http://www.ebook.edu.vn 345 Phần 4 - Các nhiễu động Chơng 10 xoáy thuận vĩ độ trung bình Trớc khi kết thúc năm 1999 non một tuần, mọi ngời ở khắp nơi đang lúng túng với nạn Y2K máy tính, thì phần lớn châu Âu bị chấn động bởi một sự kiện tự nhiên không liên quan gì tới bớc ngoặt của lịch. Trận bão lớn nhất trong 50 năm đối với châu Âu đã tấn công châu lục ny với gió mạnh tới 190 km/h. Nó lm ngừng trệ công việc của gần hai triệu gia đình, ba nh máy điện hạt nhân bị đóng cửa v nhiều hệ thống giao thông đờng không v đờng bộ của nớc Pháp bị h hại. Tồi tệ hơn, 97 ngời từ khắp Tây Âu bị chết vì bão, phần lớn do những mảnh vỡ rơi v bay trong không khí. Khi đợc hỏi về tình hình, một trong những nhân viên thu dọn thnh phố, ông David Chézeaud, nói: Từ khi sinh ra, tôi cha bao giờ thấy thứ gì giống nh thế ny. Tất cả mọi nơi ở Paris đều thế. Trong số các nớc châu Âu, Pháp bị tấn công thậm tệ nhất - cả về phơng diện thiệt hại ngời v của cải. Nhiều công trình di tích nổi tiếng nhất của Paris bị h hại thậm tệ, 10 000 cây cổ thụ bị đổ ở Versailles. Đức, Thụy Sĩ v Anh cũng chịu thiệt hại lớn v nhiều tử nạn. Mặc dù các nh dự báo châu Âu đã biết bão đang tới gần từ Đại Tây Dơng v dự báo rằng nó sẽ đạt tới lục địa, song họ không ngờ gió mạnh nh vậy khi bão đổ bộ. Giống nh trờng hợp với miền bờ tây của Bắc Mỹ, công tác dự báo thời tiết ở châu Âu bị khó khăn bởi sự thiếu vắng những trạm thời tiết trên phần không gian đại dơng ở phía tây của lục địa - một thực tế m đôi khi còn bị xem thờng bởi công chúng. Trớc khi một cuộc phê phán bắt đầu nổi lên về dự báo thiên giảm, thì một cơn bão khác, thậm chí mạnh hơn, đã ập tới ngay hai ngy sau đó, lm chết thêm 22 ngời. Nh vậy l một sự kiện rất hiếm hoi đã đợc nối tiếp ngay bởi một sự kiện thứ hai. Sự kết hợp những sự kiện một cách hiếm có ny đã nhắc nhở chúng ta rằng cho dù những hon thiện công nghệ của thế kỷ 21, chúng ta vẫn bị ảnh hởng bởi những thói đỏng đảnh của thiên nhiên. Những hệ thống hai bão kéo theo gió mạnh cấp bão nhiệt đới, nhng rất khác biệt với các trận bão nhiệt đới. Không giống nh các cơn bão nhiệt đới sinh ra trên vùng đại dơng nhiệt đới, các xoáy thuận vĩ độ trung bình ny khởi nguồn từ các vĩ độ trung bình hoặc vĩ độ cao v liên quan với các front thể hiện rõ, phân cách hai khối khí khác nhau. Chơng ny sẽ mô tả những xoáy thuận vĩ độ trung bình, đó l những thnh tạo rất phổ biến v quan trọng của thời tiết ngoại nhiệt đới. http://www.ebook.edu.vn 346 Lý thuyết front cực đới Trong những năm từ 1914 đến 1918, thế giới đã trải qua một trong những tai họa vĩ đại nhất của lịch sử, Thế chiến I. Sự phát minh những vũ khí mới nh súng máy v hơi cay đã lm cho kẻ địch không thể chiếm lĩnh đợc những vùng đất rộng lớn gần đối phơng của mình. Trớc đây, một đội quân tấn công với súng trờng v lỡi lê có thể có một cơ may no đó chiến thắng đối phơng. Tuy nhiên, để chống lại một kẻ thù cố thủ trong giao thông ho v đợc trang bị vũ khí mới nhất, thì những động tác nh vậy hon ton không tránh khỏi thất bại. Nh vậy, vùng chiến sự duy trì ổn định trong những thời kỳ di, bởi vì không đội quân no có thể tiến qua đợc trận tuyến, hay front. Trong khi chiến tranh đang diễn ra ở Tây Âu, Vilhelm Bjerknes đã thnh lập Viện địa vật lý Na Uy ở thnh phố Bergen. Cùng với một số đồng nghiệp, * kể cả Jacob, con trai của ông, Bjerknes đã phát triển một lý thuyết hiện đại về sự hình thnh, phát triển v tiêu tán các xoáy thuận vĩ độ trung bình. Hãy nhớ lại rằng các cơn bão ny, không phải l bão nhiệt đới m cũng không phải l bão cấp hurricane, hình thnh dọc theo một front ở các vĩ độ trung bình v vĩ độ cao. Bjerknes đã quan sát những hệ thống hình thnh dọc theo đờng biên phân cách khối khí cực với khối khí nóng hơn ở phía nam. Khi so sánh biên đờng biên ny với tuyến phân cách các đội quân đối địch ở Tây Âu, ông đã gọi mô hình của mình l lý thuyết front cực (còn gọi l mô hình xoáy thuận Na Uy). Lý thuyết ny đã đợc thử thách với thời gian khá tốt v mặc dù ngy nay chúng ta có thông tin quan trắc nhiều hơn rất nhiều so với thời Bjerknes (đặc biệt đối với đối lu quyển tầng trung v tầng cao), song chúng ta vẫn đang mô tả chu kỳ sống của xoáy thuận theo một cách rất giống nh các nh khoa học trờng phái Bergen đã lm những thập niên trớc. Các xoáy thuận vĩ độ trung bình l những hệ thống lớn, di chuyển trên những khoảng cách khổng lồ v thờng mang theo giáng thủy - v đôi khi thời tiết cực đoan - tới những khu vực rộng lớn. Kéo di một tuần hoặc hơn v bao phủ những bộ phận rộng lớn của một lục địa, các xoáy thuận thờng gây nên những biến động đột ngột về gió, nhiệt độ v điều kiện bầu trời. Thật vậy, tất cả chúng ta, những ai đang sống bên ngoi vùng nhiệt đới, thờng đã quen với những ảnh hởng của các sự kiện phổ biến đó. Chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình Các nh khí tợng ở Bergen có lợi thế lý tởng đợc chứng kiến khí quyển dọc theo front cực v họ đã sử dụng những quan trắc của mình để mô tả sự hình thnh của các xoáy thuận vĩ độ trung bình, một quá trình đợc gọi l phát sinh xoáy thuận, dọc theo biên đó. Mặc dù nhiều xoáy thuận xuất sinh dọc theo front cực, chúng cũng hình thnh ở những vùng khác, đặc biệt ở phía xuôi gió của các barie núi. Trớc hết chúng ta bn luận về sự hình thnh của các xoáy thuận vĩ độ trung * Tor Bergeron, ngi phỏt hin quỏ trỡnh tinh th bng i vi s hỡnh thnh giỏng thy (chng 7) l mt trong nhng nh khoa hc thuc nhúm ny. http://www.ebook.edu.vn 347 bình tại front cực nh đã đợc mô tả trong mô hình kinh điển của Bjerknes. Sau đó trong chơng ny chúng ta sẽ kết hợp với một số quan điểm gần đây hơn về quá trình phát sinh xoáy thuận. Quá trình phát sinh xoáy thuận Hình 10.1 thể hiện mô tả kinh điển về chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình điển hình. Lúc đầu, front cực phân cách các gió đông lạnh v gió tây nóng hơn (hình 10.1a). Khi quá trình phát sinh xoáy thuận bắt đầu, một xoáy nhỏ (hình 10.1b) phát triển ở biên phân cách. Khối khí lạnh ở phía bắc của front bắt đầu trn xuống phía nam ở trớc front lạnh v không khí đằng trớc front nóng tiến lên phía bắc. Điều ny tạo ra một vùng chuyển động xoay ngợc chiều kim đồng hồ (ở Bắc bán cầu) xung quanh một hệ thống áp thấp phát triển yếu. Nói cách khác, xoáy thuận vĩ độ trung bình đã bắt đầu có hình hi. Khi tiếp tục cờng hóa (hình 10.1c), khu vực áp suất thấp thậm chí hạ thấp xuống tiếp v các front nóng v lạnh biểu lộ nổi trội hơn so với front cực ban đầu. Sự hội tụ gắn liền với vùng áp suất thấp có thể dẫn tới chuyển động thăng v hình thnh mây, trong khi các đai thẳng của thảm mây dy hơn phát triển dọc các ranh giới front nh đã mô tả ở chơng 9. Sự phát sinh xoáy thuận dọc theo front cực có vẻ nh một thứ trừu tợng đối với những ngời ở các vĩ độ thấp, nhng nó l giai đoạn khởi đầu trong sự phát triển của một hệ thống có thể ảnh hởng tới hng triệu ngời cách đó hng nghìn km trong vi ngy sau. Các nh khoa học ở Bergen đã không thể giải thích vì sao xảy ra quá trình phát sinh xoáy thuận, nhng họ đã thấy rằng nó thờng diễn ra ở gần các đới tơng phản nhiệt (nh dọc những khu vực ven bờ hoặc tại những biên phân cách giữa các hải lu nóng v lạnh) hoặc nơi có những thnh tạo địa hình (nh các dãy núi lớn) lm gián đoạn dòng không khí bình thờng. Các xoáy thuận tr~ởng thnh Hình 10.2a diễn tả những sơ đồ mây, gió, các quá trình chuyển động thăng v sơ đồ giáng thủy gắn liền với một xoáy trởng thnh. (Các xác suất giáng thủy biểu diễn bằng phần trăm trong hình không nên hiểu một cách quá đơn giản, chúng chủ yếu chỉ cho một bức tranh chung). Một dải mây phần lớn l các mây tích chạy dọc theo v ở phía trớc front lạnh, gây nên do sự thay thế không khi nóng bằng không khí lạnh nặng hơn. Khả năng giáng thủy dọc theo front tăng lên về phía tâm áp suất thấp, ở đây sự hội tụ quy mô lớn bổ sung cho chuyển động thăng gây nên do hai khối khí gặp nhau. Vì trữ lợng ẩm cao v những điều kiện phổ biến bất ổn định điển hình ở phía trớc của một front lạnh, nên giáng thủy, dới dạng ma, tuyết hoặc thậm chí ma tuyết v ma đá - có thể gia tăng. Nhng đai phủ mây v giáng thủy thờng l tơng đối hẹp, cho nên giáng thủy có thể kéo di chỉ một thời gian ngắn trớc khi đới front di chuyển tiếp. Một đai mây phần lớn l các loại mây tầng rộng hơn nằm ở phía trớc của front nóng. Nh chúng ta thấy với front lạnh, xác suất giáng thủy tăng lên về phía tâm http://www.ebook.edu.vn 348 áp thấp. Giáng thủy có xu thế nhẹ dọc front nóng bởi vì độ nghiêng tơng đối từ từ hơn của nó dẫn tới dòng thăng yếu hơn. Nhng quy mô phơng ngang lớn hơn của front nóng v chuyển động tiến về phía trớc thờng l chậm hơn cho phép mây v giáng thủy kéo di hơn. Bầu trời quang đặc trng xuất hiện bên trên cung nóng giữa các front lạnh v nóng, mặc dù trong những điều kiện nhất định có thể phát triển những tuyến gió giật v những nhiễu động khác. Hình 10.1. Chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình. Front cực dừng (a) phân chia các khối khí lạnh v nóng đối ng~ợc. Sự phát sinh xoáy thuận xuất hiện tr~ớc hết nh~ một chỗ gián đoạn của biên phân cách front thẳng (b), nh~ng khi xoáy trở nên tr~ởng thnh các front nóng v lạnh lan rộng ra khỏi một tâm áp thấp (c) v (d). Sự tù đi của front xuất hiện khi tâm thấp lùi trở lại khỏi các front nóng v lạnh (e) Sơ đồ đờng đẳng áp diễn tả sự phân bố của áp suất trong phạm vi xoáy thuận (hình 10.2b) bị đứt đoạn dọc theo hai front, nó tạo nên những vùng chuyển tiếp đột http://www.ebook.edu.vn 349 ngột về hớng gió dọc các biên phân cách. Các đờng đẳng áp gần nh thẳng trong cung nóng nhng trở nên cong trong vùng lạnh, rộng hơn. Nhìn vo front nóng, gió chuyển từ đông nam trên phía lạnh sang tây nam trong cung nóng. Cắt ngang qua front lạnh, gió chuyển từ tây nam trong cung nóng sang tây bắc ở phía lạnh. Hình 10.2. Cấu trúc điển hình của một xoáy vĩ độ trung bình tr~ởng thnh v các quá trình gây ra dòng thăng. Các diện tích bị tô đen thể hiện sự hiện diện của thảm mây. Các chữ số trong (a) thể hiện xác suất giáng thủy xấp xỉ. Sơ đồ các đ~ờng đẳng áp thể hiện trong (b) Mặc dù l phổ biến, song bức tranh đợc thể hiện trên hình 10.2 - với các front xuất hiện dới dạng chữ V quay ngợc v chĩa xuống phía tây nam v đông nam - không phải áp dụng đối với tất cả các xoáy thuận vĩ độ trung bình. * Giống nh ngời ta, một số các xoáy thuận vĩ độ trung bình trông rất giống nhau, nhng định hớng v vị trí của các front có thể rất khác nhau. Hình 10.3 thể hiện hai ví dụ khác với bức tranh chung. Xoáy thuận vĩ độ trung bình trong hình 10.3a có một front nóng trải di về phía đông từ tâm thấp v một front lạnh lấn xuống phía nam. Trong hình 10.3b hệ thống áp thấp bên trên vùng hồ Great Lakes có một front lạnh biểu hiện rõ lan trải xuống phía tây nam tới phía đông Texas v một front dừng mở rộng lên phía đông bắc tới miền đông Canađa. Mặc dù định hớng chính xác của các front có thể thay đổi giữa các cơn bão, một nét chung rõ nét đặc trng cho các xoáy thuận vĩ độ trung bình l front nóng sẽ nằm ở phía trớc front lạnh. Sự lấn át (front tù) Hình 10.1d v 10.1e thể hiện những giai đoạn sau trong chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình, khi nó trở nên xói mòn hon ton. Mặc dù vẫn tồn tại một tơng phản nhiệt độ trong front tù, nhng chênh lệch nhiệt độ ở đây không lớn nh ở gần các front lạnh hoặc nóng ban đầu. Về phía tây của đờng ranh giới front, không khí thổi từ phía tây bắc v rất lạnh. Không khí hơi nóng hơn tiếp cận tới front tù từ phía đông, nhng không khí ny bắt nguồn ở cung lạnh của xoáy thuận. * Nam bỏn cu, cỏc xoỏy thun v trung bỡnh in hỡnh cú mt hỡnh dng tng t, nhng ch V m lờn phớa bc. Vy, trong c hai bỏn cu khụng khớ núng hn nm mn xớch o ca bóo. http://www.ebook.edu.vn 350 Do đó, chênh lệch nhiệt độ l nhỏ hơn so với những nơi m các front chia tách không khí nhiệt đới, nóng với không khí cực, lạnh. Quá trình front tù thể hiện sự kết thúc của một chu kỳ sống của xoáy thuận. Hình 10.3. Hai ví dụ về các xoáy thuận vĩ độ trung bình. (a) vo ngy 24/6/1994, một hệ thống khá điển hình nằm ở phía nam vùng Great Lakes. Một front lạnh lan xuống phía tây nam tới bắcTexas v một front nóng v~ơn về phía tây tới ven bờ Đại Tây D~ơng. (b) ngy 17/10/1993 áp thấp khác nằm ở phía nam vùng Great Lakes với một front dừng lan rộng về phía đông bắc v một front lạnh h~ớng về phía tây nam Những bớc chuyển tiếp từ phát sinh đến trởng thnh v từ pha trởng thnh tới pha tù diễn ra dần dần, cho nên không có những điểm thời gian phân http://www.ebook.edu.vn 351 định rõ rệt tồn tại khi xoáy thuận biến đổi từ một giai đoạn ny sang giai đoạn khác. Ngoi ra, sự tiến hóa của hệ thống trùng khớp với một quá trình di chuyển về phía đông phổ biến của xoáy thuận vĩ độ trung bình, mặc dù nó có thể còn có một hợp phần hớng lên phía bắc hoặc hợp phần hớng xuống phía nam. Sự tiến hóa v di chuyển của các xoáy thuận Hãy xem một kịch bản giả định nhng hiện thực để minh họa sự phát triển v di chuyển của xoáy thuận ảnh hởng tới thời tiết nh thế no. Một nhiễu động yếu trong dòng không khí có thể có ảnh hởng ít nhận thấy khi quá trình phát sinh xoáy thuận bắt đầu ở ngoi khơi vùng duyên hải của nớc Nhật. Nhng khi hệ thống phát triển thnh trởng thnh v di chuyển sang phía đông, nó có thể mang ma tới các vùng ven bờ đại dơng của miền tây Bắc Mỹ v tuyết tới những dãy núi ven bờ. Nếu bão nay xuất hiện vo mùa đông, gió mực trên cao có thể dẫn bão xuống phía nam tới trung tâm v phía nam California v sau đó sang phía đông tới các bang thuộc dãy núi Rocky Mountains. Khi đi qua sờn khuất gió của dãy núi, xoáy thuận vĩ độ trung bình có thể cờng hóa v sau đó đi chệch lên đông bắc để gây nên những điều kiện bão tuyết cho miền đông bắc nớc Mỹ v miền đông nam Canađa. Khi nó di chuyển ra ngoi khơi tới phía tây Đại Tây Dơng, bão có thể bị tn lụi hon ton sau một hoặc hai tuần hình thnh ở phía tây Thái Bình Dơng. Tại một nơi cụ thể (chẳng hạn, thnh phố Kansas, Missouri), hệ thống đi qua gây nên những tác động có thể dự báo đợc. Khi một front nóng tiến tới gần, thảm mây thờng hạ thấp xuống v tăng lên v rất có khả năn g giáng thủy vừa sẽ xuất hiện. Ma v tuyết dần dần nhờng chỗ cho những điều kiện trời quang v ấm hơn nếu front nóng đi qua, còn gió thì chuyển từ hớng nam sang hớng tây nam. Sau đó những điều kiện trời quang, ấm có thể duy trì ổn định trong một ngy hoặc đại loại nh vậy. Nhng khi front lạnh tới gần, một dải mây dy di chuyển nhanh v giáng thủy có thể gây nên ma tuyết hoặc ma ro. Cuối cùng không khí lạnh phía sau front gây nên những điều kiện lạnh v trời quang. Thật thú vị, trớc thế kỷ 18 ngời ta cha biết rằng các cơn bão lại di chuyển - trớc kia ngời ta nghĩ bão hình thnh v tan ở cùng một nơi. May thay, Ben Franklin đã phát hiện ra điều ny ở Philadelphia năm 1743. Franklin đã hy vọng đợc mục kích một vụ nhật thực, nhng bị thất vọng vì một xoáy thuận vĩ độ trung bình đã gây nên những điều kiện trời đầy mây lm lu mờ hon ton sự kiện. Về sau, một ngời bạn bảo với ông rằng ở Boston, vo lúc nhật thực trời rất quang, nhng hệ thống bão (chính l bão đã lm hỏng việc quan sát của Franklin đối với sự kiện) đã ập tới sau một thời gian. Từ đấy, Franklin đã đúng rút ra kết luận rằng tại hệ thống bão m mây đã di chuyển lên phía đông bắc. Tuy nhiên, cái m ông không hiểu nổi l lm thế no m thảm mây có thể di chuyển lên phía đông bắc, trong khi gió vo thời gian nhật thực thì từ hớng tây bắc. Dĩ nhiên, bây giờ chúng ta biết rằng đáp án liên quan tới xoắn ng ợc chiều kim đồng hồ bên trong một xoáy thuận vĩ độ trung bình. Có nghĩa l, bất chấp hớng m một hệ thống đang di chuyển, gió ở những điểm khác nhau trong xoáy thuận vĩ độ trung bình thổi theo http://www.ebook.edu.vn 352 những hớng khác nhau. Các quá trình trong đối l~u quyển tầng trung v tầng cao Chu kỳ sống của các xoáy thuận vĩ độ trung bình mô tả ở trên thể hiện trình độ nhận thức tồn tại trớc những năm 1940. Sự nhảy vọt lớn tiếp theo trong nhận thức của chúng ta đã diễn ra trong thời gian Thế chiến II, khi các phi công Anh v Mỹ bay trên bầu trời châu Âu v Nhật nhận thấy gió với tốc độ tới 400 km/h. Trong giới các nh khí tợng học, phát hiện ny đã kích thích một mối quan tâm về dòng chảy ở tầng đối lu trên v nó có thể liên quan tới những điều kiện thời tiết ở bề mặt nh thế no. Nh chúng ta đã thấy, Bjerknes v các đồng nghiệp của ông đã cha có thông tin về những tình thế không khí tầng trên khi họ phát triển lý thuyết front cực của mình v đo đó họ không thể phân định đợc những nguyên nhân phát triển v xói mòn của xoáy thuận vĩ độ trung bình. Bớc tiến lớn tiếp theo trong lý thuyết về các xoáy thuận vĩ độ trung bình đã xuất hiện chủ yếu nhờ công trình của Carl Gustav Rossby (ngời đầu tiên đã mô tả những gì m ngy nay chúng ta gọi l các sóng Rossby). Rossby đã giải thích bằng toán học nhiều cơ chế liên hệ giữa gió ở đối lu quyển tầng cao v tầng trung bình v quá trình phát sinh xoáy thuận cũng nh sự duy trì của các xoáy thuận vĩ độ trung bình. Các sóng Rossby v độ xoáy ở chơng 8 chúng ta đã mô tả những sóng Rossby lớn của quyển đối lu cao. Hình 10.4 diễn tả không khí quay hớng sang trái v sang phải nh thế no khi nó thổi qua những sóng đó. Khi di chuyển từ điểm 1 tới điểm 3, không khí xoay ngợc chiều kim đồng hồ (nh đã thể hiện ở hình phía dới bên trái). Giữa điểm 3 v điểm 5, nó xoay theo chiều kim đồng hồ. Sự xoay của một chất lỏng (nh không khí) đ ợc gọi l độ xoáy của nó. * Hình vẽ thể hiện độ xoáy biến đổi trong không khí chuyển động tơng đối so với bề mặt. Khi nhìn từ ngoi không gian, có một hợp phần bổ sung của độ xoáy xuất hiện do Trái Đất xoay xung quanh trục của nó. Sự xoay tổng cộng của không khí, hay độ xoáy tuyệt đối của nó, do đó có hai hợp phần: độ xoáy tơng đối, hay độ xoáy tơng đối so với bề mặt Trái Đất v độ xoáy Trái Đất, nó do Trái Đất xoay hng ngy quanh trục của mình. Độ xoáy tơng đối phụ thuộc vo các chuyển động của không khí so với bề mặt Trái Đất, trong khi độ xoáy Trái Đất l một hm chỉ của vĩ độ - vĩ độ cng cao, thì độ xoáy cng lớn - v độ xoáy bằng không tại xích đạo. ** Nếu dòng chảy của không khí so với bề mặt l cùng hớng với hớng xoay của chính Trái Đất (ngợc kim đồng hồ ở Bắc bán cầu), thì độ xoáy tơng đối v độ xoáy Trái Đất bổ sung cho nhau v lm tăng độ xoáy tổng cộng hay độ xoáy tuyệt đối (hình 10.5). Vì lý do ny, sự * õy chỳng ta ch cp ti s xoay tng i so vi ng thng ng a phng (tc, ch yu l i vũng quanh). xoỏy cũn cú th l s xoay xung quanh trc nm ngang. ** xoỏy Trỏi t t l vi sin ca v. Do ú, xoỏy Trỏi t v 55 o (sin55 o = 0,819) ch ln hn 16% xoỏy v 45 o (sin45 o = 0,707). Núi cỏch khỏc, trờn cỏc v trung bỡnh ni cỏc súng Rossby hay xut hin nht, xoỏy Trỏi t bin thiờn theo v tng i ớt. http://www.ebook.edu.vn 353 xoay ngợc kim đồng hồ ở Bắc bán cầu đợc nói rằng có độ xoáy doơng, để thích hợp với quy ớc đã sử dụng đối với lực Coriolis. Không khí xoay theo kim đồng hồ có độ xoáy âm . Hình 10.4. Độ xoáy trong sóng Rossby. Khi không khí đi từ vị trí 1 tới 3, nó xoay ng~ợc kim đồng hồ. Tại sống, không khí xoay theo kim đồng hồ từ vị trí 3 đến 5. Phía d~ới hình biểu diễn các vectơ gió ứng với năm vị trí Hình 10.5. Độ xoáy Trái Đất v độ xoáy t~ơng đối của không khí. Vì Bắc bán cầu xoay ng~ợc kim đồng hồ, nó sinh ra độ xoáy Trái Đất. Độ xoáy t~ơng đối l sự xoay của không khí so với bề mặt, không tính tới sự xoay của hnh tinh. Độ xoáy tuyệt đối bằng tổng của hai độ xoáy Hình 10.6 thể hiện rãnh từ hình 10.4 một cách chi tiết hơn sao cho chúng ta có thể xem xét độ xoáy của không khí. Trong cung 1, không khí thổi về phía đông nam không đổi về hớng hoặc tốc độ. Vì không bị xoay, không khí có độ xoáy tơng đối bằng không. Trong cung 2, không khí liên tục quẹo sang phía trái để có độ xoáy tơng đối dơng. Trong cung 3, không khí thổi liên tục về phía đông bắc v không có độ xoáy tơng đối. Vậy, rãnh có ba khu vực khác biệt: hai với độ xoáy tơng đối bằng không v một với độ xoáy tơng đối dơng. Hai đới chuyển tiếp phân chia những vùng độ xoáy tơng đối cực đại v cực tiểu (bằng không). Trên đới chuyển tiếp A, độ xoáy tăng lên khi không khí thổi, còn trên đới chuyển tiếp B độ xoáy tơng đối giảm. (Sóng Rossby đợc biểu diễn ở đây bao phủ một khoảng vĩ độ tơng đối hạn chế. Kết quả l, độ xoáy Trái Đất chỉ biến thiên ít trong hình 10.6, còn những biến thiên về độ xoáy tuyệt đối tơng ứng chặt chẽ với những biến thiên về độ xoáy tơng đối). Bây giờ bạn có thể hỏi một cách hon ton có lý, Rồi thì sao?. Đáp án l: những biến thiên độ xoáy ở trong đối lu quyển tầng cao dẫn tới những biến thiên áp suất ở gần bề mặt. Ta sẽ xem nh thế no. Nh bạn đã biết trong chơng 8, mô men góc đợc bảo ton trong khi không có những ngoại lực tác động. Khi sợi dây quay của cậu cao bồi bị kéo ngắn lại, thì diện tích m sợi dây quét qua sẽ giảm lm cho dây quay nhanh hơn. Điều tơng tự xảy ra khi độ xoáy hay sự xoay của một phần tử không khí thay đổi. Nghĩa l, khi diện tích phơng ngang do một phần tử không khí chiếm giảm đi trong quá trình hội tụ, độ xoáy hay sự xoay của nó phải http://www.ebook.edu.vn 354 tăng lên, nh trong đới chuyển tiếp A. Giảm độ xoáy, nh trong đới B, dẫn tới sự phân kỳ. Mối quan hệ rất quan trọng ny có thể đợc tóm tắt trong một phơng trình đơn giản div t = 1 , trong đó t 1 l biến thiên (ở đây l độ giảm) độ xoáy tuyệt đối theo thời gian, còn =div phân kỳ. Ngợc lại, tăng độ xoáy tuyệt đối theo thời gian dẫn đến hội tụ. (Để đơn giản, chúng ta giới hạn việc lập luận của mình về phân kỳ v hội tụ chỉ ở sự thay đổi diện tích theo phơng ngang). Hình 10.6. Biến đổi độ xoáy trong một rãnh của sóng Rossby. Khi không khí trôi từ vị trí 1 tới 3, nó bị thay đổi ít về h~ớng v do đó không có độ xoáy t~ơng đối. Từ vị trí 4 đến 6 nó quay ng~ợc kim đồng hồ v do đó có độ xoáy t~ơng đối d~ơng. Không khí trôi trong một h~ớng không đổi từ vị trí 7 đến 9. Do đó rãnh có ba khu dựa theo độ xoáy đ~ợc ngăn cách bởi hai đới chuyển tiếp Sự phân kỳ ở khí quyển mực trên, bị gây nên bởi độ xoáy giảm, sẽ kéo không khí từ bề mặt đi lên trên v tạo ra một cơ chế thăng đối với cột không khí. Điều ny, về phía mình, có thể khởi động v duy trì những hệ thống áp suất thấp tại bề mặt (hình 10.7). Ngợc lại, độ xoáy mực cao tăng lên sẽ dẫn tới hội tụ v sự chìm không khí, tạo ra áp suất cao tại bề mặt. Những hệ thống áp thấp sinh ra do các chuyển động đối lu quyển tầng trên đợc gọi l những áp thấp động lực (còn gọi l những áp thấp lõi lạnh) - khác với các áp thấp nhiệt (lõi nóng) đợc gây nên bởi sự đốt nóng địa phơng của không khí từ phía dới. Các áp thấp lõi lạnh tại bề mặt điển hình tồn tại bên dới những vùng độ xoáy giảm trong khí quyển tầng trên, ngay phía xuôi gió của trục rãnh thấp. Hình 10.8 thể hiện một mối quan hệ điển hình giữa phân bố của các độ cao 500 mb (đại diện của hình thế áp suất trong đối lu quyển tầng trung) v độ xoáy tuyệt [...]... trình b y trong các sách giáo khoa khí t ợng học v các điều kiện thực tế sinh động th ờng khác một cách đáng kể so với những ví dụ đã lý t ởng hóa n y Mặc dù vậy, xoáy thuận xảy ra trong năm 19 94 ở Bắc Mỹ l ví dụ về một xoáy thuận vĩ độ trung bình khá điển hình Ng y 15 tháng 4 Hình 10. 11 thể hiện các bản đồ thời tiết bề mặt v mực 500 mb v một tấm ảnh vệ tinh của Mắc Mỹ v o ng y 15 /4 Bầu trời trong,... Hình 10. 13 Các bản đồ thời tiết v ảnh vệ tinh nh ở hình 10. 11 cho ng y 17 /4 3 64 http://www.ebook.edu.vn áp thấp mực cao (hình 10. 13b) tiếp tục sâu thêm kể từ ng y hôm tr ớc, nh đã đ ợc chỉ định bằng những độ cao thấp hơn của mực 500 mb Không chỉ độ cao của mực 500 mb tại tâm của áp thấp sắp t n đã giảm đi khoảng 90 m, m số đ ờng đồng mức độ cao khép kín đã tăng lên tới 4 (so với tr ớc) Hình 10. 14 Các. .. đồng mức v các đ ờng đẳng nhiệt sắp xếp song song, khí quyển đ ợc gọi l chính áp ở hình 1b, các đ ờng đồng mức độ cao song song với nhau nh các đ ờng đẳng nhiệt Nhung trong tình huống n y các đ ờng đồng mức độ cao v các đ ờng đẳng nhiệt giao nhau v nhiệt độ tăng lên từ vị trí 3 (d ới -2 5oC) tới vị trí 4 (trên -2 0oC) Đây l một ví dụ về bình l u không khí lạnh, trong đó một phần tử không khí lạnh hơn... đông Các đ ờng đẳng nhiệt (các đ ờng gạch nối thể hiện phân bố nhiệt độ tại mực 500 mb) chạy song song với các đ ờng đồng mức độ cao v cho thấy sự giảm nhiệt độ về phía bắc Vì dòng không khí song song với các đ ờng đồng mức độ cao (v ở tr ờng hợp n y, với các đ ờng đẳng nhiệt), nên nhiệt độ sẽ nh nhau (nhỏ hơn -2 5oC) tại các vị trí 1 v 2, v không có bình l u không khí lạnh cũng nh không khí nóng) Khi các. .. kín đã tăng lên tới 4 (so với tr ớc) Hình 10. 14 Các bản đồ thời tiết v ảnh vệ tinh nh ở hình 10. 11 cho ng y 18 /4 Ng y 18 /4 Đến ng y 18 /4 (hình 10. 14) , tâm của hệ thống áp thấp v phần lớn các biên front đã di chuyển khỏi bản đồ bề mặt, nh ng hệ thống vẫn còn thấy trên bản đồ 500 mb d ới dạng rãnh rộng lấn xuống phía đông nam Tuy nhiên, cho dù phần lớn http://www.ebook.edu.vn 365 dân chúng của miền đông... 1 Trong một khí quyển chính áp (a), các đ ờng đẳng nhiệt (các đ ờng gạch nối biểu diễn phân bố nhiệt độ) v các đ ờng đồng mức độ cao (các đ ờng liền nét) sắp xếp trong cùng một h ớng; bình l u nhiệt độ không xuất hiện Trong khí quyển nghiêng áp, các đ ờng đẳng nhiệt cắt các đ ờng đồng mức độ cao; bình l u không khí lạnh xuất hiện (b), bình l u không khí nóng (c) _ hơn so với không khí ở phía... Vì sao các áp thấp nhiệt không di chuyển giống nh các áp thấp động lực? 7 Tại sao các nh dự báo đặc biệt quan tâm tới sự phân bố của độ xoáy trên các bản đồ thời tiết mực 500 mb? 8 Các bầu trời quang th ờng báo tr ớc những điều kiện nóng trong thời gian mùa 3 74 http://www.ebook.edu.vn hè, nh ng lại hay gắn liền với những điều kiện rất lạnh trong mùa đông Hãy giải thích vì sao điều n y đúng 9 Các sóng... t n Mặc dù dòng không khí chính di chuyển vòng quanh áp thấp v dần dần thổi lan ra ngo i bản đồ, nh ng một chuyển động xoay của không khí vẫn tiếp http://www.ebook.edu.vn 363 tục ở trong phạm vi rãnh Ng y 17 /4 Trong thời gian 24 giờ tr ớc buổi sáng ng y 17 /4, tâm áp thấp bề mặt di chuyển một khoảng cách ngắn về phía đông bắc, áp suất trung tâm không thay đổi (hình 110. 13) Đồng thời, front suy thoái... trung bình ở phía xuôi gió của trục rãnh (nơi độ xoáy giảm) Đồng thời, sự hiện diện của các front có thể gây nên các sóng d i ở trong khí quyển tầng cao Sự kế cận với nhau th ờng thấy của các front lạnh bề mặt v những rãnh v sống mực cao đ ợc thể hiện trên hình 10. 10 Hình 10. 10 Hiệu ứng của građien áp suất thẳng đứng khác nhau ở hai phía của các front nóng v lạnh dẫn tới những rãnh v sống của đối l u quyển... trục sống cao, hội tụ mực cao dẫn đến áp cao tại bề mặt tập trung trên phần trung tâm Idaho http://www.ebook.edu.vn 361 Hình 10. 11 Các bản đồ thời tiết bề mặt (a), mực 500 mb (b) v ảnh vệ tinh (c) ng y 15 /4 Hãy chú ý tới những vị trí của các front bề mặt đã đ ợc lặp lại trên bản đồ mực 500 mb Ng y 16 /4 Trong 24 giờ tiếp theo (hình 10. 12), xoáy thuận vĩ độ trung bình đã di chuyển đi khoảng 800 km lên . http://www.ebook.edu.vn 345 Phần 4 - Các nhiễu động Chơng 10 xoáy thuận vĩ độ trung bình Trớc khi kết thúc năm 1999 non một tuần, mọi ngời ở khắp nơi đang lúng túng với nạn Y2K máy tính, thì phần lớn châu. của các front có thể gây nên các sóng di ở trong khí quyển tầng cao. Sự kế cận với nhau thờng thấy của các front lạnh bề mặt v những rãnh v sống mực cao đợc thể hiện trên hình 10. 10. Hình 10. 10 biển cực đại bằng khoảng 102 7 mb. http://www.ebook.edu.vn 363 Hình 10. 12. Các bản đồ thời tiết v ảnh vệ tinh nh~ ở hình 10. 11 cho ngy 16 /4 Hình thế 500 mb (hình 10. 12b) cho thấy một sự thay