Doi luu khi quyen

ĐỐI LƯU KHÍ QUYỂN Trần Tân Tiến NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2001 Từ khố: Dơng, lốc, xốy, vịi rồng, hình thế, khí áp, front, xốy thuận, xốy nghịch, bão, áp thấp Tài liệu Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả TRẦN TÂN TIẾN ĐỐI LƯU KHÍ QUYỂN NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU 1.1 Biểu chuyển động đối lưu khí 1.2 Các ổ đối lưu khí CHƯƠNG CÁC QUÁ TRÌNH ĐỐI LƯU TRONG KHÍ QUYỂN 1.1 Khái niệm đối lưu 1.2 Lực 1.3 Đối lưu nguồn địa phương gây 11 1.3.1 Khái niệm bong bóng nhiệt cột nhiệt 11 1.3.2 Ổ đối lưu rối hình lơng chim hình thành từ nguồn điểm 12 1.3.3 Ổ đối lưu rối dạng lơng chim hình thành từ nguồn đường 13 1.3.4 Bong bóng nhiệt 13 1.3.5 Ổ đối lưu hình lơng chim khởi động 14 1.4 Đối lưu rối dòng chảy phân tầng ổn định 14 1.5 Đối lưu khô lớp bùn 23 1.5.1 Số Rayleigh Reynolds 23 1.5.2 Vấn đề Raynleigh nguyên 24 1.5.3 Lớp biển đối lưu 31 1.5 Đối lưu ẩm 36 1.6 Mây đối lưu không mưa 39 1.7 Đối lưu có mưa 41 1.8 Các tổ chức quy mô vừa đối lưu 43 1.8.1 Đường đứt 44 1.8.2 Cụm mây hệ hỗn hợp đối lưu quy mô vừa 44 1.9 Quần thể đối lưu 44 1.10 1Phương trình trạng thái khơng khí ẩm chưa bão hịa khơng khí mây 45 1.11 Nước chuyển pha nước 48 1.12 Entropi ẩm 49 1.13 Gradien đoạn nhiệt nhiệt độ 52 1.14 Năng lượng tính ẩm 53 1.15 Bất ổn định khí 54 CHƯƠNG THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU MÂY TÍCH 58 2.1 Ảnh hưởng máy tính đến q trình quy mơ lớn 58 2.2 Phương pháp thích ứng đối lưu 60 2.2.1 Thích ứng đối lưu khô 61 2.2.2 Thích ứng đối lưu ẩm 61 2.3 Phương pháp tham số hóa đối lưu mây tích dựa giả thiết bất ổn định có điều kiện loại hai (CISK) 64 2.4 Phương pháp tham số hóa đối lưu mây tích dựa giả thiết vận chuyển đối lưu nhân tố ẩn 67 2.5 Phương pháp tham số hóa đối lưu mây tích có tính đến q trình xáo trộn ngang hạ xuống khơng khí 69 2.5.1 Phương trình cho lượng tính ẩm 69 2.5.2 Các mơ hình mây 70 2.5.3 Các nguồn nhiệt ẩm trình quy mô lớn 71 2.6 Phương pháp tham số hóa đối lưu Arakawa A., Schu best W 72 2.7 Mơ hình quần thể mây tích dừng 75 2.8 Tham số hóa đối lưu mây tích dựa mơ hình mây có dịng thăng dòng giáng 79 2.9 So sánh phương pháp tham số hóa đối lưu 84 2.10 Sơ đồ chẩn đốn đặc trưng mây tích 85 2.11 Điều kiện xuất đối lưu mây tích 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 LỜI GIỚI THIỆU Cuốn sách trình bày số kết nghiên cứu vai trị đối lưu khí quyển, q trình nhiệt động lực hình thành phát triển, đối lưu khô, đối lưu ẩm đặc trưng mây tích Các phương pháp tham số hóa đối lưu thích ứng đối lưu, tham số hóa dựa giả thuyết bất ổn định có điều kiện loại hai tham số hóa dựa giả thuyết vận chuyển đối lưu phần tử mô hình số trị dự báo thời tiết khí hậu mô tả cách chi tiết sách Đặc biệt tài liệu cịn giới thiệu mơ hình mây tích phương pháp xác định đặc trưng quần thể mây tích từ số liệu quy mơ lớn Cuốn sách sử dụng làm tài liệu học tập sinh viên tài liệu tham khảo cho học viên sau đại học nhà nghiên cứu lĩnh vực khí tượng vật lý khí In this book, some main research results related to the role of atmospheric convection, the termodynamic processes of formation and development of dry and moist convection in the atmosphere as well as the characteristics of convective cloud are described The methods of convective parameterization such as convective adjustment, the methods based on the supposition of conditional instability of the second kind and the methods based on the supposition of convective transport by implict buoyant elements, which used in numerical models of weather and climate forecast are provided in detail It is also introduced in this book the convective cloud models and the methods applied to determine the characteristics of ensemble convective cloud from macroscale data This book would be used as the text book for undergraduated students of meteorological speciality as well as one of reference books for post graduated students and researchers working in the area of meteorology and atmospheric physics MỞ ĐẦU Nghiên cứu q trình khí nhiệt đới vấn đề quan trọng khí tượng ngày nhiều nhà khoa học quan tâm Các q trình khí tượng nhiệt đới có nét đặc biệt mà ngồi nhiệt đới khơng có chưa nghiên cứu cách đầy đủ Ở nhiệt đới tồn đối tượng cần nghiên cứu báo, dài hội tụ nhiệt đới v.v Trên quy mơ lớn q trình nhiệt đới tương phai với q trình ngồi nhiệt đới Do tương phai phần lớn cân xa dương vùng nhiệt đới vận chuyển lên vĩ độ cao Như nhiệt đới đóng vai trị nguồn nhiệt chế hồn lưu hành trình nghiên cứu q trình khí nhiệt đới giúp cho việc hiểu sâu hồn lưu khí quyển, lượng chế khác khí Nhiệt trình khí tượng quan trọng nhiệt đới q trình đối lưu khí Q trình đối lưu liên tục vận chuyển lượng từ lên cao, phân bố lại lượng theo phương thẳng đứng Và nhờ có q trình đối lưu mà nhiều động q trình quy mơ lớn gây bị Để cân lượng đai xích đạo ±100 cần tồn khoảng 1500 - 5000 đám mây tích lớn hoạt động đồng thời Mỗi đám mây vận chuyển khoảng 2.1012 - 4.1012 J/s Lượng nhiệt ngưng kết muối mây sản Chính nhiệt đới thường có mưa lớn vùng rộng Từ đầu kỷ XX Benard (1900) Raykeigh (1916) bắt đầu nghiên cứu đối lưu khí Ngày có nhiều nhà khoa học lớn nghiên cứu khía cạnh khác đối lưu Emanuel K, A Smith R.K, Bétt A.K, Morton B.R v.v Giáo trình trình bày q trình đối lưu khơ đối lưu ẩm khí quyển, mơ hình hóa q trình với giả thiết từ đơn giản đến phức tạp Giáo trình hệ thống hóa sâu vào loại mơ hình tham số hóa đối lưu sử dụng mơ hình số trị dự báo chẩn đốn thời tiết Giáo trình tài liệu học tập cho sinh viên tài liệu tham khảo cho học viên sau đại học khà khoa học lĩnh vực khí tượng - thủy văn 1.1 Biểu chuyển động đối lưu khí Nghiên cứu ảnh vệ tinh cho thấy khí thường hình thành hệ thống mây với kích thước ngang từ vài km đến hai trăm km Các hệ thống gọi hệ thống quy mô vừa Mây cấu tạo lên hệ thống thường dạng ổ hình lục lăng dải mây Các hệ thống mây quy mơ vừa hình thành chuyển động đối lưu phát triển lớp khí có phân tầng ổn định mặt đệm không đồng Khi đối lưu phát triển mạnh hệ thống mây cấu tạo từ mây vũ tích Ở dạng khối rừng biệt, luống mây đường xoáy ốc Ở mây Benảd (1900) nghiên cứu thực nghiệm Rayleigh (1916) nghiên cứu mặt lý thuyết Lý thuyết tuyến tính Rayleigh đưa đến hai kết luận chính: a) Chế độ chuyển động phụ thuộc vào số nguyên (số Rayleigh) Ra = g γ - γa h T υK − Ở g gia tốc rơi tự do, T nhiệt độ lớp, γ gradien nhiệt độ theo phương thẳng đứng, γa gzadien đoạn nhiệt khô, ν hệ số phân tử, K hệ số dẫn nhiệt độ, h độ dày lớp đối lưu b) Khi số Rayleigh lớn giá trị giới hạn (Rath) chất lỏng xuất dao động tuần hoàn dạng ổ biên độ tăng theo thời gian Khi Ra < Rath biên độ chuyển động sóng khơng đổi theo thời gian Trong điều kiện khí hệ số ν K phải thay giá trị rơi tương ứng giá trị chuyển động phân tử gây Số Ra nhận nằm từ 104 đến 106 ứng với h = đến km Như lớp đối lưu dày 1-3km khí tồn chuyển động tuần hồn ổn định dạng ổ đối lưu Ổ đối lưu có hai dạng ổ hở ổ kín Ổ hở chuyển động thăng mây phát triển xung quanh tâm khơng khí xuống khơng có mây Ổ kín ngược lại Đường kính mở D khoảng từ 11km đến 100 km với tần suất 47% từ 31 đến 40km (khảo sát 635 trường hợp) Kích thước ổ kín từ 11 đến 80 km với tần suất cực đại 47% khoảng 31 - 40km (tổng 386 trường hợp) Tỷ lệ h/D nằm từ 1/35 đến 1/7, trung bình 1/16 Theo lý thuyết Rayleigh 1/3 Sở dĩ có khác biệt lý thuyết thực nghiệm hệ số rơi theo phương ngang thẳng đứng khác 1.2 Các ổ đối lưu khí Các ổ đối lưu mở xuất lớp gradien thẳng đứng nhiệt độ giảm theo chiều cao ∂γ ∂γ ( < ) ổ đối lưu kín lớp có > Theo số liệu thực nghiệm giá trị trung ∂z ∂z ∂γ -2,2.10-6 độ/m2 ổ mở 0,2.10-6 độ/m2 ổ kín Số liệu cho phép ta bình ∂z giải thích ổ thường hình thành dịng nóng vào mùa lạnh hiệu nhiệt độ mặt nước khơng khí dương khoảng 3- 40C Các ổ kín thường quan sát thấy dịng hải lưu lạnh có ΔT < 0, trung bình khoảng -10C Các ổ đối lưu đối xứng, đặn thường quan sát thấy giá nhẹ (V < - 7m/s) Theo lý thuyết V = Chính ổ đối lưu ổn định thường thấy vùng xoáy nghịch, nơi giá trị xoáy tuyệt đối nhỏ Các dải mây đối lưu thường quan trắc thấy lớp đối lưu có gió tăng theo độ cao Các ổ đối lưu biệt liên kết lại thành dải luống cày Khoảng cách ổ mây luống nhỏ khoảng cách ổ mây luống liền Độ rộng luống mây dao động từ đến 25 km đất liền viới giá trị trung bình 9,1km, từ đến 50km biển với giá trị trung bình 15,8km Các luống mây thường nằm theo hướng gió CHƯƠNG CÁC Q TRÌNH ĐỐI LƯU TRONG KHÍ QUYỂN 1.1 Khái niệm đối lưu Tất chuyển động chất lỏng trường trọng lực ổn định khác mật độ chất lỏng gọi chuyển động đối lưu Chính mà tồn động khí đại dương trái đất đối lưu tạo Trong khoa học khí người ta quan niệm chuyển động đối lưu hẹp Họ coi chuyển động đối lưu gồm có chuyển động quy mơ tương đối nhỏ, hồn lưu túy nhiệt hoạt động trọng lực tác động phân bố bất ổn định theo phương thẳng đứng khối khí Ở sử dụng định nghĩa để nghiên cứu 1.2 Lực Ta nghiên cứu chuyển động vật có kích thước Δx.Δy.Δz, mật độ P1 nằm chất lỏng có mật độ P2 Lực tác động lên vật thể gồm có trọng lực lực áp suất từ bề mặt vật thể Vì chất lỏng đồng ngang nên gradien áp suất tác động vào bề mặt theo phương ngang khơng Nếu vật đứng yên gradien áp suất theo phương thẳng đứng môi trường xung quanh phải cân với trọng lực Hình 1.1 Các dạng tượng đối lưu Garadien áp suất thẳng đứng xác định theo phương trình tính học: dP2 = - ρ2g dz (1.1) Tích phân phương trình (1.1) từ o đến h, coi ρ2 =const ta P2 = ρ2gh (1.2) h độ sâu Lực tác động bề mặt vật ρ2gh1 ΔxΔy, bề mặt vật ρ2gh2 ΔxΔy Lực tác động lên vật là: F = ρ2g(h2 - h1)Δx Δy - ρ1g ΔxΔyΔz h2 - h1 = Δz nên: F = g(ρ2 - ρ1) ΔxΔyΔz (1.3) Lực hiệu trọng lượng thể tích chất lỏng mà vật chiếm chỗ trọng lượng vật thể (Lực Asimét) Nếu lực khác khơng vật chuyển động với gia tốc: a= F g(ρ2 − ρ1 ) = (1.4) m ρ1 Khi chuyển động xuất lực ma sát áp suất động Các lực góp phần làm thay đổi gia tốc chuyển động vật Trong khí mật độ khối khí biến động theo khơng gian thời gian nên lực xuất số thể tích khí gây chuyển động thẳng đứng với tốc độ lớn nhiều so với tốc độ chuyển động trung bình khí Trong q trình chuyển động thể tích khí ln xáo trộn rối với mơi trường xung quanh nên q trình trở nên phức tạp Ta xác định lực dựa phương trình chuyển động theo phương thẳng đứng Giả thiết biến đổi địa phương mật độ áp suất nhỏ nhiều so với giá trị trung bình tương ứng chúng Giả thiết tương đương với giả thiết gia tốc lực gây nhỏ nhiều so với gia tốc trọng trường Điều thỏa mãn với hầu hết trình địa vật lý nên giả thiết đưa hoàn toàn thỏa mãn điều kiện thực tế Đối với chất lỏng lý tưởng phương trình chuyển động theo phương thẳng đứng có dạng: dW ∂P =− −g ρ ∂Z dt (1.5) Ở W tốc độ thẳng đứng Áp suất mật độ chất lỏng biểu diễn dạng tổng giá trị trung bình độ lệch chúng Trường trung bình mật độ áp suất thỏa mãn điều kiện đồng ngang, tức chúng phụ thuộc vào độ cao Z ρ = ρ( Z ) p = p(Z) điều kiện thủy trình: ∂P = - ρg ∂Z (1.6) Khi áp suất mật độ chất lỏng biểu diễn dạng: P = P( Z ) + P' ρ = ρ( Z ) + ρ' (1.7) Thay (1.7) vào (1.5) ta được: dW ∂(P + P' ) -g =− dt ρ + ρ' ∂z (1.8) Ta tính đại lượng: ⎤ ⎡ ρ' ⎛ ρ' ⎞ 1 ⎢ = = − + ⎜⎜ ⎟⎟ + ⎥ ρ + ρ' ρ + ρ' ρ ⎢ ρ ⎝ρ⎠ ⎥⎦ ⎣ ρ Vì ρ'