Giáo trình môn Thủy văn - Chương 3: Nước trong khí quyển

Chöông 3:

NÖÔÙC TRONG KHÍ QUYEÅN

Möa vaø boác hôi laø hai quaù trình quan troïng nhaát trong soá caùc quaù trình

khí töôïng lieân tuïc xaûy ra trong khoâng khí

3.1 LUAÂN CHUYEÅN CUÛA KHOÂNG KHÍ.

Traùi ñaát lieân tuïc tieáp nhaän nhieät töø maët trôøi qua böùc xaï maët trôøi vaø phaùt

nhieät trôû laïi khoâng gian qua böùc xaï phaûn hoài. Caùc quaù trình naøy ñöôïc

caân baèng ôû suaát trung bình 210 W/m². Tuy nhieân, ôû xích ñaïo, möùc thu

nhaän trong baàu khoâng khí cao hôn (khoaûng 270 W/m²) do tia böùc xaï gaàn

nhö thaúng goùc vôùi maët ñaát. Coøn ôû hai cöïc, möùc thu nhaän naøy thaáp hôn

(90 W/m²) do goùc böùc xaï nhoû hôn. Do coù söï khoâng caân baèng nhö vaäy,

ñaõ coù söï vaän chuyeån naêng löôïng (nhieät naêng) töø xích ñaïo ñeán caùc ñòa

cöïc theo möùc trung bình khoaûng 4.10⁹MW.

Neáu xem traùi ñaát laø quaû caàu coá ñònh. ÔÛ vuøng xích ñaïo, do noùng hôn neân

luoàng khí boác leân cao hôn, di chuyeån trong taàng cao hôn cuûa khí quyeån

veà caùc cöïc, taïi ñoù gaëp laïnh, luoàng khí haï xuoáng thaáp hôn vaø quay

ngöôïc trôû veà xích ñaïo taïo thaønh moät hoaøn löu cuûa moät haønh tinh khoâng

quay. Söï luaân chuyeån naøy goïi laø luaân chuyeån Hadley.

Chuyeån ñoäng quay töø Taây sang Ñoâng cuûa traùi ñaát ñaõ taïo ra moät löïc phuï

Coriolic (löïc naøy baèng hai laàn tích höõu höôùng cuûa hai veùc tor vaän toác

doøng khí u vaø vector vaän toác quay cuûa traùi ñaát ω: F_c= 2u^ ω, vaø

höôùng cuûa F_cñöôïc xaùc ñònh theo quy taéc baøn tay phaûi) laøm cho luaân

chuyeån Hadley bò thay ñoåi. Taïi xích ñaïo, coù moät voøng ñai khí xung

quanh noù di chuyeån veà phía cöïc, döôùi aûnh höôûng cuûa löïc Coriolic F_c,

luoàng khoâng khí naøy ñaõ chuyeån ñoäng leäch veà beân phaûi (neáu ôû Baéc baùn

caàu, hay beân traùi (neáu ôû Nam baùn caàu) so vôùi chieàu doïc theo vector u.

Keát quaû cuûa aûnh höôûng naøy laø söï xuaát hieän luoàng gioù höôùng Taây (gioù

höôùng Taây laø luoàng gioù töø höôùng Taây thoåi ñeán). ÔÛû vuøng gaàn xích ñaïo:

Baéc baùn caàu coù gioù theo höôùng Taây Nam, ví duï nhö nöôùc ta coù gioù

muøa Taây Nam (töø höôùng Taây Nam thoåi leân), coøn ôû Nam baùn caàu, gioù

theo höôùng Taây Baéc.

Ngöôïc laïi, khi khoái khí laïnh töø caùc cöïc di chuyeån veà xích ñaïo, döôùi aûnh

höôûng cuûa löïc Coriorlic, khoái khí ñaõ di chuyeån leäch veà beân phaûi (ôû Baéc

baùn caàu), hay beân traùi (ôû Nam baùn caàu). Ñieàu naøy laøm xuaát hieän caùc

luoàng gioù Ñoâng ôû vuøng cöïc (coøn ôû vuøng gaàn xích ñaïo: Ñoâng Baéc ôû Baéc

baùn caàu , Ñoâng Nam ôû Nam baùn caàu).

ω

u*

u

F_c

u*

u

ω

u

u*

F_c

u*

u

3.2 HÔI NÖÔÙC.

Nöôùc trong khí quyeån phaàn lôùn toàn taïi döôùi daïng hôi hoaëc khí nhöng ôû

töøng choã vaø thôøi gian toàn taïi ngaén, sau ñoù, tuøy ñieàu kieän nhieät ñoä vaø aùp

suaát, noù coù theå thaønh haït nöôùc daïng möa raøo, haït nhoû li ti daïng maây,

haït raén daïng tuyeát, möa ñaù. Löôïng nöôùc trong khí quyeån tuy raát nhoû

(1/100000 toång löôïng nöôùc) nhöng giöõ vai troø raát quan troïng trong tuaàn

hoaøn thuûy vaên.

Ta duøng ñònh lyù vaän taûi Reynolds ñeå moâ taû söï vaän chuyeån hôi nöôùc qua

moät khoâng gian coá ñònh W. Goïi X laø khoái löôïng cuûa hôi nöôùc qua W, k

laø X trong moät ñôn vò khoái löôïng khoâng khí aåm; k chính laø ñoä aåm rieâng

q_vvaø ñöôïc tính baèng:

ρ_v

ρ_a

q_v=

(3.1)

vôùi ρ_vlaø khoái löôïng rieâng cuûa hôi nöôùc, ρ_alaø khoái löôïng rieâng cuûa

khoâng khí aåm.

Töø ñònh luaät baûo toaøn khoái löôïng, ta coù dX/dt=m_vlaø löu löôïng khoái

löôïng hôi nöôùc theâm vaøo (mang daáu coäng, boác hôi), hay bôùt ra (mang

daáu tröø, ngöng tuï) khoaûng khoâng gian W. Ta coù:

∂

m_v=

(3.2)

_∂t∫∫∫^{q ρ dw +}∫∫^{q ρ VdA}

v

a

v a

w

A

3.2.1 AÙp suaát hôi nöôùc:

Đònh luaät Dalton: AÙp suaát gaây ra bôûi caùc chaát khí rieâng phaàn thì ñoäc

ä

laäp vôùi caùc chaát khí khaùc. Goïi e laø aùp suaát hôi nöôùc, theo ñònh luaät chaát

khí lyù töôûng, ta coù:

e=ρ_vR_vT

(3.3)

Trong ñoù R_vlaø haèng soá chaát khí ñoái vôùi hôi nöôùc.

3.2.2 AÙp suaát hôi baõo hoaø e_s:

Laø aùp suaát hôi nöôùc trong khoâng khí maø taïi ñoù toác ñoä boác hôi baèng toác

ñoä ngöng tuï.

3.2.3 Ñoä aåm töông ñoái R_h:

Laø tyû soá giöõa aùp suaát coù thöïc vaø aùp suaát hôi baõo hoaø

e

e_s

R_h=

(3.4)

3.2.4 Löôïng nöôùc coù theå taïo thaønh möa:

Löôïng hôi aåm trong coät khoâng khí ñöôïc goïi laø löôïng nöôùc coù theå ñöôïc

taïo thaønh möa.

Trong coät khoâng khí coù maët caét ngang A. Xeùt moät vi phaân theå tích

dW=A.dz, coù khoái löôïng laø :ρ_aAdz, vaø khoái löôïng hôi nöôùc chöùa trong

ñoù laø: ρ_vAdz = q_vρ_aAdz.

Toång löôïng nöôùc coù theå taïo ra möa trong coät khoâng khí coù ñoä cao töø z₁

ñeán z₂laø:

z

2

m_p= q_vρ_aAdz

(3.5)

∫

z

1

Tính gaàn ñuùng:

Δm_p= q_vρ_aAΔz

(3.6)

trong ñoù q_v; ρ_alaàn löôït laø caùc giaù trò trung bình cuûa ñoä aåm rieâng vaø

khoái löôïng rieâng cuûa khoâng khí aåm trong khoaûng ñang xeùt. Toång caùc soá

gia Δm_ptrong toaøn boä coät khoâng khí cho ta toång löôïng nöôùc möa.

Ví duï: tính löôïng nöôùc coù theå taïo ra möa cuûa moät coät khoâng khí baõo

hoaø hôi nöôùc coù chieàu cao 10km treân dieän tích 1m². AÙp suaát khoâng khí

treân maët ñaát laø 101,3Kpa, vôùi nhieät ñoä laø 30⁰C. Bieát raèng cöù leân cao

1km thì nhieät ñoä giaûm ñi 6,5⁰C.

Giaûi:

Ñeå tính ñöôïc löôïng nöôùc möa cho toaøn boä coät khí 10km, ta chia nhoû

coät khoâng khí naøy ra laøm 5 ñoaïn theo z, moãi ñoaïn cao 2km=2000m,

ta tính rieâng löôïng nöôùc möa cho töøng ñoaïn ñoä cao:Δmp_i, sau ñoù

coäng doàn laïi: M=Σ(Δmp_i).

Trongcoâng thöùc (3.6)Δm_p= q_vρ_aAΔz, ta caàn tính q_vvaø

ρ_a.

Nhö vaäy, ta caàn tính giaù trò q_vvaø ρ_vcho moãi lôùp chieàu cao töông öùng

(cho 0km, 2km, 4km, 6km, 8km, 10km) vaø sau ñoù laáy giaù trò trung bình:

q_v= (q_i−1+ q_i) / 2

töông töï tính cho giaù trò trung bình ρ_a

Giaù trò ρ_añöôïc tính töø phöông trình traïng thaùi khí: p=ρ_aR_aT. Suy ra:

ρ_a=p/R_aT

Vôùi R_a=287 J/(kg.K), laø haèng soá khí aåm.

Giaù trò q_vñöôïc tính nhö sau: q_v=0,622(e/p)

17,27T

⎛

⎞

e_s= 611exp

Trong ñoù e laø aùp suaát hôi baõo hoaø:

Trong ñoù T tính baèng ⁰C

⎜

⎝

⎟

⎠

237,3+ T

T laø nhieät ñoä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn, tính baèng ñoä K

p laø aùp suaátä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn, tính baèng N/m².

AÙp suaát taïi moãi ñoä cao töông öùng z phuï thuoäc vaøo töøng ñoä cao, ñöôïc

xaùc ñònh nhôø vaøo phöông trình traïng thaùi khí vaø phöông trình vi phaân

cuûa löu chaát tónh, goïi laø phöông trình khí tónh:

g

αR

a

⎛

⎞

T_i+1

⎜

⎟

p_i+1= p_i

T_{i ⎠}

⎝

trong ñoù: p_i+1: laø aùp suaát ôû lôùp ñoä cao i+1, Pa

p_i: laø aùp suaát ôû lôùp ñoä cao i, Pa

T_i+1: laø nhieät ñoä ôû lôùp ñoä cao i+1, ⁰K

T_i: laø nhieät ñoä ôû lôùp ñoä cao i, ⁰K

α: laø haèng soá =0,0065

T laø nhieät ñoä taïi moãi lôùp ñoä cao tính toaùn, tính baèng ñoä K

T_i+1=T₁- α(Z_i+1-Z_i)

Z_i+1- laø cao ñoä lôùp i+1

Z_i– laø cao ñoä lôùp i

Caùc tính toaùn ñöôïc laäp thaønh baûn sau:

3.3 HIEÄN TÖÔÏNG NÖÔÙC RÔI - MÖA.

Hieän töôïng nöôùc rôi bao goàm möa, tuyeát, vaø caùc quaù trình nöôùc rôi

khaùc xuoáng maët ñaát nhö möa ñaù, möa tuyeát.

Khi khoái khoâng khí aåm boác leân cao trong baàu khí quyeån thì nhieät ñoä

giaûm ñi, moät phaàn hôi aåm ngöng keát laïi. Coù nhieàu cô cheá taïo ra söï

chuyeån ñoäng leân cuûa khoái khoâng khí: Boác leân vì khoâng khí ñöôïc hun

noùng boác leân, vì khoái khí di chuyeån qua ñoài nuùi, vì do chuyeån ñoäng ñoái

löu.

Quaù trình ngöng keát ñoøi hoûi phaûi coù haït nhaân ngöng keát ñeå caùc phaân töû

nöôùc baùm chaët chung quanh (ví duï nhö caùc haït buïi lô löûng). Ñaëc bieät

caùc haït nhaân coù chöùa caùc ion (ví duï caùc haït buïi muoái bieån boác hôi)

caøng khieán cho caùc phaân töû nöôùc caøng deã baùm chaët chung quanh hôn.

Caùc haït nöôùc nhoû li ti lôùn daàn leân do ngöng keát, khi ñuû naëng, caùc haït aáy

seõ rôi xuoáng thaønh möa (trong quaù trình rôi xuoáng, coù khaû naêng boác hôi

moät phaàn).

Gieo haït nhaân ngöng keát nhaân taïo vaøo caùc ñaùm maây seõ laøm cho hôi

nöôùc deã ngöng keát hôn (ví duï Iodur baïc, töø taïo ra möa nhaân taïo. Hoaëc

ta coù theå taïo ra naéng ngay trong muøa möa ñeå ñöôïc baàu trôøi khoâ raùo

trong caùc dòp leã hoäi baèng caùch gieo caùc haït nhaân ion naëng, seõ laøm cho

haït naëng hôn vôùi kích thöùôc nhoû, vaø trong quaù trình rôi xuoáâng ñaõ boác

hôi ngöôïc leân, neân döôùi ñaát vaãn khoâ raùo.

3.4 LÖÔÏNG MÖA LÖU VÖÏC

Ñeå xaùc ñònh löôïng möa trung bình treân moät khu vöïc coù dieän tích laø A,

ta duøng phöông phaùp trung bình coäng:

n

1

P =

P

(3.7)

∑

i

n

i=1

trong ñoù P_ilaø löôïng möa cuûa moãi traïm ño (mm).

n

1

Ngoaøi ra ngöôøi ta coøn duøng phöông phaùp Thiessen:P =

A P

i i

∑

A

i=1

Trong ñoù A_ilaø dieän tích moãi ña giaùc gaùn cho moãi traïm ño, vôùi

n

A =

A

i

∑

i=1

3.5 BOÁC HÔI.

Bao goàm boác hôi töø maët thoaùng nöôùc, töø maët ñaát, töø thöïc vaät

Tính toaùn boác hôi baèng nhieàu phöông phaùp: Caân baèng naêng löôïng, khí

ñoäng löïc hoïc, keát hôïp giöõa hai phöông phaùp treân, ..

Löôïng boác hôi ñöôïc ñaëc tröng bôûi cöôøng ñoä boác hôi E:laø ñoä saâu coät

nöôùc (coù dieän tích ngang A) boác hôi trong moät ñôn vò thôøi gian

(mm/ngaøy)