Quan trắc và mô hình hóa hoàn lưu khí quyển toàn cầu

- 39 - ch−¬ng 2. quan tr¾c vμ m« h×nh hãa hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu 2.1 viÖc tÝnh trung b×nh trong nghiªn cøu khÝ quyÓn Mét c¸ch chÆt chÏ, viÖc m« t¶ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu ®ßi hái ph¶i x¸c ®Þnh ®−îc sù ph¸t triÓn cña tr−êng c¸c biÕn khÝ t−îng trong kh«ng gian ba chiÒu. ViÖc diÔn gi¶i sè liÖu cÇn nÐn l¹i vμ m« t¶ hoμn l−u toμn cÇu nh×n chung cÇn ph¶i thùc hiÖn phÐp lÊy trung b×nh. Mét biÕn bÊt kú sÏ gåm phÇn gi¸ trÞ trung b×nh vμ phÇn nhiÔu cña nã hay phÇn ‘xo¸y’. Gi¶ thiÕt r»ng t¸c ®éng cña tõng xo¸y riªng biÖt lμ kh«ng quan träng mÆc dï c¸c ®Æc tÝnh trung b×nh cña xo¸y cã thÓ cã t¸c ®éng ®¸ng kÓ ®Õn tr−êng trung b×nh. Cã nhiÒu c¸ch lÊy trung b×nh kh¸c nhau trong khÝ quyÓn nh−ng c¸ch phæ biÕn nhÊt lμ lÊy trung b×nh theo kinh ®é hay ‘trung b×nh vÜ h−íng’ vμ lÊy trung b×nh theo thêi gian. Kh¸i niÖm vÒ c¸ch lÊy trung b×nh tæng thÓ còng quan träng. Nh÷ng nghiªn cøu gÇn ®©y vÒ hoμn l−u toμn cÇu ®Òu sö dông c¸ch lÊy trung b×nh vÜ h−íng. HÇu hÕt c¸c biÕn khÝ quyÓn biÕn ®æi theo vÜ h−íng nhiÒu h¬n so víi theo chiÒu th¼ng ®øng hoÆc kinh h−íng. H¬n n÷a, vÜ ®é trªn Tr¸i §Êt lμ yÕu tè quan träng nhÊt quyÕt ®Þnh sù kh¸c biÖt vÒ khÝ hËu. Trung b×nh vÜ h−íng cña mét ®¹i luîng v« h−íng bÊt kú Q kÝ hiÖu lμ [Q] vμ ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau      20Qd21Q (2.1) BiÕn ®æi qua kho¶ng c¸ch x däc theo vßng trßn vÜ ®é ta ®−îc    L0QdxL1Q (2.2) Tõ ®Þnh nghÜa ta thÊy [Q] kh«ng phô thuéc vμo vÜ ®é. Gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña Q nh×n chung sÏ kh¸c so víi [Q]. §é lÖch nμy ®−îc gäi lμ ‘phÇn nhiÔu’ hay ‘dÞ th−êng vÜ h−íng’ cña Q vμ ®−îc kÝ hiÖu lμ Q*  QQQ  (2.3) Ta cã     QQ  vμ   0Q  (2.4) NÕu Q lμ mét hμm liªn tôc cña vÜ ®é th× 0 x Q      (2.5) T−¬ng tù ®èi víi c¸ch lÊy trung b×nh theo thêi gian. KÝ hiÖu trung b×nh theo thêi gian cña Q trong mét kho¶ng thêi gian  nμo ®ã lμ Q víi - 40 -  0Qdt1Q (2.6) PhÇn nhiÔu cña Q kÝ hiÖu lμ Q’ víi QQQ  (2.7)  ph¶i lÊy ®ñ dμi, gi¸ trÞ trung b×nh theo thêi gian cña Q sÏ kh«ng phô thuéc vμo . Thêi gian ‘®ñ dμi’ cã nghÜa lμ nã ph¶i lín h¬n kho¶ng thêi gian tån t¹i ®Æc tr−ng cña c¸c hÖ thèng thêi tiÕt vμ ®èi víi miÒn «n ®íi, phÇn lín c¸c ®¹i l−îng trung b×nh kh«ng phô thuéc vμo  víi  lín h¬n tõ 15-20 ngμy. ë miÒn nhiÖt ®íi, thêi gian cÇn thiÕt cã thÓ ng¾n h¬n. Hoμn l−u toμn cÇu biÕn ®æi ®¸ng kÓ theo chu kú mïa vμ do ®ã kho¶ng lÊy trung b×nh lμ ba th¸ng, vμo kho¶ng 91 hoÆc 92 ngμy. C¸c mïa th«ng th−êng lμ th¸ng 12, th¸ng 1, th¸ng 2 kÝ hiÖu lμ DJF lμ mïa ®«ng ë B¾c B¸n CÇu vμ mïa hÌ ë Nam B¸n CÇu; th¸ng 6, th¸ng 7, th¸ng 8 kÝ hiÖu lμ JJA lμ mïa hÌ ë B¾c B¸n CÇu vμ mïa ®«ng ë Nam B¸n CÇu. C¸c mïa chuyÓn tiÕp nh− th¸ng 3, th¸ng 4, th¸ng 5 (MAM) vμ th¸ng 9, th¸ng 10, th¸ng 11 (SON) th−êng Ýt ®−îc nghiªn cøu v× c¸c biÕn khÝ t−îng cã xu thÕ hÖ thèng trong c¸c thêi kú chuyÓn tiÕp nμy. Thùc tÕ, c¸c ®Æc ®iÓm quan träng cña chu kú mïa cã c¸c pha kh¸c nhau Ýt nhiÒu ë c¸c vÞ trÝ kh¸c nhau. Tuy nhiªn, viÖc ph©n chia thμnh bèn mïa nh− vËy còng phï hîp víi môc ®Ých nghiªn cøu cña cuèn s¸ch nμy. MÆc dï c¸c ®Æc tr−ng tæng thÓ cña hoμn l−u ®−îc t¸i hiÖn l¹i tõ n¨m nμy qua n¨m kh¸c nh−ng nh÷ng yÕu tè trong n¨m cña nã vÉn biÕn ®æi. Ta sÏ sö dông kh¸i niÖm ‘tæng thÓ’ cã nghÜa lμ mét sè th¸ng cña mïa ®«ng DJF ®−îc lÊy trung b×nh cïng nhau. Trung b×nh tæng thÓ nμy ®−îc kÝ hiÖu Qˆ víi  i iQQˆ (2.8) Tuy nhiªn, kÝ hiÖu nμy h¬i cång kÒnh. Sè mïa lÊy trung b×nh cïng nhau th−êng ®−îc x¸c ®Þnh trong thùc nghiÖm h¬n lμ trong nghiªn cøu khoa häc v× c¸c th¸m s¸t vÒ khÝ quyÓn toμn cÇu phï hîp (®Æc biÖt ë c¸c mùc c¸ch xa bÒ mÆt Tr¸i §Êt) gÇn ®©y míi cã hiÖu lùc. C¸c nghiªn cøu lÞch sö vμ cæ khÝ hËu cho thÊy hoμn l−u toμn cÇu thÓ hiÖn nh÷ng dao ®éng ë tÊt c¶ c¸c qui m« thêi gian, kÓ c¶ nh÷ng qui m« dμi nhÊt nh− qui m« lÞch sö ®Þa chÊt. Mùc ho¹t ®éng trung b×nh cña xo¸y ®−îc x¸c ®Þnh bëi sù biÕn ®æi cña mét ®¹i l−îng cho tr−íc theo thêi gian hoÆc theo kinh ®é. Sù biÕn ®æi nμy ®−îc kÝ hiÖu lμ    2*Q hay 2'Q vμ nh×n chung sÏ cã gi¸ trÞ kh¸c kh«ng. T−¬ng tù, t−¬ng quan cña hai ®¹i l−îng ®éc lËp còng cÇn quan t©m. Gi¶ thiÕt ®¹i l−îng v« h−íng thø hai kÝ hiÖu lμ R, khi ®ã t−¬ng quan cña Q vμ R lμ [Q*R*] hoÆc ''RQ . Cã thÓ biÓu diÔn sè h¹ng t−¬ng quan b»ng sù ®ãng gãp cña c¸c qui m« vμ tÇn sè kh¸c nhau. T−¬ng quan cña hai ®¹i l−îng cã quan hÖ chÆt chÏ víi sù dao ®éng vÒ pha cña chóng. §Ó minh ho¹ ®iÒu nμy, gi¶ thiÕt Q* vμ R* cïng biÕn ®æi theo d¹ng h×nh sin theo vÜ h−íng nh−ng lÖch pha lμ       kxsinRR,kxsinQQ 00 (2.9) - 41 - Khi ®ã cã thÓ biÓu diÔn d¹ng l−îng gi¸c nh− sau     cosRQ 2 1RQ 00 (2.10) T−¬ng quan ®¹t cùc ®¹i khi  =0 vμ b»ng kh«ng khi  = /2. T−¬ng quan gi÷a c¸c ®¹i l−îng khÝ t−îng kh¸c nhau vμ c¸c thμnh phÇn vËn tèc lμ rÊt quan träng. Chóng ®−îc gäi lμ c¸c sè h¹ng ‘nhiÔu ®éng xo¸y’. XÐt ‘ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn’ cña mét ®¹i l−îng v« h−íng Q trong hÖ to¹ ®é khÝ ¸p nh− sau S p Q y Qv x Qu t Q      (2.11) trong ®ã S lμ sè h¹ng nguån, m« t¶ sù biÕn ®æi cña Q däc theo chuyÓn ®éng cña phÇn tö khÝ. Ph−¬ng tr×nh liªn tôc (1.43) kÕt hîp víi ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn cã thÓ viÕt d−íi d¹ng th«ng l−îng nh− sau       SQ p vQ y uQ xt Q      (2.12) ¸p dông to¸n tö trung b×nh vÜ h−íng ®èi víi ph−¬ng tr×nh nμy. Chó ý r»ng   *Qv vμ c¸c sè h¹ng t−¬ng tù b»ng kh«ng, sù biÕn ®æi cña [Q] ®−îc x¸c ®Þnh bëi                SQ p Qv yp Q y QvQ t        (2.13) Hai sè h¹ng ®Çu tiªn vÕ ph¶i biÓu diÔn b×nh l−u cña [Q] nhê dßng trung b×nh vÜ h−íng. Hai sè h¹ng tiÕp theo biÓu diÔn sù héi tô cña th«ng l−îng rèi Q vμ thÓ hiÖn vai trß cña rèi ®èi víi sù ph©n bè trung b×nh cña [Q] mÆc dï b¶n th©n gi¸ trÞ trung b×nh cña Q* lμ b»ng kh«ng. Theo ý nghÜa khÝ hËu, [Q]/t sÏ gÇn víi kh«ng vμ do ®ã ph©n bè trung b×nh cña [Q] ®−îc x¸c ®Þnh b»ng sù c©n b»ng gi÷a vËn chuyÓn bëi gi¸ trÞ trung b×nh vμ vËn chuyÓn rèi cña Q vμ c¸c sè h¹ng nguån [S]. VËn chuyÓn bëi gi¸ trÞ trung b×nh vμ rèi lμ kh«ng ®éc lËp víi nhau vμ v× vËy trong mét sè tr−êng hîp chóng cã thÓ lo¹i trõ lÉn nhau. Trong phÇn nghiªn cøu ë môc nμy ®· coi gi¸ trÞ trung b×nh cña Q ë mét sè vÞ trÝ th¸m s¸t lμ dõng so víi bÒ mÆt Tr¸i §Êt. PhÐp lÊy trung b×nh nh− vËy ®−îc gäi lμ ‘trung b×nh Euler’. Trong mét sè tr−êng hîp cã thÓ lÊy trung b×nh mét ®¹i l−îng nμo ®ã theo sù chuyÓn ®éng cña tõng phÇn tö riªng biÖt trong khÝ quyÓn, c¸ch nμy gäi lμ ‘trung b×nh Lagrange’. Tuy nhiªn, trong hÇu hÕt c¸c tr−êng hîp, khi tÝnh trung b×nh Lagrange th−êng gÆp nhiÒu khã kh¨n. §ã lμ do nã g¾n liÒn víi b¶n chÊt rèi cña dßng khÝ, cã nghÜa lμ c¸c phÇn tö ban ®Çu nhanh chãng bÞ ph©n nhá ra vμ nhËp vμo phÇn cßn l¹i cña khÝ quyÓn. ChÝnh v× vËy, trung b×nh Lagrange lμ mét gi¶ thuyÕt Ýt cã tÝnh thùc tÕ. Tuy nhiªn, cã thÓ x©y dùng mét sè c¸ch lÊy trung b×nh theo kiÓu gÇn ®óng Lagrange. Ch¼ng h¹n nh−, lÊy trung b×nh mét tr−êng theo mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ h¬n lμ lÊy theo mÆt ®¼ng ¸p hay mÆt ®¼ng cao sÏ cho ta gi¸ trÞ trung b×nh ®èi víi chuyÓn ®éng ®o¹n nhiÖt vμ gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña ®èt nãng qui m« lín trong tÇng ®èi l−u. - 42 - 2.2 M¹ng quan tr¾c toμn cÇu C¸c sè liÖu quan tr¾c ®−îc thu thËp bëi c¸c quan tr¾c viªn ®Ó cung cÊp cho ta c¸c th«ng tin khÝ t−îng vμ c¸c sè liÖu ®Çu vμo ®èi víi c¸c m« h×nh dù b¸o sè. C¸c phi c«ng, thuû thñ… th−êng ®−îc cung cÊp vÒ tr¹ng th¸i hiÖn t¹i cña khÝ quyÓn. C¸c th¸m s¸t nμy t¹o thμnh mét chuçi sè liÖu c¬ b¶n dïng ®Ó ph©n tÝch vμ nghiªn cøu c¸c hÖ thèng thêi tiÕt riªng biÖt vμ sù h×nh thμnh nªn hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu. Trong môc nμy sÏ giíi thiÖu mét sè nguån sè liÖu c¬ b¶n vÒ hoμn l−u toμn cÇu. Nh÷ng kh¸i niÖm vμ ph−¬ng ph¸p giíi thiÖu trong môc nμy ®ang ®−îc øng dông t¹i c¸c viÖn khÝ t−îng trªn thÕ giíi n¬i thùc hiÖn c¸c ph©n tÝch vμ dù b¸o toμn cÇu. ViÖc l−u tr÷ sè liÖu hoμn l−u toμn cÇu ®−îc thiÕt lËp tõ kho l−u tr÷ cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u vμ mét sè nguån sè liÖu chñ yÕu kh¸c. HÖ thèng quan tr¾c c¬ b¶n lμ m¹ng l−íi cao kh«ng. Trªn thÕ giíi cã kho¶ng 1000 tr¹m th¶ bãng th¸m kh«ng thêi tiÕt mang theo c¸c thiÕt bÞ ®o. C¸c thiÕt bÞ nμy ghi l¹i gi¸ trÞ cña nhiÖt ®é, khÝ ¸p vμ ®é Èm. QuÜ ®¹o cña bãng nhê ra®a cho ta sè liÖu vÒ c¸c thμnh phÇn giã ngang ë c¸c mùc kh¸c nhau. ViÖc th¶ bãng ®−îc thùc hiÖn Ýt nhÊt 2 lÇn trong ngμy theo “giê syn«p” vμo 0h00 GMT (Greenwich Mean Time) vμ 12h00 GMT; mét sè tr¹m thùc hiÖn quan tr¾c ë kho¶ng gi÷a cña hai kú quan tr¾c nμy. Bãng th¸m kh«ng lμ mét lo¹i bãng thêi tiÕt nh−ng kh«ng cã thiÕt bÞ ®o, khi bãng bay lªn cao sÏ cho th«ng tin vÒ vect¬ giã ngang nh− lμ mét hμm cña ®é cao. HÖ thèng cao kh«ng lμ mét trong c¸c hÖ thèng quan tr¾c khÝ quyÓn chÝnh x¸c nhÊt. NhiÖt ®é ®−îc ®o víi kho¶ng sai sè + 1K, ®é Èm t−¬ng ®èi lμ + 10% vμ giã lμ + 3- 5m/s. Sai sè sÏ lín h¬n ë c¸c mùc cao h¬n n¬i mËt ®é kh«ng khÝ nhá cã nghÜa lμ thêi gian ph¶n håi tíi c¸c thiÕt bÞ sÏ dμi h¬n vμ viÖc b¶o vÖ chóng khái bøc x¹ nhiÖt trë nªn khã kh¨n h¬n. Sè liÖu cao kh«ng ®o ®−îc phÇn lín tÇng ®èi l−u vμ cã thÓ tíi phÇn d−íi tÇng b×nh l−u. HiÖn nay, kho¶ng 50% sè liÖu cao kh«ng ®¹t tíi mùc 100hPa hoÆc cao h¬n. C¸c nç lùc quèc tÕ dÉn ®Çu lμ Tæ chøc KhÝ t−îng ThÕ giíi ®¶m b¶o r»ng sè liÖu cao kh«ng mμ c¸c trung t©m khÝ t−îng sö dông ®−îc thu thËp ®Çy ®ñ víi cïng mét chuÈn vÒ ®é chÝnh x¸c. Tuy vËy, vÉn cã sù bÊt liªn tôc ®¸ng kÓ trong c¸c biÕn khÝ t−îng ë c¸c ®−êng biªn giíi quèc gia, ®Æc biÖt ë c¸c mùc trªn cao. §o ®¹c cao kh«ng rÊt chÝnh x¸c, cã ®é ph©n gi¶i th¼ng ®øng rÊt cao. C¸c tr¹m thu thËp gi¸ trÞ cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng t¹i c¸c ‘mùc chuÈn’ cïng víi gi¸ trÞ t¹i c¸c ‘mùc ®o’ n¬i mét th«ng sè hay gi¸ trÞ gradien cña nã ®−îc quan tr¾c. C¸c mùc chuÈn lμ 1000hPa, 850hPa, 700hPa, 500hPa, 400hPa, 300hPa, 250hPa, 200hPa, 150hPa, 100hPa, 50hPa vμ 30hPa. Sè liÖu cao kh«ng lμ gi¸ trÞ ®Æc tr−ng t¹i mét ®iÓm trong mét thÓ tÝch kh«ng khÝ t¹i mçi mùc mμ nã ®i qua. Tuy nhiªn, viÖc x¸c ®Þnh thÓ tÝch kh«ng khÝ ®Æc tr−ng cho ®iÓm ®ã mang tÝnh chÊt t−¬ng ®èi, ch¼ng h¹n nh− sè liÖu ®o ®−îc trong mét líp kh«ng khÝ m©y sÏ cã profile rÊt kh¸c so víi gi¸ trÞ ®o ®−îc c¸ch ®ã vμi kilomet hay vμi phót sau ®ã. §iÒu nμy lμm cho viÖc gi¶i thÝch c¸c sè liÖu ®o ®¹c ®é Èm vμ ®−¬ng nhiªn c¶ tr−êng nhiÖt vμ tr−êng giã gÆp khã kh¨n. ViÖc duy tr× c¸c tr¹m cao kh«ng kh¸ tèn kÐm, ®iÒu nμy gi¶i thÝch t¹i sao c¸c tr¹m ®−îc ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu nh− trªn H×nh 2.1. Kho¶ng c¸ch trung b×nh cña hai tr¹m liÒn kÒ lμ kho¶ng 700km, t−¬ng ®−¬ng víi qui m« ®Æc tr−ng cña xo¸y thuËn - 43 - miÒn «n ®íi lμ 1000km. Kho¶ng 800 tr¹m cao kh«ng trong tæng sè 1000 tr¹m n»m ë vïng B¾c B¸n CÇu. §iÒu nμy cã nghÜa lμ kho¶ng c¸ch trung b×nh gi÷a c¸c tr¹m ë Nam B¸n CÇu lμ 1100km. C¸c tr¹m ®−îc ph©n bè trªn ®Êt liÒn nhiÒu h¬n. Sè liÖu bÞ khuyÕt chñ yÕu trªn ®¹i d−¬ng vμ trªn nh÷ng vïng th−a thít c¸c tr¹m nh− hoang m¹c ë b¾c Ch©u Phi vμ ArËp. Mét sè hßn ®¶o n»m gi÷a biÓn còng cã c¸c tr¹m quan tr¾c vμ mét sè tμu biÓn thêi tiÕt cè ®Þnh n»m ë vïng b¾c §¹i T©y D−¬ng vμ b¾c Th¸i B×nh D−¬ng mÆc dï vËy mét sè khu vùc m¹ng l−íi cao kh«ng vÉn cßn rÊt th−a thít. Vïng th−a thít sè liÖu ®¸ng quan t©m nhÊt lμ vïng «n ®íi Th¸i B×nh D−¬ng Nam B¸n CÇu, chØ cã mét tr¹m duy nhÊt n»m gi÷a NewZealand vμ bê biÓn Chilª. H×nh 2.1. Ph©n bè toμn cÇu cña (a) tr¹m cao kh«ng (tæng sè tr¹m quan tr¾c = 611 ( 601 tr¹m trªn lôc ®Þa,  10 tr¹m trªn tμu)); vμ (b) bãng th¸m kh«ng th¶ trong ph©n tÝch 12.00 GMT ngμy 29/10/1991 cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (tæng sè quan tr¾c = 161 (c¶ trªn lôc ®Þa)). - 44 - RÊt nhiÒu tr¹m khÝ t−îng trªn thÕ giíi chØ ph¸t b¸o sè liÖu mÆt ®Êt v× viÖc duy tr× c¸c tr¹m nμy Ýt tèn kÐm h¬n, ph©n bè c¸c tr¹m nμy nh− trªn H×nh 2.2. Bªn c¹nh viÖc ®o c¸c ®¹i l−îng nh− nhiÖt ®é, khÝ ¸p, ®é Èm vμ giã, c¸c tr¹m mÆt ®Êt cßn ph¸t b¸o nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nh− hiÖn t−îng thêi tiÕt, d¹ng m©y... HiÖn nay, rÊt khã ®Ó tæ hîp d¹ng sè liÖu nμy víi sè liÖu ®−îc ph©n tÝch tõ m¸y tÝnh cho c¸c môc ®Ých dù b¸o thêi tiÕt b»ng ph−¬ng ph¸p sè trÞ. §iÒu nμy thËt ®¸ng tiÕc v× nã chøa ®ùng kh¸ nhiÒu th«ng tin h÷u Ých. Ngoμi c¸c tr¹m quan tr¾c ®Æt cè ®Þnh trªn ®Êt liÒn lμ c¸c tr¹m syn«p bÒ mÆt cßn cã sè liÖu quan tr¾c ®o bëi c¸c tμu biÓn. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, quan tr¾c bÒ mÆt ®−îc thùc hiÖn tù ®éng. §iÒu nμy lμm t¨ng kh¶ n¨ng më réng m¹ng l−íi sè liÖu, ®Æc biÖt ë c¸c khu vùc vïng s©u vïng xa hay nh÷ng vïng cã chiÕn sù. ViÖc triÓn khai c¸c tr¹m thêi tiÕt tù ®éng trªn c¸c phao næi ë c¸c ®¹i d−¬ng phÝa nam trong suèt nh÷ng n¨m 1978-1979 lμ mét ®ãng gãp quan träng ®èi víi Thö nghiÖm vËt lý toμn cÇu thø nhÊt (FGGE-First GARP Global Experiment), mét nç lùc to lín ®Ó thu ®−îc sè liÖu cã chÊt l−îng cao trªn toμn thÕ giíi trong vßng mét n¨m. C¸c ch−¬ng tr×nh kiÓu nh− vËy ngμy nay ®· trë thμnh mét bé phËn kh«ng thÓ thiÕu cña m¹ng l−íi sè liÖu. Sè liÖu tõ c¸c phao ®−îc neo l¹i hay tr«i ®ang dïng trong ph©n tÝch hiÖn nay ®−îc m« t¶ trªn H×nh 2.3. H×nh 2.2. Ph©n bè toμn cÇu cña tr¹m quan tr¾c bÒ mÆt, c¶ trªn lôc ®Þa vμ tõ c¸c tμu biÓn lóc 12.00GMT ngμy 29/10/1991 sö dông ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (tæng sè tr¹m quan tr¾c = 7983 trong ®ã * 6993 tr¹m syn«p, x 990 tr¹m tμu biÓn) MÆc dï mËt ®é cña c¸c tr¹m nãi trªn dμy ®Æc h¬n so víi m¹ng l−íi c¸c tr¹m cao kh«ng nh−ng m¹ng l−íi c¸c tr¹m mÆt ®Êt còng cã nh÷ng nh−îc ®iÓm. C¸c tr¹m cã kho¶ng c¸ch ë lôc ®Þa B¾c B¸n CÇu ng¾n h¬n. MÆc dï vËy viÖc sö dông tμu biÓn gióp bæ khuyÕt sè liÖu trªn ®¹i d−¬ng, tuy nhiªn c¸c th¸m s¸t nμy l¹i theo mét tuyÕn ®−êng nhÊt ®Þnh cña con tμu vμ c¸c tμu thuyÒn th−êng tr¸nh gÆp c¸c hiÖn t−îng thêi tiÕt nguy hiÓm. - 45 - H×nh 2.3. Tr¹m quan tr¾c bÒ mÆt tù ®éng tõ c¸c phao neo vμ phao tr«i ®−îc sö dông trong ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u lóc 12.00GMT ngμy 29/10/1991 (tæng sè tr¹m = 369, trong ®ã cã * 335 phao tr«i, 34 phao neo) Th«ng tin tõ vÖ tinh trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y ®· trë thμnh nguån sè liÖu quan träng mÆc dï ®é chÝnh x¸c cña nã kÐm h¬n so víi c¸c thiÕt bÞ ®o th«ng th−êng (®Æc biÖt trong tÇng ®èi l−u). Sè liÖu ®−îc sö dông réng r·i nhÊt lμ c¸c gi¸ trÞ vÒ nhiÖt ®é ®−îc x¸c ®Þnh tõ kÕt qu¶ ®o ®¹c bøc x¹ hång ngo¹i thùc hiÖn bëi vÖ tinh quÜ ®¹o cùc. VÖ tinh nμy c¸c ®Þnh tr¹ng th¸i khÝ quyÓn phÝa d−íi quÜ ®¹o cña nã víi ®é ph©n gi¶i ngang lín. Chu kú cña quÜ ®¹o ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 90 phót, do ®ã mét vÖ tinh bÊt kú mÊt kho¶ng vμi giê ®Ó bao qu¸t ®−îc toμn bé Tr¸i §Êt. Do ®ã, sè liÖu nhËn ®−îc kh«ng trïng víi giê syn«p chÝnh. HÖ thèng ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u lÊy sè liÖu nμy trong kho¶ng chu kú 6h kÓ tõ thêi gian ph©n tÝch gÇn nhÊt. H×nh 2.4 (a) m« t¶ c¸c th«ng tin tõ hai vÖ tinh bao phñ hÇu hÕt bÒ mÆt Tr¸i §Êt. §é ph©n gi¶i th¼ng ®øng lμ nh−îc ®iÓm lín nhÊt cña th¸m s¸t tõ vÖ tinh. §é ph©n gi¶i nμy ®Æc tr−ng lμ vμi kilomet. Nã chØ phï hîp víi nghiªn cøu tÇng b×nh l−u trªn vμ tÇng trung quyÓn, ®é ph©n gi¶i nμy rÊt nhá ®èi víi nghiªn cøu tÇng ®èi l−u. Sè liÖu ®o ë ®é cao c¸c ®Ønh m©y th−êng Ýt, v× vËy kh«ng cã sè liÖu ®o trong c¸c hÖ thèng thêi tiÕt nguy hiÓm. C¸c ®Çu c¶m øng sãng ng¾n míi cã kh¶ n¨ng cho th«ng tin tõ phÝa d−íi c¸c ®Ønh m©y nh−ng ®é ph©n gi¶i th¼ng ®øng kh«ng ®−îc c¶i thiÖn nhiÒu. Do viÖc ®o ®¹c chØ thùc hiÖn víi nhiÖt ®é do ®ã th¸m s¸t vÖ tinh ®−îc x¸c ®Þnh cïng víi sù hç trî cu¶ c¸c thiÕt bÞ ®o th«ng th−êng kh¸c ®Ó nhËn ®−îc gi¸ trÞ cña khÝ ¸p. Khi ®ã, cÇn ¸p dông ®iÒu kiÖn c©n b»ng ®Ó néi suy tr−êng giã tõ khÝ ¸p mÆt ®Êt vμ nhiÖt ®é ë c¸c mùc trªn cao. MÆc dï cßn tån t¹i mét sè nh−îc ®iÓm nh−ng th¸m s¸t nhiÖt ®é tõ vÖ tinh lμ mét nguån sè liÖu quan trong nhÊt trªn ®¹i d−¬ng. C¸c ¶nh tõ vÖ tinh ®Þa tÜnh ®−îc dïng ®Ó thu c¸c gi¸ trÞ cña tr−êng giã nhê sù chuyÓn ®éng cña c¸c ®Æc ®iÓm m©y ®Æc tr−ng. H×nh 2.4(b) biÓu diÔn møc ®é bao phñ sè liÖu. Sè liÖu giã x¸c ®Þnh b»ng vÖ tinh c¶i thiÖn ®¸ng kÓ ®èi víi viÖc ph©n tÝch trªn c¸c ®¹i d−¬ng phÝa nam. - 46 - H×nh 2.4. Sè liÖu vÖ tinh dïng trong ph©n tÝch håi 12.00GMT ngμy 29/10/1991 cña ECMWF. NhiÖt ®é. DÊu chÐo chØ sè liÖu cña vÖ tinh NOAA 11, « vu«ng ®Ëm chØ sè liÖu cña vÖ tinh NOAA 12 (tæng sè quan tr¾c: 1239 trong ®ã x: 674 NOAA 11; # 565 NOAA 12) Giã x¸c ®Þnh tõ c¸c vÖ tinh ®Þa tÜnh (tæng sè quan tr¾c = 2414 trong ®ã # 1472 METEOSTAT, x 522 HIMAWARI) Ngoμi ra cßn mét sè nguån sè liÖu giíi h¹n kh¸c. C¸c th«ng tin vÒ nhiÖt ®é vμ khÝ ¸p ®−îc x¸c ®Þnh tù ®éng nhê c¸c m¸y bay d©n sù. Sè liÖu thu thËp tõ vÖ tinh bæ sung vμo m¹ng l−íi sè liÖu toμn cÇu. C¸c ®o ®¹c chØ ®−îc thùc hiÖn ë c¸c mùc m¸y bay ®i qua, hÇu hÕt lμ theo c¸c tuyÕn bay. H×nh 2.5 biÓu diÔn c¸c sè liÖu ®o ®−îc tõ m¸y bay ë khu vùc b¾c §¹i T©y D−¬ng vμ Th¸i B×nh D−¬ng. - 47 - H×nh 2.5. Sè liÖu tõ m¸y bay (AIREPs) dïng trong ph©n tÝch håi 12.00GMT cña ECMWF ngμy 29/10/1991 (tæng sè quan tr¾c b»ng 854) 2.3 C¸c m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè §Ó hiÓu ®−îc c¸ch thøc sö dông c¸c d¹ng sè liÖu kh¸c nhau tr×nh bμy ë trªn, tr−íc tiªn ta cÇn hiÓu râ c¸c nguyªn lý cña m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè. Víi gi¸ trÞ cña c¸c biÕn khÝ quyÓn quan tr¾c ban ®Çu cho tr−íc, cÇn sö dông c¸c ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n víi ®é chÝnh x¸c thÝch hîp trong mét hÖ ph−¬ng tr×nh, ch¼ng h¹n nh− c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy tõ (1.33a)-(1.36) ®Ó dù b¸o gi¸ trÞ cña c¸c biÕn khÝ t−îng ë thêi ®iÓm tiÕp theo. TÝnh phøc t¹p cña nã lμ rÊt khã ®Ó t×m nghiÖm chÝnh x¸c cho c¸c ph−¬ng tr×nh. Thay vμo ®ã, ta t×m nghiÖm sè b»ng c¸ch tÝnh trªn c¸c m¸y tÝnh cùc m¹nh. C¸c ph−¬ng tr×nh ®−îc ‘rêi r¹c ho¸’ do ®ã chóng biÓu diÔn c¸c biÕn khÝ t−îng t¹i mét sè lín c¸c ®iÓm rêi r¹c nh−ng h÷u h¹n. B»ng c¸ch nμy, c¸c ph−¬ng tr×nh liªn tôc ®−îc thay thÕ b»ng mét hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹i sè gÇn ®óng t−¬ng ®−¬ng cã thÓ dïng ®Ó dù b¸o c¸c gi¸ trÞ trong kho¶ng thêi gian tiÕp theo. ThuËt to¸n nμy ®−îc lÆp l¹i nhiÇu lÇn ®Ó dù b¸o t¹i mét thêi ®iÓm bÊt kú trong t−¬ng lai. C¸c nguyªn t¾c nμy ®−îc biÓu diÔn th«ng qua ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh mét chiÒu nh− sau 0 x Qu t Q    (2.14) trong ®ã Q = Q(x,t) lμ biÕn bÊt kú vμ u lμ vËn tèc b×nh l−u vμ ®−îc coi lμ h»ng sè. Gi¶ sö ph©n bè ban ®Çu cña Q lμ Qo(x), khi ®ã nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh nμy lμ    utxQt,xQ 0  (2.15) Ph©n bè ban ®Çu bÊt kú cña Q dÞch chuyÓn víi tèc ®é u däc theo trôc x sÏ kh«ng thay ®æi d¹ng. Ph−¬ng tr×nh (2.14) lμ mét d¹ng nguyªn mÉu cña mét sè sè h¹ng quan träng xuÊt hiÖn trong c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy. Ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ ®−îc rêi r¹c ho¸ b»ng c¸ch x¸c ®Þnh gi¸ trÞ Q ë ®iÓm nót l−íi trong mÆt ph¼ng (x,t). Ta cã thÓ viÕt - 48 -   mn00 Qtmt,xnxQ  (2.16) trong ®ã n vμ m lμ c¸c sè nguyªn vμ x, t lμ b−íc l−íi theo trôc x vμ t t−¬ng øng. Sö dông khai triÓn chuçi Taylor l©n cËn mét ®iÓm cho tr−íc, biÓu thøc gÇn ®óng viÕt cho ®¹o hμm cã d¹ng  21mn1mn t0 t2 QQ t Q     (2.17a)  21nm1nm x0 x2 QQ x Q     (2.17b) Sè h¹ng cuèi cïng trong c¸c biÓu thøc nμy lμ sai sè −íc l−îng2 cña gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n ®èi víi phÐp lÊy ®¹o hμm nμy. ThÕ biÓu thøc nμy vμo ph−¬ng tr×nh b×nh l−u vμ s¾p xÕp l¹i cho ta ph−¬ng tr×nh dù b¸o Q ë b−íc thêi gian thø (m + 1) khi biÕt gi¸ trÞ cña nã ë b−íc thêi gian (m - 1) vμ m    221nm1nm1mn1mn x,t0QQxtuQQ   (2.18) TÝch ph©n ®ßi hái sai sè −íc l−îng ph¶i nhá. §iÒu nμy ®¹t ®−îc nÕu x vμ t nhá. Cuèi cïng, cÇn b¶o ®¶m r»ng sai sè −íc l−îng kh«ng bÞ khuyÕch ®¹i. §Ó tho¶ m·n yªu cÇu nμy, l−u ý r»ng sai sè −íc l−îng kÝ hiÖu lμ mn ph¶i tho¶ m·n cïng ph−¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh (2.18) còng nh− ®èi víi Q. Gi¶ thiÕt r»ng sai sè cã d¹ng ikxqtmn eAe (2.19) NÕu 1e tq  , khi ®ã sai sè −íc l−îng sÏ khuyÕch ®¹i ë mçi b−íc thêi gian vμ nhanh chãng chiÕm −u thÕ trong nghiÖm. Tr−êng hîp nμy gäi lμ 'bÊt æn ®Þnh tÝnh to¸n'. MÆt kh¸c, nÕu 1e tq  , sai sè ®−îc giíi h¹n vμ s¬ ®å sè lμ 'æn ®Þnh'. ThÕ vμo ph−¬ng tr×nh (2.18) vμ gi¶i nghiÖm ph−¬ng tr×nh bËc hai cã d¹ng N 22tq sis1e  (2.20) trong ®ã x/tu  vμ   k/2xN,N/2sinSN  lμ b−íc sãng cña sai sè. §é æn ®Þnh ®−îc ®¶m b¶o nÕu   1. NÕu  > 1, sai sè ®èi víi mét sè b−íc sãng cã thÓ t¨ng theo qui luËt hμm mò. §iÒu kiÖn æn ®Þnh nμy th−êng ®−îc giíi h¹n ®èi víi b−íc thêi gian, ®−îc gäi lμ ®iÒu kiÖn 'Courant-Friedrich-Lewy' (CFL) u/xt  ®èi víi ®é æn ®Þnh (2.21) §èi víi c¸c gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n kh¸c cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u ®Òu cã c¸c chØ tiªu æn ®Þnh riªng mÆc dï hÇu hÕt c¸c s¬ ®å ®¬n gi¶n ®Òu cã ®iÒu kiÖn æn ®Þnh t−¬ng tù nh− ph−¬ng tr×nh (2.21). Quan hÖ nμy cho thÊy b−íc thêi gian cùc ®¹i sÏ nhá khi b−íc l−íi x gi¶m. Do vËy, viÖc gi¶m x ®ång nghÜa víi viÖc gi¶m b−íc thêi gian ®Ó ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh. §iÒu kiÖn CFL cã thÓ ®−îc kh¸i qu¸t ho¸ ®èi víi c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh kh¸c phøc t¹p h¬n. Nguyªn t¾c c¬ b¶n lμ "th«ng tin" kh«ng thÓ ®i qu¸ mét b−íc l−íi trong mét b−íc thêi gian. Do vËy, trong mét ph−¬ng tr×nh m« t¶ sù lan truyÒn sãng víi tèc ®é 2 sai sè −íc l−îng (hay sai sè c¾t xÐn): truncation error (ng−êi dÞch gi¶i thÝch thªm) - 49 - pha c, ®iÒu kiÖn æn ®Þnh lμ t  cx. Tèc ®é pha lín nhÊt cña sãng th−êng kh¸ lín so víi tèc ®é dßng khÝ trong khÝ quyÓn vμ v× vËy nã giíi h¹n b−íc thêi gian cùc ®¹i. Ch¼ng h¹n nh−, tèc ®é dßng khÝ trong tÇng ®èi l−u nh×n chung nhá h¬n 100m/s. Tuy nhiªn sãng träng tr−êng ngo¹i hay 'sãng Lamb' cã tèc ®é pha kho¶ng 300m/s vμ sãng träng tr−êng néi cã tèc ®é pha kh«ng v−ît qu¸ 100m/s. Trong thêi gian ®Çu cña lÜnh vùc dù b¸o thêi tiÕt sè, c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh “läc” kh¸c nhau ®−îc nghiªn cøu sö dông ®Ó lo¹i bá c¸c sãng cã tèc ®é nhanh ra khái hÖ thèng. Ch¼ng h¹n, hÖ ph−¬ng tr×nh dùa trªn ph−¬ng tr×nh xo¸y tùa ®Þa chuyÓn bao gåm ®iÒu kiÖn c©n b»ng giã nhiÖt liªn hÖ gi÷a tr−êng giã vμ tr−êng nhiÖt, do ®ã lo¹i bá ®−îc sãng träng tr−êng ra khái nghiÖm. C¸ch tiÕp cËn phæ biÕn hiÖn nay lμ sö dông c¸c ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy thõa nhËn nghiÖm sãng träng tr−êng kÕt häp víi s¬ ®å tÝch ph©n “nöa Èn”. S¬ ®å tÝch ph©n Èn lμ mét s¬ ®å trong ®ã gi¸ trÞ ch−a biÕt ë b−íc thêi gian (m +1) ®−îc sö dông trong biÓu thøc vÕ tr¸i cña ph−¬ng tr×nh. Ch¼ng h¹n, ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh cã thÓ viÕt d−íi d¹ng              2 QQQQ QQ 1m 1n 1m 1n 1m 1n 1m 1n1m n 1m n (2.22) C¸c ®¹o hμm theo kh«ng gian ®−îc lμm tr¬n theo thêi gian. DÔ dμng thÊy r»ng s¬ ®å kiÓu nμy lμ æn ®Þnh tÝnh to¸n víi mäi b−íc thêi gian t, do ®ã nghiÖm sè cña nã t¨ng kh«ng gièng nh− nghiÖm ph©n tÝch khi  > 1. H¬n n÷a, ®Ó nhËn ®−îc gi¸ trÞ Qnm+1 tõ quan hÖ sai ph©n h÷u h¹n nμy ®ßi hái nghiÖm cña hÖ ph−¬ng tr×nh ®ång thêi cã mét nghiÖm kÐp t¹i nót l−íi. Thao t¸c tÝnh to¸n cña mét s¬ ®å Èn lín h¬n nhiÒu so víi s¬ ®å hiÓn. Trong c¸c s¬ ®å nöa Èn, c«ng thøc nμy ®−îc ¸p dông ®èi víi c¸c sè h¹ng trong ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy h×nh thμnh nªn sãng träng tr−êng; c¸c sè h¹ng cßn l¹i ¸p dông s¬ ®å hiÓn. Giíi h¹n vÒ b−íc thêi gian khi ®ã ®−îc qui ®Þnh bëi tèc ®é dßng khÝ h¬n lμ tèc ®é pha lín nhÊt cña sãng trong tr−êng. ThËm chÝ khi t ®ñ nhá ®Ó ®¶m b¶o ®é æn ®Þnh vμ ®èi víi gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n cña ®¹o hμm ®ñ ®é chÝnh x¸c th× nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u vÉn kh«ng ph¶i lμ nghiÖm thùc. Cã thÓ thÊy ®iÒu nμy nÕu tÝnh tèc ®é pha cña c¸c nhiÔu ®éng d¹ng sãng víi b−íc sãng lμ Nx. NghiÖm ph©n tÝch cho thÊy tèc ®é pha sÏ b»ng u ®èi víi tÊt c¶ c¸c b−íc sãng. §èi víi gÇn ®óng sai ph©n h÷u h¹n cña ph−¬ng tr×nh nμy, dÔ dμng thÊy r»ng             N 2sinsin 2 N u c 1 (2.23) trong ®ã c lμ tèc ®é pha cña c¸c nhiÔu ®éng ®· ®−îc rêi r¹c ho¸ trong ph−¬ng tr×nh b×nh l−u. NÕu N lín th× c/u sÏ dÇn tíi 1. Tuy nhiªn, khi N nhá, c lu«n lu«n nhá h¬n u. §èi víi b−íc sãng nhá nhÊt b»ng b−íc l−íi 2x th× c b»ng kh«ng. Do ®ã c¸c ®Æc ®iÓm qui m« nhá ®−îc thÓ hiÖn trong nghiÖm chËm h¬n so víi nghiÖm thùc, nghiÖm gi¶i tÝch. VÝ dô nμy ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 2.6. - 50 - H×nh 2.6 Sù biÕn ®æi cña tèc ®é pha theo b−íc sãng trong nghiÖm cña ph−¬ng tr×nh b×nh l−u tuyÕn tÝnh. Trong vÝ dô nμy ut/x ®−îc chän b»ng 0,5. §iÒu g× t¹o ra sù kh«ng phï hîp nμy, mét nhiÔu ®éng cã d¹ng bÊt kú cã thÓ ®−îc khai triÓn theo chuçi Fourier theo c¸c b−íc sãng kh¸c nhau sÏ bÞ ph©n t¸n. C¸c thμnh phÇn cã b−íc sãng ng¾n h¬n sÏ dÞch chuyÓn chËm h¬n so víi c¸c thμnh phÇn cã b−íc sãng dμi h¬n. Nh÷ng nghiªn cøu d−íi ®©y chñ yÕu ®−îc tiÕn hμnh trong hÖ to¹ ®é §ecac, trong ®ã c¸c ®iÓm nót l−íi x¸c ®Þnh trong kh«ng gian theo h−íng x vμ y. Mét « l−íi nh− vËy cã thÓ tho¶ m·n ®èi víi mét m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt sè ®Þa ph−¬ng, tuy kh«ng ®Çy ®ñ ®èi víi mét m« h×nh toμn cÇu. Mét « l−íi ®−îc x¸c ®Þnh b»ng vÜ ®é  vμ kinh ®é  sÏ bÞ thu hÑp t¹i cùc víi b−íc l−íi rÊt nhá ë c¸c vÜ ®é cao. §iÒu nμy cã nghÜa lμ ®iÒu kiÖn CFL sÏ ®ßi hái c¸c b−íc thêi gian ph¶i ng¾n ®Ó phï hîp víi k