Giáo trình khí tượng thủy văn hàng hải phần 1

Trong từng phần có đề cập đến ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng - thuỷ văn đối với tàu biển.. Các quá trình và các hiện tượng khí quyển có ảnh hưởng mạnh chủ yếu nằm ở lớp khí quyển sát

Mục lục

Trang

Chương I Khí quyển trái đất

ò2.2 Tác dụng nhiệt của mặt đất đối với lớp khí quyển dưới thấp 9 ò2.3 Nhiệt độ không khí trên mặt đất và cách đo nó 13

ò5.3 Biến trình ngày và năm của áp suất không khí 48 ò5.4 Trường khí áp trên mặt đại dương 49

Chương VI - Gió và các dòng không khí trong khí quyển 54

ò6.3 Các lực tác dụng lên phân tử khí chuyển động 56

ò6.7 Các loại gío địa phương 69

Chương VII - Tầm nhìn xa khí tượng 78

ò7.2 Tầm nhìn xa khí tượng 80 ò7.3 Quan trắc tầm nhìn xa khí tượng 81

Chương VIII - Các bộ phận khí quyển điển hình và thời tiết ở trong đó

84

ò8.7 Hoàn lưu khí quyển trên các vùng khác nhau của địa cầu 121

Chương IX - Dự báo thời tiết và dịch vụ khí tượng 127

ò9.6 Những dấu hiệu thời tiết địa phương 148 ò9.7 Dịch vụ tàu biển bởi các khuyến cáo chọn đường đi tối ưu 151

Chương X- Đại dương thế giới và các đặc điểm cơ bản của nó 154

ò13.1 Nguồn gốc của nhiệt Dụng cụ và phương pháp đo nhiệt độ nước biển

174

Câu hỏi ôn tập chương XIII 178

ò14.4 Đặc trưng của sóng trên Đại dương thế giới và vùng gần bờ 190

Chương XV-Dao động mực nước Đại dương thế giới Hiện tượng thuỷ triều

192

ò15.3 Giải thích hiện tượng thuỷ triều ò15.4 Sự chênh lệch của thuỷ triều

196

199 ò15.5 Biên độ thuỷ triều và đặc điểm của nó trên các đại dương và

biển

201 ò15.6 Cơ sở để tính trước các yếu tố của thuỷ triều 202

ò16.2 Phương pháp và dụng cục xác định hải lưu 208

Bài mở đầu

1 Vai trò vị trí của "Khí tượng - Thuỷ văn hàng hải " đối với ngành hàng hải

Ngành giao thông vận tải đường biển Việt Nam, cũng như nhiều nước khác trên thế giới, đã và

đang phát triển mạnh Nhiều loại tàu đánh cá, tàu vận tải biển đã và đang hoạt động trên tất cả các biển và đại dương của trái đất Các tàu hiện đại được trang bị các phương tiện dẫn đường tối tân, cho phép đi biển trong mọi điều kiện thời tiết Sự hoàn thiện kết cấu thân tàu, kích thước của tàu chứng tỏ rằng việc đi biển trong thời gian hiện nay không phụ thuộc quá nhiều vào ảnh hưởng của môi trường Tuy vậy, những người điều khiển tàu biển, trong hoạt động thực tiễn của mình luôn luôn phải chú ý đến các điều kiện thời tiết và tình trạng mặt biển (đại dương), vì chúng có ảnh hưởng

đáng kể đến mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế của việc khai thác các tàu biển

Sóng to, gió lớn, tầm nhìn xa hạn chế, các hải lưu bất thường là những nhân tố chủ yếu đe doạ sự an toàn trên biển Chúng làm giảm tốc độ tàu, kéo dài thời gian chuyến đi, làm tiêu hao nhiên liệu quá mức, gây ra những tổn thất cơ học đối với thân tàu hoặc hàng hoá, làm giảm hiệu quả kinh tế Mặt khác trong những điều kiện nóng bức, quá ẩm ướt, hoặc quá giá rét, làm cho thuyền viên khó chịu, mệt mỏi, giảm hiệu quả lao động Điều đó gây nên chủ yếu do điều kiện nhiệt

độ của nước biển và không khí, độ ẩm không khí có liên quan đến thân tàu

Vì vậy đối với người điều khiển tàu biển phải biết được các điều kiện khí tượng - thuỷ văn nơi tàu mình đang hoạt động và sẽ đi tới, để có thể tránh mọi nguy hiểm cho tàu, bảo đảm an toàn và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

2 Đối tượng và nhiệm vụ của "Khí tượng - Thuỷ văn hàng hải"

Giáo trình này trình bày khoa học cơ sở của khí tượng học và hải dương học Trong từng phần

có đề cập đến ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng - thuỷ văn đối với tàu biển

Khí tượng học - khoa học về khí quyển trái đất nghiên cứu các quá trình vật lý và những hiện

tượng xảy ra trong đó

Hải dương học - khoa học về các đại dương và biển, nghiên cứu các quá trình lý hoá và các

hiện tượng xảy ra trong đó

Các quá trình và các hiện tượng khí quyển có ảnh hưởng mạnh chủ yếu nằm ở lớp khí quyển sát đất và sát mặt biển Giữa khí quyển với bề mặt đất, mặt nước luôn xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt ẩm và sự tương tác động lực giữa các khối khí với nước đại dương và biển

Trong phần thứ nhất của giáo trình này (phần khí tượng học) cũng được đưa vào một cách ngắn gọn những kiến thức của khí tượng học Si-nốp

Khí tượng học Si-nốp hay khoa học dự đoán thời tiết là khoa học nghiên cứu các quá trình

khí quyển và các nguyên nhân thay đổi thời tiết với mục đích dự báo nó

Phương pháp chính để nghiên cứu khí tượng học, hải dương học và dự báo thời tiết là quan sát và phân tích số liệu quan trắc được Để đạt mục đích đó người ta thành lập nhiều trạm khí tượng- thủy văn cả trên đất liền, trên hải đảo, cả trên các phao nổi và trên các tàu biển di động Ngoài ra, ở các trạm khí tượng, các viện nghiên cứu và các trung tâm dự báo thời tiết tiến hành xử lý các số liệu quan trắc được, thường xuyên xem xét sự thay đổi của thời tiết và thành lập các dự báo thời tiết, dự báo tình trạng mặt biển (đại dương)

Yêu cầu của "Khí tượng - thuỷ văn hàng hải " là trang bị những kiến thức cần thiết cho sỹ quan boong :

1 Nắm được những quá trình và các hiện tượng xảy ra trong khí quyển, trên mặt biển và đại dương

2 Đánh giá đúng ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết và thuỷ văn đến các loại tàu biển 3.Tiến hành quan trắc các yếu tố khí tượng - thuỷ văn trên tàu, mã hoá các số liệu đó và chuyển cho các trung tâm thời tiết

4 Sử dụng trong thực tiễn hàng hải các bản đồ thời tiết facsimile, các dự báo bão, dự báo thời tiết, mà tàu thu được từ các trung tâm dự báo của nhiều nước khác nhau

5 Thống kê được những dấu hiệu thời tiết địa phương (quan sát được từ trên tàu) để làm chính xác thêm các thông tin dự báo thời tiết chính thức đã thu được

6 Đánh giá một cách thông thạo những hướng dẫn về việc chọn đường đi tối ưu trong sự phụ thuộc vào các điểu kiện khí tượng - thuỷ văn

Trong phần thứ 3 (phần cuối cùng) của giáo trình là các phụ lục ở đó trích dẫn một phần của

"Bảng tra ẩm độ", các ví dụ đơn giản xác định các đại lượng đặc trưng cho độ ẩm, các ảnh mây và những ký hiệu quy ước về mây và các hiện tượng khí tượng trên bản đồ thời tiết

Câu hỏi ôn tập bài mở đầu

1 Cho biết vai trò và vị trí của môn "Khí tượng - thuỷ văn hàng hải" đối với ngành hàng hải

2 Cho biến đối tượng nghiên cứu và những nhiệm vụ cơ bản của "Khí tượng - thuỷ văn hàng hải"

PhÇn thø nhÊt khÝ t−îng häc

Chương I

Khí quyển trái đất

Đ1.1 Thành phần khí quyển trái đất

1.1.1 Thành phần khí quyển gần mặt đất : Khí quyển tạo thành từ hỗn hợp của nhiều chất khí

khác nhau, trong đó (theo thể tích) bao gồm : nitơ (chiếm 78,09%), ôxy (20,95%) và ocgon (0.93%) Còn lại một lượng không đáng kể (tổng cộng là 0.03%) là khí cac-bô-nic, nê -ôn , he-li, me-tan, hiđrô, ôzôn v.v trong không khí bao giờ cũng có hơi nước và các tạp chất lơ lửng khác Không khí không chứa hơi nước và các tạp chất cơ học gọi là không khí sạch và khô Khối lượng phân tử tương đối của không khí khô bằng 20.97; gần bằng khối lượng phân tử tương đối của ni-tơ (28.02)

Các nghiên cứu nhờ bóng thám không và tên lửa xác định rằng thành phần hoá học của không khí đến độ cao 90 -100 km giữ ổn định Đồng thời khối lượng phân tử của không khí cũng gần như

không thay đổi trong lớp khí đó, vì thế lớp khí này được gọi là khí đồng nhất Sự ổn định của thành phần

khí quyển trong lớp khí đồng nhất được giải thích nhờ sự trao đổi thẳng đứng và nằm ngang của không khí ở trong lớp đó

Hơi nước đi vào khí quyển do sự bốc hơi từ bề mặt nước, mặt đất ẩm, lớp phủ thực vật v.v

Lượng hơi nước giảm rất nhanh khi độ cao tăng lên Sự tồn tại của hơi nước phần nào làm thay đổi thành phần (theo thể tích) của không khí Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong khí quyển Do sự ngưng kết

và đóng băng tạo ra các dạng mây, mưa, tuyết, sương mù làm giảm tầm nhìn xa Ngoài ra hơi nước còn

có tính chất hấp thụ bức xạ sóng dài của trái đất nên ảnh hưởng rõ rệt đến chế độ nhiệt của khí quyển

Khí các-bô-níc đi vào khí quyển từ các đám cháy, từ sự mục nát, phân hoá của sinh vật, từ sự thở

ra của động vật Lượng khí các-bô-níc thay đổi phụ thuộc vào điều kiện địa phương, thời gian trong ngày và mùa trong năm Khi lượng khí các-bô-níc tăng dẫn đến sự tăng lên của nhiệt độ không khí gần

mặt đất

Khí ôzôn - khí tạo thành từ ba nguyên tử ôxy ở tầng thấp của khí quyển khí ôzôn tạo ra từ các

loại chớp giông ở các tầng cao của khí quyển , khí ôzôn sinh ra trong kết quả của sự tương tác tia tử ngoại mặt trời với ôxy Vai trò chính và rất quan trọng của khí ôzôn với cuộc sống trên trái đất là khả năng hấp thụ bức xạ tử ngoại mặt trời Khí ôzôn có thể hấp thụ 4% năng lượng tia của mặt trời, làm tăng nhiệt độ không khí ở độ cao từ 20-50 km

1.1.2 Thành phần khí quyển trên cao : Từ độ cao 90-100 km trở lên thành phần khí quyển thay

đổi mạnh Trên 100 km quan sát thấy có ôxy đơn nguyên tử, còn trên 300 km thì một phần ni-tơ bị phân

rẽ ở độ cao trên 1000 km khí quyển tạo thành chủ yếu từ khí hê-li và khí hyđrô Các quan sát của trạm

tự động cho biết ở độ cao trên 2000 km còn tồn tại dấu hiệu của khí quyển trái đất Ô1.2 Cấu trúc khí quyển

1.2.1 Độ cao và khối lượng khí quyển Dưới tác dụng của lực hút của trái đất, mật độ không khí lớn

nhất ở lớp gần mặt đất Theo chiều tăng của độ cao, mật độ giảm xuống (khoảng cách giữa các phân tử tăng lên) Dần dần mật độ không khí tiến gần đến mật độ của không gian vũ trụ (ở độ cao trên 2000 km )

Ngày nay, người ta tạm thời công nhận giới hạn vật lý trên cùng của khí quyển trái đất nằm ở độ cao 2000 km

Khối lượng tổng cộng của khí quyển bằng 5.16 x 1021 g gần 50 % khối lượng ở trong bề dày cách mặt đất 5 km, 75% nằm trong lớp dày đến 10 km và 90% đến 16 km

1.2.2 Sự phân chia khí quyển thành các tầng

Nghiên cứu các hiện tượng quan sát được trong khí quyển người ta thấy rằng có thể chia khí quyển thành một loạt những lớp cầu đồng tâm Sự phân chia đó thực hiện theo các nguyên tắc khác nhau Nếu theo những đặc trưng của sự thay đổi nhiệt độ với độ cao và đặc biệt về chế độ nhiệt bên trong của mỗi lớp thì khí quyển được chia thành năm tầng (lớp cầu) chính sau đây (giữa các tầng đó là lớp chuyển tiếp) Xem bảng 1

Bảng 1

Các tầng (lớp cầu ) Độ cao trung bình, km Các lớp chuyển tiếp

Tầng đối lưu (tropos)

Tầng bình lưu( stratus)

Tầng trung gian( mezos)

Tầng nhiệt (termos)

Tầng khí quyển ngoài

0-11 11-50 50-80 80-800 trên 800-2000

Lớp đối lưu hạn(tronpopauso) Lớp bình lưu hạn(stratopause) Lớp mezo hạn (mezopause) Lớp Termô hạn (termopause)

Tầng đối lưu : Điều nổi bật của tầng đối lưu là nhiệt độ hạ theo độ cao Đại lượng hạ nhiệt độ trung

bình cỡ 6 -70 trên 1 km độ cao Trong tầng đối lưu bao giờ cũng có hơi nước, có mây, mưa, tuyết, sương mù gió trong tầng đối lưu trên các vĩ độ vừa và cao chủ yếu có hướng tây và càng lên cao cường độ gió càng tăng, đạt giá trị cực đại ở gần giới hạn trên áp suất không khí giảm mạnh theo độ cao và ở độ cao

5 km, áp suất còn lại 1/2, ở độ cao 10 km là 1/4 so với ở mặt đất

Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu không ổn định Nó phụ thuộc vào mùa trong năm và đặc tính của các quá trình khí quyển Sự gia tăng của giới hạn trên tầng đối lưu quan sát thấy từ mùa đông

đến mùa hạ và từ cực về xích đạo

Tầng bình lưu: nằm giữa tầng đối lưu và bình lưu là lớp chuyển tiếp (gọi là đối lưu hạn) Độ dày

của lớp này khoảng 1-2 km Trong đối lưu hạn nhiệt độ ngừng hạ theo độ cao

Đặc điểm chính của tầng bình lưu là sự ổn định nhiệt độ theo độ cao ở phần dưới và sự tăng lên theo độ cao bắt đầu từ km thứ 25 cho đến tận giới hạn trên ở giới hạn trên của tầng bình lưu nhiệt độ tăng đến 00, và cũng có thể đạt cực đại đến +100 thậm chí +300 Điều đó được giải thích bởi tính hấp thụ lớn của ôzôn mà khối lượng lớn của nó nằm ở lớp này Trong tầng bình lưu hơi nước rất hiếm và hầu như không có mây

Tầng trung gian : Lớp chuyển tiếp giữa tầng bình lưu và tầng trung gian gọi là lớp bình lưu hạn

Trong tầng trung gian nhiệt độ hạ theo độ cao Tại giới hạn trên của tầng này nhiệt độ xuống tới âm 70,

âm 800 Tầng trung gian có đặc trưng là sự nhiễu loạn mạnh và xáo trộn theo chiều thẳng đứng, mật độ không khí ở đây không đáng kể Tại giới hạn trên của tầng này áp suất không khí khoảng 200 lần nhỏ hơn áp suất trên mặt đất Tốc độ gió đạt tới vài trăm km trong một giờ Trên độ cao chừng 82-85 km, thỉnh thoảng quan sát thấy loại mây ánh bạc được tạo thành từ các tinh thể băng nhỏ xíu

Tầng nhiệt : đặc trưng của tầng này là sự tăng lên của nhiệt độ theo độ cao, có liên quan với sự

hấp thụ năng lượng mặt trời bởi các nguyên tử ôxy Theo tính toán, tại giới hạn trên (khoảng 800 km) nhiệt độ có thể đạt tới 750-15000 Dĩ nhiên nhiệt độ này không thể đo được Khí quyển tầng nhiệt vô cùng loãng

Tầng khí quyển ngoài : nhiệt độ của không khí ở tầng này còn có thể đạt giá trị cao hơn ở tầng

nhiệt Chuyển động của các chất khí nhẹ như hyđrô và hêli với tốc độ rất lớn, có thể đạt tới 11.2 km/s và

có thể thắng lực hấp dẫn của trái đất đi vào không gian giữa các hành tinh

Ngoài cách phân chia khí quyển thành năm tầng theo trạng thái nhiệt trên đây, người ta còn phân chia theo tính chất điện Theo cách này tầng nhiệt được gọi là tầng điện li Trong phần lớn độ dày của tầng điện li (từ 60-80 km đến 800-1000 km) có mật độ lớn của các I-ôn nguyên tử và phân tử của các chất khí khác nhau

Tầng điện li lại được chia thành ba lớp theo mức độ ảnh hưởng của chúng đến sự truyền sóng vô tuyến Đó là lớp D ( ở độ cao 60 -80 km ); lớp E (100-120 km) và lớp F (ở độ cao 200-400 km)

Trong tầng điện li thường quan sát thấy hiện tượng cực quang và sự hửng sáng của phông trời

đêm

Câu hỏi ôn tập chương I

1 Cho biết các thành phần khí quyển gần mặt đất Nêu lên tầm quan trọng của hơi nước, khí các-bô-nic và ôzôn

2 Cho biết sự phẩn bố khí quyển theo độ cao Nêu những đặc điểm nổi bật của các tầng khí quyển

Chương II Hiện tượng nhiệt trong khí quyển

Đ 2.1 Trạng thái nhiệt của khí quyển

2.1.1 Nguồn gốc của nhiệt: Nguồn gốc chính của năng lượng của hầu hết tất cả các quá trình và

các hiện tượng trong khí quyển là nhiệt mặt trời đi tới khí quyển và bề mặt đất dưới dạng năng lượng tia Năng lượng mặt trời làm chuyển động các khối khí và các dòng chảy biển, bảo đảm sự tuần hoàn của nước trong tự nhiên, hun nóng bề mặt đất Nhiệt từ mặt đất dần dần truyền xuống dưới sâu và tạo ra nhiệt lượng dự trữ ở đó, chúng rất cần cho mọi cơ thể sống ánh sáng nhìn thấy của năng lượng mặt trời cho ta độ sáng ban ngày và là nguồn gốc của mọi hiện tượng quang học khác nhau trong khí quyển

2.1.2 Bức xạ mặt trời : Năng lượng tia mặt trời do mặt trời toả ra gọi là bức xạ mặt trời Nó truyền

đi dưới dạng sóng điện từ với tốc độ 300.000 km/s Trong khí quyển và trên trái đất nó chuyển sang dạng nhiệt lượng

Khí quyển và trái đất nhận được nhiệt lượng tổng cộng từ mặt trời trong suốt một năm là 1.3 x

1024 ca lo Nhiệt lượng này có thể làm tan một lớp băng dày 36 m phủ kín toàn bộ địa cầu ở nhiệt độ

00C

Tổ hợp toàn bộ dải sóng mà trên đó bức xạ mặt trời phát ra gọi là phổ bức xạ mặt trời Phổ mặt trời chia làm ba dạng tia: bức xạ tử ngoại - bức xạ sóng ngắn với độ dài bước sóng từ 0,10 - 0,40 àm, bức xạ nhìn thấy hay bức xạ ánh sáng với độ dài bước sóng từ 0.40 - 0.76 àm; bức xạ hồng ngoại - bức xạ sóng dài với độ dài bước sóng từ 0.76 - 4.0 àm

2.1.3 Bức xạ trực tiếp và bức xạ khuyếch tán : Bức xạ mặt trời đến mặt đất dưới dạng tia trực

tiếp (đi thẳng) và tia khuyếch tán (do tính tán xạ của các thành phần khí quyển)

Bức xạ đến một cách trực tiếp từ mặt trời dưới dạng các chùm tia song song gặp bề mặt đất và

các lớp khác nhau trong khí quyển gọi là bức xạ trực tiếp Cường độ của bức xạ trực tiếp phụ thuộc vào

độ cao của mặt trời trong thời gian ban ngày Cường độ bức xạ trực tiếp đạt cực đại vào lúc giữa trưa địa phương

Bức xạ mặt trời bị tán xạ nhiều lần trong khí quyển gọi là bức xạ khuyếch tán Bức xạ khuyếch

tán đến bề mặt đất từ tất cả các hướng của phông trời Cường độ bức xạ khuyếch tán phụ thuộc vào độ cao mặt trời, độ trong suốt khí quyển,sự hiện diện của mây, đặc điểm phản xạ của mặt đệm, độ cao của

địa điểm so với mặt biển

Bức xạ khuyếch tán tạo ra màu xanh da trời, đưa sự rọi sáng vào những vùng nhá nhem (đang thời kỳ hoàng hôn hoặc bình minh) lúc trời quang mây và độ rọi sáng ban ngày lúc trời mây dầy đặc

Bức xạ tổng cộng là tổng hợp bức xạ trực tiếp và khuyếch xạ khuyếch tán đã đến được mặt đất

trong điều kiện hiện tại

Bức xạ phản hồi: bức xạ tổng cộng đi vào một bề mặt nào đó, một phần được bề mặt đó hấp thụ ,

còn một phần khác phản hồi trở lại Mức độ hấp thụ và phản hồi bức xạ phụ thuộc vào hoạt tính của mặt

đệm

Đ 2.2 Tác dụng nhiệt của mặt đệm đối với khí quyển dưới thấp

2.2.1 Mặt đệm: là bề mặt đất, mặt nước, lớp phủ thực vật, lớp phủ băng tuyết nằm dưới đáy của

đại dương khí quyển Do đặc điểm khác nhau về màu sắc và độ ẩm của từng loại mặt đệm mà sự hấp thụ và phản hồi bức xạ mặt trời cũng khác nhau Đối với mặt đất ẩm màu đen, màu xám thì mức độ hấp thụ bức xạ là lớn nhất, còn cát khô, màu sáng thì hấp thụ ít nhất và phản hồi nhiều nhất Thêm vào đó

bề mặt nước đại dương nhất là ở miền xích đạo thì sự hấp thụ bức xạ mặt trời là lớn nhất

2.2.2 Sự nóng lên và lạnh đi của các loại mặt đệm: Sự nóng lên và lạnh đi của mặt đệm phụ

thuộc vào sự cân bằng nhiệt của nó, tức là phụ thuộc vào mối quan hệ giữ lượng nhiệt hấp thụ vào và nhiệt toả ra của nó