Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 5 docx

91 92 Chơng 5 những biến đổi khí hậu các thnh phố có nguồn gốc nhân sinh 5.1. Mở đầu Sự ô nhiễm khí quyển các thnh phố bởi những tạp chất nguồn gốc nhân tạo (nhân sinh) đã đợc nhận thấy sớm hơn nhiều so với những biến đổi của các đặc trng trạng thái khác của khí quyển các thnh phố. Thật vậy, ngay từ thế kỉ I sau công nguyên, nh triết học La Mã nổi tiếng Seneka đã viết: Tôi đã cảm thấy sự thay đổi tinh thần ngay sau khi rời bỏ cái không khí hôi hám của thnh Rim, khét mùi khói bếp ngột ngạt v mồ hóng. Bắt đầu từ những thế kỉ trung cổ, Luân đôn đã trở nên đáng buồn. V mặc dù các vị quân vơng đã đa ra một số chỉ dụ (các năm 1273, 1306, 1533) cấm đốt than, nhng bầu không khí Luân đôn vẫn tiếp tục ô nhiễm. Năm 1661, nh tự nhiên học nổi tiếng ngời Anh đã viết: Trong khi tại tất cả những nơi khác, không khí trong sạch, thì mn mây xám ngắt lơ lửng trên bầu trời Luân đôn, Mặt Trời khó m le lói trên thnh phố: Ngời lữ hnh tới đây sau nhiều dặm đờng khó m nhận ra thnh phố ngoi những mùi v mùi. Nếu nh ở kỉ nguyên trớc công nghiệp, chỉ một số ít thnh phố lớn nhất bị ô nhiễm, thì bắt đầu từ thế kỉ trớc, những thnh phố nh vậy trở nên ngy cng nhiều. Ngy nay, ở tất cả những thnh phố với dân c vi trăm nghìn ngời, nhất l hơn vi triệu ngời, do ảnh hởng của phát thải nhân sinh, đã hình thnh một mn mây tạp chất dới dạng cột khói bao trùm thnh phố. Mn mây ny (độ cao từ vi trăm mét tới 12 km) thờng dễ nhận ra trong khi bay trên máy bay hoặc nhìn từ những nơi cao ở ngoại ô thnh phố (thí dụ nhìn từ sân thợng Pulkovo ở Lêningrat). Chúng tôi nhấn mạnh một thực tế lý thú. Ngời ta biết rằng từ trên tầu vũ trụ thì các đối tợng nh đờng xá, sông suối, cánh đồng nhìn rõ hơn l từ các độ cao nhỏ v trung bình (một nh du hnh vũ trụ Mỹ viết rằng từ vũ trụ thậm chí đọc đợc số hiệu xe hơi đứng ở vùng nông thôn). Điều ny l do trên các độ cao lớn không có ánh sáng tán xạ, còn ở các độ cao nhỏ v trung bình thì ánh sáng ny đi tới mắt ngời quan sát, lm giảm độ tơng phản rọi giữa đối tợng v nền. Vì lý do ny m từ dới hầm mỏ hay giếng sâu ban ngy có thể nhìn thấy những ngôi sao. Nhng không một nh du hnh hay nh thiên văn no có thể quan sát từ vũ trụ một đối tợng no đó (thậm chí đại lộ) trong một thnh phố lớn tấ t cả bị che khuất bởi đám mây tạp chất trên trời, trong các tấm ảnh chụp từ các tầu vũ trụ đám mây ny có dạng một vết mờ mờ. Các chất ô nhiễm từ những nguồn khác nhau nhập vo bầu không khí thnh phố kết hợp với sự biến đổi các tính chất của bề mặt đất (độ gồ ghề, độ dẫn nhiệt, albeđô ) v những nguồn nhiệt trực tiếp tỏa ra, có ảnh hởng ngợc mạnh mẽ tới chế độ vi khí hậu v tiểu khí hậu của thnh phố v vùng ngoại ô của nó. Dới tác động của những nhân tố ny, trong thnh phố đã diễn ra những biến đổi nhất định trong các trờng nhiệt độ v độ ẩm không khí, tốc độ gió, bức xạ, tầm nhìn xa, lợng mây, điều kiện thnh tạo mây v sơng mù (đợc nhận thấy không chỉ theo dữ kiện quan trắc bằng dụng cụ, m nhiều khi bằng 93 94 quan sát chủ quan). Ta sẽ phân tích các kết quả quan trắc v giải thích những nhiễu động trong các trờng yếu tố khí tợng so với vùng tự nhiên bao quanh (nơi không bị ô nhiễm bởi các tạp chất nhân sinh). 5.2. Nhiệt độ không khí. Đảo nhiệt Sự khác biệt của nhiệt độ không khí trong thnh phố với nhiệt độ không khí ở các vùng ngoại ô có lẽ do một nh khoa học ngời Anh Look Howard nhận thấy lần đầu tiên năm 1820. Ông ny đã viết cuốn sách đầu tiên về khí hậu thnh phố. Theo số liệu quan trắc các năm 18071816, ông đã xác định đợc rằng hiệu số giữa nhiệt độ không khí trung bình tháng ( T ) ở Luân đôn v các vùng ngoại ô dao động giữa 1,2 o C (tháng 11; các tháng 9 v 1 cũng có các giá trị gần nh vậy) v 0,27 o C (tháng 5). Hiệu ny lớn hơn vo ban đêm (gần 2 o C), còn ban ngy, theo dữ liệu của Howard, trong thnh phố lạnh hơn so với ở ngoại ô khoảng 0,2 o C. Với một thủ đô khác ở châu Âu Pari những dẫn liệu về chế độ nhiệt chỉ đợc công bố vo năm 1868. Renaut đã viết: trong bầu khí quyển mù khói v amiac ny, nhiệt độ không khí chắc phải cao hơn so với các lng quê xung quanh Pari. Theo số liệu của ông, giá trị trung bình T gần bằng 1 o C. Renaut lần đầu tiên đã nhận ra rằng các thnh phố l trơn biến trình nhiệt độ, lm giảm biên độ dao động nhiệt độ, đặc biệt l những nhiệt độ cao nhất. Hiệu ứng ny dễ nhận thấy nhất trong thời gian giá lạnh buổi chiều của ngy thời tiết lặng gió quang mây, nhất l khi có khói mù bao trùm thnh phố. Đây l một nhận xét rất quan trọng, vì nó chỉ ra nhân tố chính hình thnh hiệu nhiệt độ T độ khác biệt về mất nhiệt bức xạ bởi mặt đất trong thnh phố v ở ngoại ô. Điều lý thú l chỉ dẫn của Renaut cho thấy rằng ở vùng nông thôn số ngy với nhiệt độ dới không độ lớn hơn 40 % so với các vùng ngoại ô Pari. Trong hơn 100 năm qua (sau các công trình tiền bối của Howard v Renaut), ngời ta đã khảo sát khá kĩ chế độ khí tợng v khí hậu nhiều thnh phố trên tất cả các lục địa (trên cơ sở phân tích số liệu quan trắc hng ngy tại các đi trạm, tháp vô tuyến truyền hình v cột quan trắc; bằng cách tiến hnh đo mặt rộng chuyên đề, quan trắc máy bay, vệ tinh ). Chúng tôi sẽ dẫn ra một số kết quả quan trọng nhất. Thực tế trong tất cả những thnh phố (lớn v nhỏ) quan sát thấy xu thế tăng nhiệt độ không khí so với các vùng ngoại ô. ở Pari, các nhiệt độ tối cao (ban ngy) trong thời kỳ 18911968 đã tăng 0,011 o C/năm, còn các nhiệt độ tối thấp (ban đêm) tăng 0,019 o C/năm. ở Nhật Bản, xu thế nhiệt độ trong thời kỳ 30 năm (19361965) bằng 0,03 o C/năm tại ba thnh phố lớn phát triển nhanh v chỉ bằng 0,01 o C/năm tại ba thnh phố nhỏ. Theo số liệu quan trắc tại năm thnh phố của Mỹ thời kỳ 18951955, xu thế nhiệt độ đều mang dấu dơng. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh (v điều ny rất quan trọng để phát hiện nguyên nhân tăng nhiệt độ) rằng sự tăng nhiệt độ rất khác nhau trong các mùa, cụ thể l mùa hè xu thế lớn hơn đáng kể (23 lần) so với mùa đông. Thật vậy, tại Klivland (bang Ohio) trong thời kỳ 18951941, nhiệt độ đã tăng 0,028 o C/năm vo mùa hè v chỉ 0,010 o C/năm vo mùa đông; tại Boston (bang Massachusets), thời kỳ 18951933, tăng 0,026 o C/năm vo mùa đông v 0,016 o C/năm vo mùa hè; tại Washington v Baltimore (bang Virginia) 95 96 tuần tự tăng 0,024 v 0,017 o C/năm vo mùa hè v tăng không đáng kể vo mùa đông. Những số liệu ny (cũng nh nhiều số liệu khác sẽ dẫn dới đây) một cách hon ton thuyết phục đã bác bỏ quan điểm của các nh nghiên cứu cho rằng phát thải nhiệt nhân sinh đóng vai trò chính lm tăng nhiệt độ không khí trong thnh phố (thờng các nh nghiên cứu ny không dẫn ra các đánh giá định lợng). Mặc dù những phát thải ny trong mùa sởi ấm (mùa đông) lớn hơn nhiều so với mùa hè, song xu thế nhiệt độ mùa đông nhỏ hơn nhiều so với xu thế mùa hè. Ta dừng lại phân tích chi tiết hơn về nhiệt độ không khí thnh phố pt T v các vùng ngoại ô on T v hiệu số on pt TTT = của các nhiệt độ tại hai thnh phố lớn nhất v đợc khảo sát đầy đủ nhất của Liên Xô Matxcơva v Lêningrat. Cả số liệu nhiều năm (khí hậu), lẫn số liệu quan trắc chuyên đề (quan trắc mặt rộng), cho thấy rằng nhiệt độ không khí trong thnh phố lớn có thể khác biệt nhiều so với nhiệt độ không khí ở ngoại ô thnh phố. Hiệu T thờng xuyên nhất l mang dấu dơng (thnh phố ấm hơn ngoại ô). Bên trong thnh phố, nhiệt độ không khí (tại mực 2 m) tại cùng một thời điểm cũng có thể biến đổi trong phạm vi khá rộng. Thông thờng, những giá trị nhiệt độ cao nhất quan sát thấy ở phần trung tâm thnh phố, còn trên hớng ra phía rìa, nhiệt độ giảm (các đờng đẳng trị hiệu nhiệt độ thực tế song song với ranh giới ngoi của thnh phố). Khi đổi hớng gió, phần trung tâm của khu vực ấm (nhiều khi đợc gọi l đảo nhiệt) dịch chuyển về phần khuất gió của thnh phố. Theo số liệu quan trắc nhiều năm (18811960), các trị số trung bình năm v trị số cực đại của nhiệt độ ( o C) nh sau: Nhiệt độ trung bình Vùng của thnh phố Năm Cực tiểu Cực đại Cực tiểu tuyệt đối Cực đại tuyệt đối Rìa phía bắc 3,6 3,8 0,4 8,0 47 37 Trung tâm 4,8 1,3 8,7 40 38 Rìa phía nam 3,6 3,8 0,1 7,7 45 37 Nh vậy, trung bình trong năm nhiệt độ không khí ở trung tâm Matxcơva khoảng 1 o C cao hơn các vùng rìa. Khác biệt về các nhiệt độ cực tiểu đặc biệt lớn hiệu số đạt tới 7 o C. Theo số liệu quan trắc tại 14 trạm của Matxcơva v tỉnh Matxcơva các năm 19461965, nhiệt độ năm trung bình của không khí ở Loxinoostrovskaia v Tushino thấp hơn 1,0 o C so với ở trung tâm Matxcơva (khách sạn Banchuk, gần Đi khí tợng thủy văn Matxcơva), ở Izmailovo thấp hơn 1,4 o C v ở Nhemchinovka v LêninoĐachnoie thấp hơn 1,5 o C. Có thể nhận thấy rằng hiệu các nhiệt độ không khí trung bình tháng giữa trung tâm Matxcơva v các vùng ngoại ô trong tháng bảy đều lớn hơn trong tháng giêng (0,40,5 o C nếu so với Tushino v LêninoĐachnoie). Chúng tôi sẽ đa thêm dẫn liệu về số ngy với nhiệt độ thấp hơn các giá trị đã nêu theo số liệu quan trắc tại các trạm Đi khí tợng thủy văn Matxcơva (ĐKTTVM, trung tâm Matxcơva) v Viện kinh tế nông nghiệp mang tên Timiriazev (VKTNN, rìa phía bắc Matxcơva): T o C . . . . . . . . . . <10 <5 <0 <5 <10 <15 ĐKTTVM . . . . . 98 146 182 220 273 VKTNN . . . . . . 34 108 151 190 230 288 97 98 Tổng của các nhiệt độ trung bình ngy tại các trạm ny l nh sau: T o C <10 <5 <0 T o C >0 >5 >10 >15 ĐKTTVM 780 910 ĐKTTVM 2550 2260 2205 1645 HVKTNN 350 925 1035 HVKTNN 2470 2365 2055 1320 Các nhiệt độ trung bình tính theo từng thập niên trong thời kỳ 18791975 ở Matxcơva (HVKTNN) liên tục tăng (ngoại trừ các năm 19061915), trung bình 0,2 o C/10 năm (sau 100 năm tăng 2 o C). Sự tăng nhiệt độ rõ nhất (0,5 o C) đã diễn ra trong các năm 19661975. Nhiệt độ trung bình (5,2 o C) của thập niên ny vợt trên chuẩn nhiều năm (4,0 o C) l 1,2 o C. Kỳ 5 năm 19711975 cũng tỏ ra ấm hơn cả: nhiệt độ trung bình của nó bằng 5,7 o C, còn năm 1975 l năm ấm nhất (nhiệt độ trung bình 6,7 o C) trong ton thời kỳ quan trắc đã xét. Nhiệt độ tháng giêng trung bình trong các năm 18791975 tại trạm HVKTNN bằng 10,2 o C, tháng bảy 18,1 o C; ấm nhất l tháng giêng năm 1882 (3,2 o C) v tháng bảy năm 1938 (23,3 o C), còn lạnh nhất tháng giêng năm 1883 (21,6 o C) v tháng bảy năm 1904 (14,6 o C). Cực tiểu tuyệt đối (42,2 o C) quan trắc đợc vo ngy 17/1/1940, cực đại tuyệt đối (36,8 o C) ngy 7/8/1920. Những số liệu ny cũng nh những số liệu đã dẫn ở trên về hiệu số T ở Matxcơva chứng tỏ rằng, trong sự hình thnh đảo nhiệt, phát thải nhiệt nhân sinh không giữ vai trò quyết định (nh điều ny đợc nêu ra trong nhiều sách chuyên khảo v bi báo), vì vo mùa đông phát thải loại ny lớn hơn nhiều so với mùa hè (trong khi đó thì tăng nhiệt độ v giá trị T vo mùa hè lớn hơn so với mùa đông). Vì nhiệt độ không khí ở thnh phố đơn điệu tăng lên, ngời ta quan sát thấy sự dịch chuyển các ngy tiểu hn cuối xuân ( x t ) v đầu thu ( t t ). Theo các dữ liệu quan trắc ở Matxcơva (HVKTNN), đã nhận đợc phơng trình hồi quy nh sau cho độ di thời kỳ không lạnh xt tt (tính bng ngy): )1927( 501,1144 xt += Ntt , trong đó N năm cần xác định xt tt . Theo phơng trình ny, thời kỳ không lạnh trong 50 năm đã tăng lên 75 ngy (từ 144 ngy trong năm 1927 đến 219 ngy trong năm 1977). Tuy nhiên, vì các độ lệch bình phơng trung bình của các ngy x t v t t khá lớn (bằng 12 v 10 ngy), nên trong mỗi năm cụ thể có thể có thiên lệch lớn so với giá trị xác định theo các phơng trình hồi quy (v thực tế đã quan trắc thấy nh vậy). Bảng 5.1. Các giá trị trung bình v cực trị của nhiệt độ không khí ( o C) trong mùa đông (tháng 122) v mùa hè (tháng 68) 19701974 Trung bình ngy Cực tiểu trung bình Cực đại trung bình Cực tiểu tuyệt đối Cực đại tuyệt đối Điểm Đông Hè Đông Hè Đông Hè Đông Hè Đông Hè Lêningrat 5,1 17,6 7,7 13,7 2,5 22,0 27,0 2,9 7,4 33,6 Voeikovo 6,6 16,4 9,5 11,8 3,9 22,2 30,1 0,4 6,4 32,7 Sosnovo 6,3 16,0 9,4 10,5 3,4 21,4 32,3 2,2 6,3 32,7 Belogorka 7,0 16,2 10,4 10,6 3,7 22,0 36,7 1,0 7,2 33,5 Volkhov 7,1 16,5 9,6 10,9 4,2 21,9 33,1 0,0 6,5 33,8 Quan trắc thời tiết hệ thống v di nhất ở Liên Xô đợc thực hiện tại Lêningrat: từ năm 1749. Mặc dù trạm khí tợng đã di chuyển một số lần, nhng trong tất cả các thời kỳ đều nằm không xa trung tâm thnh phố. Hiện nay, trạm ny nằm trên vùng Petrogratskaia, trên bờ sông Tiểu Nheva. Các trạm ngoại vi l những điểm cách Lêningrat 80100 km (ngoại trừ trạm Voeikovo, nằm cách trung tâm Lêningrat khoảng 20 km). Theo dữ liệu trung bình nhiều năm (khí hậu), các nhiệt độ trung bình, cực đại v cực tiểu ngy ở Lêningrat cao hơn so với 99 100 các vùng ngoại vi 12 o C nếu xét về trung bình cả năm cũng nh trong các mùa khác nhau. Đối với Lêningrat, đã tiến hnh nghiên cứu tỉ mỉ nhất về hiệu số T của các nhiệt độ không khí trong thnh phố v ở các vùng ngoại vi. Ngoi những giá trị trung bình (bảng 5.1), đã nghiên cứu biến trình ngy của hiệu T (bảng 5.2) v lần đầu tiên xây dựng hm phân bố của hiệu ny (hình 5.1). Theo số liệu bảng 5.2, các giá trị T lớn nhất đạt đợc vo ban đêm v các giờ sáng sớm, còn nhỏ nhất ban ngy. Biên độ ngy của T lớn (hơn 2 o C) vo mùa hè v nhỏ hơn nhiều vo mùa đông (0,51,0 o C). Bảng 5.2. Biến trình ngy của hiệu T ( o C) trung bình theo mùa đông v mùa hè trong các năm 19701974 Voeikovo Sosnovo Belogorka Volkhov Tất cả các điểm Thời gian, giờ Đông Hè Đông Hè Đông Hè Đông Hè Đông Hè 00 1,3 1,6 1,2 2,7 2,0 2,5 2,0 2,2 1,5 2,2 03 1,2 1,9 1,1 3,0 2,0 3,1 1,9 2,7 1,5 2,7 06 1,4 1,6 0,9 2,4 1,9 2,8 2,1 2,0 1,5 2,2 09 1,4 0,8 1,2 0,7 1,9 1,2 2,2 0,6 1,6 0,8 12 1,2 0,7 1,0 0,7 1,5 0,5 1,7 0,1 1,3 0,5 15 1,1 0,5 0,8 0,8 1,0 0,3 1,4 0,1 1,0 0,4 18 1,3 0,9 1,1 0,7 1,5 0,2 1,6 0,3 1,4 0,5 21 1,5 1,5 1,2 1,3 2,0 0,8 2,0 1,0 1,6 1,1 Ghi chú: Trong hai cột cuối cùng dẫn các giá trị T giữa nhiệt độ không khí ở Lêningrat v nhiệt độ lấy trung bình theo tất cả các điểm ngoại vi. Những số liệu ny khẳng định kết luận đã nêu ra ở trên về vai trò thứ yếu (chứ không phải quyết định) của phát thải nhiệt trực tiếp trong sự hình thnh hiệu số T : bởi vì công nghiệp v nhất l giao thông vận tải, phát thải nhiệt vo ban ngy nhiều hơn đáng kể so với ban đêm, v tỉ phần đóng góp của các dạng phát thải ny có tính chất quyết định, nên lẽ ra hiệu T ban ngy phải lớn hơn nhiều so với ban đêm (thực tế thì ngợc lại). Hình 5.1. Mật độ phân bố (a) v hm phân bố (b) của hiệu nhiệt độ không khí T ở Lêningrat v các vùng ngoại vi thời kỳ 19701974 Trên hình 5.1 biểu diễn mật độ v hm phân bố hiệu T (các tập mẫu gồm 17 366 hiệu T mùa đông v 14 720 mùa hè), cho thấy rằng T ở thnh phố lớn biến thiên trong phạm vi rất rộng: các trị số cực hạn của T trải ra trên khoảng giữa 16 v 9 o C vo mùa đông v giữa 11 v 11 o C vo mùa hè. Mật độ phân bố ( P ) của T đạt cực đại (giá trị mốt) bằng 34 % tại 1 o C vo mùa đông v 26 % vo mùa hè, tuần tự trên dải 0ữ1 v 1ữ2 o C. Về các phía T lớn hơn v bé hơn kể từ các dải ny, mật độ 101 102 P đơn điệu giảm giảm nhanh hơn với 0<T v chậm hơn với 0>T . Phân tích các số liệu trong các thời hạn khác nhau đã cho thấy rằng, mật độ P ban đêm (03 giờ) đạt cực đại trên dải 2ữ3 o C, chiều v tối (18, 21 v 00 giờ) v sáng sớm (06 giờ) trên dải 1ữ2 o C, còn ban ngy (09, 12 v 15 giờ) dải ny dịch chuyển tới 0ữ1 o C, tức mật độ phân bố cũng chỉ ra rằng ban đêm T lớn hơn ban ngy. Hm phân bố )( XTF của hiệu T , đợc biểu diễn trên hình 5.1, cho thấy rằng không phải trong mọi trờng hợp thnh phố đều ấm hơn các vùng ngoại vi của mình. Theo số liệu quan trắc thời kỳ 19701974, Lêningrat ấm hơn các vùng ngoại vi với 83 % vo mùa đông v với 80 % vo mùa hè. Ta để ý rằng xác suất của tình huống thnh phố lạnh hơn các vùng ngoại vi không hẳn đã nhỏ (gần 20 %) đến mức không tính tới khi giải thích các nguyên nhân biến đổi khí hậu thnh phố. Thnh phố ấm hơn các vùng ngoại vi thờng xảy ra ban đêm hơn l ban ngy. Thật vậy, các giá trị 0T o C vo mùa hè lúc 00 v 03 giờ gặp 93 % trờng hợp, còn lúc 12, 15 v 18 giờ chỉ 6468 %. Sự hiện diện các hiệu T âm ở số lớn các trờng hợp (trung bình gần 20 %) chỉ ra đặc biệt rõ rằng trong sự hình thnh đảo nhiệt vai trò quyết định thuộc về các nhân tố khí tợng. Hiệu nhiệt độ không khí ở Lêningrat v ở sân bay Pulkovo có giá trị lớn nhất trong thời tiết quang mây lặng gió vo các giờ ban đêm (bảng 5.3), khi đó hiệu ny đạt 23 o C. Khi tăng lợng mây v vận tốc gió, T thờng giảm. Mùa hè vo các giờ ban ngy T trong mọi kiểu thời tiết đều không vợt quá vi phần mời độ bách phân. Phụ thuộc của hiệu nhiệt độ không khí ở Lêningrat v ở Sosnovo mùa hè vo lợng mây đợc đặc trng bằng những số liệu sau đây: Lợng mây tầng dới (cấp) 0 2 3 8 9 10 Ban đêm 2,8 2,0 1,4 Ban ngy 0,8 0,6 1,2 Cả ngy 2,0 1,1 1,3 Số trờng hợp trong ngy 1492 399 381 Những khác biệt trong nhiệt độ không khí quan trắc đợc không những giữa thnh phố v các vùng ngoại vi của nó, m còn giữa các điểm nằm bên trong thnh phố. ở Lêningrat, trong vòng 1520 năm gần đây đã nhiều lần tiến hnh quan trắc mặt rộng vi mô gồm đo nhiệt độ v độ ẩm không khí, tốc độ gió, bức xạ v các yếu tố khí tợng khác tại nhiều địa điểm trong thnh phố (từ 1015 đến 3040). Bảng 5.3. Các giá trị trung bình của hiệu nhiệt độ không khí ( o C) ở Lêningrat v ở sân bay Pulkovo trong các kiểu thời tiết khác nhau Thời hạn, giờ Thời hạn, giờ Kiểu thời tiết 3 6 12 15 3 6 12 15 QM LG 2,1 2,7 2,1 1,7 2,9 2,3 0,2 0,5 QM GN 1,6 1,3 0,9 0,4 3,0 1,5 0,0 0,0 QM GM 0,7 0,1 2,4 1,0 1,3 TĐ LG 2,2 0,3 1,3 1,0 2,3 2,0 0,2 0,6 TĐ GN 1,0 0,2 0,7 0,2 2,1 2,0 0,1 0,3 TĐ GM 0,7 0,3 1,1 MM LG 0,8 0,9 0,6 0,6 1,1 0,9 0,1 0,0 MM GN 0,4 0,5 0,4 0,2 1,2 1,1 0,3 0,0 MM GM 0,1 0,1 0,4 0,6 0,9 0,6 0,1 Ghi chú: ở đây LG lặng gió (tốc độ gió dới 1 m/s), GN gió nhẹ (2 5 m/s), GM gió mạnh (hơn 5 m/s), QM quang mây, TĐ mây thay đổi, MM mù trời. 103 104 Hình 5.2. Biến trình ngy của hiệu nhiệt độ không khí ở Matxcơva v Obnhinsk, mực 15 m: ngy 911/8 (1), 2325/8 (2), 68/9 (3) năm 1972 Mùa hè, trong thời tiết lặng gió quang mây, buổi sáng v ban tra, phần trung tâm thnh phố ấm hơn vùng ven bờ vịnh Phần Lan (ở vùng Lixi Nos v Lomonosov) tới 23 o C v ấm hơn phần còn lại của thnh phố v lân cận tới 1,01,5 o C. Độ ẩm tơng đối ở trung tâm thnh phố trong cả ngy thấp hơn các vùng ngoại vi l 1520 %. Trong thời tiết mây mù T nhỏ hơn nhiều. Độ tơng phản nhiệt độ lớn nhất giữa phần trung tâm thnh phố v các vùng khác quan trắc thấy vo các giờ ban đêm v sáng sớm mùa đông, khi đó T đạt 812 o C. Ngời ta đã thử so sánh các giá trị T trong các ngy khác nhau của tuần lễ. Thấy rằng mùa đông vo ngy chủ nhật T tại NewHavene v Baltimore (Mỹ) khoảng hai lần nhỏ hơn so với các ngy khác trong tuần. Nhng vo mùa hè, vo ngy chủ nhật, T thậm chí lớn hơn các ngy thờng. Theo phơng thẳng đứng, nhiễu động của trờng nhiệt độ do thnh phố gây nên lan tới độ cao từ vi trăm mét tới 1 2 km. Biến trình ngy của hiệu nhiệt độ không khí ở Matxcơva v ở Obnhinsk v phân bố các giá trị trung bình của T theo số liệu ba loạt quan trắc đồng bộ hai ngy đêm đợc biểu diễn trên hình 5.2 v 5.3. Những trị số lớn nhất của T đạt đợc vo ban đêm, nhỏ nhất ban ngy (hình 5.2). ở gần mặt đất (tại mực 15 m) nhiệt độ ở Matxcơva cao hơn ở Obnhinsk tới 23,5 o C. Với độ cao các trị số T giảm, nhng sau khi đạt cực tiểu ở độ cao 100 200 m thì lại bắt đầu tăng chậm đến 1 1,5 o C tại độ cao 200 250 m (hình 5.3). Hình 5.3. Các trắc diện thẳng đứng của hiệu nhiệt độ không khí ở Matxcơva v Obnhinsk lấy trung bình trong hai ngy Các kí hiệu qui ớc xem trên hình 5.2 Theo số liệu quan trắc ở Lêningrat (tháp vô tuyến truyền hình) v Voeikovo (thám không vô tuyến), hiệu nhiệt độ không khí mang dấu dơng cho tới độ cao khoảng 200 m v dấu âm ở cao hơn mực ny, ngoi ra, T khi phân tầng ổn định lớn hơn nhiều so với khi bất ổn định. Các trị số T ( o C) trung bình tại các độ cao nh sau: Độ cao, m . . . . . . . 2 25 132 164 232 269 T khi a > . . . . 0,7 0,3 0,2 0,0 0,8 1,3 P Q khi a < . . . . 2,9 2,7 1,4 1,0 0,9 1,4 giờ 105 106 5.3. Nghịch nhiệt Phân tầng nghịch nhiệt (nhiệt độ trong một lớp no đó tăng theo độ cao) lm suy yếu đặc biệt mạnh sự trao đổi rối v do đó, sự vận chuyển các chất ô nhiễm từ mặt đất v từ lớp sát mặt đất lên các lớp cao hơn của khí quyển. Vì lý do đó, khi tạo thnh sự nghịch nhiệt, tạp chất gia nhập từ các nguồn mặt đất sẽ bị giữ lại ở gần mặt đất v tạo nên những mức ô nhiễm cao. Vì vậy, trong những thập niên gần, đây ngời ta rất chú ý nghiên cứu về sự phân bố nghịch nhiệt độ nh l một trong những yếu tố khí tợng tiềm năng gây ô nhiễm quan trọng nhất. Ngời ta chỉ có thể nghiên cứu tỉ mỉ về cấu trúc lớp khí quyển phía dới độ dy 300500 m từ khi tổ chức quan trắc trên các cột quan trắc khí tợng cao ở Obnhinsk (tỉnh Kaluga, độ cao 301 m), ở Ostankino (Matxcơva, độ cao 503 m), ở Lêningrat, Kiev v các tháp truyền hình khác. Có thể nhận thấy rằng, trớc khi tổ chức những quan trắc ny, đã có một ý kiến cho rằng nghịch nhiệt l hiện tợng khá hiếm. Tất cả các nghịch nhiệt đợc phân loại thnh nghịch nhiệt sát đất (biên dới trùng với mặt đất) v nghịch nhiệt nâng cao (biên dới nằm tại một độ cao no đó). Theo số liệu quan trắc ở Obnhinsk, đây đợc xem nh trạm đại diện, nằm ở một địa điểm mở với mức ô nhiễm không khí không đáng kể, phân bố nghịch (dị thờng) của nhiệt độ theo độ cao đợc quan trắc thấy trong hơn nửa số trờng hợp (trung bình 53 % một năm) v phân khá đều theo các mùa trong năm: mùa đông 57 % trờng hợp, mùa xuân 53 % trờng hợp, mùa hè 47 % trờng hợp v mùa thu 56 % trờng hợp. ở vùng nông thôn, thống trị dạng nghịch nhiệt sát mặt đất (độ lặp lại của chúng bằng 38 %), mất nhiệt bức xạ từ mặt đất đóng vai trò quyết định sự hình thnh dạng nghịch nhiệt ny. Vì vậy, chúng chủ yếu đợc tạo thnh vo ban đêm trong thời tiết ít mây v gió nhẹ (không quá 5 m/s). Dạng nghịch nhiệt nâng cao hình thnh ở vùng nông thôn hiếm ơn, chủ yếu trong thời tiết mây mù v tốc độ gió vừa phải (210 m/s). Độ dy các lớp với phân tầng nghịch biến đổi trong phạm vi rộng từ 3050 đến 500 m v hơn; chênh nhiệt độ tại các biên trên v dới từ vi phần mời độ đến 10 o C v hơn. Trong thnh phố lớn (Matxcơva), độ lặp lại chung của cả hai dạng phân bố nghịch cũng cao (trung bình 57 % một năm) nh ở vùng nông thôn (Obnhinsk). Tuy nhiên, tơng quan giữa các dạng phân bố nghịch ở Matxcơva v ở Obnhinsk đối lập nhau: nếu nh ở Obnhinsk tỉ phần dạng nghịch nhiệt sát đất l 38 % trong tổng số quan trắc, dạng phân bố nghịch nâng cao 15 %, thì ở Matxcơva, dạng nghịch nhiệt sát đất quan sát đợc 13 %, dạng nâng cao 44 % tổng số quan trắc. Phơng trình cân bằng năng lợng mực mặt đất sau đây cho phép giải thích những đặc điểm trong phân bố thẳng đứng của nhiệt độ trong thnh phố v đồng thời phát hiện những nhân tố chịu trách nhiệm hình thnh đảo nhiệt: aMPT QQLQQR +++= , (5.1) trong đó += *)1( )( BriIR cân bằng bức xạ (ở đây + iI thông lợng bức xạ tổng cộng, r albeđô, *B phát xạ hiệu dụng của mặt đất, T Q thông lợng hiển nhiệt rối, P LQ thông lợng ẩn nhiệt, tức nhiệt lợng mất do bốc hơi nớc từ mặt đất, P Q thông lợng hơi nớc rối, L nhiệt lợng hóa hơi riêng, M Q thông lợng nhiệt phân tử đi vo nền đất, a Q thông lợng nhiệt nhân sinh gây nên bởi các nguồn khác nhau, bao gồm các quá trình trao đổi chất của ngời v động vật. Trong phơng trình cân bằng (5.1), mỗi thông lợng trong thnh phố khác nhiều so với mỗi thông lợng tơng ứng ở vùng 107 108 nông thôn. Đó trớc hết l do sự ô nhiễm không khí thnh phố bởi các tạp chất nhân sinh có ảnh hởng tới các dòng bức xạ Mặt Trời )( iI + v bức xạ hồng ngoại *)(B , v sự biến đổi các tính chất bề mặt đất. Trong thnh phố, tham số gồ ghề lớn hơn đáng kể: tùy thuộc vo độ cao các tòa nh v mật độ các công trình, nó biến thiên từ 0,5 0,7 m tới 3 5 m, trong khi ở vùng nông thôn l 13 1010 m. Albeđô )(r của các thnh phố nhỏ hơn so với vùng nông thôn 4 6 %, ví dụ ở SaintLouise, Mỹ, albeđo gần 11 %, còn các vùng ngoại vi 16 %. Mùa đông v đầu mùa xuân ở các vĩ độ trung bình v cao, sự ô nhiễm v thu gom tuyết trong các thnh phố có ảnh hởng đặc biệt mạnh lm giảm r . Các dòng ẩn nhiệt rối ( P LQ ) v dòng đi vo nền đất ( M Q ) rất khác nhau giữa thnh phố v vùng ngoại vi. Theo số liệu quan trắc ở Columbia (Mỹ) vo một trong những ngy không mây mùa hạ, với tốc độ gió dới 3 m/s, các dòng P LQ trong thnh phố v ở ngoại vi tuần tự bằng 0,1 v 2,04 W/m 2 , M Q : 4,53 v 1,67 W/m 2 ; vo đêm không mây trong thnh phố P LQ v M Q l 0,07 v 1,40 W/m 2 , ở ngoại vi: 0,07 v 0,91 W/m 2 . Các dòng mang dấu dơng nếu chúng hớng lên từ mặt phân cách giữa khí quyển v đất. Nhận thấy rằng albeđô mặt đất trong khi tiến hnh thí nghiệm ny bằng 25 % ở các vùng ngoại vi v chỉ bằng 5 % trong thnh phố. Dòng nhiệt lợng nhân sinh ( a Q ) trong đại đa số các thnh phố của hnh tinh không vợt quá 10 % lợng bức xạ tới từ Mặt Trời, dòng nhiệt mất do bốc hơi v dòng nhiệt đi vo đất. Ta sẽ lợi dụng biểu thức quen thuộc cho thông lợng hiển nhiệt rối )( T azp kcQ = , trong đó = zT / gradient nhiệt độ theo phơng thẳng đứng, 1 a o C/100 m gradient đoạn nhiệt khô, z k hệ số rối, mật độ không khí, p c nhiệt dung riêng của không khí. Dựa trên phơng trình (5.1), ta sẽ nhận đợc biểu thức cho gradient nhiệt độ thẳng đứng ở lân cận mặt đất zpzpp a kc Q kc R z q c L M + += , (5.2) ở đây q tỉ phần khối lợng hơi nớc. Ban đêm, khi 0* <= BR , ở các vùng ngoại vi sẽ tạo ra những điều kiện để hình thnh nghịch nhiệt sát mặt đất ( 0< ) có nguồn gốc bức xạ (lợng mất nhiệt bức xạ bởi mặt đất giữ vai trò chủ yếu). Cùng thời gian đó, trong thnh phố, do ảnh hởng của dòng phát xạ ngợc lại của khí quyển tăng lên, bởi vì có nhiều tạp chất v hơi nớc đợc tạo thnh khi đốt các dạng nhiên liệu, bức xạ hiệu dụng sẽ nhỏ hơn nhiều so với ở các vùng ngoại vi. Vì ban đêm dòng hớng từ trong nền đất lên bề mặt đất, m về trị tuyệt đối thì dòng ny trong thnh phố lớn hơn so với vùng ngoại vi, từ quan hệ (5.2) suy ra rằng: ban đêm, ở lân cận mặt đất trong thnh phố, xác suất giá trị mang dấu dơng sẽ lớn hơn ( 0> ). Điều ny có nghĩa l, nhiệt độ ở lớp sát đất giảm theo độ cao, v nghịch nhiệt đợc nâng lên tới một độ cao no đó phía trên mặt đất (hình 5.4). Những lập luận định tính ny cũng nh những đánh giá định lợng dẫn tới kết luận về vai trò quyết định của các nhân tố địa vật lý trong sự hình thnh đảo nhiệt. Ban đêm, v vo mùa đông với trị số R âm trong vòng phần lớn thời gian trong ngy, phát xạ hiệu dụng *)(B của mặt đất giữ vai trò chính. Phân bố nghịch nhiệt độ ở các vùng ngoại vi thnh phố cng mạnh, tức giá trị tuyệt đối vi ngoại cng lớn, thì T cng lớn. Với những thnh phố dân c 109 110 hơn 2 triệu ngời đã thiết lập đợc liên hệ tơng quan vi ngoại 2,16,2 =T , (5.3) trong đó hệ số tơng quan giữa T v bằng 0,87 (ở đây T tính bằng o C, vi ngoại tính bằng o C/ 100 m). Ban ngy, vai trò chính l do sự giảm albeđô ở thnh phố, kéo theo lm tăng lợng bức xạ hấp thụ từ Mặt Trời, ngoi ra còn l sự giảm mất nhiệt cho bốc hơi. Vậy nói chung các thông lợng trong phơng trình cân bằng (5.1), v cùng với nó l giá trị T biến đổi trong phạm vi rất rộng. Hình 5.4. Sơ đồ giải thích sự hình thnh hiệu T 1 trắc diện thẳng đứng của nhiệt độ ở vùng ngoại vi, 2 trong thnh phố Tốc độ gió có ảnh hởng lớn tới các thông lợng nhiệt rối. Khi gió mạnh lên, nghịch nhiệt bị phá hủy không chỉ ở thnh phố m cả ở các vùng ngoại vi. Đồng thời với phá hủy nghịch nhiệt thì hiệu T sẽ triệt tiêu. Ngời ta đã nhận đợc những giá trị ngỡng của tốc độ gió cho một số thnh phố, khi gió vợt quá ngỡng thì T thực tế bằng không: Luân đôn Monrea l Breme n Hamilto n Redding Dân số, nghìn ngời 8500 2000 400 300 120 ngỡng u , m/s 12 11 8 6 84 7 Đã nhận đợc những mối liên hệ tơng quan trực tiếp giữa T v dân số ( N ) của thnh phố: đối với Bắc Mỹ (18 thnh phố): 79,6lg 06,3 max = NT ; đối với châu Âu (11 thnh phố): 06,4lg 01,2 max = NT . 5.4. Bức xạ Nh đã nhiều lần nêu rõ, các chất lm ô nhiễm khí quyển thnh phố có ảnh hởng mạnh tới các dòng v nhập lợng bức xạ sóng ngắn (của Mặt Trời) v sóng di (của mặt đất), v kết cục tới cân bằng bức xạ của mặt đất v lớp khí quyển ô nhiễm. Theo số liệu quan trắc ở một số thnh phố Trung Âu, thông lợng bức xạ Mặt Trời trong thnh phố bị suy giảm so với vùng nông thôn ngoại vi tới 2936 % khi độ cao Mặt Trời o h 10= , tới 2026 % khi o h 20= , tới 1521 % khi o h 30= v tới 1416 % khi o h 40= , ở đây con số thứ nhất ứng với mùa hè hoặc [...]... J/m2) ở Lêningrat, Voeikovo v Nhikolaevskoie trong các mùa nh sau: Mùa đông Mùa xuân Mùa hè Mùa thu I ' t Lêningrat 17 54 9 843 13 4 Voeikovo 29 58 2 8 71 142 Nhikolaevskoie 37 56 2 859 15 9 ( I '+i ) t Lêningrat 10 0 10 85 15 17 347 Voeikovo 13 5 11 66 16 26 382 Nhikolaevskoie 15 5 11 52 16 34 411 ở đây I v i các dòng trực xạ v tán xạ đi tới mặt phẳng nằm ngang, t khoảng thời gian giữa các lần đo; phép tính... Lêningrat 9 ,1 66,9 11 1 8 ,5 Voeikovo 11 ,2 58 ,5 11 1 10 ,0 Nhikolaevskoie 10 ,7 55 ,8 10 9 26,2 Vo mùa đông, cả trong tháng 11 , cân bằng bức xạ có giá trị âm trong thnh phố v ở các vùng ngoại thnh Tuy nhiên, ở Lêningrat mặt đất mùa đông lm mất năng lợng tia ít hơn so với ở các vùng ngoại thnh (ít hơn 19 v 15 % so với Voeikovo v Nhikolaevskoie) Mùa xuân, cân bằng bức xạ ở Lêningrat có dấu dơng, lớn hơn 14 v 20... 22,9 19 ,4 8 ,5 10 ,3 6 10 41, 8 21, 2 19 ,0 21, 7 > 10 31, 8 54 ,1 64,4 61, 7 Tuy nhiên, chỉ có độ lặp lại của khói nhẹ ( S M = 6 10 km) v khói vừa ( S M = 2 6 km) trong thnh phố l tăng đáng kể do ảnh hởng của các tạp chất nhân sinh (bảng 5. 4): độ lặp lại của các đợt khói nh vậy ở Lêningrat khoảng 2 lần lớn hơn so với ở Sosnovo v Belogorka Còn về khói nặng ( S M = 1 2 km) v đặc biệt l sơng mù ( S M =< 1 km),... độ không khí, vĩ độ, tốc độ góc quay ngy của Trái Đất số giá trị của tham số không thứ nguyên g T2 T164 = T132 2 z u132 Tham số b liên hệ với số Rossby Ro = u g / (2 z z 0 ) bằng biểu thức đặc trng cho độ ổn định của khí quyển ở đây T2 , T132 , T164 phụ thuộc sau: nhiệt độ không khí tuần tự tại độ cao 2 m (lều khí tợng), 13 2 v 16 4 m; u10 v u132 tốc độ gió tại độ cao 10 m (cột đo gió) v 13 2 m;... độ cao v < 0 khi phân tầng nghịch 1 Ro = 0,4 2 11 5 b 1/ 2 1 + 2,64 lg 2 b Tốc độ gió địa chuyển đợc xác định hoặc theo bản đồ khí áp, hoặc theo số liệu thám không khí quyển (tốc độ gió tại độ cao 11 ,5 km gần bằng u g ) Vì trong thnh phố những tòa nh l các yếu tố gồ ghề, nên tham số gồ ghề (khác với các bề mặt tự nhiên không phủ bởi rừng) có bậc 10 1 10 0 m Theo dữ liệu của các tác giả... trạm trên: Các năm 19 6 51 9 69 Các năm 19 7 019 74 Lêningrat Voeikovo 80 19 4 74 2 65 Sosnovo Belogorka 14 2 19 1 206 238 Trạm cũng nh về số ngy trung bình trong năm có sơng mù theo dữ liệu nhiều năm: Lêningrat (Trung tâm thông tin thời tiết) 29 Toksovo 67 Lêningrat (trạm khí tợng cửa sông Nheva) 39 Lođenoie pole 52 Voeikovo 64 Volosovo 68 Petrokreposch 46 Lixy Nos 21 Vborg 47 Lomonosov 25 ở Matxcơva, số ngy... Trời v thời gian có ánh sáng Mặt Trời đã tăng lên Thật vậy, vo các năm 19 5 819 67 thời gian ny tăng 50 70 % so với ở những thập niên trớc đó, mùa xuân v mùa thu tăng 15 25 % ở Lêningrat v các vùng ngoại vi, chế độ bức xạ đợc đặc trng bằng những số liệu lấy trung bình trong những năm 19 5 319 76 nh sau Giống nh ở các thnh phố lớn khác, dòng 11 1 bức xạ Mặt Trời trực xạ v tổng cộng ở Lêningrat nhỏ hơn so với ở các... u c đã tăng từ 0 ,50 tới 0,77 vo mùa đông v từ 0, 75 tới 0, 850 ,90 vo mùa hè, khi u p tăng từ 1, 4 tới 9,7 m/s (ảnh hởng của thảm cây xanh đã tác động tới u c ) Những số 11 6 liệu ny đợc quan trắc trong gió hớng tây Trong trờng hợp gió đông nam tỉ số u p / u c mùa hè thậm chí lớn hơn đơn vị Nó tăng từ 1, 00 lên 1, 25 khi tăng u c từ 1, 4 lên 6,9 m/s Mùa đông u p / u c tăng từ 0 ,50 lên 1, 05 trong cùng điều... khác với độ ẩm không khí ở các vùng ngoại vi, vo mùa hè lớn hơn so với mùa đông Cũng cần phải lu ý tới độ chính xác thấp của phép đo phát xạ hiệu dụng Nh đã nêu ở trên, albeđô mặt đất trong thnh phố v ở ngoại vi rất khác nhau Dới đây dẫn những giá trị albeđô trung bình mùa (%): Mùa đông Lêningrat Mùa hè Tháng 3 Tháng 4 Tháng 11 57 18 39 15 37 Voeikovo 73 19 61 27 51 Nhikolaevsko ie 71 22 67 36 46 ở Lêningrat,... lại của các trạng thái với S M =< 1 km ở Lêningrat 23 lần nhỏ hơn so với các địa điểm khác Những số liệu quan trắc về thời gian kéo di tổng cộng t * v xác suất P của sơng mù (mùa đông các năm 19 6 919 74) chứng tỏ về điều ny ( P tỉ số t * trên ton thời kỳ quan trắc): 12 4 t * giờ Lêningrat Voeikovo P % 11 5 319 Trạm 1, 1 3,0 t * giờ Sosnovo Belogorka P % 443 2 65 Trạm 4 ,1 2,4 Chúng tôi sẽ dẫn thêm thông . 12 1, 2 0,7 1, 0 0,7 1, 5 0 ,5 1, 7 0 ,1 1,3 0 ,5 15 1, 1 0 ,5 0,8 0,8 1, 0 0,3 1, 4 0 ,1 1,0 0,4 18 1, 3 0,9 1, 1 0,7 1, 5 0,2 1, 6 0,3 1, 4 0 ,5 21 1 ,5 1, 5 1, 2 1, 3 2,0 0,8 2,0 1, 0 1, 6 1, 1 Ghi chú: Trong hai. Lêningrat 17 54 9 843 13 4 Voeikovo 29 58 2 8 71 142 Nhikolaevskoie 37 56 2 859 15 9 + tiI )'( Lêningrat 10 0 10 85 15 17 347 Voeikovo 13 5 11 66 16 26 382 Nhikolaevskoie 15 5 11 52 16 34 411 ở đây. 00 1, 3 1, 6 1, 2 2,7 2,0 2 ,5 2,0 2,2 1, 5 2,2 03 1, 2 1, 9 1, 1 3,0 2,0 3 ,1 1,9 2,7 1, 5 2,7 06 1, 4 1, 6 0,9 2,4 1, 9 2,8 2 ,1 2,0 1, 5 2,2 09 1, 4 0,8 1, 2 0,7 1, 9 1, 2 2,2 0,6 1, 6 0,8 12 1, 2 0,7 1, 0