Các quá trình vật lý khí quyển cơ bản

2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

NHIỆT ĐỘ
SỰ BỐC HƠI
ĐỘ ẨM KK
SỰ NGƯNG KẾT
MÂY
GIÁNG THỦY
ÁP SUẤT KQ
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
1


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Sự chuyển động theo phương nằm ngang của các phần tử KK gọi là gió

•

Lực gradient khí áp nằm ngang: lực phát động ra gió G = −

•

Những lực xuất hiện khi KK chuyển động: khi lực gradient khí áp nằm
ngang tác động lên một khối KK Æ ngay lập tức xuất hiện ra những lực
mới tác động lên khối KK đó và ảnh hưởng đến tính chất chuyển động
của nó, gồm:

l ∂P
ρ ∂n

• Lực Coriolis: Lực làm lệch do sự quay của trái đất - tác dụng theo
hướng vuông góc với chuyển động của khối KK, về bên phải ở bán
cầu Bắc và về bên trái ở bán cầu Nam. Độ lớn của lực phụ thuộc vào
vĩ độ địa lý ϕ, tốc độ chuyển động của không khí V và tốc độ góc quay
của trái đất ω

A = 2ωVsinϕ

2


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
• Lực ly tâm: xuất hiện khi phần tử KK chuyển động theo quỹ đạo cong
2

V
C =

r

• V tốc độ chuyển động của phần tử KK,
• r bán kính quĩ đạo cong của phần tử KK đó
• Lực ma sát: hãm chuyển động tịnh tiến, đồng thời làm lệch hướng
chuyển động của phần tử KK. Lực ma sát được gây ra bởi:
• Tác động giữ lại của mặt đất lên không khí chuyển động
(ma sát ngoài)
• “Tính nhớt” của bản thân không khí (ma sát trong)
R = kV (k là hệ số ma sát)
3


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
Đặc trưng của gió:
•

Tốc độ gió: biểu thị đại lượng trị số tốc độ
• m/s
• km/h
• nút (1kts = 0,5m/s)
• Bảng tốc độ gió (lực gió) – tính bằng cấp theo bảng Bopho (Beaufort )
chia 12 cấp
• tính độ gió từ phía bắc theo chiều kim đồng hồ: hướng bắc tương ứng
360o, hướng đông bắc 45o, hướng đông 90o, hướng nam 180o, hướng
tây 270o

4

2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ

Bảng tốc
độ gió
Beaufort

5


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
Đặc trưng của gió:
•

Hướng gió: chỉ hướng từ đâu gió thổi tới, gồm 8 hướng chính và 8
hướng phụ

• Biểu đồ hoa gió: biểu diễn sự phân bố hướng gió
theo những hướng chính và những đoạn nối có
chiều dài tỷ lệ với tần suất gió
6


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
Đặc điểm gió:
•

Đường dòng: là đường mà tại mỗi điểm của nó vectơ gió tiếp tuyến với
nó. Đường dòng càng xít nhau nếu tốc độ gió ở đó càng lớn
• Đường dòng hội tụ trong xoáy thuận, phân kỳ trong xoáy nghịch
• Sự hội tụ của đường dòng phải kèm theo sự chuyển động của KK
thăng lên
• Sự phân kỳ kèm theo chuyển động KK giáng xuống và tỏa ra xung
quanh

7


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
Đặc điểm gió:
• Trong xoáy thuận ở mặt đất dòng khí hội tụ, do tính liên tục trên xoáy
thuận mặt đất dòng thăng phát triển tạo mây và mưa, phía trên cao
trong khu vực xoáy thuận là dòng phân kỳ KK ở trên cao duy trì áp
thấp trong xoáy thuận
• Trong khu vực xoáy nghịch ở mặt đất dòng khí phân kỳ và trên cao KK
hội tụ, duy trì khí áp cao trong xoáy nghịch

8


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
Đặc điểm gió:
• Hội tụ và phân kỳ là bản chất của trường gió do sự phân bố của khí áp
• Các đường dòng hội tụ hay phân kỳ một phần là do ảnh hưởng của
ma sát đối với KK chuyển động, cũng có thể có liên quan với hình thế

hay địa hình của mặt trải dưới.
• Nếu KK chuyển động theo lòng khe hẹp dần lại, chẳng hạn như giữa
các dãy núi, các đường dòng sẽ hội tụ lại; nếu chuyển động theo lòng
khe mở rộng dần các đường dòng sẽ phân kỳ

9


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Gió địa chuyển: một dạng chuyển động đơn giản nhất của KK dựa trên
chuyển động thẳng đều không có ma sát
• Trong điều kiện gió này, phần tử KK chịu tác dụng của lực gradient (G)
khí áp và lực Coriolis (A). Vì chuyển động là chuyển động thẳng đều
nên hai lực này phải cân bằng nhau, tức là bằng nhau về lượng và đối
nhau về hướng
• Lực gradient có hướng thẳng góc với các đường đẳng áp Æ nghĩa là
gió địa chuyển thổi dọc theo đường đẳng áp và giữ sao cho bên trái
của hướng chuyển động là vùng áp thấp

10


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Gió gradient: là chuyển động đều của KK theo quĩ đạo cong mà không

chịu ảnh hưởng của lực ma sát
• Chỉ chịu ảnh hưởng của lực gradient, lực Coriolis và lực ly tâm (hướng
từ trong ra ngoài theo bán kính của quĩ đạo chuyển động cong)
• Trong điều kiện chuyển động đều thì ba lực này tác động lên phần tử
KK phải cân bằng
• Gió gradient có quĩ đạo chuyển động của KK trùng với các đường
đẳng áp cong

11


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
• Gió gradient trong xoáy thuận:
• lực ly tâm C huớng ra ngoài, ngược hướng của lực gradient G
• Thực tế, lực C < lực G Æ để thỏa mãn điều kiện của gió gradient,
tức là các lực tác dụng vào các phần tử KK phải cân bằng thì lực
Coriolis A phải hướng theo lực ly tâm C và tổng hợp lực C và A
phải bằng lực gradient
• Hướng chuyển động của KK thẳng góc và nằm về phía trái của lực
A ở bán cầu Bắc, còn ở bán cầu Nam thì nằm về phía bên phải
của lực A Î gió phải thổi theo các đường đẳng áp cong của xoáy
thuận và ngược với chiều kim đồng hồ ở bán cầu Bắc, hoặc thuận
với chiều kim đồng hồ ở bán cầu Nam
Gió gradient trong xoáy thuận:
G- lực gradient khí áp
A- lực Coriolis
C- lực ly tâm
V- tốc độ gió

12


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
• Gió gradient trong xoáy nghịch:
• Lực gradient khí áp G hướng từ tâm ra ngoài, lực ly tâm C cũng
hướng ra ngoài, tức là cùng hướng với lực G Æ lực Coriolis A phải
hướng vào tâm xoáy nghịch và phải cân bằng với hai lực G và C
• Nếu lực A hướng vào trung tâm thì chuyển động của phần tử KK
có hướng thẳng góc và nằm về phía bên trái của lực A ở bán cầu
Bắc, và nằm phía bên phải của lực A ở bán cầu Nam Î trong xoáy
nghịch gió phải thổi theo các đường đẳng áp cong và thuận với
chiều kim đồng hồ ở bán cầu Bắc, hoặc ngược với chiều kim đồng
hồ ở bán cầu Nam
Gió gradient trong xoáy nghịch:
G- lực gradient khí áp
A- lực Coriolis
C- lực ly tâm
V- tốc độ gió

13


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
• Tốc độ gió gradient trong xoáy thuận và xoáy nghịch:
2
VGR
l ∂p

−
+ 2ω sin ϕVGR ±
= 0
r
ρ ∂n

• Dấu (±): dấu (+) trường hợp xoáy thuận, dấu (–) trường hợp
xoáy nghịch
• Cùng trị số gradient khí áp, tốc độ gió gradient trong xoáy thuận
nhỏ hơn, còn ở trong xoáy nghịch lớn hơn tốc độ gió trong trường
hợp các đường đẳng áp thẳng, nghĩa là lớn hơn gió địa chuyển
• Tốc độ gió tỉ lệ thuận với lực lệch hướng (Coriolis)
• Cùng trị số gradien khí áp, tốc độ gió trong xoáy nghịch lớn hơn
trong xoáy thuận
• Gió thực tế trong xoáy thuận và xoáy nghịch ở trong các lớp KQ
trên cao phù hợp với gió gradient hơn là với gió địa chuyển.
Nhưng ở các lớp KQ dưới thấp gần bề mặt địa cầu do ảnh hưởng
của lực ma sát nên gió thực tế đều khác cả với gió gradient lẫn
14
với gió địa chuyển


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Gió nhiệt:
• khí áp thay đổi theo độ cao Æ dẫn đến sự biến đổi của hướng gió và
tốc độ gió theo độ cao
• trong các lớp trên cao của KQ, vùng nóng là vùng khí áp cao, vùng

lạnh là vùng khí áp thấp
• theo độ cao, hướng của gradient khí áp nằm ngang gần sát hướng
gradient nằm ngang của T trung bình của lớp KQ Æ gió nhiệt
• Hướng của gió nhiệt theo hướng của đường đẳng nhiệt sao cho nhiệt
độ thấp ở bên trái, còn nhiệt độ cao ở bên phải

Gió nhiệt:
Vo - gió ở tầng thấp
V - gió ở tầng cao
ΔV - gió nhiệt
T = const - đẳng nhiệt

15


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Ảnh hưởng của ma sát đến chuyển động của KK:
• Do ma sát, tốc độ gió bị giảm nhỏ đi ít nhiều so với tốc độ gió địa
chuyển tính được từ gradient khí áp trên mặt đất (độ cao của nơi đặt
máy đo gió, khoảng 10 – 12 m trên mặt đất)
• Lực ma sát có hướng ngược với hướng chuyển động nên nó không
nằm trên đường thẳng góc với lực Coriolis Æ lực gradient, lực cân
bằng với tổng hợp của hai lực Coriolis và ma sát hợp thành với hướng
chuyển động của KK một góc nhọn. Nghĩa là, gió phải thổi dọc theo
đường đẳng áp mà lệch về bên phải (ở bán cầu Bắc) của lực gradient
một góc nhỏ hơn góc vuông. Trong trường hợp này, hướng của gió có
thể phân thành hai thành phần – theo đường đẳng áp và theo lực

V
gradient khí áp
G

Gió địa chuyển có ma sát
G - lực gradient khí áp
A - lực Coriolis
R - lực ma sát
V - tốc độ gió

α

A

16
R

A+R


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
SỰ CHUYỂN ĐỘNG CỦA KK – GIÓ
•

Ảnh hưởng của ma sát đến chuyển động của KK:
• Xét chuyển động đều của KK ở bán cầu Bắc trong điều kiện các đường
đẳng áp cong và chịu ảnh hưởng của lực ma sát Æ cũng thu được kết
luận tương tự như trên:
• Trường hợp xoáy thuận, ở các lớp KK dưới thấp gió thổi ngược
chiều kim đồng hồ và xoáy từ ngoài vào trong

• Trường hợp xoáy nghịch – gió thổi thuận theo chiều kim đồng hồ
và xoáy từ tâm ra ngoài
1000

1010

990

Đường đẳng áp (đường liền
nét) và đường dòng (đường đứt
quãng) ở lớp KK dưới thấp của
xoáy thuận (bên trái) và xoáy
nghịch (bên phải)

1020

17


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK:
•

Khối KK là những dòng KK tương đối đồng nhất về tính chất, chiếm
những khoảng không gian rộng lớn vào cỡ một lục địa hoặc một phần
của lục địa. Một khối KK thường trải từ mặt đất đến đỉnh tầng đối lưu.
Những dòng KK này là những thành phần của hoàn lưu chung của KQ

•

ổ hình thành các khối KK:
• vùng địa lý có mặt nằm dưới đồng nhất
• hệ thống hoàn lưu (một xoáy thuận hay một xoáy nghịch)

•

Khối KK ở mặt nằm dưới nhờ sự trao đổi loạn lưu về nhiệt và ẩm + các
quá trình bức xạ làm cho chính khối KK lạnh đi hay nóng lên ở tất cả các
độ cao Æ Quá trình hình thành được coi là hoàn tất khi T của khối KK ở
tất cả các mực đạt tới một giá trị cân bằng về nhiệt đối với một vùng địa
lý nhất định trong một mùa nhất định
18


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK: phân loại: 2 quan điểm:
•

Theo nhiệt:
•

Các khối KK nóng - là khối KK sau khi xâm nhập vào một miền địa lý
nào đó sẽ lạnh đi từ ngày này qua ngày khác Æ 2 loại: nóng ổn định
và nóng không ổn định

•

Các khối KK lạnh - là khối KK sau khi xâm nhập vào một miền địa lý

nào đó sẽ nóng lên từ ngày nay qua ngày khác Æ lạnh ổn định và
lạnh không ổn định

•

Các khối KK địa phương - là khối KK đã tồn tại lâu trong một miền
nào đó Æ ổn định và không ổn định

Khối KK ổn định thì đối lưu không thể phát triển mạnh mẽ, đặc biệt khi
có nghịch nhiệt tồn tại ở lớp dưới. Khối KK không ổn định thì đối lưu
và loạn lưu dễ phát triển
19


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK: phân loại: 2 quan điểm:
•

Theo miền địa lý
• Khối KK băng dương
• Khối KK vĩ độ trung bình (khối KK cực)
• Khối không khí nhiệt đới
• Khối không khí xích đạo

20


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ

Các khối KK: Các điều kiện thời tiết trong các khối KK:
•

Các khối KK ổn định
• nóng ổn định: Các khối KK nóng xuất hiện vào mùa lạnh khi KK từ
biển đi vào lục địa và vào mùa nóng khi KK lục địa đi từ lục địa ra
biển. Do mặt đệm lạnh hơn nên đã làm lớp không khí dưới cùng cũng
lạnh đi nhiều hơn và có thể dẫn tới sự hình thành lớp nghịch nhiệt ở
lớp gần sát đất, do đó độ ổn định sẽ tăng thêm và chỉ có thể xuất hiện
loạn lưu, đối lưu yếu gây cản trở sự hình thành các loại mây cho mưa
lớn và chủ yếu là xuất hiện mây tầng (St) và mây tầng tích (Sc), đôi
khi kèm theo mưa phùn hay sương mù bình lưu

21


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK: Các điều kiện thời tiết trong các khối KK:
•

Các khối KK ổn định
• lạnh ổn định: Các khối KK này xuất hiện trên các lục địa vào mùa lạnh,
vào mùa nóng chỉ thấy ở Bắc Băng Dương. Do mặt đất bị tuyết phủ
nên lớp KK sát đất bị lạnh đi nhiều và lớp KK này càng ngày càng dày
có khi đến 1 – 2 km Æ thời tiết đặc trưng của khối KK này trong mùa
lạnh trên lục địa là rét và ít mây, có khi có sương mù bức xạ và có lúc
nhiều mây và đôi khi kèm theo mưa tuyết nhỏ

22

2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK: Các điều kiện thời tiết trong các khối KK:
•

Các khối KK không ổn định
• nóng không ổn định: Mùa lạnh khối KK nóng không ổn định có thể
quan trắc thấy trên biển và trên miền duyên hải. Nhiều đám mây vũ
tích (Cb) được hình thành trong các khối KK này. Mùa nóng, KK nóng
không ổn định chỉ quan trắc thấy trên lục địa nên có dông vào ban
đêm, KK ngột ngạt khó thở trước cơn dông
• lạnh không ổn định: Mùa nóng trên lục địa khối KK không ổn định là
khối KK từ đại dương chuyển vào lục địa Æ đối lưu sẽ phát triển mạnh
và các loại mây dạng tích hình thành và phát triển, do đó giáng thủy
sẽ xảy ra (mưa rào, mưa dông). Mùa lạnh khối KK lạnh từ lục địa di
chuyển ra biển, vì biển ấm hơn lục địa, đặc biệt là vào ban đêm nhân
tố bức xạ có một tầm quan trọng lớn đẩy mạnh sự phát triển đối lưu
và mây vũ tích (Cb) hình thành và phát triển mạnh nên có mưa rào,
23
mưa dông mạnh, có khi đến mức rất to


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Các khối KK: Các điều kiện thời tiết trong các khối KK:
•

Các khối KK không ổn định

• Sự biến tính của các khối KK: là sự thay đổi tính chất của một khối KK
theo thời gian
• Khi đánh giá biến tính: chú ý biến thiên của T và độ ẩm KK
• Khi phân loại các khối KK theo địa lý: phân biệt sự biến tính tương
đối và sự biến tính tuyệt đối. Biến tính tương đối là biến thiên của
các tính chất của khối KK, trong đó còn bảo toàn được những nét
cơ bản của khối KK và kiểu địa lý của nó - Biến tính tuyệt đối là sự
thay đổi tận gốc của các tính chất của khối KK khi kiểu địa lý của
nó thay đổi
• Những biến thiên địa phương của T phụ thuộc vào: dòng nhiệt lan
truyền tới, sự biến thiên địa phương của khí áp, sự biến thiên bình lưu
địa phương của T và biến thiên của T do tốc độ thẳng đứng gây nên24


2.3.Các quá trình vật lý KQ cơ bản
CÁC KHỐI KK VÀ FRONT KQ
Front KQ:
•

Front - là một đới hẹp chuyển tiếp giữa các khối KK, đặc trưng bởi
những biến thiên rõ rệt của các yếu tố khí tượng theo phương nằm
ngang (nhiều mây, mưa lớn, gió mạnh, T biến đổi...). Đới chuyển tiếp
này có thể biểu diễn bằng một mặt gọi là mặt front. Giao tuyến của mặt
front với một mặt nằm ngang nào đó hay với một mặt đẳng áp nào đó
gọi là đường front (hoặc đơn giản hơn gọi là front)

•

Front rộng từ vài kilômét đến mấy chục kilômét. Ở các lớp trên cao bề
rộng của mặt front thường lớn hơn, có thể tới 200 – 400 km hoặc hơn.

Theo chiều thẳng đứng mặt front cũng lên cao như các khối KK mà nó
ngăn cách. Chiều dài của front cũng tương ứng với phạm vi của các khối
không khí, tức là có thể từ mấy trăm đến mấy nghìn kilômét
25