Bài giảng Khí tượng biển

LỜI NÓI ĐẦU Trên khung chương trình Đào tạo ngành Kỹ thuật bờ biển, được thành lập theo dự án “Nâng cao năng lực đào tạo ngành Kỹ thuật bờ biển tại Trường Đại học Thủy lợi” do Chính phủ Hà Lan tài trợ, môn “Khí tượng biển” sẽ được giảng dạy cho chuyên ngành “Quản lý tổng hợp dải ven biển” với 04 đơn vị học trình do Bộ môn Tính Toán Thủy văn Khoa Thủy Văn – Môi trường đảm nhận giảng dạy. Bộ môn Tính Toán Thủy Văn đã tiến hành hội thảo, xây dựng đề cương môn học, gửi tới Khoa chủ quản và phân công Thạc sĩ Phạm Đức Nghĩa, giảng viên chính thuộc Bộ môn Tính Toán Thủy Văn chủ biên. Tập bài giảng này được biên soạn theo đề cương chi tiết môn học “Khí tượng biển” đã được Bộ môn Tính toán Thủy văn Khoa Thủy văn – Môi trường thông qua. Tham gia biên soạn tập bài giảng này còn có các cán bộ, chuyên gia của Trung Tâm Khí tượng Thủy Văn biển thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường. Nội dung môn học gồm 07 chương, trong đó: Thạc sỹ Phạm Đức Nghĩa, GVC Khoa Thuỷ văn – Môi trường, biên soạn: chương I, chương II, chương III, chương IV, tiết 1 &3 của chương VI, chương VII. Tiến sỹ Bùi Xuân Thông, Trung Tâm Khí tượng Thủy Văn biển, biên soạn: chương V, tiết 2 của chương VI, tiết 1 của chương VII. Môn học này được chia thành hai học phần: Học phần I đề cập đến những kiến thức cơ bản của Vật lý khí quyển, thời tiết và khí hậu, bao gồm: - Giới thiệu chung, các yếu tố khí tượng cơ bản và phương trình trạng thái của không khí. - Thành phần và cấu trúc khí quyển, các dòng bức xạ trong khí quyển, chế độ nhiệt của đất nước và không khí. - Cơ sở về nhiệt lực học, động lực học khí quyển và tuần hoàn nước trong thiên nhiên. - Hoàn lưu khí quyển nói chung, các khối không khí thay phiên nhau ảnh hưởng đến nước ta và gió mùa trong điều kiện Việt Nam Học phần II đề cập về một số đặc điểm cơ bản của Khí tượng biển Đông, bao gồm: - Những điều cơ bản về mối tương tác giữa biển – khí quyển. - Thời tiết, các hình thế thời tiết cơ bản và hệ quả của sự tương tác biển - khí quyển trên Biển Đông. - Khí hậu, các nhân tố hình thành khí hậu, đặc điểm chung và các đặc trưng yếu tố khí hậu của miền khí hậu Biển Đông. Do thời gian và trình độ còn hạn chế, tập bài giảng này chắc chắn còn có nhiều sai sót, mong được sự đóng góp quý báu của các bạn đồng nghiệp. Chúng tôi hy vọng rằng tập bài giảng này sẽ được bổ khuyết dần và ngày càng có thể đáp ứng tốt hơn theo yêu cầu đào tạo của ngành Kỹ thuật bờ biển nói riêng và các các ngành khoa học có liên quan nói chung. Tập thể tác giả MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .......................................................................................................................... 2 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 7 1.1 Khí tượng học là gì ? ...............................................................................7 1.1.1 Khí tượng học và phương pháp nghiên cứu..................................... 7 1.1.2 Các bộ môn của Khí tượng học ........................................................ 7 1.1.3 Sơ lược về lịch sử phát triển của Khí tượng học.............................. 8 1.2 Các yếu tố khí tượng cơ bản ................................................................... 9 1.2.1 Nhiệt độ không khí .......................................................................... 10 1.2.2 Áp suất khí quyển............................................................................ 10 1.2.3 Độ ẩm không khí .............................................................................10 1.2.4 Gió...................................................................................................12 1.2.5 Mây..................................................................................................13 1.2.6 Mưa .................................................................................................14 1.2.7 Tầm nhìn xa ....................................................................................14 1.3 Phương trình trạng thái của không khí .................................................. 14 1.3.1 Phương trình trạng thái của không khí khô..................................... 14 1.3.2 Phương trình trạng thái của hơi nước và quan hệ giữa các đặc trưng độ ẩm của không khí ...................................................................... 16 1.3.3 Phương trình trạng thái của không khí ẩm - Nhiệt độ ảo................ 18 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG I ......................................................................... 20 CHƯƠNG II BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN .................................................................. 21 2.1 Thành phần và cấu trúc khí quyển .......................................................... 21 2.1.1 Thành phần không khí .................................................................... 21 2.1.2 Cấu trúc khí quyển theo chiều thẳng đứng..................................... 21 2.1.3 Cấu trúc khí quyển theo chiều nằm ngang ..................................... 25 2.2 Các dòng bức xạ trong khí quyển ........................................................... 29 2.2.1 Bức xạ mặt trời................................................................................29 2.2.2 Bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển .............................................. 46 2.2.3 Cân bằng bức xạ............................................................................. 48 2.3 Chế độ nhiệt của đất, nước và không khí.............................................. 51 2.3.1 Sự nóng lên và lạnh đi của các vùng đất, nước và không khí........ 51 2.3.2 Quá trình truyền nhiệt vào trong lòng đất, nước và không khí ....... 52 2.3.3 Sự diễn biến nhiệt độ của bề mặt và không khí theo thời gian và không gian................................................................................................59 2.3.4 Sự biến đổi của nhiệt độ không khí theo thời gian và không gian.. 61 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG II ........................................................................ 65 CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN...................................... 66 3.1 Cơ sở nhiệt lực học khí quyển............................................................... 66 3.1.1 Các quá trình đoạn nhiệt của không khí ......................................... 66 3.2 Cơ sở động lực học khí quyển................................................................. 91 3.2.1 Trường khí áp ..................................................................................91 3.3 Tuần hoàn của nước trong thiên nhiên ................................................. 110 3.3.1 Bốc hơi...........................................................................................111 3.3.2 Ngưng kết......................................................................................120 3.3.3 Nước rơi khí quyển .......................................................................130 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG III .....................................................................136 CHƯƠNG IV HOÀN LƯU KHÍ QUYỂN ......................................................................... 138 4.1 Hoàn lưu chung khí quyển...................................................................138 4.1.1 Sơ đồ hoàn lưu chung khí quyển.................................................... 138 4.1.2 Vài nét đặc trưng hoàn lưu ở các đới vĩ độ..................................... 147 4.1.3 Xoáy thuận nhiệt đới, bão............................................................... 150 4.2 Các khối không khí ở Bắc bán cầu và ảnh hưởng của chúng đến Việt Nam ...................................................................................................................155 4.2.1 Các khối không khí ở Bắc bán cầu ................................................. 155 4.2.2 Các khối không khí ảnh hưởng đến Việt Nam ................................ 155 4.3 Gió mùa trong điều kiện Việt Nam....................................................... 157 4.3.1 Khí hậu Việt nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa................................ 157 4.3.2 Vai trò của gió mùa trong sự hình thành khí hậu Việt Nam ............. 159 4.3.3 Gió mùa trong điều kiện Việt Nam và vai trò của nó trong sự hình thành khí hậu ..........................................................................................162 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG IV....................................................................164 CHƯƠNG V TƯƠNG TÁC BIỂN – KHÍ QUYỂN .......................................................... 166 5.1 Hệ thống biển – khí quyển với các quy mô tương tác......................... 166 5.1.1 Hệ thống biển – khí quyển là gì ...................................................... 166 5.2 Lớp biên sát mặt biển – Các đặc trưng động lực của lớp biên .............. 170 5.2.1 Các đặc trưng của lớp ma sát ........................................................170 5.3 Gió và dòng chảy gió trong lớp biển – khí quyển................................... 174 5.3.1 Tác động gió trên bề mặt biển ........................................................ 174 5.3.2 Các đặc trưng chế độ gió ...............................................................175 5.3.3 Lý thuyết Ecman về dòng chảy gió ................................................. 176 5.4 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió ............... 178 5.4.1 Giới thiệu chung .............................................................................178 5.4.2 Phương pháp thực nghiệm Ecman xác định dòng chảy gió......... 179 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG V.....................................................................184 CHƯƠNG VI THỜI TIẾT BIỂN ĐÔNG .......................................................................... 185 6.1 Thời tiết và hình thế thời tiết..................................................................185 6.1.1 Các công cụ phân tích và dự báo thời tiết....................................... 185 6.1.2 Kiểm tra và sửa chữa số liệu đo đạc .............................................. 188 6.1.3 Phân tích và dự báo hình thế si nốp .............................................. 189 6.2 Các loại hình thế thời tiết trên khu vực Biển Đông.............................. 204 6.2.1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên Biển Đông.................................... 204 6.2.2 Quan điểm chung về phân loại các hình thế thời tiết trên Biển Đông ................................................................................................................205 6.2.3 Kết quả phân loại hình thế thời tiết trên Biển Đông......................... 205 6.2.4 Hệ thống mây tích với các hiện tượng thời tiết dông, lốc, mưa đá và vòi rồng ...................................................................................................239 6.3 Hệ quả của sự tương tác biển – khí quyển trên biển Đông ................ 241 6.3.1 Hoàn lưu biển.................................................................................241 6.3.2 Chế độ nhiệt muối .........................................................................243 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG VI.....................................................................243 CHƯƠNG VII KHÍ HẬU BIỂN ĐÔNG ........................................................................... 245 7.1 Các nhân tố hình thành khí hậu........................................................... 245 7.1.1 Bức xạ mặt trời...............................................................................245 7.1.2 Hoàn lưu khí quyển ........................................................................249 7.1.3 Điều kiện mặt đệm..........................................................................255 7.2 Đặc điểm chung của các vùng khí hậu Biển Đông.............................. 259 7.2.1 Khí hậu vùng ven biển .................................................................260 7.2.2 Khí hậu vùng phía Bắc Biển Đông ................................................ 260 7.2.3 Khí hậu vùng Nam Biển Đông....................................................... 261 7.3 Các đặc trưng khí hậu của biển Đông ................................................. 262 7.3.1 Trường áp và trường gió ................................................................ 262 7.3.2 Trường nhiệt ẩm ...........................................................................264 CÂU HỎI CUỐI CHƯƠNG VII...................................................................267 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 268 CHƯƠNG I MỞ ĐẦU 1.1 Khí tượng học là gì ? 1.1.1 Khí tượng học và phương pháp nghiên cứu Khí tượng học là một ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các hiện tượng và các quá trình khí quyển. Vì đi sâu vào nghiên cứu và giải thích bản chất vật lý của mọi hiện tượng, mọi quá trình khí quyển diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất nên Khí tượng học còn được gọi là Vật lý khí quyển. Đối tượng nghiên cứu của Khí tượng học chính là các hiện tượng, các quá trình vật lý diễn ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Mục đích nghiên cứu của Khí tượng học nhằm nắm được quy luật diễn biến của khí quyển để chinh phục khí quyển phục vụ cho lợi ích và mọi hoạt động của con người. Nhiệm vụ của Khí tượng học không phải chỉ nghiên cứu các hiện tượng, các quá trình khí quyển để lợi dụng, khai thác những điều kiện thuận lợi của chúng mà còn phải đề ra và kiện toàn các biện pháp ngăn ngừa, khống chế các ảnh hưởng bất lợi của chúng. Phương pháp nghiên cứu của Khí tượng học bao gồm 3 phương pháp cơ bản, đó là: Phương pháp quan trắc: Đây là phương pháp nghiên cứu cơ bản nhất của Khí tượng học. Phương pháp này tiến hành đo đạc, khảo sát quan hệ giữa các yếu tố khí tượng nhằm mô tả các quá trình, các hiện tượng xảy ra trong khí quyển và trên bề mặt trái đất. Quan trắc khí tượng được tiến hành trên mạng lưới các đài trạm khí tượng được tổ chức trên khắp bề mặt trái đất liên tục quan trắc trạng thái khí quyển trong suốt bề dày của nó. Phương pháp thực nghiệm: Theo phương pháp này, người ta tiến hành xây dựng các “buồng khí hậu nhân tạo”, trong đó có thể tạo ra được những điều kiện khí tượng tương tự như ở các vùng khác nhau trên trái đất. Trên cơ sở đó, nghiên cứu và đưa ra được những biện pháp ngăn ngừa, phòng tránh các hiện tượng và quá trình tiêu cực trong tự nhiên, tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển. Phương pháp toán học: Đây là phương pháp sử dụng các thành tựu của toán học, thiết lập các mô hình toán để tổng hợp số liệu, phát hiện và xác lập các mối quan hệ có quy luật giữa các hiện tượng riêng biệt để giải thích và cảnh báo, dự báo các quá trình khí quyển giúp con người khống chế và cải tạo nó nhằm phục vụ cho lợi ích của mình. 1.1.2 Các bộ môn của Khí tượng học Dựa vào các vấn đề nghiên cứu, các phương pháp nghiên cứu được sử dụng, người ta phân chia khoa học khí tượng thành các bộ môn sau: 1) Khí tượng si nốp (Khí tượng dự báo): Khí tượng si nốp hay là khoa học thời tiết và dự báo thời tiết là môn khoa học về những nguyên nhân của điều kiện thời tiết và sự biến đổi của nó trên một phạm vi rộng lớn. Khí tượng si nốp chuyên đi sâu nghiên cứu các quy luật diễn biến của thời tiết ở từng vùng, miền nhằm dự báo trước diễn biến thời tiết phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân. 2) Khí hậu học: Khí hậu học là khoa học nghiên cứu quá trình hình thành khí hậu bằng cách khảo sát tác động tương hỗ giữa các nhân tố hình thành khí hậu (bức xạ mặt trời, hoàn lưu khí quyển và mặt đệm) và sự phân bố khí hậu theo địa lý. Khí hậu học còn nghiên cứu các đặc điểm khí hậu ở một địa phương nào đó gây ra bởi sự không đồng nhất về cấu tạo mặt đệm, điều kiện tự nhiên có tính chất địa phương gọi là tiểu khí hậu. 3) Khí tượng động lực Khí tượng động lực là một bộ môn khoa học khí tượng đi sâu nghiên cứu về mặt lý luận, nó dùng công cụ toán học để nghiên cứu và giải thích những diễn biến của các hiện tượng, các quá trình khí quyển. 4) Khí tượng cao không: Khí tượng cao không là một bộ môn khoa học khí tượng đi sâu nghiên cứu về các quá trình phát sinh, phát triển của các hiện tượng vật lý xảy ra ở những lớp trên cao của khí quyển, tiến tới đi sâu vào tìm hiểu không gian vũ trụ. Ngoài ra, Khí tượng học còn có một số bộ môn phụ khác như: Khí tượng nông, lâm nghiệp; Khí tượng biển; Khí tượng y học; Khí tượng xây dựng... Có thể nói mối quan hệ của khoa học khí tượng với các ngành khoa học và các ngành kinh tế khác nhau rất chặt chẽ. 1.1.3 Sơ lược về lịch sử phát triển của Khí tượng học Có thể phân chia lịch sử phát triển của Khí tượng học thành 3 giai đoạn: 1) Giai đoạn quan sát và tổng kết kinh nghiệm Xuất phát từ yêu cầu sản xuất, con người đã phải chú ý đến thời tiết, đã quan sát và tổng kết kinh nghiệm. Ví dụ: Trong thời cổ đại ấn Độ, Trung Quốc đã có những thông tin về khí tượng như sau: ghi chép các hiện tượng thời tiết ở dạng nhật ký nhà nông, đúc kết kinh nghiệm để phán đoán thời tiết; chia thời tiết ra: mưa, nắng, nóng, lạnh; chia 4 mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông; lập lịch nhà nông 24 tiết khí. Cuối giai đoạn này (khoảng đầu thế kỷ 17) có xuất hiện những cuốn sách đầu tiên viết về các hiện tượng, các quá trình vật lý diễn ra trong khí quyển và có sơ bộ giải thích chúng (tuy nhiên là rất nông cạn). ở Việt Nam, kho tàng ca dao, tục ngữ nói về thời tiết, khí hậu là những tài liệu tổng kết quý báu, đóng góp rất to lớn vào lịch sử phát triển của ngành khí tượng. 2) Giai đoạn có máy quan trắc mặt đất Giai đoạn có máy quan trắc mặt đất bắt đầu từ thế kỷ 17 với sự phát triển mạnh mẽ của Địa lý học, Khí tượng học phát triển lên một bước mới: - Bắt đầu là Ga-li-lê chế ra nhiệt biểu (1607), Tô-ri-sen-li chế ra khí áp biểu (1643). Các nhiệt biểu, ẩm biểu được sử dụng ở Trung Quốc. - Mạng lưới các trạm quan trắc bắt đầu xuất hiện và từng bước hoàn thiện trên toàn thế giới (đặc biệt từ năm 1725 đến năm 1733). Quan trắc trên khắp trái đất được tiến hành từ định tính đến định lượng, theo định kỳ quan trắc. - Các lý thuyết đầu tiên của Khí tượng học bắt đầu được xây dựng thông qua các số liệu quan trắc. Khí tượng học được xem là một bộ phận của Vật lý học. Đến nửa thế kỷ 18 với đóng góp của Lô-mô-nô-xôp, Khí tượng học mới trở thành một ngành khoa học độc lập: - Chế tạo ra máy tự ghi, máy đo gió, đề ra nguyên tắc quan trắc đồng thời trên toàn bộ mạng lưới các trạm trên thế giới. - Xây dựng Đài vật lý địa cầu đầu tiên trên thế giới (1849) ở Liên Xô (cũ). - Xây dựng bản đồ thời tiết, phát hiện ra hướng chuyển động của không khí từ cao áp đến thấp áp và sự lệch hướng địa chuyển của Bơ-lan-đơ-xơ (thế kỷ 19). - Từ năm 1850, phép phân tích si nốp được hình thành và được áp dụng nhanh chóng để dự báo thời tiết và bộ môn Khí tượng si nốp được đặt nền móng. - Những công trình nghiên cứu khí quyển trên tầng cao của Men-đê-lê-ép đã đạt được các kết quả. - Môn-sa-nôp phát minh ra máy vô tuyến thám không. Với phát minh này khoa học khí tượng chuyển sang giai đoạn mới. 3) Giai đoạn có máy quan trắc cao không Đây là thời kỳ đặt nền móng cho khoa học khí tượng hiện đại: - Nhiều nhà bác học chuyển sang nghiên cứu khí tượng. - Mạng lưới quan trắc khí tượng bề mặt trên thế giới dày đặc, trang bị ngày càng đầy đủ. Mạng lưới khí tượng cao không được xây dựng. - Xây dựng các loại bản đồ cao không, kết hợp với bản đồ mặt đất để dự báo thời tiết. - Nhiều học thuyết và phương pháp nghiên cứu ra đời như: thuyết phờ rông của Bi-ec-ni-xơ, phương pháp dự báo thời tiết dài hạn của Mun-ta-nôp-ski, nguyên tắc dự báo thời tiết trung hạn của Pagava. - Sử dụng các thành quả của khoa học toán, lý để nghiên cứu khí quyển - Khí tượng động lực học ra đời. - Xuất hiện hàng loạt các máy móc như máy khí tượng đo xa, trạm