Hoàn lưu kinh hướng trung bình theo vĩ hướng

- 81 - Ch−¬ng 4. hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh theo vÜ h−íng 4.1 Quan tr¾c c¬ b¶n CÊu tróc quy m« lín cña dßng khÝ khÝ quyÓn biÕn ®æi nhanh nhÊt theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ chËm nhÊt theo vÜ h−íng. V× vËy, viÖc lÊy trung b×nh vÜ h−íng cho thÊy râ tÇm quan träng cña sù biÕn ®æi theo ph−¬ng kinh h−íng vμ ph−¬ng th¼ng ®øng, vμ lμ ph−¬ng ph¸p h÷u Ých trong nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ®−îc sö dông trong nhiÒu n¨m qua. Tuy nhiªn, theo nhiÒu t¸c gi¶, hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n lμ m« h×nh chiÕu trªn mÆt ph¼ng kinh tuyÕn. Trong cuèn s¸ch nμy, ta sÏ xem xÐt réng h¬n b»ng c¸ch cè g¾ng tæng kÕt hiÓu biÕt hiÖn t¹i cña chóng ta. VÒ m« h×nh ®Çy ®ñ ba chiÒu cña giã vμ nhiÖt ®é trong khÝ quyÓn. Tuy nhiªn, quan ®iÓm vÒ dßng trung b×nh vÉn h÷u Ých ®Ó b¾t ®Çu tr×nh bμy vÊn ®Ò trong ch−¬ng nμy. H×nh 4.1 Tèc ®é giã vÜ h−íng  u vµ vect¬ tèc ®é giã kinh h−íng. (a) Th¸ng 12,1,2; (b) Th¸ng 6,7,8 - 82 - Giã vÜ h−íng trung b×nh vμ vÐct¬ giã kinh h−íng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.1, dùa theo sè liÖu cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Dßng th¨ng ë miÒn nhiÖt ®íi víi tèc ®é th¼ng ®øng cùc ®¹i ë b¸n cÇu mïa hÌ. Dßng gi¸ng m¹nh nhÊt ë kho¶ng vÜ ®é 25-30o trªn b¸n cÇu mïa ®«ng víi dßng h−íng vÒ xÝch ®¹o gÇn bÒ mÆt, vμ dßng ®i ra tõ miÒn nhiÖt ®íi ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u do tÝnh liªn tôc. Trôc ®èi xøng cña hoμn l−u nμy thÝch øng râ nhÊt cña dßng khÝ khÝ quyÓn ®èi víi sù d− thõa nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi vμ thiÕu hôt nhiÖt ë miÒn vÜ ®é cao ®· ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng tr−íc. Halley (1689) vμ Hadley (1735) ®Òu gi¶ thiÕt vÒ sù tån t¹i vßng hoμn l−u nãi trªn ®Ó tÝnh to¸n gi¶i thÝch tÝn phong thæi vÒ xÝch ®¹o t¹i bÒ mÆt. C«ng tr×nh nghiªn cøu cña hä cã ý nghÜa lÞch sö lín, ®ã lμ nh÷ng cè g¾ng ®Çu tiªn m« t¶ hoμn l−u toμn cÇu b»ng nh÷ng sè h¹ng cña m« h×nh vËt lý ®¬n gi¶n. H×nh 4.1 (tiÕp) (c) Tèc ®é giã trung b×nh n¨m lËp trªn c¬ së sè liÖu 6 n¨m cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s t« ®Ëm. Mòi tªn ngang chØ tèc ®é kinh h−íng 3m/svµ mòi tªn theo chiÒu th¼ng ®øng chØ tèc ®é th¼ng ®øng 0,03Pa/s M« h×nh giã vÜ h−íng trung b×nh  u trªn H×nh 4.1 quan hÖ chÆt chÏ víi ph©n bè cña nhiÖt ®é ®Þa thÕ vÞ   ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.2 víi c¸c ®−êng nh− trªn H×nh 4.1 nh−ng víi c¸c ®−êng ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ. C¸c m« h×nh cho th¸ng 12, th¸ng 1, th¸ng 2 vμ th¸ng 6, 7, 8 bæ sung ®Çy ®ñ cho c¸c m« h×nh trªn. C©n b»ng giã nhiÖt (ph−¬ng tr×nh 1.53) gÇn ®óng ®èi víi trung b×nh vÜ h−íng. Do ®ã, gradien ngang cña nhiÖt ®é lín cã liªn quan víi ®é lín cña tèc ®é giã theo chiÒu th¼ng ®øng ë hÇu kh¾p miÒn vÜ ®é trung b×nh, vμ vÜ ®é cao. ë miÒn nhiÖt ®íi gradien ngang cña nhiÖt ®é nhá, do f cã xu thÕ tiÕn dÇn tíi 0, giã kh«ng ®−îc x¸c ®Þnh bëi quan hÖ giã nhiÖt ë miÒn nhiÖt ®íi. §èi chiÕu H×nh 4.1 vμ 4.2 ta thÊy hoμn l−u Hadley th¨ng lªn ë vïng vÜ ®é thÊp n¬i cã nhiÖt ®é lín nhÊt vμ gi¸ng xuèng ë vïng cã nhiÖt ®é nhá h¬n. Tõ ch−¬ng ba ta thÊy hoμn l−u sinh ra ®éng n¨ng, ®−îc gäi lμ "hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp". Hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp còng thÊy ë c¸c vÜ ®é cao, ®Æc biÖt vμo mïa ®«ng ë miÒn vÜ ®é trung b×nh Nam B¸n CÇu. Hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh lμ hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp. Hoμn l−u nhiÖt ®èi xøng trùc tiÕp kh«ng tån t¹i ë miÒn vÜ ®é trung b×nh, ë ®©y nã ®−îc thay thÕ b»ng mét hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp ®−îc gäi lμ vßng hoμn l−u Ferrel. §Æc ®iÓm nhiÖt ®éng lùc cña hoμn l−u nμy ®Æc tr−ng bëi dßng gi¸ng ë khu vùc nãng vμ dßng th¨ng ë khu vùc l¹nh h¬n, ®Æc tr−ng cho sù tiªu t¸n cña ®éng n¨ng. Hoμn l−u - 83 - nμy bÞ t¸c ®éng bëi mét sè nguyªn nh©n h×nh thμnh d¹ng c¬ häc. KÕt qu¶ nghiªn cøu ®· ®−îc c¸c t¸c gi¶ Victor Starr vμ c¸c céng sù cña «ng ë MIT tiÕn hμnh vμo n¨m 1940 vμ 1950 cho thÊy vai trß ®¸ng kÓ cña c¸c xo¸y miÒn «n ®íi trong viÖc ®iÒu khiÓn hoμn l−u. H×nh 4.2 §−êng ®¼ng tèc cña  u vµ   . (a) Th¸ng 12,1,2 (b) Th¸ng 6,7,8 lËp trªn c¬ së sè liÖu cña ECMWF. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc nh− trªn H×nh 4.1. Kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng  lµ 5K H¹n chÕ cña hoμn l−u Hadley trong miÒn nhiÖt ®íi liªn quan víi chuyÓn ®éng quay cña Tr¸i §Êt. ChuyÓn ®éng tùa ®èi xøng cã xu thÕ b¶o toμn m«men ®éng l−îng, kÕt qu¶ lμ g©y nªn giã vÜ h−íng m¹nh mét c¸ch dÞ th−êng ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u h−íng vÒ cùc tõ 20o vÜ hay lín h¬n. ViÖc x¸c ®Þnh m«men ®éng l−îng riªng cña dßng khÝ t¹i vÜ ®é  lμ ( a cos + [u]) a cos . Sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng ®èi víihoμn l−u n¬i tèc ®é giã vÜ h−íng b»ng 0 t¹i xÝch ®¹o cho thÊy giã vÜ h−íng t¹i c¸c vÜ ®é kh¸c ®−îc tÝnh theo c«ng thøc    cos/sinau 2 (4.1) Theo c«ng thøc nμy ta tÝnh ®−îc giã ë 200 lμ 56m/s vμ 127m/s ë vÜ ®é 300 . Tuy nhiªn, to¸n ®å cho thÊy lμ trong khi b¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng m« t¶ ®−îc giã vÜ h−íng ë c¸c vÜ ®é trung b×nh vμ vÜ ®é cao th× giã ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u miÒn nhiÖt ®íi vμ cËn nhiÖt ®íi biÕn ®æi theo kiÓu nh− ph−¬ng tr×nh 4.1 m« t¶. Giã t¨ng lªn xÊp xØ - 84 - hμm bËc hai tõ xÝch ®¹o, víi tèc ®é cùc ®¹i 35-40m/s ë dßng xiÕt cËn nhiÖt ®íi. Thùc tÕ lμ giã ë dßng xiÕt cËn nhiÖt cã liªn quan víi giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña nh¸nh trªn cao trong vßng hoμn l−u Hadley. §iÒu ®ã cho thÊy r»ng vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ lμ m« h×nh ho¸ th« cña sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng trong vßng hoμn l−u ®èi xøng. Tr−íc khi m« t¶ mét m« h×nh ®¬n gi¶n cña hoμn l−u Hadley dùa trªn nh÷ng nguyªn lý c¬ b¶n ®ã, ta cÇn ph¶i thÊy r»ng m« h×nh hoμn l−u Hadley/Halley ®¬n gi¶n b©y giê thÊy gÇn thùc tÕ h¬n lμ s¬ ®å biÓu diÔn trªn H×nh 4.1. Sè liÖu sö dông cho s¬ ®å ®· ®−îc lÊy trung b×nh theo hμm Euler, ®ã lμ chuçi thêi gian cña giã ë vÜ ®é vμ mùc nhÊt ®Þnh ®−îc tæng hîp ®Ó tÝnh ®−îc giã trung b×nh mïa. Nh−ng ta sÏ cã mét bøc tranh rÊt kh¸c biÖt nÕu lÊy trung b×nh theo ph−¬ng ph¸p Lagrangian b»ng c¸ch lÊy trung b×nh tèc ®é cña c¸c ph©n tö khÝ khi chóng chuyÓn ®éng vßng trong khÝ quyÓn. ViÖc lÊy trung b×nh nμy rÊt khã thùc hiÖn do sè liÖu kh«ng ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, cã thÓ thùc hiÖn lÊy trung b×nh xÊp xØ Lagrangian. VÝ dô, Johnson ®· ph©n tÝch sè liÖu giã bÒ mÆt theo nhiÖt ®é thÕ vÞ tr−íc khi tiÕn hμnh lÊy trung b×nh theo thêi gian vμ theo vÜ ®é. V× vËy, nhiÖt ®é thÕ vÞ nãi chung b¶o toμn trong c¸c ph©n tö chÊt láng theo quy m« thêi gian nhá h¬n 5 ngμy. ViÖc lÊy trung b×nh ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ nμy ®èi víi c¸c ph©n tö khÝ trong kho¶ng thêi gian ng¾n. §Æc biÖt, cã thÓ theo dâi c¸c ph©n tö khÝ xuyªn qua hÖ thèng ¸p thÊp ë vÜ ®é trung b×nh. Trªn H×nh 4.3 lμ kÕt qu¶ ph©n tÝch thÓ hiÖn râ hμm dßng theo h−íng kinh tuyÕn ®èi víi thêi kú thùc hiÖn trong FGGE sö dông c¸ch tÝnh trung b×nh Euler truyÒn thèng víi kÕt qu¶ ph©n tÝch t−¬ng tù trªn mÆt . H×nh 4.3 Sù ®èi lËp cña hµm dßng khèi l−îng theo chiÒu kinh h−íng th¸ng 1-1979 (a) Dïng ph−¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh tùa Lagrange trªn mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ vµ (b) Dïng ph−¬ng ph¸p tÝnh trung b×nh Euler trªn mÆt ®¼ng ¸p (Townsend, Johnson, 1985) - 85 - NÕu lÊy quy m« cña to¹ ®é th¼ng ®øng th× m« h×nh miÒn «n ®íi trong c¶ hai tr−êng hîp kh«ng gièng nhau. ë miÒn «n ®íi n¬i tËp trung c¸c hÖ thèng ¸p thÊp dÞch chuyÓn, chóng kh¸c biÖt hoμn toμn. Vßng hoμn l−u Ferrel kh«ng cã trªn c¸c s¬ ®å ®¼ng entropi, c¸c ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng tõ miÒn nhiÖt ®íi vÒ miÒn cùc theo hoμn l−u trùc tiÕp nhiÖt ®éng lùc. B¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng ®−îc thùc hiÖn thËm chÝ lμ gÇn ®óng ®èi víi hoμn l−u nμy t¹i c¸c vÜ ®é cao. Nguyªn nh©n lμ do gradien khÝ ¸p vÜ h−íng ®Þa ph−¬ng cã liªn quan víi sù vËn chuyÓn theo chiÒu kinh h−íng ë miÒn «n ®íi v−ît qu¸ chuyÓn ®éng quay theo chiÒu vÜ h−íng cña khÝ quyÓn. Nh−ng ®iÒu ®ã kh«ng x¶y ra do tr−êng giã vÜ h−íng cã liªn quan víi hoμn l−u phi ®o¹n nhiÖt g©y ra nhiÔu ®éng dÞch chuyÓn kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn ®Çy ®ñ. Nh÷ng hiÖu øng cña c¸c xo¸y ®èi víi dßng vÜ h−íng sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 4.4. Nguån gèc cña c¸c xo¸y nμy lμ tiªu ®Ò chÝnh cña Ch−¬ng 5 vμ Ch−¬ng 6. 4.2 M« h×nh Held-Hou cña hoμn l−u Hadley M« h×nh vßng hoμn l−u Hadley ®¬n gi¶n nhÊt vμ thÓ hiÖn râ c¬ chÕ vËt lý nhÊt lμ m« h×nh cña Held vμ Hou c«ng bè n¨m 1980. M« h×nh sö dông nh÷ng nguyªn lý c©n b»ng m«men ®éng l−îng vμ c©n b»ng giã nhiÖt ®èi víi ph©n tö khÝ chuyÓn ®éng vßng ®Ó dù b¸o sù më réng theo h−íng vÜ tuyÕn vμ sù t¨ng c−êng cña vßng hoμn l−u Hadley. H×nh 4.4 minh ho¹ vÒ m« h×nh nμy. H×nh 4.4 Minh ho¹ s¬ ®å cña m« h×nh Held-Hou M« h×nh gåm hai mùc cña tÇng ®èi l−u nhiÖt ®íi. Dßng khÝ h−íng vÒ xÝch ®¹o t¹i bÒ mÆt, n¬i mμ ma s¸t bÒ mÆt lμm gi¶m tèc ®é giã trung b×nh vÜ h−íng, sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng kh«ng ®¸ng kÓ. Dßng h−íng cùc xuÊt hiÖn ë ®é cao H. CÊu tróc nhiÖt ®−îc m« t¶ b»ng nhiÖt ®é thÕ vÞ  ë mùc gi÷a H/2. Dßng ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sù lμm l¹nh Newt¬n theo sù ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹  E( ) ®èi víi quy m« thêi gian  E. §ã lμ ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc ®−îc viÕt nh− sau   E E Dt D   (4.2) - 86 -  E ®−îc tÝnh theo biÓu thøc     sinP 3 2 20E (4.3) trong ®ã P2 (sin ) = ( 3 sin2  -1)/2 lμ ®a thøc Lagendre bËc hai.  lμ nhiÖt ®é thÕ vÞ c©n b»ng bøc x¹ trung b×nh toμn cÇu.  lμ sù kh¸c biÖt nhiÖt ®é c©n b»ng gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o. Sù ph©n bè ®ã ®−îc lμm tr¬n vμ coi lμ liªn tôc vμ gi÷ ®−îc ®Æc tÝnh ®èi xøng quan träng ®ã lμ   = 0 t¹i cùc vμ t¹i xÝch ®¹o. Thùc tÕ lμ d¹ng cÇu lμ mét nh©n tè lμm phøc t¹p ho¸ ph©n tÝch vμ kh«ng ®−a vμo m« h×nh mét nguyªn lý vËt lý míi. Gi¶ thiÕt a y lμ nhá ®Ó cho sin cã thÓ ®−îc tÝnh bëi a ysin  ph−¬ng tr×nh 4.3 trë thμnh   220EE ya  (4.4) Ph©n bè nhiÖt thùc tÕ kh¸c víi ph©n bè c©n b»ng bøc x¹ víi b×nh l−u do chuyÓn ®éng kh«ng khÝ c©n b»ng víi xu thÕ phi ®o¹n nhiÖt ®−îc cho bëi ph−¬ng tr×nh 4.2. Thùc chÊt m« h×nh Held-Hou ®−îc dïng ®Ó dù b¸o nhiÖt ®é thùc tÕ tõ b¶o toμn c©n b»ng m«men ®éng l−îng. Gi¶ thiÕt giã ë mùc trªn cao theo ph−¬ng tr×nh 4.1, ë nh÷ng vÜ ®é thÊp tÝnh theo c«ng thøc a yU 2 M  (4.5) ChØ sè d−íi M cho biÕt ®©y lμ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ b¶o toμn m«men ®éng l−îng. Giã vÜ h−íng ë mùc thÊp b»ng kh«ng do ma s¸t g©y nªn. aH y H U z u 2M   (4.6) Nh−ng ®é ®øt giã th¼ng ®øng liªn hÖ víi gradien ngang cña nhiÖt ®é theo quan hÖ giã nhiÖt. Víi gi¶ thiÕt lμ dßng ®èi xøng dõng vμ c©n b»ng tÜnh häc. C©n b»ng giã nhiÖt ph¶i tho¶ m·n ngay c¶ ®èi víi miÒn vÜ ®é thÊp (xem ph−¬ng tr×nh (1.53)). Dïng chiÒu cao lμm to¹ ®é th¼ng ®øng, ph−¬ng tr×nh cã thÓ viÕt d−íi d¹ng y g z usin2 0     (4.7) Thay z u   tõ ph−¬ng tr×nh (4.6) ta cã 32 0 2 y gHa 2 y   (4.8) LÊy tÝch ph©n biÓu thøc nμy ta nhËn ®−îc ph©n bè nhiÖt ®é thÕ vÞ thùc tho¶ m·n m« h×nh giã vÜ h−íng 42 0 2 0MM ygHa2  (4.9) - 87 - H¬n n÷a, chØ sè d−íi M cho thÊy r»ng tr−êng nhiÖt ®é thÕ vÞ nhËn ®−îc tõ viÖc sö dông tÝnh b¶o toμn m«men quay. Trong ®ã M0 lμ h»ng sè tÝch ph©n cÇn ®−îc x¸c ®Þnh nÕu biÓu diÔn nhiÖt ®é xÝch ®¹o vμ ta dù ®o¸n tr−íc lμ sù vËn chuyÓn nhiÖt do vßng hoμn l−u Hadley lμm cho nhiÖt ®é xÝch ®¹o nhá h¬n  E0. Ph©n bè cña  E vμ M ®−îc so s¸nh trªn H×nh 4.5. H×nh 4.5 Minh ho¹ sù phô thuéc hµm víi kho¶ng c¸ch tíi cùc ®èi víi m« h×nh Held-Hou. Ph¶i ®−îc chän sao cho diÖn tÝch gi÷a hai ®−êng cong ph¶i b»ng nhau, nghÜa lµ kh«ng cã sù ®èt nãng thuÇn cña phÇn tö khÝ Profile nhiÖt ®é ph¼ng h¬n profile c©n b»ng bøc x¹ ë khu gÇn tíi xÝch ®¹o. ë vÜ ®é cao, nã gi¶m nhanh h¬n. Tõ h×nh vÏ ta thÊy r»ng ë ®©y cã sù ®èt nãng trong khu vùc tõ xÝch ®¹o ®Õn ®iÓm c¾t thø nhÊt, sù lμm l¹nh trong khu vùc tõ ®iÓm c¾t thø nhÊt tíi ®iÓm c¾t thø hai. ë nh÷ng vÜ ®é cao l¹i cã sù ®èt nãng, ®iÒu nμy lμ kh«ng thÓ cã ®−îc vÒ mÆt ®éng lùc häc vμ cã thÓ kÕt luËn lμ chuyÓn ®éng h−íng cùc b¾t ®Çu tõ ®iÓm c¾t thø hai, ®iÓm c¾t thø hai lμ giíi h¹n vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley, vÜ ®é cña nã biÓu diÔn lμ Y. ë vÜ ®é cao h¬n  E trong m« h×nh ®èi xøng nμy. VÜ ®é giíi h¹n cña nh¸nh vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Y ®−îc x¸c ®Þnh bëi gi¸ trÞ M0 ®−îc chän sao cho ë ®©y kh«ng cã sù ®èt nãng cña ph©n tö khÝ tham gia hoμn l−u, do ®ã, (tõ ph−¬ng tr×nh 4.2) dydy Y 0 Y 0 EM  hoÆc 220E 4 2 0 2 0M Ya3 Y gHa10  (4.10) víi gi¶ thiÕt  E kh«ng biÕn ®æi theo vÜ ®é, h¬n n÷a E = M t¹i y = Y ta cã ph−¬ng tr×nh thø hai cho Y vμ M0 220E 4 2 0 2 0M Ya Y gHa2  (4.11) - 88 - Hai ph−¬ng tr×nh ®ã cã hai biÕn ch−a biÕt lμ Y vμ M0 . Cã thÓ thÊy tr−íc lμ lêi gi¶i c¸c biÕn nμy cã d¹ng lμ 2/1 0 23 gH5Y       (4.12) vμ 0 22 2 0M0E a18 gH5   (4.13) NÕu chän  0 = 255 K vμ  = 40K (gi¸ trÞ quan tr¾c th−êng thÊy) ta tÝnh ®−îc Y = 2200km vμ E 0 - M0 = 0,8K. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy −íc l−îng chiÒu ngang cña vßng hoμn l−u Hadley Ýt nhÊt phï hîp víi thùc tÕ quan tr¾c, tuy nhiªn h¬i nhá h¬n so víi gi¸ trÞ nμy. M« h×nh còng ®−a ra mét bøc tranh vÒ mèi quan hÖ gi÷a giã vÜ h−íng ë phÇn trªn tÇng ®èi l−u víi vßng hoμn l−u Hadley. Víi y  Y, giã vÜ h−íng ë mùc trªn ®¬n gi¶n b»ng UM tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.5. Víi y > Y nhiÖt ®é b»ng nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ vμ giã vÜ h−íng cã thÓ ®−îc tÝnh tõ c©n b»ng giã nhiÖt nhê sö dông E, giã nμy ký hiÖu lμ UE vμ khi vÜ ®é nhá nã ®−îc coi lμ kh«ng ®æi vμ b»ng   a gH . Cã sù gi¸n ®o¹n cña giã vÜ h−íng t¹i y = Y. KÕt qu¶ dù ®o¸n cã c¶ yÕu tè phï hîp thùc tÕ vμ kh«ng phï hîp víi thùc tÕ. §iÒu ®ã cho thÊy tån t¹i dßng xiÕt cËn nhiÖt ë giíi h¹n cùc cña vßng hoμn l−u Hadley. Thùc vËy, H×nh 4.1 cho thÊy cã tån t¹i dßng xiÕt nμy. Nh−ng sù gi¸n ®o¹n vÒ tèc ®é giã ë r×a cña vßng hoμn l−u Hadley kh«ng quan tr¾c ®−îc v× nã rÊt bÊt æn ®Þnh. Sù kh¸c nhau gi÷a 0M (nhiÖt ®é xÝch ®¹o thùc) vμ 0E (nhiÖt ®é xÝch ®¹o c©n b»ng bøc x¹) cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dßng kinh h−íng liªn quan víi hoμn l−u Hadley. T¹i xÝch ®¹o do tÝnh ®èi xøng ta sÏ cã c©n b»ng gi÷a biÕn ®æi b×nh l−u theo chiÒu th¼ng ®øng vμ sù ®èt nãng nªn E 0M0E z w    E 0M0E 2 0 N gw    (4.14) trong ®ã N lμ tÇn sè Brunt-Vaisala cña khÝ quyÓn. Chän  E = 15 ngμy vμ gi¶ thiÕt N = 10-2 /s th× W = 0,24 mm/s. Do tÝnh liªn tôc, tèc ®é giã ngang ®Æc biÖt ë phÇn cËn nhiÖt cña vßng hoμn l−u Hadley v w H Y~ (4.15) Víi c¸c tham sè trªn th× v = 0,5 cm/s. So s¸nh víi H×nh 4.1 ta thÊy giã kinh h−íng quan tr¾c ®−îc trong vßng hoμn l−u Hadley kho¶ng 1m/s. V× vËy, ta cã thÓ nãi r»ng m« h×nh ®· x¸c ®Þnh hîp lý h×nh d¹ng cña hoμn l−u Hadley, nh−ng c−êng ®é ®−îc x¸c ®Þnh theo m« h×nh lμ nhá. Tuy nhiªn lý thuyÕt Held-Hou cã thÓ tèt h¬n nh÷ng gi¶ thiÕt ®¬n gi¶n nμy. Ta ®· xem xÐt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m ®èi xøng qua xÝch ®¹o. Nh−ng ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi kh«ng ®èi xøng qua xÝch ®¹o trong h¹ chÝ vμ - 89 - ®«ng chÝ, víi cùc ®¹i ®èt nãng ë b¸n cÇu mïa hÌ. Ph©n bè nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cã d¹ng    1sin3sin 2 2 EP NS 0E  (4.16) trong ®ã EP lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc vμ xÝch ®¹o. NS lμ chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc mïa hÌ vμ cùc mïa ®«ng. Khi ®ã, dßng th¨ng kh«ng cßn ë ngay trªn xÝch ®¹o. V× vËy, b¶o toμn m«men ®éng l−îng dÉn tíi sù h×nh thμnh giã ®«ng trªn cao ë xÝch ®¹o (do c©n b»ng giã nhiÖt) vμ cùc ®¹i M lÖch khái xÝch ®¹o tíi vÜ ®é cã dßng ®i lªn cùc ®¹i. H×nh 4.6 minh ho¹ d¹ng cña ®−êng M vμ  E trong tr−êng hîp phi ®èi xøng. H×nh 4.6 M« h×nh Held- Hou ®èi víi tr−êng hîp ®èt nãng cùc ®¹i kÓ tõ xÝch ®¹o. VÜ ®é DNs ,,  còng nh− nhiÖt ®é MO t¹i xÝch ®¹o cÇn ®−îc x¸c ®Þnh Phi ®èi xøng nghÜa lμ sù t¨ng lªn cùc ®¹i kh«ng liªn quan víi vÜ ®é n¬i cã nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i hay liªn quan víi ®−êng chia vßng hoμn l−u B¾c B¸n CÇu vμ Nam B¸n CÇu. KÕt qu¶ lμ ta cã mét hÖ thèng phøc t¹p h¬n víi 4 th«ng sè ch−a biÕt chóng ®−îc x¸c ®Þnh theo ®iÒu kiÖn trong ph−¬ng tr×nh 4.12 vμ 4.13. KÕt qu¶ tÝnh to¸n cña m« h×nh phi ®èi xøng ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 4.7. Vßng hoμn l−u nhanh chãng trë thμnh phi ®èi xøng khi cùc ®¹i c©n b»ng bøc x¹ lÖch khái xÝch ®¹o, víi mét vßng hoμn l−u nhá ë b¸n cÇu mïa hÌ vμ mét vßng hoμn l−u m¹nh h¬n víi dßng th¨ng ë b¸n cÇu mïa hÌ, dßng gi¸ng ë b¸n cÇu mïa ®«ng. Dßng khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi hai vßng hoμn l−u tû lÖ thuËn víi khu vùc n»m gi÷a ®−êng cong  M vμ  E trªn H×nh 4.5. Kh¸c nhiÒu so víi m« h×nh ®èt nãng phi ®èi xøng vμ ta sÏ gi¶ thiÕt hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m chiÕm −u thÕ bëi hai vßng hoμn l−u mïa ®«ng. NÕu gi¶ thiÕt nμy lμ ®óng −íc tÝnh Y sÏ t¨ng, w vμ v sÏ t¨ng víi ®¹i l−îng lμm cho nã lín h¬n so víi ®−êng vÏ theo kÕt qu¶ quan tr¾c. - 90 - H×nh 4.7 KÕt qu¶ tÝnh ®èi víi vßng hoµn l−u Hadley bÊt ®èi xøng víi gi¶ thiÕt c¸c th«ng sè nh− trªn: (a) biÕn DNs ,,  nh− hµm cña o , vÜ ®é cña d¶i cã nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ cùc ®¹i (b) biÕn cña dßng khèi l−îng ®−îc vËn chuyÓn bëi vßng hoµn l−u mïa ®«ng vµ mïa hÌ nh− hµm cña o Mét nguyªn lý quan träng ®· ®−îc minh ho¹ b»ng nh÷ng tÝnh to¸n ®ã. C−êng ®é vμ ®Æc tr−ng cña c¸c vßng hoμn l−u hoμn l−u chÞu ¶nh h−ëng cña hμm phi tuyÕn cao lμm biÕn ®æi vÜ ®é cã ®èt nãng cùc ®¹i. KÕt qu¶ lμ hoμn l−u Hadley trung b×nh n¨m rÊt kh¸c so víi khi thÝch øng víi t¸c ®éng trung b×nh n¨m mμ ta sÏ dù ®o¸n. D−íi d¹ng kh¸c nhau, vÊn ®Ò vÒ tÝnh trung b×nh phi tuyÕn lμ mét khã kh¨n lín nhÊt trong viÖc tham sè ho¸ nhiÒu qu¸ tr×nh t¸c ®éng phi ®o¹n nhiÖt trong khÝ quyÓn. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ cÇn ch¹y m« h×nh hoμn l−u chung phøc t¹p thËm chÝ nÕu chØ quan t©m ®Õn chØ mét trong hai hoμn l−u trung b×nh n¨m vμ theo vÜ h−íng. Lo g 1 0 ( D ßn g kh èi l− în g ch uÈ n ho ¸) Lo g 1 0 ( D ßn g kh èi l− în g ch uÈ n ho ¸) Vßng hoµn l−u mïa ®«ng Vßng hoµn l−u mïa hÌ - 91 - 4.3 M« h×nh hoμn l−u Hadley thùc tÕ h¬n Cã hai ®iÒu ch−a tÝnh ®Õn trong c¸c phÇn tr−íc. Thø nhÊt lμ kh«ng tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t ®Õn phÇn trªn cña khÝ quyÓn. V× quy m« thêi gian cña m« h×nh dù b¸o vßng hoμn l−u Hadley lμ quy m« thêi gian bøc x¹ lín, ngay c¶ sù t¸n x¹ rÊt yÕu còng cã thÓ lμm dßng khÝ biÕn d¹ng. Thø hai lμ ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt gi¶i phãng do ng−ng kÕt h¬i n−íc bÞ bá qua. Thùc tÕ, Èn nhiÖt chiÕm −u thÕ trong sù ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi. V× vËy, kh«ng thÓ nãi lμ viÖc sö dông c¸c m« h×nh nμy lμ kh«ng thùc tÕ. Môc tiªu cña c¸c m« h×nh dùa trªn c¬ së khoa häc lμ t¸ch biÖt ®−îc nh÷ng c¬ chÕ quan träng khái c¬ chÕ phô. KÕt hîp toμn bé lμ kh«ng thÓ ®−îc trong c¸c m« h×nh nh−ng ph¶i tÝnh ®−îc hÕt c¸c nh©n tè. M« h×nh Held-Hou −u viÖt vμ do kh«ng ph¶i nã bá qua c¸c sù ¶nh h−ëng mμ v× ngay c¶ víi gi¶ thiÕt tèi thiÓu m« h×nh vÉn thÓ hiÖn ®−îc nhiÒu cÊu tróc quan s¸t ®−îc cña vßng hoμn l−u kinh h−íng vμ tr−êng giã vÜ h−íng. Tuy nhiªn trong phÇn nμy, cÇn xem xÐt møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè biÕn ®æi phøc t¹p ®ã. Ta sÏ xem xÐt ¶nh h−ëng cña lùc ma s¸t sö dông mét ph−¬ng ¸n cña m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n ®· giíi thiÖu trong môc 2.4. §©y lμ tr−êng hîp bÊt ®èi xøng trong ®ã sù biÕn ®æi vßng hoμn l−u theo h−íng kinh tuyÕn ®−îc bá qua. D¹ng phøc t¹p h¬n cña lùc ma s¸t ®−îc sö dông, ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng cã d¹ng 2 2 MM z uKLN t u    (4.17) trong ®ã LM vμ NM lμ thμnh phÇn ®éng l−îng tuyÕn tÝnh vμ phi tuyÕn. K lμ mét h»ng sè cña hÖ sè khuÕch t¸n th¼ng ®øng. Sè h¹ng khuyÕch t¸n vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh lμ tham sè th« cña vËn chuyÓn rèi ®èi víi m«men ®éng h−îng trong líp biªn hμnh tinh. §«i khi ®−îc gäi lμ mét hÖ sè nhít rèi. Do ¶nh h−ëng cña sè h¹ng khuyÕch t¸n lμ ®Ó ®−a ra líp biªn Ekman cæ ®iÓn vμo trong dßng khÝ, trong ®ã ®é dÇy cña líp biªn ®−îc tÝnh bëi 2/1 f K2D    (4.18) CÇn nhí ®é dÇy cña líp biªn hμnh tinh ë vÜ ®é trung b×nh dμy kho¶ng mét km, nã kÐo theo gi¸ trÞ hîp lý cña K lμ 10-2 m2/s. Líp biªn Ekman g©y ra mét vßng hoμn l−u thø hai, lμm tiªu tan xo¸y trong chÊt khÝ phÝa trªn líp biªn bëi sù kÐo d·n hoÆc co l¹i cña c¸c èng xo¸y. H×nh 4.8 minh ho¹ ®iÒu ®ã. Quy m« thêi gian ®Æc tr−ng cho sù d·n yÕu nμy lμ 2/12 D fK H2     (4.19) - 92 - H×nh 4.8 Sù tiªu t¸n cña xo¸y do ma s¸t cña líp biªn Ekman Kho¶ng vμi ngμy ë vÜ ®é trung b×nh. Theo xu thÕ ®ã, nÕu quy m« thêi gian cña vßng hoμn l−u Hadley dμi h¬n quy m« thêi gian d·n yÕu, ®é ®øt giã kinh h−íng m¹nh ph¸t triÓn ë gÇn dßng xiÕt cËn nhiÖt trong m« h×nh Held-Hou sÏ ®−îc ®iÒu chØnh bëi sù cã mÆt cña líp biªn vÜ ®é trung b×nh. H×nh 4.9 Vßng hoµn l−u Hadley vµ giã vÜ h−íng nhËn ®−îc tõ m« h×nh hoµn l−u toµn cÇu bÊt ®èi xøng ®¬n gi¶n. (a) (b) lµ tr−êng hîp víi E ®èi xøng qua xÝch ®¹o; (c) vµ (d) lµ tr−êng hîp E cùc ®¹i n»m ë 10oN - 93 - H×nh 4.9 (tiÕp) (c) (d) Hµm dßng khèi l−îng víi kho¶ng gi¸ trÞ gi÷a c¸c ®−êng lµ 5 x 109 kg s-1 Trong khi ®èi víi giã vÜ h−íng víi kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng tèc lµ 5m/s, khu vùc t« rÊt ®Ëm lµ n¬i dßng th¨ng cã tèc ®é v−ît qu¸ 20m/s KÕt qu¶ cña hai phÐp tÝch ph©n trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n víi sè h¹ng ma s¸t nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 4.10. H×nh 4.10 S¬ ®å m« t¶ ITCZ vµ vßng hoµn l−u Hadley M« h×nh ®Çu cã E ®èi xøng qua xÝch ®¹o, t−¬ng tù nh− m« h×nh Held-Hou ®¬n gi¶n nhÊt. Mét vßng hoμn l−u Hadley yÕu më réng vÒ phÝa cËn nhiÖt, cïng víi dßng xiÕt cËn nhiÖt. Tèc ®é giã vÜ h−íng nhá h¬n nhiÒu so víi kÕt qu¶ dù b¸o b»ng m« h×nh kh«ng ma s¸t vμ kh«ng cã sù gi¸n ®o¹n cña giã liªn quan víi r×a cña vßng hoμn l−u Hadley. H¬n n÷a, vßng hoμn l−u Hadley kh«ng cã biªn s¾c nÐt vÒ phÝa cùc, mÆc dï nã ®· trë nªn rÊt yÕu ë vÜ ®é cao. Quy m« cña vßng hoμn l−u Hadley rÊt lín so víi quy m« Giã tÝn phong Giã tÝn phong ITCZ TÇng ®èi l-u - 94 - dù b¸o cña m« h×nh Held-Hou. Giã vÜ h−íng th−êng yÕu h¬n. PhÐp tÝch ph©n thø hai lμ cho ®iÒu kiÖn víi h¹n chÕ gradien nhiÖt ®é ë vÜ ®é trung b×nh cña b¸n cÇu mïa ®«ng b»ng gÇn hai lÇn so víi b¸n cÇu mïa hÌ. Cùc ®¹i cñaE ë 60N. Sù bÊt ®èi xøng gi÷a vßng hoμn l−u Hadley mïa ®«ng vμ vßng hoμn l−u Hadley mïa hÌ rÊt râ tuy kh«ng thÓ hiÖn trªn H×nh 4.7. Vßng hoμn l−u mïa hÌ chØ cã mét dßng xiÕt cËn nhiÖt yÕu ë r×a phÝa cùc cña vßng hoμn l−u, tån t¹i víi ¶nh h−ëng sù thèng trÞ cña lùc ma s¸t ®èi víi mét dßng chuyÓn ®éng vßng chËm. Vßng hoμn l−u mïa ®«ng m¹nh h¬n, t−¬ng øng víi nã lμ dßng xiÕt còng m¹nh h¬n, mÆc dï kh«ng m¹nh b»ng tr−êng hîp dßng ch¶y ®−îc xem lμ b¶o toμn m«men ®éng l−îng, vμ nã ®−îc thÓ hiÖn ë dÊu hiÖu ®é ®øt rÊt s¾c nÐt ë s−ên h−íng cùc cña vßng hoμn l−u. Khi chóng ta xem xÐt nh÷ng ch−¬ng tiÕp sau ta sÏ thÊy dßng khÝ nμy rÊt bÊt æn ®Þnh nÕu gi¶ thiÕt ®iÒu kiÖn bÊt ®èi xøng ®−îc tho¶ m·n. KÕt qu¶ dßng xo¸y nhiÖt vμ m«men ®éng l−îng sÏ nhanh chãng lμm biÕn d¹ng profile dßng xiÕt vμ ®−a nã vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh h¬n. B©y giê ta h·y xem xÐt ¶nh h−ëng cña ®é Èm. ¶nh m©y vÖ tinh cho thÊy c¸c vßng Hadley ë mçi b¸n cÇu bÞ t¸ch biÖt bëi mét d¶i m©y vò tÝch Cb. D¶i m©y nμy h×nh thμnh ë trªn d¶i héi tô, n¬i giã tÝn phong mùc thÊp cña hai b¸n cÇu gÆp nhau vμ th−êng ®−îc gäi lμ d¶i héi tô nhiÖt ®íi (ITCZ). H×nh 4.10 biÓu diÔn s¬ ®å vÒ sù h×nh thμnh cña ITCZ vμ mèi quan hÖ cña nã víi vßng hoμn l−u Hadley. Kh«ng khÝ gi¸ng xuèng ë r×a phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley ®¹t tíi tËn líp biªn víi ®é Èm t−¬ng ®èi thÊp nhÊt. Kh«ng khÝ chuyÓn ®éng h−íng vÒ xÝch ®¹o trong dßng ch¶y mùc thÊp, mang theo nhiÖt vμ Èm tõ bÒ mÆt bªn d−íi khi nã chuyÓn ®éng. Khi kh«ng khÝ gÆp kh«ng khÝ tõ b¸n cÇu ®èi diÖn nã ®−îc ®Èy lªn cao. Khi th¨ng lªn kh«ng khÝ nhanh chãng trë thμnh kh«ng khÝ b·o hßa trong ®ã x¶y ra ng−ng kÕt vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt. L−îng Èn nhiÖt gi¶i phãng ®−îc c©n b»ng bëi dßng th¨ng vμ do ®ã ITCZ ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®èi l−u s©u xuyªn qua tÇng ®èi l−u. Nguyªn lý ¶nh h−ëng cña Èn nhiÖt lμ nguyªn nh©n tËp trung nhÊt cña chuyÓn ®éng th¨ng cña hoμn l−u Hadley trªn mét d¶i ITCZ hÑp. ViÖc tÝnh ®Õn b¶n chÊt cña vßng hoμn l−u Hadley theo m« h×nh Èm nμy gÆp rÊt nhiÒu khã kh¨n, do ph¶i tÝnh ®Õn nh÷ng sù trao ®æi nhiÖt Èm trong líp biªn còng nh− ®èi l−u m©y tÝch s©u trong ITCZ. Nh− ta ®· thÊy trong môc 2.4. ViÖc tham sè ho¸ ®ã lμ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng nh−ng cßn Ýt ®−îc gi¶i quyÕt trong m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu. Tuy nhiªn, gi¶ thiÕt giíi h¹n vÒ ®é réng vμ c−êng ®é cña vßng hoμn l−u h−íng thùc tÕ cã triÓn väng h¬n sù tÝnh to¸n ban ®Çu. Ta h·y tiÕp tôc xem xÐt m« h×nh Held-Hou gåm hai mùc, víi mùc d−íi lμ líp biªn Èm vμ mùc trªn lμ dßng ch¶y h−íng cùc kh«ng ma s¸t ë phÇn gi÷a vμ phÇn trªn tÇng ®èi l−u. §Ó ®¬n gi¶n ta h·y trë l¹i tr−êng hîp vßng hoμn l−u ®èi xøng qua xÝch ®¹o. Còng nh− tr−íc kia, giã vÜ h−íng trong tÇng trªn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng, vμ do ®ã biÕn ®æi cña nhiÖt ®é thÕ vÞ M theo vÜ ®é, ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.9. Sù lμm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dμi theo kh«ng gian cã thÓ ®−îc tÝnh theo tû sè E M   . T−¬ng tù, khi kh«ng cã chuyÓn ®éng chÊt khÝ, nhiÖt ®é E, sù ph©n bè - 95 - nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ tÝnh theo ph−¬ng tr×nh 4.4. Sù ph©n bè cña ®èt nãng do ph¸t x¹ sãng ng¾n ®¬n gi¶n lμ E E   , tæng l−îng nhiÖt ®−îc tÝnh theo