Khí tượng biển - Chương 3 ppsx

CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN 3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển 3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí 1 Giới thiệu chung Theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động

CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN

3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển

3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí

1) Giới thiệu chung

Theo nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học thì “năng lượng toàn phần của một cơ

hệ bằng tổng công sinh ra và nhiệt lượng mà cơ hệ nhận được”, nên nếu có một lượng nhiệt dQ cung cho 1 gam không khí thì nó sẽ biến thành nội năng du và công dãn nở APdV:

Trong khí tượng thì: dQ chính là biến thiên nhiệt lượng của khối không khí được mặt

đất đốt nóng;

du = Cv dT là nội năng của khối không khí;

APdV là công dãn nở không khí;

(A là đương lượng nhiệt của công; A = 0,24.10-7cal/ecg)

Các phương trình từ (3-1) đến (3-4) đều là các dạng khác nhau của phương trình nhiệt động học

ART

dP

Có nghĩa là sự thay đổi nhiệt độ của khối không khí không chỉ do dQ mà còn do

dP nữa Chẳng hạn: trong trường hợp dQ > 0 nếu dP > 0 thì nhiệt độ tăng, dP < 0 thì nhiệt độ giảm

- Trường hợp đặc biệt: dQ = 0, ta có phương trình nhiệt lực học như sau:

Thực ra, trong khí quyển không có quá trình đoạn nhiệt một cách hoàn toàn (nhất

là trong lớp khí quyển sát đất nơi tiếp xúc với bề mặt đệm), song trong những trường hợp riêng biệt, sự trao đổi nhiệt bằng phương thức phân tử, phát xạ là khá nhỏ, thì ở một chừng mực nào đó có thể bỏ qua sự trao đổi nhiệt của khối không khí với môi trường xung quanh bằng các phương thức này và xem quá trình thăng giáng của không khí là quá trình đoạn nhiệt

Trong quá trình thăng đoạn nhiệt thì nhiệt độ không khí giảm đi, trong quá trình giáng đoạn nhiệt thì nhiệt độ không khí tăng lên Sở dĩ như vậy vì: không khí bốc lên cao thì dãn nở và tiêu tốn một công để làm dãn nở nó, công này lấy ở nội năng của không khí làm cho nhiệt độ khối không khí giảm đi Ngược lại, không khí ở trên cao giáng xuống tới những lớp có áp suất lớn hơn nên bị nén lại do ngoại lực do đó làm tăng nội năng của không khí làm cho nhiệt độ khối không khí tăng lên

- Các chuyển động thăng, giáng đoạn nhiệt: Các chuyển động thăng, giáng đoạn nhiệt có thể chia làm hai loại: chuyển động thăng, giáng động lực và chuyển động thăng, giáng nhiệt lực

Chuyển động thăng, giáng động lực do nguyên nhân động lực gây nên mà nhân tố chủ yếu là sự hội tụ, phân kỳ trong chuyển động xoáy; là sự nâng lên hay lắng xuống khi không khí gặp và vượt qua chướng ngại vật

Chuyển động thăng, giáng nhiệt lực do nguyên nhân nhiệt lực gây nên mà nhân tố chủ yếu là không khí ở tầng dưới bị đốt nóng, tầng trên còn nguội lạnh; là sự giải phóng tiềm nhiệt do ngưng kết của hơi nước làm cho građiăng nhiệt độ không khí thẳng đứng tăng

Tất nhiên, trong thực tế có thể có một quá trình thăng giáng đoạn nhiệt bao gồm

cả hai nguyên nhân trên, trong đó khi thì nhiệt lực chiếm ưu thế, khi thì động lực chiếm ưu thế

2) Quá trình đoạn nhiệt của không khí khô:

Không khí khô là không khí không có hơi nước Sau đây ta xây dựng phương trình đoạn nhiệt của không khí khô:

a) Phương trình đoạn nhiệt của không khí khô - Công thức Poát xông:

Xét một đơn vị khối lượng không khí khô có các đặc trưng là: nhiệt độ Ti, mật độ

ρi và áp suất Pi được đặt trong môi trường xung quanh có các đặc trưng là: nhiệt độ Te, mật độ ρe và áp suất Pe tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt Vì quá trình chuyển động xảy ra từ từ nên áp suất bên trong của khối không khí cân bằng với áp suất của môi trường xung quanh và bằng áp suất khí quyển (Pi = Pe= P)

Vì quá trình thăng giáng là quá trình đoạn nhiệt nên dQ = 0 và phương trình nhiệt lực

có dạng:

P

dP (3-6)

Hay:

T

dT = Cp

ARP

dP

(3-7) Trong khối không khí đang tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt nêu trên, giả sử tại thời điểm ban đầu các đặc trưng trạng thái của khối không khí được xác định bởi nhiệt độ T0, áp suất P0; sau một thời gian tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt các đặc trưng trạng thái của khối không khí được xác định bởi nhiệt độ T, áp suất

P P

1 Cv

Cp −

=

4,1

14,

Dùng công thức Poát xông có thể tính được nhiệt độ không khí ở thời điểm cuối cùng khi biết nhiệt độ, áp suất ở thời điểm ban đầu và áp suất ở thời điểm cuối cùng của quá trình đoạn nhiệt

b) Građiăng đoạn nhiệt khô γk :

Vấn đề đặt ra là tính toán sự thay đổi của nhiệt độ theo chiều cao trong quá trình đoạn nhiệt Vẫn khối không khí được tách ra ấy đang tham giá quá trình thăng giáng đoạn nhiệt

áp dụng phương trình (3-6), ta có:

Với môi trường xung quanh:

- Sử dụng quan hệ tĩnh học: dP = − ρegdz

- Dùng phương trình trạng thái: ρe =

e

RT P

Do nhiệt độ Ti của không khí khô chênh với nhiệt độ Te của môi trường xung quanh ít, do đó có thể xem

e

i T

nên: γk = 0,99o/100m

Trong khí tượng ta xem γk = 1o/100m

Như vậy, trong quá trình đoạn nhiệt khô, khối không khí cứ thăng lên 100 m thì nhiệt độ của không khí giảm xuống 1oC, cứ giáng xuống 100 m thì nhiệt độ của không khí tăng lên 1oC Do đó, ta có thể tính được nhiệt độ của khối không khí khô tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt ở bất cứ độ cao nào theo biểu thức sau đây:

Đường đoạn nhiệt khô nghiêng với trục hoành một góc 45o (hình 3-1)

Cũng cần lưu ý rằng: bản chất và ý nghĩa của đường đoạn nhiệt khô γk khác đường tầng kết γ trong khí quyển tĩnh Cụ thể:

- γk: Biểu diễn sự biến đổi nhiệt độ theo độ cao của không khí khi bản thân nó tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt

- γ : Sự phân bố nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển tĩnh

3) Quá trình đoạn nhiệt của không khí ẩm chưa bão hoà

a) Phương trình đoạn nhiệt của không khí ẩm chưa bão hoà

Không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước bao gồm các phần tử không khí khô và hơi nước

Để xây dựng phương trình biến đổi đoạn nhiệt của không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước ta viết các phương trình biến đổi đoạn nhiệt của các phần tử không khí khô

và của các phần tử hơi nước, sau đó tổng hợp lại Sau đây ta viết phương trình đoạn nhiệt cho 1 gam không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước

Tách một thể tích không khí ẩm chưa bão hoà với khối lượng là 1 gam có chứa q gam hơi nước và (1 - q) gam không khí khô Gọi e là áp suất của hơi nước thì thành phần áp suất của không khí khô sẽ là (P - e)

Nếu có một lượng nhiệt dQ truyền vào thể tích không khí ẩm chưa bão hoà thì lượng nhiệt này có thể chia thành hai thành phần: một phần truyền cho (1 - q) gam không khí khô ký hiệu là dQ1, phần khác truyền cho q gam hơi nước ký hiệu là dQ2:

áp dụng phương trình nhiệt lực học cơ bản ta có:

dQ1 = (1 − q) Cp dTi − (1 − q)ARTi

eP

)eP( d

Trong đó: Cpnước và Rnước là nhiệt dung đẳng áp và hằng số hơi đối với hơi nước,

Cpnước = 1,83 Cp và Rnước = 1,6 R

P

e (*) Lấy lôgarít biểu thức (*), sau đó lấy vi phân ta được:

q

qd = e

e

d −

PdP

Giả sử trong cả quá trình thăng giáng khơng cĩ sự trao đổi về ẩm, tức là dq = 0, ta cĩ:

e

ed = PdP

Trên cơ sở đĩ ta tính được: dQ = dQ1 + dQ2

Ta đang xét quá trình đoạn nhiệt nên dQ = 0, do đĩ cơng thức (3-11) cĩ dạng:

q,01+

b) Građiăng đoạn nhiệt ẩm chưa bã hồ

Vấn đề đặt ra là tính tốn sự thay đổi của nhiệt độ của bản thân khơng khí ẩm chưa bão hịa theo chiều cao trong quá trình đoạn nhiệt

q,01+

q,01+

+

.e

q,01+

+

(3-13') Phương trình (3-13) và (3-13') cho ta biết sự thay đổi nhiệt độ của khơng khí ẩm chưa bão hồ hơi nước theo độ cao trong quá trình đoạn nhiệt gọi là građiăng đoạn

nhiệt của không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước, gọi tắt là građiăng đoạn nhiệt ẩm chưa bão hoà

So sánh các công thức (3-9), (3-9') với (3-13), (3-13') ta thấy chỉ sai khác nhau một hệ số

q83,01

q,01

q,01+

+ ≈ 1 nên građiăng đoạn nhiệt ẩm chưa bão hoà xấp xỉ bằng građiăng đoạn nhiệt khô Và khi q =

0 thì građiăng đoạn nhiệt ẩm chưa bão hoà bằng građiăng đoạn nhiệt khô

Do đó để tiện tính toán trong các quá trình đoạn nhiệt người ta coi građiăng đoạn nhiệt ẩm chưa bão hoà bằng građiăng đoạn nhiệt khô và bằng 1o/100 m

Từ đây, chúng ta có thể xem một cách đồng nhất sự biến đổi đoạn nhiệt của không khí ẩm chưa bão hòa hơi nước với sự biến đổi đoạn nhiệt của không khí khô vì chúng đều theo quy luật đoạn nhiệt khô mà sai số không lớn

4) Quá trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà

Không khí ẩm bão hoà hơi nước tại một nhiệt độ nào đó khi lượng ẩm chứa trong không khí đó đạt giá trị cực đại, hay sức trương hơi nước của không khí đạt tới sức trương hơi nước bão hòa ở nhiệt độ đó

Trong quá trình chuyển động đoạn nhiệt không khí sẽ đạt tới một độ cao nào đó

mà tại đó không khí đạt tới trạng thái bão hoà và quy luật biến đổi đoạn nhiệt từ đó trở

đi theo quy luật đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà Độ cao đó được gọi là mực ngưng kết Hay nói cách khác là độ cao mà hơi nước chứa trong không khí đang bốc lên đạt tới trạng thái bão hoà (có khả năng đầy đủ để xảy ra ngưng kết) gọi là mực ngưng kết

Sau đây ta xét quá trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà hơi nước

Ta xét một thể tích không khí ẩm bão hoà gồm: không khí khô, hơi nước, sản phẩm ngưng kết (nhưng những sản phẩm này không thoát ra khỏi môi trường bên ngoài để đảm bảo dQ = 0) Đồng thời khi đi lên hay đi xuống, nước trong không khí

đó có thể thay đổi trạng thái: từ trạng thái hơi sang trạng thái nước hoặc băng và ngược lại thì khối lượng của nó cũng không thay đổi

Quá trình thăng giáng của khối không khí với điều kiện như vậy gọi là quá trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà

Nếu giọt nước hoặc tinh thể băng trong khối không khí rơi ra ngoài thành mưa trong quá trình chuyển động thăng giáng thì quá trình đó gọi là quá trình đoạn nhiệt giả (chúng

ta sẽ xét sau)

a) Phương trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà

Giả sử nếu có một lượng nhiệt dQ cung cấp cho thể tích không khí ẩm bão hoà hơi nước; áp dụng định luật thứ nhất của nhiệt lực học thì lượng nhiệt dQ đó chuyển thành năng lượng làm: tăng nội năng của thể tích không khí ẩm bão hoà (CvdT); biến thành công để giãn nở không khí (ApdV) và bốc hơi các giọt nước trong thể tích không khí

ẩm bão hoà (Ldq) Tức là:

dQ = CvdT + APdV + Ldq (3-14)

So với không khí khô và không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước thì dQ cung cấp cho thể tích không khí ẩm bão hoà hơi nước phải bỏ ra thêm một phần năng lượng là Ldq để làm bốc hơi các giọt nước Do đó phương trình nhiệt lực học viết cho không khí ẩm bão hoà là:

dQ = CpdTi − ARTi

P

dP

Trong đó: L = 597 + 0,65t là tiềm nhiệt bốc hơi

Trong trường hợp nước thăng hoa còn phải tính thêm nhiệt nóng chảy nữa

Nếu thể tích không khí ẩm bão hòa này tham gia quá trình thăng giáng đoạn nhiệt thì phương trình viết cho quá trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà như sau:

Lấy lôgarít, sau đó lấy vi phân ta được:

q

qd

=

i

dT

Ed

=

i

dT

Ed

Thay vào công thức (3-14'') ta được:

q L Cp

Lq ART +

+

Công thức (3-15) cũng là một dạng của phương trình biến đổi đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà hơi nước

b) Građiăng đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà

Từ phương trình đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà (3-14''), ta có:

(3-15') Phương trình (3-15') cho ta biết sự thay đổi nhiệt độ của không khí ẩm bão hoà hơi nước theo độ cao trong quá trình đoạn nhiệt gọi là građiăng đoạn nhiệt của không khí ẩm bão hoà hơi nước, gọi tắt là građiăng đoạn nhiệt ẩm bão hoà

Theo phương trình (3-15') thì γẩ = γk khi q = 0, tức là không khí không có lượng

ẩm thì quy luật biến đổi đoạn nhiệt sẽ theo quy luật đoạn nhiệt khô

L sẽ lớn và như vậy

γẩ sẽ nhỏ Ngược lại, khi nhiệt độ thấp thì L sẽ nhỏ, do đó

dz

dq Cp

L sẽ lớn và như vậy γẩ sẽ nhỏ

Như vậy, građiăng đoạn nhiệt ẩm bão hoà γẩ không những phụ thuộc vào áp suất mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ bản thân khối không khí (γẩ của không khí có áp suất lớn > γẩcủa không khí có áp suất nhỏ và γẩ của không khí có nhiệt độ cao < γẩ của không khí có nhiệt độ thấp)

Từ các nhận xét trên ta đi đến kết luận:

Nếu lấy cùng một giá trị P và T thì đường γẩ nằm bên phải đường γk Nhiệt độ không khí ẩm bão hoà càng thấp hay độ cao thăng lên càng cao thì γẩ càng tiến gần đến

γk, tức là càng lên cao đường γẩ càng song song với đường γk Đường γẩ là đường cong vì

nó không những phụ thuộc vào sự biến đổi của nhiệt độ mà còn phụ thuộc vào độ ẩm của khối không khí (hình 3-2)

Người ta gọi chung γẩ và γk là đường trạng thái của không khí Đường trạng thái của khối không khí trong quá trình thăng giáng đoạn nhiệt như hình (3-3)

Đường trạng thái trên hình 3-3 cũng đúng với khối không khí tham gia chuyển động giáng, song cần thấy rằng càng xuống thấp thì nhiệt độ càng tăng, các giọt nước càng bốc hơi nhiều và không còn các sản phẩm ngưng kết, nhiệt độ lại tăng lên thì không khí lúc đó sẽ trở nên không bão hoà hơi nước Nếu khối không khí không có các sản phẩm ngưng kết thì khi giáng sẽ xuống ngay theo đường γk

5) Các loại nhiệt độ khí tượng

Để so sánh trạng thái nhiệt của các khối không khí ta phải loại trừ ảnh hưởng của

áp suất bằng cách đưa nhiệt độ của các khối không khí về cùng một áp suất Trên cơ

sở đó, người ta đưa ra một số các đặc trưng về nhiệt độ

a) Nhiệt độ thế vị

- Định nghĩa: Nhiệt độ thế vị là nhiệt độ của khối không khí khô có được nếu nó

được đưa một cách đoạn nhiệt về áp suất 1000 mb - Ký hiệu là θo

Như vậy, nhiệt độ thế vị θ được xác định theo công thức Poát xông:

T: nhiệt độ của khối không khí tại điểm có áp suất P

Có thể tính θ bằng đơn vị (oC) như sau:

θ(oC) = t(oC) + γk

100z

Trong đó: z là độ cao của khối không khí so với độ cao có áp suất 1000 mb

B P = 1000

mb

-10o 0 o 10 o T

Hình 3-4

- Sự thay đổi nhiệt độ thế vị trong quá trình đoạn nhiệt:

Lấy lôgarít và sau đó lấy vi phân (3-16), ta có:

θ

θd

= T

dT − 0,288

PdP

dT −

Cp

ARPdP

Do đó:

θ

θd = 0 Vậy: dθ = 0 Như vậy: Trong quá trình chuyển động thăng giáng đoạn nhiệt, nhiệt độ thế vị không thay đổi và là một hằng số

- Sự phân bố nhiệt độ thế vị theo độ cao:

Từ: θ = T Cp

ARP

Vì: θ, T, P phụ thuộc vào z, ta có thể lấy đạo hàm theo z (

TT

PPT

TRT

* γk > γ (đường γk nằm bên trái đường γ) thì

Vì vậy, sự phân bố nhiệt độ thế vị theo độ cao phụ thuộc vào građiăng nhiệt độ thẳng đứng γ Trong tầng đối lưu đại đa số các trường hợp có γ < γk nên thông thường nhiệt độ thế vị tăng theo độ cao; đặc biệt khi có nghịch nhiệt thì nhiệt độ thế vị tăng theo độ cao rất nhanh (vì khi đó:

θ < ' 1

θ)

- Trong khu vực trạng thái cân bằng phiếm định thì nhiệt độ thế vị không thay đổi theo độ cao (θ3 = θ2 = θ1 = θ)

Từ các nhận xét trên đây, chúng ta đi đến kết luận: có thể dựa vào nhiệt độ thế vị

để xác định trạng thái của không khí

b) Nhiệt độ tương đương và nhiệt độ thế vị tương đương:

- Nhiệt độ tương đương: Nhiệt độ tương đương là nhiệt độ có được của một thể

tích không khí ẩm nếu như toàn bộ hơi nước trong thể tích không khí ấy ngưng kết và toàn bộ nhiệt lượng toả ra do quá trình ngưng kết ấy dùng để đốt nóng thể tích không khí đó trong điều kiện áp suất không đổi, ký hiệu là T∋

Trong đó: ΔT =

Cp

q.L

P

e1570

(3-18’’’) Nếu thể tích không khí nằm gần biển thì:

T∋ = T + 1,57 e

Như vậy, nhiệt độ tương đương phụ thuộc vào nhiệt độ bản thân các phần tử khí (T) và lượng hơi nước chứa trong không khí Nó đặc trưng cho trữ lượng nhiệt chứa trong không khí ẩm và không khí ẩm có nội năng lớn hơn không khí khô

- Nhiệt độ thế vị tương đương: Nhiệt độ thế vị tương đương là nhiệt độ có được

khi di chuyển thể tích không khí có nhiệt độ tương đương ở độ cao nào đó về mực áp suất tiêu chuẩn 1000 mb theo đường đoạn nhiệt khô, ký hiệu là θ∋

Như vậy, nhiệt độ thế vị θ∋ cũng được xác định theo công thức Poát xông:

Trong đó: θ∋: nhiệt độ thế vị tương đương của thể tích không khí;

T∋: nhiệt độ tương đương của thể tích không khí tại điểm có áp suất P

Từ công thức (3-19), ta có thể tính được nhiệt độ thế vị tương đương khi biết được nhiệt độ, áp suất và độ ẩm q hoặc e

Ta cũng có thể tính được nhiệt độ thế vị tương đương khi biết được độ cao z của thể tích không khí so với mực 1000 mb:

100

z

(3-19’) Tương tự như nhiệt độ thế vị, trong suốt quá trình đoạn nhiệt nhiệt độ thế vị tương đương cũng không thay đổi theo độ cao

Nếu so sánh với nhiệt độ thế vị θ thì:

- Nhiệt độ tương đương giả, nhiệt độ thế vị giả: Để đưa ra khái niệm này chúng ta

phải dựa vào cơ sở thực tế sau đây:

Khi một thể tích không khí ẩm có nhiệt độ T1 ở độ cao nào đó tham gia chuyển động thăng đoạn nhiệt thì: Ban đầu vì chưa đạt tới trạng thái bão hoà nên quy luật giảm nhiệt độ theo độ cao là quy luật đoạn nhiệt khô

Đến độ cao mực ngưng kết nếu thể tích không khí tiếp tục đi lên thì quy luật giảm nhiệt độ theo độ cao sẽ theo quy luật đoạn nhiệt ẩm và tới một độ cao nào đó mà toàn

bộ sản phẩm ngưng kết được giải phóng ra ngoài khỏi khối không khí dưới dạng mưa, không khí sẽ quay trở lại không khí ẩm chưa bão hoà hơi nước hoặc thậm chí có thể trở thành không khí khô

Sau khi giải phóng hơi ẩm, nếu khối không khí lại được giáng xuống một cách đoạn nhiệt thì quy luật tăng nhiệt độ của không khí sẽ theo quy luật đoạn nhiệt khô Tới mực xuất phát ban đầu nó nhận được một nhiệt độ mới T2 cao hơn nhiệt độ ban đầu, tức là: T2 > T1

Quá trình diễn ra theo ba giai

đoạn như vậy được gọi là quá

trình đoạn nhiệt giả (hình 3-6)

* Trong quá trình đoạn nhiệt

giả người ta gọi nhiệt độ của khối

không khí tham gia quá trình tại

thời điểm cuối cùng là nhiệt độ

tương đương giả Ký hiệu là Ts∋

* Nếu thể tích không khí tham

gia quá trình đoạn nhiệt giả tiếp tục

thăng giáng đoạn nhiệt tới mực có áp

suất P = 1000 mb thì nhiệt độ không

khí có được sau quá trình này gọi là

nhiệt độ thế vị giả Ký hiệu là θs∋

Có thể định nghĩa một cách chặt chẽ như sau:

1) Nhiệt độ tương đương giả Ts∋ là nhiệt độ của khối không khí có được sau khi tham gia một quá trình đoạn nhiệt giả

2) Nhiệt độ thế vị giả θs∋ là nhiệt độ có được của một khối không khí tham gia quá trình đoạn nhiệt giả chuyển động đoạn nhiệt từ nhiệt độ cao có áp suất P và có nhiệt độ tương đương giả Ts∋ về mực áp suất tiêu chuẩn P0 = 1000 mb

Cách xác định Ts∋ và θs∋: Người ta cũng có thể dùng công thức để tính toán, nhưng khi đó rất phức tạp Nên để đơn giản ta có thể dùng đồ thị để xác định Ts∋ và θs∋ (hình 3-6)

ý nghĩa của Ts∋ và θs∋: Ta cũng dễ dàng nhận thấy rằng Ts∋ và θs∋ không thay đổi trong suốt quá trình đoạn nhiệt giả Do đó nó là tính chất cố định nhất của khối không khí, đặc trưng cho toàn bộ trữ lượng nhiệt năng và biểu thị đặc tính nhiệt lực của khối không khí trong quá trình chuyển động đoạn nhiệt

3.1.2 Chuyển động đối lưu trong khí quyển

Người ta gọi chuyển động lên xuống theo chiều thẳng đứng của không khí là chuyển động đối lưu Nguyên nhân của chuyển động đối lưu: có thể do nhiệt lực như

sự đốt nóng không khí của bề mặt đệm gọi là đối lưu nhiệt, có thể do động lực như sự hoạt động của các xoáy thuận, xoáy nghịch gọi là đối lưu động lực; trong đó sự phân

bố nhiệt độ theo chiều thẳng đứng là yếu tố cơ bản gây ra chuyển động đối lưu của không khí

Khi không khí chuyển động đối lưu, người ta nói không khí ở trạng thái bất ổn định Ngược lại, khi không khí không có chuyển động đối lưu, người ta nói không khí

ở trạng thái ổn định Cường độ và sự phát triển của đối lưu phụ thuộc vào sự phân bố nhiệt độ theo chiều thẳng đứng, tức là phụ thuộc vào tầng kết nhiệt của không khí Tầng kết nhiệt của không khí bao gồm 3 loại:

- Cân bằng ổn định (γ < γk): muốn có đối lưu phát triển thì phải có ngoại lực tác động vào; ngoại lực thôi tác dụng đối lưu kết thúc

- Cân bằng phiếm định (γ = γk): nếu chưa có đối lưu, phải có ngoại lực tác động vào mới có đối lưu; khi ngoại lực thôi tác dụng đối lưu vẫn tiếp tục và đối lưu chỉ kết thúc khi có lực cản

- Cân bằng bất ổn định (γ > γk): đối lưu đang phát triển, nếu có một lực cản thì

không khí sẽ sinh ra lực để duy trì đối lưu phát triển

1) Sự ổn định trong chuyển động đối lưu

a) Điều kiện ổn định trong chuyển động đối lưu

Để khảo sát điều kiện ổn định trong chuyển động đối

lưu ta xét một khối không khí có: thể tích V, nhiệt độ Ti,

áp suất Pi, mật độ ρi; nằm trong môi trường xung quanh

có: nhiệt độ Te, áp suất Pe, mật độ ρe Khi đó thể tích

không khí sẽ chịu tác dụng của 2 lực: trọng lực P = ρi.V.g

và lực đẩy Acsimét F = ρe.V.g Đối lưu phát triển khi: F >

P (hình 3-7)

F Hình 3-7 Vấn đề đặt ra là tìm gia tốc của chuyển động đối lưu Nếu gọi f là lực gây ra chuyển động đối lưu thì: f = F − P = g.(ρe − ρi).V

Theo Niutơn thì: f = m.a = ρi V.a (a: gia tốc đối lưu)

Vậy: g.(ρe - ρi).V = ρi V.a

Suy ra: a = g

i

i e

ρ

ρ

− ρ

= g ( 1

i

e − ρ

ρ

)

P

Ta có: a = g ( 1

RTPRTP

i i e

e

− ) = g ( 1

P T

P T

i e

e

i − )

Nếu ta xét trong một khoảng thời gian rất ngắn thì áp suất của không khí có thể xem như là cân bằng với áp suất khí quyển môi trường xung quanh, tức là Pi ≈ Pe Do đó:

a = g

e

e i

- Te < Ti (nhiệt độ môi trường thấp hơn nhiệt độ khối không khí) thì a > 0 và có chuyển động đối lưu - Trạng thái này gọi là trạng thái không ổn định của không khí

- Te = Ti (nhiệt độ môi trường bằng nhiệt độ khối không khí) thì a = 0 và chỉ cần một tác động nhỏ khối không khí cũng có thể có đối lưu hoặc chuyển động đi xuống - Trạng thái này gọi là trạng thái phiếm định hay ổn định tương đối của không khí

- Te > Ti (nhiệt độ môi trường cao hơn nhiệt độ khối không khí) thì a < 0 và khối không khí có xu hướng chuyển động đi xuống, song do phía dưới có áp suất và mật độ không khí lớn hơn nên nó bị giữ lại ở vị trí cũ - Trạng thái này gọi là trạng thái ổn định của không khí

Như vậy, gia tốc a đặc trưng cho độ ổn định hay bất ổn định của không khí dưới tác dụng của nguyên nhân nhiệt lực

b) Điều kiện ổn định của không khí khô

Nếu một thể tích không khí khô có nhiệt độ ban đầu là Ti(0) tham gia chuyển động đối lưu trong moi trường có nhiệt độ ban đầu là Te(0), khi đạt đến độ cao h nào đó thì nhiệt độ của bản thân khối không khí Ti(h) và nhiệt độ của môi trường xung quanh Te(h)

sẽ lần lượt là:

Ti(h) = Ti(0) - γk

100

zΔ

Te(h) = Te(0) - γ

100

zΔ

Trong đó: Ti(0) và Te(0): nhiệt độ của khối không khí khô và nhiệt độ tầng kết ở trạng

thái ban đầu;

Ti(h) và Te(h): nhiệt độ của khối không khí khô và nhiệt độ tầng kết ở

độ

cao Δz so với vị trí ban đầu;

γk và γ: građiăng đoạn nhiệt khô và građiăng nhiệt độ tầng kết

Do đó, gia tốc đối lưu sẽ là:

a = g

) (

) ( )

(

hT

)100

z0

T()100

z0

T(

e

e k

i

Δγ

−

−

Δγ

−

a = g

) (

) ( ) ( h T

) 0 T ( 0 T (

) ( ) (

e

k − γ Δ γ

) ( ) ( h T

) 0 T ( 0 T (

) ( ) (

e

k − γ Δ

γ , trong đó hiệu số (γk − γ) đóng vai trò duy

trì đối lưu, tức là nếu không có hoặc không còn ảnh hưởng của hiệu số Ti(0) − Te(0) thì gia tốc đối lưu a sẽ phụ thuộc vào hiệu số (γk − γ)

Sau đây, ta xem xét cụ thể từng thành phần của gia tốc đối lưu a:

- Thành phần khởi động đối lưu

Ti(0) − Te(0): dễ dàng nhận thấy có đối lưu xảy ra

Ti(0) ≤ Te(0): không có vai trò khởi động; khi đó muốn có chuyển động đối lưu thì phải có tác dụng cơ học như: lực đẩy, lực ép của gió vào các sườn núi hay chuyển động trượt trên các mặt front và chuyển động đối lưu sẽ phụ thuộc vào thành phần thứ hai - thành phần duy trì đối lưu

- Thành phần duy trì đối lưu

Nếu tại vị trí ban đầu Ti(0) = Te(0) thì chuyển động đối lưu sẽ phụ thuộc vào thành phần thứ 2, tức là phụ thuộc vào sự chênh lệch giữa građiăng nhiệt độ khô và građiăng nhiệt độ tầng kết (γk − γ) Khi đó, gia tốc đối lưu sẽ là:

100

z T

) (

e

k − γ Δ γ

∂

θ

∂100

zΔ

- Hình 3-8b ứng với tầng kết γ = γk, nếu ta tác dụng cưỡng bức khối không khí đi lên hoặc đi xuống thì khi thôi tác dụng cưỡng bức khối không khí sẽ đứng nguyên tại chỗ chứ không quay về mực ban đầu hoặc tiếp tục chuyển động thẳng đều Sự cân bằng của khối không khí trường hợp này gọi là cân bằng phiếm định

- Hình 3-8c ứng với tầng kết γ > γk, nếu ta tác dụng cưỡng bức khối không khí đi lên hoặc đi xuống và ngay cả khi thôi tác dụng thì khối không khí sẽ chịu lực tác dụng cùng chiều bắt nó tiếp tục đi lên hoặc đi xuống Sự cân bằng của khối không khí trường hợp này gọi là cân bằng bất ổn định

Từ ví dụ nêu trên có thể rút ra một số kết luận sau:

Để xác định

trạng thái của khí

quyển người ta

dùng phương pháp

- Độ cao kết thúc đối lưu: Độ cao mà khối không khí chuyển động đối lưu ngừng

lại gọi là độ cao kết thúc đối lưu hoặc còn gọi là mực đối lưu

Nếu gọi z là độ cao kết thúc đối lưu thì tại đó: Ti(z) = Te(z), do đó:

z = 100

γ

− γ

Công thức (3-23) cho phép ta xác định được độ cao mực đối lưu z Hiển nhiên là

độ cao kết thúc đối lưu phụ thuộc vào:

- Sự chênh lệch nhiệt độ ban đầu giữa khối khí và môi trường: Ti(0) càng lớn hơn

Te(0) thì z càng lớn

- Građiăng nhiệt độ thẳng đứng của tầng kết: γ càng lớn, càng tiến gần γk thì chiều cao kết thúc đối lưu càng lớn; γ = γk thì z = ∞; γ > γk thì z < 0, có nghĩa là dưới mực ban đầu ta vẫn tìm được một mực có Ti = Te mà từ đó trở lên nhiệt độ Ti > Te tức là không khí vẫn tồn tại chuyển động đi lên; γ giảm dần thì z cũng giảm đi và khi γ ≤ 0 thì khối không khí sẽ lạnh dần hơn môi trường xung quanh và đối lưu dần dần ngừng hẳn Bằng phương pháp đồ thị cũng có thể xác định được độ cao mực đối lưu như sau: Mực đối lưu là nơi có Ti = Te, do đó trên đồ thị nó phải là độ cao đi qua giao điểm của các đường tầng kết γ và đường đoạn nhiệt khô γk

Trên hình 3-10 thì A là điểm ứng

với nhiệt độ không khí của môi trường

xung quanh; B là điểm ứng với nhiệt độ

không khí tham gia đối lưu:

Khi TB > TA thì: z1, z2 và z3 lần lượt

là các độ cao mực đối lưu ứng với: γ = −

0,8o/100 m, γ = 0o/100 m và γ = 0,6o/100

m

Lưu ý rằng: các kết quả khảo sát về

điều kiện ổn định của không khí khô trên

đây đều có thể ứng dụng cho không khí

ẩm chưa bão hoà hơi nước, bởi vì quá

trình thăng giáng đoạn nhiệt của không

khí ẩm chưa bão hoà theo đường đoạn

nhiệt khô

c) Điều kiện ổn định của không khí ẩm

Nếu xét một thể tích không khí ẩm (bão hòa hơi nước) tham gia chuyển động đối lưu thì cũng tương tự như không khí khô ta tính được gia tốc chuyển động đối lưu Gia tốc chuyển động đối lưu cũng bao gồm hai thành phần: thành phần khởi động và thành phần duy trì đối lưu như sau:

a = g

e

e i

T

) T ( T

+ g

100

z T

) (

e

a Δ γ

− γ

Nếu tại vị trí ban đầu thành phần khởi động Ti(0) - Te(0) bằng 0 thì gia tốc chuyển động đối lưu a sẽ phụ thuộc vào thành phần duy trì đối lưu:

100

z T

) (

e

a Δ γ

− γ

Với không khí ẩm bão hoà ta cũng rút ra được một số kết luận sau đây:

* Nếu (γ - γẩ) < 0, tức là γ < γẩ thì a < 0: khối không khí ẩm cân bằng ổn định và trạng thái khí quyển này gọi là trạng thái ổn định

* Nếu (γ - γẩ) = 0, tức là γ = γẩ thì a = 0 khối không khí ẩm cân bằng phiếm định

và trạng thái khí quyển này gọi là trạng thái phiếm định

* Nếu (γ - γẩ) > 0, tức là γ > γẩ thì a > 0: khối không khí ẩm cân bằng bất ổn định

và trạng thái khí quyển này gọi là trạng thái bất ổn định

Cũng có thể xác định trạng thái khí quyển bằng đồ thị như hình 3-11

Kết hợp các hình 3-9 và 3-11 có

thể nhận thấy:

- Nếu đường tầng kết nằm ở bên

phải đường trạng thái thì khí quyển ở

trạng thái cân bằng ổn định

- Nếu đường tầng kết nằm ở bên

trái đường trạng thái thì khí quyển ở

trạng thái cân bằng bất ổn định

- Nếu đường tầng kết trùng với

đường trạng thái thì khí quyển ở trạng

thái cân bằng phiếm định (hay ổn

d) Phân loại độ ổn định của không khí

Dựa vào điều kiện ổn định của không khí khô và không khí ẩm đã trình bày ở trên, có thể khái quát phân loại độ ổn định của không khí thành các trường hợp sau:

(1) Khi γ < γâ < γk : thì gia tốc chuyển động đối lưu a đối với các loại không khí

đều âm Do đó, khí quyển khô, khí quyển chưa bão hoà hơi nước và khí quyển bão hoà hơi nước đều ở trạng thái cân bằng ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng ổn định tuyệt đối

(2) Khi γẩ < γ < γk : thì gia tốc chuyển động đối lưu a đối với:

- Không khí ẩm a > 0: cân bằng bất ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng bất ổn định, đối lưu phát triển

- Không khí khô và không khí ẩm chưa bão hoà a < 0: cân bằng ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng ổn định, không có đối lưu

(3) Khi γ =γẩ < γk : thì gia tốc chuyển động đối lưu a đối với:

- Không khí ẩm a = 0: cân bằng phiếm định và khí quyển ở trạng thái cân bằng phiếm định

- Không khí khô và không khí ẩm chưa bão hoà a < 0: cân bằng ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng ổn định

(4) Khi γk = γ > γẩ : thì gia tốc chuyển động đối lưu a đối với:

- Không khí ẩm a > 0: cân bằng bất ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng bất ổn định, đối lưu phát triển

- Không khí khô và không khí ẩm chưa bão hoà a < 0: cân bằng phiếm định và khí quyển ở trạng thái cân bằng phiếm định

(5) Khi γ > γk > γẩ : thì gia tốc chuyển động đối lưu a đối với các loại không khí đều

dương Do đó, không khí khô, không khí chưa bão hoà hơi nước và không khí bão hoà

hơi nước đều ở trạng thái cân bằng bất ổn định và khí quyển ở trạng thái cân bằng bất ổn định tuyệt đối

Ngoài 5 trường hợp nêu trên, không còn bất kỳ một trường hợp nào khác về trạng thái cân bằng của khí quyển

Có thể xác định trạng thái khí quyển như sau: dựa vào các số liệu cao không xây dựng được đường tầng kết và hệ thống đường trạng thái trên giản đồ rồi so sánh đường tầng kết với đường trạng thái để rút ra kết luận về trạng thái cân bằng của khí quyển (hình 3-12)

độ ổn định rất lớn (bởi vì nó thuộc loại họ đường tầng kết của khí quyển với trạng thái cân bằng ổn định tuyệt đối γ1)

Như vậy, có thể rút ra nhận xét sau:

- Nếu trị số đường tầng kết γ càng nhỏ, tức là càng xa đường trạng thái về bên phải thì khí quyển càng ổn định; ngược lại, trị số đường tầng kết γ càng lớn, tức là càng xa đường trạng thái về bên trái thì khí quyển càng bất ổn định

- Khi thay đổi trạng thái nhiệt và lượng ẩm thì khí quyển cũng thay đổi trạng thái cân bằng

Từ hai nhận xét trên đây, chúng ta chia trạng thái ổn định và bất ổn định của khí quyển ra làm 3 loại sau đây (hình 3-13):

Loại 1: Trạng thái ổn định tuyệt đối (γ < γẩ < γk ):

Tất cả các trạng thái khí quyển có đường tầng kết nhiệt độ không khí γ nằm bên phải đường đoạn nhiệt ẩm γâ đều thuộc loại này Khu vực bên phải đường γâ gọi là khu vực ổn định tuyệt đối

Loại 2: Trạng thái bất ổn định tuyệt

đối (γ > γk > γẩ ):

Tất cả các trạng thái khí quyển có

đường tầng kết nhiệt độ không khí γ nằm

bên trái đường đoạn nhiệt khô γk đều

thuộc loại này Khu vực bên trái đường γk

gọi là khu vực bất ổn định tuyệt đối

Loại 3: Trạng thái ổn định có điều

kiện (γẩ < γ < γk ):

Tất cả các trạng thái khí quyển có đường tầng kết nhiệt độ không khí γ nằm từ đường γk đến γâ đều thuộc loại này Khu vực từ đường γk đến γâ gọi là khu vực ổn định có điều kiện hay khu vực bất ổn định ẩm Trong khu vực này chỉ cần thay đổi rất nhỏ về trạng thái nhiệt hay lượng ẩm cũng làm thay đổi trạng thái đến mức nào đó có thể đưa trạng thái của khí quyển sang ổn định hay bất ổn định tuyệt đối Chẳng hạn:

- Nếu ta tăng (hoặc giảm) nhiệt độ không khí tại mặt đất thì khối không khí đó sẽ chuyển trạng thái sang cân bằng bất ổn định (hoặc ổn định) hoàn toàn do có thành phần khởi động đối lưu

- Nếu ta tăng (hoặc giảm) độ ẩm khối không khí tại mặt đất thì không khí đó sẽ chuyển dần sang bão hoà (hoặc khô) và trạng thái của khối không khí sẽ chuyển sang cân bằng bất ổn định (hoặc ổn định) hoàn toàn vì lúc đó nếu có một tác động nào đó bắt không khí chuyển động thẳng đứng thì khối không khí sẽ thăng đoạn nhiệt theo đường γâ (hoặc γk) và như vậy: γ > γẩ (hoặc γ < γk) (hình 3-14)

- Trong cùng một điều kiện tầng kết, bằng phương pháp thay đổi trạng thái nhiệt,

ẩm của khối không khí (có thể là nhiệt lực hoặc động lực), ta có thể thay đổi trạng thái

ổn định và bất ổn định của nó

Phương pháp nhiệt lực làm thay đổi trạng thái ổn định và bất ổn định của không khí dựa trên cơ sở làm tăng độ chênh lệch về nhiệt độ giữa tầng trên và tầng dưới xảy

ra do mặt đất và khí quyển hấp thụ bức xạ mặt trời không đồng nhất, do các quá trình khác như đoạn nhiệt, phi đoạn nhiệt, bình lưu

Phương pháp động lực làm thay đổi trạng thái ổn định và bất ổn định của không khí dựa trên cơ sở đối lưu động lực như là do các xoáy động lực hay một nguyên nhân nào đó làm không khí chuyển động đi lên, đi xuống sinh ra

2) Năng lượng không ổn định của không khí

Năng lượng không ổn định của không khí là năng lượng thoát ra (hoặc tiêu thụ) khi di chuyển một đơn vị khối lượng không khí từ mực này sang mực khác

Tính toán năng lượng không ổn định của không khí tức là tính công chuyển dịch của khối không khí theo chiều thẳng đứng cho một đơn vị khối lượng Công dịch chuyển được tính theo công thức:

Trong đó: A: công dịch chuyển đóng vai trò năng lượng không ổn định;

m.a: đóng vai trò lực gây ra chuyển động đối lưu (a là gia tốc đối lưu); s: quãng đường mà không khí tham gia chuyển động đối lưu đi được Gọi dW là năng lượng không ổn định (dW = A) của một đơn vị khối lượng (m = 1) tham gia chuyển động đối lưu với gia tốc a (a = g

e

e i

T

T

dz Nếu đơn vị khối lượng đó chuyển từ z1 đến z2 thì năng lượng không ổn định W sẽ là:

z

T T

P

; Nên: dz = −

P

dP g

T

T T

g

RTe d(lnP)

W = R ∫1 −

2

P P

) T T

Từ công thức (3-25) nhận thấy năng lượng không ổn định có thể dương hoặc âm;

nó phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa khối không khí và môi trường:

- Nếu Ti > Te: không khí nóng hơn môi trường xung quanh thì năng lượng không

ổn định dương và gia tốc đối lưu a > 0, tức là nó sẽ thực hiện một công mà không cần lực bên ngoài tác động Trường hợp này gọi là đối lưu tự động

- Nếu Ti < Te: không khí lạnh hơn môi trường xung quanh thì năng lượng không

ổn định âm và để nâng không khí lên cần có lực bên ngoài tác động

Nếu lấy nhiệt độ Ti và Te là giá trị trung bình thì công thức (3-25) có dạng:

W = R (Ti − Te) (lnP1 − lnP2) (3-25’) Công thức (3-25’) là công thức thường được sử dung để tính toán năng lượng không

ổn định của không khí

Trong nghiệp vụ khí tượng người ta xác định năng lượng không ổn định W trên giản đồ cao không được xây dựng bằng quan hệ nhiệt độ – lôgarit áp suất Loại giản

đồ hay dùng là giản đồ Ema

Trên giản đồ cao không, năng

lượng không ổn định W được biểu

thị bằng diện tích nguyên tố giữa

đường tầng kết và đường trạng thái

Trên hình 3-15, giả sử khối

định W tỷ lệ thuận với diện tích

nguyên tố trên giản đồ cao không

lnP γ

lnP2 D C

γẩ lnP1 A B

mực ngưng kết

γk

T

Hình 3-15

Một cách tổng quát ta có: công hay năng lượng không ổn định tổng cộng của toàn

bộ lớp khí quyển tỷ lệ với diện tích tổng cộng giới hạn bởi đường trạng thái, đường tầng kết và đường đẳng áp ở mực trên cùng của lớp khí quyển

Như vậy, tuỳ theo vị trí của đường tầng kết so với đường trạng thái mà năng lượng không ổn định W của khí quyển mang dấu âm hay dấu dương Cụ thể: Nơi nào đường trạng thái nằm bên phải đường tầng kết, tức là ở cùng một mực không khí sẽ nóng hơn môi trường xung quanh thì W > 0 Ngược lại, nơi nào đường trạng thái nằm bên trái đường tầng kết, tức là ở cùng một mực không khí sẽ lạnh hơn môi trường xung quanh thì W < 0

Khi xác định năng lượng không ổn định của không khí W, người phân tích giản

đồ cao không, dùng màu đỏ để đánh dấu khu vực có năng lượng không ổn định dương (W+) và màu xanh để đánh dấu khu vực có năng lượng không ổn định âm (W−); sau

đó tính diện tích và quy ra các giá trị định lượng của năng lượng không ổn định

3.2 Cơ sở động lực học khí quyển

3.2.1 Trường khí áp

1) Khái niệm chung về trường khí áp

a) Định nghĩa: Cũng như các trường vật lý khác, trường khí áp bao gồm: trường

khí áp không gian và trường khí áp nằm ngang Trường khí áp nằm ngang chỉ sự phân

bố khí áp trên mặt nằm ngang; trường khí áp không gian chỉ sự phân bố khí áp trong không gian

b) Phương pháp biểu thị trường khí áp: Người ta biểu diễn trường khí áp không

gian bằng những mặt đẳng áp và trường khí áp nằm ngang bằng những đường đẳng

áp

Mặt đẳng áp là mặt mà tại tất cả các điểm của nó áp suất khí quyển đều bằng nhau

Do đó mặt đẳng áp trong không gian thường uốn sóng và lập với mặt phẳng nằm ngang một góc nhất định Mặt đẳng áp chỉ song song mặt phẳng nằm ngang khi không khí hoàn toàn yên tĩnh

Đường đẳng áp là đường nối những điểm có cùng một trị số áp suất Ta sẽ nhận được đường đẳng áp khi dùng một mặt phẳng mực cắt mặt đẳng áp; giao tuyến giữa hai mặt này là đường đẳng áp Mặt phẳng nằm ngang lấy ở mực biển có độ cao z = 0

* Biểu diễn trường khí áp ở mặt đất

Trên bản đồ mặt đất các trị số áp suất đã quy về mực biển Dựa vào các trị số khí

áp đó ta tiến hành vẽ các đường đẳng áp theo quy tắc đẳng trị Khi vẽ các đường đẳng

áp cần lưu ý: dùng phương pháp nội suy để tiến hành nối các điểm có áp suất như nhau Tuỳ theo yêu cầu chuyên môn mà các đường đẳng áp được vẽ cách nhau 5 mb,

3 mb hoặc 2,5 mb; các đường đẳng áp nhất thiết không được cắt nhau; trên toàn bộ địa cầu đường đẳng áp phải đóng kín, trong từng bản đồ khu vực đường đẳng áp có thể đứt ở rìa bản đồ, còn bên trong bản đồ đường đẳng áp không được đứt đoạn Ngoài quy tắc đẳng trị, để hình dạng hệ thống các đường đẳng áp được xác định, khi vẽ các đường đẳng áp cần sử dụng quy tắc gío địa chuyển (ở Bắc bán cầu theo chiều gió thổi bên phải là ap cao, bên trái là áp thấp)

Hệ thống các đường đẳng áp hợp thành biểu diễn hệ thống khí áp trên mặt đất Hệ thống khí áp bao gồm các dạng cơ bản sau đây:

- Vùng áp thấp (xoáy thuận): là vùng có áp suất tăng từ trung tâm ra ngoại vi, ký hiệu T

- Vùng áp cao (xoáy nghịch): là vùng có áp suất giảm từ trung tâm ra ngoại vi,

- Xoáy thuận riêng phần: là xoáy thuận mới hình thành ở vùng rãnh khí áp đang sâu xuống

- Nhân (phó cao áp) là xoáy nghịch mới hình thành ở vùng lưỡi khí áp đang phát triển

Hình 3-16 trình bày sơ đồ các hệ thống khí áp trên bản đồ mặt đất

* Biểu diễn trường khí áp không gian

Để biểu diễn hình thế của một mặt đẳng áp người ta dùng các đường đẳng cao Có thể lập những bản đồ trên đó vẽ hệ thống các đường đẳng cao đối với mỗi mặt đẳng áp khác Các bản đồ như thế gọi là bản đồ hình thế khí áp Để minh họa chúng ta có thể biểu diễn mặt đẳng áp P (mb) bằng hình thế khí áp của mặt đẳng áp đó (hình 3-17)

có độ cao nhỏ nhất; các đường đẳng cao sắp xếp tương tự như các đường đẳng áp trong xoáy thuận - Vùng đó là tâm thấp (T) biểu thị khu thấp áp

Ngoài ra các đường đẳng cao trên bản đồ hình thế khí áp cũng tạo thành các dạng như rãnh, lưỡi, yên tương tự như đã xảy ra với hệ thống các đường đẳng áp

Trong thực tế, người ta xác định được độ cao của mặt đẳng áp tại các điểm khác nhau theo các số liệu cao không và ghi các trị số độ cao đó lên bản đồ Từ đó vẽ được

hệ thống các đường đẳng cao trên từng bản đồ Nguyên tắc vẽ các đường đẳng cao cũng giống như nguyên tắc vẽ các đường đẳng áp Đơn vị để biểu thị giá trị của hệ thống các đường đẳng cao này là đềcamét địa thế vị, viết tắt là damđtv

2) Nguyên nhân hình thành trường khí áp

Trường khí áp được hình thành do sự kết hợp giữa nguyên nhân nhiệt lực và động lực

a) Xét nguyên nhân nhiệt lực là chủ yếu (động lực là phụ)

Xét về nguyên nhân này tức là xét sự hình thành trường khí áp gây nên do sự phân

bố nóng lạnh không đều trên bề mặt:

- Tại vùng nóng: do nhiệt lực

mà không khí bốc lên và áp suất

tại đó nhỏ hơn xung quanh có

lạnh nóng lạnh

Hình 3-18

Kết quả là: ở dưới thấp mặt đẳng áp lõm xuống hình thành áp thấp nóng; trên cao mặt đẳng áp lồi lên hình thành cao áp nóng Gọi tắt chúng là "thấp nóng" và "cao nóng"

- Tại vùng lạnh: thì ngược lại,

khu vực lạnh hơn xung quanh thì

b) Xét nguyên nhân động lực là chủ yếu (nhiệt lực là phụ)

Xét nguyên nhân này tức là xét sự hình thành trường khí áp do sự thăng giáng động lực của không khí trên mặt đất là chủ yếu

a) b)

Hình 3-22

3.2.2 Các lực sinh ra chuyển động của không khí

1) Lực Cơriôlít hay lực lệch hướng địa chuyển

Năm 1838, Cơriôlít đã chứng minh được rằng: Mọi chuyển động trên mặt đất đều có khuynh hướng lệch khỏi hướng chuyển động ban đầu Sở dĩ như vậy là vì: trên trái đất mọi vật thì đều chịu tác dụng của gia tốc quay Gia tốc này bị gây nên bởi một lực, lực này gọi là lực Cơriôlít Dưới tác dụng của lực Cơriôlít A gây ra do

sự quay của quả đất đó mà các chuyển động ở Bắc bán cầu lệch về bên phải, ở Nam bán cầu lệch về bên trái so với hướng ban đầu

Hay: A→ = − 2

z y x

z y x

v vv

k j i

ωωω

Chiếu lên các trục toạ độ ta có:

Ax = − 2 (ωyvz − ωzvy)

Ay = − 2 (ωzvx − ωxvz)

(3-28)

Az = − 2 (ωxvy − ωyvx)

Chọn hệ tọa độ trên mặt đất như sau:

Oz: vuông góc với mặt đất hướng từ

dưới lên

Ox: tiếp tuyến với vòng vĩ tuyến từ

Tây sang Đông

Oy: tiếp tuyến với vòng kinh tuyến

từ Nam sang Bắc

Y

x →ω

z

a O ϕ

R

Hình 3-23

Trong khí tượng gọi hệ tọa độ này là hệ tọa độ chuẩn (hình 3-23)

Thì: ωx = 0 ωy = ω cosϕ ωz = ωsinϕ

Véc tơ ω có hướng dọc theo trục quay về phía mà theo đó chuyển động quay diễn

ra ngược chiều kim đồng hồ: trong chuyển động quay của trái đất ω hướng về phía Bắc

2) Lực ly tâm

Lực này xuất hiện khi phân tử vật chất chuyển động theo quỹ đạo cong (hình 24) Trong đó:

3 Hướng của lực ly tâm C bao giờ

cũng theo bán kính về phía lồi

- Độ lớn của C cho bởi công

thức:

C =

r

v2 (3-30) Trong đó:

r: bán kính quỹ đạo tại điểm đó;

v: tốc độ chuyển động của phân

Độ lớn của lực ly tâm C thường nhỏ song ở những xoáy nhỏ có r bé và v lớn thì C

đôi khi vượt quá G

3) Lực građiăng khí áp

Lực này xuất hiện do sự phân bố khí áp không đều Như chúng ta đều biết, điễu kiện cân bằng của một khối không khí nào đó khi chỉ có tác dụng của trọng lượng (đối với một đơn vị khối lượng) sẽ được xác định bằng các phương trình sau:

ρ

1x

P

∂

∂

= 0 Trong đó: X, Y, Z là hình chiếu trên trục toạ độ của lực trọng trường;

ρ

1x

∂

∂

(3-32") Như vậy lực građiăng khí áp có thể xác định một cách dễ dàng nếu biết trị số của građiăng khí áp và mật độ của không khí Dưới tác dụng của lực G các phần tử không khí sẽ chuyển động theo hướng của lực G đó

4) Lực ma sát

Lực ma sát sinh ra do tác dụng kìm hãm của mặt đất với dòng không khí đang chuyển động hay do các dòng không khí chuyển động với tốc độ khác nhau Người ta chia ra làm hai dạng ma sát: ma sát ngoài và ma sát trong (tính nhớt)

- Ma sát ngoài: lực ma sát ngoài sinh ra do tác dụng kìm hãm của mặt đất với chuyển động của không khí lực này được biểu diễn bằng công thức:

Trong đó: V: là tốc độ gió;

k: hệ số ma sát

Dấu ( − ) biểu thị hướng R ngược với V

- Ma sát trong: lực ma sát trong (đôi khi còn gọi là ma sát loạn lưu) sinh ra do tốc

độ chuyển động của các lớp không khí khác nhau: về mặt cơ học chất lỏng ta có thể xem không khí như là một chất lỏng nhớt, do đó giữa các lớp sát nhau khi chuyển động với tốc độ khác nhau sẽ sinh ra ma sát trong Lực ma sát trong được biểu diễn bằng công thức sau:

ρ

1z

* Thực tế hướng của R không ngược

hẳn với hướng chuyển động mà thường

lệch đi về bên trái một góc chừng 35o

Như thế phương trình chuyển động trong toạ độ đề các như sau:

t d

dVx = −

ρ

1 x

dVy

= −

ρ

1y

dVz = −

ρ

1z

P

∂

∂ + 2ωy vx − 2ωx vy + Rz − g Trong hệ phương trình (3-35) tuỳ theo vai trò của các lực thành phần, tuỳ theo từng trường hợp cụ thể những lực phụ có thể bỏ qua trong tính toán Ví dụ: lực ma sát chỉ có ý nghĩa với lớp khí quyển sát mặt đất; trên cao ma sát rất nhỏ có thể bỏ qua R; ngược lại ở mặt đất thì lực Cơriôlít không đáng kể vì V nhỏ nên có thể bỏ qua A v.v Sau đây chúng ta chỉ xem xét trong phạm vi chuyển động nằm ngang

3.2.3 Chuyển động ổn định của không khí

Chuyển động ổn định là chuyển động trong đó ở mỗi điểm của không gian độ lớn

và hướng (véc tơ) tốc độ gió không thay đổi theo thời gian (tức là chuyển động ổn định không có gia tốc; tốc độ gió không phụ thuộc vào thời gian t ở mỗi điểm.) Song khi chuyển từ điểm này sang điểm khác thì V có thể thay đổi

Vậy trong chuyển động ổn định thì:

dt

dV = 0 ; ∑ F = 0 và V = f(x)

1) Chuyển động ổn định trong trường hợp không có ma sát

Các lớp không khí có độ cao lớn hơn 500 ÷ 1000 m có thể coi là những lớp không có

ma sát Các chuyển động ổn định xảy ra trong lớp không có ma sát được gọi là gió građiăng

Chúng ta phân biệt gió građiăng ra làm hai loại: gió građiăng trong trường hợp đường đẳng áp thẳng (gió địa chuyển) và gió građiăng trong trường hợp đường đẳng áp tròn (gió địa chuyển xoáy)

a) Gió địa chuyển

Gió địa chuyển là chuyển động ổn định theo chiều nằm ngang của không khí theo các đường đẳng áp thẳng Tốc độ gió địa chuyển ký hiệu Vg (ug và vg là các thành phần nằm ngang tương ứng với trục Ox và Oy)

Khi xuất hiện gió địa chuyển thì phương trình chuyển động có dạng:

ρ

1x

P

∂

∂ + 2ωz vg

0 = −

ρ

1y

P

∂

∂ + 2ωz VgHoặc:

ρ

1n

Về hướng, như đã nói ở trên, thì véc tơ tốc độ gió Vg sẽ song song với đường đẳng

áp và dọc theo hướng gió về phía tay trái là áp thấp và tay phải là áp cao Ta có thể chứng minh được điều đó như sau:

- Đường đẳng áp càng xít thì Vg càng lớn và ngược lại

- Nếu G và ρ không thay đổi thì khi ϕ tăng thì Vg giảm, ở cực (ϕ = 90o) Vg phải nhỏ hơn bất kỳ ở một vĩ độ nào khác và ở xích đạo ϕ = 0 thì Vg → ∞ có nghĩa là ở xích đạo không thể có gió građiăng

- Cùng một G khi ρ càng lớn thì Vg càng nhỏ và ngược lại có nghĩa là cùng một građiăng khí áp gió sẽ tăng dần theo độ cao

Những kết luận trên đây chỉ đúng và có ý nghĩa thực tiễn với lớp khí quyển có độ cao từ 500 m đến 1000 m trở lên tức là ở nơi có gió gần với gió građiăng

Mặt khác: ρ =

RTP

Nên:

sinP2

RTϕ

b) Gió địa chuyển xoáy

- Trong vùng xoáy thuận →C

Xét tại một điểm M nào đó, phần

tử chuyển động sẽ chịu tác dụng của

chuyển động dọc theo đường đẳng áp

sao cho bên tay trái là áp suất thấp và

bên tay phải là áp suất cao (tức là với

xoáy thuận thì ngược chiều kim đồng hồ

P

∂

∂ − 2ωz ugΩ + Cy = 0 Hay:

VgΩ = − ω r sinϕ +

r

Prsin

2

∂

∂ρ+ϕ

Tuy vậy trong thực tế VgΩ chỉ đạt được khoảng 200 km/h (siêu cấp) Tốc độ này

có được ở các xoáy thuận nhiệt đới do dự trữ năng lượng của mặt đất trong suốt mùa xuân và mùa hè gây nên

- Trong vùng xoáy nghịch

→

G