Nhập môn hoàn lưu khí quyển

§¹i häc quèc gia Hμ Néi Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn Ian N. James nhËp m«n hoμn l−u khÝ quyÓn Biªn dÞch: Vò Thanh H»ng Lª ThÞ Th−¬ng Hμ Néi – 2002 - 2 - Introduction to Circulating Atmosphere Ian N. James University of reading Cambridge university press - 3 - Published by the Press Syndicate of the University of Cambridge The Pitt Building, Trumpington Street, Cambridge CB2 1RP 40 West 20th Street, New York, NY 10011-4211, USA 10 Stamford Road, Oakleigh, Melbourne 3166, Australia  Cambridge University Press 1994 First published 1994 Printed in Great Britain at the University Press, Cambridge A catalogue record for this book is available from the Bristish Library Library of Congress cataloguing in publication data available ISBN 0 521 41895 X hardback TAG - 4 - Môc lôc Lêi dÉn 7 Ký hiÖu 13 Ch−¬ng 1 C¸c ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n 17 1.1 §Þnh luËt thø nhÊt cña nhiÖt ®éng lùc häc 17 1.2 B¶o toμn vËt chÊt 20 1.3 §Þnh luËt thø hai vÒ chuyÓn ®éng cña Newton 21 1.4 C¸c hÖ täa ®é 23 1.5 C©n b»ng thuû tÜnh 24 1.6 Xo¸y 27 1.7 GÇn ®óng tùa ®Þa chuyÓn 29 1.8 Xo¸y thÕ vμ ph−¬ng tr×nh omega 33 1.9 Xo¸y thÕ Ertel 35 1.10 Bμi tËp 37 Ch−¬ng 2 Quan tr¾c vμ m« h×nh ho¸ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu 38 2.1 ViÖc tÝnh trung b×nh trong nghiªn cøu khÝ quyÓn 38 2.2 M¹ng quan tr¾c toμn cÇu 41 2.3 C¸c m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè 46 2.4 Quy tr×nh ph©n tÝch - dù b¸o 51 2.5 M« h×nh hoμn l−u toμn cÇu 54 2.6 Bμi tËp 63 Ch−¬ng 3 C¬ chÕ nhiÖt cña khÝ quyÓn 65 3.1 C©n b»ng n¨ng l−îng toμn cÇu 65 3.2 C©n b»ng b−c x¹ ®Þa ph−¬ng 69 3.3 NhiÖt ®éng lùc cña chuyÓn ®éng chÊt khÝ 71 3.4 KÕt qu¶ quan tr¾c ®èt nãng khÝ quyÓn 74 3.5 Bμi tËp 78 Ch−¬ng 4 Hoμn l−u kinh h−íng trung b×nh theo vÜ h−íng 80 4.1 Quan tr¾c c¬ b¶n 80 4.2 M« h×nh Held-Hou cña hoμn l−u Hadley 84 4.3 M« h×nh hoμn l−u Hadley thùc tÕ h¬n 90 4.4 Hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ë vÜ ®é trung b×nh 95 4.5 Quan ®iÓm Lagrangian vÒ hoμn l−u kinh h−íng 101 4.6 Bμi tËp 104 Ch−¬ng 5 Nh÷ng nhiÔu ®éng tøc thêi miÒn «n ®íi 106 5.1 Quy m« thêi gian cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn 106 5.2 CÊu tróc cña c¸c xo¸y tøc thêi 110 5.3 C¸c nguån n¨ng l−îng cña khÝ quyÓn 118 5.4 Lý thuyÕt bÊt æn ®Þnh tμ ¸p 127 - 5 - 5.5 Nh÷ng chu tr×nh tμ ¸p vμ c¸c qu¸ tr×nh tÇn sè cao 139 5.6 Bμi tËp 145 Ch−¬ng 6 Sù lan truyÒn sãng vμ c¸c xo¸y dõng 147 6.1 KÕt qu¶ quan tr¾c c¸c xo¸y dõng 147 6.2 M« h×nh chÝnh ¸p 152 6.3 ¸p dông cho c¸c xo¸y dõng th¸m s¸t ®−îc 163 6.4 Sù lan truyÒn cña sãng Rossby theo chiÒu th¼ng ®øng 167 6.5 Dßng Eliassen-Palm 172 6.6 C¸c dßng Eliassen vμ c¸c chu tr×nh tμ ¸p 177 6.7 Bμi tËp 181 Ch−¬ng 7 §Æc tÝnh ba chiÒu cña hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu 182 7.1 Sù biÕn ®æi vÜ h−íng ë miÒn nhiÖt ®íi 182 7.2 Hoμn l−u giã mïa 189 7.3 §íi xo¸y vμ dßng xiÕt miÒn «n ®íi 192 7.4 T−¬ng t¸c gi÷a xo¸y tøc thêi vμ xo¸y dõng 198 7.5 Sù vËn chuyÓn h¬i n−íc trªn toμn cÇu 207 7.6 Bμi tËp 214 Ch−¬ng 8 Sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp cña hoμn l−u 216 8.1 C¸c qu¸ tr×nh tøc thêi tÇn sè thÊp 216 8.2 Nh÷ng h×nh thÕ quan hÖ xa 217 8.3 Nh÷ng dao ®éng tÇng b×nh l−u 227 8.4 Dao ®éng néi mïa 232 8.5 Dao ®éng nam 235 8.6 C¬ chÕ ng¨n chÆn dßng miÒn «n ®íi 239 8.7 Sù hçn lo¹n vμ biÕn ®æi tÇn sè cùc thÊp 243 8.8 Bμi tËp 249 Ch−¬ng 9 TÇng b×nh l−u 250 9.1 Chu kú mïa cña c¸c hoμn l−u trong tÇng b×nh l−u 250 9.2 Sù lan truyÒn sãng vμ t−¬ng t¸c cña dßng trung b×nh 259 9.3 Sù h×nh thμnh vμ vËn chuyÓn «zon 265 9.4 Sù trao ®æi vËt chÊt qua ®Ønh tÇng ®èi l−u 273 9.5 Bμi tËp 280 Ch−¬ng 10 KhÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh vμ c¸c hÖ thèng chÊt láng vμ chÊt khÝ kh¸c 282 10.1 C¸c ¶nh h−ëng chñ yÕu ®èi víi c¸c hoμn l−u hμnh tinh 282 10.2 C¸c hoμn l−u kiÓu Tr¸i §Êt 288 10.3 Nh÷ng khÝ quyÓn quay chËm 296 10.4 Hoμn l−u khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh lín 301 10.5 Hoμn l−u ®¹i d−¬ng quy m« lín 307 10.6 C¸c hÖ thèng phßng thÝ nghiÖm 309 10.7 Bμi tËp 315 Lêi gi¶i bμi tËp 317 Danh môc s¸ch 334 - 6 - Tμi liÖu tham kh¶o 338 - 7 - Chuyªn kh¶o nμy tr×nh bÇy quan ®iÓm hiÖn ®¹i vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu. Trong chuyªn kh¶o cã sù phèi hîp gi÷a c¸c sè liÖu quan tr¾c thùc tÕ ®èi víi hoμn l−u chung khÝ quyÓn b»ng nh÷ng m« h×nh lý thuyÕt ®¬n gi¶n cña c¬ chÕ ®iÒu khiÓn hoμn l−u. Nh÷ng ch−¬ng ®Çu ®Ò cËp tíi quan ®iÓm truyÒn thèng vÒ hoμn l−u toμn cÇu ®èi víi nh÷ng qu¸ tr×nh khëi t¹o chuyÓn ®éng khÝ quyÓn vμ c¸c nguyªn nh©n ®éng lùc lμm biÕn d¹ng chóng. C¸c ch−¬ng tiÕp theo ph¸t triÓn nh÷ng vÊn ®Ò gÇn ®©y nhÊt bao gåm c¶ sù biÕn ®éng tÇn suÊt thÊp vμ c¸c qu¸ tr×nh hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu kh¸c. Chuyªn kh¶o lμ tμi liÖu nghiªn cøu lý thó ®èi víi c¸c sinh viªn cao häc vμ c¸c c¸n bé nghiªn cøu cÇn nh÷ng kiÕn thøc më ®Çu ®èi víi vÊn ®Ò hoμn l−u khÝ quyÓn tr−íc khi ®äc c¸c tμi liÖu nguyªn b¶n. Cuèn s¸ch cã nhiÒu h×nh minh ho¹ nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu chÈn ®o¸n vμ m« h×nh ho¸. Mçi ch−¬ng ®Òu cã phÇn tr×nh bÇy c¸c vÊn ®Ò vμ phÇn dÉn c¸c tμi liÖu tham kh¶o. - 8 - Lêi dÉn Giã thæi tíi n¬i nã sÏ tíi, b¹n cã thÓ nghe tiÕng giã nh−ng b¹n kh«ng biÕt giã thæi tõ ®Çu tíi vμ sÏ thæi tíi ®©u (John, 3, 8). Thêi trung cæ c©u hái giã thæi tõ ®©u tíi vμ sÏ thæi tíi ®©u ®èi víi mçi ng−êi lμ c©u hái khã tr¶ lêi. H¬n n÷a giã kh«ng thÓ hiÓu ®−îc nªn giã ®−îc c¸c bËc tiÒn bèi dïng nã nh− lμ di chóc kh«ng nh×n thÊy ®−îc cña Chóa th¸nh thÇn (theo tiÕng Hy L¹p tõ giã còng cã nghÜa lμ “tinh thÇn”). KhÝ t−îng thuéc ngμnh khoa häc ®−îc nghiªn cøu nhiÒu nhÊt. NÕu b¹n lμ nhμ n«ng, thuû thñ hay lÝnh ®ån tró cho r»ng giã hay thêi tiÕt xÊu lμ do Chóa ®−a tíi cho con ng−êi ®iÒu ®au khæ vμ tai ho¹, ®Ó giíi h¹n quyÒn lùc cña con ng−êi. Cßn cã rÊt nhiÒu c©u hái cho ®Õn tr−íc cuéc c¸ch m¹ng Newt¬n vμo thÕ kû 19, khi nhiÒu ®Þnh luËt vÒ nhiÒu khÝa c¹nh kh¸c nhau cña thÕ giíi tù nhiªn ®−îc ph¸t hiÖn. Kepler ®· chØ ra r»ng chuyÓn ®éng cña hμnh tinh tu©n theo nh÷ng nguyªn t¾c chÆt chÏ, mÆc dï «ng kh«ng thÓ gi¶i thÝch tho¶ ®¸ng t¹i sao ®Þnh luËt cña «ng vÒ chuyÓn ®éng cña c¸c hμnh tinh l¹i cã d¹ng nh− vËy. Galileo ®· chØ ra chuyÓn ®éng cña vËt thÓ ®¬n gi¶n nh− chuyÓn ®éng cña qu¶ cÇu kim lo¹i nÆng trªn mÆt nghiªng. Newt¬n víi ba ®Þnh luËt cña «ng vÒ chuyÓn ®éng vμ ®Þnh luËt v¹n vËt hÊp dÉn ®· tæng hîp tÊt c¶ nh÷ng kÕt qu¶ nghiªn cøu ®· nãi ë trªn vμ chØ ra kh¶ n¨ng dù b¸o nh÷ng ®iÒu quan s¸t ®−îc cña c¸c nhμ khoa häc tr−íc ®ã b»ng tËp hîp bèn ®Þnh luËt cña «ng. §iÒu ®ã x¶y ra ngay tr−íc khi vÊn ®Ò hoμn l−u khÝ quyÓn h−íng tíi viÖc sö dông c¬ häc Newt¬n míi. N¨m 1687 Halley hoμn thiÖn lý thuyÕt vÒ tÝn phong, «ng cho r»ng tÝn phong g©y nªn bëi chuyÓn ®éng th¨ng cña kh«ng khÝ nãng ë xÝch ®¹o vμ ®−a kh«ng khÝ tíi ®©y tõ nh÷ng vÜ ®é cao h¬n. Hadley, n¨m 1720, hoμn thiÖn thªm lý thuyÕt nμy. Theo «ng nh− vËy ph¶i cã dßng khÝ thæi vÒ phÝa cùc, n»m trªn tÝn phong mÆt ®Êt. Vμ nh− vËy nh÷ng cè g¾ng ®Çu tiªn nghiªn cøu vÒ giã vμ hoμn l−u quy m« lín cña khÝ quyÓn ®· ®−îc b¾t ®Çu. Nöa sau thÕ kû 18, chuyÓn ®éng cña chÊt láng trªn Tr¸i §Êt ®· ®−îc m« t¶ trªn c¬ së to¸n häc vμ cïng víi viÖc thiÕt lËp lùc Coriolis, vai trß to lín cña chuyÓn ®éng quay cña Tr¸i §Êt ®−îc x¸c ®Þnh. Tuy nhiªn, nh÷ng cè g¾ng nμy ®· kh«ng ®−îc ph¸t triÓn do thiÕu c¶ vÒ mÆt lý thuyÕt vμ ®Æc biÖt lμ thiÕu sè liÖu quan tr¾c. GiÊc m¬ cña c¸c häc trß cña Newt¬n m« t¶ hoμn l−u khÝ quyÓn nh− mét c¬ chÕ cã thÓ dù b¸o cã thÓ ®¹t ®−îc b»ng c¸ch ¸p dông hÖ thèng c¸c ®Þnh luËt cña Newt¬n vÒ chuyÓn ®éng ®èi víi kh«ng khÝ. GiÊc m¬ cña Newt¬n ®· trë nªn gÇn hiÖn thùc h¬n nhÊt lμ sau ChiÕn tranh ThÕ giíi Thø hai khi c¬ häc l−îng tö vμ lý thuyÕt t−¬ng ®èi kh¼ng ®Þnh kh¶ n¨ng sö dông kh¸i niÖm ®¬n gi¶n cña Newt¬n ®Ó gi¶i thÝch ®éng lùc häc cña c¸c hÖ thèng trong c¸c nh¸nh cña vËt lý häc. Do ngμnh hμng kh«ng ph¸t triÓn, nhu cÇu th«ng tin chi tiÕt vÒ ®iÒu kiÖn khÝ t−îng trªn ph¹m vi lín, kh¶ n¨ng thu thËp th«ng tin ®−îc n©ng cao trªn m¹ng l−íi quan tr¾c ®−îc më réng. Cïng víi sù ph¸t triÓn cña m« h×nh front cña tr−êng ph¸i Bergen ë Nauy vμ viÖc biÓu diÔn ®Þnh l−îng m« h×nh víi c¸c thμnh phÇn cña c¬ häc chÊt láng cña Newt¬n, nÒn t¶ng cho nh÷ng vô - 9 - béi thu cña khoa häc khÝ t−îng Nh÷ng kÕt qu¶ ph©n tÝch kiªn tr× cña Charney vμ Eady ®· gi¶i thÝch sù ph¸t triÓn cña xo¸y thuËn b»ng c¸c lý thuyÕt bÊt æn ®Þnh cña chÊt láng. Sù ph¸t triÓn cña m¸y tÝnh lμm cho dù b¸o thêi tiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ trë thμnh hiÖn thùc, ph−¬ng ph¸p nμy dùa trªn viÖc tÝch ph©n hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh phi tuyÕn ®èi víi chuyÓn ®éng trong m¹ng l−íi kh¶o s¸t toμn cÇu. Do hÖ thèng truyÒn th«ng trªn ph¹m vi lín ®· ®−îc thiÕt lËp nªn con ng−êi ®· cã mét c¸i nh×n míi toμn cÇu thùc sù ®èi víi hoμn l−u khÝ quyÓn. §èi víi t«i th× m¸y tÝnh ®· cho c¸c nhμ khÝ t−îng häc mét c«ng cô rÊt h÷u hiÖu. §· cã nh÷ng ®ãng gãp ph¸t triÓn c¸c m« h×nh thùc tÕ ®Çu tiªn cho dù b¸o thêi tiÕt h¹n ng¾n vμ gÇn ®©y lμ viÖc m« pháng vμ dù b¸o khÝ hËu. Cè g¾ng nμy ®· v−ît qua ý ®Þnh t×m hiÓu tÝnh chÊt ®éng lùc cña hoμn l−u khÝ quyÓn quy m« lín. Do c¸c ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n m« t¶ chuyÓn ®éng khÝ quyÓn rÊt phøc t¹p vμ phi tuyÕn, d−êng nh− cã rÊt nhiÒu lêi gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ thùc hiÖn ®−îc cã thÓ ®ãng gãp vμo viÖc t×m hiÓu hiÖn t−îng. RÊt nhiÒu trÝ tuÖ, c«ng søc cña c¸c nhμ khoa häc ®· ®−îc cèng hiÕn ®Ó c¶i tiÕn c¸c m« h×nh sè trÞ vμ hoμn thiÖn viÖc biÓu diÔn, mét sè qu¸ tr×nh ch−a gi¶i ®−îc nh−ng l¹i rÊt quan träng. Mét c¸i nh×n s©u vμo b¶n chÊt vËt lý cña hoμn l−u khÝ quyÓn ®· ®−îc nh÷ng nhμ khoa häc nh− Rossby vμ Ertel ph¸t hiÖn nh−ng tÊt c¶ ®Òu ®· bÞ mét thÕ hÖ c¸c nhμ khoa häc nghiªn cøu khÝ quyÓn l·ng quªn. Mét sè nhμ khÝ t−îng lý thuyÕt vÉn ®ãng gãp søc lùc ®Ó ®−a khÝ quyÓn vÒ d¹ng c¬ b¶n vμ ®¬n gi¶n ho¸ ®Õn møc cã thÓ. NhiÒu cè g¾ng ®· ®i s©u h¬n vμo viÖc c¶i tiÕn ph−¬ng ph¸p biÓu diÔn phi tuyÕn ®èi víi khÝ quyÓn. C«ng tr×nh cña Lorenz vμ c¸c t¸c gi¶ kh¸c ®· dÉn ®Õn viÖc ph¸t triÓn häc thuyÕt “Hçn lo¹n” cßn gäi lμ lý thuyÕt “Rèi” ®−îc ¸p dông trong nhiÒu lÜnh vùc khoa häc hiÖn ®¹i kh¸c. §iÒu ®ã cho thÊy r»ng tÝnh phi tuyÕn cã thÓ lμm ph¸t sinh nhiÒu ®iÒu phøc t¹p tõ nh÷ng ph−¬ng tr×nh thùc tÕ rÊt ®¬n gi¶n. Lý thuyÕt “rèi” hiÖn ®ang soi s¸ng cho nghiªn cøu hoμn l−u khÝ quyÓn quy m« lín. GiÊc m¬ cña Newt¬n buéc ph¶i tho¶ hiÖp víi thùc tÕ v× vÊn ®Ò lμ ë chç tÝnh khã dù ®o¸n ®−îc l¹i lμ nh÷ng ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña hÖ thèng nh− khÝ quyÓn chø kh«ng chØ do nh÷ng h¹n chÕ vÒ mÆt kü thuËt. §Æc ®iÓm khã dù b¸o thÓ hiÖn râ rÖt trong vÊn ®Ò dù b¸o thêi tiÕt. ý ®Þnh tiÕn hμnh dù b¸o thêi tiÕt h¹n dμi b»ng ph−¬ng ph¸p so s¸nh t−¬ng tù víi tr¹ng th¸i khÝ quyÓn trong qu¸ khø ®· cho thÊy mét ®iÒu cã ý nghÜa ®èi víi c¸c dù b¸o thêi tiÕt lμ khã cã thÓ nhËn biÕt tõng phÇn tö khÝ riªng biÖt. Do chuyÓn ®éng hçn läan trong khÝ quyÓn cã thÓ ®−a phÇn tö khÝ bÊt kú chuyÓn ®éng quay, quü ®¹o chuyÓn ®éng cña c¸c phÇn tö khÝ trë nªn uèn l−în; kÐo dμi vμ thμnh d¶i vËt chÊt máng cuèn theo nã vμ cuèi cïng chóng hoμn toμn biÕn mÊt vμo trong khÝ quyÓn. Trong qu¸ tr×nh nμy c¸c phÇn tö khÝ hoμn toμn kh«ng cßn nhËn biÕt ®−îc. TiÕp nèi niÒm l¹c quan cña thêi ®¹i Newt¬n chóng ta ngμy nay nhËn thÊy lμ quan s¸t cña Saint John ®· ®óng. Tõ ®©u giã thæi tíi vμ n¬i giã sÏ tíi cã ý nghÜa s©u s¾c vμ thùc chÊt lμ kh«ng thÓ biÕt hoμn toμn chÝnh x¸c. Tõ kh¸i niÖm tÜnh häc, b©y giê ta cã thÓ hiÓu lμ khÝ quyÓn biÕn ®æi kh«ng ngõng, hÖ thèng nμy cã cÊu tróc phøc t¹p theo kh«ng gian vμ thêi gian. B»ng c¸ch tÝnh trung b×nh theo kh«ng gian vμ thêi gian hoμn l−u toμn cÇu cña khÝ quyÓn ®−îc x©y dùng nªn tõ tæng hîp c¸c hiÖu øng cña “m«®un” c¸c hiÖu øng cña hÖ thèng víi quy m« nhá h¬n, theo lý thuyÕt kinh ®iÓn cña Newt¬n. Khi xem xÐt mét c¸ch chi tiÕt h¬n ta thÊy vÉn víi nh÷ng m«®un nμy ta cã thÓ x©y dùng nªn nh÷ng xo¸y - 10 - kh¸c nhau. B¶n th©n viÖc thiÕt lËp nμy lμm biÕn ®æi c¸c m«®un. Ta kÕt luËn lμ nh÷ng h×nh ¶nh ®¬n gi¶n nμy bao giê còng cã nh÷ng gi¸ trÞ giíi h¹n. Ta sÏ bÞ giíi h¹n rÊt nhiÒu khi muèn sö dông c¸c cÊu tróc nμy ®èi víi c¸c h×nh thÕ kh¸c. §ã lμ mét phÇn nguyªn nh©n t¹i sao ph¶i dù ®o¸n khÝ hËu víi nång ®é CO2 lín mμ loμi ng−êi ®· nhanh chãng nhËn thÊy r»ng vÊn ®Ò ®ã khã vμ kh«ng kiÓm so¸t ®−îc. §ã còng lμ nguyªn nh©n t¹i sao nh÷ng cè g¾ng gÇn ®©y l¹i tËp trung vμo nghiªn cøu hoμn l−u khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh kh¸c tõ ®ã dÉn ®Õn nh÷ng ®iÒu ng¹c nhiªn kh«ng ngê tíi trong nhiÒu ph−¬ng diÖn. PhÇn ®Çu quyÓn s¸ch nμy chñ yÕu dμnh ®Ó m« t¶ ®iÓm hiÖn ®¹i x¸c ®Þnh hoμn l−u chung khÝ quyÓn. Ph−¬ng ph¸p tiÕp cËn dùa trªn nh÷ng quy luËt vËt lý cã liªn quan víi qu¸ tr×nh thuû ®éng lùc häc ®iÒu khiÓn hoμn l−u, h−íng tíi c¸c qu¸ tr×nh c¬ häc x¸c ®Þnh chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn. Chóng t«i cè g¾ng biÓu diÔn b»ng nh÷ng sè liÖu quan tr¾c hoμn l−u thùc còng nh− m« h×nh ®¬n gi¶n dùa trªn c¸c ®Þnh luËt c¬ häc vμ nhiÖt ®éng lùc häc. Nh÷ng m« h×nh nμy tuy chØ lμ m« h×nh −íc l−îng vμ rÊt h¹n chÕ nh−ng chóng lμ cÈm nang cña nhãm c¸c m« h×nh c¬ b¶n, cho phÐp c¸c nhμ nghiªn cøu mét mÆt gi¶i thÝch nh÷ng kÕt qu¶ quan tr¾c cña khÝ quyÓn thùc, mÆt kh¸c gi¶i thÝch c¸c kÕt qu¶ phøc t¹p cña m« h×nh hoμn l−u chung khÝ quyÓn. ë cuèi chuyªn kh¶o chóng t«i sÏ tr×nh bμy nh÷ng thμnh tùu gÇn ®©y nhÊt vμ chØ ra tÝnh phøc t¹p cña hoμn l−u thùc vμ sù h¹n chÕ cña c¸c m« h×nh ®¬n gi¶n. C¸c ch−¬ng tõ 1-6 tËp trung chñ yÕu vμo viÖc x¸c ®Þnh quan ®iÓm ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu sö dông trªn 50 n¨m nay. Nh÷ng ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n ®−îc biÓu diÔn b»ng ng«n ng÷ phï hîp vÒ mÆt ®Þnh l−îng sÏ lμ néi dung ®−a ra trong Ch−¬ng 1. Ch−¬ng 2 th¶o luËn nh÷ng kÕt qu¶ quan tr¾c khÝ quyÓn quy m« lín vμ m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt m« h×nh hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu cho ta c«ng cô hiÖn ®¹i ®Ó nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu. C¬ së nhiÖt ®éng lùc häc ®èi víi hoμn l−u nμy lμ sù ®èt nãng kh«ng ®ång ®Òu cña khÝ quyÓn, vÊn ®Ò nμy ®−îc tr×nh bμy trong Ch−¬ng 3. §éng lùc häc cña chuyÓn ®éng thÓ hiÖn rÊt râ ë sù quay Tr¸i §Êt vμ nh÷ng nh©n tè c¬ häc kh¸c. KhÝ quyÓn duy tr× kh¸ khÐo lÐo vμ ®Ó duy tr× vËn chuyÓn nhiÖt. Nh−ng sù thÝch øng cña khÝ quyÓn ®èi víi nh÷ng qu¸ tr×nh ®èt nãng kh¸c nhau sÏ ®−îc tr×nh bμy trong c¸c Ch−¬ng 4, 5 vμ 6. C¸c ch−¬ng cßn l¹i tËp trung vμo tr×nh bμy kÕt qu¶ gÇn ®©y trong hiÓu biÕt cña chóng ta vÒ hoμn l−u toμn cÇu. Quan ®iÓm kinh ®iÓn ®èi víi hoμn l−u lμ chuyÓn ®éng kinh h−íng, tÊt nhiªn ®ã lμ sù ®¬n gi¶n ho¸ qu¸ lín. BiÕn ®éng trong hoμn l−u vÜ h−íng ®−îc nghiªn cøu nhiÒu trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®· nhÊn m¹nh vÒ sù duy tr× cña c¸c quü ®¹o xo¸y thuËn miÒn «n ®íi vμ c¸c qu¸ tr×nh ph¸t sinh sãng dμi, nh÷ng r·nh vμ sèng b¸n vÜnh cöu trong ®íi giã t©y «n ®íi. BÊt ®èi xøng trong hoμn l−u theo chiÒu vÜ h−íng cña miÒn nhiÖt ®íi ®ãng mét vai trß quan träng h¬n v× chóng cho thÊy mét phÇn giíi h¹n cña kh¶ n¨ng dù b¸o thêi tiÕt ë miÒn vÜ ®é cao trong quy m« thêi gian mïa. Trong ch−¬ng nμy nhÊn m¹nh ®Õn sù t−¬ng t¸c cña c¸c quy m« cña chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn. KÕt qu¶ cuèi cïng lμ cÊu tróc quy m« lín cña hoμn l−u ë møc ®é ®¸ng kÓ ®−îc tæ chøc do c¸c cÊu tróc tøc thêi qui m« nhá h¬n vμ kh«ng cã qu¸ tr×nh ng−îc l¹i. §ã lμ, tiªu ®Ò chñ yÕu cña Ch−¬ng 7. - 11 - KÕt qu¶ t−¬ng tù còng ®−îc thÓ hiÖn ë qui m« thêi gian lμ chÝnh. Quy m« thêi gian dù b¸o tr×nh bμy trong c¸c ch−¬ng ®Òu qu¸ ng¾n, kh«ng qu¸ mét sè ngμy hay nhiÒu nhÊt lμ mét vμi tuÇn. Nh÷ng dao ®éng cña hoμn l−u khÝ quyÓn x¶y ra trong nh÷ng quy m« dμi h¬n sù biÕn ®æi tÇn sè thÊp, nghÜa lμ sù biÕn ®æi cã quy m« 10 ngμy (hay dμi h¬n) ®−îc tr×nh bμy trong Ch−¬ng 8. Trong khi nh÷ng tμi liÖu tõ c¸c ch−¬ng tr−íc gióp chóng ta hiÓu mét sè c¬ chÕ c¬ b¶n cña nh÷ng biÕn ®éng tÇn sè thÊp th× nh÷ng thμnh tùu hiÖn ®¹i trong tr−êng biÕn ®éng rèi l¹i cho thÊy chóng ®ãng vai trß kh¸ quan träng. Nh−ng nh÷ng quan tr¾c vÖ tinh ®−îc hoμn thiÖn vμ nhÊt lμ sù hoμn thiÖn rÊt lín cña kü thuËt vÖ tinh ®· dÉn tíi sù quan t©m ®èi víi tÇng b×nh l−u, hoμn l−u phÇn gi÷a khÝ quyÓn ®−îc coi lμ nh÷ng cè g¾ng t×m hiÓu ¶nh h−ëng cña con ng−êi ®èi víi «zon. Nh÷ng nghiªn cøu nμy cho ta nh÷ng lêi c¶nh b¸o nh− sù t−¬ng t¸c gi÷a ho¸ häc «z«n vμ hoμn l−u khèi l−îng ë phÇn gi÷a cña khÝ quyÓn tÇng b×nh l−u vμ tÇng khÝ quyÓn gi÷a, vÊn ®Ò träng t©m trong viÖc t×m hiÓu ¶nh h−ëng cña con ng−êi ®èi víi «z«n. Sù xuÊt hiÖn cña lç hæng tÇng «z«n ë Nam B¸n CÇu vμo mïa xu©n minh häa ¶nh h−ëng ®ã cña con ng−êi. Ngμy cμng cã nhiÒu ý kiÕn cho r»ng sù thiÕu hôt «z«n diÔn ra trªn quy m« toμn cÇu ®· b¾t ®Çu, ®iÒu ®ã cã nghÜa lμ cÇn ph¶i hiÓu hoμn l−u tÇng b×nh l−u, sù vËn chuyÓn «zon vμ c¸c chÊt xóc t¸c nh− «zon. Ch−¬ng 9 dμnh ®Ó giíi thiÖu hoμn l−u tÇng b×nh l−u vμ ¶nh h−ëng cña nã ®èi víi ph©n bè «z«n. Cuèi cïng trong Ch−¬ng 10 ta quay trë l¹i xem xÐt riªng khÝ quyÓn cña Tr¸i §Êt chóng ta cã thÓ hiÓu hoμn l−u cña khÝ quyÓn Tr¸i §Êt nh− lμ mét tr−êng hîp riªng cña c¸c tr−êng hîp ®èi víi c¸c hμnh tinh kh¸c cña hÖ thèng MÆt Trêi. ViÖc nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu bao giê còng xuÊt ph¸t tõ viÖc nghiªn cøu hÖ thèng riªng lÎ. B©y giê víi khèi l−îng sè liÖu kh«ng lín ®· cã thÓ t×m hiÓu vÒ tÊt c¶ c¸c hμnh tinh cã khÝ quyÓn trong hÖ MÆt Trêi. Ngμnh khÝ t−îng cã thÓ phèi hîp víi c¸c ngμnh khoa häc kh¸c vÒ Tr¸i §Êt ®Ó tiÕn hμnh nh÷ng nghiªn cøu vÒ d¹ng hoμn l−u toμn cÇu cã thÓ. Tr×nh ®é cña cña chuyªn kh¶o nμy phï hîp víi sinh viªn sau ®¹i häc, c¸c sinh viªn tr×nh ®é th¹c sü. T«i hy väng chuyªn kh¶o nμy còng h÷u Ých víi c¸c nhμ nghiªn cøu ®Ó cã nh÷ng kiÕn thøc c¬ së vÒ hoμn l−u toμn cÇu cã thÓ v÷ng tin khi ®äc c¸c nguyªn b¶n. PhÇn tiÕp lμ phÇn më réng cña gi¸o tr×nh t«i ®· gi¶ng cho c¸c sinh viªn ®¹i häc vμ sau ®¹i häc trong mét sè n¨m qua. C¸ch tr×nh bμy cã mét sè thay ®æi cÇn thiÕt ®Ó phï hîp kho¸ häc nμy. KiÕn thøc vÒ khÝ t−îng ®éng lùc chiÕm mét phÇn nhá trong c¸c trang nãi vÒ hoμn l−u toμn cÇu. Nh÷ng phÇn kh¸c cã tÝnh m« t¶ do ®ã Ýt gióp cho sinh viªn hiÓu biÕt c¸c qu¸ tr×nh vËt lý cña hoμn l−u toμn cÇu víi møc ®é ®Þnh l−îng bÊt kú. Nªn cuèn s¸ch nμy ph¶i chuyÓn toμn bé khÝ t−îng ®éng lùc chØ ®−îc coi lμ sù ¸p dông khÝ t−îng ®éng lùc ®èi víi hoμn l−u quy m« lín. Chóng t«i nghÜ lμ b¹n ®äc ®· nghiªn cøu nh÷ng kiÕn thøc c¬ së cña ®éng lùc häc khÝ quyÓn mÆc dï vËy ®Ó cã thÓ tù ®äc cuèn s¸ch nμy chóng t«i sÏ dïng nh÷ng kÕt qu¶ quan träng nhÊt mμ kh«ng cÇn dÉn gi¶i trong phÇn më ®Çu cuèn s¸ch. Nh÷ng qu¸ tr×nh lín nhÊt ®iÒu khiÓn quyÓn hoμn l−u khÝ quyÓn lμ sù hÊp thô vμ ph¸t x¹ bøc x¹ ®iÖn tõ, nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý trong m©y, vËn chuyÓn rèi trong líp biªn khÝ quyÓn (nhãm nh÷ng qu¸ tr×nh th−êng ®−îc gäi lμ vËt lý khÝ quyÓn). Trong khi ®ã, nh÷ng ®Þnh luËt Newt¬n l¹i kh«ng ®−îc coi lμ ®Þnh luËt vËt lý sÏ kh«ng ®−îc më réng. H¬n n÷a mét sè kÕt qu¶ quan träng sÏ ®−îc th¶o luËn cßn nh÷ng chi tiÕt b¹n ®äc cã thÓ thu nhËn tõ c¸c cuèn s¸ch - 12 - kh¸c. VÊn ®Ò mμ cuèn s¸ch nμy tËp trung vμo chÝnh lμ sù vËn chuyÓn nhiÖt bëi chuyÓn ®éng khÝ quyÓn quy m« lín vμ c¸ch khÝ quyÓn gi¶i phãng n¨ng l−îng ®Ó ®iÒu khiÓn hoμn l−u. Sù vËn chuyÓn nhiÖt kh«ng cã nghÜa lμ bao gåm sù vËn chuyÓn cña c¸c thùc thÓ kh¸c nh− ®é Èm hay ®éng l−îng. Sù vËn chuyÓn cña nh÷ng thùc thÓ nμy còng lμ vÊn ®Ò cÇn tËp trung nghiªn cøu. Mçi ch−¬ng ®Òu kÕt thóc b»ng phÇn ng¾n bμi tËp. Nh÷ng bμi tËp nμy phôc vô cho mét sè môc ®Ých mét lμ gióp sinh viªn ph¸t triÓn sù hiÓu biÕt vÒ ®Þnh tÝnh còng nh− ®Þnh l−îng cña ®èi t−îng. Hi väng r»ng c¸c bμi tËp sÏ lμm cho sinh viªn cã thãi quen thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n nhá vμ −íc l−îng khi cã sè liÖu vμ c¸c ph−¬ng tr×nh liªn quan, b»ng c¸ch ®ã sinh viªn cã thÓ thÊy ®−îc nh÷ng vai trß t−¬ng ®èi cña c¸c hiÖu øng kh¸c nhau, c¸c tr¹ng th¸i trong ®ã x¶y ra c¸c lo¹i c©n b»ng kh¸c nhau. Chøc n¨ng kh¸c cña c¸c bμi tËp lμ ®−a mét sè ®Þnh h−íng t− duy, mét sè kÕt qu¶ phô thªm rót ra tõ phÇn viÕt chÝnh. Nh÷ng ®iÒu më réng nμy chñ yÕu sö dông trong t−¬ng lai. Còng ®¸ng bá thêi gian ®Î thùc hiÖn c¸c bμi tËp khi hä cã thÓ n¾m mét c¸ch v÷ng vμng vμ thùc hiÖn nã hä míi thùc sù hiÓu biÕt nh÷ng phÇn tr×nh bμy trong néi dung. TÊt nhiªn, b¾t ®Çu lμm liÒn tõng bμi tËp trong nhiÒu giê sÏ g©y søc Ðp ®èi víi khèi l−îng ®μo t¹o ng¾n h¹n. ChÝnh v× vËy chóng t«i ®· ®−a ra nh÷ng tr¶ lêi cho c¸c bμi tËp. Ng¾n gän nh−ng râ rμng vμ kh«ng ph¶i bao giê còng ®¹t ®−îc ®iÒu ®ã, t«i hi väng r»ng nh÷ng g× viÕt ra lμ nh÷ng ®iÒu cÇn thiÕt nhÊt gióp sinh viªn t×m ra nh÷ng lêi gi¶i chi tiÕt. Danh môc s¸ch gióp b¹n ®äc t×m ra nh÷ng cuèn s¸ch trong mçi ch−¬ng cho mét sè tr−êng hîp, cho mçi môc. Cã rÊt nhiÒu tμi liÖu vμ h×nh vÏ ®· ®−îc ®−a vμo ®©y, tuy nhiªn nh÷ng danh môc s¸ch cã ý nghÜa s− ph¹m lμ chÝnh. T«i kh«ng cã ý ®Þnh hoμn thiÖn trong lÇn xuÊt b¶n ®Çu tiªn nμy. H¬n n÷a, c¸c cuèn s¸ch vμ bμi b¸o ®−îc chän ë ®©y nh»m ®Ó gióp Ých cho sinh viªn, nh÷ng ng−êi cÇn cã lêi gi¶i thÝch chi tiÕt vμ ®Çy ®ñ h¬n cho c¸c chñ ®Ò riªng biÖt. Mét trong nh÷ng hËu qu¶ lμ c¸c bμi b¸o cña c¸c b¹n ®ång nghiÖp cña t«i chøa phÇn lín trong tμi liÖu tham kh¶o. §©y kh«ng ph¶i lμ nh÷ng lêi chØ trÝch ®èi víi c¸c c«ng tr×nh cña c¸c t¸c gi¶ bÞ bá qua; h¬n n÷a ®iÒu ®ã còng chøng tá r»ng ®· cã mét khèi l−îng c«ng tr×nh to lín ®Ò cËp tíi hoμn l−u chung khÝ quyÓn ®· ®−îc c«ng bè trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y. RÊt nhiÒu b¹n bÌ ®ång nghiÖp ®· gióp t«i chuÈn bÞ cuèn s¸ch nμy. Hä ®· gióp t«i mét c¸ch tËn t×nh b»ng viÖc ®äc viÕt vμ th¶o luËn cã liªn quan ®Õn ®Ò tμi cña t«i. §Æc biÖt, t«i muèn c¸m ¬n ®Õn Dr. Raymond Hide ng−êi ®· giíi thiÖu t«i nghiªn cøu hoμn l−u khÝ quyÓn vμ tíi Gi¸o s− Brian Hoskins & Robert Pear, ng−êi ®· t¹o m«i tr−êng khÝch lÖ t«i t¹i Tr−êng Tæng hîp Reading n¬i t«i ®· häc vμ lμm viÖc theo ®Ò tμi hoμn l−u toμn cÇu cña Tr¸i §Êt vμ ®−îc gióp ®ì c¶ vÒ sè liÖu vμ c¸c m« h×nh ®¬n gi¶n. T«i còng muèn bμy tá ë ®©y sù biÕt ¬n ®èi víi c¸c b¹n ®ång nghiÖp ®· gióp t«i mét c¸ch hμo hiÖp b»ng nh÷ng lêi khuyªn vμ ®· dμnh nhiÒu thêi gian, c«ng søc gióp t«i thu thËp sè liÖu vμ c¸c h×nh minh häa. T«i muèn c¶m ¬n Paul Berresford, James Dodd, Paul James, David Jackson, Adrian Matthews, Michiko Masutani, Fay Nortley, Mark Ringer, Keith Shine, Julia Slingo, vμ Paul Valdes. Michael Blackburn ®· gióp t«i viÕt nh÷ng ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh cÇn cho viÖc chuÈn bÞ c¸c h×nh vÏ khÝ hËu cña ECMWF. RÊt nhiÒu c¸c b¹n ®ång nghiÖp cña t«i ë c¸c viÖn kh¸c kh«ng chØ cho phÐp t«i sö dông c¸c to¸n ®å cña hä mμ cßn cho phÐp söa ch÷a b¶n chÝnh. T«i muèn kÓ ®Õn mét sè b¹n - 13 - ®ång nghiÖp cña t«i X. Cheng, R. Hide, D. A. Johnson, L. V. Lyjak, B. Naujokat, O’Neill, R. A. Madden, A. Scaife, J. M. Wallace, and G. P. Williams. Mét sè trong hä ®· ®äc vμ nhËn xÐt vÒ c¸c phÇn viÕt cña b¶n th¶o ®Çu tiªn. Trong sè ®ã cã M. Collins, M. Juckes, F. Nortley, Pearce and S. Rosier. PhÇn lín c¸c to¸n ®å trong cuèn s¸ch nμy ®· ®−îc x©y dùng tõ kÕt qu¶ ph©n tÝch b»ng ph−¬ng ph¸p khÝ hËu c¸c sè liÖu khÝ t−îng t¹i Trung t©m Ch©u ¢u dù b¸o h¹n võa (ECMWF). Ngμnh khÝ hËu ®· ®−îc x©y dùng ë ®©y trong mét sè n¨m nh− mét phÇn cña dù ¸n hîp t¸c gi÷a C¬ quan KhÝ t−îng Anh quèc vμ Tr−êng Tæng hîp Reading. T«i muèn göi lêi c¶m ¬n c¸c b¹n ®ång nghiÖp cña t«i ®· lμm viÖc trong dù ¸n h¬n 10 n¨m nay trong ®ã cã Paul Berresford, Huang Hsu, Michiko Masutani, Sarah Raper, Prashant Sardeshmukh vμ Glenn White . T«i xin göi lêi c¶m ¬n ®Æc biÖt tíi ECMWF v× sù quan t©m vμ ñng hé tËn t×nh ®èi víi dù ¸n chÈn ®o¸n nμy vμ göi lêi c¸m ¬n ®èi víi C¬ quan khÝ t−îng Anh quèc ®· cung cÊp sè liÖu cho t«i. T«i còng xin c¶m ¬n gia ®×nh t«i ®· kiªn nhÉn gióp ®ì t«i. T«i c¶m thÊy cã mét mãn nî to lín ®èi víi sù kiªn nhÉn vμ sù th«ng c¶m víi t«i. Nh−ng h¬n tÊt c¶ cuèn s¸ch nμy thuéc vÒ c¸c sinh viªn cña t«i t¹i Tr−êng tæng hîp Reading trong nhiÒu n¨m hä ®· quan t©m ®Õn bμi gi¶ng cña t«i vμ hä ®· cã nh÷ng ®ãng gãp ®Ó t×m hiÓu vÒ hoμn l−u toμn cÇu vμ ®· truyÒn c¶m høng cho t«i ®Ó hoμn thiÖn tμi liÖu vμ viÕt cuèn s¸ch nμy. T«i còng xin c¸m ¬n ®èi víi c¸c sinh viªn trªn thÕ giíi ®· mong muèn ®Õn c¸c tr−êng Tæng hîp ph−¬ng T©y häc vÒ khÝ quyÓn, nh−ng kh«ng cã kh¶ n¨ng tμi chÝnh ®Ó thùc hiÖn nh÷ng −íc muèn ®ã. T«i hy väng cuèn s¸ch nμy sÏ gióp hä trong nghiªn cøu. §iÒu ®ã thËt ®¸ng tiÕc, t«i hy väng r»ng c¸c b¹n sÏ t×m thÊy nh÷ng ®iÒu h÷u Ých trong nh÷ng gi¶i thÝch cña t«i vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn. Ian James Bracknell Th¸ng 2/1993 - 14 - ký hiÖu A MËt ®é sãng ho¹t ®éng ph−¬ng tr×nh (6.32) a B¸n kÝnh hμnh tinh (6,371 x 106 m ®èi víi Tr¸i §Êt) cp NhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p cv NhiÖt dung riªng ®¼ng tÝch cD HÖ sè c¶n, HÖ sè ma s¸t cgx, cgy C¸c thμnh phÇn cña tèc ®é nhãm sãng cg Vect¬ tèc ®é nhãm c0 Tèc ®é pha cña sãng träng tr−êng ngo¹i ®èi víi ®é dμy t−¬ng ®−¬ng h0 ph−¬ng tr×nh (7.7) D Ph©n kú ngang D Ma s¸t h×nh häc ph−¬ng tr×nh (8.15) Dp/Dt Tèc ®é trao ®æi sau hép sãng ph−¬ng tr×nh (6.22) E Tèc ®é bèc h¬i E “E-vect¬”, ph−¬ng tr×nh (7.20) vμ (7.26) e ¸p suÊt riªng es ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoμ, søc tr−¬ng h¬i n−íc b·o hoμ es0 Søc tr−¬ng h¬i n−íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é nhÊt ®Þnh; ®èi víi n−íc lμ 611Pa t¹i 273K F Khuynh h−íng ma s¸t cña thμnh phÇn th¼ng ®øng cña xo¸y t−¬ng