Bài giảng Khí tượng học

Trang 1 Khoa Kỹ thuật tài nguyờn nướcBộ mụn Thủy văn và Biến đổi khớ hậuKHÍ TƯỢNG HỌCGiảng viờn : Nguyễn Tiến ThànhEmail: thanhnt@tlu.edu.vn Trang 2 Trang 2/254PHẦN MỞ ĐẦU❖Đụ́i tượng k

08.09.2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Khoa Kỹ thuật tài ngun nước Bộ mơn Thủy văn Biến đổi khí hậu KHÍ TƯỢNG HỌC Giảng viên : Nguyễn Tiến Thành Email : thanhnt@tlu.edu.vn ĐT : 0383928535 Phần mở đầu 08.09.2021 PHẦN MỞ ĐẦU ❖Đới tượng khí tượng gì: Khí tượng học ngành khoa học nghiên cứu về các quá trình khí quyển, lớp đất (hoặc lớp nước sát bề mặt trái đất) như: sự thay đổi nhiệt đợ, trùn nhiệt vào lớp nước, tương tác biển-khí… Như vậy, các vấn đề Khí tượng học bao gờm: Thu thập cách xác các sớ liệu thực tế đặc trưng cho khí qủn các hiện tượng xảy Tiến hành mơ tả chung về số lượng chất lượng Giải thích đúng đắn các hiện tượng khí quyển xác lập những quy luật phát triển chúng Phần mở đầu Trang 2/254 Phần mở đầu 08.09.2021 PHẦN MỞ ĐẦU Sử dụng các quy luật tìm được, nghiên cứu các phương pháp cho phép chỉ tiến trình phát triển các quá trình quan trắc được khí quyển ở thời đoạn Sử dụng các quy luật tìm được sự phát triển các quá trình khí quyển để sử dụng sức mạnh tự nhiên để phục vụ hoạt động thực tiễn người Phần mở đầu Trang 3/254 Phần mở đầu 08.09.2021 PHẦN MỞ ĐẦU ❖ Quan hệ giữa khí tượng học các khoa học khác - Ngành địa vật lý (vật lý địa cầu): Để nghiên cứu các tính chất vật lý trái đất các quá trình xảy đó - Ngành khoa học địa lý: Làm sáng tỏ các quy luật phân bố địa lý các hiện tượng khí tượng nghiên cứu chế đợ thời tiết nhiều năm (khí hậu) ở các vùng địa lý nhật định - Ngành thiên văn học: Liên quan tới việc nghiên cứu bức xạ mặt trời, mối quan hệ giữa các hiện tượng xảy mặt trời trái đất - Trong quá trình phát triển khí tượng học được phân chia: Vật lý lớp khí quyển sát mặt đất, vật lý lớp khí quyển tự (khí tượng cao không) vật lý tầng cao - Theo phương pháp nghiên cứu, đới tượng nghiên cứu cụ thể, khí tượng phân chia thành những chuyên ngành khác nhau: khí tượng động lực, quang học khí quyển, điện học khí quyển… Phần mở đầu Trang 4/254 Phần mở đầu 08.09.2021 PHẦN MỞ ĐẦU ❖ Ứng dụng thực tế của khí tượng học Ngành hàng khơng: Chủ yếu tập trung dự báo trạng thái khí quyển sự thay đổi sương mù, mây giơng, dòng chảy xiết Ngành giao thông: Chủ yếu ở đường biển đánh bắt thủy sản Ngành xây dựng, nông nghiệp, y học… Phần mở đầu Trang 5/254 Phần mở đầu 08.09.2021 PHẦN MỞ ĐẦU ❖ Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp chính: Quan trắc điều kiện tự nhiên Phương pháp thực nghiệm Phân tích lý thuyết Phần mở đầu Trang 6/254 Phần mở đầu 08.09.2021 Chương CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG CƠ BẢN VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG 1.1 Các ́u tớ khí tượng ban Nhiệt đợ: Biểu thị mức đợ nóng lạnh khơng khí Nhiệt đợ khới khơng khí, thời tiết nhất định đặc trưng cho động trung bình các phần tử khí đó Quan hệ giữa nhiệt đợ bác phân (oC) nhiệt độ tuyệt đối (oK) sau: ToK = 273 + toC = 273(1+αtoC) Trong đó: α = 1/273 hệ sớ dãn nở thể tích khơng khí Chương Các yếu tố khí tượng Trang 7/254 mối quan hệ chúng Phần mở đầu 08.09.2021 Chương CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG CƠ BẢN VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG Áp suất khí quyển (khí áp): áp lực thủy tĩnh khơng khí tác động lên đơn vị diên tích m2 Trường hợp khơng có chủn động, áp śt khí qủn sức trương khơng khí tại mỡi điểm cân bằng với trọng lượng cột khơng khí thẳng đứng tiết diện đơn vị nằm điểm đó Chương Các yếu tố khí tượng Trang 8/254 mối quan hệ chúng Phần mở đầu 08.09.2021 Chương CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG CƠ BẢN VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG Đơn vị: có thể dùng milimet thủy ngân (mmHg) Đơn vị liên quan tới cấu trúc dụng cụ đo khí áp biểu thủy ngân (áp suất khí quyển bằng trọng lượng cột thủy ngân có tiết diện cm2 khí áp biểu) Khi đó áp śt khí qủn được biểu thị bằng đợ cao cột thủy ngân đó (mmHg) 1mb = 10-3b = 102 N/m2 = ¾ mmHg Trong điều kiện tiêu chuẩn, áp suất khí quyển ~ 760 mmHg hay 1013 mb được gọi atmophe (amt) Chương Các yếu tố khí tượng Trang 9/254 mối quan hệ chúng Phần mở đầu 08.09.2021 Chương CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG CƠ BẢN VÀ MỐI QUAN HỆ GIỮA CHÚNG Đợ ẩm khơng khí: Biểu thị mức đợ tờn tại nước khơng khí Khơng tiến hành đo đạc trực tiếp, mà tính toán gián tiếp qua số liệu nhiệt độ Các đặc trưng độ ẩm: - Độ ẩm tuyệt đối: Là khối lượng nước có đơn vị thể tích (kg/m3) Ký hiệu α - Sức trương nước (e): áp suất riêng nước (1 phần áp suất khí quyển) Đơn vị mmHg hay mb, N/m2 Trong điều kiện nhiệt độ nhất định, sức trương nước có thể đạt tới trạng thái bão hòa nước bắt đầu ngưng kết Giá trị tới hạn được gọi sức trương nước bão hòa (áp suất nước bão hòa - E) Như vậy, mỗi giá trị nhiệt đợ khơng khí có giá trị áp suất nước bão hòa nhất định Chương Các yếu tố khí tượng Trang 10/254 mối quan hệ chúng 10 Phần mở đầu 10 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN 8.4 Quá trình ngưng đơng kết Ngưng kết quá trình chuyển hóa từ nước sáng nước ở thể lỏng Đơng kết quá trình chủn hóa nước từ thể khí hoặc từ thể lỏng sang thể rắn 8.4.1 Điều kiện ngưng kết nước khí quyển Điều kiện cho quá trình sức trương nước khí quyển phải đạt tới hoặc vượt quá sức trương nước bão hòa (e  E) hoặc nhiệt đợ khơng khí thấp hoặc bằng nhiệt đợ điểm sương T  , phải có nhân ngưng kết 1- Trường hợp điều kiện cần e  E T   Điều kiện hình thành nguyên nhân sau: - Do mặt đất các lớp khơng khí tiếp giáp với mặt đất lạnh vì phát xạ - Do sự tiếp xúc giữa khơng khí nóng với bề mặt đệm lạnh - Do sự xáo trộn khới khơng khí bão hòa (hoặc gần bão hòa) có nhiệt đợ khác - Do sự bớc lên cao đoạn nhiệt hoặc sự giãn nở khơng khí, sẽ kèm theo sự lạnh cách tương ứng Chương Nước khí Trang 240/254 240 Phần mở đầu 240 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN 2- Trường hợp điều đủ: Có hạt nhân ngưng kết - Nhân ngưng kết chất xúc tác để các phân tử nước kết hợp với tạo thành các giọt nước Các nhân ngưng kết chia làm loại chính: Loại hòa tan khơng hòa tan + Loại hòa tan bao gồm các nhân cấu tạo từ các loại ḿi mà chủ yếu ḿi biển NaCL có khí qủn quá trình bớc nước biển các nhân chứa các axit H2SO4, H2PO5 được tạo thành quá trình đốt cháy các chất quá trình oxi hóa tiếp + Loại khơng hòa tan bao gồm vô số khoáng chất như: thạch anh, đất sét … các chất protit sống hoặc chết Ngồi ra, có thể phân chia làm loại dựa kích thước hạt Chương Nước khí Trang 241/254 241 Phần mở đầu 241 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Phân bớ các hạt nhân ngưng kt theo ụ cao Số hạt/cm3 Độ cao (m) 22.800 11.000 500 2.500 1.000 780 2.000 340 3.000 170 4.000 80  500  1.000  2.000  3.000  4.000  5.000 > 5.000 3- Những điều kiện đông kết Nhiệt độ nước => nhiệt độ điểm băng (0oC) Ḿn có đơng kết cần phải có nhân đơng kết cho sẵn Nhân đông kết thường các tinh thể băng đỉnh các đám mây vũ tích Nếu khơng có nhân đơng kết => nước ở nhiệt đợ -20 tới -30oC vẫn ở thể lỏng Trong thực tế, mây khí qủn ở nhiệt đợ -12oC tới -15oC vẫn có những giọt nước chứ khơng phải tồn bợ các tinh thể băng Chương Nước khí Trang 242/254 242 Phần mở đầu 242 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Sự ngưng kết của nước bề mặt Khi khơng khí tiếp xúc với mặt đất hoặc các vật lạnh mặt đất thì nhiệt đợ khơng khí lớp sát mặt có thể đạt tới nhiệt độ điểm sương trở thành bão hòa nước, đó lượng ẩm dư thừa bắt đầu ngưng kết (hoặc đông kết) mặt đất/các vật lạnh dạng sương, sương muối… Sương Là những giọt nước nhỏ hình thành mặt đất nhất các ngọn cỏ, lá nhiệt độ bề mặt > 0oC Tương tự sự hình thành sương, điểm khác đó nhiệt độ mặt đất nhiệt độ các vật mặt đất =< Chương Nước khí Trang 243/254 243 Phần mở đầu 243 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Chương Nước khí Trang 244/254 244 Phần mở đầu 244 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Chương Nước khí Trang 245/254 245 Phần mở đầu 245 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Chương Nước khí Trang 246/254 246 Phần mở đầu 246 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN 8.5 Quá trình hình thành mây mưa Các loại mây Chương Nước khí Trang 247/254 247 Phần mở đầu 247 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Cirrus Nimostratus Chương Nước khí Cirrostratus Trang 248/254 248 Phần mở đầu 248 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Cirrocumulus Altocumulus lenticularis Chương Nước khí Arcus cloud Trang 249/254 249 Phần mở đầu 249 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Quá trình hình thành mưa Giáng thủy khí qủn tồn bợ lượng nước ở thể lỏng rắn mà mặt đất thu được từ khí quyển Lượng giáng thủy thường được đo bằng bề dày lớp nước tạo thành mặt đất, không bị thấm, chảy bốc Đặc trưng: Thời gian cường độ – lượng giáng thủy mà mặt đất thu được sau đơn vị thời gian (phút, giờ) Lượng giáng thủy nước rơi từ các đám mây dạng mưa tuyết Phần nhỏ khác tạo thành quá trình ngưng hoặc đông kết bề mặt đệm nước lớp khí quyển tiếp giáp ~ bao gồm sương, băng đọng Chương Nước khí Trang 250/254 250 Phần mở đầu 250 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Đặc trưng phân loại giáng thủy Giáng thủy rắn, giáng thủy lỏng giáng thủy hỗn hợp - Giáng thủy rắn + Tuyết: giáng thủy rơi xuống dạng các tinh thể tuyết hoặc băng có hình dạng khác nhau: hình hoặc tuyết lớn nhiều tinh thể liên kết với Tinh thể tuyết lớn có đường kính tới 10 mm, các bơng tuyết lớn có kích thước 8-10 cm + Mưa tuyết phùn: Là giáng thủy rơi x́ng dạng những hòn tuyết hình cầu, đường kính 2-5 mm màu trắng, mềm + Mưa đá phùn: Là loại chuyển tiếp từ mưa tuyết phùn sang mưa đá + Mưa đá: Là loại đặc biệt thường xuất hiện vào mùa nóng các giơng từ các đám mây Cb dày Chương Nước khí Trang 251/254 251 Phần mở đầu 251 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN - Giáng thủy lỏng: + Mưa: giáng thủy các giọt nước kích thước khác (đường kính 0.5-7mm) + Mưa phùn: với kích thước giọt mưa nhỏ - Giáng thủy hỗn hợp: Gồm các giọt nước các tinh thể băng hay các hạt mưa đá Ngoài ra, dựa quá trình vật lý tạo thành, mức độ kéo dài cường độ để phân loại giáng thủy -Giáng thủy thường: Là loại rơi từ hệ thống mây Ns,As Với cường độ mưa trung bình thời gian dài diện rộng -Giáng thủy rào: Rơi từ mây Cb, cường độ lớn thời gian diện không lớn, loại thường kèm giông -Giáng thủy phùn: Cường độ rất nhỏ, rời từ các đám mây St Sc Chương Nước khí Trang 252/254 252 Phần mở đầu 252 08.09.2021 Chương NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Câu hỏi thảo luận chương 1) Ngưng kết đông kết gì? Điều kiện cần đủ để xảy quá trình ngưng kết đông kết gì? 2) Bản chất các hạt nhân ngưng kết vai trò chúng ngưng kết đơng kết? 3) Tại phân tích các quá trình hình thành sản phẩm ngưng kết đơng kết khí qủn, người ta thường chỉ để cập đến điều kiện cần không nhắc đến điều kiện đủ ngưng kết đông kết ? 4) Bản chất vật lý các loại sản phẩm ngưng kết có gì giớng khác ? Các sản phẩm ngưng kết nằm tầng khí quyển; các tầng theo quan niệm phân tầng ? 5) Các điều kiện thuận lợi để hình thành sương sương ḿi ? Có thể phòng chớng sương ḿi bằng các biện pháp ? 6) Sương mù mù gì ? Có các loại sương mù ? Loại sương mù được có thể gây trở ngại cho giao thông vận tải vùng núi cao biển ? 7) Biến trình ngày năm lượng mưa ? Nhân tố phụ thuộc chúng ? Chương Nước khí Trang 253/254 253 Phần mở đầu 253 08.09.2021 Trang 254/254 254 Phần mở đầu 254