Giáo trình Động lực học khí quyển vĩ độ thấp: Phần 2 - Kiều Thị Xin

Nối tiếp phần 1, phần 2 của giáo trình "Động lực học khí quyển vĩ độ thấp" trình bày những nội dung về: động lực học khí quyển giữa; đối lưu khí quyển; tính ẩm trong mô hình dự báo số; mô hình hóa số và dự báo số; phương trình xoáy chính áp trong sai phân hữu hạn; mô hình phương trình nguyên thủy;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Động lực học khí quyển vĩ độ thấp: Phần 2 - Kiều Thị Xin Chương 5 Đ Ộ N G L ự c H Ọ C K HÍ Q U Y E N • « • g iữ a Khí quyển giữa nói chung là tầng khí quyển mở rộng tù đỉnh tầng đối lưu (khoảng độ cao 10-16 km phụ thuộc vào vĩ độ) cho đến độ cao khoảng 100 km. Phần chính của khí quyến giữa Dao gồm hai lớp chính: tầng bình lưu và tầng trung. Chúng iược phân biệt theo tầng kết nhiệt độ (hình 5.1). Tầng bình lưu tó độ ổn- định tĩnh lớn gắn liền vối tăng nhiệt độ theo độ cao ỏ mọi ndì trong lớp và mờ rộng từ đỉnh đôi lưu cho đến đỉnh bình lưu trên đô cao vào khoảng 50 km. Tầng trung có tốc độ giảm nhiẻt độ theo độ cao tương tự như trong tầng dối lưu, bắt đầu từ iỉnh tầng bình lưu đến đỉnh tầng trung trên độ cao khoảng 80kn. Trong các chương trên ta đã tập trung riêng cho động lực học của tầng đối lưu. Tầng đối lưu chiếm khoảng 85% tổng khối lượng khí quyển và gần như tất cả nước khí quyển. Khônf còn nghi ngờ là các quá trình xảy ra trong tầng đối lưu phân ánh hầu hết những nhiễu động thời tiết và biến động khí hậu. Mặc dù vậy ta cũng không được phép bỏ qua tầng khí quyển ẸÍỦa. Tầng đối lưu và tầng khí quyển giữa liên kết với nhau tìông qua quá trình bức xạ và động lực học. Các quá trình này phải được thể hiện trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu toàn cầu. Chúng còn liên kết vối nhau thông qua sự trao đổi thực thể vật chất r ấ t quan trọng đối với sự quang hoá tron? lớp ôzôn. Trong chương này sẽ tập trung chủ yếu vào động lực học phần dưói của tầng khí quyển giữa và sự liên kết giũa no với tầng đối lưu. 228 Hinh 5.1. Profil nhiệt độ trung binh trên vĩ độ trung binh (dựa vào khí quyển chuẩn cùa Mỹ, 1976) 5.1. CÂU TRÚC VÀ HOÀN Lưu CỦA TẦNG KHÍ QUYỂN g iữ a Trên hình 5.2 là hai lát cắt thẳng đứng của nhiệt độ trung bình vĩ hướng cho tháng giêng và tháng bảy trong tầng khí quyển dưới và tầng khí quyển giữa. Vì trong tầng đối lưu bức xạ Mặt Trời bị hấp thụ rất ít, nên cấu trúc nhiệt của tầng dối lưu được duy trì gần như bơi sự cân bằng giửa sự làm lạnh bức xạ hồng ngoại, sự vận chuyển thẳng đứng của hiển nhiệt, ẩn nhiệt Lừ mặt đất bởi xoáy quy mô nhỏ và sự vận chuyển quy mô lớn nhò xoáy quy mô synốp. Kết cục của sự cân bàng này tạo ra cấu trúc nhiệt độ trung bình, trong đó nhiệt độ mặt đất có cực đại 229 trong vùng xích đạo và giảm về phía hai cực cả mùa đòn? và mùa hè. Sự giảm nhiệt độ theo độ cao cũng rất nhanh với tcc cỉộ 6°Ckm'1. Trong tầng bình lưu, ngược lại, sự làm lạnh bức xạ lồng ngọai gần như cân bằng chủ yếu bởi đốt nóng bức xạ sinh n do hấp thụ bức xạ cực tím nhờ ôzôn. Kết quả của sự đốt nóng bức xạ này trong lớp ôzôn là nhiệt độ trung bình trong tầng bình lưu tăng theo độ cao và đạt cực đại trên đỉnh tầng bình lưu gầi độ cao 50 km. Cao hơn đỉnh tầng bình lưu nhiệt độ lại giảm heo độ cao sinh ra do sự đốt nóng Mặt Tròi trong tầng ôzôn. Cấu trúc nhiệt độ kinh hướng trong tầng khí quyển ỊĨữa cũng rất khác so với trong tầng đối lưu. Tầng bình lưu dưới nơi nhiệt độ chịu ảnh hưởng rất mạnh bởi các quá trình trong ẩng đối lưu trên thì nhiệt độ đạt cực tiểu ỏ xích đạo và cực đại :rfỉn cực mùa hè và trên vĩ độ trung bình của bán cầu đông. Caohtín 30 mb thì nhiệt độ giảm thuần tuý từ cực mùa hè đến cực núa đông phù hợp định tính với các điều kiện cân bằng hức xạ Khi hậu gió trung bình vĩ hướng đối với tầng khí quyển riữa thông thường có thể suy ra từ trường nhiệt độ thám sát báig vệ tinh. Đó là trường gió địa chuyển trên một mặt đẳng áp t-ong tầng bình lưu dưới (nhận dược từ phân tích khí tượng) làm ỉiều kiện biên dưới, và lấy tích phân phương trình gió nhiệt ,heo chiều đứng. Hai lát cắt đứng của gió trung bình vĩ hướng tháng 1 và tháng 7 cho trên hình 5.3. Những dặc điểm chung ở đíy là dòng xiết đông trong bán cầu mùa hè và dòng xiết tây trong bán cầu mùa đông, và cực đại tốc độ gió xảy ra gần ciộ cao 60 kn. Cá biệt quan trọng là dòng xiết tây vĩ độ cao trong bán cầu mùa đông. Những dòng xiết cực ban đêm này đưa ra những ỉịnh hướng sóng đối với sự lan truyền thẳng đứng của sóng hành tinh tựa dừng, ở Bắc bán cầu sự hội tụ dòng EP sinh ra do nlững loại sóng này thỉnh thoảng dẫn đến giảm nhanh dòng trung >ình 230 vĩ hướng và kèm theo đốt nóng tầng bình lưu đột ngột trong vùng ctte, sẽ ban đến trong mục 5.4. Vd íô Nhkêtđộ(K) Tháng 7 Hinh 5.2. Nhiệt độ trung binh tháng vĩ hướng (độ K) từ mặt đất đến độ cao 120km. a) thảng 1; b) thảng 7 (theo Fleming và cs., 1990) U ki ví hurtni Im/a) V .ic I Hình 5.3. Gió địa chuyển trung bình vĩ hướng (m/s) căn cứ vào nhiệt độ. a) tháng 1; b) tháng 7 dựa vào nhiệt độ trên hình 5.2 231 Dòng trung bình vĩ hưống trong tầng khí quyển giừa ở xích đạo chịu ảnh hưởng mạnh của sự lan truyền thẳng đứng củi các mode sóng xích đạo, đặc biệt là các mode sóng Kelvin và íóng Rossby - trọng trường. Những sóng này tương tác với lư u và tí'ing đối lưu đối với trạng thái giả thiết này, Độ lệch so với trạng' thái xác định bởi bức xạ trên đây phải được duy trì bởi sự vận chuyển xoáy. Vì vậy, ngoài gây ra hoàn lưu trung bình, các kiểu đôt nóng và làm lạnh bức xạ thám sát được trong tầng k h í quyên giữa là kết quả của những xoáy gây ra dòng lệch so với cân bằng bức xạ. Hoàn lưu gây ra xoáy này có các thành p h ầ n kinh hướng và thẳng đứng và do đó tạo ra độ lệch địa phưdng lớn đáng kể so với cân bàng bức xạ, đặc biệt trong bán c ầ u mùa đông và gần đỉnh tầng trung, cả mùa đông ...