KHÍ TƯỢNG SYNOP NHIỆT ĐỚI

TÀI LIỆU THAM KHẢO CHO GIÁO VIÊN, HỌC VIÊN VÀ SINH VIÊN

NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2003 Từ khoá: Dông, lốc, xoáy, vòi rồng, hình thế, khí áp, front, xoáy thuận, xoáy nghịch, bão, áp thấp Tài liệu trong Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả. KHÍ TƯỢNG SY NÔP NHIỆT ĐỚI Trần Công Minh 1 TRẦN CÔNG MINH KHÍ TƯỢNG SYNÔP NHIỆT ĐỚI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 2 PHẦN II. HỌC THUYẾT VỀ THỜI TIẾT MIỀN NHIỆT ĐỚI Sau chiến tranh thế giới thứ hai, cùng với sự hình thành và phát triển của khí tượng hiện đại và sau này khi nguồn số liệu ngày càng phong phú thì càng có nhiều bằng chứng về sự biến đổi phức tạp của các quá trình khí quyển nhiệt đới. Thái Bình Dương đầy bão tố với tần suất bão gấp đôi các vùng khác trên thực tế không bình yên như tên gọi c ủa nó. Nhiều quá trình tương tác giữa hoàn lưu ôn đới và hoàn lưu nhiệt đới như tương tác giữa front lạnh của chuỗi xoáy miền ôn đới và dải hội tụ nhiệt đới đem lại hậu quả lũ lụt nghiêm trọng với lượng mưa trên 1000mm/ngày (gấp đôi lượng mưa năm của miền ôn đới) đã thay đổi cách nhìn của các nhà khí tượng miền ôn đới và thu hút sự quan tâm, thúc đẩy các công trình nghiên c ứu phối hợp đối với miền nhiệt đới và trên quy mô toàn cầu. Trong phần II của chương trình khí tượng synôp này sẽ trình bày những cơ chế và đặc điểm chủ yếu của hoàn lưu nhiệt đới, các thành phần cơ bản của hoàn lưu nhiệt đới như gió mùa, tín phong, dải hội tụ nhiệt đới, bão, dông và các phương pháp dự báo bão, dông, những hiện tượng thời tiết đặc biệt ở miền nhiệt đới, những kiến thức cần cho sinh viên ngành khí tượng. After the Second World War, with the progress of the Modern Meteorology and the abundant of the meteorological data, there are a lot of evidences about the complex variability of the atmospheric processes in the Tropics. Pacific Ocean with the double frequency of Typhoons in comparing with other oceans is not calm as its name. Many interactive processes between middle latitude and tropical circulations such as interaction between cold front of cyclone families and ITCZ causing flash- flood with rainfall amount more than 1000 mm/day (equal double annual rainfall amount in the middle latitudes), which changed the mind of the Meteorologists and attracted the interesting and improved cooperative studying in the tropical and global regions. In the second part of the book on Synoptic Meteorology, we present the main mechanisms and features of the tropical circulation: monsoon, trade wind, intertropical convergence zone, tropical cyclones, eastward waves, thunderstorms, forecasting methods on tropical cyclones and thunderstorms, the particular phenomena in the Tropics, which are necessary for students specializing on Meteorology. 3 MỤC LỤC CHƯƠNG 1. NHỮNG ĐỘNG LỰC VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 7 1.1. RANH GIỚI MIỀN NHIỆT ĐỚI 7 1.2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG NHIỆT CỦA MẶT ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN 7 1.3. NHỮNG NHÂN TỐ VẬT LÝ CƠ BẢN . 11 1.3.2. Nhiệt độ mặt biển . 12 1.3.3. Tương tác với hoàn lưu ôn đới . 13 1.3.4. Các hiện tượng quy mô vừa và nhỏ 14 1.4. BẢO TOÀN MÔMEN QUAY VÀ SỰ TỒN TẠI ĐỚI GIÓ ĐÔNG NHIỆT ĐỚI VÀ ĐỚI GIÓ TÂY ÔN ĐỚI 14 1.5. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 16 1.5.1. Phân bố theo vĩ độ của tốc độ gió, khí áp và tính phân kỳ, hội tụ 16 1.5.2. Chuyển động thẳng đứng và dải mưa . 17 1.5.3. Sự biến đổi theo mùa của hoàn lưu nhiệt đới và sự bất đối xứng của hai bán cầu . 18 1.6. TRƯỜNG ÁP, TRƯỜNG GIÓ MIỀN NHIỆT ĐỚI . 19 1.6.1. Mô hình cơ bản của trường dòng và trường áp . 20 1.6.2. Trường gió, trường áp gần mặt đất 21 1.6.3. Bản đồ đường dòng phần dưới và phần trên tầng đối lưu trong hai mùa đối lập . 25 1.7. CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỨNG 30 1.8. DÒNG XIẾT MIỀN CẬN NHIỆT VÀ NHIỆT ĐỚI 32 1.8.1. Dòng xiết cận nhiệt . 32 1.8.2. Dòng xiết gió đông nhiệt đới mùa hè 34 1.9. GIÓ TẦNG BÌNH LƯU NHIỆT ĐỚI . 35 1.10. ÁP CAO CẬN NHIỆT TÂY THÁI BÌNH DƯƠNG VÀ ÁP CAO TIBET 36 1.10.1. Áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương 37 1.10.2. Áp cao Tibet 39 CHƯƠNG 2. HOÀN LƯU GIÓ MÙA Ở KHU VỰC ĐÔNG NAM Á . 41 2.1. KHÁI NIỆM CHUNG . 41 2.2. CÁC TRUNG TÂM TÁC ĐỘNG VÀ CÁC ĐỚI GIÓ MÙA Ở ĐÔNG Á VÀ ĐÔNG NAM Á . 43 2.3. CÁC NHÂN TỐ CƠ BẢN TRONG HOÀN LƯU GIÓ MÙA MÙA ĐÔNG. 45 2.4. XÂM NHẬP LẠNH VÀ HỆ THỐNG THỜI TIẾT 50 2.5. SỰ GIÁN ĐOẠN CỦA GIÓ MÙA MÙA ĐÔNG 59 2.6. CÁC CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA GIÓ MÙA MÙA HÈ . 61 2.7. THỜI KỲ GIÓ MÙA TÍCH CỰC VÀ THỜI KỲ GIÓ MÙA THỤ ĐỘNG 63 2.8. SỰ BẮT ĐẦU VÀ KẾT THÚC CỦA GIÓ MÙA MÙA HÈ . 69 2.9. ĐẶC ĐIỂM TẦNG KẾT NHIỆT, MÂY VÀ MƯA TRONG MÙA GIÓ MÙA MÙA HÈ . 71 4 CHƯƠNG 3. TÍN PHONG, DẢI HỘI TỤ NHIỆT ĐỚI, SÓNG ĐÔNG VÀ SÓNG XÍCH ĐẠO 73 3.1. TÍN PHONG 73 3.1.1. Đặc điểm cơ bản 73 3.1.2. Độ ẩm và nghịch nhiệt tín phong 73 3.2. DẢI HỘI TỤ NHIỆT ĐỚI . 77 3.2.1. Định nghĩa, cấu trúc 77 3.2.2. Cơ chế hình thành 82 3.2.3. Sự dịch chuyển của dải hội tụ nhiệt đới 84 3.3. SÓNG ĐÔNG . 85 3.4. SÓNG XÍCH ĐẠO 88 CHƯƠNG 4. HOẠT ĐỘNG CỦA ÁP THẤP NHIỆT ĐỚI VÀ BÃO Ở BIỂN ĐÔNG VÀ TÂY THÁI BÌNH DƯƠNG. DỰ BÁO BÃO VÀ ÁP THẤP NHIỆT ĐỚI . 92 4.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 92 4.2.TẦN SUẤT BÃO Ở MIỀN TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG VÀ BIỂN ĐÔNG . 93 4.3. ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO . 96 4.3.1. Trường áp 96 4.3.2. Trường chuyển động . 97 4.3.3. Trường nhiệt 100 4.3.4. Hệ thống mây . 102 4.4. CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA BÃO 104 4.5. SỰ HÌNH THÀNH BÃO 107 4.5.1. Các điều kiện hình thành bão 107 4.5.2. Hình thế synôp và sự hình thành bão 110 4.5.3. Theo dõi sự hình thành bão . 115 4.6. SỰ DI CHUYỂN CỦA BÃO . 116 4.7. THEO DÕI VÀ DỰ ĐOÁN SỰ HÌNH THÀNH BÃO . 122 4.8. SỰ TAN RÃ CỦA BÃO . 125 4.9. DỰ BÁO SỰ DI CHUYỂN CỦA BÃO 128 4.9.1. Xác định tâm bão 128 4.9.2. Dự báo quỹ đạo bão 138 CHƯƠNG 5. MÂY TÍCH VÀ CÁC HỆ THỐNG THỜI TIẾT QUY MÔ VỪA: DÔNG, LỐC, MƯA ĐÁ, VÒI RỒNG . 144 5.1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MÂY TÍCH VÀ DÔNG 144 5.1.1. Định nghĩa và cấu trúc mây dông mạnh . 144 5.1.2. Phân loại dông . 144 5.1.3. Tổ chức ổ dông . 145 5.2. CÁC DẠNG DÒNG THĂNG ĐỐI LƯU 147 5.2.1 Dòng thăng do bụm khí riêng lẻ 148 5.2.2 Sự mở rộng của bụm khí trong dòng thăng khi lên cao 148 5.2.3 Dòng thăng liên tục 149 5.3. CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA Ổ DÔNG THƯỜNG . 149 5 5.4. DÔNG FRONT LẠNH - DÔNG ĐƠN,DÔNG ĐA Ổ KHÔNG MẠNH . 151 5.5. DÔNG SIÊU Ổ . 152 5.6. CÁC LOẠI Ổ TRONG DÔNG MẠNH 155 5.6.1. Dông siêu ổ (super cell) . 155 5.6.2. Dông đường tố 158 5.6.3. Các giai đoạn phát triển của siêu ổ dông . 162 5.6.4. Các biến dạng của siêu ổ dông . 162 5.7. MƯA ĐÁ . 163 5.7.1. Sự lớn lên của hạt đá . 163 5.7.2. Dòng thăng mạnh, điều kiện cho sự hình thành mưa đá . 163 5.8. LỐC VÀ VÒI RỒNG 166 5.8.1. Lốc siêu ổ dông . 167 5.8.2. Lốc không do siêu ổ 167 5. 8.3. Lốc không có siêu ổ . 168 5.8.4. Đặc trưng của lốc 168 5.8.5. Cấu trúc và các giai đoạn phát triển của vòi rồng . 169 5.9. NHỮNG ĐIỀU KIỆN CẦN CHO SỰ PHÁT TRIỂN DÔNG . 171 5.9.1. Những điều kiện nhiệt động lực 171 5.10. CÁC HÌNH THẾ SYNÔP VÀ ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH TẠO HỘI TỤ MỰC THẤP CHO CƠ CHẾ NÂNG KHỞI ĐẦU DÔNG 173 5.11. CÁC NHÂN TỐ MÔI TRƯỜNG ĐẶC BIỆT TRONG SỰ PHÁT TRIỂN CỦA DÔNG MẠNH 180 5.12. CƠ SỞ LÝ THUYẾT DỰ BÁO DÔNG . 186 5.13. PROFILE NHIỆT ẨM ĐẶC TRƯNG TRƯỚC CƠN DÔNG . 187 5.14. CÁC NHÂN TỐ BIẾN ĐỔI PROFILE NHIỆT ẨM 192 5.14.1. Các quá trình làm biến đổi profile nhiệt . 193 5.14.2. Những quá trình biến đổi profile ẩm 194 5.15. TRÌNH TỰ VÀ KỸ THUẬT DỰ BÁO PROFILE NHIỆT ẨM BUỔI TRƯA PHÍA TRÊN LỚP BIÊN . 195 5.15.1. Trình tự dự báo profile nhiệt ẩm . 195 5.15.2. Phân tích nhiệt động học đối với đường tầng kết trong dự báo dông 198 5.16. CÁC CHỈ SỐ DỰ BÁO DÔNG . 199 5.16.1. Nhận xét chung 199 5.16.2. Thế năng có khả năng đối lưu ( CAPE) 200 5.16.3. Chỉ số tổng của tổng chỉ số (Total-total index) 202 5.16.4. Chỉ số nâng bề mặt (Surface lifted index) 203 5.17. CÁC THƯỚC ĐO SỰ CẢN TRỞ ĐỐI LƯU . 204 5.17.1. Chỉ số CIN . 205 5.17.2. Chỉ số CAP và chỉ số tính cường độ cản trở đối lưu 205 5.18. KỸ THUẬT DỰ BÁO ĐƯỜNG TẦNG KẾT VÀ ĐƯỜNG ĐIỂM SƯƠNG . 206 5.18.1. Nhận xét chung 207 5.19. SỐ RICHARDSON ĐỐI LƯU VÀ CHỈ SỐ NĂNG LƯỢNG XOÁY 208 5.19.1. Số Richardson đối lưu 208 6 5.19.2. Ý nghĩa vật lý của số Richardson đối lưu . 209 5.19.3. Chỉ số năng lượng xoáy (EHI) 211 5.19.4. Ý nghĩa vật lý của chỉ số năng lượng xoáy (EHI) . 211 5.20. GIẢI THÍCH TỔNG HỢP TÀI LIỆU THÁM SÁT DỰ BÁO DÔNG . 213 5.20.1. Đánh giá khả năng dòng thăng 214 5.20.2. Đánh giá sự cản dòng thăng 216 5.20.3. Đánh giá cỡ hạt mưa đá cực đại . 217 5.20.4. Đánh giá khả năng của dòng giáng 217 5.20.6. Đánh giá khả năng mưa lớn 220 5.21. VAI TRÒ CỦA ĐỘ ĐỨT THẲNG ĐỨNG CỦA GIÓ 220 5.21.1. Toán đồ mô tả profile gió 221 5.21.2. Nguồn gốc của độ đứt thẳng đứng của gió 222 5.21.3. Hiệu ứng độ đứt thẳng đứng của gió với sự phát triển đối lưu 222 5.21.4. Mối liên quan giữa độ đứt thẳng đứng của gió với sự phát triển dông. 223 5.21.5. Dự báo toán đồ gió . 224 5.22. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THỜI TIẾT XẤU TRONG DÔNG . 224 5.22.1 Mưa lớn và lũ lụt đột ngột 224 5.22.2 Dự báo mưa đá lớn có quy mô hạt ≥ 2 cm 226 5.22.3. Dự báo đường gió mạnh . 227 5.22.4. Dự báo lốc . 228 7 CHƯƠNG 1. NHỮNG ĐỘNG LỰC VÀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG CƠ BẢN CỦA HOÀN LƯU NHIỆT ĐỚI 1.1. RANH GIỚI MIỀN NHIỆT ĐỚI Trước tiên ta hãy xác định khu vực nhiệt đới trên trái đất. Hiện nay có một số cách xác định miền nhiệt đới : theo quan điểm địa lý và theo quan điểm khí tượng. Miền nhiệt đới theo quan điểm địa lý là miền nằm ở hai phía xích đạo và giới hạn bởi vĩ tuyến gần vĩ tuyến 23,5 o Bắc và Nam Bán cầu. Trong khí tượng người ta coi miền nhiệt đới là miền nằm giữa hai vĩ tuyến 30N và 30S, gần trùng với vị trí trung bình của trục cao áp cận nhiệt mỗi bán cầu, phần còn lại của trái đất được gọi là miền ngoại nhiệt đới. Trên trường gió mặt đất, miền nhiệt đới được đặc trưng bởi đới gió đông còn miền ngoại nhiệt đới là đới gió tây. Chính vì v ậy trong khí tượng synôp người ta còn lấy ranh giới phân chia đới gió đông nhiệt đới và đới gió tây ở phần dưới tầng đối lưu (700mb) để xác định miền nhiệt đới. Như vậy, ranh giới này biến động theo mùa và phụ thuộc vào vị trí địa lý. 1.2. CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG NHIỆT CỦA MẶT ĐẤT VÀ KHÍ QUYỂN Mặt trời là nguồn năng lượng chính đối với các quá trình khí quyển trên trái đất. Miền nhiệt đới được giới hạn như trên thu nhận lượng bức xạ nhiệt lớn nhất trên trái đất và ở đây quá trình bốc hơi trên mặt biển cũng xẩy ra mạnh nhất. Chính vì vậy miền nhiệt đới là nguồn nhiệt và nguồn ẩm, từ đây các dòng khí và dòng biển vận chuyển nhiệt ẩ m về miền vĩ độ cao. Tồn tại một sự cân bằng giữa lượng bức xạ mà khí quyển hấp thụ và lượng bức xạ phát ra từ hệ thống trái đất - khí quyển. Chính vì vậy mà nhiệt độ trung bình của mặt đất và của khí quyển hầu như không đổi trong thời gian dài. Mặt khác, chính hoàn lưu bằng các chuyển động kinh hướng và chuyển động thẳng đứng lại đảm b ảo cân bằng nhiệt của từng phần trái đất : nhiệt độ của xích đạo có giá trị trung bình khá ổn định. 8 Kết quả tính trung bình nhiều năm của thông lượng bức xạ, lượng mưa, lượng bốc hơi và vận chuyển nhiệt dạng hiển nhiệt và ẩn nhiệt bốc hơi và ngưng kết là cơ sở để xây dựng các đường phân bố của các thông số này theo vĩ độ ở Bắc và Nam bán cầu (hình 1.1- 1.4). Phân bố bức xạ trên trái đất phụ thuộc trước hết vào vĩ độ địa lý. Trên hình 1.1 là sơ đồ tổng quát về cân bằng bức xạ theo vĩ tuyến. Mặt đất thu được bức xạ nhiệt dương ở hầu hết các vĩ độ, trừ phần nhỏ gần hai cực (cách cực khoảng 15 o vĩ đối với mỗi bán cầu). Ở đây phát xạ nhiệt từ bề mặt băng tuyết lớn hơn lượng bức xạ nhận từ mặt trời. Khí quyển mất năng lượng phát xạ sóng dài nhỏ hơn là thu nhận từ mặt đất, vì vậy dòng nhiệt truyền từ mặt đất vào khí quyển, từ đó nhiệt lại truyền cho những lớp cao hơn và cuối cùng mất nhiệt vào không gian vũ trụ. Hình 1.1 Phân bố thông lượng bức xạ trung bình năm theo vĩ tuyến của mặt đất, khí quyển và hệ thống trái đất- khí quyển (Seller, 1965) Cân bằng bức xạ của hệ thống trái đất-khí quyển là tổng cả hai cân bằng bức xạ cho mặt đất và khí quyển. Đối với khí quyển cân bằng bức xạ dương đối với miền nội nhiệt đới (giới hạn 40 o S và 40 o N) và âm đối với miền ngoại nhiệt đới. Phần thừa bức xạ (bức xạ dương) bao gồm khu vực nằm giữa 35 o vĩ của hai bán cầu đó là miền nội nhiệt đới. Miền ngoại nhiệt đới thiếu bức xạ và thường xuyên được bù lại bằng sự trao đổi nhiệt giữa các vĩ độ dưới dạng các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt. Để bảo toàn cân bằng nhiệt toàn phần cho thời đoạn dài, thể hiện ở sự ổn định của nhiệt độ trung bình ở các độ cao và các vĩ độ thì cần phải có một cơ chế vận chuyển nhiệt từ mặt đất về phía khí quyển và từ miền nhiệt đới về phía các vĩ độ cao. Vận chuyển nhiệt từ mặt đất về phía khí quyển dưới dạng hiển nhiệt, nhiệt truyền từ nơi nhiệt độ cao sang nơi nhiệt độ thấp và ẩn nhiệt qua quá trình bốc hơi, ngưng kết hơi nước và quá trình vận chuyển của hệ thống mây. Trên biển nhiệt đới, lượng ẩn nhiệt được vận chuyển dưới dạng hơi nước lớn hơn là lượng vận chuyển hiển Thừa Thiếu Thiếu Khí quyển Hệ thống trái đất - khí quyển Mặt đất 9 nhiệt. Theo Malkus, tính trung bình cho toàn trái đất, hơn 80% khí quyển thu nhiệt từ phía mặt biển và mặt đất dưới dạng ẩn nhiệt từ hơi nước và hơn nửa lượng ẩn nhiệt này là do đại dương nhiệt đới giữa 30 o N và 30 o S cung cấp. Sự chuyển pha của nước trong khí quyển và sự vận chuyển hơi nước không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo toàn cân bằng nước mà cùng với sự vận chuyển hơi nước là sự vận chuyển ẩn nhiệt, lượng nhiệt này sẽ được giải phóng trong quá trình ngưng kết hơi nước. Trên hình 1.2 là sơ đồ cân bằng nước trong hệ thống trái đất-khí quyển. Tính theo phân bố lượng mư a, lượng bốc hơi và hiệu hai đại lượng này theo vĩ độ. Ta thấy lượng mưa lớn hơn bốc hơi trong các đới từ khoảng vĩ độ 45-60 o về phía cực và trong khoảng 10 o vĩ hai phía xích đạo. Ngược lại, từ 10-40 o vĩ ( miền cận nhiệt đới thịnh hành cao áp trên vùng sa mạc) lượng bốc hơi lớn hơn lượng mưa. Lượng mưa cực đại tại xích đạo mưa chủ yếu có dạng rào từ hệ thống mây tích trên dải áp thấp xích đạo. Hai cực đại khác nằm ở hai miền ôn đới Bắc và Nam bán cầu (khoảng 50-60 o vĩ ) do hoạt động của các chuỗi xoáy thuận. Hai cực tiểu lượng mưa liên quan với trục áp cao cận nhiệt ở khoảng 30 o vĩ. Lượng bốc hơi lớn nhất không ở xích đạo nơi lượng mưa lớn và nhwng nền nhiệt không quas lớn và nhiều mây. Hai cực đại của lượng bốc hơi nằm ở khu vực cách xa xích đạo khoảng 10-15 o vĩ. Hiệu lượng mưa trừ lượng bốc hơi dương ở trên xích đạo thừa ẩm và trên hai khu vực hoạt động mạnh của xoáy thuận ôn đới. Đại lượng này có giá trị ẩm trên khu vực gần trục dải cao áp cận nhiệt ít mưa. Hình 1.2 Phân bố trung bình năm theo vĩ tuyến của lượng mưa, lượng bốc hơi, và hiệu giữa lượng mưa và lượng bốc hơi (inch/năm) (Seller, 1965) Lượng mưa Lượng bốc hơi Lượng mưa trừ bốc hơi Bắc Bán cầu Xích đạo Nam Bán cầu ầ inch/năm . hai, cùng với sự hình thành và phát triển của khí tượng hiện đại và sau này khi nguồn số liệu ngày càng phong phú thì càng có nhiều bằng chứng về sự biến. studying in the tropical and global regions. In the second part of the book on Synoptic Meteorology, we present the main mechanisms and features of the tropical