Giáo trình Khí tượng hải dương - Nghề: Điều khiển tàu biển
CỤC HÀNG HẢI VIỆT NAM
TRƯỜNG CAO ĐẲNG HÀNG HẢI I
GIÁO TRÌNH
MÔN HỌC: KHÍ TƯỢNG
HẢI DƯƠNG
NGHỀ: ĐIỀU KHIỂN TÀU BIỂN
TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số.....QĐ/ ngày....tháng.....năm....của.....)
HẢI PHÒNG, NĂM 2017
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh
thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
i
LỜI GIỚI THIỆU
Ngành giao thông vận tải đường biển Việt Nam, cũng như nhiều nước khác trên
thế giới, đã và đang phát triển mạnh mẽ. Các tàu biển được trang bị các phương tiện
dẫn đường tối tân, cho phép đi biển trong mọi điều kiện thời tiết. Sự hoàn thiện kết
cấu thân tàu, kích thước cuả tàu chứng tỏ rằng việc đi biển trong thời gian hiện nay
không phụ thuộc quá nhiều vào ảnh hưởng của điều kiện thời tiết. Tuy vậy, những sỹ
quan hàng hải trong hoạt động thực tiễn của mình luôn luôn phải chú ý đến các điều
kiện thời tiết và tình trạng mặt biển, vì chúng có ảnh hưởng đáng kể đến độ an toàn
và hiệu quả kinh tế của việc khai thác tàu biển.
Sóng to, gió lớn, tầm nhìn xa hạn chế, hải lưu bất thường… là những nhân tố
chủ yếu đe doạ đến sự an toàn trên biển. Chúng làm giảm tốc độ tàu, kéo dài thời
gian chuyến đi, làm tiêu hao nhiên liệu quá mức, gây ra những tổn thất cơ học đối với
thân tàu hoặc hư hỏng hàng hoá, làm giảm hiệu quả kinh tế.
Đối với người điều khiển tàu biển phải biết được các điều kiện khí tượng - thuỷ
văn nơi tàu mình đang hoạt động và sắp đi tới, để có thể tránh mọi nguy hiểm cho
tàu, bảo đảm an toàn và mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất.
Để phục vụ cho công tác dạy và học trong nhà trường được tốt, tập thể giảng
viên tổ Hàng hải cơ sở, khoa Điều khiển tàu biển, trường Cao đẳng Hàng hải I đã
biên soạn giáo trình KHÍ TƯỢNG HẢIDƯƠNG để làm tài liệu giảng dạy và học tập
trong nhà trường đối với hệ Cao đẳng, ngành Điều khiển tàu biển. Giáo trình này
cũng là tài liệu cho các độc giả chuyên ngành về Điều khiển tàu biển cùng các lĩnh
vực có liên quan tham khảo.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn những đóng góp và sự cộng tác nhiệt tình của
các đồng nghiệp trong Khoa Điều khiển tàu biển - Trường Cao đẳng Hàng hải I. Mặc
dù đã có nhiều cố gắng, nhưng không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong các bạn
đồng nghiệp và bạn đọc đóng góp ý kiến để chúng tôi tiếp tục cập nhật và hiệu chỉnh
cho giáo trình “KHÍ TƯỢNG HẢI DƯƠNG” ngày thêm hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cám ơn.
Hải Phòng, ngày…tháng… năm…
Tham gia biên soạn
1. Chủ biên: Ks, TTr Lương Văn Hải
2. Ks, SQQL Thái Hữu Kha
3. Ths, SQQL Nguyễn Chí Thạnh
ii
MỤC LỤC
Trang
LỜI GIỚI THIỆU...........................................................................................................ii
MỤC LỤC.....................................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................viii
QUYỂN..........................................................................................................................2
1. Thành phần khí quyển trái đất....................................................................................2
1.1. Thành phần khí quyển gần mặt đất .........................................................................2
1.2. Thành phần khí quyển trên cao...............................................................................3
2. Cấu trúc khí quyển .....................................................................................................3
2.1. Độ cao và khối lượng khí quyển .............................................................................3
2.2. Sự phân chia khí quyển thành các tầng...................................................................3
3. Các đại lượng đặc trưng cho khí quyển .....................................................................5
3.1. Áp suất không khí ...................................................................................................5
3.1.1. Mật độ và áp suất không khí ................................................................................5
3.1.2. Phương pháp dụng cụ đo khí áp...........................................................................7
3.1.3. Trường khí áp trên mặt đại dương .......................................................................9
3.2. Nhiệt độ không khí................................................................................................11
3.3. Độ ẩm không khí...................................................................................................12
1. Khái niệm về thời tiết...............................................................................................17
1.1. Khái quát chung về thời tiết..................................................................................17
1.2. Khái niệm thời tiết.................................................................................................17
2. Sương mù .................................................................................................................18
2.1. Quá trình hình thành sương mù.............................................................................18
2.1.1. Sự ngưng kết và đóng băng................................................................................18
2.1.2. Sương mù, quá trình hình thành sương mù........................................................18
2.2. Phân loại sương mù...............................................................................................19
iii
3. Mây...........................................................................................................................19
3.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành mây .............................................................19
3.2. Phân hạng mây, quan trắc mây trên tàu ................................................................20
3.2.1. Dạng mây ...........................................................................................................20
3.2.2. Phân hạng mây quốc tế ......................................................................................20
4. Mưa...........................................................................................................................32
4.1. Khái niệm, điều kiện để hình thành mưa ..............................................................32
4.2. Phân loại mưa........................................................................................................32
4.3. Cách quan trắc mưa...............................................................................................33
5. Gió............................................................................................................................33
5.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành gió ...............................................................33
5.2. Các yếu tố gió, xác định tốc độ và hướng gió trên tàu..........................................34
5.2.1. Các yếu tố của gió..............................................................................................34
5.2.3. Đo tốc độ và hướng gió biểu kiến trên tàu biển.................................................41
5.2.4. Cách xác định gió thực.......................................................................................41
5.3. Các loại gió địa phương ........................................................................................42
6. Khí đoàn ...................................................................................................................45
6.1. Khái niệm, phân loại khí đoàn ..............................................................................45
6.2. Đặc điểm thời tiết trong các khí đoàn ...................................................................46
7. Front khí quyển ........................................................................................................47
7.1. Khái quát chung về front......................................................................................47
CHƯƠNG 3. BÃO NHIỆT ĐỚI..................................................................................53
1. Xoáy thuận ...............................................................................................................53
1.1. Những nhận thức chung về xoáy thuận.................................................................53
1.1.1. Khái niệm ...........................................................................................................53
1.1.2. Sự hình thành và tiến hoá của xoáy thuận .........................................................53
1.1.3. Sự dịch chuyển của các xoáy thuận ...................................................................54
1.2. Thời tiết trong xoáy thuận.....................................................................................54
2. Xoáy nghịch .............................................................................................................55
2.1. Những nhận thức chung về xoáy nghịch...............................................................55
iv
2.1.1. Khái niệm ...........................................................................................................55
2.1.2. Sự hình thành và dịch chuyển của các xoáy nghịch ..........................................56
2.2. Thời tiết trong xoáy nghịch...................................................................................56
3. Bão nhiệt đới ............................................................................................................57
3.1. Khái niệm và nguyên nhân hình thành bão nhiệt đới ...........................................57
3.1.1. Khái niệm ...........................................................................................................57
3.1.2. Nguyên nhân hình thành bão nhiệt đới ..............................................................58
3.2.1. Vùng phát sinh bão nhiệt đới .............................................................................59
3.2.2. Đường đi và tốc độ dịch chuyển của bão nhiệt đới............................................59
3.3. Cấu trúc của bão....................................................................................................61
3.4. Thời tiết trong bão nhiệt đới..................................................................................63
3.5.1. Xác định phương hướng đến tâm bão................................................................65
3.5.2. Xác định khoảng cách đến tâm bão ...................................................................66
3.6. Các dấu hiệu đến gần của bão nhiệt đới................................................................67
3.8.1. Hoạt động của bão trên biển Đông.....................................................................69
3.8.2. Hoạt động của bão ở Việt Nam..........................................................................70
1. Sóng biển..................................................................................................................75
1.1. Khái quát sóng biển...............................................................................................75
1.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành sóng biển..................................................75
1.1.2. Phân loại sóng biển ............................................................................................75
1.1.3. Các kiểu và dạng sóng biển................................................................................76
1.2.1. Các yếu tố của sóng biển....................................................................................77
1.2.2. Quan sát sóng biển .............................................................................................78
v
2. Hải lưu......................................................................................................................81
2.1. Khái niệm, phân loại hải lưu.................................................................................81
2.1.1. Khái niệm, nguyên nhân hình thành hải lưu ......................................................81
2.1.2. Phân loại hải lưu.................................................................................................82
2.2. Các yếu tố của hải lưu và cách xác định...............................................................83
2.2.1. Các yếu tố của hải lưu........................................................................................83
2.2.2. Cách xác định các yếu tố của hải lưu.................................................................83
3. Thủy triều .................................................................................................................84
3.1. Khái niệm, nguyên nhân hiện tượng thủy triều.....................................................84
3.1.1. Các thuật ngữ về mực nước biển........................................................................84
3.1.2. Khái niệm, nguyên nhân hình thành thủy triều..................................................85
3.2. Các thuật ngữ về thủy triều ...................................................................................87
3.3. Phân loại thủy triều ...............................................................................................88
3.4. Đặc điểm thủy triều vùng biển Việt Nam .............................................................88
3.4.1. Vùng biển từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa ........................................................88
3.4.2. Vùng biển từ Nghệ An đến Thừa Thiên Huế.....................................................89
3.4.3. Vùng biển từ Đà Nẵng đến Khánh Hòa .............................................................89
3.4.4. Vùng biển từ Ninh Thuận đến Cà Mau..............................................................89
3.4.5. Vùng biển từ Cà Mau đến Kiên Giang...............................................................89
1. Tổ chức và cơ cấu của dịch vụ khí tượng ................................................................91
1.2. Mạng lưới các trạm khí tượng Si-nốp...................................................................92
2. Dự báo thời tiết.........................................................................................................92
2.1. Khái niệm và nội dung dự báo thời tiết.................................................................92
2.2. Dịch vụ dự báo bão ...............................................................................................93
3. Bản đồ thời tiết.........................................................................................................94
3.1. Khái niệm bản đồ thời tiết.....................................................................................94
3.2. Các loại bản đồ thời tiết ........................................................................................94
4. Bản đồ thời tiết Facsimile ........................................................................................95
vi
4.1. Khái niệm, đặc điểm của bản đồ thời tiết facsimile..............................................95
4.1.1. Khái niệm ...........................................................................................................95
4.1.2. Đặc điểm của bản đồ thời tiết facsimile.............................................................95
5. Những dấu hiệu thời tiết địa phương .....................................................................100
5.1. Khái niệm chung .................................................................................................100
5.2. Những lưu ý về thời tiết địa phương...................................................................101
6.1. Ý nghĩa của việc chọn đường đi tối ưu ...............................................................101
6. 2. Nhiệm vụ của thuyền trưởng..............................................................................101
7. Trang thiết bị thu thông tin dự báo thời tiết trên tàu..............................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................104
vii
DANH MỤC BẢNG
Tên bảng
Stt
1
Trang
4
Bảng 1.1. Bảng phân chia khí quyển
2
3
4
5
6
7
8
9
Bảng 2.1. Bảng phân hạng mây
Bảng 2.2. Bảng chuyển độ ra hướng và ngược lại
Bảng 2.3. Bảng cấp gió Beaufort
22
34
35
39
59
66
68
69
70
77
78
92
Bảng 2.4. Thang cấp gió Beaufort
Bảng 3.1. Các vùng biển thường có bão nhiệt đới và tên riêng
Bảng 3.2. Độ giảm khí áp và khoảng cách đến tâm bão
Bảng 3.3. Bão và áp thấp nhiệt đới hoạt động ở Biển Đông
Bảng 3.4. Số cơn bão ảnh hưởng vào Việt Nam theo chu kỳ 5 năm
10 Bảng 3.5. Số cơn bão đổ bộ vào các khu vực theo thời gian
11 Bảng 4.1. Phân cấp sóng biển theo độ cao
12 Bảng 4.2. Dấu hiệu xác định cấp trạng thái mặt biển
13 Bảng 5.1. Tên gọi bão nhiệt đới trong bản tin báo bão
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Stt
1
2
Tên hình
Hình 1.1. Sự phân chia khí quyển thành các tầng
Hình 1.2. Biến trình ngày của khí áp trên các vĩ độ khác nhau
Hình 1.3. Áp kế kiểu hộp
Trang
5
7
8
3
4
Hình 1.4. Áp kế tự ghi
9
5
6
7
8
Hình 1.5. Các hệ thống khí áp
Hình 1.6. Ẩm kế Assman
Hình 1.7. Ẩm kế tự ghi
Hình 2.1. Phân hạng mây
Hình 2.2. Mây ti
10
14
15
23
24
25
25
26
27
28
28
29
30
9
10 Hình 2.3. Mây ti tích
11 Hình 2.4. Mây ti tầng
12 Hình 2.5. Mây cao tích
13 Hình 2.6. Mây cao tầng
14 Hình 2.7. Mây tầng tích
15 Hình 2.8. Mây tầng
16 Hình 2.9. Mây vũ tầng
17 Hình 2.10. Mây tích
viii
18 Hình 2.11. Mây cu fra
19 Hình 2.12. Mây cu con
20 Hình 2.13. Mây vũ tích
21 Hình 2.14. Vòng chia độ và 16 hướng gió chính
22 Hình 2.15. Máy đo gió cầm tay
23 Hình 2.16. Máy đo gió cố định hiển thị số trên tàu
24 Hình 2.17. Xác định hướng và tốc độ gió thực nhờ giản đồ gió
25 Hình 2.18. Gió biển
26 Hình 2.19. Gió đất
27 Hình 2.20. Vòi rồng trên biển
30
31
31
35
40
40
42
43
43
45
49
50
50
51
57
60
61
62
65
71
28 Hình 2.21. Ký hiệu front trên bản đồ thời tiết
29 Hình 2.22. Hệ mây trong front nóng
30 Hình 2.23. Thời tiết trong front lạnh loại 1
31 Hình 2.24. Hệ mây front lạnh loại 2
32 Hình 3.1. Xoáy nghịch, xoáy thuận
33 Hình 3.2. Quỹ đạo trung bình của bão ở tây Thái Bình Dương
34 Hình 3.3. Các kiểu dy chuyển của bão ở tây Thái Bình Dương
35 Hình 3.4. Sơ đồ mặt cắt ngang của một cơn bão
36 Hình 3.5. Xác định hướng đến tâm bão theo Buysbalotte
37 Hình 3.6. Đường đi trung bình trong các tháng của bão ở biển
Đông
38 Hình 3.7. Quỹ đạo dy chuyển của cơn bão Wayne (8614)
39 Hình 4.1. Các yếu tố của sóng biển
40 Hình 4.2. Sơ đồ giải thích hiện tượng thủy triều
41 Hình 4.3. Các đặc trưng của thủy triều
42 Hình 5.1. Bản đồ thời tiết facsimile
43 Hình 5.2. Bản đồ thời tiết facsimile bề mặt
44 Hình 5.3. Ký hiệu gió trên bản đồ facsimile
45 Hình 5.4. Bản đồ facsimile trường sóng biển
72
76
84
86
94
95
96
98
ix
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC
Tên môn học:Khí tượng hải dương
Mã môn học:MH 18
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học:
- Vị trí: Môn học này được giảng dạy sau khi người học đã học: Các môn học thuộc
kiến thức cơ sở ngành; La bàn từ; Máy móc điện, Vô tuyến điện hàng hải.
- Tính chất: Môn học chuyên ngành bắt buộc.
- Ý nghĩa và vai trò của môn học: Môn học cung cấp cho người học các kiến thức về
khí tượng - thuỷ văn để có thể tránh mọi nguy hiểm cho tàu, bảo đảm an toàn và mang
lại hiệu quả kinh tế.
Mục tiêu môn học:
Sau khi học xong học phần này, người học có khả năng:
- Về kiến thức: Trình bày được khái niệm, đặc điểmcủa các hiện tượng khí tượng,
thủy văn;
- Về kỹ năng: Sử dụng được các dụng cụ đo các yếu tố khí tượng. Quan trắc được
nhiệt độ, khí áp, độ ẩm, quan trắc được mây trên tàu biển. Giải thích được các hiện
tượng thời tiết. Xác định được hướng gió thật,sử dụng được các dụng cụ đo gió. Đánh
giá được các hiện tượng thời tiết để dẫn tàu an toàn;
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác khi nhận
định, đánh giá thời tiết trên biển.
Nội dung môn học:
1
CHƯƠNG 1.KHÍ QUYỂN, CÁC ĐẠI LƯỢNGXÁC ĐỊNHTRẠNG THÁI KHÍ
QUYỂN
Mã chương: MH.6840109.18.01
Giới thiệu:
Khí quyển trái đất là hỗn hợp gồm các chất khí, hơi nước và các hạt bụi rất nhỏ
bao quanh trái đất, trong đó các đại lượng đặc trưng cho khí quyển trái đất đóng vai
trò rất quan trọng hình thành nên các hiện tượng thời tiết. Các hiện tượng thời tiết có
ảnh hưởng và tác động rất lớn đến sự tồn tại và phát triển của tất cả các sinh vật trên
trái đất, kể cả con người.
Mục tiêu:
- Trình bày được thành phần, cấu trúc của khí quyển;
- Xác định được các đại lượng đặc trưng của khí quyển;
- Rèn luyện tính cẩn thận, kiên trì khi xác định các đại lượng vật lý của khí quyển trên
tàu.
Nội dung:
1. Thành phần khí quyển trái đất
1.1. Thành phần khí quyển gần mặt đất
Khí quyển tạo thành từ hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau, trong đó (theo
thể tích) bao gồm: nitơ (chiếm 78,09%), ôxy (20,95%) và ocgon (0,93%). Còn lại một
lượng không đáng kể (tổng cộng là 0,03%) là khí cac-bô-nic, nê-ôn, he-li, me-tan,
hiđrô, ôzôn v.v…trong không khí bao giờ cũng có hơi nước và các tạp chất lơ lửng
khác. Không khí không chứa hơi nước và các tạp chất cơ học gọi là không khí sạch và
khô.
Hơi nước đi vào khí quyển do sự bốc hơi từ bề mặt nước, mật đất ẩm, lớp phủ
thực vật v.v… Lượng hơi nước giảm rất nhanh khi độ cao tăng lên. Sự tồn tại của hơi
nước phần nào làm thay đổi thành phần (theo thể tích) của không khí. Hơi nước đóng
vai trò quan trọng trong khí quyển. Do sự ngưng kết và đóng băng tạo ra các dạng
mây, mưa,tuyết,sương mù… làm giảm tầm nhìn xa. Ngoài ra hơi nước còn có tính
chất hấp thụ, bức xạ sóng dài cùa trái đất nên ảnh hưởng rõ rệt đến nhiệt độ của khí
quyển.
Khí các-bô-níc đi vào khí quyển từ các đám cháy, từ sự mục nát, sinh hoá của
sinh vật, từ sự thở ra của động vật…
Khí ô-zôn tạo thành từ ba nguyên tử ôxy. Ở tầng thấp của khí quyển khí ô-zôn
tạo ra từ các loại chớp giông. Ở các tầng cao của khí quyển, khí ô-zôn sinh ra trong
kết quả của sự tương tác tia tử ngoại mặt trời với ôxy. Vai trò chính và rất quan trọng
2
của khí ôzôn với cuộc sống trên trái đất là khả năng hấp thụ bức xạ tử ngoại mặt trời.
Khíôzôn có thể hấp thụ 4% năng lượng tia của mặt trời, làm tăng nhiệt độ không khí ở
độ cao từ 20-50 km.
1.2. Thành phần khí quyển trên cao
Từ độ cao 90-100 km trở lên thì thành phần khí quyển thay đổi mạnh. Trên 100
km quan sát thấy có ôxy đơn nguyên tử, còn trên 300 km thì một phần ni-tơ bị phân
rã. Ở độ cao trên 1000 km khí quyển tạo thành chủ yếu từ khí hê-li và khí hyđrô. Các
quan sát của trạm tự động cho biết ở độ cao trên 2000 km còn tồn tại dấu hiệu của khí
quyển trái đất, còn gọi là không gian vũ trụ.
2. Cấu trúc khí quyển
2.1. Độ cao và khối lượng khí quyển
Dưới tác dụng của lực hút của trái đất, mật độ không khí lớn nhất ở lớp gần mặt
đất. Theo chiều tăng của độ cao, mật độ giảm xuống (khoảng cách giữa các phần tử
tăng lên). Dần dần mật độ không khí tiến gần đến mật độ của không gian vũ trụ (ở độ
cao trên 2000 km).
Ngày nay, người ta tạm thời công nhận giới hạn vật lý trên cùng của khí quyển
trái đất nằm ở độ cao 2000 km.
Khối lượng tổng cộng của khí quyển bằng 5,16×10²¹ g, gần 50% khối lượng ở
trong bề dày cách mặt đất 5 km, 75% nằm trong lớp dày đến 10 km và 90% đến 16 km.
2.2. Sự phân chia khí quyển thành các tầng
Nghiên cứu các hiện tượng quan sát được trong khí quyển người ta thấy có thể
chia khí quyển thành một loạt những lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia đó thực hiện
theo các nguyên tắc khác nhau. Nếu theo những đặc trưng của sự thay đổi nhiệt độ với
độ cao và đặc biệt về chế độ nhiệt bên trong của mỗi lớp thì khí quyển được chia
thành năm tầng (lớp cầu) chính sau đây (giữa các tầng đó là lớp chuyển tiếp).
Tầng đối lưu: Điều nổi bật của tầng đối lưu là nhiệt độ hạ theo độ cao. Đại
lượng hạ nhiệt độ trung bình cỡ 6 -7ºc trên 1 km độ cao. Trong tầng đối lưu bao giờ
cũng có hơi nước, có mây, có mưa, tuyết, sương mù… Gió trong tầng đối lưu trên các
vĩ độ vừa và cao chủ yếu có hướng tây và càng lên cao cường độ gió càng tăng, đạt
giá trị cực đại ở gần giới hạn trên. Áp suất không khí giảm mạnh theo độ cao và ở độ
cao 5 km, áp suất còn lại ½, ở độ cao 10 km là ¼ so với ở mặt đất.
Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu không ổn định, nó phụ thuộc vào mùa
trong năm và đặc tính của các quá trình khí quyển. Sự gia tăng của giới hạn trên tầng
đối lưu quan sát thấy từ mùa đông đến mùa hạ và từ cực về xích đạo.
3
Tầng bình lưu: Nằm giữa tầng đối lưu và bình lưu là lớp chuyển tiếp (gọi là đối
lưu hạn). Độ dày của lớp này khoảng 1-2 km. Trong đối lưu hạn nhiệt độ ngừng hạ
theo độ cao.
Đặc điểm chính của tầng bình lưu là sự ổn định nhiệt độ theo độ cao ở phần
dưới và sự gia tăng lên theo độ cao bắt đầu từ km thứ 25 cho đến tận giới hạn trên. Ở
giới hạn trên của tầng bình lưu nhiệt độ tăng đến 0ºc, và cũng có thể đạt cực đại đến
dương 10ºc thậm chí dương 30ºc. Điều đó được giải thích bởi tính hấp thụ lớn của
ôzôn mà khối lượng lớn của nó nằm ở lớp này. Trong tầng bình lưu hơi nước rất hiếm
và hầu như không có mây.
Bảng 1.1.Bảng phân chia khí quyển
Độ cao trung bình
Các tầng (lớp cầu)
Tầng đôi lưu (tropos)
Các lớp chuyển tiếp
Lớp đối lưu hạn
(km)
0 – 20
(tronpopauso)
Lớp bình lưu hạn
(stratopause)
Tầng bình lưu (stratus)
20 – 50
50 – 85
85 – 800
Tầng trung gian (Tầng
giữa-mezos)
Tầng nhiệt (Thượng
tầng- termos)
Lớp mezo hạn (mezopause)
Lớp Termô hạn (termopause)
Tầng khí quyển ngoài
Trên 800 – 2000
Tầng trung gian: Lớp chuyển tiếp giữa tầng bình lưu và tầng trung gian gọi là
lớpbình lưu hạn. Trong tầng trung gian nhiệt độ hạ theo độ cao. Tại giới hạn trên của
tầng này nhiệt độ xuống tới âm 70ºc, âm 80ºc. Tầng trung gian có đặc trưng là sự
nhiễu loạn mạnh và xáo trộn của không khi theo chiều thẳng đứng, mật độ không khí
ở đây không đáng kể. Tại giới hạn trên của tầng này áp suất không khí nhỏ hơn áp
suất trên mặt đất khoảng 200 lần. Tốc độ gió đạt tới vài trăm km/giờ. Trên độ cao
chừng 82-85 km, thỉnh thoảng quan sát thấy loại mây ánh bạc được tạo thành từ các
tinh thể băng nhỏ xíu.
Tầng nhiệt: Đặc trưng của tầng này là sự tăng lên của nhiệt độ theo độ cao, có
liên quan tới sự hấp thụ năng lượng mặt trời bởi các nguyên tử ôxy. Theo tính toán,
tại giới hạn trên (khoảng 800 km), nhiệt độ có thể đạt tới 750ºc -1500ºc. Dĩ nhiên,
nhiệt độ này không thể đo được. Khí quyển tầng nhiệt vô cùng loãng.
Tầng khí quyển ngoài:Nhiệt độ của không khí ở tầng này còn có thể đạt giá trị
cao hơn ở tầng nhiệt. Chuyển động của các chất khí nhẹ như hyđrô và hêli với tốc độ
4
rất lớn, có thể đạt tới 11,2 km/s và có thể thắng lực hấp dẫn của trái đất đi vào không
gian giữa các hành tinh.
Ngoài cách phân chia khí quyển thành năm tầng theo trạng thái nhiệt trên đây,
người ta còn phân chia theo tính chất điện. Theo cách này tầng nhiệt được gọi là tầng
điện ly. Trong phần lớn độ dày của tầng điện ly (từ 60-80 km đến 800-1000 km) có
mật độ lớn của các i-ôn nguyên tử và phân tử của các chất khí khác nhau.
Hình 1.1. Sự phân chia khí quyển thành các tầng
[Nguồn:Khí tượng – Trường Cao đẳng Hàng hải 1- 2016]
3. Các đại lượng đặc trưng cho khí quyển
3.1. Áp suất không khí
3.1.1. Mật độ và áp suất không khí
a. Mật độ không khí
Mật độ không khí là lượng không khí trong một đơn vị thể tích, tính bằng g/cm³
hay kg/m³. Mật độ không khí phụ thuộc vào nhiệt độ, ẩm độ và khí áp.
- Nhiệt độ không khí càng cao thì mật độ của nó càng nhỏ, vì cùng với sự gia tăng của
nhiệt độ không khí, thì tất cả vật chất bị nở ra và khối lượng trong một đơn vị thể tích
giảm xuống.
5
- Độ ẩm không khí càng lớn, mật độ của nó càng giảm, vì khối lượng phân tử hơi
nước chỉ bằng 0,622 khối lượng phân tử không khí.
- Áp suất càng lớn, thì mật độ càng tăng vì trong cùng một thể tích chứa khí, dưới áp
lực tăng lên tất cả khí bị nén chặt thêm, còn khi áp suất giảm thì chúng nở ra nhanh
chóng.
Trên thực tế, mật độ không khí trên bề mặt đất thay đổi từ 1,175 – 1,200 kg/m³
đối với vùng xích đạo và từ 1,500 – 1,600 kg/m³ đối với vùng vĩ độ trung bình và cao,
nơi mà nhiệt độ không khí rất thấp.
b. Áp suất không khí (gọi tắt là khí áp)
Là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của khí quyển. Áp suất được đo
bởi khối lượng (tỉ lệ với trọng lượng) của cột khí thẳng đứng trên một đơn vị bề mặt
ngang.
Sự phân bố khí áp trên bề mặt đất không đều. Bởi vì như ta hiểu, khối lượng cột
khí (hay trọng lượng) phụ thuộc vào mật độ của nó (tức là phụ thuộc vào nhiệt độ, độ
ẩm…), mà còn phụ thuộc vào vĩ độ địa dư (vì lực hấp dẫn thay đổi theo vĩ độ).
Càng lên cao mật độ không khí càng giảm và giảm rất nhanh so với nhiệt độ và
độ ẩm. Vậy khí áp giảm mạnh theo độ cao.
c.Đơn vị đo khí áp
Trong hệ thống đo lường quốc tế (SI), đơn vị khí áp gọi là Paskan (viết tắt Pa),
là áp lực của khí 1N phân bố đều trên một đơn vị diện tích ngang 1m² (N/m²).
Trong khí tượng thực hành, đơn vị đo áp suất không khí được dùng là mi-li-bar
(viết tắt mb) và mi-li-mét thuỷ ngân (viết tắt là mmHg).
푑푖푛
1mb = 10³
= 10 pa (vì 1 N = 10 din)
cm2
푑푖푛
1mmHg = 0,1 x 13,596 x 980,616= 1333,3
= 1,33mb
1
cm2
Trong đó: 13,596 - mật độ thuỷ ngân ở 0°C,
980,616 - gia tốc trọng trường trên mực nước biển ở vĩ độ 45°
- Khí áp thường:Khí áp trên mực biển, ở vĩ độ 45°, nhiệt độ 0°C, độ cao cột thuỷ ngân
là 76 cm (hay 760 mmHg)
P thường = 76 x 13.596 x 980,616 = 1013,25 mb
- Khí áp tiêu chuẩn trong khí tượng thực hành được công nhận là1000mb hay
750mmHg.
d. Biến trình ngày của khí áp
Đó là những dao động của khí áp với chu kỳ ngày đêm, và được lặp đi lặp lại
liên tục trong khoảng thời gian dài. Theo số liệu thống kê cho biết, biến trình ngày khí
6
áp ở các vĩ độ trung bình cũng như ở miền nhiệt đới luôn tồn tại hai cực đại (vào lúc
gần 10h và 22h) và hai cực tiểu (vào lúc gần 4h và 16h) theo giờ địa phương.
Biên độ dao động tăng lên theo chiều giảm của vĩ độ. Như ở vĩ độ 60ºN hiệu
khí áp giữa 10h và 16h thường chỉ là 0,3mb ở Ôđecxa (46,5ºN) là 0,8mb, ở 33ºN – 1,8
mb, ở gần xích đạo (4ºN) đến 3,2mb.
Trên các vĩ độ trung bình và cao, dao động hàng ngày của khí áp rất nhỏ, lại
thường bị che lấp bởi những dao động lớn của khí áp đến hàng chục lần (thậm chí
hàng trăm lần) do có sự xuất hiện của các xoáy thuận, xoáy nghịch. Phụ thuộc vào
mức độ hoạt động của các vùng xoáy trên khu vực nọ hay trên khu vực kia, những
thay đổi hàng ngày của khí áp đạt trung bình khoảng từ 3-10mb.
Hình 1.2. Biến trình ngày của khí áp trên các vĩ độ khác nhau
[Nguồn:Khí tượng – Trường Cao đẳng Hàng hải 1- 2016]
e. Biến trình năm của khí áp
Trên các đại dương, khí áp thấp nhất xảy ra vào tháng 12, tháng giêng, còn cao
nhất vào tháng 7, tháng 8, tuy nhiên dao động khí áp hàng năm thấp hơn trên đất liền.
Đại lượng trung bình của biên độ hàng năm trên các vĩ độ trung bình là 5-6mb, trên
miền nhiệt đới không quá 2-3mb.
3.1.2. Phương pháp dụng cụ đo khí áp
Trên các trạm khí tượng phần nhiều khí áp được đo bằng khí áp kế thuỷ ngân.
Nguyên tắc cấu tạo của loại áp kế thuỷ ngân là dựa vào sự cân bằng trọng lượng
của cột khí nằm trên ống thuỷ ngân với trọng lượng cột thuỷ ngân nằm ở trong ống.
Trường hợp không đòi hỏi độ chính xác cao, hay vì lí do nào khác, trạm ở trên tàu
biển có thể dùng khí áp kế hộp.
a. Áp kế kiểu hộp
7
Dụng cụ chính để đo khí áp trên tàu biển là áp kế kiểu hộp. Phần nhạy cảm của
dụng cụ này là hộp kim loại mỏng đã được hút hết không khí. Sự nén vào và dãn nở
ra của hộp được thông ra một hệ thống tay đòn truyền đến kim chỉ số. Thang đo của
áp kế hộp chia theo mmHg. Trong hộp có lắp nhiệt kế thuỷ ngân dạng vòng cung, áp
kế được
đặt trong một hộp bảo vệ sao cho nó luôn ở tư thế nằm ngang.
Hình 1.3. Áp kế kiểu hộp
[Nguồn:Khí tượng – Trường Cao đẳng Hàng hải 1- 2016]
b. Khí áp kế tự ghi (Áp ký)
Quan sát sự biến thiên của khí áp theo thời gian đặc biệt quan trọng đối với
người dẫn tàu, bởi vì nó cho biết trước những thay đổi của thời tiết. Với mục đích đó
được sử dụng áp ký, nó tự động ghi lại những thay đổi liên tục của khí áp. Cấu tạo của
áp ký gồm hai bộ phận chính: bộ phận cảm ứng và bộ phận ghi. Bộ phận thứ nhất là
một một chồng các hộp rỗng bằng kim loại mỏng, liên kết với nhau dạng hình lò xo.
Sự nén vào và dãn ra của chồng hộp dưới sự tác dụng của khí áp biến đổi thông qua
một hệ thống thanh truyền dẫn đến cần bút. Ngòi bút chứa đầy mực chuyên dụng áp
vào băng giấy được bọc xung quanh trống hình trụ có bộ cơ.
Trống hình trụ có vòng quay hàng ngày và hàng tuần lễ. Tương ứng với nó
băng giấy cũng được sản xuất hai loại hàng ngày (với những vòng cung thẳng đứng
chia theo thời gian có giãn cách 15 phút một) và hàng tuần (với vòng cung thẳng đứng
– giãn cách 2 giờ một). Những đường ngang là thang khí áp (tính là mi li bar) giống
nhau cho cả hai loại băng giấy.
8
Trên tàu biển, tiện lợi hơn cả, được sử dụng áp ký hàng tuần. Theo áp ký, người
ta xác định được đặc trưng quan trọng nhất để dự đoán những biến đổi sắp tới của thời
tiết – như xu thế khí áp cho biết áp suất không khí thay đổi như thế nào, nhất là trong
3 giờ cuối cùng. Theo đường cong trên băng giấy ta thấy được khí áp đã thay đổi ra
sao trong 3 giờ và đặc điểm của các thay đổi đó.
Hình 1.4. Áp kế tự ghi
[Nguồn: Khí tượng – Trường Cao đẳng Hàng hải 1- 2016]
3.1.3. Trường khí áp trên mặt đại dương
a. Khái niệm
Khí áp là đại lượng khả biến: trên mỗi điểm đã cho nó thay đổi liên tục hàng
ngày, hàng tháng và hàng năm. Để làm rõ những đặc điểm trong sự phân bố khí áp tại
một thời điểm (ví dụ trong một thời hạn quan trắc Si nốp trên toàn bộ mặt đất) hoặc là
trong một khoảng thời gian nào đó, người ta phải phân tích các trường khí áp. Trên
các bản đồ, nơi ghi lại các số liệu quan trắc (như trên các bản đồ thời tiết mặt đất)
người ta vẽ các đường đẳng áp – đó là đường cong nối liền những giá trị khí áp như
nhau. Các đường đẳng áp được vẽ với giãn cách là 5 hoặc 4 mb một (Ví dụ:
1010,1005,1000,995,990 hoặc 1008,1004,1000,996).
b. Các hệ thống khí áp
Theo các đường đẳng áp, người ta phát hiện ra các trường khí áp. Hình dạng
của nó được đặt tên cho các hệ thống khí áp.
9
Hệ thống khí áp – là một vùng tỉ lệ lớn trong trường khí áp với sự phân bố khí
áp điển hình. Các hệ thống khí áp được chia thành vùng khí áp cao, vùng khí áp thấp
với các đường đẳng áp khép kín hoặc không khép kín.
Hệ thống khí áp với các đường đẳng áp khép kín là xoáy thuận hoặc xoáy
nghịch.
Xoáy thuận (vùng cực tiểu khí áp) là vùng nhiễu loạn khí quyển với áp suất
thấp, được thể hiện bởi một hệ thống các đường đẳng áp khép kín đồng tâm, giá trị
của mỗi đường đẳng áp ở trong đó giảm dần từ ngoài vào trung tâm, ngược chiều kim
đồng hồ ở Bắc bán cầu và thuận chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu. Ở trung tâm áp
suất là thấp nhất và thường điền chữ L (đó là chữ cái đầu của Low) tiếng Anh nghĩa là
thấp.
Hình 1.5. Các hệ thống khí áp
a) Xoáy thuận; b) Xoáy nghịch; c) Rãnh khí áp;
d) Lưỡi khí áp; e) Khí áp yên ngựa
[Nguồn:Khí tượng – Trường Cao đẳng Hàng hải 1- 2016]
Xoáy nghịch (hay vùng cực đại khí áp) là vùng nhiễu loạn khí quyển với áp suất
cao, được thể hiện nhờ một hệ thống các đường đẳng áp khép kín, giá trị của chúng
tăng từ ngoài vào trung tâm, nơi mà khí áp ở đó cực đại, với sự xoáy của không khí
xung quanh tâm theo chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và ngược chiều kim đồng hồ ở
Nam bán cầu. Ở tâm xoáy nghịch thường điền chữ cái H, là chữ cái đầu của từ High
(nghĩa là cao).
Các hệ thống khí áp với những đường đẳng áp không khép kín là: rãnh khí áp,
lưỡi khí áp, khí áp yên ngựa.
10
Tải về để xem bản đầy đủ
119 trang
27723
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Khí tượng hải dương - Nghề: Điều khiển tàu biển", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_khi_tuong_hai_duong_nghe_dieu_khien_tau_bien.pdf
