Khí tượng biển - Chương 1

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:19

Thêm vào BST

Báo xấu

144
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khí tượng học và phương pháp nghiên cứu Khí tượng học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các hiện tượng và các quá trình khí quyển. Vì đi sâu vào nghiên cứu và giải thích bản chất vật lý của mọi hiện tượng, mọi quá trình khí quyển diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất nên Khí tượng học còn được gọi là Vật lý khí quyển. Đối tượng nghiên cứu của Khí tượng học chính là các hiện tượng, các quá trình vật lý diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Mục đích nghiên...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khí tượng biển - Chương 1

LỜI NÓI ĐẦU Trên khung chương trình Đào tạo ngành Kỹ thuật bờ biển, được thành lập theo dự án “Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thủy lợi” do Chính phủ Hà Lan tài trợ, môn “Khí tượng biển” sẽ được giảng dạy cho chuyên ngành “Quản lý tổng hợp dải ven biển” với 04 đơn vị học trình do Bộ môn Tính Toán Thủy văn Khoa Thủy Văn – Môi trường đảm nhận giảng dạy. Bộ môn Tính Toán Thủy Văn đã tiến hành hội thảo, xây dựng đề cương môn học, gửi tới Khoa chủ quản và phân công Thạc sĩ Phạm Đức Nghĩa, giảng viên chính thuộc Bộ môn Tính Toán Thủy Văn chủ biên. Tập bài giảng này được biên soạn theo đề cương chi tiết môn học “Khí tượng biển” đã được Bộ môn Tính toán Thủy văn Khoa Thủy văn – Môi trường thông qua. Tham gia biên soạn tập bài giảng này còn có các cán bộ, chuyên gia của Trung Tâm Khí tượng Thủy Văn biển thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường. Nội dung môn học gồm 07 chương, trong đó: Thạc sỹ Phạm Đức Nghĩa, GVC Khoa Thuỷ văn – Môi trường, biên soạn: chương I, chương II, chương III, chương IV, tiết 1 &3 của chương VI, chương VII. Tiến sỹ Bùi Xuân Thông, Trung Tâm Khí tượng Thủy Văn biển, biên soạn: chương V, tiết 2 của chương VI, tiết 1 của chương VII. Môn học này được chia thành hai học phần: Học phần I đề cập đến những kiến thức cơ bản của Vật lý khí quyển, thời tiết và khí hậu, bao gồm: - Giới thiệu chung, các yếu tố khí tượng cơ bản và phương trình trạng thái của không khí. - Thành phần và cấu trúc khí quyển, các dòng bức xạ trong khí quyển, chế độ nhiệt của đất nước và không khí. - Cơ sở về nhiệt lực học, động lực học khí quyển và tuần hoàn nước trong thiên nhiên. - Hoàn lưu khí quyển nói chung, các khối không khí thay phiên nhau ảnh hưởng đến nước ta và gió mùa trong điều kiện Việt Nam Học phần II đề cập về một số đặc điểm cơ bản của Khí tượng biển Đông, bao gồm: - Những điều cơ bản về mối tương tác giữa biển – khí quyển. - Thời tiết, các hình thế thời tiết cơ bản và hệ quả của sự tương tác biển - khí quyển trên Biển Đông. - Khí hậu, các nhân tố hình thành khí hậu, đặc điểm chung và các đặc trưng yếu tố khí hậu của miền khí hậu Biển Đông. Do thời gian và trình độ còn hạn chế, tập bài giảng này chắc chắn còn có nhiều sai sót, mong được sự đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp. Chúng tôi hy vọng rằng tập bài giảng này sẽ được bổ khuyết dần và ngày càng có thể đáp ứng tốt hơn theo yêu cầu đào tạo của ngành Kỹ thuật bờ biển nói riêng và các các ngành khoa học có liên quan nói chung. Tập thể tác giả
MỤ C L Ụ C LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................... 2 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7 1.1 Khí tượng học là gì ? ............................................................................... 7 1.1.1 Khí tượng học và phương pháp nghiên cứu..................................... 7 1.1.2 Các bộ môn của Khí tượng học ........................................................ 7 1.1.3 Sơ lược về lịch sử phát triển của Khí tượng học.............................. 8 1.2 Các yếu tố khí tượng cơ bản ................................................................... 9 1.2.1 Nhiệt độ không khí .......................................................................... 10 1.2.2 Áp suất khí quyển............................................................................ 10 1.2.3 Độ ẩm không khí ............................................................................. 10 1.2.4 Gió ................................................................................................... 12 1.2.5 Mây.................................................................................................. 13 1.2.6 Mưa ................................................................................................. 14 1.2.7 Tầm nhìn xa .................................................................................... 14 1.3 Phương trình trạng thái của không khí .................................................. 14 1.3.1 Phương trình trạng thái của không khí khô..................................... 14 1.3.2 Phương trình trạng thái của hơi nước và quan hệ giữa các đặc trưng độ ẩm của không khí ...................................................................... 16 1.3.3 Phương trình trạng thái của không khí ẩm - Nhiệt độ ảo................ 18 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG I ......................................................................... 20 CHƯƠNG II BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN .................................................................. 21 2.1 Thành phần và cấu trúc khí quyển .......................................................... 21 2.1.1 Thành phần không khí .................................................................... 21 2.1.2 Cấu trúc khí quyển theo chiều thẳng đứng ..................................... 21 2.1.3 Cấu trúc khí quyển theo chiều nằm ngang ..................................... 25 2.2 Các dòng bức xạ trong khí quyển ........................................................... 29 2.2.1 Bức xạ mặt trời................................................................................ 29 2.2.2 Bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển .............................................. 46 2.2.3 Cân bằng bức xạ ............................................................................. 48
2.3 Chế độ nhiệt của đất, nước và không khí.............................................. 51 2.3.1 Sự nóng lên và lạnh đi của các vùng đất, nước và không khí........ 51 2.3.2 Quá trình truyền nhiệt vào trong lòng đất, nước và không khí ....... 52 2.3.3 Sự diễn biến nhiệt độ của bề mặt và không khí theo thời gian và không gian................................................................................................ 59 2.3.4 Sự biến đổi của nhiệt độ không khí theo thời gian và không gian .. 61 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG II ........................................................................ 65 CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN...................................... 66 3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển............................................................... 66 3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí ......................................... 66 3.2 Cơ sở động lực học khí quyển ................................................................. 91 3.2.1 Trường khí áp .................................................................................. 91 3.3 Tuần hoàn của nước trong thiên nhiên ................................................. 110 3.3.1 Bốc hơi........................................................................................... 111 3.3.2 Ngưng kết...................................................................................... 120 3.3.3 Nước rơi khí quyển ....................................................................... 130 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG III ..................................................................... 136 CHƯƠNG IV HOÀN LƯU KHÍ QUYỂN ......................................................................... 138 4.1 Hoàn lưu chung khí quyển................................................................... 138 4.1.1 Sơ đồ hoàn lưu chung khí quyển.................................................... 138 4.1.2 Vài nét đặc trưng hoàn lưu ở các đới vĩ độ ..................................... 147 4.1.3 Xoáy thuận nhiệt đới, bão............................................................... 150 4.2 Các khối không khí ở Bắc bán cầu và ảnh hưởng của chúng đến Việt Nam ................................................................................................................... 155 4.2.1 Các khối không khí ở Bắc bán cầu ................................................. 155 4.2.2 Các khối không khí ảnh hưởng đến Việt Nam ................................ 155 4.3 Gió mùa trong điều kiện Việt Nam....................................................... 157 4.3.1 Khí hậu Việt nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa................................ 157 4.3.2 Vai trò của gió mùa trong sự hình thành khí hậu Việt Nam ............. 159
4.3.3 Gió mùa trong điều kiện Việt Nam và vai trò của nó trong sự hình thành khí hậu .......................................................................................... 162 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG IV.................................................................... 164 CHƯƠNG V TƯƠNG TÁC BIỂN – KHÍ QUYỂN .......................................................... 166 5.1 Hệ thống biển – khí quyển với các quy mô tương tác......................... 166 5.1.1 Hệ thống biển – khí quyển là gì ...................................................... 166 5.2 Lớp biên sát mặt biển – Các đặc trưng động lực của lớp biên .............. 170 5.2.1 Các đặc trưng của lớp ma sát ........................................................ 170 5.3 Gió và dòng chảy gió trong lớp biển – khí quyển................................... 174 5.3.1 Tác động gió trên bề mặt biển ........................................................ 174 5.3.2 Các đặc trưng chế độ gió ............................................................... 175 5.3.3 Lý thuyết Ecman về dòng chảy gió ................................................. 176 5.4 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió ............... 178 5.4.1 Giới thiệu chung ............................................................................. 178 5.4.2 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió......... 179 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG V..................................................................... 184 CHƯƠNG VI THỜI TIẾT BIỂN ĐÔNG .......................................................................... 185 6.1 Thời tiết và hình thế thời tiết.................................................................. 185 6.1.1 Các công cụ phân tích và dự báo thời tiết....................................... 185 6.1.2 Kiểm tra và sửa chữa số liệu đo đạc .............................................. 188 6.1.3 Phân tích và dự báo hình thế si nốp .............................................. 189 6.2 Các loại hình thế thời tiết trên khu vực Biển Đông .............................. 204 6.2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên Biển Đông.................................... 204 6.2.2 Quan điểm chung về phân loại các hình thế thời tiết trên Biển Đông ................................................................................................................ 205 6.2.3 Kết quả phân loại hình thế thời tiết trên Biển Đông ......................... 205 6.2.4 Hệ thống mây tích với các hiện tượng thời tiết dông, lốc, mưa đá và vòi rồng ................................................................................................... 239 6.3 Hệ quả của sự tương tác biển – khí quyển trên biển Đông ................ 241 6.3.1 Hoàn lưu biển................................................................................. 241
6.3.2 Chế độ nhiệt muối ......................................................................... 243 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG VI..................................................................... 243 CHƯƠNG VII KHÍ HẬU BIỂN ĐÔNG ........................................................................... 245 7.1 Các nhân tố hình thành khí hậu........................................................... 245 7.1.1 Bức xạ mặt trời............................................................................... 245 7.1.2 Hoàn lưu khí quyển ........................................................................ 249 7.1.3 Điều kiện mặt đệm.......................................................................... 255 7.2 Đặc điểm chung của các vùng khí hậu Biển Đông.............................. 259 7.2.1 Khí hậu vùng ven biển ................................................................. 260 7.2.2 Khí hậu vùng phía Bắc Biển Đông ................................................ 260 7.2.3 Khí hậu vùng Nam Biển Đông....................................................... 261 7.3 Các đặc trưng khí hậu của biển Đông ................................................. 262 7.3.1 Trường áp và trường gió ................................................................ 262 7.3.2 Trường nhiệt ẩm ........................................................................... 264 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG VII................................................................... 267 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 268
CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Khí tượng học là gì ? 1.1.1 Khí tượng học và phương pháp nghiên cứu Khí tượng học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các hiện tượng và các quá trình khí quyển. Vì đi sâu vào nghiên cứu và giải thích bản chất vật lý của mọi hiện tượng, mọi quá trình khí quyển diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất nên Khí tượng học còn được gọi là Vật lý khí quyển. Đối tượng nghiên cứu của Khí tượng học chính là các hiện tượng, các quá trình vật lý diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Mục đích nghiên cứu của Khí tượng học nhằm nắm được quy luật diễn biến của khí quyển để chinh phục khí quyển phục vụ cho lợi ích và mọi hoạt động của con người. Nhiệm vụ của Khí tượng học không phải chỉ nghiên cứu các hiện tượng, các quá trình khí quyển để lợi dụng, khai thác những điều kiện thuận lợi của chúng mà còn phải đề ra và kiện toàn các biện pháp ngăn ngừa, khống chế các ảnh hưởng bất lợi của chúng. Phương pháp nghiên cứu của Khí tượng học bao gồm 3 phương pháp cơ bản, đó là: Phương pháp quan trắc: Đây là phương pháp nghiên cứu cơ bản nhất của Khí tượng học. Phương pháp này tiến hành đo đạc, khảo sát quan hệ giữa các yếu tố khí tượng nhằm mô tả các quá trình, các hiện tượng xảy ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Quan trắc khí tượng được tiến hành trên mạng lưới các đài trạm khí tượng được tổ chức trên khắp bề mặt trái đất liên tục quan trắc trạng thái khí quyển trong suốt bề dày của nó. Phương pháp thực nghiệm: Theo phương pháp này, người ta tiến hành xây dựng các “buồng khí hậu nhân tạo”, trong đó có thể tạo ra được những điều kiện khí tượng tương tự như ở các vùng khác nhau trên trái đất. Trên cơ sở đó, nghiên cứu và đưa ra được những biện pháp ngăn ngừa, phòng tránh các hiện tượng và quá trình tiêu cực trong tự nhiên, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển. Phương pháp toán học: Đây là phương pháp sử dụng các thành tựu của toán học, thiết lập các mô hình toán để tổng hợp số liệu, phát hiện và xác lập các mối quan hệ có quy luật giữa các hiện tượng riêng biệt để giải thích và cảnh báo, dự báo các quá trình khí quyển giúp con người khống chế và cải tạo nó nhằm phục vụ cho lợi ích của mình. 1.1.2 Các bộ môn của Khí tượng học Dựa vào các vấn đề nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu được sử dụng, người ta phân chia khoa học khí tượng thành các bộ môn sau: 1) Khí tượng si nốp (Khí tượng dự báo): Khí tượng si nốp hay là khoa học thời tiết và dự báo thời tiết là môn khoa học về những nguyên nhân của điều kiện thời tiết và sự biến đổi của nó trên một phạm vi rộng lớn. Khí tượng si nốp chuyên đi sâu nghiên cứu các quy luật diễn biến của thời tiết ở từng vùng, miền nhằm dự báo trước diễn biến thời tiết phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân.
2) Khí hậu học: Khí hậu học là khoa học nghiên cứu quá trình hình thành khí hậu bằng cách khảo sát tác động tương hỗ giữa các nhân tố hình thành khí hậu (bức xạ mặt trời, hoàn lưu khí quyển và mặt đệm) và sự phân bố khí hậu theo địa lý. Khí hậu học còn nghiên cứu các đặc điểm khí hậu ở một địa phương nào đó gây ra bởi sự không đồng nhất về cấu tạo mặt đệm, điều kiện tự nhiên có tính chất địa phương gọi là tiểu khí hậu. 3) Khí tượng động lực Khí tượng động lực là một bộ môn khoa học khí tượng đi sâu nghiên cứu về mặt lý luận, nó dùng công cụ toán học để nghiên cứu và giải thích những diễn biến của các hiện tượng, các quá trình khí quyển. 4) Khí tượng cao không: Khí tượng cao không là một bộ môn khoa học khí tượng đi sâu nghiên cứu về các quá trình phát sinh, phát triển của các hiện tượng vật lý xảy ra ở những lớp trên cao của khí quyển, tiến tới đi sâu vào tìm hiểu không gian vũ trụ. Ngoài ra, Khí tượng học còn có một số bộ môn phụ khác như: Khí tượng nông, lâm nghiệp; Khí tượng biển; Khí tượng y học; Khí tượng xây dựng... Có thể nói mối quan hệ của khoa học khí tượng với các ngành khoa học và các ngành kinh tế khác nhau rất chặt chẽ. 1.1.3 Sơ lược về lịch sử phát triển của Khí tượng học Có thể phân chia lịch sử phát triển của Khí tượng học thành 3 giai đoạn: 1) Giai đoạn quan sát và tổng kết kinh nghiệm Xuất phát từ yêu cầu sản xuất, con người đã phải chú ý đến thời tiết, đã quan sát và tổng kết kinh nghiệm. Ví dụ: Trong thời cổ đại ấn Độ, Trung Quốc đã có những thông tin về khí tượng như sau: ghi chép các hiện tượng thời tiết ở dạng nhật ký nhà nông, đúc kết kinh nghiệm để phán đoán thời tiết; chia thời tiết ra: mưa, nắng, nóng, lạnh; chia 4 mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông; lập lịch nhà nông 24 tiết khí. Cuối giai đoạn này (khoảng đầu thế kỷ 17) có xuất hiện những cuốn sách đầu tiên viết về các hiện tượng, các quá trình vật lý diễn ra trong khí quyển và có sơ bộ giải thích chúng (tuy nhiên là rất nông cạn). ở Việt Nam, kho tàng ca dao, tục ngữ nói về thời tiết, khí hậu là những tài liệu tổng kết quý báu, đóng góp rất to lớn vào lịch sử phát triển của ngành khí tượng. 2) Giai đoạn có máy quan trắc mặt đất Giai đoạn có máy quan trắc mặt đất bắt đầu từ thế kỷ 17 với sự phát triển mạnh mẽ của Địa lý học, Khí tượng học phát triển lên một bước mới: - Bắt đầu là Ga-li-lê chế ra nhiệt biểu (1607), Tô-ri-sen-li chế ra khí áp biểu (1643). Các nhiệt biểu, ẩm biểu được sử dụng ở Trung Quốc. - Mạng lưới các trạm quan trắc bắt đầu xuất hiện và từng bước hoàn thiện trên toàn thế giới (đặc biệt từ năm 1725 đến năm 1733). Quan trắc trên khắp trái đất được tiến hành từ định tính đến định lượng, theo định kỳ quan trắc. - Các lý thuyết đầu tiên của Khí tượng học bắt đầu được xây dựng thông qua các số liệu quan trắc. Khí tượng học được xem là một bộ phận của Vật lý học.
Đến nửa thế kỷ 18 với đóng góp của Lô-mô-nô-xôp, Khí tượng học mới trở thành một ngành khoa học độc lập: - Chế tạo ra máy tự ghi, máy đo gió, đề ra nguyên tắc quan trắc đồng thời trên toàn bộ mạng lưới các trạm trên thế giới. - Xây dựng Đài vật lý địa cầu đầu tiên trên thế giới (1849) ở Liên Xô (cũ). - Xây dựng bản đồ thời tiết, phát hiện ra hướng chuyển động của không khí từ cao áp đến thấp áp và sự lệch hướng địa chuyển của Bơ-lan-đơ-xơ (thế kỷ 19). - Từ năm 1850, phép phân tích si nốp được hình thành và được áp dụng nhanh chóng để dự báo thời tiết và bộ môn Khí tượng si nốp được đặt nền móng. - Những công trình nghiên cứu khí quyển trên tầng cao của Men-đê-lê-ép đã đạt được các kết quả. - Môn-sa-nôp phát minh ra máy vô tuyến thám không. Với phát minh này khoa học khí tượng chuyển sang giai đoạn mới. 3) Giai đoạn có máy quan trắc cao không Đây là thời kỳ đặt nền móng cho khoa học khí tượng hiện đại: - Nhiều nhà bác học chuyển sang nghiên cứu khí tượng. - Mạng lưới quan trắc khí tượng bề mặt trên thế giới dày đặc, trang bị ngày càng đầy đủ. Mạng lưới khí tượng cao không được xây dựng. - Xây dựng các loại bản đồ cao không, kết hợp với bản đồ mặt đất để dự báo thời tiết. - Nhiều học thuyết và phương pháp nghiên cứu ra đời như: thuyết phờ rông của Bi-ec-ni-xơ, phương pháp dự báo thời tiết dài hạn của Mun-ta-nôp-ski, nguyên tắc dự báo thời tiết trung hạn của Pagava. - Sử dụng các thành quả của khoa học toán, lý để nghiên cứu khí quyển - Khí tượng động lực học ra đời. - Xuất hiện hàng loạt các máy móc như máy khí tượng đo xa, trạm khí tượng tự động, vệ tinh khí tượng đã nối tầm tay cho các nhà nghiên cứu khí tượng tới mọi miền trên trái đất và vươn xa hơn vào không gian vũ trụ. - Do máy móc quan trắc ngày càng được cải tiến, chất lượng số liệu thu thập được càng nâng cao mà các bộ môn khác của Khí tượng học ngày càng phát triển, kể cả những lĩnh vực nhỏ như tiểu khí hậu. Đến nay, chúng ta đã có một Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) điều hành các công cuộc nghiên cứu đối tượng khí quyển phức tạp bao quanh trái đất chúng ta và ngày càng vươn xa tìm hiểu những gì chưa biết về nó và vũ trụ quanh nó. 1.2 Các yếu tố khí tượng cơ bản Trạng thái khí quyển và các quá trình diễn biến trong đó cũng như các hiện tượng thời tiết đều có thể biểu thị bằng một tập hợp nhiều đặc điểm định tính và định lượng. Những đặc điểm đó được gọi là các yếu tố khí tượng. Có các yếu tố khí tượng cơ bản sau đây:
1.2.1 Nhiệt độ không khí Nhiệt độ không khí là yếu tố khí tượng quan trọng nhất, nó biểu thị mức độ nóng lạnh của không khí. Trị số nhiệt độ không khí ở một thời điểm nào đó đặc trưng cho trạng thái nhiệt của không khí ở thời điểm đó. Nhiệt độ không khí trong một khối không khí nhất định, trong một thời tiết nhất định đặc trưng cho động năng trung bình của các phần tử khí trong đó. Nhiệt độ không khí càng cao thì động năng của các phần tử khí càng lớn và chuyển động của các phần tử khí càng nhanh; ngược lại nhiệt độ không khí càng thấp thì động năng của các phần tử khí càng nhỏ và chuyển động của các phần tử khí càng chậm. Đơn vị đo nhiệt độ không khí là độ (o). Trong quan trắc đo đạc nhiệt độ không khí người ta thường sử dụng các dụng cụ theo thang độ bách phân (oC), trong tính toán lý thuyết người ta thường dùng nhiệt độ theo thang độ tuyệt đối (oK). Quan hệ giữa độ bách phân (oC) và độ tuyệt đối (oK) như sau: ToK = 273 + toC = 273(1+αtoC) 1 Trong đó: α = là hệ số dãn nở thể tích của không khí. 273 1.2.2 Áp suất khí quyển Áp suất khí quyển (hay còn gọi là khí áp) là trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có tiết diện 1 cm2, có độ cao lan tới tận giới hạn trên cùng của khí quyển tại địa điểm quan trắc. Người ta có thể dùng milimét thủy ngân (mmHg) để biểu thị áp suất khí quyển. Đơn vị này có liên quan tới cấu trúc của một dụng cụ đo là khí áp biểu thủy ngân, có nghĩa là áp suất khí quyển bằng trọng lượng của một cột thủy ngân có tiết diện 1 cm2 trong khí áp biểu và khi đó áp suất khí quyển được biểu thị bằng độ cao của cột thủy ngân đó (mmHg). Cũng có thể dùng miliba (mb) để biểu thị áp suất khí quyển. Quan hệ giữa mmHg và mb như sau: 3 4 1 mb = mmHg hay 1 mmHg = mb 4 3 Bội số của miliba là bari: 1 bari = 10 mb Trong điều kiện tiêu chuẩn, áp suất khí quyển xấp xỉ bằng 760 mmHg hay 1013 mb và được gọi là 1 atmôtphe (amt). 1.2.3 Độ ẩm không khí Những đại lượng cho biểu thị mức độ ẩm ướt của khí quyển được gọi là độ ẩm không khí. Nói một cách khác, độ ẩm không khí cho ta biết trong không khí có chứa nhiều hay ít hơi nước, độ ẩm không khí lớn hay nhỏ biểu thị mức độ không khí ẩm hay khô. Mức độ ẩm ướt của không khí được biểu thị bằng các đặc trưng của độ ẩm không khí. Người ta không tiến hành đo đạc trực tiếp độ ẩm không khí mà tính toán gián tiếp qua các số liệu quan trắc về nhiệt độ. Các đặc trưng của độ ẩm không khí được tính toán là: 1) Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước tính bằng gam trong 1cm3 hay 1m3 không khí ẩm. Đơn vị đo là g/cm3 hay g/m3. Ký hiệu là a. 2) Sức trương hơi nước Sức trương hơi nước là áp suất riêng của hơi nước. Sức trương hơi nước là một phần của áp suất khí quyển. Đơn vị đo là mmHg hay mb. Ký hiệu là e. Trong điều kiện nhiệt độ nhất định, sức trương hơi nước có thể đạt tới một giá trị tới hạn ứng với trạng thái bão hoà và hơi nước bắt đầu ngưng kết. Giá trị tới hạn này được gọi là sức trương hơi nước bão hoà hay áp suất hơi nước bão hoà. Hay nói một cách khác là: áp suất hơi nước bão hòa là trị số áp suất tới hạn của hơi nước để cho quá trình bốc hơi đạt tới trạng thái cân bằng. Ký hiệu là E. Như vậy, với mỗi giá trị của nhiệt độ không khí có một giá trị của áp suất hơi nước bão hòa nhất định. Quan hệ này được biểu diễn như hình 1-1. E (mb) 40 30 20 10 - 10o - 20 0 10 20 o 30 T Hình 1-1 3) Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối là tỷ số (%) giữa áp suất hơi nước chứa trong không khí với áp suất hơi nước bão hòa ở cùng một nhiệt độ. Ký hiệu là r. e r= .100 (%) E Như vậy, độ ẩm tương đối của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ không khí: nhiệt độ không khí tăng thì độ ẩm tương đối của không khí giảm, nhiệt độ không khí giảm thì độ ẩm tương đối của không khí tăng. Khi r = 100%, ta nói rằng không khí ở trạng thái bão hòa hơi nước. Khi r > 100%, ta nói rằng không khí ở trạng thái quá bão hòa hơi nước. 4) Độ hụt bão hòa Độ hụt bão hòa là độ chênh lệch giữa sức trương hơi nước bão hoà E và sức trương hơi nước hiện có e ở điều kiện nhiệt độ nhất định. Đơn vị đo độ hụt bão hòa là mmHg hay mb. Ký hiệu là d. d = E-e
Như vậy, ở điều kiện nhiệt độ nhất định d càng lớn thì không khí càng ít ẩm ướt, d càng nhỏ thì không khí càng ẩm ướt. 5) Độ ẩm riêng Độ ẩm riêng là lượng hơi nước tính bằng gam chứa trong 1g hay 1kg không khí ẩm. Độ ẩm riêng được biểu thị bằng tỷ số giữa mật độ hơi nước ρn hay khối lượng hơi nước Mn với mật độ của không khí ẩm ρâ hay khối lượng không khí ẩm Mâ trong cùng một đơn vị thể tích. Ký hiệu là q. ρn M n q= = ρa M a ρn Hoặc: q= ρn + ρk Đơn vị đo của độ ẩm riêng là g/g hay g/kg. 6) Tỷ lệ hỗn hợp Tỷ lệ hỗn hợp là tỷ số giữa mật độ hơi nước ρn hay khối lượng hơi nước Mn với mật độ của không khí khô ρk hay khối lượng không khí khô Mk trong cùng một đơn vị thể tích không khí ẩm. Ký hiệu là f. ρn M n f= = ρk M k Đơn vị đo của tỷ lệ hỗn hợp cũng là g/g hay g/kg. 7) Điểm sương Điểm sương là nhiệt độ không khí cần có trong điều kiện áp suất khí quyển không đổi để cho hơi nước trong đó đạt tới trạng thái bão hòa. Nói một cách khác, khi không khí có một lượng hơi nước nhất định nếu nhiệt độ của nó giảm xuống trong điều kiện khí áp không đổi cho đến khi áp suất hơi nước bão hoà bằng áp suất hơi nước trong thực tế thì nhiệt độ lúc đó được gọi là nhiệt độ điểm sương - gọi tắt là điểm sương. Ký hiệu là Td (oC). Như vậy điểm sương nơi nào càng cao thì độ ẩm không khí càng lớn, ngược lại điểm sương nơi nào càng thấp thì độ ẩm không khí càng nhỏ. 1.2.4 Gió Người ta gọi các chuyển động tương đối của không khí so với mặt đất theo phương nằm ngang từ nơi có khí áp cao sang nơi có khí áp thấp là gió. Gió được đặc trưng bằng hướng gió và tốc độ gió. 1) Hướng gió Hướng gió được quy định lấy là phương của đường chân trời mà từ đó gió thổi tới điểm quan trắc. Có 2 cách biểu diễn hướng gió là: dùng la bàn gió và dùng số đo góc. - La bàn gió thường dùng là la bàn 8 hướng (hình 1-2). Trong đó: 4 hướng chính là: Bắc (N), Nam (S), Đông (E), Tây (W). 4 hướng phụ là: Đông-Bắc (NE), Đông-Nam (SE), Tây-Bắc (NW), Tây-Nam (SW). N (0o) N
NW NE W (270o) E (90o) W E S (180o) SW SE S Hình 1-3 Hình 1-2 - Số đo góc: khi biểu thị hướng gió bằng số đo góc người ta lấy hướng Bắc trùng với 0o; theo ngược chiều kim đồng hồ: hướng Đông là 90o, hướng Nam là 180o và hướng Tây là 270o (hình 1-3). 2) Tốc độ gió Tốc độ gió là quãng đường mà các phần tử không khí đi được theo chiều nằm ngang trong một đơn vị thời gian. Trong khí tượng, người ta quan trắc tốc độ gió trung bình trong khoảng 2 phút tại thời điểm quan trắc. Có thể biểu thị tốc độ gió bằng các đơn vị m/s, km/h, hải lý/h hay cấp gió. Cấp gió theo quy định ở bảng 1-1. Bảng 1-1: Bảng cấp gió Bô-pho (Beaufort - Scale - BS 1805) Cấ Tố c độ Hiện tượng trên mặt đất p (m/s) 0 Dưới 0.3 - Khói lên thẳng đứng. 0.3 − 1.5 1 - Khói hơi bị lệch, khí cụ chỉ hướng gió chưa bị quay - Mặt người cảm thấy có gió, lá cây rơ xào xạc. Khí cụ chỉ 1.6 − 3.3 2 hướng gió chuyển động. 3.4 − 5.4 3 - Lá và cành cây nhỏ bị lay động không ngừng. Cờ mở ra 5.5 − 7.9 4 - Gió bụi và vụn giấy bay lên. Cành cây nhỏ bị lắc. 8.0 − 10.7 5 - Cây nhiều lá bị lay động. Sóng nhỏ trên hồ nội địa. 10.8 − 13.8 6 - Cành cây lớn lay động, dây điện kêu vi vu, khó mở dù. 13.9 − 17.1 7 - Toàn cây lay động, người đi cảm thấy có lực cản. 17.2 − 20.7 8 - Cành cây nhỏ bị gẫy, người cảm thấy lực cản mạnh. 20.8 − 24.4 9 - Gió bão, ống khói có thể bị gẫy. 10 24.5 − 28.4 - Gió bão to, cành cây lớn bị gẫy. 11 28.5 − 33.5 - Gió bão rất to, tổn thất nhiều. Trên mặt đất ít khi có. 12 Trên 33.5 - Gió bão rất to, tổn thất rất nhiều. Trên mặt đất ít khi có. 1.2.5 Mây Mây là sản phẩm ngưng kết của hơi nước ở các độ cao khác nhau trong khí quyển tự do. Bảng 1-2 trình bày 10 loại mây cơ bản nhất.
Bảng 1-2: Bảng phân loại mây quốc tế Họ mây Tên mây Tên quốc tế Dạng Mây ti Cirus Ci Tơ sợi, móc câu, kén, túm Mây tầng Mây ti tích Cirrocumulus Cc Thấu kính, kén, hạt nhân cao Mây ti tằng Cirrostratus Cs Tơ sợi, kiểu sương mù Mây Mây trung tích Altocumulus Ac Thấu kính, kén, hạt nhân tầng Mây trung tằng Altostratus As - trung Mây vũ tằng Nimbostratus Ns - Mây Mây tằng tích Stratocumulus Sc Màn lớp, thấu kính, nhân phát triển Mây tằng Stratus St Kiểu sương mù, mảnh theo chiều Mây tích Cumulus Cu Dẹt, vừa, dầy, mảnh thẳng đứng Mây vũ tích Cumulonimbus Cb Hói, có tóc 1.2.6 Mưa Mưa là nước rơi khí quyển đạt đến bề mặt trái đất. Mưa ở dạng rắn, xốp không có nước người ta gọi là tuyết, kèm theo nước người ta gọi là tuyết ướt. Mưa ở dạng lỏng kèm nước đá người ta gọi là mưa đá. Đặc trưng cơ bản của mưa là lượng mưa và cường độ mưa. Đơn vị đo lượng mưa là mm. 1.2.7 Tầm nhìn xa Để đánh giá mức độ trong suốt của khí quyển người ta dùng khái niệm tầm nhìn xa. Tầm nhìn xa là khoảng cách xa nhất để còn có thể phân biệt được vật tiêu điểm với nền xung quanh bằng mắt thường. Ví dụ: tầm nhìn xa trên 10 km, hoặc tầm nhìn xa dưới 4 km trong mưa v. v... 1.3 Phương trình trạng thái của không khí Phương trình trạng thái của chất khí là một công thức toán học nêu lên mối liên hệ phụ thuộc giữa các thông số đặc trưng cho trạng thái của chất khí đó. Phương trình trạng thái của không khí cũng là một công thức toán học nêu lên mối liên hệ phụ thuộc giữa các yếu tố khí tượng. Chẳng hạn ta nói không khí khô hay ẩm là nói lên trạng thái ẩm ướt của khí quyển và ứng với không khí khô hay ẩm có một phương trình biểu diễn trạng thái tương ứng với nó. Để tiến hành thiết lập phương trình trạng thái của không khí chúng ta có thể ứng dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng đã được đề cập trong Vật lý học. 1.3.1 Phương trình trạng thái của không khí khô Như ta đã biết, khí lý tưởng là khí mà trong đó không tồn tại lực tương tác giữa các phân tử. Với một mức độ chính xác nhất định ta có thể xem những chất khí ở trạng thái nhiệt còn xa mới đạt tới giai đoạn chuyển pha của chúng là khí lý tưởng. Đối với không khí khô ở nhiệt độ khoảng −190oC dưới áp suất bình thường đã chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái hơi. Do vậy ở nhiệt độ của khí quyển không khí khô có thể xem như là khí lý tưởng và chúng ta có thể áp dụng các hệ thức viết cho
khí lý tưởng để viết cho không khí khô. Phương trình trạng thái viết cho 1 phân tử gam khí lý tưởng có dạng sau: PVμ = RμT (1-1) Trong đó: P : áp suất của khí nén lên bình; Vμ: thể tích của 1 phân tử gam khí; T : nhiệt độ của chất khí; Rμ: hằng số hơi của 1 phân tử gam khí; (Rμ là công sinh ra do 1 phân tử gam khí lý tưởng nở ra khi nhiệt độ tăng lên 1o trong điều kiện áp suất không đổi, Rμ = 8,3143.107 erg/độ). Vì xem không khí khô là khí lý tưởng mà sai số không lớn nên ta có thể dùng công thức (1-1) để viết phương trình trạng thái cho 1 phân tử gam không khí khô. Nếu ta ký hiệu: P là áp suất khí quyển không có hơi nước; V là thể tích của 1 phân tử gam không khí khô và R là hằng số hơi của 1 phân tử gam không khí khô thì phương trình trạng thái viết cho 1 phân tử gam không khí khô có dạng sau: P V = RT (1-1') Nếu có khối lượng không khí khô bất kỳ M chiếm thể tích v thì theo (1-1') ta có thể viết phương trình trạng thái như sau: M Pv = . RT (1-2) μk μk: trọng lượng phân tử gam của không khí khô. Đây chính là phương trình Cơ-la-pây-rông Men-đê-lê-ép đã gặp trong Vật lý học. Phương trình (1-2) có thể biến đổi sang dạng khác như sau: MR P= T (1-2') v μk M = ρk Mà: (tỷ trọng hay mật độ của không khí khô). v R = Rk (hằng số hơi của 1 gam không khí khô) μk 8,31 .10 7 = 2,87.106 erg/gđộ Rk = 28,166 Hằng số hơi của 1 gam không khí khô Rk gọi tắt là hằng số hơi riêng của không khí khô. Thay vào (1-2') ta có: P = ρk . R k . T (1-3) Công thức (1-3) là một dạng khác của phương trình trạng thái của không khí khô. Từ công thức (1-3), nếu biết được áp suất P và nhiệt độ T ta có thể tính được mật độ của không khí khô: P ρk = (1-3') R kT Chuyển đơn vị nhiệt độ sang thang nhiệt độ bách phân, ta có:
P ρk = (1-3'') R k 273(1 + α t) (α : hệ số dãn nở thể tích của khí lý tưởng). ở điều kiện tiêu chuẩn: P = P0 = 760 mmHg ; toC = 0oC = 273oK P0 ρ0 = Ta có: (1-4) k R k T0 Kết hợp (1-4) với (1-3'') ta có: ρ0 P ρk = k (1-5) P0 1 + α t Từ công thức (1-5) ta có thể phát biểu như sau: Mật độ của không khí khô là đại lượng tỷ lệ thuận với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của nó. 1.3.2 Phương trình trạng thái của hơi nước và quan hệ giữa các đặc trưng độ ẩm của không khí 1) Phương trình trạng thái của hơi nước Nếu xét một cách chặt chẽ thì hơi nước không thể xem là khí lý tưởng bởi vì nhiệt độ chuyển pha của nó là 100oC, mà hơi nước trong khí quyển có nhiệt độ không cách xa nhiệt độ chuyển pha này bao nhiêu - Điều này không phù hợp với điều kiện khí lý tưởng. Song khi nghiên cứu thực nghiệm, người ta lại phát hiện ra rằng: các tính chất vật lý của hơi nước không khác mấy so với khí lý tưởng. Cho nên, khi viết phương trình trạng thái của hơi nước người ta cũng sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng - Có nghĩa là phương trình trạng thái của hơi nước có dạng sau: e = ρn . Rn . T (1-6) Trong đó: e: áp suất hơi nước; ρn: mật độ hơi nước; Rn: hằng số hơi của 1 gam hơi nước; R 8,31 .10 7 = 4,615 . 106 erg/gđộ. = Rn = μn 18,016 Để tiện tính toán người ta thường quy Rn sang Rk như sau: R R Rn = Rk = μk μn R n μk μk Suy ra: Nên Rn = . Rk = μn R k μn Thay μk = 28,966 và μn = 18,016 Ta có: Rn = 1,608 Rk Và phương trình (1-6) có thể viết dưới dạng: e = 1,608 ρn . Rk . T (1-6') Hoặc: e ρn = (1-6'') 1,608 R k T Như vậy, nếu biết sức trương hơi nước e và nhiệt độ không khí T thì ta có thể tính được mật độ hơi nước ρn trong khí quyển.
2) Quan hệ giữa các đặc trưng độ ẩm của không khí a) Quan hệ giữa e và a Trong thực tế a không đo được trực tiếp mà phải xác định thông qua e. a = 103 . ρn (g/cm3) Theo thực nghiệm thì: 10 3 e e (mb) ρn = ⇒ a= * Nếu e đo bằng mb thì: 1,6 R k T 1,6 R k T Thay Rk = 2,87. 106 vào ta có: e 10 3 e = 217 . 10-6 (g/cm3) a= 273 (1 + α t) 6 4,6 10 T e a = 0,8 . 10-6 (g/cm3) (1-7) (1 + α t) Nếu tính cho 1 m3 không khí thì: 0,8 e (g/m3) a= (1-7') (1 + α t) 0,8 e 4 * Nếu e đo bằng mmHg thì: a= . (1 + α t) 3 1,06 e (g/m3) a= (1-7") 1+ α t 1,06 = 1 khi toC ≈ 16,5oC, khi đó a = e. Tỷ số 1+ α t b) Quan hệ giữa f, q, e và P ρn * Theo định nghĩa: q= ρn + ρk Chia cả tử và mẫu cho ρk, ta có: ρn ρk ρn q= Mà: =f ρn ρk +1 ρk Nên: f q= (1-8) f +1 q(f+1) = f ⇒ qf + q = f ⇒ f(q-1) = - q Nếu biến đổi (1-8) thêm: Vậy: q f= (1-8') 1- q Công thức (1-8) và (1-8') cho phép ta tính được độ ẩm riêng của không khí khi biết tỷ lệ hỗn hợp và ngược lại. Mặt khác, từ phương trình trạng thái của không khí khô và của hơi nước, ta có: P-e e ρk = và ρn = R kT 1,608 R k T
ρn Theo định nghĩa thì: f= ρk e 1,608 R k T e 0,622 e f= = = (g/g) 1,608 (P − e) P−e P-e R kT Vì P >> e, nên một cách gần đúng: 0,622 e f= (1-9) P ρn Cũng theo định nghĩa thì: q= ρn + ρk e 1,608 R k T e 0,622 e q= = = e P-e e⎤ ⎡ P - 0,378 e + 1,608 ⎢(P − e) + ⎥ 1,608 R k T R k T 1,608 ⎦ ⎣ Vì P >> e, nên một cách gần đúng: 0,622 e q= (1-9') P Như vậy ta thấy cùng một điều kiện nhiệt độ và áp suất thì tỷ lệ hỗn hợp f lớn hơn độ ẩm riêng q và nếu chỉ cần xác định một cách gần đúng thì có thể xem như tỷ lệ hỗn hợp f xấp xỉ bằng độ ẩm riêng q. 1.3.3 Phương trình trạng thái của không khí ẩm - Nhiệt độ ảo 1) Phương trình trạng thái của không khí ẩm Không khí ẩm bao gồm không khí khô và hơi nước. Do đó khi viết phương trình trạng thái của không khí ẩm chúng ta phải kết hợp phương trình trạng của không khí khô và phương trình trạng thái của hơi nước. P-e Phương trình trạng thái của không khí khô: ρk = R kT e ρn = Phương trình trạng thái của hơi nước: 1,608 R k T Cộng 2 vế ta có: P-e e P ⎛ e 0,622 e ⎞ P ⎛ 0,378 e ⎞ ρẩ = ρk + ρn = + = ⎟= ⎜1 − + ⎜1 − ⎟ R k T 1,608 R k T R kT ⎝ P R kT ⎝ P⎠ P⎠ 0,378 e ⎞ Có thể biến đổi hiệu ⎛1 − ⎟ như sau: ⎜ P ⎠ ⎝ 2 ⎛ 0,378 e ⎞ ⎛ 0,378 e ⎞⎛ 0,378 e ⎞ 1− ⎜ ⎜1 − ⎟⎜1 + ⎟ ⎟ 1 ⎝P⎠≈ P ⎠⎝ P⎠ ⎝ ⎛ 0,378 e ⎞ ⎟= = ⎜1 − ⎛ 0,378 e ⎞ ⎛ 0,378 e ⎞ ⎛ 0,378 e ⎞ P⎠ ⎝ ⎜1 + ⎜1 + ⎜1 + ⎟ ⎟ ⎟ P⎠ P⎠ P⎠ ⎝ ⎝ ⎝
2 ⎛ 0,378 e ⎞ Bởi vì ⎜ ⎟ khá nhỏ nên có thể bỏ qua. ⎝P⎠ Vậy phương trình trạng thái của không khí ẩm là: P ρẩ = (1-10) e R k T (1 + 0,378 ) P Từ công thức (1-10) có thể nhận xét: trong cùng điều kiện áp suất và nhiệt độ thì mật độ của không khí ẩm sẽ nhỏ hơn mật độ của không khí khô: ρẩ < ρk. 2) Nhiệt độ ảo Trong phương trình trạng thái của không khí ẩm (1-10) nếu ta đặt: e T (1 + 0,378 ) = TV P Thì phương trình trạng thái của không khí ẩm sẽ có dạng tương tự phương trình trạng thái của không khí khô: P ρẩ = (1-11) R k TV Đại lượng TV trong phương trình (1-11) được gọi là nhiệt độ ảo. Vậy: Nhiệt độ ảo là nhiệt độ của không khí hoàn toàn khô để cho mật độ của nó bằng mật độ của không khí ẩm ở cùng một điều kiện áp suất. Nếu ký hiệu sự chênh lệch giữa nhiệt độ không khí với nhiệt độ ảo là ΔTV thì: T V = T + ΔT V Người ta đã tiến hành khảo sát và cho kết quả các giá trị ΔTV đối với không khí ẩm bão hoà hơi nước (r = 100%) như sau: toC − 40 − 30 − 20 − 10 0 Pmb 10 20 30 40 1000 0,0 0,0 0,1 0,2 0,6 1,3 2,6 4,8 8,5 500 0,0 0,1 0,2 0,3 1,2 - - - - Đối với không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước, trong nghiệp vụ khí tượng người ta thường biểu thị nhiệt độ ảo qua độ ẩm riêng q như sau: e e ⇒ q = 0,622 0,378 = 0,608 q P P e ΔTV = 0,378 Do đó: TV = T (1 + 0,608 q) Mặt khác: T P 0,378 e E E ΔT V = Có thể viết khác đi: . . T = 0,378 . r . .T E P P E TV = T + 0,378 . r . .T P Vậy: TV = f (r, P, T) Do đó khi biết độ ẩm tương đối r, áp suất khí quyển P và nhiệt độ không khí T ta có thể tính được nhiệt độ ảo TV.
ý nghĩa của nhiệt độ ảo: So sánh phương trình trạng thái của không khí ẩm viết dưới dạng công thức (1-11) với phương trình trạng thái của không khí khô viết dưới dạng công thức (1-3’), có thể rút ra kết luận rằng: với không khí ẩm khi dùng nhiệt độ ảo TV ta có thể áp dụng bất cứ lúc nào phương trình trạng thái và các hệ thức khác dùng cho không khí khô. Cụ thể, ta có thể lấy hằng số khí của không khí khô Rk để tính toán trong bất kỳ trường hợp nào của không khí ẩm khi sử dụng nhiệt độ ảo TV. CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG I 1) Phương pháp nghiên cứu cơ bản nhất của khí tượng học, nội dung và cách thức tiến hành phương pháp này. 2) Mỗi chất khí đều có các thông số đặc trưng cho trạng thái của chất khí đó, anh (chị) cho biết các thông số đặc trưng cho trạng thái của không khí ? 3) Dạng tổng quát của phương trình trạng thái của không khí ? Xây dựng phương trình trạng thái của không khí bằng cách nào, tại sao lại có thể ứng dụng như vậy ?