Tương tác biển - Khí quyển nhiệt đới

62 Ch−¬ng 3 t−¬ng t¸c BiÓn - khÝ quyÓn nhiÖt ®íi 3.1. BÊt æn ®Þnh ®èi l−u trong khÝ quyÓn nhiÖt ®íi Qu¸ tr×nh ph©n bè l¹i nhiÖt l−îng trong ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn x¶y ra mét c¸ch phøc t¹p, tuy nhiªn mäi qu¸ trÝnh chÝnh tËp trung trong tÇng ®èi l−u khÝ quyÓn vµ líp ho¹t ®éng trªn cña ®¹i d−¬ng vµ biÓn. Trong khÝ quyÓn theo Ludlam tån t¹i bèn d¹ng ®èi l−u c¬ b¶n sau ®©y. (i). §èi l−u vi m« thÓ hiÖn qua ®èi l−u th¼ng ®øng ë biªn d−íi tÇng ®èi l−u khi c¸c dßng nhiÖt ®−îc ®−a vµo trong khÝ quyÓn. (ii). §èi l−u trong m©y tÝch Cu ®ãng vai trß ph©n bè l¹i nhiÖt trong toµn tÇng ®èi l−u. (iii). §èi l−u vÜ m« theo bÒ dµy khÝ quyÓn còng nh− tõ vÜ ®é thÊp ®Õn vÜ ®é cao, d¹ng ®èi l−u nµy chÞu t¸c ®éng m¹nh cña ¶nh h−ëng lùc quay qu¶ ®Êt (lùc Koriolis). (iv). §èi l−u cì trung b×nh chñ yÕu do hiÖu øng tµ ¸p (barocline), hiÖn t−îng nµy th−êng liªn quan tíi c¸c qu¸ tr×nh ®èi l−u vÜ m« kh«ng ®ång nhÊt t¹i c¸c vïng ®Þa h×nh kh¸c nhau. Hoµn l−u chung khÝ quyÓn cã thÓ xem nh− tæng hîp cña c¸c qu¸ tr×nh ®èi l−u kÓ trªn. Trªn h×nh 3.1 thÓ hiÖn s¬ ®å c¸c d¹ng hoµn l−u khÝ quyÓn th«ng qua c¸c d¹ng xo¸y hoµn l−u khÝ quyÓn trªn khu vùc ch©u ¸. ë vïng vÜ ®é thÊp hoµn l−u chñ yÕu theo xo¸y x«lªnoit Hadley. GÇn xÝch ®¹o dßng nhiÖt do ®èi l−u mang tõ líp d−íi ®i lªn t¹o ra c¸c m©y tÝch m−a (Cumulus). Trªn vïng cËn nhiÖt ®íi xung quanh vÜ tuyÕn 300 kh«ng khÝ toµn tÇng ®èi l−u tõ trªn ®i xuèng d−íi ngo¹i trõ mét líp ma s¸t mÆt cã ®é cao 1-2 km. TÝn phong ®ãng vai trß tiÕp nèi trong líp khÝ quyÓn gÇn mÆt lu«n cã h−íng tõ hai phÝa ®i vÒ xÝch ®¹o t¹o nªn khu vùc héi tô nhiÖt ®¬Ý (HTN§: Intertropical Convergence Zone - ICTZ) HÖ thèng tr−êng giã vµ ¸p toµn cÇu lu«n cã xu h−íng lÖch vÒ phÝa b¸n cÇu mïa h¹ (c¸c h×nh 3.2a,b). Trong th¸ng giªng, vÞ trÝ cña d¶i héi tô nhiÖt ®íi trªn khu vùc ch©u ¸ n»m ë vÞ trÝ tõ 50 S ®Õn 150 S, giã ®«ng b¾c bao trïm toµn vïng §«ng Nam ¸ trong ®ã khã ph©n biÖt gi÷a giã mïa ®«ng b¾c vµ tÝn phong b¾c Th¸i b×nh d−¬ng v× ranh giíi gi÷a 63 hai dßng khÝ kh«ng cã ®−îc c¸c ®Æc tÝnh cô thÓ cña mét front. Th«ng th−êng rÊt khã ph©n biÖt c¸c nghÞch nhiÖt vµ Èm gi÷a líp khÝ Êm ®¹i d−¬ng n»m trªn líp khÝ l¹nh vµ kh« h¬n nguån gèc lôc ®Þa. H×nh 3.1. S¬ ®å c¸c æ hoµn l−u chung khÝ quyÓn trªn vïng ®«ng – nam ¸ [9] 64 H×nh 3.2a S¬ ®å hoµn l−u khÝ quyÓn trªn mÆt ®Êt trong mïa ®«ng [6] : 1- vÞ trÝ trung b×nh cña d¶i héi tô nhiÖt ®íi, 2- h−íng giã th−êng gÆp, 3- h−íng giã thÞnh hµnh (>50%) H×nh 3.2b S¬ ®å hoµn l−u khÝ quyÓn trªn mÆt ®Êt trong mïa hÌ [6], chó thÝch nh− h×nh 3.2a 65 Mïa hÌ do t¸c ®éng cña giã mïa t©y nam d¶i héi tô vïng nam ¸ vµ §«ng Nam ¸ xª dÞch vÒ phÝa b¾c vÜ tuyÕn 200 N thËm chÝ 300 N trªn ®Êt liÒn. §èi víi ®èi l−u trong m©y tÝch, trªn phÇn lín c¸c vïng biÓn vµ ®¹i d−¬ng khÝ quyÓn th−êng cã ph©n tÇng kh«ng æn ®Þnh, viÖc trao ®æi c¸c th«ng l−îng theo ph−¬ng th¼ng ®øng x¶y ra d−íi t¸c ®éng cña lùc Acsimet vµ rèi ®éng lùc. Khi chuyÓn ®éng rèi cã vai trß lín h¬n lùc Acsimet th× ®èi l−u mang tÝnh c−ìng bøc, ng−îc l¹i ta cã ®èi l−u tù do. §é cao cã thÓ ®¹t ®−îc cña dßng ®èi l−u phô thuéc vµo ph©nbè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é vµ ®é Èm. TÇng ®èi l−u cµng lín th× m©y cµng ph¸t triÓn. Ph©n bè c¸c m©y tÝch m−a trong vïng nhiÖt ®íi th−êng tu©n theo mét sè thø tù nhÊt ®Þnh: „ c¸c ®¹i lé m©y xuÊt ph¸t tõ nguån nhiÖt (v.d. bê dèc phÝa nam cña nói bÞ ®èt nãng) tr¶i theo h−íng giã, „ c¸c æ xo¸y quy m« trung b×nh d¹ng hë vµ d¹ng kÝn nh− ®· tr×nh bµy ë trªn theo c¬ chÕ ®èi l−u Bernard. „ c¸c ph©n bè thµnh c¸c vÖt hoÆc hµnh lang m©y chñ yÕu do c¸c èng xo¸y Langmur t¹o nªn. Sù h×nh thµnh c¸c tr−êng m©y tÝch m−a do qu¸ tr×nh ®èt nãng bÒ mÆt cã ®−êng kÝnh æ trung t©m vµo kho¶ng 50 km vµ tû lÖ gi÷a ®−êng kÝnh vµ ®é cao tõ 10:1 ®Õn 100:1, riªng æ trung t©m cã tû lÖ vµo kho¶ng 30:1. C¸c m©y tÝch m−a ph¼ng th−êng cã ®é dµy kh«ng lín H < W, víi W lµ ®é réng cña ch©n m©y, th«ng th−êng W vµo kho¶ng mét, vµi kil«mÐt. §èi víi m©y trung b×nh th× ®é dµy vµ réng cña m©y gÇn t−¬ng ®−¬ng nhau, khi m©y cµng lín th× ®é dµy (cao) lín h¬n nhiÒu so víi ®é réng. Trong tr−êng hîp khèi khÝ Èm ®i lªn, qu¸ tr×nh ng−ng tô h×nh thµnh nªn m©y tÝch. M©y ph¸t triÓn cao khi líp ®èi l−u bÊt æn ®Þnh cã cïng ®é lín. PhÇn lín m©y tÝch m−a ®¹t tíi ®é cao cña tÇng nghÞch nhiÖt : kho¶ng 15 km t¹i vïng nhiÖt ®íi. Trong mét sè tr−êng hîp, qu¸ tr×nh ph¸t triÓn lªn cao cã thÓ bÞ dõng l¹i ë líp nghÞch nhiÖt thø cÊp n»m ë phÇn d−íi tÇng ®èi l−u trªn ®é cao kho¶ng 2 - 3 km tõ mÆt ®Êt, trong tr−êng hîp nµy, ®Ønh m©y cã d¹ng «van, kh¸c víi d¹ng h×nh nÊm trong tr−êng hîp ®èi l−u toµn tÇng. HiÖn t−îng ®èi l−u trong m©y tÝch m−a cã thÓ kÌm theo hiÖn t−îng vßi rång liªn quan tíi ®èi l−u m¹nh ë líp biªn khÝ quyÓn trªn biÓn. Vßi rång th−êng xuyªn 66 chuyÓn ®éng víi tèc ®é cña ®¸m m©y ph¸t sinh vµ liªn kÕt víi nã. KÝch th−íc cña vßi rång th«ng th−êng kh«ng lín; b¸n kÝnh tõ vµi, ba mÐt ®Õn vµi ,ba tr¨m mÐt vµ ®é cao kho¶ng vµi, ba tr¨m mÐt. B¶n chÊt cña vßi rång lµ mét xo¸y kh«ng khÝ mµ sù ng−ng tô h¬i n−íc trong nã ®· lµm cho chóng ta thÊy ®−îc dÔ dµng trong d¹ng èng tõ ch©n m©y ®Õn s¸t mÆt ®Êt - biÓn. Nguyªn nh©n lµm h¬i n−íc ng−ng tô lµ do ¸p suÊt kh«ng khÝ trong vßi rång gi¶m m¹nh bëi lùc ly t©m cña xoaý. B¶n th©n xo¸y nµy theo mét sè t¸c gi¶, ®−îc t¹o nªn tõ cét kh«ng khÝ trong ®¸m m©y mÑ. H×nh 3.3. S¬ ®å hoµn l−u chung khÝ quyÓn trªn mÆt c¾t th¼ng ®øng vu«ng gãc xÝch ®¹o [6] Mét trong nh÷ng ®Æc tr−ng cña vïng biÓn nhiÖt ®íi lµ viÖc h×nh thµnh c¸c d¹ng m©y tÝch tÝn phong trong ®ã ®éng lùc c¬ b¶n l¹i lµ c¸c qu¸ tr×nh ®èi l−u c−ìng bøc trong c¸c vïng tÝn phong ph¸t triÓn m¹nh. Theo kÕt qu¶ ph©n tÝch ¶nh vÖ tinh, d¶i tËp trung m©y th−êng trïng víi líp nghÞch nhiÖt tÝn phong n»m ë ®é cao 2-3 km. Líp nghÞch nhiÖt chia tÇng ®èi l−u ra hai phÇn : líp x¸o trén d−íi vµ hoµn l−u Hadley trong tÇng trªn víi dßng ®i xuèng trong líp gi÷a cña tÇng ®èi l−u. Trªn h×nh 3.3 ®−a ra s¬ ®å hoµn l−u khÝ quyÓn trªn mÆt c¾t th¼ng ®øng tõ xÝch ®¹o ®Õn cùc ph¶n ¸nh c¸c æ xo¸y c¬ b¶n theo h−íng kinh tuyÕn (hoµn l−u kinh h−íng). B·o nhiÖt ®íi lµ mét trong c¸c nhiÔu ®éng ®Æc tr−ng cña khÝ quyÓn nhiÖt ®íi. Ngµy nay, mäi ng−êi ®Òu x¸c nhËn ®iÒu kiÖn tèi thiÓu ®Ó mét nhiÔu ®éng nhiÖt ®íi 67 trë thµnh b·o ®ã lµ mÆt biÓn ph¶i ®ñ nãng. Xem xÐt ®iÒu kiÖn ph¸t triÓn cña bÊt æn ®Þnh ®èi l−u cña khÝ quyÓn nhiÖt ®íi lªn biÓn, Palmen ®· chøng minh r»ng b·o nhiÖt ®íi chØ cã thÓ xuÊt hiÖn trªn nh÷ng vïng biÓn mµ nhiÖt ®é bÒ mÆt cao h¬n 260C. Theo ®ã b·o kh«ng thÓ cã ë vïng nam §¹i t©y d−¬ng còng nh− ë ®«ng nam Th¸i b×nh d−¬ng n¬i mÆt biÓn kh«ng ®ñ nãng. Tuy nhiªn, khi b·o ®· xuÊt hiÖn th× nã cã thÓ tån t¹i trong mét thêi gian nhÊt ®Þnh v× vËy vÉn cã thÓ quan tr¾c ®−îc b·o trªn c¸c khu vùc nhiÖt ®é thÊp h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n kÓ trªn. Tån t¹i mét mèi liªn quan mËt thiÕt gi÷a giã mïa vµ b·o, ®iÒu nµy ®−îc ph¸t hiÖn th«ng qua ph©n tÝch ¶nh vÖ tinh. Th«ng qua c¸c nhiÔu ®éng cã kh¶ n¨ng t¹o thµnh b·o, cã thÓ lÊy c¸c sãng ®«ng lµm vÝ dô: nhiÔu ®éng giã vµ ¸p lan truyÒn vÒ h−íng t©y xuÊt hiÖn kÌm theo hoµn l−u giã mïa. Tuy nhiªn ngµy nay vÉn ch−a lý gi¶i ®−îc c¸c ®iÒu kiÖn vËt lý quyÕt ®Þnh qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ c¸c nhiÔu ®éng sang b·o. §iÒu nµy cã lÏ liªn quan tíi c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c khÝ quyÓn - ®¹i d−¬ng, m©y vµ hoµn l−u synop ë vïng nhiÖt ®íi vµ cã thÓ c¶ nh÷ng dÞ th−êng cña ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn h×nh thµnh trong c¸c thêi gian tr−íc ®ã. Trong b¶ng 3.1 ®−a ra sè l−îng c¸c c¬n b·o ho¹t ®éng trªn hai vïng biÓn ph¸t sinh b·o chÝnh cña ®¹i d−¬ng thÕ giíi. B¶ng 3.1. Sè l−îng trung b×nh c¸c c¬n b·o trªn khu vùc t©y Th¸i b×nh d−¬ng- biÓn §«ng (1) vµ t©y §¹i t©y d−¬ng (2) theo [6] Th¸ng Vïng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 1 2 0.3 0.1 0.1 0.4 1.1 1.8 4.0 4.5 4.6 3.0 2.1 1.0 0 0 0 0 0 0.2 0.3 1.7 2.0 1.0 0.1 0 Ph©n tÝch sè liÖu trªn cho thÊy thêi gian b·o ho¹t ®éng chÝnh (mïa b·o) trïng víi thêi gian ho¹t ®éng cña giã mïa mïa h¹ b¾c b¸n cÇu. 3.2. ho¹t ®éng cña giã mïa trong hÖ thèng biÓn vµ khÝ quyÓn nhiÖt ®íi Theo kh¸i niÖm ®Þa lý vïng nhiÖt ®íi n»m gi÷a hai chÝ tuyÕn b¾c vµ nam trong giíi h¹n 23027’ N vµ 23027’ S. Tuy nhiªn dùa trªn c¬ së ph©n tÝch c¸c ®Æc ®iÓm 68 ph©n bè vµ biÕn ®éng cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng h¶i d−¬ng th× vïng biÓn nhiÖt ®íi cÇn ®−îc më réng h¬n. Trong vïng tõ 250 N ®Õn 250 S diÖn tÝch mÆt biÓn bao gåm 160 triÖu km2 t−¬ng ®−¬ng 44% diÖn tÝch ®¹i d−¬ng thÕ giíi. NÕu kÓ ®Õn vïng gi÷a c¸c vü tuyÕn 300 b¾c vµ nam th× diÖn tÝch vïng biÓn nhiÖt ®íi cã thÓ lªn ®Õn 190 triÖu km2 hay 53% diÖn tÝch ®¹i d−¬ng thÕ giíi. Trong khu vùc nµy diÖn tÝch mÆt biÓn vµ ®¹i d−¬ng chiÕm tíi 74% vµ ®Êt liÒn cßn l¹i kho¶ng 26%. §©y lµ khu vùc gÆp nhau cña c¸c tÝn phong vµ giã mïa víi dßng giã t©y nhiÖt ®íi. D¶i ¸p thÊp gi÷a hai b¸n cÇu hay d¶i héi tô nhiÖt ®íi (HTN§) chÝnh lµ khu vùc ph¸t sinh vµ ph¸t triÓn cña b·o nhiÖt ®íi. Theo Khr«mèp th× giã mïa lµ " chÕ ®é vÜ m« cña c¸c dßng khÝ quyÓn trªn mét phÇn lín bÒ mÆt tr¸i ®Êt víi tÇn suÊt lÆp l¹i cao cña mét h−íng giã thÞnh hµnh trong mïa hÌ còng nh− mïa ®«ng cïng sù thay ®æi h−íng ng−îc chiÒu hoÆc gÇn ng−îc chiÒu nhau trong hai mïa". Vïng ho¹t ®éng cña giã mïa phÇn lín trïng víi vïng s¶n xuÊt n«ng nghiÖp chñ yÕu trªn thÕ giíi. Trªn h×nh 3.4 cho ta b¶n ®å ph©n bè c¸c vïng ho¹t ®éng cña gÝo mïa trªn thÕ giíi. Trong sè nh÷ng khu vùc ho¹t ®éng kh¸c nhau trªn thÕ giíi, giã mïa Ên §é D−¬ng vµ §«ng Nam ¸ lµ réng lín nhÊt kÐo dµi tõ bê t©y ch©u Phi ®Õn t©y Th¸i B×nh D−¬ng vµ lµ mét trong nh÷ng nhiÔu ®éng lín nhÊt cña hoµn l−u chung khÝ quyÓn. H×nh 3.4.Giíi h¹n c¸c vïng ho¹t ®éng giã mïa theo Khromov [9] 69 3.3. T−¬ng t¸c nhiÖt biÓn - khÝ quyÓn - lôc ®Þa : nguyªn nh©n h×nh thµnh vµ biÕn ®æi cña hoµn l−u khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng. Nguyªn nh©n chñ yÕu h×nh thµnh hoµn l−u khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng lµ n¨ng l−îng cña mÆt trêi cung cÊp cho qu¶ ®Êt, nguån n¨ng l−îng nµy ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu trªn c¸c khu vùc vµ ®íi ®Þa lý kh¸c nhau cña qu¶ ®Êt. Sù biÕn ®æi theo thêi gian cña c¸c qu¸ tr×nh hÊp thô vµ trao ®æi nguån n¨ng l−îng nµy lµ nguyªn nh©n cña c¸c biÕn ®éng vµ nhiÔu ®éng cña hoµn l−u. Tuy nguyªn nh©n trùc tiÕp h×nh thµnh chuyÓn ®éng giã vµ dßng ch¶y trong khÝ quyÓn vµ biÓn lµ chªnh lÖch ¸p suÊt thÓ hiÖn qua c¸c gradient ngang, nh−ng nguån gèc cña chóng l¹i lµ chÕ ®é nhiÖt. Ng−êi ta sö dông kh¸i niÖm "m¸y nhiÖt" ®Ó m« t¶, nghiªn cøu vµ lý gi¶i c¸c d¹ng hoµn l−u quy m« kh¸c nhau trong ®ã cã quy luËt h×nh thµnh vµ biÕn ®æi cña c¸c nhiÔu ®éng hoµn l−u. Trong c¸c m¸y nhiÖt nµy c¸c "bÕp lß - nåi h¬i" n»m t¹i c¸c khu vùc ®èt nãng m¹nh quanh n¨m cña líp mÆt, trong ®ã cã vïng biÓn nhiÖt ®íi vµ c¸c lôc ®Þa trong mïa hÌ. C¸c "buång l¹nh" t−¬ng øng sÏ lµ c¸c vïng vÜ ®é cao hay c¸c lôc ®Þa trong mïa ®«ng. BiÕn ®æi chÕ ®é nhiÖt ®é gi÷a xÝch ®¹o vµ cùc cã chu kú chung nöa n¨m. Sù kh¸c biÖt trong tÝnh chÊt nhiÖt cña bÒ mÆt biÓn vµ lôc ®Þa dÉn ®Õn chªnh lÖch mËt ®é kh«ng khÝ gi÷a hai vïng vµ g©y nªn hiÖn t−îng giã mïa trªn quy m« lín. Cã mét d¹ng hoµn l−u t−¬ng tù nh−ng víi quy m« nhá h¬n mang tÝnh khu vùc ®ã lµ hiÖn t−îng giã ®Êt - giã biÓn. Lý thuyÕt cña d¹ng hoµn l−u nµy cã thÓ dùa trªn ph−¬ng tr×nh tÝnh hoµn l−u theo mét ®−êng khÐp kÝn l ®èi víi vËn tèc v: C = → →∫v ld l . vµ ®èi víi gia tèc: dC dt d dt dv l l = ⎛ ⎝ ⎜⎜ ⎞ ⎠ ⎟⎟ → →∫ . 70 Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, khi tÝnh ®Õn hiÖu øng tµ ¸p, ®¹i l−îng d dt v → ≠ 0 cã thÓ biÓu thÞ th«ng qua ph−¬ng tr×nh sau, cho r»ng øng suÊt τ tû lÖ thuËn víi vËn tèc: → →= −τ α v , nh− vËy: d dt Pv v v → → → →= − ∇ − − ⎛⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1 2ρ α ω , hay: dC dt P d d v dl l l l v l= − ∇ − −∫ ∫ ∫→ → → →ρ α ω. , ' '. 2 trong ®ã v’ vµ l’ lµ h×nh chiÕu cña v vµ l lªn mÆt ph¼ng xÝch ®¹o. Hinh 3.5. S¬ ®å tÕ bµo hoµn l−u, AD vµ BC: ®−êng ®¼ng ¸p [2] XÐt tr−êng hîp hoµn l−u theo vßng kÝn ABCD trªn hai mÆt ®¼ng ¸p P1 vµ P2 c¾t hai ®−êng song song CD vµ AB (h×nh 3.5). Thµnh phÇn tµ ¸p trong c«ng thøc trªn ®−îc biÓu thÞ qua sè h¹ng ®Çu: 71 dG dt dP dP dP dP A B B C C D D A 1 = − − − −∫ ∫ ∫ ∫ρ ρ ρ ρ V× sù biÕn ®æi ¸p suÊt trªn c¸c mÆt ®¼ng ¸p b»ng 0 nªn chØ cßn l¹i hai thµnh phÇn thø nhÊt vµ thø ba. MÆt kh¸c do dP =-ρgdz, ta cã: dG dt gdz gdz A B C D 1 = +∫ ∫ Sö dông kh¸i niÖm ®é cao thÕ vÞ H = gz/g1,,ta cã : ( ) ( )[ ]dGdt g H H H HB A C D1 1= − − − Nh− vËy sù kh¸c nhau cña mËt ®é t¹o nªn kho¶ng c¸ch kh¸c nhau gi÷a c¸c mÆt ®¼ng ¸p tõ ®ã dÉn tíi sù biÕn ®æi cña hoµn l−u. Trªn h×nh 3.6 thÓ hiÖn s¬ ®å c¸c vßng xo¸y hoµn l−u trªn khu vùc ven bê khi mÆt ®Êt bÞ ®èt nãng vµ biÓn l¹nh, ta thÊy r»ng giã líp s¸t mÆt vµ dßng ch¶y mÆt cã h−íng ng−îc nhau. H×nh 3.6. S¬ ®å hoµn l−u tµ ¸p (barocline) tr−êng hîp ®Êt Êm h¬n ®¹i d−¬ng [2]: T – Êm, X – l¹nh. 72 T¸c ®éng cña lùc Coriolis lµm cho hoµn l−u bÞ lÖch khái ®−êng ph¸p tuyÕn so víi ®−êng bê - giíi h¹n gi÷a hai vïng nãng l¹nh. Nh− ®· xÐt ë c¸c phÇn trªn, hoµn l−u chung cña khÝ quyÓn cã nguån gèc nhiÖt vµ ®éng lùc bao gåm c¸c chuyÓn ®éng ®èi l−u trong d¹ng c¸c æ xo¸y quy m« kh¸c nhau, cã thÓ ph©n chia chóng thµnh hai lo¹i: hoµn l−u kinh h−íng vµ vÜ h−íng. Hoµn l−u kinh h−íng bao gåm hoµn l−u xolªnoit Hadley n»m hai phÝa xÝch ®¹o víi dßng nhiÖt ®i lªn nhê ®èi l−u trong m©y tÝch t¹i khu vùc ho¹t ®éng cña d¶i héi tô nhiÖt ®íi vµ ®i xuèng t¹i khu vùc vÜ tuyÕn 30°N(S). Hoµn l−u nµy liªn kÕt víi tÝn phong NE ë b¾c b¸n cÇu vµ SE ë nam b¸n cÇu t¹i phÇn d−íi cña tÇng ®èi l−u vµ gÆp nhau t¹i d¶i héi tô nhiÖt ®íi. VÞ trÝ cña d¶i héi tô nhiÖt ®íi biÕn ®æi t−¬ng ®èi m¹nh do qóa tr×nh t−¬ng t¸c biÓn - lôc ®Þa vµ ho¹t ®éng cña giã mïa. T¹i vïng biÓn t©y Th¸i b×nh d−¬ng vµ Ên ®é d−¬ng d¶i HTN§ n»m t¹i vÞ trÝ b¾c 20°S trong th¸ng 1, cßn phÝa ®«ng Th¸i b×nh d−¬ng l¹i n»m gÇn xÝch ®¹o (h×nh 3.2a). Mïa hÌ, t¹i khu vùc t©y Th¸i b×nh d−¬ng vµ Ên ®é d−¬ng d¶i HTN§ v−¬n lªn phÝa b¾c vµ n»m trªn s−ên ®«ng nam lôc ®Þa ch©u ¸ kÐo dµi tíi ®«ng - b¾c Trung Quèc (h×nh 3.2b). D¶i héi tô nhiÖt ®íi ®ãng mét vai trß quan träng trong biÕn ®éng hoµn l−u giã mïa, v× nã lµ giíi h¹n ph©n c¸ch gi÷a hai b¸n cÇu nhiÖt cña qu¶ ®Êt. Trong giíi h¹n cña khu vùc nµy th−êng xuyªn cã dßng giã ®«ng nhiÖt ®íi. VÒ hai phÝa b¾c (®èi víi b¸n cÇu b¾c) vµ nam (®èi víi b¸n cÇu nam) hoµn l−u Hadley lµ hoµn l−u Ferrel víi dßng ®i lªn t¹i khu vùc 60°N(S) vµ ®i xuèng ë phÝa ngoµi vÜ tuyÕn 30°, trªn khu vùc ph©n c¸ch gi÷a hai hoµn l−u nµy lµ c¸c luång giã t©y cËn nhiÖt ®íi. Trªn d¶i ph©n c¸ch gi÷a c¸c hoµn l−u Ferrel vµ c¸c xo¸y vïng cùc tån t¹i mét dßng giã t©y, thÓ hiÖn râ nÐt nhÊt b»ng vßng ¸p thÊp ven ch©u Nam cùc kÐo theo viÖc h×nh thµnh dßng ch¶y ®i vÒ phÝa ®«ng bao quanh lôc ®Þa b¨ng gi¸ nµy. Bªn c¹nh c¸c hoµn l−u däc kinh tuyÕn kÐo theo c¸c dßng giã ®«ng vµ giã t©y c¬ b¶n kÓ trªn, viÖc lôc ®Þa vµ biÓn xen kÏ nhau theo vÜ tuyÕn còng ®· h×nh thµnh c¸c trung t©m nhiÖt vµ l¹nh kh¸c nhau trªn cïng mét ®íi vÜ tuyÕn vµ h×nh thµnh nµy c¸c æ xo¸y quy m« kh¸c nhau theo mÆt c¾t vÜ tuyÕn. T¹i vïng xÝch ®¹o cã d¹ng hoµn l−u ®Æc tr−ng víi tªn lµ hoµn l−u Walker (h×nh 3.7). 73 H×nh 3.7. Hoµn l−u Walker víi m−a nhiÒu ë Brasilia, ch©u Phi xÝch ®¹o vµ Indonesia (a) vµ dÞ th−êng nhiÖt ®é n−íc mÆt biÓn ë xÝch ®¹o (b) theo Wyrtki [2]. Nguyªn nh©n h×nh thµnh vµ c¬ chÕ ho¹t ®éng cña hoµn l−u Walker liªn quan mËt thiÕt tíi hiÖn t−îng El-Nino vµ Dao ®éng Nam (ENSO). Mét ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña dao ®éng Nam lµ hiÖn t−îng biÕn ®æi ¸p suÊt ng−îc chiÒu nhau t¹i vïng biÓn Nam Th¸i b×nh d−¬ng vµ Ên ®é d−¬ng: ¸p suÊt cao ë Th¸i b×nh d−¬ng th× ¸p suÊt thÊp trªn Ên ®é d−¬ng tõ ch©u Phi ®Õn Australia. Trªn ph¹m vi tõng ®¹i d−¬ng cã sù dao ®éng hiÖu nhiÖt ®é n−íc tÇng mÆt gi÷a hai bê ®«ng vµ t©y. T¹i bê ®«ng Th¸i b×nh d−¬ng (gÇn Pªru) còng nh− bê t©y Ên ®é d−¬ng (Somalie, Mosambich) do t¸c ®éng cña giã t¹o nªn c¸c vïng ho¹t ®éng m¹nh mÏ cña n−íc tråi, n−íc tõ c¸c tÇng s©u ®i lªn mÆt biÓn lµm h×nh thµnh mét vïng réng lín dÞ th−êng ©m cña nhiÖt ®é n−íc bÒ mÆt. Trong kho ®ã t¹i vïng ®¶o vµ b¸n ®¶o Malaisia- Indonesia l¹i lµ vïng bÞ ®èt nãng m¹nh lµm cho nhiÖt ®é n−íc cao h¬n h¼n so víi c¸c vïng ®èi diÖn cña hai ®¹i d−¬ng, ®©y lµ mét bÕp lß khæng lå t¹o nªn dßng ®i lªn víi c¸c m©y tÝch Cumulus khæng lå. Trªn vïng biÓn §¹i t©y d−¬ng còng tån t¹i hiÖn t−îng t−¬ng tù, phÝa bê ®«ng n−íc l¹nh do n−íc tråi Mauritanie- GinÐ vµ n−íc Êm t¹ bê t©y víi khu vùc biÓn Caribª. Nh− vËy h×nh thµnh mét khu vùc nhiÖt Èm ®i lªn t¹i bê t©y §¹i T©y D−¬ng vµ mét khu vùc dßng ®i lªn t¹i lôc ®Þa ch©u Phi bÞ ®èt nãng. Nh÷ng khu vùc dßng ®i xuèng bao gåm c¸c khu vùc n−íc tråi ®«ng Th¸i B×nh D−¬ng, Somalie vµ Mauritanie. Sù liªn kÕt gi÷a c¸c trung t©m kÓ trªn h×nh thµnh nªn c¸c xo¸y Walker trªn Th¸i B×nh D−¬ng , Ên §é D−¬ng, Ch©u Phi vµ §¹i T©y D−¬ng . C¸c æ xo¸y nµy còng quyÕt ®Þnh cho h−íng c¸c dßng khÝ trªn c¸c vïng vµ trªn c¸c tÇng kh¸c nhau. 74 Trªn h×nh 3.8. ®−a ra s¬ ®å c¸c æ hoµn l−u kinh h−íng vµ vÜ h−íng trªn khu vùc ®«ng nam ¸ trong mïa ®«ng cho thÊy ph¹m vi ho¹t ®éng cña c¸c æ ®èi l−u vµ ¶nh h−ëng cña nã ®Õn c¸c hiÖn t−îng khÝ hËu, thêi tiÕt khu vùc. H×nh 3.8. C¸c xo¸y hoµn l−u vÜ m« mïa l¹nh t¹i khu vùc ®«ng - nam ¸ [9]. 1- xo¸y Hadley kinh tuyÕn; 2- xo¸y Walker , vïng ®¸nh dÊu - Cao nguyªn T©y t¹ng Nh÷ng kÕt qu¶ quan tr¾c cao kh«ng däc theo khu vùc xÝch ®¹o - nhiÖt ®íi trong c¸c ch−¬ng tr×nh nghiªn cøu quèc tÕ cho thÊy sù tån t¹i vµ biÕn ®éng cña c¸c æ xo¸y nªu trªn còng nh− c−êng ®é cña chóng phô thuéc m¹nh mÏ vµo chu kú ho¹t ®éng cña hiÖn t−îng El-Nino vµ Dao ®éng nam. 3.4. C¸c chu kú dao ®éng trong hÖ thèng khÝ quyÓn - ®¹i d−¬ng. 3.4.1. Ph¶n øng cña ®¹i d−¬ng lªn c¸c t¸c ®éng cña khÝ quyÓn vµ dao ®éng víi chu kú nhá h¬n 1 n¨m. Dùa vµo phæ n¨ng l−îng c¸c ®Æc tr−ng khÝ t−îng, h¶i v¨n (h×nh 3.9 ) ta thÊy râ c¸c chu kú dao ®éng nhá h¬n mét n¨m cã vai trß rÊt ®¸ng kÓ. 75 Sù chuyÓn ®æi mïa do hiÖu øng nhiÖt ¸p lµm biÕn ®æi hÖ thèng giã kÐo theo biÕn ®æi h−íng dßng ch¶y trªn biÓn vµ ®¹i d−¬ng, trong ®ã c¸c hoµn l−u ven bê chÞu t¸c ®éng m¹nh mÏ liªn quan tíi ho¹t ®éng cña n−íc tråi. Dßng ch¶y m¹nh víi vËn tèc ®¹t tíi gi¸ trÞ 2-3 m/s, song song bê Somalie vµ h−íng vÒ phÝa ®«ng b¾c trong mïa giã SW t¹o nªn hiÖn t−îng n−íc tråi m¹nh. Chu kú biÕn ®æi cña hiÖn t−îng nµy cßn phô thuéc vµo hiÖu øng c−êng ho¸ c¸c dßng ch¶y bê t©y ®¹i d−¬ng. Ta cã thÓ quan tr¾c ®−îc hiÖn t−îng t−¬ng tù t¹i vïng biÓn nam Trung bé tuy ph¹m vy vµ c−êng ®é ho¹t ®éng còng nh− møc ®é ¶nh h−ëng nhá h¬n. ViÖc tån t¹i mét líp ho¹t ®éng trªn mÆt biÓn vµ ®¹i d−¬ng víi ®é dµy hµng tr¨m mÐt, kÌm theo gi¸ trÞ lín cña nhiÖt dung n−íc ®· g©y nªn hiÖn t−îng chËm pha trong biÕn ®æi nhiÖt biÓn so víi bøc x¹ mÆt trêi. Nh− vËy trong khÝ quyÕn vµ ®¹i d−¬ng ®ång thêi tån t¹i c¸c chu kú dao ®éng kh¸c nhau. Sù xuÊt hiÖn c¸c chu kú ®ã lµm nÈy sinh c¸c dao ®éng chu kú phøc t¹p trong ®ã c¸c chu kú 1 n¨m, nöa n¨m vµ 1/3 n¨m lµ ®¸ng kÓ nhÊt. H×nh 3.9. Phæ nhiÖt ®é n−íc mÆt biÓn tr¹m Hßn DÊu [5] Bªn c¹nh c¸c hiÖu øng nhiÖt - ¸p, vai trß cña ®é Èm còng rÊt quan träng. §é Èm , mét mÆt, g©y ¶nh h−ëng chñ yÕu th«ng qua biÕn ®æi n¨ng l−îng tia: nã lµm cho bøc x¹ sãng ng¾n bÞ suy gi¶m ®¸ng kÓ, nh−ng l¹i lµm t¨ng bøc x¹ sãng dµi ®i xuèng mÆt biÓn - chóng lµm c¸c c¸n c©n nhiÖt biÓn bÞ biÕn ®æi. MÆt kh¸c, khi c¸n c©n nhiÖt biÕn ®æi, l−îng n−íc bèc h¬i tõ mÆt biÓn còng biÕn ®æi theo vµ dÉn ®Õn biÕn ®æi l−îng m©y. B»ng c¸c m« h×nh ®¬n gi¶n, cã thÓ tÝnh ®−îc chu kú biÕn ®æi cña l−îng m©y vµ t−¬ng quan nhiÖt - ¸p gi÷a mÆt biÓn vµ ®Êt liÒn. KÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy chu kú 76 nµy vµo kho¶ng 7-8 th¸ng, trong ®ã dÞ th−êng l−îng m©y th−êng xuÊt hiÖn tr−íc dÞ th−êng nhiÖt ®é. VÒ ph−¬ng diÖn lý thuyÕt, tÊt c¶ mäi dao ®éng kÓ c¶ chu kú ng¾n lÉn chu kú dµi ®Òu ®−îc gi¶i thÝch theo hai h−íng: dao ®éng c−ìng bøc vµ dao ®éng tù do. Dao ®éng c−ìng bøc ®−îc h×nh thµnh do c¸c t¸c ®éng tõ bªn ngoµi nh− c¸c chu kú n¨m, chu kú ngµy do bøc x¹. Dao ®éng tù do, hay tù dao ®éng liªn quan tíi c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a c¸c yÕu tè khÝ t−îng vµ h¶i d−¬ng vµ cÊu tróc néi t¹i cña vïng nghiªn cøu, cã thÓ kÕ ®Õn ®©y quan hÖ t−¬ng t¸c m©y - nhiÖt võa ®Ò cËp trªn ®©y. Chu kú t−¬ng tù cã thÓ liªn hÖ tíi qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a h−íng hoµn l−u khÝ quyÓn vµ dÞ th−êng nhiÖt l−îng trao ®æi gi÷a ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn. T¹i vïng b¾c §¹i t©y d−¬ng, dÞ th−êng dßng nhiÖt biÓn - khÝ quyÓn xuÊt hiÖn khi trong khÝ quyÓn cã dßng hoµn l−u t©y, ®−a kh«ng khÝ l¹nh tõ lôc ®Þa B¾c Mü ra biÓn. §ång thêi trong d¹ng hoµn l−u t©y, víi sù t¸c ®éng cña hiÖu øng tµ ¸p l¹i g©y nªn sù c−êng ho¸ cña hoµn l−u gi÷a c¸c ®íi. §iÒu nµy l¹i lµm cho hoµn l−u t©y bÞ suy yÕu kÐo theo sù suy yÕu cña dÞ th−êng cña dßng nhiÖt biÓn - khÝ quyÓn. Sù lÆp l¹i nµy xÈy ra víi chu kú 8-9 th¸ng, trong ®ã khÝ quyÓn ®ãng vai trß chñ ®¹o. 3.4.2. C¸c dao ®éng cã chu kú lín h¬n 1 n¨m Trong hÖ thèng ®¹i d−¬ng - khÝ quyÓn - lôc ®¹i tån t¹i c¸c chu kú dao ®éng gÇn 2 n¨m vµ tõ 3 ®Õn 8 n¨m. Chu kú gÇn hai n¨m ®−îc ph¸t hiÖn lÇn ®Çu khi nghiªn cøu dßng khÝ trªn th−îng tÇng khÝ quyÓn nhiÖt ®íi. Ng−êi ta nhËn thÊy r»ng t¹i khu vùc nµy, trong vßng mét n¨m nÕu cã xu thÕ dßng t©y ¸p ®¶o th× n¨m tiÕp theo sÏ chuyÓn sang dßng ®«ng. Trªn khu vùc b¾c §¹i t©y d−¬ng, dßng t©y g©y t¸c ®éng t¨ng c−êng c¸c qu¸ tr×nh theo kinh tuyÕn, trong ®ã cã viÖc dÞch chuyÓn vïng cao ¸p cËn nhiÖt ®íi §¹i t©y d−¬ng vÒ phÝa ®«ng - b¾c, ®iÒu nµy vÒ phÇn m×nh dÉn tíi biÕn ®æi t¨ng c−êng hoµn l−u n−íc B¾c §¹i t©y d−¬ng kÐo theo sù gia t¨ng dßng n−íc Êm vÒ phÝa ®«ng b¾c. Giã t©y lµm n−íc tråi ven bê t©y Phi bÞ suy yÕu, nhiÖt ®é n−íc t¨ng lªn, tõ ®©y gradient nhiÖt ®é xÝch ®¹o - cùc bÞ biÕn ®æi kÐo theo biÕn ®æi hoµn l−u kinh tuyÕn trong khÝ quyÓn. Ng−îc l¹i, khi giã ®«ng t¨ng th× dßng kinh tuyÕn yÕu ®i, n−íc tråi l¹i ®−îc t¨ng c−êng, hiÖu nhiÖt ®é n−íc xÝch ®¹o - cùc gi¶m g©y nªn biÕn ®æi hoµn l−u khÝ quyÓn. HiÖn t−îng El-Nino ë khu vùc ven bê Chilª - Pªru còng cã chu kú hai n¨m ( theo Bierknes). TÝn phong ë phÝa bê ®«ng Th¸i B×nh d−¬ng t¹o ra upwelling ven bê 77 lµm gi¶m nhiÖt ®é n−íc trong líp mÆt t¹i khu vùc nµy. §iÒu nµy lµm kÐo theo chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a hai bê ®«ng vµ t©y ®¹i d−¬ng. ChÝnh chªnh lÖch nµy t¹o nªn hoµn l−u Walker trªn mÆt c¾t khÝ quyÓn däc xÝch ®¹o. Tån t¹i hoµn l−u Walker lµm t¨ng c−êng tÝn phong v× chóng cïng h−íng, mét c¸ch gi¸n tiÕp lµm t¨ng c−êng upwelling ven bê ®«ng ®¹i d−¬ng. Nh− vËy, trong giai ®o¹n ®Çu tÝn phong tù t¨ng c−êng ho¹t ®éng cña m×nh. DÇn dÇn d¶i n−íc l¹nh theo dßng ch¶y lan truyÒn kh¾p d¶i xÝch ®¹o ®¹t tíi bê t©y lµm cho hiÖu nhiÖt ®é n−íc t©y - ®«ng còng gi¶m theo vµ ®Æc biÖt lµm gi¶m hiÖu nhiÖt ®é xÝch ®¹o - cùc. §iÒu nµy vÒ phÇn m×nh lµm suy gi¶m tÝn phong còng nh− hoµn l−u Walker vµ tõ ®©y upwelling t¹i vïng bê còng gi¶m theo. KÕt qu¶ cña hiÖn t−îng nµy dÉn ®Õn hËu qu¶ vïng n−íc l¹nh bÞ thay thÕ bëi n−íc nãng h¬n cïng víi nh÷ng hËu qu¶ thêi tiÕt khÝ hËu ®Æc biÖt kh«ng nh÷ng ®èi víi vïng ven biÓn mµ cßn cã quy m« t¸c ®éng toµn cÇu. Dßng tÝn phong yÕu cïng víi upwelling vµ t¨ng nhiÖt ®é n−íc lµm cho hiÖu nhiÖt ®é gi÷a xÝch ®¹o vµ cùc t¨ng lµm t¨ng c−êng l¹i tÝn phong vµ mäi chuyÖn l¹i b¾t ®Çu theo chu kú míi. C¸c hoµn l−u Walker còng cã sù biÕn ®éng lín, ®Æc biÖt c¸c vïng n−íc nãng víi dßng khÝ ®i lªn, sù dÞch chuyÓn vÞ trÝ c¸c vïng nµy kÌm theo sù dÞch chuyÓn tÝnh chÊt thêi tiÕt tõ h¹n h¸n sang m−a hoÆc ng−îc l¹i. B¶ng 3.2. C¸c ®Æc tr−ng vÞ trÝ ®Þa lý khu vùc x¸c ®Þnh chØ sè NINO ChØ sè El-Nino Giíi h¹n kinh tuyÕn Giíi h¹n vÜ tuyÕn NINO-1 NINO-2 NINO -3 NINO -4 tõ ®«ng 90°W ®Õn bê tõ 90°W ®Õn 150°W tõ 90°W ®Õn 150°W tõ 160°W ®Õn 150°W 5°S -10°S 0 - 5°S 5°N - 5°S 5°N - 5°S Cïng víi hiÖn t−îng El - Nino, ¸p suÊt khÝ quyÓn trªn hai khu vùc nam Th¸i B×nh d−¬ng vµ Ên ®é d−¬ng còng biÕn ®æi theo h−íng ng−îc chiÒu nhau, ®Ó m« t¶ hiÖn t−îng nµy, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm chØ sè dao ®éng nam (Southern oscillation Index) - SOI. Khi ¸p suÊt khÝ quyÓn ë Th¸i B×nh d−¬ng cã dÞ th−êng cao, th× trªn Ên ®é d−¬ng tõ Ch©u Phi ®Õn Ausralia l¹i cã dÞ th−êng ©m vµ ng−îc l¹i. Th«ng th−êng chØ sè SOI ®−îc lÊy theo hiÖu ¸p suÊt gi÷a Darwin (10°S, 130°E) vµ Tahiti (18°S, 150°W). C¸c n¨m cã gi¸ trÞ chªnh lÖc lín gåm: 1950,1952,1954-1955, 1957, 1959- 1960, 1961,1963-1964, 1965, 1967, 1969, 1972, 1974-1975, 1977, 1982-1983, 78 1987, 1989, 1991-1995 vµ 1997, trong ®ã vµo c¸c n¨m 1982-1983, hiÖu ¸p suÊt cùc ®¹i ®¹t tíi gi¸ trÞ 4 mb. C¸c chØ tiªu vÒ c−êng ®é El - Nino®−îc lÊy theo dÞ th−êng nhiÖt ®é n−íc t¹i 4 khu vùc ®−îc thÓ hiÖn trong b¶ng 3.2. Trong giai ®o¹n 1982-1983 trung b×nh dÞ th−êng nhiÖt ®é t¹i hai vïng 1 vµ 2 lín h¬n 4°C, t¹i vïng 3: 3°C vµ vïng 4 : 1°C. Trong sè c¸c chu kú nhiÒu n¨m, chu kú tõ 4 ®Õn 7 n¨m ®−îc ph¸t hiÖn vµ nghiªn cøu nhiÒu nhÊt nh− mét chu kú tù dao ®éng trong hÖ thèng ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn, song hiÖn nay ý nghÜa vËt lý cña