Ebook Nhập môn hoàn lưu khí quyển

oμn l−u kinh h−ớng trung bình theo vĩ h−ớng 80 4.1 Quan trắc cơ bản 80 4.2 Mô hình Held-Hou của hoμn l−u Hadley 84 4.3 Mô hình hoμn l−u Hadley thực tế hơn 90 4.4 Hoμn l−u trung bình vĩ h−ớng ở vĩ độ trung bình 95 4.5 Quan điểm Lagrangian về hoμn l−u kinh h−ớng 101 4.6 Bμi tập 104 Ch−ơng 5 Những nhiễu động tức thời miền ôn đới 106 5.1 Quy mô thời gian của chuyển động khí quyển 106 5.2 Cấu trúc của các xoáy tức thời 110 5.3 Các nguồn năng l−ợng của khí quyển 118 5.4 Lý thuyết bất ổn định tμ áp 127 - 5 - 5.5 Những chu trình tμ áp vμ các quá trình tần số cao 139 5.6 Bμi tập 145 Ch−ơng 6 Sự lan truyền sóng vμ các xoáy dừng 147 6.1 Kết quả quan trắc các xoáy dừng 147 6.2 Mô hình chính áp 152 6.3 áp dụng cho các xoáy dừng thám sát đ−ợc 163 6.4 Sự lan truyền của sóng Rossby theo chiều thẳng đứng 167 6.5 Dòng Eliassen-Palm 172 6.6 Các dòng Eliassen vμ các chu trình tμ áp 177 6.7 Bμi tập 181 Ch−ơng 7 Đặc tính ba chiều của hoμn l−u khí quyển toμn cầu 182 7.1 Sự biến đổi vĩ h−ớng ở miền nhiệt đới 182 7.2 Hoμn l−u gió mùa 189 7.3 Đới xoáy vμ dòng xiết miền ôn đới 192 7.4 T−ơng tác giữa xoáy tức thời vμ xoáy dừng 198 7.5 Sự vận chuyển hơi n−ớc trên toμn cầu 207 7.6 Bμi tập 214 Ch−ơng 8 Sự biến đổi tần số thấp của hoμn l−u 216 8.1 Các quá trình tức thời tần số thấp 216 8.2 Những hình thế quan hệ xa 217 8.3 Những dao động tầng bình l−u 227 8.4 Dao động nội mùa 232 8.5 Dao động nam 235 8.6 Cơ chế ngăn chặn dòng miền ôn đới 239 8.7 Sự hỗn loạn vμ biến đổi tần số cực thấp 243 8.8 Bμi tập 249 Ch−ơng 9 Tầng bình l−u 250 9.1 Chu kỳ mùa của các hoμn l−u trong tầng bình l−u 250 9.2 Sự lan truyền sóng vμ t−ơng tác của dòng trung bình 259 9.3 Sự hình thμnh vμ vận chuyển ôzon 265 9.4 Sự trao đổi vật chất qua đỉnh tầng đối l−u 273 9.5 Bμi tập 280 Ch−ơng 10 Khí quyển của các hμnh tinh vμ các hệ thống chất lỏng vμ chất khí khác 282 10.1 Các ảnh h−ởng chủ yếu đối với các hoμn l−u hμnh tinh 282 10.2 Các hoμn l−u kiểu Trái Đất 288 10.3 Những khí quyển quay chậm 296 10.4 Hoμn l−u khí quyển của các hμnh tinh lớn 301 10.5 Hoμn l−u đại d−ơng quy mô lớn 307 10.6 Các hệ thống phòng thí nghiệm 309 10.7 Bμi tập 315 Lời giải bμi tập 317 Danh mục sách 334 - 6 - Tμi liệu tham khảo 338 - 7 - Chuyên khảo nμy trình bầy quan điểm hiện đại về hoμn l−u khí quyển toμn cầu. Trong chuyên khảo có sự phối hợp giữa các số liệu quan trắc thực tế đối với hoμn l−u chung khí quyển bằng những mô hình lý thuyết đơn giản của cơ chế điều khiển hoμn l−u. Những ch−ơng đầu đề cập tới quan điểm truyền thống về hoμn l−u toμn cầu đối với những quá trình khởi tạo chuyển động khí quyển vμ các nguyên nhân động lực lμm biến dạng chúng. Các ch−ơng tiếp theo phát triển những vấn đề gần đây nhất bao gồm cả sự biến động tần suất thấp vμ các quá trình hoμn l−u khí quyển toμn cầu khác. Chuyên khảo lμ tμi liệu nghiên cứu lý thú đối với các sinh viên cao học vμ các cán bộ nghiên cứu cần những kiến thức mở đầu đối với vấn đề hoμn l−u khí quyển tr−ớc khi đọc các tμi liệu nguyên bản. Cuốn sách có nhiều hình minh hoạ những kết quả nghiên cứu chẩn đoán vμ mô hình hoá. Mỗi ch−ơng đều có phần trình bầy các vấn đề vμ phần dẫn các tμi liệu tham khảo. - 8 - Lời dẫn Gió thổi tới nơi nó sẽ tới, bạn có thể nghe tiếng gió nh−ng bạn không biết gió thổi từ đầu tới vμ sẽ thổi tới đâu (John, 3, 8). Thời trung cổ câu hỏi gió thổi từ đâu tới vμ sẽ thổi tới đâu đối với mỗi ng−ời lμ câu hỏi khó trả lời. Hơn nữa gió không thể hiểu đ−ợc nên gió đ−ợc các bậc tiền bối dùng nó nh− lμ di chúc không nhìn thấy đ−ợc của Chúa thánh thần (theo tiếng Hy Lạp từ gió cũng có nghĩa lμ “tinh thần”). Khí t−ợng thuộc ngμnh khoa học đ−ợc nghiên cứu nhiều nhất. Nếu bạn lμ nhμ nông, thuỷ thủ hay lính đồn trú cho rằng gió hay thời tiết xấu lμ do Chúa đ−a tới cho con ng−ời điều đau khổ vμ tai hoạ, để giới hạn quyền lực của con ng−ời. Còn có rất nhiều câu hỏi cho đến tr−ớc cuộc cách mạng Newtơn vμo thế kỷ 19, khi nhiều định luật về nhiều khía cạnh khác nhau của thế giới tự nhiên đ−ợc phát hiện. Kepler đã chỉ ra rằng chuyển động của hμnh tinh tuân theo những nguyên tắc chặt chẽ, mặc dù ông không thể giải thích thoả đáng tại sao định luật của ông về chuyển động của các hμnh tinh lại có dạng nh− vậy. Galileo đã chỉ ra chuyển động của vật thể đơn giản nh− chuyển động của quả cầu kim loại nặng trên mặt nghiêng. Newtơn với ba định luật của ông về chuyển động vμ định luật vạn vật hấp dẫn đã tổng hợp tất cả những kết quả nghiên cứu đã nói ở trên vμ chỉ ra khả năng dự báo những điều quan sát đ−ợc của các nhμ khoa học tr−ớc đó bằng tập hợp bốn định luật của ông. Điều đó xảy ra ngay tr−ớc khi vấn đề hoμn l−u khí quyển h−ớng tới việc sử dụng cơ học Newtơn mới. Năm 1687 Halley hoμn thiện lý thuyết về tín phong, ông cho rằng tín phong gây nên bởi chuyển động thăng của không khí nóng ở xích đạo vμ đ−a không khí tới đây từ những vĩ độ cao hơn. Hadley, năm 1720, hoμn thiện thêm lý thuyết nμy. Theo ông nh− vậy phải có dòng khí thổi về phía cực, nằm trên tín phong mặt đất. Vμ nh− vậy những cố gắng đầu tiên nghiên cứu về gió vμ hoμn l−u quy mô lớn của khí quyển đã đ−ợc bắt đầu. Nửa sau thế kỷ 18, chuyển động của chất lỏng trên Trái Đất đã đ−ợc mô tả trên cơ sở toán học vμ cùng với việc thiết lập lực Coriolis, vai trò to lớn của chuyển động quay của Trái Đất đ−ợc xác định. Tuy nhiên, những cố gắng nμy đã không đ−ợc phát triển do thiếu cả về mặt lý thuyết vμ đặc biệt lμ thiếu số liệu quan trắc. Giấc mơ của các học trò của Newtơn mô tả hoμn l−u khí quyển nh− một cơ chế có thể dự báo có thể đạt đ−ợc bằng cách áp dụng hệ thống các định luật của Newtơn về chuyển động đối với không khí. Giấc mơ của Newtơn đã trở nên gần hiện thực hơn nhất lμ sau Chiến tranh Thế giới Thứ hai khi cơ học l−ợng tử vμ lý thuyết t−ơng đối khẳng định khả năng sử dụng khái niệm đơn giản của Newtơn để giải thích động lực học của các hệ thống trong các nhánh của vật lý học. Do ngμnh hμng không phát triển, nhu cầu thông tin chi tiết về điều kiện khí t−ợng trên phạm vi lớn, khả năng thu thập thông tin đ−ợc nâng cao trên mạng l−ới quan trắc đ−ợc mở rộng. Cùng với sự phát triển của mô hình front của tr−ờng phái Bergen ở Nauy vμ việc biểu diễn định l−ợng mô hình với các thμnh phần của cơ học chất lỏng của Newtơn, nền tảng cho những vụ - 9 - bội thu của khoa học khí t−ợng Những kết quả phân tích kiên trì của Charney vμ Eady đã giải thích sự phát triển của xoáy thuận bằng các lý thuyết bất ổn định của chất lỏng. Sự phát triển của máy tính lμm cho dự báo thời tiết bằng ph−ơng pháp số trị trở thμnh hiện thực, ph−ơng pháp nμy dựa trên việc tích phân hệ các ph−ơng trình phi tuyến đối với chuyển động trong mạng l−ới khảo sát toμn cầu. Do hệ thống truyền thông trên phạm vi lớn đã đ−ợc thiết lập nên con ng−ời đã có một cái nhìn mới toμn cầu thực sự đối với hoμn l−u khí quyển. Đối với tôi thì máy tính đã cho các nhμ khí t−ợng học một công cụ rất hữu hiệu. Đã có những đóng góp phát triển các mô hình thực tế đầu tiên cho dự báo thời tiết hạn ngắn vμ gần đây lμ việc mô phỏng vμ dự báo khí hậu. Cố gắng nμy đã v−ợt qua ý định tìm hiểu tính chất động lực của hoμn l−u khí quyển quy mô lớn. Do các ph−ơng trình cơ bản mô tả chuyển động khí quyển rất phức tạp vμ phi tuyến, d−ờng nh− có rất nhiều lời giải bằng ph−ơng pháp số trị thực hiện đ−ợc có thể đóng góp vμo việc tìm hiểu hiện t−ợng. Rất nhiều trí tuệ, công sức của các nhμ khoa học đã đ−ợc cống hiến để cải tiến các mô hình số trị vμ hoμn thiện việc biểu diễn, một số quá trình ch−a giải đ−ợc nh−ng lại rất quan trọng. Một cái nhìn sâu vμo bản chất vật lý của hoμn l−u khí quyển đã đ−ợc những nhμ khoa học nh− Rossby vμ Ertel phát hiện nh−ng tất cả đều đã bị một thế hệ các nhμ khoa học nghiên cứu khí quyển lãng quên. Một số nhμ khí t−ợng lý thuyết vẫn đóng góp sức lực để đ−a khí quyển về dạng cơ bản vμ đơn giản hoá đến mức có thể. Nhiều cố gắng đã đi sâu hơn vμo việc cải tiến ph−ơng pháp biểu diễn phi tuyến đối với khí quyển. Công trình của Lorenz vμ các tác giả khác đã dẫn đến việc phát triển học thuyết “Hỗn loạn” còn gọi lμ lý thuyết “Rối” đ−ợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học hiện đại khác. Điều đó cho thấy rằng tính phi tuyến có thể lμm phát sinh nhiều điều phức tạp từ những ph−ơng trình thực tế rất đơn giản. Lý thuyết “rối” hiện đang soi sáng cho nghiên cứu hoμn l−u khí quyển quy mô lớn. Giấc mơ của Newtơn buộc phải thoả hiệp với thực tế vì vấn đề lμ ở chỗ tính khó dự đoán đ−ợc lại lμ những đặc điểm cơ bản của hệ thống nh− khí quyển chứ không chỉ do những hạn chế về mặt kỹ thuật. Đặc điểm khó dự báo thể hiện rõ rệt trong vấn đề dự báo thời tiết. ý định tiến hμnh dự báo thời tiết hạn dμi bằng ph−ơng pháp so sánh t−ơng tự với trạng thái khí quyển trong quá khứ đã cho thấy một điều có ý nghĩa đối với các dự báo thời tiết lμ khó có thể nhận biết từng phần tử khí riêng biệt. Do chuyển động hỗn lọan trong khí quyển có thể đ−a phần tử khí bất kỳ chuyển động quay, quỹ đạo chuyển động của các phần tử khí trở nên uốn l−ợn; kéo dμi vμ thμnh dải vật chất mỏng cuốn theo nó vμ cuối cùng chúng hoμn toμn biến mất vμo trong khí quyển. Trong quá trình nμy các phần tử khí hoμn toμn không còn nhận biết đ−ợc. Tiếp nối niềm lạc quan của thời đại Newtơn chúng ta ngμy nay nhận thấy lμ quan sát của Saint John đã đúng. Từ đâu gió thổi tới vμ nơi gió sẽ tới có ý nghĩa sâu sắc vμ thực chất lμ không thể biết hoμn toμn chính xác. Từ khái niệm tĩnh học, bây giờ ta có thể hiểu lμ khí quyển biến đổi không ngừng, hệ thống nμy có cấu trúc phức tạp theo không gian vμ thời gian. Bằng cách tính trung bình theo không gian vμ thời gian hoμn l−u toμn cầu của khí quyển đ−ợc xây dựng nên từ tổng hợp các hiệu ứng của “môđun” các hiệu ứng của hệ thống với quy mô nhỏ hơn, theo lý thuyết kinh điển của Newtơn. Khi xem xét một cách chi tiết hơn ta thấy vẫn với những môđun nμy ta có thể xây dựng nên những xoáy - 10 - khác nhau. Bản thân việc thiết lập nμy lμm biến đổi các môđun. Ta kết luận lμ những hình ảnh đơn giản nμy bao giờ cũng có những giá trị giới hạn. Ta sẽ bị giới hạn rất nhiều khi muốn sử dụng các cấu trúc nμy đối với các hình thế khác. Đó lμ một phần nguyên nhân tại sao phải dự đoán khí hậu với nồng độ CO2 lớn mμ loμi ng−ời đã nhanh chóng nhận thấy rằng vấn đề đó khó vμ không kiểm soát đ−ợc. Đó cũng lμ nguyên nhân tại sao những cố gắng gần đây lại tập trung vμo nghiên cứu hoμn l−u khí quyển của các hμnh tinh khác từ đó dẫn đến những điều ngạc nhiên không ngờ tới trong nhiều ph−ơng diện. Phần đầu quyển sách nμy chủ yếu dμnh để mô tả điểm hiện đại xác định hoμn l−u chung khí quyển. Ph−ơng pháp tiếp cận dựa trên những quy luật vật lý có liên quan với quá trình thuỷ động lực học điều khiển hoμn l−u, h−ớng tới các quá trình cơ học xác định chuyển động của khí quyển. Chúng tôi cố gắng biểu diễn bằng những số liệu quan trắc hoμn l−u thực cũng nh− mô hình đơn giản dựa trên các định luật cơ học vμ nhiệt động lực học. Những mô hình nμy tuy chỉ lμ mô hình −ớc l−ợng vμ rất hạn chế nh−ng chúng lμ cẩm nang của nhóm các mô hình cơ bản, cho phép các nhμ nghiên cứu một mặt giải thích những kết quả quan trắc của khí quyển thực, mặt khác giải thích các kết quả phức tạp của mô hình hoμn l−u chung khí quyển. ở cuối chuyên khảo chúng tôi sẽ trình bμy những thμnh tựu gần đây nhất vμ chỉ ra tính phức tạp của hoμn l−u thực vμ sự hạn chế của các mô hình đơn giản. Các ch−ơng từ 1-6 tập trung chủ yếu vμo việc xác định quan điểm đối với hoμn l−u toμn cầu sử dụng trên 50 năm nay. Những định luật vật lý cơ bản đ−ợc biểu diễn bằng ngôn ngữ phù hợp về mặt định l−ợng sẽ lμ nội dung đ−a ra trong Ch−ơng 1. Ch−ơng 2 thảo luận những kết quả quan trắc khí quyển quy mô lớn vμ mô hình dự báo thời tiết mô hình hoμn l−u khí quyển toμn cầu cho ta công cụ hiện đại để nghiên cứu hoμn l−u toμn cầu. Cơ sở nhiệt động lực học đối với hoμn l−u nμy lμ sự đốt nóng không đồng đều của khí quyển, vấn đề nμy đ−ợc trình bμy trong Ch−ơng 3. Động lực học của chuyển động thể hiện rất rõ ở sự quay Trái Đất vμ những nhân tố cơ học khác. Khí quyển duy trì khá khéo léo vμ để duy trì vận chuyển nhiệt. Nh−ng sự thích ứng của khí quyển đối với những quá trình đốt nóng khác nhau sẽ đ−ợc trình bμy trong các Ch−ơng 4, 5 vμ 6. Các ch−ơng còn lại tập trung vμo trình bμy kết quả gần đây trong hiểu biết của chúng ta về hoμn l−u toμn cầu. Quan điểm kinh điển đối với hoμn l−u lμ chuyển động kinh h−ớng, tất nhiên đó lμ sự đơn giản hoá quá lớn. Biến động trong hoμn l−u vĩ h−ớng đ−ợc nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây đã nhấn mạnh về sự duy trì của các quỹ đạo xoáy thuận miền ôn đới vμ các quá trình phát sinh sóng dμi, những rãnh vμ sống bán vĩnh cửu trong đới gió tây ôn đới. Bất đối xứng trong hoμn l−u theo chiều vĩ h−ớng của miền nhiệt đới đóng một vai trò quan trọng hơn vì chúng cho thấy một phần giới hạn của khả năng dự báo thời tiết ở miền vĩ độ cao trong quy mô thời gian mùa. Trong ch−ơng nμy nhấn mạnh đến sự t−ơng tác của các quy mô của chuyển động trong khí quyển. Kết quả cuối cùng lμ cấu trúc quy mô lớn của hoμn l−u ở mức độ đáng kể đ−ợc tổ chức do các cấu trúc tức thời qui mô nhỏ hơn vμ không có quá trình ng−ợc lại. Đó lμ, tiêu đề chủ yếu của Ch−ơng 7. - 11 - Kết quả t−ơng tự cũng đ−ợc thể hiện ở qui mô thời gian lμ chính. Quy mô thời gian dự báo trình bμy trong các ch−ơng đều quá ngắn, không quá một số ngμy hay nhiều nhất lμ một vμi tuần. Những dao động của hoμn l−u khí quyển xảy ra trong những quy mô dμi hơn sự biến đổi tần số thấp, nghĩa lμ sự biến đổi có quy mô 10 ngμy (hay dμi hơn) đ−ợc trình bμy trong Ch−ơng 8. Trong khi những tμi liệu từ các ch−ơng tr−ớc giúp chúng ta hiểu một số cơ chế cơ bản của những biến động tần số thấp thì những thμnh tựu hiện đại trong tr−ờng biến động rối lại cho thấy chúng đóng vai trò khá quan trọng. Nh−ng những quan trắc vệ tinh đ−ợc hoμn thiện vμ nhất lμ sự hoμn thiện rất lớn của kỹ thuật vệ tinh đã dẫn tới sự quan tâm đối với tầng bình l−u, hoμn l−u phần giữa khí quyển đ−ợc coi lμ những cố gắng tìm hiểu ảnh h−ởng của con ng−ời đối với ôzon. Những nghiên cứu nμy cho ta những lời cảnh báo nh− sự t−ơng tác giữa hoá học ôzôn vμ hoμn l−u khối l−ợng ở phần giữa của khí quyển tầng bình l−u vμ tầng khí quyển giữa, vấn đề trọng tâm trong việc tìm hiểu ảnh h−ởng của con ng−ời đối với ôzôn. Sự xuất hiện của lỗ hổng tầng ôzôn ở Nam Bán Cầu vμo mùa xuân minh họa ảnh h−ởng đó của con ng−ời. Ngμy cμng có nhiều ý kiến cho rằng sự thiếu hụt ôzôn diễn ra trên quy mô toμn cầu đã bắt đầu, điều đó có nghĩa lμ cần phải hiểu hoμn l−u tầng bình l−u, sự vận chuyển ôzon vμ các chất xúc tác nh− ôzon. Ch−ơng 9 dμnh để giới thiệu hoμn l−u tầng bình l−u vμ ảnh h−ởng của nó đối với phân bố ôzôn. Cuối cùng trong Ch−ơng 10 ta quay trở lại xem xét riêng khí quyển của Trái Đất chúng ta có thể hiểu hoμn l−u của khí quyển Trái Đất nh− lμ một tr−ờng hợp riêng của các tr−ờng hợp đối với các hμnh tinh khác của hệ thống Mặt Trời. Việc nghiên cứu hoμn l−u toμn cầu bao giờ cũng xuất phát từ việc nghiên cứu hệ thống riêng lẻ. Bây giờ với khối l−ợng số liệu không lớn đã có thể tìm hiểu về tất cả các hμnh tinh có khí quyển trong hệ Mặt Trời. Ngμnh khí t−ợng có thể phối hợp với các ngμnh khoa học khác về Trái Đất để tiến hμnh những nghiên cứu về dạng hoμn l−u toμn cầu có thể. Trình độ của của chuyên khảo nμy phù hợp với sinh viên sau đại học, các sinh viên trình độ thạc sỹ. Tôi hy vọng chuyên khảo nμy cũng hữu ích với các nhμ nghiên cứu để có những kiến thức cơ sở về hoμn l−u toμn cầu có thể vững tin khi đọc các nguyên bản. Phần tiếp lμ phần mở rộng của giáo trình tôi đã giảng cho các sinh viên đại học vμ sau đại học trong một số năm qua. Cách trình bμy có một số thay đổi cần thiết để phù hợp khoá học nμy. Kiến thức về khí t−ợng động lực chiếm một phần nhỏ trong các trang nói về hoμn l−u toμn cầu. Những phần khác có tính mô tả do đó ít giúp cho sinh viên hiểu biết các quá trình vật lý của hoμn l−u toμn cầu với mức độ định l−ợng bất kỳ. Nên cuốn sách nμy phải chuyển toμn bộ khí t−ợng động lực chỉ đ−ợc coi lμ sự áp dụng khí t−ợng động lực đối với hoμn l−u quy mô lớn. Chúng tôi nghĩ lμ bạn đọc đã nghiên cứu những kiến thức cơ sở của động lực học khí quyển mặc dù vậy để có thể tự đọc cuốn sách nμy chúng tôi sẽ dùng những kết quả quan trọng nhất mμ không cần dẫn giải trong phần mở đầu cuốn sách. Những quá trình lớn nhất điều khiển quyển hoμn l−u khí quyển lμ sự hấp thụ vμ phát xạ bức xạ điện từ, những quá trình vật lý trong mây, vận chuyển rối trong lớp biên khí quyển (nhóm những quá trình th−ờng đ−ợc gọi lμ vật lý khí quyển). Trong khi đó, những định luật Newtơn lại không đ−ợc coi lμ định luật vật lý sẽ không đ−ợc mở rộng. Hơn nữa một số kết quả quan trọng sẽ đ−ợc thảo luận còn những chi tiết bạn đọc có thể thu nhận từ các cuốn sách - 12 - khác. Vấn đề mμ cuốn sách nμy tập trung vμo chính lμ sự vận chuyển nhiệt bởi chuyển động khí quyển quy mô lớn vμ cách khí quyển giải phóng năng l−ợng để điều khiển hoμn l−u. Sự vận chuyển nhiệt không có nghĩa lμ bao gồm sự vận chuyển của các thực thể khác nh− độ ẩm hay động l−ợng. Sự vận chuyển của những thực thể nμy cũng lμ vấn đề cần tập trung nghiên cứu. Mỗi ch−ơng đều kết thúc bằng phần ngắn bμi tập. Những bμi tập nμy phục vụ cho một số mục đích một lμ giúp sinh viên phát triển sự hiểu biết về định tính cũng nh− định l−ợng của đối t−ợng. Hi vọng rằng các bμi tập sẽ lμm cho sinh viên có thói quen thực hiện các tính toán nhỏ vμ −ớc l−ợng khi có số liệu vμ các ph−ơng trình liên quan, bằng cách đó sinh viên có thể thấy đ−ợc những vai trò t−ơng đối của các hiệu ứng khác nhau, các trạng thái trong đó xảy ra các loại cân bằng khác nhau. Chức năng khác của các bμi tập lμ đ−a một số định h−ớng t− duy, một số kết quả phụ thêm rút ra từ phần viết chính. Những điều mở rộng nμy chủ yếu sử dụng trong t−ơng lai. Cũng đáng bỏ thời gian đẻ thực hiện các bμi tập khi họ có thể nắm một cách vững vμng vμ thực hiện nó họ mới thực sự hiểu biết những phần trình bμy trong nội dung. Tất nhiên, bắt đầu lμm liền từng bμi tập trong nhiều giờ sẽ gây sức ép đối với khối l−ợng đμo tạo ngắn hạn. Chính vì vậy chúng tôi đã đ−a ra những trả lời cho các bμi tập. Ngắn gọn nh−ng rõ rμng vμ không phải bao giờ cũng đạt đ−ợc điều đó, tôi hi vọng rằng những gì viết ra lμ những điều cần thiết nhất giúp sinh viên tìm ra những lời giải chi tiết. Danh mục sách giúp bạn đọc tìm ra những cuốn sách trong mỗi ch−ơng cho một số tr−ờng hợp, cho mỗi mục. Có rất nhiều tμi liệu vμ hình vẽ đã đ−ợc đ−a vμo đây, tuy nhiên những danh mục sách có ý nghĩa s− phạm lμ chính. Tôi không có ý định hoμn thiện trong lần xuất bản đầu tiên nμy. Hơn nữa, các cuốn sách vμ bμi báo đ−ợc chọn ở đây nhằm để giúp ích cho sinh viên, những ng−ời cần có lời giải thích chi tiết vμ đầy đủ hơn cho các chủ đề riêng biệt. Một trong những hậu quả lμ các bμi báo của các bạn đồng nghiệp của tôi chứa phần lớn trong tμi liệu tham khảo. Đây không phải lμ những lời chỉ trích đối với các công trình của các tác giả bị bỏ qua; hơn nữa điều đó cũng chứng tỏ rằng đã có một khối l−ợng công trình to lớn đề cập tới hoμn l−u chung khí quyển đã đ−ợc công bố trong những năm gần đây. Rất nhiều bạn bè đồng nghiệp đã giúp tôi chuẩn bị cuốn sách nμy. Họ đã giúp tôi một cách tận tình bằng việc đọc viết vμ thảo luận có liên quan đến đề tμi của tôi. Đặc biệt, tôi muốn cám ơn đến Dr. Raymond Hide ng−ời đã giới thiệu tôi nghiên cứu hoμn l−u khí quyển vμ tới Giáo s− Brian Hoskins & Robert Pear, ng−ời đã tạo môi tr−ờng khích lệ tôi tại Tr−ờng Tổng hợp Reading nơi tôi đã học vμ lμm việc theo đề tμi hoμn l−u toμn cầu của Trái Đất vμ đ−ợc giúp đỡ cả về số liệu vμ các mô hình đơn giản. Tôi cũng muốn bμy tỏ ở đây sự biết ơn đối với các bạn đồng nghiệp đã giúp tôi một cách hμo hiệp bằng những lời khuyên vμ đã dμnh nhiều thời gian, công sức giúp tôi thu thập số liệu vμ các hình minh họa. Tôi muốn cảm ơn 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 đã giúp tôi viết những ch−ơng trình máy tính cần cho việc chuẩn bị các hình vẽ khí hậu của ECMWF. Rất nhiều các bạn đồng nghiệp của tôi ở các viện khác không chỉ cho phép tôi sử dụng các toán đồ của họ mμ còn cho phép sửa chữa bản chính. Tôi muốn kể đến một số bạn - 13 - đồng nghiệp của tôi 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. Một số trong họ đã đọc vμ nhận xét về các phần viết của bản thảo đầu tiên. Trong số đó có M. Collins, M. Juckes, F. Nortley, Pearce and S. Rosier. Phần lớn các toán đồ trong cuốn sách nμy đã đ−ợc xây dựng từ kết quả phân tích bằng ph−ơng pháp khí hậu các số liệu khí t−ợng tại Trung tâm Châu Âu dự báo hạn vừa (ECMWF). Ngμnh khí hậu đã đ−ợc xây dựng ở đây trong một số năm nh− một phần của dự án hợp tác giữa Cơ quan Khí t−ợng Anh quốc vμ Tr−ờng Tổng hợp Reading. Tôi muốn gửi lời cảm ơn các bạn đồng nghiệp của tôi đã lμm việc trong dự án hơn 10 năm nay trong đó có Paul Berresford, Huang Hsu, Michiko Masutani, Sarah Raper, Prashant Sardeshmukh vμ Glenn White . Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới ECMWF vì sự quan tâm vμ ủng hộ tận tình đối với dự án chẩn đoán nμy vμ gửi lời cám ơn đối với Cơ quan khí t−ợng Anh quốc đã cung cấp số liệu cho tôi. Tôi cũng xin cảm ơn gia đình tôi đã kiên nhẫn giúp đỡ tôi. Tôi cảm thấy có một món nợ to lớn đối với sự kiên nhẫn vμ sự thông cảm với tôi. Nh−ng hơn tất cả cuốn sách nμy thuộc về các sinh viên của tôi tại Tr−ờng tổng hợp Reading trong nhiều năm họ đã quan tâm đến bμi giảng của tôi vμ họ đã có những đóng góp để tìm hiểu về hoμn l−u toμn cầu vμ đã truyền cảm hứng cho tôi để hoμn thiện tμi liệu vμ viết cuốn sách nμy. Tôi cũng xin cám ơn đối với các sinh viên trên thế giới đã mong muốn đến các tr−ờng Tổng hợp ph−ơng Tây học về khí quyển, nh−ng không có khả năng tμi chính để thực hiện những −ớc muốn đó. Tôi hy vọng cuốn sách nμy sẽ giúp họ trong nghiên cứu. Điều đó thật đáng tiếc, tôi hy vọng rằng các bạn sẽ tìm thấy những điều hữu ích trong những giải thích của tôi về hoμn l−u khí quyển. Ian James Bracknell Tháng 2/1993 - 14 - ký hiệu A Mật độ sóng hoạt động ph−ơng trình (6.32) a Bán kính hμnh tinh (6,371 x 106 m đối với Trái Đất) cp Nhiệt dung riêng đẳng áp cv Nhiệt dung riêng đẳng tích cD Hệ số cản, Hệ số ma sát cgx, cgy Các thμnh phần của tốc độ nhóm sóng cg Vectơ tốc độ nhóm c0 Tốc độ pha của sóng trọng tr−ờng ngoại đối với độ dμy t−ơng đ−ơng h0 ph−ơng trình (7.7) D Phân kỳ ngang D Ma sát hình học ph−ơng trình (8.15) Dp/Dt Tốc độ trao đổi sau hộp sóng ph−ơng trình (6.22) E Tốc độ bốc hơi E “E-vectơ”, ph−ơng trình (7.20) vμ (7.26) e áp suất riêng es áp suất hơi n−ớc bão hoμ, sức tr−ơng hơi n−ớc bão hoμ es0 Sức tr−ơng hơi n−ớc bão hoμ tại nhiệt độ nhất định; đối với n−ớc lμ 611Pa tại 273K F Khuynh h−ớng ma sát của thμnh phần thẳng đứng của xoáy t−ơng đối F Dòng Eliassen-Palm, ph−ơng trình (6.68) f Thông số Coriolis f0 Thông số Coriolis tại vĩ độ nhất định F Lực ma sát cho đơn vị khối l−ợng g Gia tốc trọng tr−ờng (9,81 ms-2 đối với Trái Đất) H Độ cao theo qui mô khí áp, RT/g h(p) Tỷ số của p/  vμ  , ph−ơng trình (1.54) vμ (5.23) h0 Độ dμy t−ơng đ−ơng, ph−ơng trình (7.4) i (-1)1/2 K 1-Hệ số khuếch tán 2- Động năng cho đơn vị khối l−ợng 3- Số sóng tổng cộng (k2 + l2)1/2 - 15 - KR LR-1 Ks Số sóng tĩnh tổng cộng k Số sóng vĩ h−ớng k Vectơ đơn vị theo chiều thẳng đứng k Số sóng Rhines, ph−ơng trình (10.25) L 1- Quy mô dμi đặc tr−ng theo chiều ngang 2- ẩn nhiệt ng−ng kết của hơi n−ớc LR Bán kính biến dạng Rossby, NH/f l Số sóng kinh h−ớng M 2/uv 2'2'     m Số sóng theo chiều thẳng đứng n 1- Tần số Brunt-Vaisala 2- Trung bình của ''vu P Tốc độ giáng thủy p Khí áp pR Khí áp chuẩn (th−ờng lấy lμ 1000hPa đối với Trái Đất) ps Khí áp bề mặt Q 1- Nhiệt thêm vμo một đơn vị khối l−ợng đối với một phần tử khí 2- Biến vô h−ớng tùy ý Q D/Dt do đốt nóng Q Ph−ơng trình ômega tác động, ph−ơng trình (1.77) & (1.78) q Xoáy thế tựa địa chuyển, ph−ơng trình (1.75) qE Xoáy thế Ertel, ph−ơng trình (1.79) R Hằng số chất khí (287Jkg-1K-1 đối với không khí khô) R* Hằng số chất khí vạn năng (8314 J(kgmole)-1K-1) Rd Hằng số chất khí đối với không khí khô Rv Hằng số chất khí đối với hơi n−ớc (461,5Jkg-1K-1) r Tỷ hỗn hợp ẩm rs Tỷ hỗn hợp ẩm bão hòa S 1- Tốc độ đốt nóng dQ/dt 2- Dòng bức xạ mặt trời s 1- Thông số ổn định tĩnh, ph−ơng trình (1.72) 2- Entropy riêng, ph−ơng trình (3.13) T Nhiệt độ t Thời gian - 16 - U 1- Nội năng cho một đơn vị khối l−ợng 2- Qui mô tốc độ đặc tr−ng u Thμn