Bài giảng Khí tượng nông nghiệp - Chương 5: Áp suất khí quyển và gió

1 Áp suất khí quyển và gió • Áp suất khí quyển – Khái niệm – Sự thay đổi của áp suất khí quyển theo độ cao – Phân bố áp suất khí quyển trên mặt đất – Diễn biến của áp suất khí quyển • Gió – Nguyên nhân hình thành gió – Các lực sinh ra và ảnh hưởng đến gió – Các đặc trưng của gió – Các loại gió (các loại hoàn lưu khí quyển) Khái niệm Áp 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 mb 1Atm = 760,0 mmHg = 101,325 kPa = 1013,25 mb Sự 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 cao • Hầu 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 cao Sự thay đổi của áp suất với độ cao • Sự 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 z • T 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)/P ).( . 0 0 * ZZ TR g ePP   Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 2 Phân bố áp suất khí quyển trên mặt đất Phân bố khí áp theo phương nằm ngang Đường đẳng áp (isobar): – Là đường nối các điểm có cùng trị số áp suất – Sử 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 biển Trung tâm khí áp thấp (Xoáy thuận) Trung tâm khí áp cao (xoáy nghịch) Vùng Yên Lưỡi (Ridge) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 3 Rãnh (Trough) Áp suất khí quyển và nhiệt độ • Nhiệt độ không khí quyết định độ cao của cột khí quyển • Khí 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 cao Diễn biến áp suất khí quyển • Diễn biến hàng ngày – Diễn 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 năm – Kiểu 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 gió Hướng gió: xác định bằng – Hoa gió (thông dụng nhất) – Theo vòng độ Tốc độ gió: xác định bằng m/s, km/h hoặc cấp gió. Ký hiệu Hướng gió Độ Hoa gió (Wind rose) N Bắc 0° NNE Bắc Đông Bắc 22.5° NE Đông Bắc 45° ENE Đông Đông Bắc 67.5° E Đông 90° ESE Đông Đông Nam 112.5° SE Đông Nam 135° SSE Nam Đông Nam 157.5° S Nam 180° SSW Nam Tây Nam 202.5° SW Tây Nam 225° WSW Tây Tây Nam 247.5° W Tây 270° WNW Tây Tây Bắc 292.5° NW Tây Bắc 315° NNW Bắc Tây Bắc 337.5° Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 4 Bft. m/s km/h Tên cấp gió Dấu hiệu nhận biết Sóng biển 0 0 - 0,2 1 Lặng gió Khói lên thẳng 0,1 1 0,3-1,5 1-5 Gần lặng gió Khói hơi bị lay động 0,1 2 1,6-3,3 6-11 Gió rất nhẹ Cây rung nhẹ, lá xào xạc 0,2-0,3 3 3,4-5,4 12-19 Gió khá nhẹ Cành cây rung, cờ bay nhẹ 0,6-1,0 4 5,5-7,9 20-28 Gió nhẹ Bụi và giấy bị thổi bay 1,0-1,5 5 8,0-10,7 29-38 Gió vừa (Fresh Breeze) Cây nhỏ đu đưa 2,0-2,5 6 10,8-13,8 39-49 Gió hơi mạnh Mặt ao, hồ gợn sóng 3,0-4,0 7 13,9-17,1 50-61 Gió khá mạnh Dây điện kêu vu vu 4,0-5,5 8 17,2-20,7 62-74 Gió mạnh (Gale) Người không đi ngược chiều được 5,5-7,5 9 20,8-24,4 75-88 Gió rất mạnh Mái ngói nhà cấp 4 bị lật 7,0-10,0 10 24,5-28,4 89-102 Gió bão (Storm) Rễ cây to bật lên 9,0-12,0 11 28,5-32,6 103-117 Gió bão lớn Sức phá mạnh, hư hại nhà kiên cố 11,0-16,0 12 32,7-36,9 118-133 Gió bão dữ (Hurricane) Đại cuồng phong 14,0-18,0 Bảng quy đổi tốc độ gió theo Beaufort (m/s và km/h) Hình 5.23. Vườn chôm chôm sau bão Hình 5.24. Sức gió mạnh cấp 8 Hình 5.26. Hoạt động của bão Uto (12/2006) Hình 5.25. Miệt vườn sau cơn bão (2006) Các lực sinh ra và ảnh hưởng đến gió • Lực 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 lý Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 5 Lực Coriolis Gió 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 áp • Rất ít xảy ra trong tự nhiên • Có thể tìm thấy ở giới hạn trên của tầng đối lưu Gió Gradient khi chịu lực ly tâm • Khi đường đẳng áp là những đường cong, hướng gió vẫn song song với đường đẳng áp • Nhưng vận tốc gió thay đổi so với gió địa chuyển • Do có một lực khác tham gia – lực ly tâm (Centrifugal Force) • Thường tìm thấy ở lớp khí quyển trên cao hoặc trên mặt biển Gió ở lớp khí quyển gần mặt đất • Do bị tác động bởi lực ma sát (Friction force) làm thay đổi hướng chuyển động và giảm vận tốc gió • Mức độ ảnh hưởng phụ thuộc vào điều kiện địa hình (đồi núi hay mặt biển) Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 6 Gió trong vùng khí áp thấp và khí áp cao Xoáy thuận Xoáy nghịch Các loại gió Hoàn lưu khí quyển • Gió hành tinh (Global wind) • Gió mùa (Monsoon) Gió địa phương (Local wind) – Gió đất, biển (Breeze) – Gió núi, thung lũng – Gió foehn Lượng bức xạ sóng dài đi ra khỏi bầu khí quyển hàng năm Lượng bức xạ sóng ngắn mặt đất nhận được hàng năm B<0 B>0 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 7 Đới lặng gió xích đạo Gió hành tinh (Global wind – General circulation) Gió mùa (monsoon) • Hướng gió thay đổi theo mùa • Nguyên nhân là do sự chênh lệch về nhiệt độ trên lục địa và đại dương • Mùa hè: gió thổi từ biển vào lục địa • Mùa đông: gió thổi từ lục địa ra biển Sự xê dịch các vành đai khí áp theo mùa Sự xê dịch các vành đai khí áp theo mùa Gió đất và gió biển • Thường gặp ở những vùng ven biển, ven hồ lớn • Nguyên 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. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam 8 Sự hình thành gió biển Chênh lệch về khí áp dẫn đến gió thổi từ biển vao đất liền Đất (nong) Nước (lanh) Sự hình thành gió biển Lượng không khí được gia tăng ở bề mặt bốc lên cao Không khí trên cao chìm xuống thay thế không khí thổi đi trên mặt đất Đất (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 đất Đất (lạnh) Nước (ấm) Lượng không khí được gia tăng ở bề mặt biển bốc lên cao Không trên mặt đất khí thổi đi, không khí ở lớp khí quyển trên cao chìm xuống thay thế. Sự hình thành gió đất Gió núi và gió thung lũng • Hình 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 núi • Xuất hiện vào những ngày thời tiết đẹp, không bị ảnh hưởng bởi gió mùa. Gió thung lũng Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 9 Gió núi Gió foehn Nếu 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 ? Đ ộ c a o s o v ớ i m ự c n ư ớ c b iể n (k m ) 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/m3 Ở 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 Chế độ nhiệt, ẩm thời tiết gió Lào gây rụng hoa bưởi ở Hương Trạch Ngày Thời gian theo dõi Độ ẩm (%) Nhiệt độ (0C) 20/IV 12.49 PM – 3.49 PM 45,1 – 36,5 44,7 – 47,7 21/IV 1.49 PM – 2.49 PM 41,3 – 42,0 48,2 – 48,2 22/IV 12.49 PM – 3.49 PM 37,3 – 31,5 46,0 – 50,1 23/IV 12.49 PM – 3.49 PM 34,1 – 31,4 46,5 – 52,1 24/IV 10.49 AM – 2.49 PM 38,3 – 40,4 46,0 – 49,4 Nguồn: Đỗ Đình Ca (2007) Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với cây trồng Hình 3.6. Bưởi Phúc Trạch rụng hoa Ảnh hưởng của nhiệt độ cao đối với cây trồng Hình 3.7. Bưởi rụng quả Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/