Lý thuyết cận địa chuyển (Quasi-Geostrophic Theory)

Bằng cách chỉ giữ lại những sai lệch nhỏ so với trạng thái cân bằng hoàn hảo, lý thuyết cận địa chuyển chắt lọc sự phức tạp của các phương trình khí quyển thành một bức tranh duy nhất, cho phép nhà dự báo biết được nơi không khí đang bốc lên và thời tiết đang hình thành.

Definition

Lý thuyết cận địa chuyển là một tập hợp các phương trình đơn giản hóa cho chuyển động quy mô lớn ngoài vùng nhiệt đới, trong đó gió được xấp xỉ là địa chuyển (geostrophic) ngoại trừ phần cận địa chuyển (ageostrophic) nhỏ thúc đẩy sự tiến hóa của dòng chảy và chuyển động thẳng đứng liên quan.

Scope

Chủ đề này bao gồm phép xấp xỉ cận địa chuyển, xoáy thế cận địa chuyển và sự bảo toàn của nó, phương trình omega để chẩn đoán chuyển động thẳng đứng, và việc sử dụng các công cụ này để hiểu sự phát triển của các hệ thống thời tiết vĩ độ trung bình.

Core questions

• Những phép xấp xỉ nào định nghĩa hệ thống cận địa chuyển?
• Sự bảo toàn của xoáy thế cận địa chuyển chi phối dòng chảy quy mô lớn như thế nào?
• Phương trình omega chẩn đoán nơi không khí bốc lên và chìm xuống như thế nào?
• Lý thuyết giải thích sự phát triển của các xoáy thuận vĩ độ trung bình như thế nào?

Key theories

Xoáy thế cận địa chuyển

Một đại lượng bảo toàn duy nhất kết hợp xoáy tương đối, xoáy hành tinh và sự kéo giãn thẳng đứng, nhờ đó việc theo dõi sự tiến hóa của nó nắm bắt được động lực học thiết yếu của dòng chảy quy mô lớn ngoài vùng nhiệt đới.

Phương trình omega

Chuyển động thẳng đứng trong dòng chảy cân bằng được chẩn đoán từ các mô hình đối lưu xoáy và nhiệt độ, cho phép các nhà dự báo xác định sự bốc lên phía trước các máng trên cao nơi mây và giáng thủy hình thành.

Mechanisms

Bằng cách giả định dòng chảy duy trì gần cân bằng địa chuyển và thủy tĩnh, các phương trình đầy đủ được rút gọn thành sự bảo toàn của một xoáy thế cận địa chuyển duy nhất, với tuần hoàn cận địa chuyển nhỏ được xác định một cách chẩn đoán. Phương trình omega sau đó liên hệ chuyển động thẳng đứng với sự đối lưu xoáy vi phân và đối lưu nhiệt độ, nhờ đó không khí bốc lên, cùng với mây và giáng thủy mà nó tạo ra, có thể được xác định từ các phân tích thường xuyên về trường trên cao và trường nhiệt.

Clinical relevance

Các chẩn đoán cận địa chuyển vẫn là một công cụ dự báo cốt lõi để dự đoán nơi các xoáy thuận ngoài vùng nhiệt đới sẽ sâu hơn và nơi các dải mây và giáng thủy sẽ hình thành, và lý thuyết này là nền tảng cho việc giải thích các trường quy mô lớn được tạo ra bởi các mô hình số.

History

Lý thuyết cận địa chuyển xuất hiện từ phân tích quy mô của Charney và công trình của Eliassen vào cuối những năm 1940, cung cấp các phương trình đã được lọc mà Charney và Phillips đã sử dụng trong các dự báo thời tiết số thành công đầu tiên vào những năm 1950 và vẫn là một khuôn khổ chẩn đoán tiêu chuẩn ngày nay.

Key figures

• Jule Charney
• Arnt Eliassen
• Norman Phillips

Seminal works

• charney1947
• holton2013

Frequently asked questions

Cận địa chuyển (quasi-geostrophic) có nghĩa là gì?

Nó có nghĩa là dòng chảy được coi là gần như cân bằng địa chuyển; gió được xấp xỉ là địa chuyển, và chỉ những sai lệch nhỏ khỏi trạng thái cân bằng đó được giữ lại vì chúng là yếu tố thúc đẩy hệ thống thay đổi và tạo ra chuyển động thẳng đứng.

Tại sao phương trình omega hữu ích cho các nhà dự báo?

Phương trình omega cho phép các nhà dự báo suy ra nơi không khí đang bốc lên hoặc chìm xuống từ các mô hình áp suất và nhiệt độ dễ quan sát hơn, và không khí bốc lên là nơi mây và giáng thủy có xu hướng phát triển.