Bài giảng Áp suất khí quyển và gió

Áp suất khí quyển và gióÁp suất khí quyểnKhái niệmSự thay đổi của áp suất khí quyển theo độ caoPhân bố áp suất khí quyển trên mặt đấtDiễn biến của áp suất khí quyểnGióNguyên nhân hình thành gióCác lực sinh ra và ảnh hưởng đến gióCác đặc trưng của gióCác loại gió (các loại hoàn lưu khí quyển)Khái niệmÁp suất khí quyển là trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có tiết diện là 1 đơn vị diện tích và độ cao tính từ mực quan trắc tời giới hạn trên của khí quyển.Khái niệm Áp suất khí quyển ở điều kiện tiêu chuẩn (00C, vĩ độ 450, độ cao ở mực nước biển) là 1013,25 mb1Atm = 760,0 mmHg = 101,325 kPa = 1013,25 mbSự thay đổi của áp suất với độ cao Áp suất khí quyển giảm dần theo độ cao.Sự thay đổi của áp suất với độ caoHầu hết các phần tử không khí tập trung ở lớp khí quyển sát mặt đất. Do vậy, áp suất giảm nhanh hơn ở lớp khí quyển sát mặt đất và chậm hơn ở lớp khí quyển trên caoSự thay đổi của áp suất với độ caoSự biến thiên của áp suất khí quyển theo độ cao có thể được tính theo công thức: dP = -.g.dz Trong đó: dp chỉ mức độ chênh lệch của khí áp dz chênh lệch độ cao giữa 2 mực khảo sát  là mật độ không khí g là gia tốc trọng trường Công thức tính áp suất khí quyển ở một độ cao xác định: Trong đó:P0, P là áp suất tại mực nước biển (độ cao z0) và độ cao zT là nhiệt độ không khí trung bình giữa mực biển và độ cao z Bậc khí áp: Chênh lệch độ cao khi áp suất khí quyển thay đổi 1 mb h = 8000(1+αt)/PPhân bố áp suất khí quyển trên mặt đấtPhân bố khí áp theo phương nằm ngang Đường đẳng áp (isobar): Là đường nối các điểm có cùng trị số áp suấtSử dụng trị số áp suất ở mực nước biển với đơn vị millibars (tránh ảnh hưởng của độ cao)Cách quy đổi khí áp về mực nước biểnTrung tâm khí áp thấp (Xoáy thuận)Trung tâm khí áp cao (xoáy nghịch)Vùng YênLưỡi (Ridge)Rãnh (Trough)Áp suất khí quyển và nhiệt độNhiệt độ không khí quyết định độ cao của cột khí quyểnKhí áp trên mặt đất nơi có nhiệt độ thấp sẽ cao hơn nơi có nhiệt độ cao và ngược lại đối với lớp khí quyển trên caoDiễn biến áp suất khí quyểnDiễn biến hàng ngàyDiễn biến hàng ngày là diễn biến kép: cực đại của áp suất xảy ra vào 10 giờ và 22 giờ và cực tiểu lúc 4 giờ và 16 giờ. Thể hiện rõ nhất ở các vĩ độ nhiệt đới, biên độ dao động áp suất 3-4mb, đôi khi đạt tới 10-15mb (thời tiết thay đổi đột ngột). Biên độ hàng ngày của áp suất giảm dần khi vĩ độ tăng, ở vĩ độ 600 biên độ dao động chỉ vào khoảng 0,3 – 0,6 mb.Diễn biến hàng nămKiểu lục địa, cực đại khí áp quan sát thấy vào mùa đông, cực tiểu vào mùa hè, biên độ đạt tới 20 -40 mb. (Tại Lucxtrum, φ=42041’; Λ=89042’; h=-17m khí áp tháng 12 là 1041,3mb, tháng 7 là 1004,0 mb, Δp = 37,3 mb) Kiểu đại dương và vùng duyên hải, cực đại vào mùa hè, còn cực tiểu vào mùa đông, biên độ 10 – 20 mb.Gió Khái niệm:Là sự di chuyển của không khí tương đối với mặt đất theo phương nằm ngang.Nguyên nhân gây ra gió: do sự chênh lệch khí áp trên bề mặt trái đất. Không khí di chuyển từ nơi có khí áp cao đến nơi có khí áp thấp tạo thành gió.Áp suất khí quyển khác nhau do:Vĩ độ địa lý (bức xạ mặt trời)Tính chất mặt đệm (đất liền và đại dương)Địa hình (hình thế núi đồi và hướng dốc)Các đặc trưng của gióHướng gió: xác định bằngHoa gió (thông dụng nhất)Theo vòng độTốc độ gió: xác định bằng m/s, km/h hoặc cấp gió.Ký hiệuHướng gióĐộHoa gió (Wind rose)NBắc0°                                                                                                                                           NNEBắc Đông Bắc22.5°NEĐông Bắc45°ENEĐông Đông Bắc67.5°EĐông90°ESEĐông Đông Nam112.5°SEĐông Nam135°SSENam Đông Nam157.5°SNam180°SSWNam Tây Nam202.5°SWTây Nam225°WSWTây Tây Nam247.5°WTây270°WNWTây Tây Bắc292.5°NWTây Bắc315°NNWBắc Tây Bắc337.5°Bft.m/skm/hTên cấp gióDấu hiệu nhận biếtSóng biển 00 - 0,21Lặng gióKhói lên thẳng0,110,3-1,51-5Gần lặng gióKhói hơi bị lay động0,121,6-3,36-11Gió rất nhẹCây rung nhẹ, lá xào xạc0,2-0,333,4-5,412-19Gió khá nhẹCành cây rung, cờ bay nhẹ0,6-1,045,5-7,920-28Gió nhẹBụi và giấy bị thổi bay1,0-1,558,0-10,729-38Gió vừa (Fresh Breeze)Cây nhỏ đu đưa2,0-2,5610,8-13,839-49Gió hơi mạnhMặt ao, hồ gợn sóng3,0-4,0713,9-17,150-61Gió khá mạnhDây điện kêu vu vu4,0-5,5817,2-20,762-74Gió mạnh (Gale)Người không đi ngược chiều được5,5-7,5920,8-24,475-88Gió rất mạnhMái ngói nhà cấp 4 bị lật7,0-10,01024,5-28,489-102Gió bão (Storm)Rễ cây to bật lên9,0-12,01128,5-32,6103-117Gió bão lớnSức phá mạnh, hư hại nhà kiên cố11,0-16,01232,7-36,9118-133Gió bão dữ (Hurricane)Đại cuồng phong14,0-18,0Bảng quy đổi tốc độ gió theo Beaufort (m/s và km/h)Các lực sinh ra và ảnh hưởng đến gióLực phát động gradient khí áp (Pressure Gradient Force - PGF)Gradient khí áp nằm ngang là độ giảm của áp suất trên một đơn vị khoảng cách theo phương thẳng, góc với đường đẳng áp (P/n)Lực phát động gradient khí áp tạo ra gió, không khí chuyển động từ nơi khí áp cao đến nơi có khí áp thấp.Lực Coriolis Là lực làm lệch hướng chuyển động của các phần tử không khí do sự tự quay của trái đất. Phần tử chuyển động lệch về phía tay phải ở BBC và tay trái ở NBC CF = 2..v. sin Trong đó: - tốc độ quay của trái đất (15o/giờ) v- tốc độ của phân tử chuyển động - vĩ độ địa lýLực CoriolisGió địa chuyển (Geostrophic wind)(Hướng gió do sự cân bằng giữa lực Coriolis và PGF) Khi các đường đẳng áp là những đường thẳng song song, lực Coriolis cân bằng với PGF (không có lực khác tham gia):Hướng gió thổi song song với đường đẳng ápRất ít xảy ra trong tự nhiênCó thể tìm thấy ở giới hạn trên của tầng đối lưuGió Gradient khi chịu lực ly tâm Khi đường đẳng áp là những đường cong, hướng gió vẫn song song với đường đẳng ápNhưng vận tốc gió thay đổi so với gió địa chuyểnDo có một lực khác tham gia – lực ly tâm (Centrifugal Force)Thường tìm thấy ở lớp khí quyển trên cao hoặc trên mặt biểnGió ở lớp khí quyển gần mặt đấtDo bị tác động bởi lực ma sát (Friction force) làm thay đổi hướng chuyển động và giảm vận tốc gióMức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào điều kiện địa hình (đồi núi hay mặt biển)Gió trong vùng khí áp thấp và khí áp caoXoáy thuậnXoáy nghịchCác loại gió Hoàn lưu khí quyểnGió hành tinh (Global wind)Gió mùa (Monsoon) Gió địa phương (Local wind)Gió đất, biển (Breeze)Gió núi, thung lũngGió foehnLượng bức xạ sóng dài đi ra khỏi bầu khí quyển hàng nămLượng bức xạ sóng ngắn mặt đất nhận được hàng nămB0Đới lặng gió xích đạoGió hành tinh (Global wind – General circulation)Gió mùa (monsoon)Hướng gió thay đổi theo mùaNguyên nhân là do sự chênh lệch về nhiệt độ trên lục địa và đại dươngMùa hè: gió thổi từ biển vào lục địaMùa đông: gió thổi từ lục địa ra biểnSự xê dịch các vành đai khí áp theo mùaSự xê dịch các vành đai khí áp theo mùaGió đất và gió biểnThường gặp ở những vùng ven biển, ven hồ lớnNguyên nhân: do sự chênh lệch nhiệt độ giữa biển và đất liền dẫn đến chênh lệch về khí áp. Ban ngày gió thổi từ biển vào đất liền, gọi là gió biển do đất liền nóng hơn, khí áp thấp trở thành nơi hút gió.Gió biển tốc độ khoảng 2,5m/s, thổi từ 8h đến khi mặt trời lặn, cực đại vào lúc 12-13h, ảnh hưởng vào tới 40-50km trong đất liên.Ban đêm gió thổi từ đất liền ra biển, gọi là gió đất vì biển ấm hơn đất liền lại trở thành nơi hút gió.Gió đất yếu hơn gió biển vì sự đối lập về nhiệt thấp hơn, ảnh hưởng ra ngoài biển tới 10 km.Gió đất - biển thường xuất hiện vào những ngày trời quang mây, trong vùng khí áp cao vào mùa hè.Sự hình thành gió biểnChênh lệch về khí áp dẫn đến gió thổi từ biển vao đất liền Đất (nong)Nước (lanh)Sự hình thành gió biểnLượng không khí được gia tăng ở bề mặt bốc lên caoKhông khí trên cao chìm xuống thay thế không khí thổi đi trên mặt đấtĐất (nóng)Nước (lanh)Sự chênh lệch áp suất dẫn đến gió thổi từ đất liền ra biển Nước (ấm)Đất (lạnh)Sự hình thành gió đấtĐất (lạnh)Nước (ấm)Lượng không khí được gia tăng ở bề mặt biển bốc lên caoKhông trên mặt đất khí thổi đi, không khí ở lớp khí quyển trên cao chìm xuống thay thế.Sự hình thành gió đấtGió núi và gió thung lũngHình thành ở trung do, miền núi, thay đổi hướng theo nhịp điệu ngày đêm.Ban ngày gió thổi từ thung lũng theo sườn núi đi lên do không khí trên thung lũng hấp thu nhiều bức xạ mặt trời, nóng lên (gió thung lũng).Ban đêm gió thổi từ sườn núi xuống thung lũng do sự tích tụ không khí lạnh, gọi là gió núiXuất hiện vào những ngày thời tiết đẹp, không bị ảnh hưởng bởi gió mùa.Gió thung lũngGió núiGió foehnNếu dãy núi cao 2 km, độ ẩm tại chân núi bên sườn đón gió là 80%, nhiệt độ 200C thì nhiệt độ và độ ẩm tại chân núi bên sườn khuất gió là bao nhiêu ?Độ cao so với mực nước biển(km)Ví dụ: Có 1 khối không khí ban đầu nhiệt độ 200C, độ ẩm 80%, khi thổi qua dãy núi cao 2000 mét. Vậy ở bên sườn khuất gió nhiệt độ và độ ẩm là bao nhiêu ?Giải: Ở sườn đón gió: t = 200C nên có thể tính được (các công thức tính toán ở chương IV):E = 6,1 . 10(7,6.20/242 + 20) = 23,4 mb e = 23,4 x 80/100 = 18,72 mb a = 0,81 x 18.72/(1 + 0,00366 x 20) = 14,13 g/m3.Ở đỉnh núi: Do đi lên theo quá trình đoạn nhiệt ẩm nên nhiệt độ giảm đi so với ban đầu 100C: t = 200C - 100C = 100C E = 12,3 mb. ở đây e = E hay r = 100%. a = 0,81 x 12,3/ (1 + 0,00366 x 10) = 9,6 g/m3.Lượng chứa ẩm tuyệt đối gây mưa là: 14,13 - 9,6 = 4,53 g/m3Ở chân núi sườn khuất gió: Do không khí đi xuống theo quá trình đoạn nhiệt khô nên nhiệt độ sẽ tăng lên so với ở đỉnh núi là 200C hay nhiệt độ ở chân núi là: t = 100C + 200C = 300C. E = 6,1 . 10(7,6.30/242 + 30) = 42,05 mb. Sức trương hơi nước thực tế khi t = 300C và a = 9,6 g/m3 là: e = 9,6 x (1 + 0,00366 x 30)/0,81 = 13,15 mb. r % = (13,15/42,05) x 100 = 31,28%Vậy nhiệt độ ở sườn khuất gió t = 300C và độ ẩm r = 31,28%. Không khí như vậy là rất khô và nóng.Gió foehn