Thời tiết và khí hậu

http://www.ebook.edu.vn đại học quốc gia H Nội ______________________________________________________________ Edward Aguado v James E. Burt THời tiết v khí hậu Biên dịch: Đặng Thị Hồng Thủy Nguyễn Lan Oanh Nh Xuất bản đại học quốc gia H Nội http://www.ebook.edu.vn 2 http://www.ebook.edu.vn 3 Mục lục Phần 1 - Năng l{ợng v} khối l{ợng Chơng 1. Thnh phần v cấu trúc của khí quyển 9 Độ dy của khí quyển 11 Cấu tạo của khí quyển 12 Các chất khí vĩnh cửu 14 Các chất khí biến đổi 14 Hơi nớc 15 Khí cacbonic 16 Ôzôn 19 Mêtan 21 Son khí 22 Cấu trúc thẳng đứng của khí quyển 24 Phân lớp dựa trên các trắc diện nhiệt độ 25 Lớp dựa trên các tính chất điện học: iôn quyển 28 Sự tiến hóa của khí quyển 30 Một số kiến thức cơ sở về thời tiết 32 áp suất khí quyển v gió 33 Nhiệt độ 37 Độ ẩm 37 Các khí quyển hnh tinh 38 Dự báo thời tiết - vừa l nghệ thuật vừa l khoa học 41 Chơng 2. Bức xạ Mặt Trời v các mùa 51 Năng lợng 52 Các loại năng lợng 52 Những cơ chế truyền năng lợng 54 Bức xạ 56 Lợng v chất của bức xạ 57 Cờng độ v bớc sóng của bức xạ 59 Hằng số Mặt Trời 68 Những nguyên nhân tạo nên các mùa của Trái Đất 69 http://www.ebook.edu.vn 4 Chơng 3. Cân bằng năng lợng v nhiệt độ 85 ảnh hởng của khí quyển đối với bức xạ tới 87 Hấp thụ 87 Phản xạ v tán xạ 87 Vận chuyển 92 Số phận của bức xạ Mặt Trời 92 Những quá trình truyền năng lợng giữa bề mặt v khí quyển 94 Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển 94 Bức xạ thuần v nhiệt độ 102 Biến thiên theo vĩ độ 103 Hiệu ứng nh kính 104 Phân bố nhiệt độ ton cầu 107 Những yếu tố ảnh hởng tới nhiệt độ 107 Tơng phản giữa đất v nớc 110 Các hải lu nóng v lạnh 111 Các nhân tố địa phơng ảnh hởng tới nhiệt độ 111 Đo nhiệt độ 112 Các giá trị trung bình v biên độ nhiệt độ 117 Những cực trị ton cầu 119 Nhiệt độ v tiện nghi của con ngời 119 Biểu đồ nhiệt động lực v trắc diện nhiệt độ thẳng đứng 121 Chơng 4. áp suất khí quyển v gió 127 Khái niệm về áp suất 127 Biến thiên áp suất theo phơng thẳng đứng v phơng ngang 130 Phơng trình trạng thái 134 Đo áp suất 134 Sự phân bố áp suất 138 Građien áp suất 139 Građien áp suất ngang trong lớp khí quyển trên cao 141 Những lực ảnh hởng tới tốc độ v hớng gió 144 Gió trong khí quyển trên cao 148 Gió gần bề mặt 152 Xoáy thuận, xoáy nghịch, rãnh áp thấp v sống áp cao 153 Đo gió 157 Phần 2 - N{ớc trong khí quyển Chơng 5. Độ ẩm khí quyển 163 Hơi nớc v nớc lỏng 164 Bay hơi v ngng tụ 164 Các chỉ số về dung lợng hơi nớc 166 Phân bố hơi nớc 174 Những quá trình lm cho không khí đạt tới bão hòa 174 http://www.ebook.edu.vn 5 Các hiệu ứng của độ cong v dung dịch 179 Quan trắc độ ẩm 183 Độ ẩm cao v tác động bất lợi đối với con ngời 185 Sự hạ nhiệt của không khí tới điểm sơng hoặc điểm đóng băng 186 Các dạng ngng tụ 191 Sự phân bố sơng mù 197 Sự hình thnh v tiêu tán các giọt mây 198 Chơng 6. Sự phát triển mây v các dạng mây 205 Những cơ chế nâng không khí lên cao 206 Độ ổn định tĩnh v tốc độ giảm nhiệt độ của môi trờng 210 Những nhân tố ảnh hởng tới tốc độ giảm nhiệt độ của môi trờng 215 Những quá trình hạn chế chuyển động thăng của không khí bất ổn định 219 Không khí ổn định thái cực: nghịch nhiệt 221 Các loại mây 224 Mây tầng cao 225 Mây tầng trung 228 Mây tầng thấp 231 Loại mây phát triển thẳng đứng 232 Những đám mây bất thờng 236 Độ che phủ của mây 238 Chơng 7. Các quá trình giáng thủy 243 Sự lớn lên của các giọt mây 244 Lớn lên do ngng kết 247 Lớn lên trong mây ấm 248 Lớn lên trong các đám mây mát v lạnh 250 Các kiểu giáng thủy 253 Tuyết 253 Ma 257 Ma tuyết v ma đá 258 Ma kết băng 261 Đo giáng thủy 262 Các máy đo ma 263 Quan trắc tuyết 266 Gieo mây nhân tạo 267 Phần 3 - Phân bố v} chuyển động của không khí Chơng 8. Hon lu khí quyển v phân bố áp suất 273 Mô hình một nhân 274 Mô hình ba nhân 276 Các nhân áp suất bán vĩnh cửu 281 Đối lu quyển tầng cao 283 http://www.ebook.edu.vn 6 Các đại dơng 292 Các hệ thống gió chính 297 Tơng tác đại dơng - khí quyển 309 Chơng 9. Các khối khí v front 319 Sự hình thnh của các khối khí 320 Các khu vực nguồn 320 Các khối khí lục địa cực đới (cP) v khối khí lục địa Bắc Băng Dơng (cA) 322 Các khối khí biển cực đới (mP) 325 Các khối khí lục địa nhiệt đới (cT) 329 Các khối khí biển nhiệt đới (mT) 330 Front 330 Front lạnh 332 Front nóng 335 Front dừng 337 Front tù 337 Các tuyến khô 340 Phần 4 - Các nhiễu động Chơng 10. Xoáy thuận vĩ độ trung bình 345 Lý thuyết front cực đới 346 Chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình 346 Các quá trình trong đối lu quyển tầng trung v tầng cao 352 Các sóng Rossby v độ xoáy 352 Các front bề mặt v các hình thế mực cao 357 Các front lạnh v sự hình thnh các rãnh thấp ở mực cao 357 Ví dụ về một xoáy thuận vĩ độ trung bình 361 Các hình thế gió v thời tiết quy mô lớn 366 Quan điểm hiện đại - các xoáy vĩ độ trung bình v các đai chuyền 369 Các xoáy nghịch 373 Chơng 11. Sấm sét, gió lốc v vòi rồng 376 Những quá trình hình thnh sấm sét 377 An ton sét 383 Bão tố: tự tiêu tan v tự sinh sôi 385 Phân bố lốc tố theo không gian v thời gian 397 Vòi rồng 398 http://www.ebook.edu.vn 7 Chơng 12. Bão v xoáy thuận nhiệt đới 419 Bão nhiệt đới trên Trái Đất 420 Các đặc trng của bão nhiệt đới 422 Sự hình thnh bão nhiệt đới 425 Sự di chuyển v tan rã của bão nhiệt đới 428 Sự tn phá v những rủi ro do bão gây ra 432 Theo dõi v cảnh báo bão 437 Phần 5 - Hoạt động con ng{ời Chơng 13. Dự báo v phân tích thời tiết 457 Vì sao dự báo thời tiết cha hon thiện 458 Các phơng pháp dự báo 459 Các kiểu dự báo 460 Đánh giá dự báo 461 Thu thập v truyền phát số liệu 463 Quy trình dự báo v sản phẩm dự báo 467 Bản đồ v ảnh thời tiết 478 Biểu đồ nhiệt động lực 488 Phụ lục chơng 13: Các mô hình dự báo số 495 Các đặc trng của mô hình 495 Những tiêu chí về độ chính xác v kỹ năng dự báo 498 Chơng 14. Tác động con ngời: Ô nhiễm khí quyển v các đảo nhiệt 504 Các chất ô nhiễm khí quyển 505 Các hạt khí quyển 505 Các chất ôxit cacbon 509 Hợp chất của lu huỳnh 510 Các ôxit nitơ (NO x ) 513 Các hợp chất hữu cơ bay hơi (hyđrocacbon) 514 Sơng mù quang hóa 514 Kiểm soát ô nhiễm không khí khí quyển 517 ảnh hởng của gió tới vận chuyển phơng ngang 517 ảnh hởng của độ ổn định khí quyển 518 Các đảo nhiệt ở đô thị 519 Các hiệu ứng bức xạ 520 Những biến đổi về dự trữ nhiệt 525 Truyền nhiệt hiện v nhiệt ẩn 525 Các đảo nhiệt v dấu hiệu của biến đổi khí hậu 526 http://www.ebook.edu.vn 8 Phần 6 khí hậu hiện tại, quá khứ v} t{ơng lai Chơng 15. Khí hậu Trái Đất 530 Định nghĩa khí hậu 531 Hệ thống phân loại của Koeppen 532 Các kiểu khí hậu nhiệt đới 535 Các kiểu khí hậu khô 541 Các kiểu khí hậu ôn hòa vĩ độ trung bình 547 Các kiểu khí hậu khắc nghiệt vĩ độ trung bình 552 Các kiểu khí hậu cực 553 Khí hậu núi cao (H) 556 Chơng 16. biến đổi khí hậu: quá khứ v tơng lai 560 Định nghĩa biến đổi khí hậu 560 Các quy mô thời gian của biến đổi khí hậu 562 Các nền khí hậu trong quá khứ 564 Những nhân tố tham gia vo biến đổi khí hậu 573 Những cơ chế liên hệ ngợc 586 Các mô hình hon lu chung 591 Các phơng pháp xác định khí hậu quá khứ 593 Phần 7 - Các chuyên đề v} phụ lục Chơng 17. Quang học khí quyển 604 Các hiệu ứng không khí sạch 604 Quang học mây v giáng thủy 609 Cầu vồng 609 Ho quang, mặt trời giả v trụ mặt trời 612 Quầng sáng v quầng ho quang 613 Phụ lục A - Một số đơn vị đo v chuyển đổi 618 Phụ lục B - Khí quyển tiêu chuẩn 619 Phụ lục C - Các ký hiệu bản đồ thời tiết 620 http://www.ebook.edu.vn 9 Phần 1 - Năng l{ợng v} khối l{ợng Chơng 1 Thnh phần v cấu trúc của khí quyển Thông báo thời tiết nguy hiểm Cơ quan Thời tiết Quốc gia Norman Oklahoma 7g31ph chiều Thứ hai, 3/5/1999 Gió lốc sức phá hủy lớn đang di chuyển qua trung tâm thunh phố Oklahoma. Một trận lốc lớn đã gây thiệt hại nặng tại các khu phía nam của vùng trung tâm thunh phố Oklahoma. Lúc 7g31ph chiều gió lốc đã đi vuo quận Nam Oklahoma ở phía đông xa lộ liên bang 35 vu phía nam công viên ngã to. Co dân ở đông nam thunh phố Oklahoma vu thunh phố Midwest đang trong tình trạng nguy hiểm! Nếu quý vị sống gần các khu vực trên hãy lập tức thực hiện những biện pháp phòng gió lốc! Lốc đã đang di chuyển về phía đông bắc. Đây lu một tình huống cực kỳ nguy hiểm vu đe dọa mạng sống. Nếu quý vị đang ở vuo đoờng đi của cơ gió lốc lớn vu tun phá nuy hãy nhanh chóng ẩn nấp. Bulletin - Cảnh báo gió lốc Cơ quan Thời tiết Quốc gia Norman Oklahoma 10g17ph chiều Thứ hai, 3/5/1999 Cơ quan Thời tiết Quốc gia tại Norman đã phát hunh * Cảnh báo gió lốc cho quận Noble ở đông bắc Oklahoma tới 10g45ph chiều * Lúc 10g17ph chiều một khu vực gió lốc bề rộng 1 dặm đã đoợc ghi nhận gần Mulhall, đang di chuyển lên phía đông bắc với tốc độ 30 dặm một giờ. Cơn lốc nuy sẽ cắt qua xa lộ liên bang 35 gần hoặc phía nam Perry. Co dân quận Noble cần lập tức phòng tránh. Perry thuộc đoờng đi của cơn bão nuy. Đây lu một tình huống cực kỳ nguy hiểm vu khả năng đe dọa mạng sống. Nếu quý vị đang ở trên đoờng đi của cơn gió lốc lớn vu tun phá nuy hãy nhanh chóng ẩn nấp. Các trận gió lốc đặc biệt nguy hiểm vuo ban đêm, bởi vì chúng khó nhìn thấy. Hãy lập tức ẩn nấp. Nếu không có tầng hầm, hãy di dời vuo phòng sâu bên trong hoặc hunh lang ở tầng thấp nhất. Giữ điện thoại di động ở nhu vu xe cộ lum nơi trú tạm thời. Hãy rời xa các cửa sổ. Suốt buổi chiều v tối ngy 3 tháng 5 năm 1999 hng chục bản tin t vấn sự cố kiểu nh hai bản tin trên đây đã đ ợc phát báo cho dân c vùng trung nam nớc Mỹ, khi một trong những trận gió lốc bùng phát tồi tệ nhất trong nhiều thập niên trừng phạt khu vực ny. Khu vực hứng chịu nặng nề nhất l trung tâm Oklahoma, nơi 57 cơn lốc lm thiệt mạng ít nhất 44 v gây thơng tích 748 ngời. ở Kansas 5 ngời khác đã chết v 11 nghìn tòa nh hoặc doanh nghiệp bị h hại v phá hủy. http://www.ebook.edu.vn 10 Vi ngy sau, chính cơn bão đã sinh ra những trận lốc đã chậm dãi tiến tới các bang lân cận, giết hại thêm 5 ngời ở Texas v Tennessee. Hệ thống bão gồm 11 yếu tố bão chính, gọi l các siêu ổ, trải di trên tuyến tây nam đến đông bắc. Mỗi siêu ổ tạo ra ít nhất một giông, siêu ổ mạnh nhất sản sinh 22 giông trong thời gian 3 giờ khi nó du ngoạn trên quãng đờng 61 km (38 dặm). Trận dông lớn nhất của nó đợc xếp loại F5 - loại phá hủy mạnh nhất có thể, có bề rộng 1 km v kéo di trên mặt đất gần 4 giờ. Giông F5 l giông mạnh nhất, Bắc Mỹ cha từng trải một trận giông nh vậy trong thời kỳ 3 năm liền sau đó. Mặc dù đã khủng khiếp nh vậy, song sự việc có thể còn tồi tệ hơn nhiều nếu nh Cơ quan Thời tiết Quốc gia không có năng lực dự báo, theo dõi v cảnh báo tiên tiến. Một công trình nghiên cứu dựa trên những quan trắc di hạn cho rằng khoảng 700 ngời có thể đã bị thiệt mạng nếu nh Cơ quan Thời tiết không đợc hiện đại hóa nh ngy nay. Những ngời nh Đại úy Không Lực John Millhouse chắc sẵn sáng đồng ý với nhận định trên. Khi nghe đợc một trong những tin cảnh báo dông, ông v gia đình đã di dời xuống tầng trệt của nh mình. Khi họ thoát nạn, chỉ trơ chọi hai bức tờng của tòa nh còn sót, tất cả những gì còn lại đã bị phá hủy hon ton. Bảng 1.1. Số l~ợng thiên tai v tổn thất ti chính trung bình năm do các sự kiện thời tiết ở Mỹ thập kỷ 90 Sự kiện Số vụ thiên tai trung bình năm Tổn thất trung bình năm (theo $ năm 1999) Lũ lụt 98 5 300 000 000 Bão nhiệt đới 21 5 400 000 000 Bão mùa đông 57 329 000 000 Giông lốc 56 777 000 000 Nóng cực đoan 282 85 000 000 Lạnh cực đoan 292 368 000 000 Sét 69 38 000 000 Moa đá 1 938 000 000 Tổng cộng 876 13 000 000 000 Không phải tất cả những hiện tợng thời tiết đều thảm hại nh các trận giông, nhng đúng l thời tiết có một tác động to lớn tới đời sống hng ngy của chúng ta: chúng ta vui đón vẻ đẹp của bình minh, chúng ta kinh ngạc với sức mạnh của các cơn bão nhiệt đới, chúng ta mong ma ro để nuôi dỡng những khu vờn của mình v than phiền về nóng v lạnh. Rồi thời tiết có thể lm hỏng những kế hoạch đi lại của chúng ta - trong năm 2000 những nhõng nhẽo của khí quyển đã gây nên hơn 300 000 vụ hoãn bay của hng không Hoa Kỳ! Bảng 1.1 tổng kết những ớc lợng mới đây về giá tổn thất ti chính v ngời hng năm do các loại hiện tợng thời tiết cực đoan trong phạm vi nớc Mỹ những năm chín mơi. Mặc dù các trận bão nhiệt đới v giông có thể chịu trách nhiệm về tổn thất con ngời đáng sợ, nhng nóng v lạnh cực đoan l những kẻ sát nhân lớn nhất ở Mỹ, còn lũ lụt v bão gây tổn thất ti chính to lớn nhất. Bảng 1.1 thực ra cha đánh giá hết những tổn thất do thời [...]... Các chất khí khí quyển th ờng đ ợc phân loại th nh khí vĩnh cửu hay khí biến đổi tùy thuộc nồng độ của chúng ổn định hay không Các chất khí vĩnh cửu l những chất khí tạo th nh một tỉ phần không đổi của khối l ợng khí quyển, còn các chất khí biến đổi l những chất khí có phần đóng góp trong khí quyển thay đổi cả trong thời gian v không gian Các khí vĩnh cửu tạo nên phần lớn hơn của khối l ợng khí quyển... nguyên lý của khí t ợng học có vai trò h ng ng y nh thế n o Bây giờ chúng ta trình b y tổng quan về những cơ sở của thời tiết, đồng thời giới thiệu các bản đồ thời tiết Sau đó, chúng ta sẽ tiếp tục với một mục mô tả quá trình m nh khí t ợng học l m ra một dự báo ng y 32 http://www.ebook.edu.vn áp suất khí quyển v gió áp suất khí quyển l một trong những đặc tr ng thời tiết cơ bản nhất, nh ng đồng thời nó... ng ng kết đ ợc b n luận chi tiết hơn ở ch ơng 5 (xem chuyên mục 1-3 Tiêu điểm môi tr ờng: Son khí v khí hậu) lo i động vật (kể cả khủng long) 1-3 Tiêu điểm môi tr ờng: Son khí v khí hậu Các hạt lơ lửng có thể l nguyên nhân của những biến đổi khí hậu (trạng thái d i hạn của khí quyển) Chúng có thể dẫn tới những đợt nhiệt độ thấp hơn do l m giảm l ợng ánh sáng Mặt Trời đi v o khí quyển hoặc những đợt nhiệt... giữa các chất khí Xét một chất khí liên tục chu chuyển giữa khí quyển v bề mặt Trái Đất (hình 1.2) Nếu ta t ởng t ợng khí quyển nh một bầu chứa chất khí, nồng độ khí trong bầu sẽ giữ nguyên không đổi mãi mãi nếu tốc độ đầu v o (tốc độ m chất khí di chuyển từ đất v o khí quyển) bằng tốc độ đầu ra (tốc độ m chất khí di chuyển từ khí quyển v o đất) Trong điều kiện nh vậy, ta nói rằng nồng độ khí tồn tại... năm gần đây, l ợng thông tin thời tiết đến với công chúng đã bùng nổ, đại đa số thông qua Internet Những bản đồ chi tiết v những báo cáo thời tiết m một thời chỉ có đ ợc đối với các nh khí t ợng học chuyên nghiệp, thì bây giờ có thể có với bất kì ai với một chiếc máy tính v một cái mô đem trong tay Tiện ích n y l m cho việc tìm hiểu những cơ sở của thời tiết v khí hậu thú vị hơn nhiều, bởi vì ng y... năm Mặc dù thực tế l nó tạo nên hơn 75 % khí quyển, N2 t ơng đối ít quan trọng xét trên ph ơng diện phần lớn các quá trình khí t ợng v khí hậu học (Tuy nhiên, nh chúng ta sẽ b n luận sau n y, các chất khí dẫn xuất của nitơ nh ôxit nitơ rất quan trọng đối với khí hậu Trái Đất) Chất khí áp đảo thứ hai - ôxy (O2), l m th nh 21 % thể tích v 23 % khối l ợng của khí quyển Ôxy quyết định đối với sự tồn tại... khí, nitơ bị lấy ra khỏi khí quyển một cách rất chậm chạp Kết quả l nồng độ của nó dần dần tăng đến một điểm m ng y nay l m cho nó trở th nh hợp phần chính của khí quyển Một số kiến thức cơ sở về thời tiết Tất cả chúng ta quen thuộc với những dự báo thời tiết h ng ng y, từ đó chúng ta th ờng nhận đ ợc thông tin về trạng thái hiện tại v dự báo của khí quyển Trong những năm gần đây, l ợng thông tin thời. .. đến 19 km/giờ 1-4 Chuyên đề: Thời tiết cực đoan ng y nay Khí quyển nhắc nhở chúng ta về sự hiện diện của nó theo nhiều cách Trong khi một thời tiết n o đó có thể đơn giản chỉ l không thuận hoặc rất xấu, còn có những tr ờng hợp m trong đó thời tiết có thể có những tác động không đảo ng ợc đ ợc tới h ng triệu con ng ời Các hình 1 v 2 nêu ra một số trong những sự kiện thời tiết đáng kể hơn cả của các năm... kiện thời tiết quan trọng năm 2000 Hình 2 Một số sự kiện thời tiết quan trọng năm 2001 http://www.ebook.edu.vn 35 Hình 3 Lụt cực hại do bão nhiệt đới Allison gây lụt tới tận phía bắc nh Massachusetts v Rhode Island; Texas, Mississippi, Florida v Pennsylvania đều bị công bố l khu vực thiên tai Theo Trung tâm Dữ liệu Khí hậu Quốc gia, trong thời kỳ từ 1980 đến 2001, Hoa Kỳ trải qua 52 sự kiện thời tiết. .. tìm bằng cách chia khối l ợng 12 http://www.ebook.edu.vn của chất trong khí quyển (bằng kg) cho tốc độ m chất đó nhập v o v ra khỏi khí quyển (bằng kg trên năm) Vậy những chất khí n o trao đổi nhanh giữa bề mặt Trái Đất v khí quyển thì có thời gian l u lại ngắn, đó l những chất khí có nồng độ khí quyển t ơng đối thấp Hình 1.2 Khí quyển có thể xem nh một bầu chứa với sự trao đổi v o v ra liên tục qua . kiểu khí hậu khô 541 Các kiểu khí hậu ôn hòa vĩ độ trung bình 547 Các kiểu khí hậu khắc nghiệt vĩ độ trung bình 552 Các kiểu khí hậu cực 553 Khí hậu núi cao (H) 556 Chơng 16. biến đổi khí hậu: . đổi khí hậu 526 http://www.ebook.edu.vn 8 Phần 6 khí hậu hiện tại, quá khứ v} t{ơng lai Chơng 15. Khí hậu Trái Đất 530 Định nghĩa khí hậu 531 Hệ thống phân loại của Koeppen 532 Các kiểu khí hậu. tơng lai 560 Định nghĩa biến đổi khí hậu 560 Các quy mô thời gian của biến đổi khí hậu 562 Các nền khí hậu trong quá khứ 564 Những nhân tố tham gia vo biến đổi khí hậu 573 Những cơ chế liên hệ ngợc