Sóng Rossby khác sóng trọng lực ở điểm nào?

Sóng Rossby là sóng quy mô hành tinh có lực khôi phục là gradient xoáy tiềm năng theo vĩ độ dưới tác dụng của lực Coriolis, lan truyền chủ yếu theo phương ngang. Trong khi đó, sóng trọng lực có quy mô trung bình hoặc nhỏ hơn, được khôi phục bởi lực nổi trọng trường khi khối khí dao động thẳng đứng trong môi trường phân tầng ổn định.

Tại sao sóng khí quyển có thể chi phối thời tiết cực đoan?

Sự dừng lại hoặc biến dạng mạnh của các sóng Rossby quy mô lớn tạo nên hiện tượng chặn khí quyển, khiến các khối áp cao hoặc rãnh áp thấp duy trì cố định một chỗ trong nhiều ngày. Điều này ngăn cản luồng hoàn lưu thông thường và gây ra các đợt rét đậm kéo dài hoặc các đợt nắng nóng gay gắt trên diện rộng.

Sóng khí quyển ảnh hưởng như thế nào đến thời tiết tại Việt Nam?

Ở khu vực nhiệt đới bao gồm Việt Nam, các sóng xích đạo kết hợp đối lưu và dao động nội mùa tương tác tạo ra các vùng hội tụ ẩm mực thấp. Quá trình này kích thích các ổ mây dông đối lưu sâu phát triển, là nguyên nhân trực tiếp dẫn đến các đợt mưa lớn diện rộng điển hình như đợt mưa lịch sử tháng 8/2019 tại Phú Quốc.

Tại sao các mô hình khí hậu phải tham số hóa sóng trọng lực?

Phần lớn các sóng trọng lực có bước sóng ngang nhỏ hơn kích thước mắt lưới của các mô hình hoàn lưu chung toàn cầu. Do mô hình không thể giải trực tiếp các dao động này, các nhà khoa học phải dùng các công thức gần đúng để ước lượng thông lượng xung lượng mà sóng vận chuyển lên tầng giữa khí quyển.

Sóng khí quyển (atmospheric wave) là gì?

Sóng khí quyển (tiếng Anh: atmospheric wave) là các dao động tuần hoàn của các trường biến số nhiệt động và động lực học trong khí quyển Trái Đất—bao gồm khí áp, nhiệt độ, mật độ không khí và vận tốc gió—lan truyền qua không gian và thời gian. Khí quyển là một môi trường chất lưu nén được, phân tầng nhiệt động và nằm trong hệ quy chiếu quay của Trái Đất. Do đó, khi một khối không khí bị lệch khỏi trạng thái cân bằng thủy tĩnh hoặc cân bằng địa chuyển bởi các tác nhân kích thích ban đầu như chuyển động nâng qua địa hình núi non, hoạt động giải phóng nhiệt ẩn từ các tháp đối lưu mây giông sâu, hay sự bất ổn định khí động lực học của dòng xiết phản lực, các lực hồi phục nội tại của môi trường sẽ tác động kéo khối khí trở về vị trí cân bằng, từ đó kích hoạt và duy trì sự lan truyền của sóng.

Các lực hồi phục cơ bản điều khiển chuyển động sóng khí quyển bao gồm lực nổi nhiệt động phát sinh do sự phân tầng tỉ trọng ổn định của cột không khí, lực quán tính Coriolis bắt nguồn từ chuyển động tự quay của Trái Đất, tính đàn hồi nén được của môi trường chất khí, và gradient thế xoáy tiềm năng sinh ra do sự biến thiên của tham số Coriolis theo vĩ độ. Sóng khí quyển đóng vai trò thiết yếu trong việc vận chuyển năng lượng, động lượng và các chất vết hóa học từ tầng đối lưu lên tầng bình lưu và tầng trung lưu, chi phối các hình thái thời tiết synop và điều khiển các dao động khí hậu hoàn lưu quy mô toàn cầu.

Nguyên lý động lực học và hệ phương trình sóng khí quyển

Về mặt toán học và vật lý khí quyển, lý thuyết sóng tuyến tính được xây dựng bằng cách áp dụng phương pháp nhiễu động nhỏ lên hệ phương trình thủy động lực học chất lưu khí quyển đầy đủ, bao gồm phương trình động lượng Navier-Stokes trên hệ quy chiếu quay, phương trình liên tục bảo toàn khối lượng, phương trình trạng thái khí lý tưởng và phương trình nhiệt động lực học bảo toàn năng lượng. Một biến số khí quyển bất kỳ được phân tách thành thành phần trạng thái nền dừng trung bình và thành phần nhiễu động sóng có biên độ nhỏ:

u = \bar{u} + u', \quad v = \bar{v} + v', \quad w = w', \quad p = \bar{p} + p', \quad \rho = \bar{\rho} + \rho'

Bằng cách bỏ qua các số hạng phi tuyến bậc cao chứa tích của các đại lượng nhiễu động, hệ phương trình đạo hàm riêng được tuyến tính hóa. Nghiệm sóng phẳng điều hòa cơ bản của hệ phương trình tuyến tính có dạng tổng quát:

\psi'(x, y, z, t) = \hat{\psi}(z) \exp\left[ i (k x + l y + m z - \omega t) \right]

Trong đó $k$ và $l$ lần lượt là số sóng phương ngang theo hướng đông tây và bắc nam, $m$ là số sóng phương thẳng đứng, và $\omega$ là tần số góc của sóng. Mối quan hệ hàm số giữa tần số góc và vectơ số sóng tạo thành quan hệ tán sắc, đặc trưng riêng biệt cho từng cơ chế vật lý của từng loại sóng khí quyển cụ thể. Tốc độ lan truyền của các pha dao động sóng được định lượng qua vận tốc pha, trong khi hướng và tốc độ vận chuyển năng lượng thực tế của bó sóng được xác định bởi vận tốc nhóm:

c_p = \frac{\omega}{k}, \quad c_g = \frac{\partial \omega}{\partial k}

Sự phân tầng nhiệt động thẳng đứng của khí quyển được định lượng thông qua tần số Brunt-Väisälä, đại diện cho tần số dao động tự nhiên của một phần tử khí bị xê dịch theo phương thẳng đứng trong môi trường đoạn nhiệt ổn định:

N = \left( \frac{g}{\theta} \frac{\partial \theta}{\partial z} \right)^{\frac{1}{2}}

Trong đó $g$ là gia tốc trọng trường và $\theta$ là nhiệt độ thế vị. Khi một khối khí chuyển động thẳng đứng gặp môi trường có độ ổn định tĩnh dương, lực nổi Archimedes đóng vai trò lực hồi phục kéo khối khí dao động quanh mức cân bằng với tần số góc bằng tần số Brunt-Väisälä, đặt nền tảng cho sự hình thành của sóng trọng lực nội tại.

Phân loại các hệ thống sóng khí quyển

Dựa trên bản chất của lực hồi phục ưu thế và thang quy mô không gian và thời gian, sóng khí quyển được phân chia thành các nhóm hình thái cơ bản sau đây:

Loại sóng	Lực hồi phục chủ đạo	Thang quy mô không gian	Chu kỳ thời gian	Ý nghĩa động lực học
Sóng âm khí quyển	Tính đàn hồi và nén được của chất khí	Mét đến kilômét	Giây đến phút	Truyền âm thanh và sóng hạ âm, thường lọc bỏ trong mô hình dự báo thời tiết thủy tĩnh
Sóng trọng lực nội tại	Lực nổi nhiệt động trong tầng phân tầng ổn định	Kilômét đến hàng trăm kilômét	Phút đến nhiều giờ	Vận chuyển xung lượng thẳng đứng, tạo nhiễu động tầng bình lưu và trung lưu
Sóng quán tính trọng lực	Lực nổi kết hợp lực quán tính Coriolis	Hàng trăm đến hàng nghìn kilômét	Nhiều giờ đến một ngày đêm	Điều chỉnh địa chuyển và giải phóng năng lượng từ các dòng xiết
Sóng hành tinh Rossby	Sự biến thiên của tham số Coriolis theo vĩ độ	Hàng nghìn kilômét (synop đến hành tinh)	Nhiều ngày đến nhiều tuần	Định hình rãnh áp thấp, áp cao và các đợt bùng phát không khí lạnh toàn cầu
Sóng xích đạo	Hiệu ứng bẫy Coriolis vùng xích đạo và lực nổi	Hàng nghìn kilômét	Nhiều ngày đến vài tuần	Tổ chức đối lưu nhiệt đới, tương tác gió mùa và dao động nội mùa nhiệt đới

Sóng trọng lực nội tại và truyền xung lượng tầng giữa

Sóng trọng lực nội tại trong khí quyển xuất hiện khi các bọc khí bị xáo trộn theo phương thẳng đứng dưới tác động của luồng gió vượt qua các dãy núi cao hoặc các luồng đối lưu bốc lên mãnh liệt trong các đám mây vũ tích giông nhiệt đới. Khi lan truyền lên các tầng cao hơn của khí quyển, do mật độ không khí phân tử giảm dần theo hàm mũ của độ cao, biên độ vận tốc dao động của sóng buộc phải tăng lên tỉ lệ nghịch với căn bậc hai của mật độ khí quyển để bảo toàn thông lượng năng lượng cơ học.

Nghiên cứu tổng quan hệ thống của Fritts và Alexander (2003) xác định rằng sóng trọng lực khí quyển tạo ra tác động động lực học quy mô lớn chủ yếu tại tầng khí quyển giữa trong khoảng độ cao từ 10 km đến 110 km do mật độ không khí suy giảm làm biên độ sóng tăng theo độ cao. Khi biên độ sóng tăng đến ngưỡng tới hạn, građien nhiệt độ đoạn nhiệt thẳng đứng của sóng trở nên bất ổn định hoặc vận tốc pha ngang của sóng tiệm cận với vận tốc gió nền của dòng chảy môi trường (mức tới hạn), sóng sẽ bị tiêu tán, bẻ gãy và giải phóng toàn bộ xung lượng được tích lũy vào dòng chảy trung bình.

Hiện tượng bẻ gãy sóng trọng lực này cung cấp một lực hãm xung lượng cực kỳ mạnh mẽ đối với dòng xiết vùng cực ở tầng trung lưu, làm phát sinh một vòng tuần hoàn kinh hướng thẳng đứng kéo dài từ cực mùa hè sang cực mùa đông. Vòng hoàn lưu cảm ứng bởi sóng này đẩy nhiệt độ tầng đỉnh trung lưu vùng cực mùa hè xuống mức lạnh nhất trong toàn bộ khí quyển Trái Đất, dẫn tới sự hình thành của các đám mây dạ quang băng tuyết kỳ ảo ở độ cao lớn.

Sóng hành tinh Rossby và định lý lan truyền Charney-Drazin

Sóng Rossby, hay còn gọi là sóng hành tinh, là các gợn sóng quy mô khổng lồ trên dòng chảy xiết vùng vĩ độ trung bình và cao. Cơ chế lực hồi phục duy trì sóng Rossby bắt nguồn từ sự bảo toàn thế xoáy tiềm năng chuẩn địa chuyển trên bề mặt Trái Đất hình cầu xoay quanh trục. Khi tham số Coriolis gia tăng đều đặn từ xích đạo về phía hai cực địa lý, chuyển động kinh hướng của một dải không khí làm biến đổi thành phần độ xoáy tương đối, sinh ra một mômen lực hồi phục đưa dải khí trở lại vĩ độ ban đầu.

Quan hệ tán sắc của sóng Rossby tự do theo phương ngang trên mặt phẳng beta chuẩn địa chuyển được mô tả qua phương trình toán học kinh điển:

\omega = \bar{u} k - \frac{\beta k}{k^2 + l^2}

Trong đó $\beta = \frac{\partial f}{\partial y}$ là građien kinh hướng của tham số Coriolis, và $\bar{u}$ là vận tốc gió tây cơ bản. Biểu thức trên chỉ ra rằng vận tốc pha theo phương đông tây của sóng Rossby so với dòng gió nền luôn mang giá trị âm, nghĩa là sóng Rossby luôn lan truyền pha ngược về hướng tây đối với luồng không khí chuyển động. Nếu vận tốc gió tây trung bình cân bằng chính xác với số hạng lùi pha, sóng Rossby sẽ trở thành sóng dừng tĩnh tại, chi phối sự phân bố ổn định của các trung tâm khí áp bán thường trực như áp cao áp thấp trên các đại lục và đại dương.

Đối với sự truyền sóng theo phương thẳng đứng, nghiên cứu nền tảng của Charney và Drazin (1961) chứng minh rằng chỉ các sóng hành tinh quy mô lớn nhất với số sóng phân vùng 1 và 2 mới có khả năng lan truyền thẳng đứng từ tầng đối lưu lên tầng bình lưu trong điều kiện gió tây. Theo tiêu chuẩn Charney-Drazin, sóng hành tinh dừng chỉ có thể xuyên thủng qua ranh giới đối lưu để thâm nhập vào tầng bình lưu khi nền gió tây có độ lớn dương nhưng không vượt quá vận tốc tới hạn nhất định. Trong mùa hè, khi gió tầng bình lưu đảo chiều thành gió đông, sóng Rossby hoàn toàn bị chặn lại và phản xạ tại tầng đối lưu, bảo vệ tầng bình lưu mùa hè khỏi các nhiễu động quy mô hành tinh.

Động lực học sóng xích đạo và ghép cặp đối lưu

Tại vành đai nhiệt đới bao quanh xích đạo, tham số Coriolis biến mất tại vĩ tuyến gốc và đổi dấu giữa hai bán cầu, tạo nên một hiệu ứng giếng thế năng bẫy sóng độc nhất vô nhị. Matsuno (1966) thiết lập hệ phương trình trên mặt phẳng beta xích đạo và giải nghiệm giải tích chứng minh sự tồn tại của hệ phổ sóng xích đạo gồm sóng Kelvin và sóng Yanai. Hệ phương trình nước nông trên mặt phẳng beta xích đạo mô tả một họ nghiệm phong phú tương ứng với các chỉ số mode dao động khác nhau.

Trong họ nghiệm này, sóng Kelvin xích đạo là một dạng sóng trọng lực biến tính đặc biệt chuyển động thuần túy về hướng đông dọc theo xích đạo mà không có thành phần vận tốc theo hướng kinh tuyến. Trong khi đó, sóng Yanai (hay sóng trọng lực Rossby hỗn hợp) thể hiện tính chất chuyển tiếp: ở quy mô số sóng lớn nó ứng xử tương tự sóng trọng lực lan truyền về hướng tây, còn ở quy mô số sóng nhỏ nó tuân theo động lực học của sóng Rossby.

Trong khí quyển thực tế, các dao động sóng xích đạo thường không diễn ra trong môi trường khô thuần túy mà ghép cặp chặt chẽ với quá trình ngưng tụ hơi nước và giải phóng nhiệt ẩn trong các cụm mây đối lưu quy mô lớn. Công trình nghiên cứu bao quát của Kiladis và cộng sự (2009) phân loại các hệ sóng xích đạo ghép cặp đối lưu chính bao gồm sóng Kelvin, sóng Rossby xích đạo, sóng trọng lực quán tính và sóng trọng lực Rossby hỗn hợp.

Nghiên cứu của Kiladis và cộng sự (2009) ghi nhận sóng Kelvin xích đạo ghép cặp đối lưu lan truyền về phía đông với vận tốc pha đặc trưng trong khoảng từ 15 m/s đến 25 m/s. Vận tốc pha này thấp hơn đáng kể so với vận tốc pha của sóng Kelvin tự do trong môi trường khí quyển khô, phản ánh tác động làm suy giảm độ ổn định tĩnh hiệu dụng do sự giải phóng nhiệt ẩm mạnh mẽ bên trong các đám mây đối lưu nhiệt đới.

Ý nghĩa trong hoàn lưu khí quyển và mô hình hóa khí hậu

Sóng khí quyển giữ vai trò mắt xích điều phối toàn bộ bức tranh hoàn lưu chung khí quyển. Thông qua việc vận chuyển thông lượng xung lượng Eliassen-Palm theo phương thẳng đứng và phương kinh hướng, sóng khí quyển thúc đẩy các hiện tượng dao động tuần hoàn nổi tiếng như Dao động tựa hai năm (QBO) của gió tầng bình lưu nhiệt đới và Dao động nội mùa Madden-Julian (MJO) ở tầng đối lưu nhiệt đới.

Mặc dù tầm quan trọng vật lý là không thể phủ nhận, việc mô phỏng chính xác sóng khí quyển trong các mô hình số trị dự báo thời tiết và mô hình khí hậu toàn cầu đối mặt với rào cản kỹ thuật to lớn. Các sóng quy mô hành tinh như sóng Rossby có thể được giải đoán trực tiếp trên lưới tính toán của mô hình, nhưng các sóng trọng lực có quy mô bước sóng nhỏ hơn kích thước mắt lưới mô hình hoàn lưu chung. Vì vậy, các tác động động lực học của chúng buộc phải được ước lượng thông qua các lược đồ tham số hóa phụ thuộc vào các biến vĩ mô.

Công trình của Alexander và cộng sự (2010) tổng kết các phương pháp tham số hóa sóng trọng lực địa hình và phi địa hình trong các mô hình hoàn lưu chung khí quyển và phân bố thông lượng xung lượng toàn cầu. Những tiến bộ trong quan sát viễn thám từ vệ tinh quỹ đạo và khinh khí cầu nghiên cứu tầng bình lưu đã cung cấp nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, hỗ trợ hiệu chỉnh các tham số truyền sóng trong các mô hình dự báo thời tiết hạn vừa và mô hình biến đổi khí hậu dài hạn của thế giới.

Tại khu vực Đông Nam Á và Việt Nam, động lực học của các sóng khí quyển nhiệt đới và dao động nội mùa có tác động trực tiếp đến các hình thái thiên tai thời tiết nguy hiểm. Nghiên cứu của Nguyễn Đăng Mậu, Hoàng Thị Huyền và Vũ Quốc Tuấn (2021) đăng trên Tạp chí Khí tượng Thủy văn đã phân tích cơ chế gây mưa lớn từ ngày 1/8/2019 đến 5/8/2019 tại huyện đảo Phú Quốc. Nghiên cứu chỉ ra rằng đợt mưa cực đoan này gắn liền với pha hoạt động mạnh của dao động nội mùa BSISO có chu kỳ khoảng 30 ngày, kích hoạt hội tụ khí quyển tầng thấp kết hợp với gió mùa tây nam tăng cường, minh chứng cho vai trò điều biến thời tiết then chốt của các hệ thống sóng quy mô hành tinh và nội mùa trong khu vực.