Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 6 – Phan Văn Tân

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 6. Hồn lưu chung khí
quyển và khí hậu


6.1 Chuyển động của khí quyển và hồn lưu chung

Bản đồ phân bố bức xạ Trái đất nhận được (trái) và các thành phần cân bằng năng
lượng bức xạ trung bình vĩ hướng (phải)
|  Bức xạ mặt trời nhận được giảm từ xích đạo về các cực
|  Phát xạ sóng dài (OLR) đạt cực trị tại các vĩ độ cận nhiệt đới
|  Bức xạ thuần dương ở các vĩ độ nhiệt đới và âm từ các vĩ độ ngoài 40o

Bức xạ thuần tại đỉnh khí quyển dư thừa ở các vùng nhiệt đới và thiếu
hụt ở những vĩ độ cao cần phải được bù trừ cho nhau thông qua sự vận
chuyển năng lượng theo phương ngang trong khí quyển và đại dương


Chuyển động của khí quyển và hồn lưu chung

FIGURE 2.11 Global maps of net incoming radiation. Data from CERES 2000–2013.

Sự mất cân bằng năng lượng tại đỉnh khí quyển có thể được
làm cân bằng lại nhờ:
•  Vận chuyển nhiệt trong khí quyển (Hồn lưu khí quyển)
•  Vận chuyển nhiệt trong đại dương (Hoàn lưu đại dương)


Chuyển động của khí quyển và hồn lưu chung
2.9 POLEWARD ENERGY FLUX

2.9 POLEWARD ENERGY FLUX

In the lowest curve of Fig. 2.12, we see that the annual me
tion is positive equatorward of about 40° of latitude and n
ward of that latitude. As illustrated in Fig. 2.13, the energy b
climate system involves only the exchange at the top of the
the transport through the lateral boundaries of the region in
the atmosphere and ocean, and the time rate of change of e
the region. Energy exchange with the solid earth can be negl
FIGURE 2.11
|  Năng lượng bức xạ dư thừa ở nhiệt đới phải được vận chuyển về
write the energy balance for the climate system as
Global maps of net incoming radiation. Data from CERES 2000–2013.

các vùng vĩ độ cao mà ở đó thiếu hụt
|  Phương trình cân bằng năng lượng:
time rate of change of
the energy
content
where
∂E

∂Eao
= RTOA − ∆Fao
∂t

divergence of the horizontal flux
net incoming radiation at
in the atmosphere
ocean

of the
atmosphere
/∂ttheistopthe
time
rate of change
of theandenergy
content

ao

system, RTOA is the net incoming radiation at the top of the


Chuyển động của khí quyển và hồn lưu chung

|  Năng lượng dư thừa ở nhiệt đới được vận chuyển về hai đầu
URE 2.13
Diagram
of động
the energy
balance
vertical
column of the cl
cực nhờ
chuyển
của khí
quyểnforvàađại
dương

m in some latitude interval.

|  Sự chuyển động đó được gọi là hồn lưu chung khí quyển và

hồn lưu chung đại dương


Chuyển động của khí quyển và hồn lưu chung

Hệ thống chuyển động khí quyển tồn cầu được hình thành bởi sự
đốt nóng của mặt trời khơng đồng đều các vùng trên bề mặt trái
đất được gọi là hoàn lưu chung khí quyển.
FIGURE 2.11 Global maps of net incoming radiation. Data from CERES 2000–2013.

|  Hồn lưu chung khí quyển được mơ tả bởi các biến gió, nhiệt độ và độ ẩm trung bình, sự

biến động của chúng và những biến khác liên quan với các hệ thống thời tiết qui mô lớn
|  Hồn lưu chung khí quyển có thể được mơ phỏng bằng cách giải hệ các phương trình
chuyển động trên máy tính
|  Những mơ hình hồn lưu chung như vậy tạo thành một bộ phận của các mơ hình khí hậu
toàn cầu


Hồn lưu khí quyển nếu Trái đất khơng quay
|  Đối lưu nhiệt tạo nên

các vịng hồn lưu trên
các bán cầu
|  Năng lượng được vận
chuyển từ xích đạo về
các cực

|  Hướng gió thịnh hành
tại bề mặt sẽ là hướng
về phía xích đạo
|  Tại sao?


Ảnh hưởng của lực Coriolis

Bắc bán cầu: Lệch phải

Nam bán cầu: Lệch trái


Hồn lưu khí quyển

•  Nếu trái đất quay chậm có
thể sẽ có hồn lưu giống
như thế này (!)

•  Chuyển động thực của khí
quyển


6.2 Cân bằng năng lượng của khí quyển
Nhớ lại:
|  Cân bằng năng lượng Trái đất là cân bằng giữa năng
lượng mặt trời đến và OLR của hệ Trái đất – Khí quyển
(suy ra được T ~ -18C)
|  Cân bằng năng lượng bức xạ toàn cầu là sự cân bằng
giữa các nguồn năng lượng bức xạ, phi bức xạ đến và đi

đối với từng đối tượng trong hệ Trái đất – Khí quyển
(Tại bề mặt, tầng đối lưu, tầng bình lưu, đỉnh khí quyển)
|  Cân bằng năng lượng bề mặt là cân bằng giữa tích lũy
nhiệt và các thành phần bức xạ thuần, hiển nhiệt, ẩn
nhiệt và phân kỳ ngang tại lớp bề mặt
Cân bằng năng lượng khí quyển ??


•  Xét cột khí quyển có tiết diện
ngang bằng đơn vị

Ra = RTOA - Rs

∂E a
∂t
LP

SH

ΔFa

•  Cân bằng năng lượng của cột khí
quyển bao gồm
•  các hiệu ứng bức xạ,
•  trao đổi hiển nhiệt với bề mặt,
•  nhiệt ngưng kết
•  dịng năng lượng theo phương
ngang trong khí quyển
•  tốc độ biến đổi theo thời gian
của lượng năng lượng trong cột

khí quyển
•  Phương trình cân bằng:

∂E a
= R a + LP + SH − ΔFa
∂t


Nói chung có thể bỏ qua ∂E a
∂t

Ra
Ra

⇒ R a + LP + SH = ΔFa

Tính trung bình năm theo dải vĩ độ, tác động thuần tuý
của sự truyền bức xạ lên khí quyển là làm lạnh đi khoảng
-90W/m2
è làm giảm nhiệt độ khí quyển khoảng
1.5oC/ 1 ngày
•  Khí quyển mất năng lượng qua con
đường truyền bức xạ ~ 2.5% tổng năng
ΔFa
∂E a
lượng khí quyển/ 1 tuần
∂t
•  è Nếu chỉ xét nhiệt dung của khí
quyển, thì ~2 tuần, chỉ riêng tác động
LP

SH
của làm lạnh bức xạ cũng sẽ làm cho
nhiệt độ khơng khí bề mặt trung bình
tồn cầu hạ xuống dưới điểm băng
•  Sự làm lạnh bức xạ được cân bằng bởi
nhiệt ngưng kết và hiển nhiệt truyền
từ bề mặt


|  SH tương đối nhỏ.
|  Đóng góp lớn nhất vào cân bằng lại lượng

| 
| 

| 
| 
Phân bố theo vĩ độ của các thành phần
cân bằng năng lượng khí quyển lấy | 
trung bình trên kinh tuyến và biến
trình năm

năng lượng mất đi do bức xạ từ khí quyển
là ẩn nhiệt giải phóng khi giáng thủy.
Ra<0 (~ -90W/m2) và hầu như không phụ
thuộc vĩ độ
Khí quyển bị lạnh đi khoảng -90W/m2,
được cân bằng lại bởi LE khoảng 80W/m2
và bởi SH khoảng 10W/m2
LE phân bố rất khác nhau theo vĩ độ,

~phân bố giáng thủy.
LE có cực đại gần140W/m2 ở nhiệt đới,
giảm xuống gần 0W/m2 ở các vĩ độ cao.
Chuyển động khí quyển mang đi khoảng
50 W/m2 từ vùng xích đạo và mang đến
các vùng cực khoảng 85 W/m2.

•  Sự vận chuyển năng lượng hướng cực này của khí quyển là một
trong những tác động khí hậu quan trọng của hồn lưu chung
khí quyển.


6.3 Chuyển động khí quyển
và sự vận chuyển năng lượng kinh hướng
•  Những hiện tượng qui mơ nhỏ (rối và các
hiện tượng qui mơ vừa có tổ chức như dơng)
có ảnh hưởng chủ yếu đến sự vận chuyển
động lượng, ẩm và năng lượng thẳng đứng
•  Những hiện tượng có qui mơ rất lớn (các
xốy thuận ngoại nhiệt đới, sóng qui mơ
hành tinh, và hồn lưu kinh hướng chậm) có
ảnh hưởng đến sự vận chuyển động lượng,
nhiệt và ẩm theo phương ngang giữa các
vùng nhiệt đới và cực.

•  Dịng năng lượng và ẩm đi lên trong lớp
biên và dòng năng lượng hướng cực do
hồn lưu qui mơ hành tinh trong khí
quyển có vai trị quan trọng như nhau
đối với khí hậu.

6.3.1 Các thành phần gió trên trái đất hình cầu
Các thành phần gió ngang

Chuyển động thẳng đứng

ϕ = vĩ độ
λ = kinh độ


6.3.2 Hồn lưu trung bình vĩ hướng
Trung bình thời gian

Độ lệch tức thời khỏi giá trị trung bình

Trung bình vĩ hướng

Độ lệch địa phương khỏi trung bình vĩ hướng

|  Tương tự như phân tích thành các thành phần trung

bình và rối
|  Qui tắc áp dụng lấy tích phân (giống như phép lấy
trung bình của Reynold)


Gió vĩ hướng trung bình!
|  Gió tây ở vĩ độ trung bình
|  Gió đơng nhiệt đới dày

|  Gió tây xun suốt hầu như

Trung bình thời gian của trung bình vĩ
hướng của thành gió vĩ hướng (m/s)

cả tầng đối lưu và có cực đại
tốc độ vượt q 30m/s trong
các dịng xiết cận nhiệt đới
có tâm nằm ở khoảng 30 độ
vĩ và ở độ cao khoảng 12 km
|  Dòng xiết mùa hè yếu hơn và
xa các cực hơn
|  Ở bề mặt, gió tây từ 30 - 70
độ vĩ, gió đơng trong dải
30oN - 30oS


Dòng xiết


Hồn lưu kinh hướng trung bình (MMC)!
Định nghĩa hàm dịng khối lượng:

Gió kinh hướng
trung bình vĩ hướng

Khi đó gió có thể được viết:
Tích phân trọng khối (mass-weighted)
thẳng đứng từ đỉnh khí quyển (TOA)

Dịng khối lượng giữa hai đường dịng
bất ký của hàm dịng kinh hướng trung
bình bằng hiệu giữa hai giá trị hàm dòng

|  Hàm dòng Ψ là tổng của dịng khối lượng hướng bắc

phía trên mực áp suất p
|  Được sử dụng để khảo sát dịng khí quyển trong mặt y-z


Ý nghĩa hàm dòng khối lượng:
Dòng khối lượng
tại vĩ độ φ

(kg/s) (m) (m/s2)
Đỉnh khí quyển
Mực áp suất p
Bề mặt Trái đất

(m/s)

(kg.m/s2)

|  Hàm dòng khối lượng biểu

thị tốc độ vận chuyển khối
lượng khí quyển phía trên
mực áp suất p
|  Phụ thuộc dấu của v

Hồn lưu kinh hướng trung bình!
|  Hồn lưu kinh hướng trung bình (MMC)

| 

| 
| 
| 

| 
Hàm dịng khối lượng kinh hướng
trung bình (1010 kg s-1)

thống trị trong các mùa chí bởi một vịng
hồn lưu đơn trong đó khơng khí đi lên ở
gần xích đạo, chảy về phía bán cầu mùa
đơng ở các mực trên cao và giáng xuống ở
các vĩ độ cận nhiệt đới của bán cầu mùa
đơng
Đó chính là vịng hồn lưu Hadley do
George Hadley đề xuất vào năm 1735 để
giải thích tín phong
Gió kinh hướng trung bình gần bề mặt
mang khơng khí hướng về xích đạo
Vào các mùa chí nhánh đi lên của hoàn lưu
Hadley xuất hiện ở bán cầu mùa hè
Trung bình năm nhánh đi lên bị dịch
chuyển một ít về phía bán cầu Bắc, và
vịng Hadley ở bán cầu Nam mạnh hơn

Sự bất đối xứng này tương ứng với sự vận
chuyển năng lượng yếu từ bán cầu Bắc về
bán cầu Nam


Hồn lưu kinh hướng trung bình!
| 

| 

| 

| 

| 

| 

Hàm dịng khối lượng kinh hướng
trung bình (1010 kg s-1)

Ở các vĩ độ trung bình có các vịng yếu hơn
được gọi là vịng Ferrel có hướng ngược với
vịng Hadley
Trong các vịng hồn lưu kinh hướng vĩ độ
trung bình này dịng thăng xuất hiện ở khối
khơng khí lạnh và chìm xuống ở khơng khí ấm
Do đó các vòng này là gián tiếp về mặt nhiệt
động trong đó chúng vận chuyển năng lượng từ
vùng lạnh đến vùng ấm

Các vòng Ferrel là sản phẩm phụ của sự vận
chuyển năng lượng và động lượng hướng cực
rất mạnh do hoàn lưu xốy
Ở các vĩ độ trung bình, xốy vận chuyển năng
lượng một cách hiệu quả đến mức MMC là gián
tiếp về mặt nhiệt động với chuyển động đi lên ở
khối khơng khí lạnh và chuyển động xuống ở
khơng khí ấm
Trung bình năm vịng Ferrel ở Nam bán cầu
mạnh hơn vì nó được duy trì trong tất cả các
mùa


Hồn lưu kinh hướng trung bình!
|  Nổi bật nhất là vịng hồn lưu Hadley
{  Khơng khí đi lên ở nhiệt đới
{  Dịng hướng cực trên cao hướng về
phía bán cầu mùa đơng
{  Khơng khí giáng xuống vùng cận nhiệt
đới bán cầu mùa đơng
{  Dịng bề mặt hướng về phía xích đạo
{  Nhánh đi lên dịch chuyển một ít về
phía bán cầu mùa hè
|  Các vòng Ferrel ở vĩ độ trung bình

yếu hơn nhiều
{ 

Dịng thăng ở khối KK lạnh, dịng dáng
ở khối KK ấm (nhiệt động gián tiếp)

{ 

Là sản phẩm phụ của những dịng xốy
mạnh hơn nhiều

Mean meridional mass stream function at
700 hPa (1010 kg s-1)


Các vịng hồn lưu


viations from the time average.

*
ch do not appear in a zonal average,
but
have a profound e
x
=
x
−
[
x
]
6.3.3 Hồn lưu xốy và sự
vận
chuyển
kinh hướng

′
x
x
x
=
−
al mean climate. The fluctuations associated with weathe
|  Northward
Độfrom
lệch của
các
biến
so
vớioftrung
bình thời are
gianproduced
phản ánh when nor
eddy
fluxes
temperature
iations
the
time
average.
In addition to temporal variations associated with mi

nhữngair
daoisđộng
liên than
quan với

thời tiết
flowing
warmer
southward-flowing
air, so that, when a
clones,
the atmosphere
exhibits
variations velocity
around and
latitude
ci
over longitude,
the product
ofx′meridional
temper
=x−x
ted
with continents
andmean
oceans
that arewind
quasi-stationary
a
positive,
even
when
the
meridional
is

zero.
Using
th
|  Độ lệch của trung bình thời gian so với trung bình vĩ hướng đặc
in of
time
averages.
These
are
characterized
bytransport
the
deviati
narly
addition
to temporal
variations
associated
tions
the
and
the northward
t
trưng
cho time
những
biếnzonal
động averages,
tựa
dừng xung

quanh
các vòng
vĩwith
tuyếnofm
me
mean
from
its
average.
ture
averaged
around
latitude
circle
and over
time
can
be writtec
ones,
the
atmosphere
exhibits
variations
around
latitude
liên
quan
với
sựzonal
phân abố

lục địa và
đại dương
trên
các vòng
vĩ
of continents
contributionsand
fromoceans
the mean
meridional
circulation, the sta
tuyến
ed sum
with
that
are
quasi-stationary
*
x which
= x − [are
x ] shown respectively as t
eddies,
and
the
transient
eddies,
rly in time averages. These are characterized by the devia
terms
on the
right

of (6.13).
|  Dòng
nhiệt
hướng
bắc

eNorthward
mean fromeddy
its zonal
fluxesaverage.
of temperature are produced when n

wing air is warmer than[ vT
southward-flowing
] = [ v*][T ] + [ v *T * ] + [ v ′air,
T ′] so that, when
xmeridional
= x − [x ] velocity and temp
er longitude, the product
of
Tổng = MMC + “xoáy dừng” + “xoáy tạm thời”
Transient
eddy
fluxes
are meridional
associated with
the israpidly
develop
sitive, even when the mean
wind

zero. Using
decaying eddy
weather
disturbances
of mid-latitudes,
which generall
Northward
fluxes
of
temperature
are
produced
wheno
ns of the time and zonal averages, the northward transport
eastward
with the prevailing
flow and contributeair,
much
of thewhe
vari
wing
air
is
warmer
than
southward-flowing
so
that,
re averaged
around a latitude circle and over time can be wri

wind and temperature, especially during winter. These disturbances