Đang tải... (xem toàn văn)
Nếu xoáy thuận hình thành trong khu vực không khí lạnh và ở trong trung tâm nhiệt độ thấp nhất thì theo chiều cao gradien khí áp ít biến đổi hướng và những đường đẳng áp khép kín với [r]
(1)
Khí hậu khí tượng đại cương
NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007 Tr 143 – 166
Từ khố: Trường gió, trường áp, hệ thống khí áp, dao động của khí áp, gradien khí áp ngang, gió địa chuyên, gió gradien, gió nhiệt, định luật khí áp của gió.
Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thểđược sử dụng cho mục
đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác nếu khơng được sự chấp thuận của nhà xuất bản tác giả
Mục lục
Chương TRƯỜNG GIÓ VÀ TRƯỜNG ÁP
6.1 TRƯỜNG ÁP
6.1.1 Trường áp hệ thống khí áp
6.1.2 Bản đồ hình khí áp cao
6.1.3 Sự biến đối theo chiều cao trường khí áp xốy thuận xốy nghịch .5
6.1.4 Gradien khí áp ngang
6.1.5 Dao động khí áp
6.2 TRƯỜNG GIÓ
6.2.1 Tốc độ gió
6.2.2 Hướng gió 10
6.2.3 Đường dòng 11
6.2.4 Sự biến đổi tốc độ gió hướng gió chuyển động rối địa hình 13
6.3 GIĨ ĐỊA CHUYỂN 14
6.4 GIÓ GRADIEN 15
6.5 GIÓ NHIỆT 17
6.6 LỰC MA SÁT 18
6.7 ĐỊNH LUẬT KHÍ ÁP CỦA GIĨ 20
6.8 FRONT TRONG KHÍ QUYỂN 21
(2)Chương 6
TRƯỜNG GIÓ VÀ TRƯỜNG ÁP 6.1 TRƯỜNG ÁP
6.1.1 Trường áp hệ thống khí áp
Sự phân bố khí áp khơng gian gọi trường áp Khí áp đại lượng vơ hướng Vào thời điểm khí khí áp đặc trưng giá trị miliba (mb), hecto Pascal (hPa) hay milimet thuỷ ngân (mmHg) Như vậy, trường áp trường vô hướng Cũng đại lượng vơ hướng bất kỳ, trường áp biểu diễn cách dễ thấy không gian mặt đẳng trị đại lượng định, mặt phẳng đường đẳng trị Đối với trường khí áp, mặt đẳng áp đường đẳng áp
Ở mặt đất phân bố khí áp vào thời điểm biểu diễn đồ phân bố khí áp vẽ qua 5mb, tương ứng với decamet địa vị (Hình 6.1) Trong nghiệp vụ dự báo thời tiết, người ta khơng lập đồ khí áp riêng biệt mà lập đồ synơp tổng hợp; đó, ngồi khí áp mực biển, người ta điền yếu tố khí tượng khác theo tài liệu quan trắc mặt đất
Trong khí hậu học người ta thường sử dụng đồ đẳng áp mực biển lập theo số liệu trung bình nhiều năm
Trường khí áp thường xuyên phân chia thành khu áp thấp, khu áp cao, sống áp cao, rãnh áp thấp gọi hệ thống khí áp (Hình 6.1)
Các hệ thống khí áp khu áp thấp (xoáy thuận) khu áp cao (xoáy nghịch) – đồ synôp mặt đất thể rõ khu áp thấp áp cao với đường đẳng áp đồng tâm khép kín có dạng gần trịn hay van Ở trung tâm xốy thuận khí áp thấp miền rìa xốy Các mặt đẳng áp xốy thuận võng xuống dạng phễu, cịn xốy nghịch vồng lên dạng vịm Gradien khí áp ngang xốy thuận hướng từ miền rìa vào tâm xốy, cịn xốy nghịch hướng từ tâm phía rìa xốy
(3)Ngồi hệ thống khí áp với đường đẳng áp khép kín mơ tả trên, người ta cịn phân biệt hệ thống khí áp với đường đẳng áp mở Đó rãnh áp thấp sống áp cao
Hình 6.1
Các hệ thống khí áp đồ mặt đất với đường đẳng áp T – Khu áp thấp, C – Khu áp cao, Rãnh khí áp dạng chữ U, Rãnh khí áp dạng chữ V, Dải áp thấp, Rãnh khuất, Sống cao áp hình chữ U, Dải khí áp mờ, Điểm trung hồ trường yên khí áp
Rãnh áp thấp phần kéo dài khu áp thấp với khí áp thấp nằm dọc theo trục rãnh Các đường đẳng áp rãnh gần đường thẳng song song có dạng chữ V latinh (trong trường hợp sau rãnh phần kéo dài xoáy thuận) Những mặt đẳng áp rãnh giống máng hướng chiều võng xuống Rãnh khơng có tâm có trục, đường có áp suất cực tiểu (nếu đường đẳng áp có dạng chữ V) hay đường đẳng áp đổi hướng nhanh qua trục rãnh Trên mực, trục rãnh trùng với lòng máng mặt đẳng áp, gradien khí áp rãnh hướng từ miền rìa xốy phía trục rãnh
Sống dải cao áp nằm hai khu vực thấp áp Những đường đẳng áp song song có dạng chữ V la – tinh Trong trường hợp sau, sống cao áp phần rìa xốy nghịch đặc trưng đường đẳng áp kéo dài thêm Các mặt đẳng áp sống cao áp có dạng hình máng ngược, có lịng hướng lên phía Sống có trục với khí áp cao nhất, qua trục mặt đẳng áp chuyển hướng tương đối nhanh Trên mực trục sống trùng với lòng máng ngược mặt đẳng áp
Người ta cịn phân biệt n khí áp, khu vực trường khí áp nằm hai khu áp cao (hay sống cao áp) hai khu áp thấp (hay rãnh áp thấp) xếp chéo Những mặt đẳng áp trường n khí áp có dạng đặc trưng yên ngựa; chúng vồng lên phía khu áp cao hạ xuống phía khu áp thấp Điểm trung tâm yên khí áp gọi điểm trung hồ trường n khí áp
6.1.2 Bản đồ hình khí áp cao
(4)Trên cao, từ khoảng 1,5km trở lên tức mực có mặt đẳng áp 850mb để thể trường áp người ta không dùng đồ phân bố khí áp mà dùng đồ hình khí áp tuyệt đối mặt đẳng áp Các mặt đẳng áp là: 700mb nằm độ cao khoảng 3km; mặt đẳng áp 500mb nằm độ cao khoảng 5km
Hình 6.2
Sự biến đổi độ cao mặt đẳng áp 500mb tạo nên đường
đẳng cao với mặt mực đồ AT500
Những mặt đẳng áp 300 200mb nằm độ cao tương ứng khoảng 12km, nghĩa gần đỉnh tầng đối lưu; mặt đẳng áp 100mb nằm độ cao khoảng 16km Nếu cắt mặt mực vào thời điểm mặt đẳng áp nằm độ cao khác so với mực biển (Hình 6.2) Điều đó, thứ khí áp mực biển vào thời điểm nơi khác có giá trị khác nhau, thứ hai nhiệt độ trung bình cột khơng khí khí nơi khác khác
Bản đồ hình khí áp tuyệt đối xây dựng sở mơ tả hình mặt đẳng áp thông qua để mơ tả trường áp theo ngun lý: nơi mặt đẳng áp có độ cao lớn (vồng lên), khí áp cao; cịn nơi mặt đẳng áp có độ cao nhỏ (võng xuống), khí áp thấp Điều thấy rõ hình (6.3) Như hình 6.3 khí áp giảm theo chiều cao nên khí áp mực B’ (PB’)nằm vị trí cao nhỏ khí áp mực B (PB):PB’ <
PB, Trong khí áp hai điểm A B nằm mặt đẳng áp PA = PB’
Vậy khu vực A có khí áp lớn khu vực B Bản đồ khí áp tuyệt đối mặt đẳng áp nói cho ta thấy rõ phân bố khí áp mực có mặt đẳng áp
Ta biết, nhiệt độ khơng khí nhỏ, khí áp giảm nhanh theo chiều cao Thậm chí, khí áp mực biển đồng nơi mặt đẳng áp nằm phía phần khơng khí lạnh võng xuống thấp, ngược lại phần khơng khí nóng vồng lên cao
Nói cách chặt chẽ, đồ hình khí áp người ta khơng điền độ cao hình học mặt đẳng áp mà điền giá trị địa vị chúng Địa vị tuyệt đối đơn vị khối lượng khơng khí trường trọng lực Theo định nghĩa, địa vị điểm khí gz, z độ cao điểm mực biển g gia tốc trọng trường
Đơn vị đo địa vị met động lực đồ hình khí áp để đơn giản người ta dùng đơn vị đề ca met địa vị (viết tắt dam đtv)
(5)bằng mét (ở vĩ tuyến 45o độ cao hình học) Cũng người ta gọi địa vị độ cao động lực hay độ cao địa vị Trong công thức gió địa chuyển trường địa vị ta khơng cần tính mật độ ρ trường áp ta thấy
Hình 6.3
Ví dụ đồ hình khí áp tuyệt đối p = const Khu vực mặt
đẳng áp vồng lên (A) – khí áp cao, khu vực mặt đẳng áp võng xuống (B) – khí áp thấp Khí áp B’ độ cao với A có khí áp thấp
Trên đồ hình khí áp với đường đẳng cao vẽ qua decamet địa vị cho ta thấy phân bố khí áp tạo mặt đẳng áp bản, trường dịng khí bản, front cao, dịng khí có tốc độ 30m/s (dịng xiết), dịng khí dẫn xốy mặt đất (dòng dẫn đường)
Địa vị tương đối hiệu địa vị hai điểm nằm đường thẳng đứng Trên đồ hình khí áp tương đối, chẳng hạn đồ 500
1000
RT cho ta phân bố trung bình lớp khơng khí hai mặt đẳng áp 500 1000 mb (lớp khí 5km cùng) Nơi có giá trị RT500/1000 lớn khu nóng, cịn nơi có địa vị tương đối nhỏ khu lạnh Dùng đồ RT500/1000 chồng lên đồ AT500 ta có trường nhiệt áp dùng để suy luận bình lưu khơng khí nóng bình lưu khơng khí lạnh tới khu vực góp phần dự báo tăng giảm khí áp, tiến triển khu áp thấp khu áp cao, sở dự báo thời tiết
6.1.3 Sự biến đối theo chiều cao trường khí áp xốy thuận xốy nghịch
Do gradien khí áp theo chiều cao tiến gần tới gradien nhiệt độ, nên hướng đường đẳng áp theo chiều cao tiến gần tới hướng đường đẳng nhiệt
(6)Nếu xoáy thuận hình thành khu vực khơng khí lạnh trung tâm nhiệt độ thấp theo chiều cao gradien khí áp biến đổi hướng đường đẳng áp khép kín với áp thấp vùng trung tâm lan đến độ cao lớn tầng đối lưu (Hình 6.4a)
Hình 6.4
Xốy thuận lạnh tầm cao (a) Xốy thuận nóng tầm thấp tầm trung(b), Xoáy nghịch lạnh tầm thấp (c), xốy nghịch nóng tầm trung tầm cao (d)
Ngược lại, xốy thuận trùng với khối khơng khí nóng nhiệt độ trung tâm lớn gradien khí áp biến đổi nhanh theo chiều cao (Hình 6.4b) Trong xốy nghịch lạnh mặt đẳng áp giảm độ cong theo chiều cao xoáy nghịch xuất xốy thuận (Hình 6.4c) trường hợp cao áp Sibêri lạnh thấp rãnh áp thấp Đông Á cao Trong áp cao nóng mặt đẳng áp theo chiều cao vồng lên, áp cao mạnh lên theo chiều cao nghiêng phía khơng khí nóng (Hình 6.4d) trường hợp áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương Trên đồ mặt đất áp cao mờ xác định đường đẳng áp đóng kín 1010mb, theo chiều cao phát triển mạnh tới tận độ cao 12km có phân chia thành hai phần đơng tây.
6.1.4 Gradien khí áp ngang
Khi nghiên cứu đường đẳng áp đồ synôp, ta thấy số nơi đường đẳng áp xít nơi khác Rõ ràng khu vực thứ khí áp biến đổi theo chiều ngang mạnh hơn, khu vực thứ hai yếu Người ta cịn nói biến đổi “nhanh hơn” “chậm hơn” không nên nhầm biến đổi không gian mà ta xét với biến đổi theo thời gian
Có thể biểu diễn cách xác biến đổi khí áp theo chiều ngang gradien khí áp ngang Tương tự vậy, gradien khí áp ngang biến đổi khí áp tương ứng với đơn vị khoảng cách mặt nằm ngang (nói xác mặt mực) Ở khoảng cách lấy theo hướng khí áp giảm mạnh Hướng biến đổi mạnh khí áp điểm hướng chuẩn với đường đẳng áp điểm
(7)Cũng vectơ bất kỳ, gradien khí áp ngang biểu diễn cách hình tượng mũi tên; trường hợp mũi tên hướng theo hướng chuẩn với đường đẳng áp phía khí áp giảm có độ dài tỷ lệ với trị số
gradien (Hình 6.5)
Ở điểm khác trường khí áp, hướng đại lượng gradien khí áp dĩ nhiên khác Nơi đường đẳng áp xít hơn, biến đổi khí áp đơn vị khoảng cách theo hướng chuẩn với đường đẳng áp lớn hơn; nơi đường đẳng áp cách xa nhau, biến đổi nhỏ Nói cách khác, đại lượng gradien khí áp ngang tỷ lệ nghịch với khoảng cách đường đẳng áp
Sự tồn gradien khí áp ngang khí chứng tỏ khu vực mặt đẳng áp nghiêng so với mặt mực giao tuyến
của mặt đẳng áp với mặt mực Những mặt đẳng áp ln nghiêng phía khí áp giảm (Hình 6.5)
Gradien khí áp ngang thành phần nằm ngang gradien khí áp tồn phần Gradien khí áp tồn phần vectơ khơng gian, điểm mặt đẳng áp có hướng chuẩn với mặt phía mặt đẳng áp có giá trị khí áp nhỏ Trị số vectơ dp/dn Ở n hướng chuẩn với mặt đẳng áp Gradien khí áp tồn phần chia thành: gradien khí áp thẳng đứng gradien khí áp ngang
Đối với khí sát mặt đất, gradien nằm ngang khí áp có bậc đại lượng khoảng vài miliba (thường từ – 3mb) ứng với độ kinh tuyến Ở miền ngoại nhiệt đới gradien khí áp ngang thường – 5mb/100km Ở miền nhiệt đới giá trị nhỏ 1/2 trừ trường hợp bão gradien khí áp ngang tới 20mb/100km gây gió mạnh 30m/s
6.1.5 Dao động khí áp
Quan trắc cho thấy rõ khí áp điểm mặt đất hay điểm khí tự biến đổi phần lớn khơng có chu kỳ Những biến đổi miền ôn đới miền cực lớn miền nhiệt đới nhiều Nhưng miền nhiệt đới biến trình ngày khí áp lại biểu rõ nét
Đôi qua ngày đêm khí áp điểm biến đổi đến 20 – 30mb Thậm chí qua khí áp biến đổi 5mb hay Đường biến thiên khí áp khí áp ký có dạng gần giống hình sóng: khoảng thời gian (khoảng vài hay vài chục giờ), khí áp giảm nhanh, giảm chậm, sau lại tăng lại giảm v.v Vì người ta cịn gọi biến đổi khí áp dao động khí áp (hay áp triều)
Trong quan trắc khí tượng người ta thường xác định đại lượng biến đổi khí áp khoảng thời gian trước kỳ quan trắc Đại lượng gọi khuynh hướng khí áp
Hình 6.5
(8)Sự biến đổi khí áp ngày nhiều có tính chu kỳ Biến trình ngày khí áp biến trình kép: giá trị cực đại thường thấy hai lần ngày: trước buổi trưa trước nửa đêm (khoảng – 10 21 – 22 địa phương) Còn giá trị cực tiểu thấy vào sau buổi trưa (khoảng – giờ) (Hình 6.6) Biến trình ngày khí áp biểu rõ miền nhiệt đới, nơi biên độ (hiệu giá trị cao thấp ngày) tính trung bình đạt tới – 4mb Từ miền nhiệt đới đến miền cực, biên độ dao động giảm Ở vĩ tuyến 60o,
biên độ ngày khoảng vài phần mười miliba, dao động hàng ngày bị mờ bị che
lấp dao động khơng có chu kỳ với giá trị lớn nhiều
Do đó, dao động ngày khí áp miền ngoại nhiệt đới khơng có ý nghĩa chí khơng thể phát quan trắc trực tiếp, mà xác định nhờ qui tốn thống kê số liệu quan trắc
Biến trình ngày khí áp biến trình ngày nhiệt độ khơng khí; dao động, dãn nở thân khí tăng cường tượng cộng hưởng với dao động riêng khí
Khí áp tháng so với giá trị trung bình nhiều năm khí áp trung bình tháng có chênh lệch định Giá trị sai khác chuẩn sai tháng khí áp Đi sâu vào lục địa, chuẩn sai tháng khí áp giảm Khi có di chuyển xuống phía Nam sống cao Siberi thường có chuẩn sai dương khí áp đến – mb/ngày
Những giá trị khí áp trung bình năm năm thường chênh lệch so với giá trị trung bình nhiều năm, tạo nên giá trị chuẩn sai năm Song giá trị nhỏ giá trị chuẩn sai tháng Giá trị chuẩn sai trung bình năm khí áp miền vĩ độ cao khoảng 1,5 – 2mb; miền ôn đới khoảng 1mb; miền vĩ độ thấp nhỏ 0,5mb Song vào năm, giá trị chuẩn sai năm lớn
Những giá trị chuẩn sai tháng khí áp thường có dấu phạm vi rộng lớn Nếu nơi khí áp trung bình tháng nhỏ giá trị chuẩn chẳng hạn khu vực xung quanh giá trị nhỏ giá trị chuẩn, khơng theo tất hướng Nói cách khác, giá trị chuẩn sai khí áp có phạm vi khơng gian Điều dễ hiểu, giá trị chuẩn sai khí áp có liên quan với đặc điểm hoạt động xoáy thuận phạm vi rộng lớn
Hình 6.6
(9)6.2 TRƯỜNG GIÓ
6.2.1 Tốc độ gió
Ta rõ, gió chuyển động ngang khơng khí tương ứng với bề mặt Trái Đất Thông thường người ta lưu ý đến thành phần ngang chuyển động này, song đơi nói chuyển động lên (thăng) hay xuống (giáng) người ta tính đến thành phần thẳng đứng Gió đặc trưng vectơ tốc độ Trong thực tế, tốc độ gió biểu thị đại lượng trị số tốc độ, trị số ta gọi tốc độ gió, cịn hướng vectơ tốc độ hướng gió – hướng từ đâu gió thổi tới
Tốc độ gió biểu thị m/s; km/h (nhất hàng không) nút (1kts = 0,5 m/s)
Ngồi cịn có bảng tốc độ gió (hay lực gió) tính cấp theo bảng Bơpho Theo bảng tồn tốc độ gió chia làm 12 cấp Bảng Bơpho liên hệ lực gió với hiệu ứng khác gió mức độ gây sóng biển, lay động cành thân cây, lan truyền khói v.v
Mỗi cấp bảng mang tên định Ví dụ, cấp khơng bảng Bơpho tương ứng với gió lặng, nghĩa hồn tồn khơng có gió Gió cấp theo bảng Bơpho gọi gió vừa tương ứng với tốc độ – m/s; gió cấp gió mạnh với tốc độ 12 – 15m/s; gió cấp gió với tốc độ 18 – 21m/s; gió cấp 12 gió bão với tốc độ lớn 29m/s
Người ta thường phân biệt tốc độ gió trung bình qua thời gian quan trắc ngắn (trong phút hay 10 phút tuỳ quốc gia) tốc độ gió tức thời, dao động mạnh có lớn hay nhỏ tốc độ gió trung bình nhiều Phong kế thường cho giá trị tốc độ gió trung bình sau ta nói đến tốc độ gió Ở gần mặt đất ta thường thấy gió với tốc độ khoảng – m/s, vượt 12 – 15 m/s Khi có gió giật cuồng phong tốc độ gió miền ơn đới vượt 30m/s gió giật đạt tới 65 m/s, có gió giật tới 100 m/s Trong xốy cỡ nhỏ (vịi rồng) có tốc độ gió lớn 100 m/s Trong dòng gọi dòng xiết phần tầng đối lưu phần tầng bình lưu tốc độ gió trung bình thời gian dài phạm vi rộng lớn đạt tới 70 – 100 m/s
Tốc độ gió đo phong kế với cấu trúc khác Cấu trúc phong kế thường dựa nguyên lý: áp lực gió làm quay phận thụ cảm máy (phong kế với phận đón gió hình bán cầu, phong kế chong chóng v.v ) hay làm lệch phận thụ cảm khỏi vị trí cân (bảng gió Vild), theo tốc độ quay hay đo độ lệch xác định tốc độ gió
(10)6.2.2 Hướng gió
Cần nhớ, nói hướng gió, ta muốn hướng từ đâu gió thổi tới Có thể hướng gió điểm đường chân trời từ gió thổi tới hướng gió tạo nên với kinh tuyến địa phương nghĩa góc phương vị Trong trường hợp đầu người ta phân biệt hướng đường chân trời: bắc, đông bắc; đông, đông nam, nam, tây nam, tây, tây bắc hướng phụ chúng: bắc đông bắc, đông đông bắc, đông đông nam, nam đông nam, nam tây nam, tây tây nam, tây tây bắc, bắc tây bắc (Hình 6.7)
Mười sáu hướng hướng từ đâu gió thổi tới có ký hiệu viết tắt tiếng Việt tiếng quốc tế (tiếng Anh) sau đây: hướng gió đặc trưng góc hướng với kinh tuyến trị số góc tính từ phía bắc theo chiều kim đồng hồ Như hướng bắc tương ứng với 360o, hướng đông bắc 45o, hướng đông 90o, hướng nam 180o, hướng tây 270o
Khi quan trắc gió tầng cao, hướng gió biểu thị độ quan trắc trạm mặt đất biểu thị hướng đường chân trời Hướng gió xác định tiêu quay quanh trục thẳng đứng Dưới tác động gió, tiêu hướng theo hướng gió Tiêu thường gắn với bảng gió Vild
Cũng tốc độ, người ta phân biệt hướng gió tức thời hướng gió trung bình loại bỏ nhiễu động Hướng gió tức thời dao động mạnh xung quanh hướng gió trung bình xác định tiêu gió
N NNE NE ENE
Bắc
Bắc Đông Bắc
Đông Bắc
Đông Đông Bắc E ESE SE SSE
Đông
Đông Đông Nam
Đông Nam Nam Đông Nam S
SSW SW WSW
Nam
Nam Đông Nam Tây Nam Tây Tây Nam
W WNW NW NNW
Tây Tây Tây Bắc Tây Bắc Bắc Tây Bắc
Hình 6.7
La bàn gió 16 hướng gió
Tuy nhiên, lấy trung bình, nơi Trái Đất hướng gió biến đổi liên tục nơi khác vào thời điểm hướng khác Ở số nơi, gió với hướng khác qua khoảng thời gian dài có tần suất, thịnh hành số hướng gió với hướng khác mùa hay năm Điều phụ thuộc vào đặc điểm hồn lưu chung khí phần vào điều kiện địa hình địa phương
Khi qui tốn khí hậu số liệu quan trắc gió, điểm ta dựng biểu đồ biểu diễn phân bố hướng gió theo hướng
Hình 6.8
(11)dạng hoa gió (Hình 6.8) Từ điểm đầu toạ độ cực vẽ hướng (8 hay 16 hướng) đoạn thẳng có chiều dài tỉ lệ với tần suất gió hướng định
Nối điểm cuối đoạn thẳng đường gẫy khúc Tần suất gió lặng biểu thị số trung tâm biểu đồ (điểm gốc toạ độ) Khi dựng hoa gió tính tốc độ trung bình gió theo hướng sau nhân với tần suất hướng định Khi đó, đồ thị lượng khơng khí đơn vị quy ước gió vận chuyển theo hướng
Để biểu diễn đồ khí hậu người ta tổng hợp hướng gió nhiều phương pháp Có thể vẽ đồ nơi khác hoa gió Có thể xác định tốc độ gió tổng hợp tốc độ (coi chúng vectơ) nơi tháng qua thời kì nhiều năm, sau lấy lượng gió tổng hợp làm hướng gió trung bình Nhưng thường người ta xác định hướng gió thịnh hành cách xác định vng với tần suất cao nhất, đường qua trung tâm ô vng coi hướng gió thịnh hành
6.2.3 Đường dịng
Gió vectơ biểu diễn mũi tên có chiều dài đặc trưng cho trị số tốc độ, cịn hướng hướng từ đâu gió thổi tới Chẳng hạn trường hợp gió đơng bắc, mũi tên phải hướng phía tây nam
Như vậy, phân bố gió khơng gian trường vectơ Có thể biểu diễn vectơ phương pháp khác Trường gió biểu diễn rõ nhờ đường dòng tương tự đường sức từ trường chẳng hạn điểm trường có số liệu gió, vẽ mũi tên có hướng hướng gió thổi tới Sau vẽ đường dịng cho hướng gió điểm trường trùng với hướng tiếp tuyến với đường dịng qua điểm Như đường dòng đường mà điểm vectơ gió tiếp tuyến với Đường dịng xít tốc độ gió lớn
Bằng phương pháp ta hệ thống đường dịng đồ (Hình 6.9), nhìn phác qua biết khu vực vào thời điểm đó, khơng khí chuyển động
Cần nhớ rằng, trường đường dòng kỳ quan trắc định tranh tức thời trường gió Khơng nên lẫn đường dịng với quĩ đạo hạt khí Vấn đề chỗ, trường gió thường biến đổi theo thời gian phân bố đường dòng biến đổi Mỗi hạt khí qua thời gian ngắn qua qng đường trường gió biến đổi quỹ đạo khơng trùng với đường dịng vẽ cho thời điểm định Chỉ trường gió ổn định, nghĩa phân bố gió trường dịng khơng biến đổi theo thời gian, đường dịng quĩ đạo hạt khí trùng Trong trường hợp trường khí áp phải ổn định theo thời gian
(12)Hình 6.9
Đường dòng phân kỳ (đường cong) véc tơ gió tiếp tuyến với đường dịng (a)
đường hội tụ chiều (b)
Nếu trường đường dịng hội tụ có chuyển động tịnh tiến, đường dịng hướng phía đường hội tụ, cịn từ phía chúng song song với đường hội tụ biểu diễn hình 6.9, phải Người ta gọi đường hội tụ đường hội tụ chiều Trên khu vực Việt Nam biển Đơng, nhiều trường hợp hình thành dải hội tụ nhiệt đới dạng kinh hướng Đó dải hội tụ gió mùa tây nam tín phong đơng nam gần song song với hướng dải hội tụ nhiệt đới
Dễ hiểu là, hội tụ đường dòng phải kèm theo chuyển động khơng khí thăng lên ngược lại phân kỳ kèm theo chuyển động khơng khí giáng xuống tỏa xung quanh Trục rãnh rõ nằm với trục rãnh thấp hai cánh rãnh đường hội tụ hai chiều với dịng thăng dọc theo trục rãnh (Hình 6.10a) trục sống trục phân kỳ hai chiều với dịng giáng dọc theo trục sống (Hình 6.10b)
Hình 6.10
Đường hội tụ hai chiều rãnh liên quan với dòng thăng dọc trục rãnh (a) Đường phân kỳ hai chiều sống liên quan với dòng giáng dọc trục sống (b)
(13)Hình 6.11
Mối liên quan chuyển động hội tụ dòng thăng tạo mây khu vực xoáy thuận (a) chuyển động phân kỳ dòng giáng thời tiết quang mây khu vực xoáy nghịch (b)
Sự hội tụ phân kỳ chất trường gió phân bố khí áp Các đường dịng hội tụ hay phân kỳ phần ảnh hưởng ma sát khơng khí chuyển động Nhưng hội tụ phân kỳ có liên quan với hình hay địa hình mặt trải Nếu khơng khí chuyển động theo lịng khe hẹp dần lại, chẳng hạn dãy núi, đường dòng hội tụ lại; chuyển động theo lòng khe mở rộng dần đường dòng phân kỳ
Sự hội tụ quy mô lớn dải hội tụ nhiệt đới hay khu vực xoáy thuận tạo dòng thăng với tốc độ vài cm/s Chuyển động thăng đưa khối lượng khơng khí lớn lên cao, nhiệt độ khơng khí giảm tới mức trạng thái bão hoà tạo nên hệ thống mây lớn hình rẻ quạt hay hình sừng trường hợp xoáy thuận front hay đới mây với chiều ngang hai ba trăm kilomet chiều dài vài nghìn kilomet trường hợp dải hội tụ nhiệt đới
6.2.4 Sự biến đổi tốc độ gió hướng gió chuyển động rối địa hình Hướng tốc độ gió biến đổi nhanh liên tục, dao động xung quanh đại lượng trung bình Ngun nhân dao động (nhiễu động) gió tính rối Nhưng dao động ghi lại máy tự ghi có độ nhạy cao Gió có dao động tốc độ hướng biểu rõ gọi gió giật Khi gió có độ giật lớn, người ta gọi tố
Khi quan trắc gió hàng ngày trạm, người ta xác định hướng tốc độ gió trung bình khoảng thời gian vài giây Khi quan trắc theo máy đo gió Vild quan trắc viên phải theo dõi dao động tiêu gió hai phút theo dõi dao động bảng gió Vild hai phút, kết xác định hướng tốc độ trung bình gió khoảng thời gian Phong kế xác định tốc độ gió trung bình khoảng thời gian
(14)Rối mạnh, tính giật lớn Như vậy, tính giật lục địa biểu rõ biển đặc biệt lớn khu vực có địa hình phức tạp, vào mùa hè lớn vào mùa đơng biến trình ngày có cực đại vào sau buổi trưa đối lưu phát triển mạnh
Trong khí tự do, tính rối trường gió thường gây tượng sốc máy bay Độ sốc đặc biệt lớn đám mây đối lưu phát triển mạnh Nó tăng đột biến khơng có mây, dịng xiết
Vật chướng ngại nằm đường gió ảnh hưởng đến gió, gây nhiễu động trường gió Những vật chướng ngại có qui mơ lớn dãy núi qui mô nhỏ nhà cửa, cối, dải rừng v.v Trước hết, vật chướng ngại làm lệch dịng khơng khí: dịng khơng khí phải lượn qua vật chướng ngại theo hai bên sườn vượt qua phía Q trình vượt qua xảy dễ dàng tầng kết khơng khí bất ổn định, nghĩa gradien thẳng đứng nhiệt độ khí lớn Q trình vượt qua vật chướng ngại khơng khí đưa tới hậu quan trọng tăng lượng mây giáng thuỷ sườn núi đón gió, dịng khơng khí lên, ngược lại làm mây tan sườn núi khuất gió dịng khơng khí xuống
Khi lượn qua vật chướng ngại, gió phía trước vật yếu đi, song hai bên sườn mạnh lên, đặc biệt phần nhơ (góc nhà, mũi bờ biển v.v ) Đường dịng phần xít lại Sau vượt chướng ngại vật gió yếu đi, tạo khu vực gió yếu
Gió mạnh lên đáng kể thổi vào lịng địa hình thu hẹp lại, chẳng hạn hai dãy núi Khi đó, thiết diện thẳng luồng gió giảm đi, qua thiết diện nhỏ có lượng khơng khí trước chuyển động nên tốc độ gió tăng
6.3 GIĨ ĐỊA CHUYỂN
Có thể biểu diễn chuyển động đơn giản không khí cách lí thuyết dạng chuyển động thẳng, đều, khơng có ma sát Người ta gọi chuyển động với lực lệch hướng quay Trái Đất (lực Coriolis) khác khơng gió địa chuyển
Ở Bắc Bán Cầu gió địa chuyển lực gradien khí áp ( – 1/ρ)∂p/∂n gây chuyển động cân với lực Coriolis quay Trái Đất A = 2ωsinϕ Do giả thiết chuyển động chuyển động đều, hai lực này, lực gradien
khí áp lực Coriolis có trị số ngược hướng (Hình 6.12)
Như nói, Bắc Bán Cầu, lực Coriolis vng góc với tốc độ phía phải Từ thấy rõ theo trị số lực gradien khí áp lực Coriolis lực gradien khí áp hướng vng góc với tốc độ phía trái Do đường đẳng áp hướng vng góc với gradien khí áp nên gió địa chuyển thổi dọc theo đường đẳng áp, khu vực áp thấp phía trái chuyển động cho áp cao
ln phía phải chuyển động (Hình 6.12) Ở Nam Bán Cầu lực Coriolis phía trái Ta dễ
Hình 6.12
(15)dàng tính tốc độ gió địa chuyển viết điều kiện cân lực tác động, tức cho tổng chúng không, ta được:
1
2 sin dc
p
V
n ω ϕ
ρ
∂
− + =
∂ (6.1)
Sau giải phương trình ta tìm tốc độ gió địa chuyển Ta có cơng thức tính tốc độ gió địa chuyển sau:
1
dc
p V
lρ n ∂ =
∂ (6.2)
Điều có nghĩa tốc độ gió địa chuyển tỷ lệ thuận với trị số lực gradien khí áp Gradien khí áp lớn, nghĩa đường đẳng áp xít, gió mạnh
Ta đưa vào công thức trị số mật độ khơng khí điều kiện chuẩn khí áp, nhiệt độ mực biển trị số tốc độ gió m/s, cịn gradien khí áp mb/100km Khi cơng thức dạng thực dụng thuận lợi xác định tốc độ gió địa chuyển mặt đất (trên mực biển) theo giá trị gradien:
4.8
( ) [ / 100 ) sin
dc
m p
V mb km
s n
Δ ϕ Δ
= (6.3)
Chẳng hạn, với gradien khí áp 1mb/100km vĩ độ 550, ta có Vđc = 5,8m/s; với
gradien 2mb/100km, tốc độ gió địa chuyển lớn gấp đơi v.v Gió mặt đất nhiều khác biệt với gió địa chuyển tốc độ hướng Điều mặt đất có lực ma sát tác động, gió địa chuyển ta giả thiết không thực lực ma sát bề mặt có giá trị tương đối lớn
Tuy nhiên, khí tự do, từ độ cao khoảng 1000m, gió thực tương đối gần với gió địa chuyển Lực ma sát độ cao mực cao nhỏ đến mức bỏ qua Trong nhiều trường hợp, độ cong quỹ đạo khơng khí nhỏ, nghĩa chuyển động khơng khí gần với chuyển động thẳng Sau cùng, gió thực thường khơng hồn tồn chuyển động đều, dù gia tốc khí thường khơng lớn
Thực tế, gió khí tự có hướng lệch với đường đẳng áp phía với góc khơng lớn (khoảng chừng vài độ) Cịn tốc độ xấp xỉ tốc độ gió địa chuyển
6.4 GIÓ GRADIEN
(16)Trong xoáy thuận, giả thiết quỹ đạo chuyển động đường trịn lực Coriolis hướng vng góc với vectơ tốc độ gió, nghĩa hướng theo bán kính vịng trịn phía phải (ở Bắc Bán Cầu) Lực li tâm, nói trên, hướng theo bán kính đường cong quỹ đạo trịn phía lồi đường cong Lực gradien khí áp phải cân với tổng hình học hai lực nằm đường thẳng với chúng – bán kính đường trịn ngược hướng
Hình 6.13
Trái: Lực tác động mơ hình gió gradien xốy thuận (a) xốy nghịch (b) Vectơ gió gradien tiếp tuyến với đường đẳng áp theo chiều kim đồng hồ xoáy nghịch ngược chiều kim
đồng hồ xoáy thuận
Phải: Với gradien khí áp gió gradien xốy nghịch mạnh gió địa chuyển, gió gradien xốy thuận yếu gió địa chuyển G – lực gradien khí áp; (A) – lực lệch hướng quay Trái Đất (lực Coriolis); C – lực ly tâm
Điều có nghĩa gradien khí áp hướng vng góc với vectơ tốc độ Do tiếp tuyến với đường đẳng áp vng góc với gradien khí áp nên gió thổi dọc theo đường đẳng áp cho khí áp thấp bên trái chuyển động
Người ta gọi trường hợp lý tưởng chuyển động khơng khí theo quỹ đạo trịn khơng tính lực ma sát gió gradien (hay gió địa chuyển xốy) Từ điều trình bày trên, ta thấy rõ gió gradien có quỹ đạo trùng với đường đẳng áp Gió gradien thổi hướng theo đường đẳng áp tròn
Người ta thường kết hợp khái niệm gió địa chuyển với khái niệm gió gradien, coi gió địa chuyển trường hợp riêng gió gradien với bán kính đường đẳng áp lớn vơ
Trong hệ thống khí áp thấp với đường đẳng áp trịn đồng tâm, gradien khí áp hướng theo bán kính từ ngồi rìa vào trung tâm Điều có nghĩa là, trung tâm hệ thống khí áp thấp nhất, phía rìa khí áp tăng Hệ thống khí áp với khí thấp trung tâm với đường đẳng áp tròn đồng tâm dạng đơn giản xoáy thuận Lực ly tâm xốy thuận ln hướng phía ngồi, phía lồi quỹ đạo (đường đẳng áp) nghĩa ngược hướng với lực gradien khí áp Lực li tâm điều kiện thực tế khí thường nhỏ lực gradien khí áp Vì vậy, để lực cân nhau, lực Coriolis quay Trái Đất phải hướng theo lực li tâm để tổng hợp lực chúng cân với lực gradien khí áp Điều có nghĩa lực Coriolis phải hướng từ trung tâm xốy thuận phía ngồi Vectơ tốc độ gió phải hướng vng góc với lực Coriolis phía trái (ở Bắc Bán Cầu) Do đó, gió gradien phải thổi theo đường đẳng áp trịn xoáy thuận ngược chiều kim đồng hồ lệch với gradien khí áp phía phải (Hình 6.13a)
(17)lực gradien khí áp Từ ta thấy lực Coriolis quay Trái Đất phải hướng vào phía xốy nghịch để cân với hai lực hướng: lực gradien khí áp lực li tâm Lực Coriolis vng góc phía phải (ở Bắc Bán Cầu) cho gió thổi dọc đường đẳng áp tròn theo chiều kim đồng hồ
Trong hai trường hợp kể trường hợp gió địa chuyển, vectơ tốc độ gió gradien lệch với gradien khí áp phía phải Bắc Bán Cầu Ở Nam Bán Cầu lực Coriolis hướng phía trái vectơ tốc độ, gió gradien lệch phía trái lực gradien khí áp Vì vậy, Nam Bán Cầu, chuyển động khơng khí xốy thuận theo đường đẳng áp thuận chiều kim đồng hồ, cịn xốy nghịch ngược chiều kim đồng hồ Sau ta xét đến điều kiện Bắc Bán Cầu
Tốc độ gió gradien Vgr xác định từ phương trình bậc hai:
2
1
2 sin gr Vgr
p
V
n ω ϕ r
ρ
∂
− − − =
∂ (6.4)
Ý nghĩa phương trình ba lực (lực gradien, lực lệch hướng, lực li tâm) cân với Dấu cộng tương ứng với gió gradien xốy thuận, cịn dấu trừ tương ứng với gió gradien xốy nghịch
Từ đó, ta dễ dàng rút với trị số gradien khí áp, tốc độ gió gradien xốy thuận nhỏ hơn, cịn xốy nghịch lớn tốc độ gió trường hợp đường đẳng áp thẳng, nghĩa lớn gió địa chuyển Tốc độ gió tỉ lệ thuận với lực lệch hướng Tuy nhiên, trường hợp xoáy nghịch, lực Coriolis lớn hơn, cịn trường hợp xốy thuận nhỏ so với lực gradien Vì vậy, với trị số gradien khí áp, tốc độ gió xốy nghịch lớn xốy thuận
Trong khí tự gió xốy thuận xốy nghịch có tốc độ gần gió gradien gió địa chuyển Trong lớp gần mặt đất, ảnh hưởng lực ma sát gió thực khác biệt nhiều so với hai loại gió
6.5 GIĨ NHIỆT
Như ta biết, gió địa chuyển gió gradien thổi dọc theo đường đẳng áp hay đường đẳng cao Gió thực khí tự gần song song với đường đẳng áp
Tuy nhiên, hướng đường đẳng áp biến đổi theo chiều cao, hướng gió biến đổi Tương tự, tốc độ gió biến đổi phụ thuộc vào biến đổi đại lượng gradien khí áp
Ta rõ, theo chiều cao gradien khí áp có thêm thành phần phụ hướng theo tỉ lệ thuận với gradien nhiệt độ gia số độ cao Như là, gió gradien theo chiều cao có thêm thành phần tốc độ phụ hướng theo đường đẳng nhiệt (cần lưu ý đường đẳng nhiệt trung bình tồn lớp khí ta xét) Thành phần phụ gọi gió nhiệt Để tìm gió gradien V mực cần thêm vào gió gradien V0 mực đại lượng
(18)Nếu mực gradien khí áp trùng với hướng gradien nhiệt độ, phần khí phía gradien khí áp theo chiều cao tăng khơng đổi hướng Trong trường hợp đó, đường đẳng áp tất mực trùng hướng với đường đẳng nhiệt, cịn gió nhiệt trùng với gió mực Khi đó, theo chiều cao gió mạnh lên không đổi hướng
Nếu mực gradien khí áp ngược hướng với gradien nhiệt độ, theo chiều cao gradien khí áp giảm Cùng với gradien khí áp, gió khơng đổi hướng, yếu dần theo chiều cao đến có tốc độ khơng, sau có hướng ngược lại, hướng sang phải hay sang trái tuỳ theo gradien khí áp lệch phía gradien nhiệt độ Vì vậy, theo chiều cao gió thực quay sang phải hay sang trái tiến gần trùng với hướng đường đẳng nhiệt
Hình 6.14
Gió nhiệt
Vo – gió mực ; ∇v – gió nhiệt; V – gió mực
Ở phần phía đơng (phần đầu) xốy thuận nơi gradien khí áp hướng phía tây, cịn gradien nhiệt độ hướng phía bắc, theo chiều cao gió quay sang phải tiến gần tới đường đẳng nhiệt Ở phần (phần phía tây) xốy thuận – theo chiều cao gió quay sang trái Trong xốy nghịch tình hình ngược lại
Nói cách chặt chẽ, lý thuyết gió nhiệt dùng cho gió gradien Tuy quy luật tìm hồn tồn điều kiện thực khí
6.6 LỰC MA SÁT
Trong khí quyển, ma sát lực gây gia tốc âm chuyển động khơng khí, nghĩa làm chậm thay đổi hướng chuyển động khơng khí
Có thể coi lực ma sát khí có hướng ngược với vectơ tốc độ gió Lực ma sát có giá trị lớn gần mặt đất, theo chiều cao giảm đến mực khoảng 1000m trở nên khơng đáng kể so với lực khác tác động lên chuyển động không khí Vì vậy, độ cao này, lực ma sát bỏ qua Lớp khí mà từ lực ma sát thực tế khơng cịn (500 – 1500m trung bình 1000) gọi khí tự
Phần tầng đối lưu từ mặt đất đến mực ma sát gọi tầng ma sát hay lớp biên hành tinh
(19)và tiếp xúc với mặt đất chúng lại chuyển động chậm Tóm lại, chuyển động rối giảm tốc độ lan lên cao tầng khí dày Đó tầng ma sát
Khi tầng kết khí khơng ổn định ngồi rối học, rối nhiệt đối lưu – tượng xáo trộn khơng khí theo chiều thẳng đứng mạnh, phát triển Kết tầng kết bất ổn định (thường vào mùa hè lục địa) ảnh hưởng giảm tốc độ ma sát lan tầng khơng khí dày mực ma sát nằm cao tầng kết ổn định (thường thấy vào mùa đông) Mặt khác, mặt đất ảnh hưởng
của ma sát tốc độ hướng gió tầng kết bất ổn định nhỏ tầng kết ổn định
Do ảnh hưởng lực ma sát, tốc độ gió giảm đến mức mặt đất (trên độ cao tiêu gió) tốc độ gió thực lục địa khoảng nửa tốc độ gió địa chuyển với trị số gradien khí áp Trên biển, giảm tốc độ gió ma sát nhỏ đất liền, tốc độ gió thực khoảng hai phần ba tốc độ gió địa chuyển
Lực ma sát ảnh hưởng tới hướng gió Ta giả thiết chuyển động thẳng khơng khí có ma sát Điều có nghĩa ba
lực: gradien khí áp, lực Coriolis lực ma sát (Hình 6.15) phải cân
Vì lực ma sát hướng ngược với vectơ tốc độ nên khơng nằm đường thẳng với lực lệch hướng Vì vậy, lực gradien khí áp cân với hai lực kể nằm đường thẳng với lực lệch hướng
Như hình 6.15, lực gradien khí áp khơng vng góc với vectơ tốc độ gió mà làm với góc nhọn Nói cách khác, vectơ tốc độ gió khơng hướng theo đường đẳng áp Nó cắt đường đẳng áp lệch phía phải, tạo với góc nhỏ góc vng Trong trường hợp này, vectơ tốc độ gió phân tích thành hai thành phần – dọc theo đường đẳng áp theo hướng bán kính đường đẳng áp
Nếu giả thiết chuyển động khơng khí, theo đường đẳng áp trịn có lực ma sát, ta rút kết luận tương tự Trong trường hợp này, lực ma sát không trùng với lực lệch hướng Vectơ tốc độ gió lệch với đường đẳng áp có thành phần hướng theo gradien khí áp
Trong xốy thuận, gradien khí áp hướng từ ngồi vào trung tâm, gió có thành phần hướng phía trung tâm Nó kết hợp với thành phần hướng theo đường đẳng áp ngược chiều kim đồng hồ Vì vậy, lớp khu vực xốy thuận, gió thổi ngược chiều kim đồng hồ từ phía ngồi rìa vào trung tâm Trong xốy nghịch, thành phần hướng theo đường đẳng áp thuận chiều kim đồng hồ kết hợp với thành phần hướng theo gradien khí áp từ trung tâm phía ngồi rìa
Khi vẽ đường dịng lớp khu vực xoáy thuận, ta thấy chúng có dạng xốy hướng ngược chiều kim đồng hồ hội tụ vào trung tâm xoáy Tâm xốy thuận
Hình 6.15
(20)điểm hội tụ đường dòng Ở lớp khu vực xốy nghịch, đường dịng có dạng xốy phân kì theo chiều kim đồng hồ từ tâm xoáy Tâm xoáy nghịch điểm phân kỳ đường dòng
Ngược lại so với Bắc Bán Cầu Nam Bán Cầu, đường dòng hình xốy xốy thuận hướng theo chiều kim đồng hồ xoáy nghịch hướng ngược chiều kim đồng hồ Tuy nhiên, thành phần tốc độ gió vng góc với đường đẳng áp xoáy thuận hướng vào trong, cịn xốy nghịch hướng ngồi
6.7 ĐỊNH LUẬT KHÍ ÁP CỦA GIĨ
Kinh nghiệm cho thấy rằng, gió mặt đất (khơng kể vĩ độ gần xích đạo) ln lệch với gradien khí áp góc nhỏ 90o Ở Bắc Bán Cầu phía phải Nam Bán Cầu
phía trái Từ rút ngun lý sau: đứng quay lưng phía gió cịn mặt hướng theo hướng gió thổi khí áp thấp phía trái dịch phía trước ít, cịn khí áp lớn phía phải dịch đằng sau (Hình 6.16) Trên cao gió thực gần gió địa chuyển nên hướng gió song song với đường đẳng cao (Hình 6.16, trái), thấp, sát mặt đất ảnh hưởng ma sát hướng gió làm với đường đẳng áp góc khoảng 30o biển tới 45o lục địa (Hình 6.16, phải) Nguyên lý tìm thực nghiệm, vào
nửa đầu kỷ thứ 19 có tên định luật khí áp gió hay định luật Bâysbalo
Tương tự, gió thực khí tự (ở Bắc Bán Cầu) thổi gần theo đường đẳng áp cho khí áp thấp phía trái lệch với gradien khí áp phía phải góc xấp xỉ 90o Điều coi mở rộng định luật khí áp gió khí tự
Rõ ràng định luật khí áp gió mơ tả tính chất gió thực gần với tính chất gió địa chuyển gió địa chuyển có ma sát Như vậy, quy luật chuyển động không khí điều kiện lý thuyết đơn giản hố nói trên, dùng với điều kiện thực phức tạp Chẳng hạn, gió mặt đất lệch với gradien khí áp tương tự gió địa chuyển có ma sát Đồng thời, đường dịng mặt đất xốy thuận xốy nghịch khơng phải đường xoắn hình học, song đặc tính chúng có dạng xoắn hội tụ vào tâm xoáy thuận phân kỳ từ tâm xốy nghịch
Trong khí tự do, đường đẳng áp đường dịng khơng có dạng hình học rõ chuyển động khơng khí có gia tốc, gió thổi gần theo hướng đường đẳng áp với tốc độ gần tốc độ gió địa chuyển
Độ lệch gió thực khí tự so với gió gradien nhỏ song có giá trị định biến thiên khí áp
Như ta biết, khí áp mực trọng lượng cột không khí nằm trên, nghĩa tỉ lệ thuận với khối lượng khơng khí cột Sự giảm khối lượng cột khí địa điểm làm cho khí áp giảm, tăng khối lượng cột làm cho khí áp tăng
(21)và thường hình thành sống áp cao áp thấp cửa ra, phân kỳ đường dịng thường hình thành rãnh áp thấp áp thấp
Hình 6.16
Minh hoạđịnh luật Bâysbalo gió thực cao song song với đường đẳng áp (a) gió thực
mặt đất cắt đường đẳng áp (b)
Trên mặt đất, khí áp khơng biến đổi chuyển động thẳng đứng mà biến đổi chuyển động ngang Chuyển động ngang nguyên nhân chủ yếu biến đổi khí áp mực bất kỳ, cịn mặt đất ngun nhân
Chuyển động ngang khơng khí gây không gây biến đổi khí áp, điều tuỳ thuộc vào đặc tính riêng Chẳng hạn, gió địa chuyển thổi theo vịng vĩ tuyến nhiệt độ nơi đồng khí áp khơng biến đổi Trong điều kiện đó, phân bố khối lượng khơng khí khơng biến đổi phân bố khí áp khơng biến đổi Tuy nhiên, có chuyển động khối khí từ vĩ độ sang vĩ độ khác, có gió gradien, khí áp biến đổi Khơng khí lạnh có mật độ lớn từ vĩ độ cao xuống vĩ độ thấp thay khơng khí nóng có mật độ nhỏ làm khí áp miền vĩ độ thấp tăng ngược lại
Thực tế, khí áp thường xun biến đổi đơi biến đổi lớn Khí áp biến đổi gió thực lệch so với gió gradien Trong độ lệch đáng kể gió thực so với gió gradien gây nên ma sát thay đổi phân bố khí áp theo chiều làm san hiệu khí áp, nghĩa làm cho xoáy thuận đầy lên xoáy nghịch yếu Thực tế thường thấy hiệu khí áp tăng lên, nghĩa xoáy thuận sâu thêm xoáy nghịch mạnh lên Những biến đổi trường khí áp trước hết gió thực lệch so với gió gradien khí tự do, có thành phần gió hướng ngược gradien khí áp
6.8 FRONT TRONG KHÍ QUYỂN
(22)Đới front ln có chiều rộng bề dầy định nhỏ so với kích thước khối khí mà ngăn cách Vì vậy, lý tưởng hố điều kiện tức ta coi front mặt ngăn cách khối khí Khi gặp mặt đất, mặt front tạo nên đường front, người ta thường gọi tắt front Trong điều kiện lý tưởng hố coi front đường đột biến
Một điều quan trọng mặt front nằm nghiêng khí Lý thuyết kinh nghiệm rõ góc nghiêng mặt front so với mặt đất nhỏ, khoảng vài phút Tang góc nghiêng gọi tắt độ nghiêng front có giá trị khoảng từ 0,01 đến 0,001 Như vậy, khí front nằm thoải Cách xa đường front khoảng vài trăm km mặt front độ cao khoảng vài kilơmet Trên hình 6.17 hệ thống mây front ảnh mây vệ tinh kênh thị phổ (nhìn thấy) với hệ thống đường đẳng áp xoáy thuận hệ thống front cố tù
Mặt khác, khơng khí mặt front ngăn cách khơng nằm cạnh mà cịn nằm nhau, khơng khí lạnh nằm khơng khí nóng dạng nêm Front khí khơng tồn bất biến, chúng xuất hiện, phát triển, mạnh lên hay tan đi, song điều kiện hình thành chúng ln tồn khí vậy, front khơng phải tượng ngẫu nhiên mà tượng xảy hàng ngày khí
Thơng thường, chế hình thành front (sự sinh front) khí chế động học: Front hình thành tác động trường chuyển động khơng khí; khối khí với nhiệt độ (và đặc tính khác) khác biệt tiến gần lại với Trong đới định, gradien ngang nhiệt độ tăng, điều chứng tỏ thay đới chuyển tiếp hai khối khí đới front biểu rõ Tương tự, front tan nghĩa đới front biến thành đới chuyển tiếp rộng, gradien nhiệt độ ngang giảm rõ rệt
Front số trường hợp cịn hình thành ảnh hưởng điều kiện nhiệt mặt trải dưới, chẳng hạn dọc theo rìa tảng băng hay rìa lớp tuyết phủ Song chế hình thành front có ý nghĩa so với trình sinh front động học
Trong điều kiện thực, thông thường front không nằm song song với dịng khí Gió hai phía front có thành phần chuẩn với front, front khơng đứng chỗ mà di chuyển Front di chuyển phía khơng khí lạnh, phía khơng khí nóng
(23)Hình 6.17
Đường front mặt đất hệ thống mây front ảnh mây vệ tinh: front lạnh (ABC), front nóng (AD), front cố tù (AE), A điểm cố tù Khu vực mây tích phát triển khơng khí lạnh (FG) có bình lưu lạnh bề mặt nóng với dải mây tích theo chiều chuyển động dịng khí xốy thuận Front tĩnh đoạn front khơng di chuyển hay di chuyển phía khối khí
Nếu đường front mặt đất di chuyển phía khơng khí nóng, nêm khơng khí lạnh chuyển động phía trước khơng khí nóng lùi dần bị khơng khí lạnh lấn tới đẩy lên cao Người ta gọi front front lạnh
Sự di chuyển front lạnh qua địa phương gây nên thay không khí nóng khơng khí lạnh, giảm nhiệt độ biến đổi đột ngột yếu tố khí tượng khác Trong đới front chuyển động khơng khí xuất thành phần thẳng đứng
Trường hợp quan trọng không khí nóng trượt lên cao, nghĩa đồng thời với chuyển động theo chiều nằm ngang, khơng khí nóng cịn chuyển động vượt lên cao nêm khơng khí lạnh Chính phát triển hệ thống mây cho mưa dọc theo mặt front có liên quan với tượng
Trong front nóng chuyển động trượt lên cao lớp khơng khí nóng dày Trên toàn mặt front xuất hệ thống mây cao tằng, tằng tích cho mưa dầm phạm vi rộng Trong front lạnh, chuyển động trượt lên cao khơng khí nóng bị hạn chế dải hẹp, đặc biệt trước nêm khơng khí lạnh nơi khơng khí nóng bị khơng khí lạnh đẩy lên cao Ở mây phần lớn có đặc tính mây vũ tích cho mưa rào dơng
Trong khí quyển, xốy thuận phát triển cịn xuất front tập hợp phức tạp kết hợp hai hay nhiều mặt front Đó front cố tù Chúng liên quan với hệ thống mây định
(24)Vì vậy, qua front gió nơi đổi hướng theo chiều kim đồng hồ; chẳng hạn, trước front gió có hướng đơng nam, sau front gió đổi hướng sang hướng nam, tây nam hay tây Vào mùa đơng front lạnh nằm dọc theo rìa phía Nam áp cao Siberi Khơng khí lạnh cao áp Siberi di chuyển từ phía Nam Trung Quốc phía Việt Nam Front lạnh rãnh khuất nên song song với đường đẳng áp Dọc theo front lạnh hình thành hệ thống mây Ns, As rộng đến 500 km, kéo dài suốt dọc phía Nam cao áp Khi front lạnh di chuyển vào Việt Nam gây giảm nhiệt độ, khí áp tăng, gió chuyển hướng đơng bắc, trời đầy mây Đầu cuối mùa đơng hình thành mây vũ tích trước front lạnh cho mưa rào dơng
Trong phần trình bày trên, front coi mặt phẳng hình học đột biến Thực tế, front đới chuyển tiếp hẹp khối khí lạnh khối khí nóng Nhiệt độ front khơng có đột biến mà biến đổi nhanh đới front Điều có nghĩa front đặc trưng tăng gradien nằm ngang nhiệt độ Ở miền nhiệt đới, hiệu nhiệt độ front nhỏ dấu hiệu front hội tụ đường dòng
Ta biết, gradien nằm ngang nhiệt độ gần trùng với gradien khí áp nằm ngang, gradien khí áp tăng theo chiều cao, với tốc độ gió tăng Từ ta thấy đới front nằm khơng khí nóng khơng khí lạnh, gradien ngang nhiệt độ đặc biệt lớn, gradien khí áp tăng mạnh theo chiều cao với tốc độ gió đạt tới giá trị lớn
Kết phía front biểu rõ, phần tầng đối lưu phần tầng bình lưu thường quan sát thấy dịng khí mạnh rộng khoảng vài trăm kilômet với tốc độ 30m/s đến khoảng 150 – 300km/h dải mầu sẫm phần phía hình 6.18 Ở cao nữa, tầng bình lưu gradien nhiệt độ ngang có chiều ngược lại, gradien khí áp giảm tốc độ gió giảm Tốc độ gió cực đại thường quan sát thấy gần đỉnh tầng đối lưu
Người ta gọi dịng khơng khí với tốc độ lớn 30m/s trở lên nằm gần đỉnh tầng đối lưu nói dòng xiết Trong front cực, dòng chảy xiết thường thấy mực thấp Trong điều kiện định, dòng xiết quan sát thấy tầng bình lưu Trên hình 6.18 hệ thống đường front mặt đất xoáy thuận di chuyển phía đơng bắc với dịng thăng trước front nóng, dịng giáng sau front lạnh cao áp dòng xiết với bình lưu nóng xốy nghịch trước front nóng, bình lưu lạnh sau front lạnh
Hình 6.18
(25)khí lạnh giáng khu áp cao mặt đất, phía khu vực phân kỳ áp thấp dòng thăng theo dòng dẫn đường cao nên di chuyển từ tây sang đông, mũi tên kép hướng di chuyển xoáy thuận