D Ạ I I I Ọ C ( Ỉ U Ố C ( J I A TRẦN TÂN T IẾ N H À N Ộ I ĐỐI LƯU KHI QUYẾN KO Q jG Ha NOI Ní lA XUÂT BÂN DAI HOC QC GIA HÀ NƠI Đ A I H Ọ C Q U Ố C G IA HÂ NỘI T R Ấ N TÂN TIẾN Đ Ố I L Ư U K H Í Q U Y Ể N N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I C h iu tr c h n h iê m x u ả t b ả n G iá m đổb: N G U YỄN VÃN TH O Ả T ổ n g b iên tậ p : N G U Y Ễ N T H IỆ N G IÁ P Người nhận xét: P G S T S K H K iề u T h ị X in T S N g u vễ n H ướ ng Đ iề n Biên tập sửa bài: T h a n h Sơn Ngọc Q u y ê n Trình bày bìa: Ngọc A n h ĐỐI LƯ U K H Í Q U YỂN M ã số: 1 Đ H 0 - 0 In 0 cu ố n , tạ i N h in Đ i học Quốc g ia H N ội S ố x u ấ t b ả n : /1 /C X B S ố tr íc h n g an g 131 K H / X i In xo n g v nộp lư u c h iể u Q u ý n ăm 0 MỤC LỤC Lời n ó i đ ầ u M đ ầ u C h n g C c q u t r ì n h d ố i l u t r o n g k h i q u y ế n ] B iể u h iệ n c h u y ể n ciộng đối lư u tro ng k h í q u y ể n 1.2 L ự c n ổ i 11 1.3 Đ ối lư u nguồn đ ịa p h n g .18 1.1 Dôi lưu rối dòng c h ả y p h â n ta n g ôn đ ị n h 23 1.5 Đối lưu khô tro n g lớp b iê n 35 1.6 P h n g tr in h trạ n g th i củ a khịng k h í ấ m c h a bão hòa v k h n g k h í tro n g m â y 54 1.7 Các q u t r ì n h đoạn n h i ệ t 56 1.8 N ước v c h u y ê n pha c ủ a n c 58 1.9 E n t r o p i ẩ m 1.10 Gracỉien đoạn n h iệ t c ủ a n h iệ t độ 65 1.11 N ă n g lư ợ n g tĩn h ẩ m 66 1.12 B ấ t ổn đ ịn h c ủ a k h í q u y ể n 68 1.13 Đ ô i lư u ẩ m 73 1.14 f)ỏi lưu k h ô n g m a 77 1.15 ỉ) ố i lư u có m a .80 1.16 C c tổ ch ứ c q u y inô v a c ủ a đôi lư u 85 1.17 Q u ầ n th ể dối lư u 87 C h n g T h a m s ỏ h ó a đ ố i l u m â y t í c h ÍM) 2.1 Ả nh hư ơng m ây tích đ ế n q u t r ì n h q u y mô lớn 90 2 Phương p h p th íc h ứng đối lư u .94 P h n g p h áp th a m số hóa dối lư u m â y tíc h d ự a trê n giả t h iế t b ấ t ổn đ ịn h có đ iể u k iệ n lo i h a i ( C I S K ) 100 P h n g p háp th a m số hóa đối lư u m â y tíc h d ự a tr ê n giả th iế t v ậ n c h u y ển đối lưu n h â n t ố nối ẩ n 106 2.5 P hư ng p h p t h a m s ố hóa dơi lưu m ây tích có tín h đến q uá t r ì n h xáo trộ n n g a n g h xu ống c ủ a không k h í 109 2.6 P hươ ng p h p th a m s ố hóa đôi lưu c ủ a A r a k a w a A S c h u b e s t w 14 Mơ h ìn h q u ầ n th ể m â y tíc h d n g 120 2.8 T h a m s ố hóa đối lưu m ây tích dựa t r ê n mơ h ìn h m â y có dịng t h ă n g dịng g iá n g 126 So s n h phương p h p th a m sô hóa đ ố i lư u 134 2.10 Sơ đồ c h ẩ n đoán đặc t r n g mây t í c h 13? 2.11 Điều kiên x u ấ t hiên đối lưu m âv• t í c h 14o • • T i l i ê u t h a m k h ả o 147 LỜI NÓI Đ Ầ U Cuốn sách n y t r ì n h bày số k ế t qu ả nghiên cứu vai trị đơi lưu tro n g khí quyển, q uá t r ì n h n h iệ t động lực hình t h n h p h t triển dơi lưu khị, đối lưu ẩm dặc í r n g m ây tích Các p hư ơng p h p th a m số hóa đối lưu n h thích ứng đơi lưu th a m sơ hó a d ự a tr ê n gia th u y ế t bất ổn đ ịn h có điều kiộn loại hai t h a m sơ hóa ciựa tr ê n giả th u y ế t v ận chuyển đôi lưu c ù a rác p h ầ n tử nôi tro n g mô h ìn h s ố trị dự báo thời tiết khu' hậu dược mỏ t ả oách chi tiết cn sách Đặc biệt tài liệu cịn giới th iệ u mơ hình mây tích phương p h p xác* d ịn h dặc t r n g q u ầ n th ể mây tích từ sơ liệu quy mơ lớn Cuốn sách n ày có th ể dược sử d ụ n g làm tài liệu học tậ p sinh viên tà i liệu th a m k h ảo cho học viên s a u đại học r ủ n g n h n h n g h iê n cứu tro n g lĩn h vực k h í tượng v ậ t lý khí In th is book, som e m a in re s e a rc h r e s u lts re la te d to th e role of a tm o s p h e ric convection, the te rm o d v n am ic processes of fo rm a tio n an d d e ve lo p m e n t o f d ry an d m o ist co n vectio n in th e atm io sp h ere a s w e ll a s the c h a r a c te ris t ic s o f co n ve ctive cloud are described The m eth o d s of co n ve ctive p a m e te riz a tio n su c h as c o n v o c tiv e a d ju s tm e n t, th e m ethod s based on th e su p p o sitio n of c o n d itio n a l in s t a b ilit y o f the second k in d and th e m ethod s based on th e s u p p o sitio n o f co n ve ctive tra n s p o rt by im p lic t b u o ya n t e le m e n ts, w h ic h used in n u m e ric a l m o d els o f w e a th e r and c lim a te fo re c a st a re p ro vid ed in d e ta il I t is a lso in tro d u ced in th is book th e c o n ve c tive cloud m odels an d tho m ethods ap p lie d to d e te rm in e th e c h a r a c te r is t ic s o f e n se m b le co n vective cloud from m a c ro sc a le d a ta T h is book w o u ld be used as th e te x t book for u n d e rg d u a te d s tu d e n ts o f m eteo ro lo g ical s p e c ia lity as w e ll a s one o f re fe re n c e re s e a rc h e rs books w o rk in g a tm o sp h e ric p h ysicg in for post th e g d u a te d a re a of stu d e n ts m eteorology an d and MỞ ĐẦU N g h iê n u t r ìn h k h í q u vển n h iệ t đới m ột u o n g n h ữ n g v ấ n dể q u a n trọ n g củ a k h í tượng h iệ n n a y v n g y C-Ítng đ ợ r n h iề u n h kh o a học q u an tâm C c t r ìn h k h í tượng nhiệt đới có n h ữ n g n ét dặc biệt m ngồi n h iệ t đới khịng có c h a (lược n g h iê n u m ột cách đ ầ y đ ủ n h iệ t đới tón đối tượng cẩn nghiên cứu n h bào, dài hội tụ n h iệ t dôi v v T rô n q u y mô lỏn t r ìn h ỏ n h iệ t đới tương tá c vối cúc q u ả tr ìn h ỏ n h iệ t đới Do tương tá c n y p h ần lớn cùn b n g xạ dường ỏ v ù n g n h iệ t đới dược vận chuy ển lên V I độ cao N h n h iệ t dổi dóng vai trị nguồn n hiệt chê hồn lưu h n h tinh Nghiên cứu tr ìn h khí q u vến (1 n h iệ t đới g iúp cho việ c h iể u sâu ho àn lư u k h í quyến, n ă n g lượng chc k hác khí quyến M ộ t tro n g n h ữ n g tr ìn h k h í tượng q u a n trọ n g n h iệ t đói tr ìn h đối lư u tro n g k h í q u yể n Q u t r ìn h dơi lư u liê n tụ c v a n c h u y ể n n ă n g lượng từ lê n cao, p h â n bô lạ i n ăn g lượng theo phương th ẳ n g d n g V nhờ có q u tr ìn h đơi lư u m cá c n h iề u động cấc t r ìn h q u y mô lớn g ây bị m ấ t đ i Đ ê c a n b ằn g n ăn g lượng đ x íc h đạo ±10° c ầ n tồn tạ i k h o ả n g 500 - 0 đ m m â y tích lớn h o t đ ộn g đồng thờ i Mỗi dâm m y v ậ n c h u y ể n kh o ả n g ỉ2 - 12 J/ s L ợ n g n h iệ t n y ng ng k ế t nước tro ng m â y sả n r a C h ín h v ì th ế n h iệ t đới th n g có m ưa rấ t lớn trê n vù n g rộng T đ ầ u th ế k ỷ X X B enard (1 0 ), R a y le ig h (1 ) dã b ắ t đ ầ u n g h iê n cứu vê đỏi lưu tro n g khí Ngày n ay có n h iề u n h k h o a học lớn n g h iê n cứu k h ía cạnh k h c n h a u đối lư u E m a n u e l K, A S m ith R K , B é tt A K , M orton B R V.V G iá o t r ìn h n y t r ìn h b y q u t r in h đối lư u k h ô đối lơu ẩ m k h í quyển, mơ h ìn h hóa q uá t r ì n h t r ê n với giả th iế t từ đơn g iả n đến p h ứ c tạ p G iá o tr ìn h hệ th n g hóa v s â u vào loại mơ h ìn h t h a m s ố h óa đối lưu sử d ụ n g mô h ì n h s ố tr ị dự báo c h ẩ n đoán thời tiết G iá o t r ìn h tà i liệ u học tậ p cho s in h v iê n t i liệ u th a m k h ả o cho học v iê n sa u đ i học c ũ n g n h cá c k h k h o a học lĩn h vự c k h í tư ợ ng - th ủ y v ă n Chương C Á C Q U Á T R ÌN H Đ ố l L u T R O N G KHÍ Q U Y E N 1 BIỂU HIỆN CHUYỂN ĐỘNG ĐƠÌ Lưu TRONG KHÍ QUYỂN N ghiên cứu ả n h vệ tin h cho th ấ y tro ng k h í quyên h ìn h t h n h hệ thống m â y với kích thước n g an g từ vài km đến m ột hai t r ă m km Các hộ thông gọi hệ thống q u y mô vừa M ây cấu tạo lên h ệ th ố n g thư ng d n g ô hình lục lãng dài máy Các hệ th ố n g m ây quy mô thư ng vừa h ìn h t h n h c h u y ển động đối lưu p h t triể n tro n g lớp quyên có p h â n tầ n g ổn định m ặ t đệm k hông đồng n h ấ t K h i dôi lư u p h t tr iể n m n h hệ th ô n g m â y dược cấu Lạo từ mây vũ tích d n g khôi riêng biệt, luông mây đư ờng xoáy ốc Ỏ mây B e n a r d (1900) nghiên cứu thực nghiệm Rayleigh (1916) ngh iê n cứu vê m ặ t lý thuyết Lý th u y ế t tuyến tín h c ủ a R a y le ig h dưa đến h a i k ế t lu ậ n c h ín h : a) C h ê độ c h u y ể n dộng p h ụ thuộc vào m ột số k h ô n g th ứ n g u yê n (s ố R a y le ig h ) Ỏ đ â y g g ia tốc rơi tự do, T n h iệ t độ c ủ a lớp, Y g đ ie n n h iệ t độ theo phương th a n g đứ ng , y„ g zad ie n đoạn n h iệ t k h ô V hộ sô nhớt p h â n tử, K h ệ số d ẫn n h iệ t độ, H độ d y lớp đối lư u Mực áp suất mà (} phồn tửđà xót lán đáu cóđộ nối dương ựt)\ lịmựr đối lưutựđo (leveloffreeconvection-LKC) Mực áp suất mà ỏ dó lực nối trở nơn âm dược gọi mực độ Iiơi trung tính (level of neutral bdoyaney -LNB) Như khí quyến ơn định đỏi với di chuyến nhỏ theo phương thang dứng cúíi khơng khí lớp biên bất ôn định đôi với di ch u vỏn lớn theo phường th ả n g đứng L o i ôn đ ịn h tru n g g ia n thỏ thường gặp đối lưu ẩm Đôi vấn đế (hti)c để cặp đến trạng thái bất ơn định có điểu kiện Kỹ tluật xác định dại lượng bao hàm nghĩa bất ổn định cho Khơng khí bão hịa khơng bao hàm nghĩa cho trạng thíũ ' runggian Khả khí tích lưu giữ lượng sau hàng rào Hàng rào tồn trạng thái ổn (lịnh trung gian cho phép giái phóng lượng dịch chuyến phá vỏ Điều giải thích đựợc mạnh mẽ dạng đối lưu ẩm dông, mưa đá Diều cịn có nghĩa làđơi lưu xuất khơng MMn l CĨ í c h t r o n g đ i ề u k i ệ n c â n b ằ n g t ĩ n h h ọ c với c c q u trình tạo bất ổn định trường hợp lớp biên đốì lưu Dự báo đơì lưu "khơng cân bằng”là một.bài tốn khó, phức tap tổng hợp đại lượng độ bất ổn đinh, hàng rào năng, tổn độ lớn ngưỡng bùng no Mặt khác độ lớn hàng rào nàng tồn tạiỏ nhiệt đới nhỏ nhiều so với ỏ vĩ (lộtrưng bình (hình 1.14) Thế nang đơi với phần tử khí di chuyến từ vị trí đến mực lực nối phiếm định gọi làthế nàng dối lưu khả nảng (convective available Potential Eneregy -CAPE) LNB LNB (1.123) 75 B lực đơn vị khối lượng, Tv•nhiệt cỉộảo mơi trường, TVplànhiệt độ ảo phần tử Thế đối lưu phần tử khí chia thành hai phần Phần dương tính từ mực đối lưu tự lên phần âm từ mực ngưng kết đến mực đối lưu tự nó,và ký hiệu làPA (Positivearea) NA (Negative area) tương ứng CAPE = PA -NA LKC PA = ÍR(T -Tv)dlnP I.NI1 LCL • NA = JR(TV-Tvp)dlnP (1.124) LFC Hỉnh1.16.Sựkhácnhaugiữanhiệtđộcủaphẩntửđilênvàmôitrườngđược lấytrungbỉnhtừvàitrảmlẩnquantrắcỏvùngdaodnhiệtđởỉTâyTháibinh dưdngthuộcKapingamaranga.Trụchoảnh lảápsuấtmựcbanđẩucủa phintử,trụctunglàápsuấtmực phầntửđidến 76 Như NA biếu (liềnđộ lớncủa hàng rào thô cản đơi vỡ'.ilốilưu (hình 1.11) Lưu ý làhình dược biểu diỗn hệ lỌírH(lộtrục nhiệt độ tun tính cịn trục logarít áp u;Yt ỉ)iồu có nghĩa đại lượng CAPE PA, NA tỷ lệ vỏ]; (liộn ticli miền giới hạn dường nhiệt độ môi Irường nhiệt độ phần tứ dịch chuyến đoạn nhiệt Lượng ('APK đố) VỚI phấn (ử khơng nhầm vởỉ tổng ilành cho (ỉơi lưu chun thành động cột khí Động uãníí rủa cột khí dược gọi nãnp khả (available Potential Knergy APK) nỏ dược xác định hiệu tồn lượníĩchứa khơng khí lượng tối thiểu có thơ có sau chuyển dịch khơi lượng đoạn nhiệt cách hdíỊỉ lý Dơi với khơng khí gần mặt đất CAPE lớn -ong APE lại nhó, khơng khí bất ổn định Vì nãnj!chiêm giữ lớp mỏng Trong trường hợp khôi lượng không khí bất ổn định di lên chiêm phần rát nhỏ tổng khốilượng khơng khí trongcột khí Việc tính tốn giản đồ đại lượng dặc trưng đối ìưu phương pháp cổ điển, ngày ta tính inátytính việc dùng giản đồ trỏ nên không cần thiết Một rác-h hợp lý thuận tiện biểu diễn độ ổn định khí dối; lưu ấm biểu diễn hình (1.16) lên đoạn iilìi ệ t dược máy tính tinh cịn khác nhiệt độ ảo 'h.ần tứ lên mơi trường lấy trung bình theo nhiều quan trắc ỏ nhiệt đới Trục tung mực áp suất phần tử chuyển đến, trục hoành mực áp suất mà ỏ dó phần tử khí hình thành 1.14.ĐỐI LƯU KHƠNG MƯA Khi mây đối lưu mỏng tồn ngắn q trình \i imơ liên kết hạt nhỏ thành hạt lớn đủ dể rời khỏi mây 77 dạt đến mặt đất thành mưa Trong trường hợp tóc độ cịng thăng đủ lớn q trình khơng tạo mưa Trong trường hợp nàv tồn nước ngưng kết mây cuối cùn* ].ại bav tích phân theo phương thảng đứng -.heo thờigian giảiphóng ẩn nhiệt khơng Cụ thểnhư trường hợp Cumulus (humilus trade cumulus) nây stratocumulus Mặc dù khơng cóẩn nhiệtgiải phóng, ngưngkết bay hơicủa nước có hiệu ứng mạnh đến động lựcmây vàđến vận chuyển thẳng đứng nhiệt nưốc đối lưu Trên tình (1.17)trình bày quan trắccủa mây đối lưu không mưa Hinh1.16 Hàm lượngnước(g/m3)trongmảycumulusỏ độ CỈO 2000, 2:50 và2650met,chânmâyở khoảng 1000met.Trụchồnh làkhốngcáct (ngànphút),trụctunglàlượngnướclỏngg/m] Một đặc điểm đối lưu ẩm khác với đối lưu thìrv.g thường làsự lạnh dirất mạnh xuất khicác hạtnước ngínig 78 két bay lại Đê thấy rõ diều ta xét đại lượng nâng lượng tình ẩm: h , = ( C p d + r t C p v ) T + gZ - L v/ (1.125) Đại lượng báo tồn q trình dịch chuyển đoạn ntiiộl.và dộng dược chuyển đối thành nhiệt đồng thời