Giáo trình động lực học khí quyển vĩ độ thấp phần 2 kiều thị xin

Chng

5

ã N G L ô c H ã C K HÍ Q U Y E N

g iữ a

Khí quyển giữa nói chung là tầng khí quyển mở rộng tù
đỉnh tầng đối lưu (khoảng độ cao 10-16 km phụ thuộc vào vĩ độ)
cho đến độ cao khoảng 100 km. Phần chính của khí quyến giữa
Dao gồm hai lớp chính: tầng bình lưu và tầng trung. Chúng iược
phân biệt theo tầng kết nhiệt độ (hình 5.1). Tầng bình lưu tó độ
ổn- định tĩnh lớn gắn liền vối tăng nhiệt độ theo độ cao ỏ mọi ndì
trong lớp và mờ rộng từ đỉnh đơi lưu cho đến đỉnh bình lưu trên
đơ cao vào khoảng 50 km. Tầng trung có tốc độ giảm nhiẻt độ
theo độ cao tương tự như trong tầng dối lưu, bắt đầu từ iỉnh
tầng bình lưu đến đỉnh tầng trung trên độ cao khoảng 80kn.
Trong các chương trên ta đã tập trung riêng cho động lực
học của tầng đối lưu. Tầng đối lưu chiếm khoảng 85% tổng khối
lượng khí quyển và gần như tất cả nước khí quyển. Khơnf cịn
nghi ngờ là các q trình xảy ra trong tầng đối lưu phân ánh
hầu hết những nhiễu động thời tiết và biến động khí hậu. Mặc
dù vậy ta cũng khơng được phép bỏ qua tầng khí quyển ẸÍỦa.
Tầng đối lưu và tầng khí quyển giữa liên kết với nhau tìơng
qua quá trình bức xạ và động lực học. Các quá trình này phải
được thể hiện trong các mơ hình dự báo thời tiết và khí hậu
tồn cầu. Chúng cịn liên kết vối nhau thông qua sự trao đổi
thực thể vật chất r ấ t quan trọng đối với sự quang hố tron? lớp
ơzơn. Trong chương này sẽ tập trung chủ yếu vào động lực học
phần dưói của tầng khí quyển giữa và sự liên kết giũa no với

tầng đối lưu.
228


Hinh 5.1. Profil nhiệt độ trung binh trên vĩ độ trung binh
(dựa vào khí quyển chuẩn cùa Mỹ, 1976)

5.1. CÂU TRÚC VÀ HỒN Lưu CỦA TẦNG KHÍ QUYỂN

g iữ a

Trên hình 5.2 là hai lát cắt thẳng đứng của nhiệt độ trung
bình vĩ hướng cho tháng giêng và tháng bảy trong tầng khí
quyển dưới và tầng khí quyển giữa. Vì trong tầng đối lưu bức xạ
Mặt Trời bị hấp thụ rất ít, nên cấu trúc nhiệt của tầng dối lưu
được duy trì gần như bơi sự cân bằng giửa sự làm lạnh bức xạ
hồng ngoại, sự vận chuyển thẳng đứng của hiển nhiệt, ẩn nhiệt
Lừ mặt đất bởi xoáy quy mơ nhỏ và sự vận chuyển quy mơ lớn
nhị xốy quy mô synốp. Kết cục của sự cân bàng này tạo ra cấu
trúc nhiệt độ trung bình, trong đó nhiệt độ mặt đất có cực đại
229


trong vùng xích đạo và giảm về phía hai cực cả mùa đòn? và
mùa hè. Sự giảm nhiệt độ theo độ cao cũng rất nhanh với tcc cỉộ
6°Ckm'1.
Trong tầng bình lưu, ngược lại, sự làm lạnh bức xạ lồng
ngọai gần như cân bằng chủ yếu bởi đốt nóng bức xạ sinh n do
hấp thụ bức xạ cực tím nhờ ơzơn. Kết quả của sự đốt nóng bức
xạ này trong lớp ôzôn là nhiệt độ trung bình trong tầng bình lưu

tăng theo độ cao và đạt cực đại trên đỉnh tầng bình lưu gầi độ
cao 50 km. Cao hơn đỉnh tầng bình lưu nhiệt độ lại giảm heo
độ cao sinh ra do sự đốt nóng Mặt Trịi trong tầng ơzơn.
Cấu trúc nhiệt độ kinh hướng trong tầng khí quyển ỊĨữa
cũng rất khác so với trong tầng đối lưu. Tầng bình lưu dưới nơi
nhiệt độ chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi các quá trình trong ẩng
đối lưu trên thì nhiệt độ đạt cực tiểu ỏ xích đạo và cực đại :rfỉn
cực mùa hè và trên vĩ độ trung bình của bán cầu đơng. Caohtín
30 mb thì nhiệt độ giảm thuần t từ cực mùa hè đến cực núa
đơng phù hợp định tính với các điều kiện cân bằng hức xạ
Khi hậu gió trung bình vĩ hướng đối với tầng khí quyển riữa
thơng thường có thể suy ra từ trường nhiệt độ thám sát báig vệ
tinh. Đó là trường gió địa chuyển trên một mặt đẳng áp t-ong
tầng bình lưu dưới (nhận dược từ phân tích khí tượng) làm ỉiều
kiện biên dưới, và lấy tích phân phương trình gió nhiệt ,heo
chiều đứng. Hai lát cắt đứng của gió trung bình vĩ hướng tháng 1
và tháng 7 cho trên hình 5.3. Những dặc điểm chung ở đíy là
dịng xiết đơng trong bán cầu mùa hè và dịng xiết tây trong bán
cầu mùa đơng, và cực đại tốc độ gió xảy ra gần ciộ cao 60 kn. Cá
biệt quan trọng là dòng xiết tây vĩ độ cao trong bán cầu mùa
đơng. Những dịng xiết cực ban đêm này đưa ra những ỉịnh
hướng sóng đối với sự lan truyền thẳng đứng của sóng hành tinh
tựa dừng, ở Bắc bán cầu sự hội tụ dòng EP sinh ra do nlững
loại sóng này thỉnh thoảng dẫn đến giảm nhanh dịng trung >ình
230


vĩ hướng và kèm theo đốt nóng tầng bình lưu đột ngột trong vùng
ctte, sẽ ban đến trong mục 5.4.

Nhkêtđộ(K)

Tháng 7

Vídơ

Hinh 5.2. Nhiệt độ trung binh tháng vĩ hướng (độ K) từ mặt đất đến độ cao
120km. a) thảng 1; b) thảng 7 (theo Fleming và cs., 1990)

U ki

ví

hurtni Im/a)

VI .ic

Hình 5.3. Gió địa chuyển trung bình vĩ hướng (m/s) căn cứ vào nhiệt độ.
a) tháng 1; b) tháng 7 dựa vào nhiệt độ trên hình 5.2

231


Dịng trung bình vĩ hưống trong tầng khí quyển giừa ở xích
đạo chịu ảnh hưởng mạnh của sự lan truyền thẳng đứng củi các
mode sóng xích đạo, đặc biệt là các mode sóng Kelvin và íóng
Rossby - trọng trường. Những sóng này tương tác với trung bình và sinh ra một dao động chu kì dài, được gọi lị dao
động tựa hai năm. Dao động này gây ra biến động lớn th ('0 lăm
trong gió trung bình vĩ hướng trong tầng khí quyển giũa trịn

xích đạo.
5.2. HỒN LƯU TRUNG BÌNH v ĩ HƯỚNG KHÍ QUYEN t ầ n g GỮA
Hồn lưu chung khí quyển là gần đúng bậc n h ấ t của sụ
phản ánh khí quyển sinh ra do đốt nóng phi đoạn nhiệl. nhc hấp
thụ bức xạ Mặt Trời trên Trái Đất. Vì vậy, hồn tồn có thí nói,
khí quyển được điều khiển bởi sự đốt nóng phi đoạn nhiệt nhau. Tuy vậy, đối vối một vùng con mở, tầng khí qun giữa
chẳng hạn, thì khơng thể thừa nhận là hồn lưu sinh ra bii sự
đốt nóng phi đoạn nhiệt. Trong trường hợp này cần nghiêi cứu
sự chuyển biến động lượng và nâng lượng giữa vùng con niv và
phần cịn lại của khí quyển.
Khi khơng tồn tại chuyển dộng xốy nhiệt độ trung bhh vì
hướng của tầng khí quyển giữa sẽ tiến dần đến trạng th â xác
định bởi bức xạ. Trong trạng thái này, trừ một vùng nhổ siih ra
do quán tính nhiệt, nhiệt độ sẽ tương ứng VÓI cân bằng bĩc xạ
biến đổi hcàng năm, theo chu kì năm trong đốt nóng Mật Trời.
Hồn lưu trong hồn cảnh này sẽ chỉ bao gồm vĩ hướng runtí
bình vĩ hướng trong cân bằng gió nhiệt vối gradien nhút độ
kinh hướng. Nếu bỏ qua những hiệu ứng nhỏ của chu kì nám
thì ỏ đây đã khơng tồn tại hồn lưu kinh hướng hay hoài lưu
thẳng đứng và cũng sẽ khơng xảy ra sự trao đổi giữa tầng bình
232


lư u và tí'ing đối lưu đối với trạng thái giả thiết này, Độ lệch so
với trạng' thái xác định bởi bức xạ trên đây phải được duy trì bởi
sự vận chuyển xốy. Vì vậy, ngồi gây ra hồn lưu trung bình,
các kiểu đơt nóng và làm lạnh bức xạ thám sát được trong tầng
k h í quyên giữa là kết quả của những xốy gây ra dịng lệch so
với cân bằng bức xạ. Hồn lưu gây ra xốy này có các thành

p h ầ n kinh hướng và thẳng đứng và do đó tạo ra độ lệch địa
phưdng lớn đáng kể so với cân bàng bức xạ, đặc biệt trong bán
c ầ u mùa đông và gần đỉnh tầng trung, cả mùa đông và mùa hè.
Sự phân bô' nhiệt độ phụ thuộc vĩ độ thám sát được trong tầng
k h í quyển giữa phát sinh từ sự cân bằng giữa điêu kiện bức xạ
t.ôVig cộng và vận chuyển nhiệt cộng VỚI biến đổi nhiệt địa
])h ưđng sinh ra do những chuyển động này.
5.2.1. T r u n g b ì n h E u l e r b iến đổi (TEM)
Một lát cắt thẳng đứng của nhiệt độ xác định bức xạ trong
mìùa đơng Bắc bán cầu được biểu diễn trên hình 5.4. Phân bố
nh iệt (tộ này so sánh đứợc với profil nhiệt độ thám sát của cùng
miùa này cho trên hình 5.2. Mặc dù sự tăng đồng nhất hố của
nh.iẹt (lộ từ cực mùa đơng sang cực mùa hè trong lớp khí quyển
ị!Ìũỉa 30-60 km phù hợp định tính với sự phân bố xác định bởi
bứ(c xạ; nhưng hiệu số nhiệt dộ thực giữa hai cực là rấ t nhơ so
VỚĨI giá trị xác định được trong trạng thái xác định bởi bức xạ.
('aio hơn 60 km thậm chí dấu građien ngược lại vối dấu trong
rigỉhiệm bức xạ. Đỉnh tầng trung ở cực mùa hè rất lạnh so vối
đỉmh táng trung ở cực mùa dông.
Để nghiên cứu hồn lưu trung bình vĩ hướng ta có thể dùng
cácc phương trình động lượng thành phần, gần đúng thuỷ tĩnh,
phiư<*ng trình liên tạc và phương trình cân bằng năng lượng
233


n h iệ t động trong hệ to ạ độ loga khí áp dưới dạng

du
â<í>
- Jv + - r - = X ;

dị
ỡx
dv
+ fu + — = y ;
dt
ây
í/cp
RT
H ;
í?ĩ/
ỂyV
L £ ^
= 0
ổ.r
ây
pyu
õz'
dĩ
di

kT

H

U' =

(5.a)

./

c

Các phương trình trung bình Euler sẽ nhận được bằng cách
lấy trung bình hệ phương trình trên đây nếu ta áp dụng tốn tử
trung bình hố vĩ hướng vào một vi phân toàn phần oủ;t l.)iếh I
bất kì: A = A + A ' . Khi đó ta có
CÌA

p’ 7 i
+

d
Pữ Av-V /l'v ’
ây

ở ị

- \

á]+
/
\
ỡ_
+
Po A ív + A' vv'
âz
s

S

(5.b)

trong đó ta đâ dùng â(~)/ âx = 0 vi các biến với dấu trung bình
khơng phụ thuộc vào JC.
V

Nếu lấy trung bình vĩ hướng phương trình liên tục ta sẽ có
phương trình liên tục cho hồn lưu kinh hướng trung bình
3V 1 â
ơ y p„ ở z

0,

(5.0)

Khai triển biểu thức (5.b) kết hợp sử dụng (õ.c) và nhóm lại ta
nhận được biểu thức sau
234


A

cit

=7

dt

••í)+

u (•■>''')] + ị - [ poụ w ' |

â V

(5.d)

â z

tro n g dó

ậị

ât

ây

ơ z

là tốc dọ biến đổi theo chuyển động trung binh kinh hướng
(v. M). \ c u sử dụng sở đồ trung bình hố (5.d) vào phương trình
thử nhất và phương trinh thử năm của hệ (õ.a) ta sẽ nhận được
phưrìng trình động lượng vĩ hướng trung bình hố vĩ hướng và
phưóng
cho chuyến dộng địa
•1 trình năng
„ lượng nhiệt
. . . động
*
ehuyêh trên m ặ t p vĩ độ trung bình
cu

â u 'v —
^ - /o v = — f — + X ,
o(
õy

ƠT
+ N HR
ơt

âvr
J
vv = -- ; — +
ây
Cp

(õ.e)
,

„

(5. í)

trong dó tan số’nổi N xác định bởi
N 2 . R ( k T. dTữ
//1 H +
(5.g)

Trong hai phương trình phù hợp với quy mơ tựa địa chuyển (5.e)
và (5.0 đã bỏ qua bình lưu bơi hồn lưu kinh hướng trung bình

phi địa chuyển và phân kỳ dịng xốy thảng đứng.
Ta có thể làm rõ vai trị động lực học của xốy trong duv trì
phàn hố nhiệt độ trung bình vĩ hướng theo thám sát bằng cách sử
dụng các phương trình trung bình Euler biến đổi. Trong việc này ta
sủ dụng phương trình động lượng trung bình vĩ hướng và phương
trìnli năng lượng nhiệt động [từ (5.e) và (5.0] dưới dạng sau
ậ ^ - /o V * = - — V-F +X = G ,
ổt
p0

(5.1)
235


— ± N 2HR 'w' =
ơt
trong đó F là thơng lượng sinh ra bởi những xốy quy nii lớn
(cịn gọi là thông lượng El.iassen - Palm - EP) F -t
kp0f oRv'T'/(N2H) - thông lượng EP là một vectơ trong m ặ t
kinh tuyến. X là lực vĩ hướng sinh ra bởi những xốy (]U/ mị
nhỏ (lực cản sóng trọng trường) và G là tổng các lực vĩ hướng.
Để tìm hiểu xem xốy có thể dẫn đến làm lệch như thí nào
sự phân bố nhiệt độ trung bình vĩ hưống trong tầng khí quyên
giữa so với trạng thái xác định bức xạ, chúng ta sẽ dùng hệ các
phương trình TEM dể xem xét một hệ thống những mơ hình
trạng thái ổn định không chứa chu kỳ mùa. Khi đố các đ ạohàm
theo thời gian trong (5.1) và (5.2) sẽ bằng không và do cióta sẽ
nhận được những quan hệ cảnh báo đơn giản đối vối hồn lưu
cịn lại dạng sau
(5.3)

Lực Coriolis sinh ra do sự trơi kinh hướng cịn lại được cân bàng
bởi lực vĩ hướng sinh ra do những xoáy quy mô lớn và qiy mô
nhỏ. Sự làm lạnh đoạn nhiệt sinh ra do chuyển động (hảng
đứng còn lại được cân bằng bởi đốt nóng bức xạ (và ngược hí).
Hai quan hệ trong (5.3) là độc lập, nhưng chúng liên hệ với
nhau bởi phương trình liên tục viết cho hồn lưu trung bVihi vĩ
hướng dạng sau
ởv‘
----ây

1
---p0

dz

5 . 4a)

Kết hợp phương trình này với (5.3) sẽ chứng minh được

âã +f1 ở ị p > ] _ 0
â y p a â z { N 2H /
236

5.41,)


phương trình (5.4b) cho ta thây tốc độ đốt nóng phi đoạn nhiệt
phải được liên kết như thế nào với lực xốy trong mơ hình trạng
thái Ổn dinh đơn giản này. Nếu lực xốy biến mất (G = 0) thì sự
trơi kinh hướng cịn lại cũng phải biến mất. Phương trình liên

tục sau đó cho ta thấy, nếu ũ7' hằng khơng trên biên dưới thì nó
sẽ bang khơng mọi nơi và do đó đốt nóng phi đoạn nhiệt cũng
phải báng khơng mọi nơi. Vậy thì có thể đơn giản nhất đối vói
hồn luu tầng khí quyển giữa là một mơ hình trong đó khơng có
chu kỳ mùa, lực xốy bằng khơng và nhiệt độ trung bình vĩ
hướng trong cân bằng bức xạ của trạng thái ổn định.

Hĩnh 5.4. Phân bố nhiệt độ tấng khí quyển giữa xác định cho ngày 15
tnáng 1 bằng mơ hình bức xạ phụ thuộc thời gian theo chu kỳ năm.
Dòng bức xạ lên trên đỉnh đối lưu được xác định theo nhiệt độ trong
tẩng đối lưu là thực và không mây (theo Fels,1985)

237


Tiếp theo ta đưa vào mơ hình vê sự phụ thuộc thời gian
dưới dạng chu kỳ năm của dốt nóng Mặt Trời, nhưng vẫn chưa
thừa nhận là lực xoáy biến mất. Trong trường hợp này lại trở vồ
thừa nhận nhiệt độ thực có quan hệ chặt chẽ vối cân bằng bức
xạ để có thể tham số h o á sự đốt nóng phi đoạn nhiệt tỷ lộ với (lộ
lệch của nhiệt độ trung bình vĩ hướng so với giá trị cân bằng bức
xạ của nó Tr(y,z,t) bởi biểu thức sau
C

= -a

T - T r{ y , z j ị

trong đó a r là tốc độ làm lạnh Newton. Nếu thay phương trình
(5.5a) vào phương trình (5.2) và sử (lụng phương trình liên tục

dạng (5.4a) đồng thời kết hợp phương trình gió nhiệt với hồn
lưụ trung bình vĩ hướng dạng
,

Á

ơũ

R ƠT

n

+ -41 — = 0 .
õz H ỏ V

(5.5b)

khi đó để liên kêt hai phương trình (5.1) và (5.2) ta s«> nhậu
được phương trình xu th ế nhiệt độ sau
ệp_
d y'
+

â
dĩ
! c
+
p. 0 2 Po£
õz
â

i
Ầ

1- ^ \]
1 â
ạ rp 0e ự - T , )]■- 0,
ỗ z pữởz
ở

trong đó f(z) 3 f l I N 2. Ép buộc ớ đây là xu thê nhiệt độ trung
binh vĩ hướng gần tỉ lệ với độ lệch của nhiệt độ so vối giá trị cân
bằng bức xạ. Tuy nhiên, hức tranh tương ứng của nhiệt độ suy
yếu dần (do thời gian tắt dần hữu hạn) và bức tran h tương ứng
này bị làm trơn theo khơng gian do tốn tử elliptic trong số
hạng xu thế. Trong mơ hình biến trình năm này sự đốt nóng phi
đoạn nhiệt sinh ra bởi qn tính nhiệt của khi quyển. Nỏ không
bị áp đặt bởi sự điểu khiển bức xạ từ ngồi. Sự đóng góp của bứr
238


xạ sóng dài vào số hạng phi đoạn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ dược
xác định bởi chính trong mơ hình: nó là một phần của nghiệm.
Vì thời gian tắ t dần hức xạ r ấ t ngắn so với chu ki năm nên độ
lệch rủa nhiệt dộ so với giá trị xác định bức xạ của nó Tr(y,í.z)
phái nhỏ so với biên độ của biến trình nám. Vì vậy một mơ hình
biến đối theo năm khơng tính đến sự phát sinh xoáy sẽ thiết lập
được sự phân bố nhiệt độ biên đổi theo năm gắn liên với cân
bằng bức xạ (xem hình 5.4).
Đến đây ta kết luận rang, cần đê cập đến nhũng hiệu ứng
của phát sinh xốy trong mơ hình để có thể mơ hình hố được

độ lệch nhiệt độ trung bình so với trạng thái xác định bức xạ
cua nó. Đối vối những biến đổi quv mơ thời gian mùa thì cân
bằng ổn định cho bởi (5.4b) là đủ chính xác. Vì vậy. nếu thay
(õ.õa) vào phương trình (5.4b) thì ta sẽ tìm được độ lệch so vối
cân bằng bức xạ ỔT - ịr - Tr) bằng biểu thức sau
Uõy

- ± J L [ pJ ^
p„ đ z \ N H

st)

,-Ĩ^ 6 Ĩ.
j N'H1

(5.7)

ở đây để nhận được biểu thức cuối ở vế phải cần thừa nhận mật
độ giảm theo độ cao theo hàm mủ trong đạo hàm thẳng dửng.
Phương trình (5.7) khi dó có thể chuyển thành
S ĩ « r.

' N 2H 2} â ã

Ỉ„R

ây

trong đó Tr là nghịch đảo của tốc độ tắt dần bức xạ a r . Theo
(5.7) lực vĩ hướng sinh ra bởi xoáy điểu khiển làm cho nhiệt độ

khác với giá trị cân bằng của nó. Bức xạ tác động giống như một
“]ị xo”: nó làm tiến dần nhiệt độ đến trạng thái cân bằng. Nếu
cho trước phần bố không gian và thòi gian của lực vĩ hướng và
tốc độ tắt dần thì có thể giải (5.7) để tìm được độ lệch nhiệt độ
ỐT . Sau đó dùng quan hệ (5.3) kết hợp với (õ.5a) sẽ xác định
239


được chuyển động th ẳn g đứng trung bình cịn lại. Đây sẽ là một
gần đúng tốt đốĩ với sự vận chuyển khôi lượng qua mặt cắt ctẳng
nhiệt thế.

vidộ
Hinh 5.5. Lát cát thảny đứng trung binh năm của N?0 (ppbv) theo
thám sát của thử nghiệm Nimbus 7 SAMS. ớ đày nhin thấy sự phán
tấng thẳng đímg mạnh sinh ra do phân rã quang hố trong tẩng bình
lưu. Các mặt đổng mức của tỷ số xáo trộn lồi lên ở vùng xích d '10
hiển nhiên là dịng khối đi lẽn ờ vùng xich đạo này

Nếu đem so sánh hai hình 5.2 và 5.4 ta sẽ tìm thấy, độ lệch
nhiệt độ lớn n h ấ t so với cân bằng bức xạ xẩy ra trong tầng
trung mùa hè, mùa đông và trong tầng bình lưu mùa đùng ơ
cực. Lực vĩ hướng trong tầng trung sinh ra trước hết bởi lan
truyền thẳng dửng nội sóng trọng trường. Loại sóng này vận
chuyển dộng lượng từ tầng đối lưu vào tầng trung. Ở đây gián
đoạn sóng sinh ra lực vĩ hướng mạnh. Lực vĩ hướng trong tầng
bình lưu mùa đơng sinh ra trước hết do sóng Rossby hành tinh
dừng. Loại sóng Rossby này có thể lan truyền thẳng đứng với
điều kiện là gió vĩ hướng trung bình là gió tây và nhỏ hơn một
240

giấ trị tới hạn. Giá trị tối hạn này phụ thuộc nhiều vào độ dài
sóng của các xốy. Vi lí do dó, trong Lầng hình lưu ngoại nhiệt
(.Lỏn sẽ có chu kỳ năm mạnh của Ổ T , với giá trị lớn (tức là độ
lệch lớn so với cân bằng bức xạ) vào mùa đông và giá trị nhỏ vào
m ù a hè. Điều đó là hiển nhiên như đã thám sát được (xem hình
fi.2: và 5.4). Thêm vào dó. lực xốy duy trì nhiệt độ thám sát cao
liơni so với cân bàng bức xạ của nó ở trong tầng bình lưu ngoại
Iihiột. (lới, nên sẽ có làm lạnh bức xạ và do đó từ (5.3) suv ra
chuyển động thẳng dứng cồn lại phải là chuyển dộng xuống. Do
I ín h li<’in tục khối lượng nên vì th ế chuyển dộng thẳng đứng còn
lại trong vùng này ỏ nhiệt dới phải là chuyển động iên. Điều đó
hà m ý nhiệt độ ở vùng nhiệt đỏi phải thấp hơn so với cân bàng
liứ(c xạ ở vùng này. Nhận xét ỏ đây là diều khiển động lực học
liỏii những xoáy ngoại nhiệt đới là thích hợp hơn so với diều
k h iể n bởi lực địa phương, còn lực địa phương thể hiện chủ yếu
t roing (’huyen động lên còn lại và đốt nóng bức xạ tổng trong
(ổng binh lưu nhiệt đới.
5.2.2. V ận c h u y ê n t r u n g b ìn h h o á t h e o vĩ độ
Như kết luận suy ra từ TEM, hồn lưu kinh hướng trong
t ầ n g bình lưu mùa đơng ln ln có thể biểu diễn định tính
Iih ư trên hình 5.2. Hồn lưu kết cục vận chuyển khôi lượng và
t ạ p chut đi lên qua tầng đôi lưu ỏ nhiệt đới và di xuống ở ngoại
TI h iệt (lới. Hồn lưu dứng này khép kín trong tầng bình lưu thấp
bởii sự trơi kinh hướng về cực. Bức tranh này cho ta tổng quan
đ ịn h tinh tốt và có thể xác minh bằng khảo sát sự phân bơ" tỷ số
x á o trộn Lrung bình vĩ hướng cúa một loại vệt phân tầng thẳng
đứmg tồn tại dài bất kỳ. Ví dụ. sự phân bơ" của N ,0 trên hình
5.5», N.,0 phát sinh trên mặt đất và được xáo trộn đều trong

tầmg dôi lưu. nhưng suy yếu dần theo độ cao trong tầng bình
lưui (lo sự phân rã quang hố. Vì vậy, n h ư trên hình 5.5, tỷ số
241


xá o trộn g iả m d ầ n k hi c à n g lên ca o tr o n g t ầ n g b ìn h lưu. T u y
n h iê n , ta còn th ấ y , các m ặ t đ ồ n g m ức c ủ a tỷ s ố x á o tr ộ n khôn g
đổi được n â n g lê n ỗ n h iệ t đới v à hạ x u ố n g tr ê n các v ĩ đ ì ca o .
Đ iề u đó nói lê n r ằ n g sự v ậ n c h u y ể n k hối lư ợ n g k in h h ư ớ n g
t r u n g b ìn h được n â n g lên ỏ n h iệ t đới v à h ạ x u ô n g ỏ n g o ạ i n h i ọ t
đới. n h ư ch ỉ ra tr ê n h ìn h 5.6.

1
o

o
o-

2

Hinh 5.6. Sơ đó c ắ t thẳng đứng của sự vặn chuyển trong tắng bhh
lưu. Đường đậm ch ỉ hoàn lưu khối lượng kinh hướng trung binh. Đườìg
đút chỉ sự xảo trộ n tựa đẳng nhiệt th ế bởi những xoảy q uy mò lớn Díu
nhản nhỏ chỉ đỉnh đối lưu. J chỉ vị trí tâm dịn g xiết trung bình. Đ ườig
nhạt với giả trị tỳ số xáo trộn (X) chỉ độ n gh iên g trung binh của 'ệ t
phản tầng thảng đứ ng tồn tại dài

N g o à i sự trôi k in h h ư ớ n g c h ậ m đo tốc độ k in h h ư ch g k ế t
c ụ c n h ư b iể u d iễ n tr ê n h ìn h 5 .6 , n h ữ n g v ệ t tr o n g t ầ n g b h h lưu
m ù a đ ô n g c ũ n g là đối tư ợ n g c ủ a sự v ậ n c h u y ể n n h a n h tự* đ ẳ n g

n h iệ t t h ế và bị x á o trộn bởi s ó n g h à n h tin h g iá n đ oạn ,

hi

vận

c h u y ể n x o á y b iế n đ ổi cao th e o k h ô n g g i a n v à thời g ia n m ư v ạ y

242


p h ả i được đ ư a v à o m ơ h ìn h đ ể m ơ h ì n h h o á đ ịn h lượng tố t tr o n g
giớ i h ạ n t ầ n g h ìn h lư u .
T ron g t ầ n g t r u n g h o à n lưu k ế t c ụ c t h ố n g trị bởi ổ h o à n lư u
chín co c h u y ể n đ ộ n g lè n tr o n g v ù n g cực m ù a h è. trôi k in h h ư ớ n g
tìí bán c ầ u m ù a h è đ ô n b án c ầ u m ù a đ ô n g và hạ x u ố n g tr o n g
v ù n g cự c m ù a dông. H o à n lưu n à y là h o à n lưu k ế t cụ c tr o n g
t á n g b ìn h lư u và đ iề u k h iể n x oá y . N h ư n g tr o n g tầ n g tr u n g n ó
x u ấ t h iệ n đ ể ch o n h ữ n g x o á y th ố n g trị là m la n tr u y ề n s ó n g
tr ọ n g tr ư ờ n g nội. Loại s ó n g n à y có q u y m ơ

cả

k h ơ n g g ia n v à thời

g ia n đ ểu n g á n hơn so vói s ó n g h à n h tin h . S ó n g h à n h tin h t h ố n g
trị h o ạ t d ộ n g x o á y tr o n g t ầ n g b ìn h lư u .

5.3. SỐNG HÀNH TINH LAN TRUYEN

thang đứng

T r o n g m ụ c 5.1 ta d ã c h ỉ ra r ằ n g c h u y ể n đ ộ n g x o á y th ố n g trị
tr o n g t ầ n g b ìn h lư u là s ự la n tr u y ề n t h ẳ n g đ ứ n g s ó n g h à n h t in h
ti.ía d ừ n g , n h ữ n g s ó n g n à y ch ỉ giới h ạ n tr o n g b án c ầ u m ù a d ô n g .
Đ ê h iế u dược sự v ắ n g m ặ t c ủ a c h u y ể n đ ộ n g q u y m ô s y n ố p v à s ự
giới h ạ n s ó n g h à n h tin h tron g b án cầ u m ù a đ ô n g ta cầ n n g h iê n
CIÍU

n h ữ n g đ iể u k iện c ầ n t h iế t ch o s ó n g h à n h tin h lan t r u y ề n

được th e o p h ư ơ n g d ứ n g.
Đ ể p h â n tíc h sự la n tr u y ề n s ó n g h à n h ú n h tr o n g t ầ n g b ìn h
lưu thì t h u ậ n tiệ n n h ấ t là v iế t các p h ư ơ n g tr ìn h tr o n g h ệ toạ độ
lo g a k h í áp. Đ ổ p h â n tích c h u y ể n đ ộ n g s ó n g h à n h t in h n g o ạ i
n h iệ t đới tr o n g t ầ n g k h í q u y ể n g iữ a ta có th ể c h u y ể n n h ữ n g
c h u y ê n d ộ n g n à y lê n m ặ t p v ĩ độ tr u n g b ìn h và d ù n g p h ư ơ n g
tr ìn h x o á y t h ế tự a đ ịa c h u y ể n . P h ư ơ n g tr ìn h n à y tr o n g tọa độ
lo g a k h í áp có d ạ n g s a u

— + v -V

{ât
trong

*

đó

243

q m V i'V + / +

,

p ữN 2 ô z

A>

Ờ đ â y y = <l>//o là h à m d ò n g đ ịa c h u y ể n v à /o là g iá trị quy
đ ịn h ở v ĩ độ t r u n g b ìn h k h ơ n g đổi c ủ a t h a m s ố C o riolia. B â y giờ
ta t h ừ a n h ậ n c h u y ể n đ ộ n g b a o g ồ m n h i ễ u đ ộ n g b iê n độ nhỏ
c h ồ n g lê n d ò n g t r u n g b ìn h v ĩ h ư ớ n g k h ô n g đổi. N h ư v ậ y . n ê u coi
»y -

-ũV+

4 ' \ (Ị

= ({+ q'

v à t u y ế n tín h h o á (5 .8 ) s ẽ tìin được

tr ư ờ n g d a o đ ộ n g p h ả i th o ả m ã n p h ư ơ n g tr ìn h s a u

ở
— +
di

_ d '
u—

ỠT'

ớ X)

ỏ X

=0 .

(5.9)

t r o n g đó

ỚV'
Po
p ữN 2 â z
Õ2

q'=V2^'+ /Ồ

à

T r o n g v í d u n à y p = ——

ây

P h ư ơ n g tr in h (5 .9 ) có n h ữ n g n g h iệ m d ạ n g s ó n g đ iể u h ị a với
c á c s ố s ó n g v ĩ h ư ớ n g và k in h h ư ớ n g k v à / tư ơ n g ứ n g, c ù n g vói

tốc độ p h a c r à n g b u ộ c bơi q u a n h ệ sa u

4"(x, y,2,/) = 4'(z)e'<*, ‘Ạ-*‘,,4*':w .
Ờ đ â y t h ừ a s ố ez/2H (th ừ a s ố n à y tỷ lệ với

(5.10)
: ) được d ư a vào

đ ể dơn g iả n p h ư ơ n g tr ìn h v ê p h ư ơ n g d iệ n p h ụ th u ộ c t h ẳ n g
đ ứ n g . N ế u I h a y n g h iệ m (Õ.10) v à o p h ư ơ n g tr ìn h (5.9) t a sẽ
c h ứ n g m in h dược r ằ n g - 4 '( z ) p h ả i th o ả m ã n p h ư ơ n g tr ìn h s a u

d 2yv
di

2 +

= 0

(5.11)

,

tr o n g đó

N_
n f

-

/Ồ

244

u

p
- c

4//

(5.12)


Khi n g h iê n cứ u c h u y o n động* s ó n g tr o n g k h í q u y ể n ta (ỉă
í)iẽì

n r > 0 là địi hỏi cu a s ự lan tr u y ề n s ó n g t h e o p h ư ớ n g

ng.h'a là p hư ơ ng trin h (5 .1 1 ) cỏ n g h iệ m d ạ n g H'(r)
la b.ôn (lộ k h ô n g dổi và dấu củ a

Ĩ1 Ì

Ac,n:

với

A

xá<* đ ịn h 1)01 y ê u c ầ u t h à n h

pl ấ 1 ilư m g đ ứ n g củ a tòo (lộ n h ỏ m là d ư ơn g. Đ ỗi với s ó n g clừng,
lứ c

0 . thi từ đ ả n g th ứ c (5 .1 2 ) ta s ẽ th ấ y , m o d e la n tr u y ề n

ỉ h ải g đ ứ n g chi t ồn tạ i dôi với n h ữ n g d ò n g tr u n g b ìn h vì h ư ớ n g
n à o :hnả m àn d iều k iộn sa u
0
iro iiíí í!ỏ

í'


lá tốc độ tới hạn Rossby.

V ậ y thì. s ự la n tr u v ể n

ih íải ự 'lú n g củ a s ó n g d ừ n g x ả y ra ch i khi có m ặ t g ió t â y y ế u hơn
s o vói í.n;i trị tới h ạ n L\ . Cỉiá trị tói h ạ n n à y lại p h ụ th u ộ c q u y
m o n gan g củ a ch in h s ó n g d ừ n g. T r o n g b á n cầu m ù a h è th ì g ió
trvinịĩ b ình vĩ h ư ớ n g t ầ n g b ìn h lưu là g ió đ ô n g n ô n s ó n g h à n h
tin ih iiû n fỵ ln bị c h ặ n tr o n g p h ư ơ n g d ử n g .
IVong k h í q u y ể n thực, g ió tr ư n g b ìn h vĩ h ư ớ n g k h ơ n g là
hà

ni

cứm

sị m à p h ụ th u ộ c v à o VI độ v à độ cao. T u y v ậ v . cả n g h iê n
h á m s á t và lý th u y ế t đ ều ch o t h ấ v rằ n g , b ấ t đ ẳ n g th ứ c

(5. K) v ẫ n ch o ta xá c đ ịn h đ ịn h t ín h s ự la n tr u y ề n t h ả n g đ ứ n g
(•Uỉa ¿óng h à n h lin h , t h ậ m ch í n g a y cả k h i g iá trị tới h ạ n th ự c có

the? ]in hdn so vói g iá trị x á c đ ịn h bơi lý t h u y ê t m ặ t ß.

5.4;. 9ỖT NĨNG ĐỘT NGỘT TRONG TẨNG BÌNH LƯU
'V o n g t ầ n g b ình lưu (lưới n h iệ t độ có cự c tiể u tr ên xích d ạ o
và cc cự c đ ạ i tr ẽn cự c m ù a h è. tr ên k h o ả n g 4 5 độ vĩ tr o n g b á n
cầ m

n ìia d ôn g, n h ư ta có t h ể t h ấ y tr ơ n h ìn h 5 .2 . T ừ n h ũ n g

nglhiòn CƯU gió n h iệ t ta t h a w sự g iả m n h a n h c ủ a n h i ệ t d ộ di từ

245


45° vĩ v ề h ư ớ n g cực v à o m ù a đ ô n g địi h ỏ i p h ả i có x o á v v ĩ h ư ớ n g
với độ d ứ t h ư ó n g tâ y th e o độ cao m ạ n h .
T rên B ắc b án c ầ u , v à o m ộ t n ă m b ìn h th ư ờ n g n à o đ ó có k iể u
m ù a đ ơ n g b ìn h th ư ờ n g c ủ a t ầ n g b ìn h lư u cực lạ n h , có x o á y từ
h ư ỏ n g tâ y b ỗ n g bị c h ắ n g iá n đ o ạ n m ộ t cá c h k ỳ d iệ u v à o g iữ a
m ù a đơng. T ron g v ị n g m ấ y n g à y x o á y cực trở n ê n m é o mó
m ạ n h và n g ừ n g h o ạ t đ ộ n g , k è m th e o x ả y ra đ ố t n ó n g q u y mơ

lớn t ầ n g b ìn h lư u . S ự đ ố t n ó n g n à y có k h ả n ă n g l à m đ ả o

ngược

n h a n h c h ó n g g r a đ ie n n h iệ t độ k in h h ư ớ n g v à c â n b ằ n g g ió n h iệ t
s ẽ tạ o ra d ị n g gió đ ô n g q u a n h cực. S ự đ ố t n ó n g đ ế n k h o ả n g 4 0 K
tr o n g v ò n g m ấ y n g à y đã từ n g x ả y ra tr ê n m ực k h o ả n g 5 0 m b
n h ư m in h h o ạ tr ên h ìn h 5 .7 . Vô s ô n h ữ n g n g h iê n cứ u t h á m sát
v ề s ự d ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t n h ư v ậ y đã k h ẳ n g đ ịn h rằ n g , sự la n
tr u y ề n t ả n g lê n củ a s ó n g h à n h t i n h từ t ầ n g đối lư u , trư ốc h ế t là
c ủ a n h ữ n g s ố s ó n g v ĩ h ư ớ n g 1 v à 2, là n g u y ê n n h â n c h ủ y ế u c ủ a
s ự p h á t tr iể n n h ữ n g đ ố t n ó n g n à y . Vì n h ữ n g đ ố t n ó n g c h ủ y ế u
th á m s á t

được ch ỉ ỏ tr ê n B ắ c b á n c ầ u , n ê n có t h ể k ế t lu ậ n lo g ie

r ằ n g , s ự la n tr u y ề n s ó n g t ă n g m ạ n h v à o t ầ n g b ìn h lư u là do
n h ữ n g s ó n g s in h ra bởi đ ịa h ìn h . C h ú n g r ấ t m ạ n h tr ê n B ấ c b á n
c ầ u so với tr ê n N a m b á n cầ u . T u y v ậ y , n g a y tr ê n bắc b án c ầ u
c h ú n g h ìn h n h ư c ũ n g c h ỉ x u ấ t h i ệ n v à o n h ữ n g m ù a đ ô n g n h ấ t
đ ịn h , k h i tr o n g m ù a đ ô n g đó có n h ữ n g đ iề u k iệ n k h á c t h u ậ n
tiệ n đ ể tạ o ra được đ ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t n h ư v ậ y .
N ó i c h u n g ta c ó t h ể t h ừ a n h ậ n r ằ n g , đ ố t n ó n g đ ộ t n g ộ t là
m ộ t v í d ụ c ủ a n ă n g lư ợ n g d ò n g t r u n g b ìn h s i n h ra n g á n n g ủ i
do s ự d iề u k h iể n s ó n g h à n h t i n h . K h i n g h i ê n c ứ u h o à n lưu
c h u n g k h í q u y ể n t a đ ã c h ứ n g m in h đ ư ợc r ằ n g , đ ể c h o s ó n g

hướng th ì d ị n g
x o á y x o á y t h ế h ư ớ n g v ề x íc h đ ạ o p h ả i k h á c k h ô n g (tức là hội tu
h à n h t in h là m k ìm h ã m h o à n lư u t r u n g b ìn h v ĩ

246


(•>

I»)

VTdfl

Vĩ độ

Hình 5.7 Biến đổi theo v ĩ độ và thời gian trên mực 50 mb:
a) G ió v ĩ huớng; b) N h iệ t độ trung binh th e o v ĩ độ trong thời kỳ
đ ố t nóng đột ngột c ủ a năm 1957 (theo Reed và cs.. 1963)

dàng EP tổng phải khác không).

T iếp th e o ngư ời ta c ũ n g đ ã

c h ứ n g m in h được r ằ n g , đối với n h ữ n g s ó n g k h ơ n g t i ê u tá n
p hân kỳ d ịng

EP

thì

b iế n m ấ t. Đ ối với n h ữ n g s ó n g h à n h tin h d ừ n g

b ìn h th ư ờ n g n à y tr o n g d ò n g x iế t b a n đ ê m cực t ầ n g b ìn h lư u

thì

í t n h ấ l địi h ỏi n à y p h ả i là g ầ n n h ư được th o ả m ã n , vì tiê u t á n
b ứ c xạ v à m a s á t là k h á n h ò. N h ư v ậ y , s ự tư ơ n g tá c m ạ n h g iữ a
s ó n g v à d ò n g tr u n g b ìn h x ả y ra tr o n g k h u ô n k h ô đ ố t n ó n g đ ộ t
n g ộ t p h ả i g ắ n liề n với sự tồ n tạ i n g ắ n n g ủ i c ủ a s ó n g (tứ c là b iế n

247


đ ổ i b iê n độ t h e o th ò i g ia n ) v à sự t iê u tá n só n g . P h ầ n lớ i ổự
c h ậ m d ẩ n d ò n g t r u n g b ìn h đ á n g c h ủ ý x ả y ra tr o n g đ ố t nónK d ộ t
n g ộ t s in h ra bởi s ự k h u y ế c h đ ạ i s ó n g h à n h tin h tự a dừng t.-ong
tầ n g đổi lưu v à tiếp th e o la n tr u y ề n v à o t ầ n g b ình lưu.
T a có th ổ h iể u được q u á tr ìn h n à y n ế u n g h iê n c ứ u tưcín? tác
g iữ a d ò n g t r u n g b ìn h vĩ h ư ớ n g v à x o á y x o á y th ế . T a s ẽ

hừa

n h ậ n rằn g , đối với n h ữ n g q u y m ô thờĩ g ia n n g ắ n của sụ đơi
n ó n g đ ột

n g ộ t th ì c á c q u á tr ìn h p hi đ o ạ n n h iệ t và t iê u U n c< thê

bỏ q u a . T iế p t h e o t h ừ a n h ậ n t h ê m r à n g , c h u y ế n d ộ n g ío á y g á n
th ố n g trị bởi p h ư ơ n g tr ìn h x o á y x o á v t h ế t u y ế n tín h hố. ỉồn g
thời d ò n g t r u n g b ìn h vĩ h ư ớ n g b iế n đổi c h ỉ do h ộ i t ụ d õ n g ỉo á y .
N h ữ n g x oáy n à y và đ ò n g t r u n g b ìn h q u a n h ệ với n h a u bàrg- h ệ
tự a t u y ế n t ín h s a u

f ổ
_ ổ 'ì ,
,õq — + u —— q + V —2- = 0 .

ÕI

ô X)

õy

Ẽ Ĩ.-Ẽ ự ĩl.
õt \
õ y■

.
(5.14)

( 5 .,5 )

tr o n g đó
V

= ^ - ,
ỏX

q =v y

dq
õ'u
~z ~ p ~ T T

dV
dV
r
(/ = / u

+—

p,

-r-rịtp,,— —)
d z
dz

õ
p,j OZ
1

"

ÕV
~ r)*
02

T 7 í epo

o
1 Ổ2Õ
f 0 Õ ẵp, ỠO
+ 0 y + - r - j - T + — -ỉr-(-ĩJĩ-z—)'
f ữ d y ' p ữ ô z /V õz

(5 .1 4 ) là p h ư ơ n g tr ìn h x o á y t h ê tự a đ ịa c h u y ể n b iể u d ễ n trong
tọ a độ loga k h í á p , ( 5 .1 5 ) là p h ư ớ n g tr ìn h x o á y th ế t ự í đ ịa
c h u y ể n đã được t r u n g b ìn h h o á v ĩ h ư ớ n g.
T a có t h ể m in h h o ạ v a i trị c ủ a t ín h th o á n g q u a tr cn g t í ơ n g
tá c g iữ a x o á y với đ ò n g t r u n g h ìn h n ế u ta n h â n p h ư c n g r ì n h

248


(5 14) với đ ể tìm d ị n g x o á y r/V th e o b iểu th ứ c s a u

qv

1

d(q )/õt

2

ÕCỊỈÕV

(516)

V ậ y thi. dối với s ó n g k h u y ế c h d ại ( ạ ’" t ă n g th e o th ờ i g ia n ) s ẽ có
d ị n g x o á y th ê h ư ú n g vê xích d ạ o (â m ) vớ i đ iề u k iệ n là g r a đ ie n
x o á y th c tr ạ n g th á i n ề n p h ả i d ư ơ n g . V ì d ị n g x o á y t h ê p h ả i b iế n
m ấ t 0>ằng k h ô n g ) ờ tr ê n cự c n ê n s ố h ạ n g v ê p h ả i c ủ a p h ư ơ n g
t r ìn h x o á y t h ế t r u n g b ìn h vĩ h ư ớ n g ( 5 .1 5 ) p h ả i â m tr o n g v ù n g

giữ a cực và v ĩ d ộ của h o ạ t đ ộ n g x o á y cự c đ ại. N h ư v ậ y x o á y t h ê
t r u n g b in h v ĩ h ư ớ n g tr ê n vĩ đ ộ c a o p h ả i g iả m t h e o th ò i g ia n .
Đ i ể u dó có n g h ĩa là d ò n g t á y t r u n g b ìn h (d ò n g x o á y t h u ậ n ) p h ả i
g iả m vhi‘0 thời g ia n .
Loại tư ơ n g tá c cự c n h a n h g iữ a x o á y v à d ò n g t r u n g b ìn h n à y
có t h ế đ ư a đ ế n p h á t tr iể n đ ô i n ó n g đ ộ t n g ộ t. T a có Ih ể m in h h o ạ
p h ư ơ n g th ứ c t h ể h iệ n tư ơ n g tá c n à y b ằ n g k h ả o s á t t ìn h h u ố n g
s a u đáy: S ó n g h à n h tin h b ắ t đ ẩ u x ả y ra v à o m ộ t th ờ i đ iể m n à o
đ ó và b ắ t d ầ u lan tr u y ề n l ê n ca o . S a u m ộ t thời g ia n s ó n g n à y sẽ
d ạ t đó'n m ự c z„ và tiế n tới k h ô n g r ấ t n h a n h ỏ m ự c n à y n h ư
tr ê n h ìn h 5 .8 a . S ự k ìm h ã m n à y m ột p h ầ n dôi lậ p với s ự trôi
k in h h ư ớ n g cò n lại s i n h ra tr o n g v ù n g c ủ a hội tụ d ò n g E P. D o
t ín h liê n tụ c n ê n h o à n lư u t h ẳ n g đ ứ n g s ẽ tá c d ộ n g là m đ ố t n ó n g
c ự c và là m lạ n h xích đ ạ o t ầ n g b ì n h lư u p h ía dưới, v ù n g có k ìm
h ã m m ạ n h . K hi d ò n g t r u n g b ìn h là m k ìm h ă m n h ữ n g đ iề u k iệ n
t h u ậ n tiệ n đ ối với t h a y đổi la n t r u y ề n th e o p h ư ơ n g đ ứ n g , th ì
v ù n g r ủ a h ội tụ d ò n g E P tổ n g c ộ n g có x u h ư ớ n g trải x u ố n g đ ư ói
t h e o thời g ia n . N ế u b iê n độ s ó n g đ ủ m ạ n h v à p h â n bơ" g ió vĩ
h ư ớ n g t r u n g b ìn h b a n đ ầ u t h u ậ n t i ệ n c h o la n t r u y ề n v à o v ù n g
c ự c thì tư ơ n g tá c g iữ a s ó n g v à d ò n g t r u n g b ìn h

có t h ể

làm đ ả o

n g ư ợ c gió t r u n g b ìn h trên p h ầ n lớn t ầ n g b ìn h lư u từ 6 0 °N v ề

249

p h ía cực.
T r o n g m ộ t s ô tr ư ờ n g hợp b iê n độ s ó n g có t h ể đ ủ lớn đ ể s i n h
r a s ự đ ố t n ó n g cực, n h ư n g k h ô n g đ ủ đ ể là m đ ảo n g ư ợ c g ió t r u n g
b ìn h v ĩ h ư ớ n g tr o n g v ù n g cực. N h ữ n g “đ ố t n ó n g n h ỏ ” n h ư v ậ y
lu ô n x ả y ra tr o n g m ù a đ ơ n g và nói c h u n g q u a y n h a n h trứ về
h o à n lư u m ù a đ ơ n g b ìn h th ư ờ n g . “M ộ t đ ốt n ó n g q u a n t r ọ n g ”
là m c h o d ò n g t r u n g b ìn h v ĩ h ư ớ n g đ ả o n gư ợc, ít n h ấ t tr ê n m ự c
t h ấ p 3 0 m b tr o n g v ù n g cực. h ìn h n h ư x ả y ra v à i n ă m m ộ t lầ n .
N ế u s ự đ ố t n ó n g q u a n tr ọ n g n à y x ả y r a đ ủ m u ộ n tr o n g m ù a
đ ơ n g th ì x o á y cực t â y có t h ể b ị m é o m ó trước k h i đ ả o n g ư ợ c
h o à n lư u m ù a b ìn h th ư ờ n g .

(a)

(b)

Hinh 5.8. S ơ đồ biểu d iễ n thoáng qua, tương tá c dịng trung binh diễn ra
tro n g q trình đ ố t n ó n g tầng binh lưu. a) Profil đ ộ cao của thõng lượng EP
(đường đứt), phân kỳ th ô n g lượng EP (đường đ ậm ) và gia tốc trung binh vĩ
hướng (đường m ảnh); b) L á t c ẳ t độ cao v ĩ độ biểu diễn vùng hội tụ của thông
lư ợng E P (vùng gạch b ó n g ), đưdng m ức của gia tố c v ĩ hướng sinh ra (đường
m à nh ) và h o à n lưu cón lại sinh ra (m ũi tên) B iểu diễn vùn g nóng: W; vùng
lạnh:
(theo A n d re w s v à
1987)

c

cs,

5.5. S Ó N G T R O N G T Ầ N G BỈNH L Ư U X Í C H Đ Ạ O
T r o n g c h ư ơ n g trư ớ c ta đ ã b à n đ ế n n h ữ n g s ó n g bị giới h ạ n C
x íc h đ ạ o tr o n g k h u ô n k h ổ lý t h u y ế t nước n ô n g . T u y n h iê n , trong

250


m ộ t sô' đ i ề u k iệ n , s ó n g x íc h đạo, s ó n g tr ọ n g tr ư ờ n g v à s ó n g
R o s s b y có t h ể la n tr u y ề n t h ẳ n g đ ứ n g , m ơ h ìn h nước n ô n g p h ả i
dược t h a y b ằ n g m ộ t m ơ h ìn h k h í q u y ể n p h â n t ầ n g l i ê n tụ c đ ể
n g h iê n c ứ u c ấ u trúc t h ẳ n g đ ứ n g c ủ a c h ú n g . N g ư ợ c lại. s ó n g x íc h
đ ạ o la n t r u y ề n t h ẳ n g d ứ n g p h â n c h ia m ộ t s ố tín h c h ấ t v ậ t lý với
mocle t r ọ n g trư ờ n g b ìn h th ư ơ n g . K h i n g h i ê n c ứ u c h u y ể n đ ộ n g
s ó n g t r o n g k h í q u y ể n , ta đ ã b à n v ề s ó n g t r ọ n g tr ư ờ n g la n tr u y ề n
t h ẳ n g đ ứ n g tr o n g k h í q u y ể n q u a y t r o n g tr ư ờ n g hdp đơn g iả n
h o á là t h ừ a n h ậ n r ằ n g , t h a m s ố C o rio lis là k h ô n g đổi v à s ó n g có
d ạ n g h ì n h s in tr o n g c ả hai h ư ớ n g X v à y . T a c ủ n g đ ã tìm t h ấ y
r ằ n g , s ó n g tr ọ n g tr ư ờ n g q u á n tín h có t h ể l a n t r u y ề n t h ẩ n g đ ứ n g
c h ỉ k h i n à o t ầ n s ố s ó n g th o ả m ã n b ấ t d a n g th ứ c f < V < N .
N h ư v ậ y . s ó n g trên v ĩ độ tr u n g b ìn h có c h u k ỳ tr o n g giới h ạ n v à i
n g à y n ói c h u n g s ẽ bị h ạ n c h ế tr o n g p h ư ơ n g đ ứ n g (tứ c là nó
k h ơ n g t h ê la n tr u y ề n xa v à o t ầ n g b ìn h lư u ). T u y v ậ y , k h i t i ế n
g ầ n đ ế n x íc h đ ạ o sự g iả m tầ n sô' C o r io lis c h o p h é p n h ữ n g s ó n g
c ó tầ n s ố th ấ p có t h ể la n tr u y ề n t h ẳ n g d ứ n g . V ậ y th ì, tr o n g
v ù n g x ích đ ạ o có k h ả n ă n g tồn tại la n t r u y ề n t h a n g đ ứ n g c ủ a
n ộ i s ó n g t r ọ n g trư ờ n g ch u kỳ 1ĨÌ1.
T r o n g m ụ c 4.4 t a đã k h ả o s á t n h ữ n g d a o d ộ n g t u y ế n t í n h
h o á tr ê n m ặ t p x íc h đạo. S a u đó h ệ c á c p h ư ơ n g tr ìn h t h u ỷ d ộ n g
( c h u y ể n đ ộ n g , liê n t ụ c v à n h ậ p n h iệ t) t u y ế n t ín h h o á có t h ể b iể u
d i ễ n t r o n g toạ độ lo g a k h í áp dưới d ạ n g

âu'
a ,
âO'
V - Pyv=
â í
â X
av
- ,
00'
— + p yu = ----- — ,
dt
dy
du'

dv'

1

d { p 0w')

õX

õy

p0

õz

ỡ—

:°—’ + IV.»2
n.
N =0
—

(5.17)
(5.18)

0

(5.19)
(5.20)

õtõ z

‘251


T a lại th ừ a n h ậ n rằng.' n h ữ n g d a o đ ộ n g n à y là n h ữ n g s ó n g lan
t r u y ề n vĩ h ư ó n g v à c h ú n g c ũ n g la n tr u y ề n t h ẳ n g đ ứ n g với s ố
són g th ẳn g dứng

m. Do

có p h â n t ầ n g m ậ t độ t r ạ n g t h á i n ề n n ê n

s ự b iế n đổi b iê n độ t h e o độ ca o s ẽ tỷ lệ k h á tốt với
v ậ y , s ự p h ụ th u ộ c v à o

X,

V, z và

í

põ'

2 Như

có t h ể được tá c h b ằ n g các b iể u

th ứ c s a u

T h a y (5 .2 1 ) vào ( 5 .1 7 ) - ( 5 .2 0 ) s ẽ c h o ta m ộ t h ệ cá c p h ư ơ n g tr ìn h
v i p h â n th ư ờ n g b iể u d i ễ n Gấu tr ú c k in h h ư ớ n g s a u

—iv ũ —p y v

=

,

(5 .2 2 )

ây’
ỡ^

ik ủ + — — + /(m + //2 H )ú' - 0 ,
ôy

(5 .2 4 )

v { m - i H H ) Ò +w N 2 = 0 .

(5 .2 5 )

5.5.1. Sự lan tr u y ề n thẳng đứng c ủ a sóng Kelvin
Đ ố i với s ó n g K e lv in các p h ư ơ n g t r ìn h d ao đ ộ n g tr ê n đ â y sẽ

được đơn g iả n iio á đ á n g k ể. N ế u đ ặ t V = 0 v à k h ử vĩ- tr o n g
(5 .2 4 ) v à (5 .2 5 ) ta s ẽ có

- v ũ - -ik

o .

(5 .2 6 )
(5 .2 7 )

(...2

252

,

1 ì í

(5.28)