c¸c sãng kÝch ®éng
sãng t¹o ra c¸c quan hÖ víi miÒn vÜ ®é cao h¬n.
VÊn ®Ò cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt b»ng nhiÒu c¸ch xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt ph−¬ng
tr×nh xo¸y (8.5). B©y giê tr−êng vËn tèc v cã thÓ ®−îc t¸ch thμnh phÇn quay thuÇn
v vμ phÇn ph©n kú thuÇn v (kÕt qu¶ tæng qu¸t cña lý thuyÕt Helmholtz). Tr−êng
vËn tèc khi ®ã cã thÓ ®−îc biÓu diÔn qua c¸c sè h¹ng cña hai tr−êng v« h−íng, tr−êng
hμm dßng vμ thÕ vËn tèc nh− sau
v k , v (8.6)
Tõ nh÷ng ®Þnh nghÜa nμy, ta cã ph−¬ng tr×nh xo¸y t−¬ng ®èi 2 vμ phÇn ph©n kú
D 2 . B©y giê thÕ vμo ph−¬ng tr×nh (8.5) ®èi víi v vμ viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh nμy d−íi
d¹ng
v . D v . (8.7)
t
Ph−¬ng tr×nh nμy biÓu diÔn phÇn hiÖu chØnh gi÷a c¸c sè h¹ng lan truyÒn sãng Rossby
liªn quan tíi phÇn quay cña tr−êng giã, ë vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh, vμ c¸c sè h¹ng t¸c
®éng liªn quan ®Õn phÇn ph©n kú cña giã, ë vÕ ph¶i. Sù lan truyÒn c¸c sãng Rossby lμ
kÕt qu¶ cña b×nh l−u xo¸y tuyÖt ®èi do phÇn quay, kh«ng ph¶i do phÇn ph©n kú cña
tr−êng giã. Sè h¹ng phô biÓu diÔn b×nh l−u xo¸y tuyÖt ®èi do phÇn ph©n kú cña giã
®−¬ng nhiªn lμ kh«ng nhá, thËm chÝ mÆc dï v nh×n chung cã gi¸ trÞ nhá so víi v .
§ã lμ bëi v× thμnh phÇn giã quay nh×n chung song song víi c¸c ®−êng ®¼ng trÞ cña ,
trong khi ®ã thμnh phÇn giã ph©n kú nhá h¬n cã thÓ lμm mét gãc lín víi c¸c ®−êng
nμy. C¸c sè h¹ng t¸c ®éng ®¬n gi¶n ®−îc gäi lμ sè h¹ng nguån Rossby S cã thÓ dÉn vÒ
d¹ng sau
S .v
(8.8)
B©y giê ta cã thÓ thÊy c¸c sãng Rossby cã thÓ bÞ kÝch ®éng bëi sù ®èt nãng miÒn
nhiÖt ®íi, thËm chÝ mÆc dï th−êng nhá t¹i l©n cËn vïng ®èt nãng. Dßng phÇn kú sÏ
lín nhÊt l©n cËn r×a cña khu vùc ®èt nãng, bªn ngoμi khu vùc nμy D cã gi¸ trÞ lín.
Gradien cña lín khi gÇn tíi miÒn cËn nhiÖt ®íi, vμ do ®ã S cã thÓ lín ë miÒn cËn
nhiÖt ®íi, còng nh− cña cùc ®¹i ®èt nãng miÒn nhiÖt ®íi. Trªn H×nh 8.5 lμ s¬ ®å minh
ho¹ ®Æc ®iÓm nμy. Nh÷ng ý t−ëng nμy ®−îc minh häa trªn H×nh 8.6, h×nh vÏ nμy cho
thÊy hμm nguån sãng Rossby ®èi víi mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. Ta thÊy mét cùc ®¹i ®èt
nãng réng lín phÝa trªn Indonesia (xem H×nh 3.8), mÆc dï ë ®©y lμ mét khu vùc cã
vμ nhá. Tuy nhiªn, giã ph©n kú m¹nh nhÊt ë phÝa b¾c khu vùc nμy, l©n cËn bê biÓn
- 226 -
- §«ng Nam ¸. T¸c ®éng cña c¸c sãng Rossby lín nhÊt ë khu vùc cña cùc ®¹i dßng xiÕt
Ch©u ¸, c¸ch xa kho¶ng 3000km so víi cùc ®¹i ®èt nãng.
H×nh 8.5 S¬ ®å minh häa t¸c ®éng cña mét chuçi sãng Rossby do mét cùc ®¹i ®èt nãng miÒn nhiÖt
®íi. Khu vùc t« ®Ëm chØ khu vùc trong ®ã hµm nguån sãng Rossby lµ lín.
Nghiªn cøu ®èi víi c¸c cÊu tróc qui m« lín, tÇn sè thÊp trong hoμn l−u Nam B¸n
CÇu bÞ h¹n chÕ do thiÕu sè liÖu vμ biªn ®é t−¬ng ®èi nhá cña nh÷ng nhiÔu ®éng tÇn sè
thÊp dõng. ChÊt l−îng cña nh÷ng ph©n tÝch riªng biÖt nh×n chung kÐm h¬n so víi B¾c
B¸n CÇu, do ë ®©y Ýt tr¹m cao kh«ng. ChÊt l−îng cña c¸c kÕt qu¶ ph©n tÝch chuçi thêi
gian kÐm h¬n so víi B¾c B¸n CÇu do Ýt sè liÖu cao kh«ng. ë ®©y chØ cã c¸c d·y sè liÖu
ng¾n rÊt khã cã ®−îc kÕt qu¶ thèng kª æn ®Þnh ®èi víi c¸c hiÖn t−îng tÇn sè thÊp. ë
Nam B¸n CÇu ®Òu cã biªn ®é nhá h¬n, vμ kh«ng næi râ trªn tr−êng nÒn bÞ nhiÔu ®éng
do c¸c h×nh thÕ quy m« syn«p cña tr−êng nÒn.
MÆc dï ®· cã rÊt nhiÒu nç lùc ®Ó x¸c ®Þnh c¸c h×nh thÕ quan hÖ xa t¸i diÔn trong
nh÷ng n¨m gÇn ®©y, chi tiÕt cña c¸c nghiªn cøu kh«ng æn ®Þnh. Tuy nhiªn, cã hai kÕt
qu¶ xuÊt hiÖn râ rμng vμ cã mét sè ®iÓm chi phèi víi kÕt qu¶ cña mét sè nghiªn cøu
®éc lËp. ë ®©y, tr×nh bμy kÕt qu¶ tõ nghiªn cøu cña Mo & White (1985) dùa trªn
tr−êng trung b×nh th¸ng cña ®é cao mùc 500hPa vμ khÝ ¸p mÆt ®Êt ®−îc tæng kÕt.
§Æc ®iÓm quan träng ®Çu tiªn lμ sù t−¬ng quan ©m gi÷a khÝ ¸p mÆt ®Êt hay ®é
cao ®Þa thÕ vÞ 500hPa ë miÒn cùc vμ miÒn nhiÖt ®íi, víi mét mode l©n cËn 60oS. Ta
thÊy mét nhiÔu ®éng cã liªn quan trong c−êng ®é cña ®íi giã t©y «n ®íi. Mét ®Æc ®iÓm
quan träng kh¸c lμ h×nh thÕ 3 sè sãng vÜ h−íng th«ng th−êng. H×nh thÕ kiÓu nh− vËy
lμ mét ®Æc ®iÓm cña c¸c tr−êng trung b×nh (xem H×nh 6.1(b)), tuy nhiªn ë ®©y xuÊt
hiÖn mét chØ sè chu kú gÇn gi¸ trÞ nμy dßng khÝ miÒn «n ®íi n»m gi÷a mét tr¹ng th¸i
cã tÝnh vÜ h−íng h¬n vμ mét tr¹ng th¸i cã sãng dõng víi sè sãng lμ 3. Ph©n tÝch t−¬ng
quan cho thÊy sù xuÊt hiÖn ba cùc ®¹i cña t−¬ng quan quanh miÒn «n ®íi Nam B¸n
CÇu.
- 227 -
- H×nh 8.6 Nguån sãng Rossby S ®èi víi mïa ®«ng, 1979-89 t¹i mùc 150hPa. (a) C¸c ®−êng ®¼ng trÞ cña
xo¸y tuyÖt ®èi , kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 2 x 10-5s-1, vµ c¸c vect¬ giã ph©n kú v . Vect¬ chuÈn
lµ 2ms-1. (b) S, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 5 x 10-11s-2, víi vïng ®Ëm chØ gi¸ trÞ ©m.
H×nh 8.7 Sù kh¸c biÖt gi÷a sù kÕt hîp cña tr−êng ®é cao 500hPa ë Nam B¸n CÇu víi chØ sè 3 sãng cùc
®¹i, vµ sù kÕt hîp víi chØ sè 3 sãng cùc tiÓu. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 40m, víi vïng t« ®Ëm chØ
c¸c gi¸ trÞ d−¬ng (Mo & White, 1985)
- 228 -
- DÞ th−êng t¹i t©m cña c¸c cùc ®¹i nμy cã thÓ dïng ®Ó x©y dùng mét chØ sè vÒ
c−êng ®é cña h×nh thÕ ba sãng nμy. H×nh 8.7 m« t¶ h×nh thÕ ba sãng. H×nh vÏ nμy dùa
trªn sù kÕt hîp cña c¸c tr−êng mμ chØ sè ba sãng lμ lín nhÊt vμ mét sù kÕt hîp t−¬ng
tù cña c¸c tr−êng víi chØ sè ba sãng nhá. Trªn h×nh vÏ nμy cho thÊy sù kh¸c biÖt gi÷a
hai cùc trÞ. Trªn h×nh nμy còng cho thÊy t−¬ng quan khÝ ¸p gi÷a miÒn vÜ ®é cao vμ
miÒn vÜ ®é thÊp mét phÇn còng cã mèi quan hÖ víi dao ®éng ba sãng nμy, v× nh×n
chung nã thÓ hiÖn khÝ ¸p cao h¬n trªn khu vùc Nam Cùc so víi trªn khu vùc cËn nhiÖt
®íi.
KÕt qu¶ ph©n tÝch EOF dùa trªn c¸c tr−êng trung b×nh th¸ng còng chØ ra ®−îc
nh÷ng h×nh thÕ nμy. Chóng chiÕm −u thÕ ®èi víi hai hμm trùc giao ®Çu tiªn, chiÕm tíi
37% ph−¬ng sai cña gi¸ trÞ trung b×nh th¸ng.
Trong môc nμy ®· nhÊn m¹nh sù lan truyÒn c¸c sãng Rossby tõ miÒn nhiÖt ®íi
®Õn miÒn «n ®íi. Mét phÇn quan träng cña sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp bao gåm nh÷ng dÞ
th−êng dßng khÝ æn ®Þnh ë miÒn «n ®íi cã thÓ liªn quan tíi sù lan truyÒn nμy, vμ do ®ã
liªn quan víi nh÷ng dÞ th−êng trong hoμn l−u ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, cÇn nhí
r»ng phÇn lín dao ®éng tÇn sè thÊp quan tr¾c ®−îc vμ ho¹t ®éng sãng Rossby dõng
b¾t nguån ë miÒn «n ®íi vμ chñ yÕu lan truyÒn vÒ phÝa miÒn nhiÖt ®íi. §iÒu nμy ®−îc
chøng minh mét c¸ch râ rμng lμ c¸c th«ng l−îng ®éng l−îng dõng chiÕm −u thÕ ë miÒn
cùc. C¸c nguån sãng Rossby miÒn «n ®íi lμ sù t−¬ng ph¶n cña ®Þa h×nh vμ cña ®¹i
d−¬ng-lôc ®Þa, còng nh− sù kÝch ®éng c¸c sãng Rossby bëi c¸c hÖ thèng tμ ¸p tøc thêi
thuÇn thôc.
8.3 Nh÷ng dao ®éng tÇng b×nh l−u
Ng−êi ta quan tr¾c thÊy mét sè dao ®éng cã tÇn suÊt xuÊt hiÖn lín cña giã vÜ
h−íng trong tÇng b×nh l−u nhiÖt ®íi. §©y lμ nh÷ng vÝ dô vÒ nh÷ng dao ®éng cña hoμn
l−u khÝ quyÓn vμ ng−êi ta cho r»ng chóng ®−îc h×nh thμnh do nh÷ng b¶n chÊt ®éng
lùc néi t¹i cña khÝ quyÓn h¬n lμ do nh÷ng t¸c ®éng bªn ngoμi. Trong môc nμy ta sÏ
bμn ®Õn hai d¹ng dao ®éng. Mét dao ®éng ®−îc gäi lμ “dao ®éng tùa hai n¨m” (hay lμ
“QBO” ); vμ “dao ®éng nöa n¨m” (hay lμ “SAO”). QBO ®−îc quan s¸t thÊy ë phÇn d−íi
vμ phÇn gi÷a tÇng b×nh l−u vμ cã thÓ ®−îc nghiªn cøu b»ng sè liÖu cao kh«ng. SAO
xÈy ra ë c¸c tÇng cao h¬n trong khÝ quyÓn vμ khã quan tr¾c ®−îc. PhÝa trªn ®é cao tíi
®−îc cña c¸c thiÕt bÞ th¸m kh«ng, nguån d÷ liÖu chñ yÕu do th¸m s¸t nhiÖt ®é tõ vÖ
tinh. Tuy nhiªn, gÇn miÒn xÝch ®¹o kh«ng cã ®iÒu kiÖn c©n b»ng phï hîp ®Ó cã thÓ liªn
hÖ gi÷a c¸c th¸m s¸t nhiÖt ®é víi tr−êng giã. PhÇn lín c¸c th¸m s¸t cña dao ®éng SAO
lÊy tõ mét chuçi h÷u h¹n c¸c ®o ®¹c tõ tªn löa ®−îc phãng tõ c¸c tr¹m ë miÒn nhiÖt
®íi.
Dao ®éng QBO bao gåm mét dao ®éng cña giã vÜ h−íng, tõ ®«ng sang t©y ë c¸c
mùc trªn cao cña miÒn nhiÖt ®íi. Giã dao ®éng víi mét biªn ®é cùc ®¹i vμo kho¶ng 20-
30m/s ë gÇn mùc 20hPa, vμ nh÷ng dao ®éng nμy cã biªn ®é nhá h¬n phÝa d−íi mùc
50hPa. §íi giã ®«ng nh×n chung kh¸ m¹nh h¬n so víi ®íi giã t©y. BiÕn ®æi vÜ h−íng cã
d¹ng hμm Gauss víi nöa ®é réng lμ 120vÜ. Chu kú biÕn ®æi trong kho¶ng tõ 22-34
th¸ng; trong mét kho¶ng thêi gian dμi, chu kú trung b×nh cña dao ®éng kho¶ng 27
- 229 -
- th¸ng. §iÒu nμy cho thÊy r»ng dao ®éng nμy kh«ng cã quan hÖ víi chu tr×nh n¨m mÆc
dï cã mét sè b»ng chøng cho thÊy ë ®©y cã mét xu thÕ ®¶o ng−îc giã diÔn ra vμo mïa
hÌ ë B¾c B¸n CÇu. Trong suèt pha h−íng t©y, ®íi giã t©y vÜ h−íng m¹nh nhÊt ë trªn
xÝch ®¹o; ®©y lμ mét dÊu hiÖu râ rμng r»ng c¸c th«ng l−îng m«men ®éng l−îng cña
xo¸y ®−îc bao hμm trong dao ®éng QBO, v× dßng khÝ phÝa t©y nμy cã m«men gãc trªn
mét ®¬n vÞ khèi l−îng lín h¬n bÊt kú mét vïng nμo kh¸c trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Cùc
®¹i nμy kh«ng thÓ ®¹t ®−îc trong hoμn l−u kh«ng ma s¸t ®èi xøng trôc. VÒ vÊn ®Ò nμy
sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 10.3. Mét b»ng chøng quan träng vÒ b¶n chÊt cña c¸c c¬
chÕ h×nh thμnh dao ®éng QBO ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 8.8.
H×nh 8.8 MÆt c¾t th¼ng ®øng theo thêi gian-®é cao cña giã vÜ h−íng trung b×nh th¸ng dùa trªn quan
tr¾c cña c¸c tr¹m miÒn nhiÖt ®íi ë ®¶o Canton (th¸ng 1/1953 ®Õn 8/1967), §¶o Maldive (th¸ng 9/1967
®Õn 12/1975) vµ Singapore (th¸ng 1/1976 ®Õn 5/1992). Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 10m/s, vïng
t« ®Ëm lµ ®íi giã t©y (Naujokat, 1986)
- 230 -
- §©y lμ mÆt c¾t th¼ng ®øng theo chiÒu cao vμ thêi gian cña thμnh phÇn vÜ h−íng
cña giã quan s¸t ®−îc ë mét sè tr¹m miÒn nhiÖt ®íi. Dao ®éng nμy b¾t nguån tõ c¸c
mùc trªn cao vμ lan truyÒn chËm xuèng phÝa d−íi. ë ®©y cã tÝnh bÊt ®èi xøng ®¸ng kÓ.
Ch¼ng h¹n nh−, sù chuyÓn tõ dßng giã ®«ng sang dßng giã t©y lan truyÒn xuèng phÝa
d−íi nhanh h¬n so víi sù chuyÓn tõ dßng giã t©y sang dßng giã ®«ng. DÔ dμng nhËn
thÊy r»ng dao ®éng QBO kh«ng ®¬n gi¶n lμ mét sãng lan truyÒn tõ trªn cao xuèng. Sù
tiªu t¸n sÏ nhanh chãng ng¨n chÆn dao ®éng nμy, mËt ®é gi¶m theo quy luËt hμm mò
theo chiÒu cao ®ßi hái biªn ®é ph¶i lín nhÊt ë khu vùc t¸c ®éng vμ biªn ®é gi¶m theo
quy luËt hμm mò khi sãng lan truyÒn xuèng phÝa d−íi. Trong tr−êng hîp bÊt kú rÊt
khã chøng minh r»ng c¬ chÕ nμo cã thÓ t¹o sãng tÇn sè thÊp ë c¸c mùc trªn cao trong
tÇng b×nh l−u. Lý thuyÕt vÒ dao ®éng ®−îc chÊp nhËn hiÖn nay vÒ QBO cho r»ng dßng
bÞ t¸c ®éng tõ tÇng ®èi l−u vμ do ®ã cã sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c sãng lan truyÒn lªn phÝa
trªn vμ dßng trung b×nh.
Mét m« pháng theo h−íng nμy ®−îc Plumb & McEwan (1978) thùc hiÖn trong
phßng thÝ nghiÖm. C¸c thiÕt bÞ nμy ®−îc minh häa trªn H×nh 8.9 bao gåm mét bÓ h×nh
trô chøa n−íc biÓn ®−îc ph©n tÇng víi mét c¬ chÕ kÝch ®éng t¹o sãng ®øng, tÇn sè vμ
sè sãng vÜ h−íng k trªn biªn d−íi. Sãng ®øng kiÒu nh− vËy cã thÓ ®−îc t¸ch thμnh hai
sãng di chuyÓn víi biªn ®é b»ng nhau nh−ng di chuyÓn theo h−íng ng−îc nhau víi tèc
®é pha c / k . Dung dÞch n−íc biÓn cho ta c¸c sãng träng tr−êng néi, víi sè sãng vÜ
h−íng k vμ sè sãng th¼ng ®øng m. Quan hÖ tiªu t¸n ®èi víi c¸c sãng träng tr−êng néi
lan truyÒn th¼ng ®øng lμ
Nk
Uk (8.9)
1/ 2
k m2
2
trong ®ã U lμ giã vÜ h−íng, ®−îc coi lμ kh«ng ®æi hoÆc chØ lμ mét hμm biÕn ®æi rÊt
chËm theo chiÒu cao z, vμ N lμ tÇn sè Brunt-Vaisala. Lý thuyÕt vÒ sù lan truyÒn th¼ng
®øng cña c¸c sãng träng tr−êng néi qua m«i tr−êng trong ®ã giã vÜ h−íng biÕn ®æi
chËm theo ®é cao cã thÓ ph¸t triÓn, dùa trªn quan hÖ tiªu t¸n. C¸c b−íc nμy gièng víi
c¸c b−íc trong môc 6.2 ®èi víi sù lan truyÒn theo ph−¬ng ngang cña sãng Rossby. TÇn
sè vμ sè sãng vÜ h−íng ®−îc b¶o toμn theo sãng lan truyÒn trong khi ®ã ph−¬ng tr×nh
(8.9) cã thÓ ®−îc s¾p xÕp l¹i ®Ó cho ta quan hÖ chÈn ®o¸n gi÷a m vμ gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng
cña giã vÜ h−íng U
N2
m2 k2 (8.10)
c U
2
DÊu cña m ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®iÒu kiÖn vËn tèc nhãm cña sãng träng tr−êng h−íng lªn
trªn. Tõ quan hÖ tiªu t¸n, thμnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm, / m cã thÓ
viÕt d−íi d¹ng
c U 3 km
c gz (8.11)
N2
Do ®ã, ®Ó b¶o ®¶m sù lan truyÒn n¨ng l−îng lªn trªn, c¨n ©m ®èi víi m ph¶i ®−îc chän
khi U > c, vμ c¨n d−¬ng khi U < c. Ph−¬ng tr×nh (8.10) còng cho thÊy cã sù h¹n chÕ ®èi
- 231 -
- víi gi¸ trÞ cña U trong bÊt kú sù lan truyÒn th¼ng ®øng nμo. Sè sãng theo chiÒu th¼ng
®øng lμ ¶o, cã nghÜa lμ c¸c sãng bÞ biÕn d¹ng theo chiÒu th¼ng ®øng, trõ phi
c U 2 N 2 / k 2 (8.12)
Sù lan truyÒn th¼ng ®øng chØ xÈy ra ®èi víi kho¶ng tèc ®é dßng tËp trung ë c. KÝch
th−íc cña kho¶ng nμy phô thuéc vμo viÖc lùa chän c¸c gi¸ trÞ N vμ k.
H×nh 8.9 C¸c dông cô ®−îc Plumb & McEwan sö dông nh− lµ mét m« h×nh cña QBO
Minh häa vÒ sù giíi h¹n ®èi víi gi¸ trÞ U ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 8.10. H×nh nμy
cho ta thμnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm lμ mét hμm cña tèc ®é dßng khÝ U.
C¸c gi¸ trÞ cña U, k vμ lμ c¸c gi¸ trÞ ®−îc Plumb-McEwan sö dông trong thÝ nghiÖm.
Sù lan truyÒn th¼ng ®øng chØ cã thÓ xÈy ra víi U nhá h¬n 57 mm/s. Gi¶ thiÕt U lμ giã
t©y, vμ cã ®é lín xÈy ra sù lan truyÒn th¼ng ®øng. §é nghiªng cña c¸c ®−êng pha
kh«ng ®æi ®¬n gi¶n lμ m/k; yªu cÇu cgz ph¶i h−íng lªn trªn cã nghÜa lμ m tr¸i dÊu víi c
– U. V× vËy sù nghiªng pha vÒ phÝa t©y theo ®é cao khi U > c. §iÒu nμy cã nghÜa lμ
u * w * ©m, ph¶i lμ dßng th¼ng ®øng cña ®éng l−îng giã ®«ng. GÇn c¸c mùc n¬i sãng bÞ
tiªu t¸n, do khuÕch t¸n néi ch¼ng h¹n, ph¶i cã sù héi tô cña dßng ®éng l−îng giã ®«ng,
vμ do ®ã gia tèc h−íng ®«ng sÏ lμ phæ biÕn. L©n cËn c¸c mùc nμy, U sÏ gi¶m tõ tõ, vμ
cuèi cïng ®¹t tíi gi¸ trÞ t¹i ®ã khëi ®Çu sù lan truyÒn th¼ng ®øng. NÕu t¸c ®éng ë mùc
nμy ®−îc duy tr×, mùc giã b»ng kh«ng do ®ã dÇn dÇn sÏ h¹ xuèng trong dßng khÝ. Cuèi
cïng, ®íi giã ®«ng sÏ h¹ xuèng tíi ®¸y. Khi ®ã c¸c sãng víi U < c cã thÓ lan truyÒn theo
chiÒu th¼ng ®øng. NÕu tÊt c¶ c¸c lËp luËn trªn ®¶o ng−îc, khi ®ã c¸c sãng nμy sÏ vËn
chuyÓn ®éng l−îng h−íng t©y lªn cao, vμ g©y ra sù ®¶o ng−îc dßng khÝ, tr−íc hÕt ë c¸c
mùc trªn cao sau ®ã t¹i c¸c mùc thÊp h¬n. Dông cô nμy thÓ hiÖn mét dao ®éng tÇn sè
thÊp cña giã vÜ h−íng, ®iÒu khiÓn bëi c¸c t−¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c sãng träng
tr−êng lan truyÒn lªn trªn vμ dßng vÜ h−íng.
Nãi chung, hiÖn nay ng−êi ta ®· chÊp nhËn r»ng dao ®éng tùa hai n¨m cña khÝ
quyÓn bÞ ®iÒu khiÓn theo c¸ch nμy. C¸c chuyÓn ®éng trong tÇng ®èi l−u, ®Æc biÖt
nh÷ng chuyÓn ®éng g¾n liÒn víi c¸c ®¸m m©y tÝch ®èi l−u ë miÒn nhiÖt ®íi, cã thÓ t¸c
®éng tíi mét phæ c¸c nhiÔu ®éng t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. C¸c sãng träng tr−êng
- 232 -
- lan truyÒn th¼ng ®øng cã thÓ Ýt quan träng h¬n nhiÒu ®èi víi QBO so víi c¸c sãng lan
truyÒn th¼ng ®øng qui m« lín h¬n; quan träng lμ c¸c sãng Kelvin qui m« hμnh tinh, cã
thÓ lan truyÒn lªn tÇng b×nh l−u trong c¸c ®iÒu kiÖn giã ®«ng vμ c¸c sãng hçn hîp
Rossby-träng tr−êng cã thÓ lan truyÒn trong c¸c ®iÒu kiÖn giã t©y. Môc 7.1 cho ta mét
c¸ch gi¶i thÝch vÒ c¸c sãng qui m« hμnh tinh lan truyÒn vÒ phÝa xÝch ®¹o. §Æc tr−ng
kh¸c biÖt cña nh÷ng sãng nμy gióp ta gi¶i thÝch sù bÊt ®èi xøng quan tr¾c ®−îc gi÷a
pha giã ®«ng vμ giã t©y cña ®ao ®éng tùa hai n¨m QBO; b¶n chÊt hçn lo¹n cña t¸c
®éng cã sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp ®¸ng kÓ, ®iÒu nμy gi¶i thÝch t¹i sao QBO chØ cã nöa
chu kú. Sù h¹n chÕ cña QBO ®èi víi nh÷ng vÜ ®é nhiÖt ®íi ph¶n ¸nh sù h¹n chÕ cã
tÝnh kÝnh h−íng cña c¸c dao ®éng xÝch ®¹o ®iÒu khiÓn nã.
H×nh 8.10 Sù phô thuéc cña c¸c thµnh phÇn th¼ng ®øng cña vËn tèc nhãm vµo dßng vÜ h−íng U ®èi
u w u w
víi m« h×nh QBO trong phßng thÝ nghiÖm cña Plumb-McEwan. §−êng liÒn biÓu diÔn c¸c tr−êng hîp U
* * * *
< c vµ do ®ã > 0. §−êng ®øt biÓu diÔn c¸c tr−êng hîp U > c vµ < 0.
Dao ®éng nöa mïa (SAO) cã nhiÒu ®Æc ®iÓm chung víi dao ®éng tùa hai n¨m
QBO. Gièng nh− QBO, nã bao gåm mét dao ®éng giã vÜ h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi. Dao
®éng nμy cã biªn ®é cùc ®¹i ë gÇn ®Ønh tÇng b×nh l−u vμ ®Ønh tÇng khÝ quyÓn gi÷a;
d−êng nh− dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng trung l−u kh¸c nhiÒu so víi dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng
b×nh l−u, vμ cã thÓ bÞ ®iÒu khiÓn bëi c¸c c¬ chÕ kh¸c nhau. D−íi 40km, dao ®éng nμy
trë nªn yÕu h¬n vμ bÞ lÊn ¸t bëi QBO. Dao ®éng t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u cã biªn ®é
kho¶ng 30ms-1 vμ mét nöa ®é réng lμ 25o vÜ. Cùc ®¹i cña giã t©y t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u
xuÊt hiÖn ngay sau ®iÓm ph©n vμ cùc ®¹i giã ®«ng xuÊt hiÖn ngay sau ®iÓm chÝ. §«i
khi ng−êi ta nãi r»ng SAO cã ph¹m vi toμn cÇu chø kh«ng chØ h¹n chÕ ë miÒn nhiÖt
®íi. Tuy nhiªn, d−êng nh− SAO ë miÒn ngo¹i nhiÖt ®íi ®¬n gi¶n lμ mét hμm ®iÒu hßa
®Çu tiªn cña chu tr×nh n¨m cña giã vÜ h−íng.
Gia tèc giã t©y cña SAO tÇng b×nh l−u ®Çu tiªn xuÊt t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u vμ lan
truyÒn xuèng d−íi, víi tèc ®é kho¶ng 10km/th¸ng. Nã hoμn toμn t−¬ng tù víi QBO, vμ
cã b»ng chøng râ rμng r»ng c¸c sãng Kelvin lan truyÒn theo chiÒu th¼ng ®øng liªn
quan víi gia tèc giã t©y. Tuy nhiªn, kh«ng cã b»ng chøng ®Çy ®ñ vÒ ho¹t ®éng cña
sãng Kelvin gi¶i thÝch cho ®é lín cña gia tèc nμy; ®iÒu nμy cã thÓ lμ c¸c sãng träng
tr−êng còng ®ãng mét vai trß nμo ®ã. Gia tèc giã ®«ng th× hoμn toμn kh¸c. Nã xuÊt
hiÖn hÇu nh− ®ång thêi t¹i tÊt c¶ c¸c mùc, vμ do ®ã c¸c sãng lan truyÒn theo chiÒu
- 233 -
- th¼ng ®øng ph¶i ®ãng mét vai trß phô trî trong viÖc ®iÒu khiÓn nã. VËn chuyÓn theo
ph−¬ng ngang cña m«men ®éng l−îng cÇn ®Ó cung cÊp t¹o gia tèc ®ång thêi t¹i tÊt c¶
c¸c mùc. B×nh l−u trung b×nh vÜ h−íng cña ®íi giã ®«ng mïa hÌ v−ît xÝch ®¹o cã thÓ
gi¶i thÝch cho ®é lín cña gia tèc giã ®«ng, víi vËn chuyÓn ®éng l−îng theo ph−¬ng
ngang liªn quan víi sù ph¸ vì c¸c sãng Rossby trong b¸n cÇu mïa ®«ng, cã thÓ ®ãng
mét vai trß quan trong thø hai. Chi tiÕt h¬n vÒ c¸c vÊn ®Ò liªn quan tíi hoμn l−u tÇng
b×nh l−u sÏ ®−îc ®Ò cËp trong Ch−¬ng 9.
SAO t¹i ®Ønh tÇng trung quyÓn kh«ng ®−îc quan tr¾c mét c¸ch râ rμng. Ng−êi ta
cho r»ng nã chñ yÕu bÞ ®iÒu khiÓn bëi c¸c sãng träng tr−êng lan truyÒn lªn trªn, t−¬ng
tù trong d¹ng Plumb-McEwan cña QBO.
8.4 Dao ®éng néi mïa
Ngoμi c¸c chu tr×nh dao ®éng theo mïa th«ng th−êng, nh÷ng dao ®éng tùa chu kú
cña hoμn l−u tÇng ®èi l−u lμ kh¸ hiÕm. V× vËy nã trë thμnh chñ ®Ò míi l¹ ®Çu nh÷ng
n¨m cña thËp kû 70, khi ng−êi ta ph¸t hiÖn ra mét dao ®éng tùa chu kú cña hoμn l−u
giã vÜ h−íng víi chu kú kho¶ng tõ 40 ®Õn 50 ngμy. Tõ ®ã dao ®éng nμy ®−îc dÉn chøng
nhiÒu trong nh÷ng nghiªn cøu vÒ sù biÕn ®æi cña tÇng ®èi l−u. Chu kú nμy cã thÓ biÕn
®æi, vμ kho¶ng biÕn ®æi cña nã ®Õn nay ®· më réng tõ 30 ®Õn 60 ngμy. C¸c tªn gäi
kh¸c nhau nh− dao ®éng 30-60 ngμy, dao ®éng 40-50 ngμy vμ dao ®éng Madden-
Julian, tªn gäi phï hîp nhÊt cã thÓ lμ “dao ®éng néi mïa”, tøc lμ mét dao ®éng bÊt
th−êng nμo ®ã cã quy m« thêi gian ®ñ dμi ®Ó ®em so s¸nh víi nh÷ng quy m« syn«p
nh−ng l¹i ng¾n h¬n so víi quy m« thêi gian theo mïa. H×nh 8.11 biÓu diÔn sè liÖu khÝ
¸p bÒ mÆt t¹i tr¹m ®¬n, Canton Island (3oS, 172oW); dao ®éng nμy thÓ hiÖn trong sè
liÖu t¹i tr¹m ®ã vμ thÓ hiÖn rÊt râ khi thùc hiÖn mét phÐp läc d¶i tÇn sè thÝch hîp ®Ó
bá qua nh÷ng tÇn sè cao vμ chu kú mïa.
H×nh 8.11 BiÕn tr×nh khÝ ¸p mÆt ®Êt tõ Canton (3oS, 172oW). §−êng cong trªn lµ biÕn tr×nh sè liÖu th« vµ
®−êng cong n»m d−íi lµ kÕt qu¶ cña viÖc ¸p dông phÐp läc cã trung t©m l©n cËn 45 ngµy ®èi víi chuçi
sè liÖu. ( Madden & Julian, 1972)
- 234 -
- KÕt qu¶ so s¸nh sè liÖu quan tr¾c tõ nhiÒu tr¹m ë miÒn nhiÖt ®íi cho thÊy dao
®éng nμy dÞch chuyÓn vÒ phÝa ®«ng, cã sè sãng vÜ h−íng lμ 1, tËp trung ë xÝch ®¹o víi
nöa ®é réng kho¶ng 10 ®é vÜ. Nã thÓ hiÖn râ nhÊt trong c¸c tr−êng khÝ ¸p bÒ mÆt,
nhiÖt ®é vμ giã vÜ h−íng, vμ gÇn ®©y còng ®−îc x¸c ®Þnh trong c¸c m« h×nh ph©n bè
m©y ®èi l−u vμ ph©n bè m−a. Dao ®éng nμy biÕn ®æi c¶ vÒ c−êng ®é vμ tèc ®é pha. Nã
biÕn ®æi lín nhÊt vμo c¸c th¸ng mïa ®«ng vμ yÕu nhÊt trong nh÷ng th¸ng mïa hÌ vμ
còng cã thÓ nhËn thÊy ë mäi thêi gian trong n¨m. MÆt c¾t th¼ng ®øng theo kinh ®é-
thêi gian cho thÊy nh÷ng nhiÔu ®éng trong mïa di chuyÓn vÒ phÝa ®«ng qua Ên §é
D−¬ng vμ ®¹t biªn ®é cùc ®¹i ë Indonesia. Trªn vïng trung t©m vμ vïng t©y Th¸i B×nh
D−¬ng, c¸c nhiÔu ®éng nμy kh¸ yÕu vμ diÔn ra víi ®Æc tr−ng cña mét dao ®éng ®øng.
H×nh 8.12 biÓu diÔn cÊu tróc cña dao ®éng néi mïa, dùa trªn t¸m chu kú mïa ®«ng
lÊy tõ ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ©u (ECMWF). Ph©n
tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm ®· ®−îc sö dông ®Ó c« lËp dao ®éng nμy trong tr−êng
thÕ vËn tèc. ¸p dông phÐp läc sè ta t¸ch ®−îc c¸c chu kú 30-60 ngμy ®èi víi chuçi thêi
gian cña thÕ vËn tèc t¹i mùc 150hPa vμ 850hPa. Chuçi thêi gian läc ®−îc sö dông nh−
lμ c¬ së cña phÐp ph©n tÝch hμm trùc giao thùc nghiÖm EOF. H×nh 8.12 (a,b) hai hμm
trùc giao thùc nghiÖm ®Çu tiªn t¹i mùc 150hPa. §Æc ®iÓm næi bËt nhÊt cña EOF1 trªn
khu vùc Indonesia víi sù ph©n kú mùc trªn cao trªn vïng Indonesia vμ sù héi tô mùc
thÊp. EOF2 hÇu nh− kh¸c pha víi EOF1, vμ chuçi thêi gian cña thμnh phÇn chÝnh
t−¬ng øng (H×nh 8.12(c)) dao ®éng theo hμm bËc hai. KÕt hîp c¸c tr−êng EOF1 vμ
EOF2 cho ta mét nhiÔu ®éng lan truyÒn chñ yÕu theo h−íng ®«ng víi biªn ®é lín nhÊt
ë khu vùc Indonesia.
H×nh 8.12 EOF1 (a) vµ 2 (b) cña tr−êng ph©n kú ®èi víi 8 mïa ®«ng cña sè liÖu t¹i Trung t©m dù b¸o
thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u
- 235 -
- ThÕ vËn tèc th−êng ®−îc sö dông nh− biÓu diÔn trªn H×nh 8.12, ®Ó chÈn ®o¸n
nh÷ng chuyÓn ®éng bÞ ®iÒu khiÓn bëi ®èi l−u ë miÒn nhiÖt ®íi. Nã cho thÊy mét bøc
tranh vÒ dßng ®i ra khái nh÷ng khu vùc ®èi l−u m¹nh, vμ ®iÒu nμy cho thÊy dßng khÝ
toμn cÇu cã ph¶n øng víi t¸c ®éng nμy. Tuy nhiªn, ®iÒu nμy cã thÓ rÊt dÔ nhÇm lÉn.
Ch¼ng h¹n nh−, gi¶ thiÕt r»ng tr−êng giã liªn quan víi sãng Kelvin xÝch ®¹o ®−îc chia
thμnh thμnh phÇn quay vμ thμnh phÇn ph©n kú, cã thÓ ®−îc biÓu diÔn b»ng hμm dßng
vμ thÕ vËn tèc t−¬ng øng. C¶ hai tr−êng nμy ®Òu mang tÝnh toμn cÇu. V× sãng Kelvin
thùc chÊt lμ nhiÔu ®éng xÝch ®¹o nhanh chãng gi¶m yÕu vμ biÕn mÊt khi v−ît qua vÜ
tuyÕn 200 vÒ phÝa cùc.
H×nh 8.12 (tiÕp) (c) C¸c chuçi thêi gian cña thµnh phÇn chñ yÕu t−¬ng øng; ®−êng liÒn lµ PC1, ®−êng
®øt lµ PC2 (Theo A. Matthews)
Thùc tÕ, thμnh phÇn quay vμ thμnh phÇn ph©n kú cña vÐc t¬ giã ®èi víi sãng
Kelvin thuÇn triÖt tiªu lÉn nhau ë miÒn «n ®íi nh−ng chóng kÝch ®éng lÉn nhau ë
miÒn nhiÖt ®íi. Trong khi hiÖu øng Helmhol cña tr−êng giã rÊt cã ý nghÜa vÒ mÆt to¸n
häc l¹i kh«ng cã ý nghÜa vËt lý trong tr−êng hîp nμy. §iÒu ®ã còng ®óng, Ýt nhÊt á
møc ®é nμo ®ã, ®èi víi dßng khÝ liªn quan víi dao ®éng trong mïa.
Trªn mÆt c¾t th¼ng ®øng theo kinh tuyÕn, dao ®éng giã vÜ h−íng m¹nh nhÊt ë
phÇn trªn tÇng ®èi l−u, gi÷a mùc 150 vμ 200hPa vμ còng cã cÊu tróc tμ ¸p cña nhiÔu
®éng tÇng ®èi l−u víi chuÈn sai giã ®«ng mùc thÊp n»m d−íi chuÈn sai giã t©y trªn cao
vμ ng−îc l¹i. Quan hÖ gi÷a tr−êng ¸p vμ tr−êng gÝo mÆt ®Êt vμ sù ph©n bè cña khu vùc
®èi l−u t¨ng c−êng ®−îc minh ho¹ b»ng s¬ ®å trªn H×nh 8.13. Chu tr×nh ®−îc chiÕm −u
thÕ bëi sù t¨ng c−êng ®èi l−u phÝa trªn c¸c khu vùc chuÈn sai lín héi tô. Khu vùc ®èi
l−u t¨ng c−êng nμy xuÊt hiÖn ë Indonªsia vμ di chuyÓn vÒ phÝa ®«ng ngang qua Th¸i
B×nh D−¬ng, gÇn tíi kinh tuyÕn 1800W tr−íc khi tan biÕn. ChuÈn sai ®èi l−u mét phÇn
cña d¶i ®èi l−u ph¸t triÓn n»m theo h−íng vÜ tuyÕn hay lμ mét phÇn cña vßng hoμn
l−u Walker, gÇn nh− c¸c vßng hoμn l−u Walker cña dßng trung b×nh theo thêi gian
®−îc m« t¶ trong môc 8.1
CÊu tróc m©y cïng víi tèc ®é lan truyÒn sang phÝa ®«ng ®−îc coi lμ dao ®éng néi
mïa vμ cã thÓ gi¶i thÝch b»ng c¸c thμnh phÇn cña sãng Kelvin lan truyÒn.
Khã kh¨n trong viÖc gi¶i thÝch t¹i sao tèc ®é lan truyÒn nhá h¬n tèc ®é lan truyÒn
cña sãng Kelvin kh«ng ®¬n gi¶n nh− th¶o luËn trong môc 8.2. VÊn ®Ò thø hai lμ c¬ chÕ
- 236 -
- khëi t¹o sãng Kelvin. Râ rμng lμ ®èi l−u Èm nhiÖt ®íi cã thÓ b¶o ®¶m n¨ng l−îng cÇn
thiÕt th«ng qua hiÖu øng håi tiÕp gi÷a dßng quy m« lín vμ quy m« ®èi l−u. §é bÊt æn
®Þnh ®iÒu kiÖn lo¹i hai (CISK) lμ m« h×nh gi¶ thiÕt vÒ c¬ chÕ håi tiÕp nμy. V× vËy, ®Ó
®èi l−u khëi t¹o ë khu vùc nhÊt ®Þnh cÇn ph¶i cã sù héi tô dßng h¬i n−íc vμo khu vùc
nμy. Qu¸ tr×nh gi¶i phãng Èn nhiÖt trong yÕu tè ®èi l−u ®iÒu khiÓn dßng th¨ng mùc
gi÷a, t¨ng c−êng sù héi tô Èm mùc thÊp vμo khu vùc héi tô. M« h×nh héi tô vμ ph©n
kú b»ng c¸ch ®ã còng t¹o nªn ®é xo¸y t−¬ng ®èi quy m« lín th«ng qua thμnh phÇn
nguån S cña sãng Rossby (ph−¬ng tr×nh (8.7) vμ (8.8)). C¬ chÕ ®ã còng ®−îc gi¶ thiÕt lμ
c¬ chÕ h×nh thμnh cña b·o còng nh− hÖ thèng thêi tiÕt. VÊn ®Ò ®èi víi c¬ chÕ nμy lμ
chóng phô thuéc vμo mét sè quan hÖ gi÷a chuyÓn ®éng quy m« ®èi l−u vμ tr−êng
syn«p quy m« lín do ®ã v−ît qu¸ viÖc tham sè ho¸ ®èi l−u. Tõ ®ã mét ®iÒu kh«ng g×
ng¹c nhiªn lμ c¸c m« h×nh lý thuyÕt cña dao ®éng néi mïa cho kÕt qu¶ dù b¸o kh¸c
nhau ®èi víi tèc ®é lan truyÒn sãng. C¬ chÕ CISK cã thÓ t¸c ®éng mét c¸ch râ rμng lμm
chËm sãng Kelvin b»ng c¸ch biÕn ®æi phèi hîp gi÷a dßng khÝ trªn cao vμ d−íi thÊp.
NhiÒu dßng trong m« h×nh khÝ hËu toμn cÇu cã thÓ t¹o nªn mét sè dao ®éng nh−ng cho
tèc ®é lan truyÒn qu¸ cao. KÕt qu¶ ch¾c ch¾n lμ nhËy c¶m víi ph−¬ng ph¸p tham sè
ho¸ ®èi l−u ®· ®−îc sö dông. Do dao ®éng mïa lÇn ®Çu tiªn ®−îc nhËn biÕt vμ ®−îc
minh häa b»ng sè liÖu quan tr¾c khÝ quyÓn nhiÖt ®íi (®Æc biÖt lμ nhê kh¶ n¨ng cña sè
liÖu vÖ tinh) vμ kÕt qu¶ ph©n tÝch chi tiÕt sè liÖu tr−íc ®ã ®· ph¸t hiÖn dÊu hiÖu cña
dao ®éng nμy trong nhiÒu tr−êng khÝ t−îng. Ch¼ng han, thêi kú giã mïa thô ®éng vμ
tÝch cùc trong giã mïa Ên §é, trong thêi gian ®ã cã sù nhiÔu ®éng m−a giã mïa ®−îc
nhËn biÕt nh− lμ m« pháng cña hoμn l−u giã mïa g©y nªn do dao ®éng néi mïa. L−îng
m©y trªn Nam Mü vμ Ch©u Phi còng biÕn ®æi phï hîp víi pha cña dao ®éng néi mïa.
Ng−êi ta còng ph¸t hiÖn ra ®−îc mét sè thÝch øng toμn cÇu. Ch¼ng h¹n, ®é dμi ngμy
trùc tiÕp ph¶n ¸nh nh÷ng biÕn ®æi cña m« men ®éng l−îng còng cã dao ®éng víi chu
kú 30-60 ngμy.
8.5 Dao ®éng nam
Nh÷ng dao ®éng víi quy m« thêi gian mét n¨m hay dμi h¬n gãp phÇn lμm biÕn ®æi
dao ®éng gi÷a c¸c n¨m trong ®ã mét mïa ®«ng vμ mét mïa hÌ nμy cã sù kh¸c biÖt
®¸ng kÓ. KÕt qu¶ so víi mïa hÌ vμ mïa ®«ng n¨m kh¸c. Ph©n tÝch EOF hay ph©n tÝch
t−¬ng quan c¸c tr−êng trung b×nh theo mïa hay trung b×nh n¨m cho thÊy c−êng ®é,
h×nh thÕ kh«ng gian cã liªn quan víi c¸c biÕn ®æi qua c¸c n¨m. Mét h×nh thÕ nh− vËy
®· ®−îc ph¸t hiÖn vμ nhËn biÕt nh− mét cÊu tróc biÓu hiÖn râ. Nã gi¶i thÝch cho mét
phÇn ph−¬ng sai biÕn ®æi qua c¸c n¨m toμn cÇu. ë ®©y cã hai mÆt qu¸ tr×nh: mét lμ
dao ®éng cña hoμn l−u khÝ quyÓn vμ hai lμ dao ®éng cña hoμn l−u ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi.
HiÖn t−îng nμy xuÊt hiÖn trong nhiÒu n¨m d−íi d¹ng t−¬ng quan ©m gi÷a khÝ ¸p
bÒ mÆt t¹i khu vùc Darwin, Australia vμ ®¶o Easter ë gi÷a Th¸i B×nh D−¬ng. HiÖn
t−îng nμy ®−îc gäi lμ “dao ®éng nam”. PhÇn phÝa trªn ®¹i d−¬ng cña dao ®éng nμy thÓ
hiÖn ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é mÆt biÓn ngoμi kh¬i Peru. Th«ng th−êng n−íc tråi mang
n−íc l¹nh giμu chÊt dinh d−ìng lªn bÒ mÆt ë ®©y. Nh−ng vμi n¨m mét lÇn n−íc tråi bÞ
suy yÕu vμ nhiÖt ®é mÆt n−íc biÓn t¨ng vμi ®é dÉn ®Õn hËu qu¶ lμ sù thÊt thu trong
- 237 -
nguon tai.lieu . vn
