Xem mẫu

  1. TRẦN CÔNG MINH K H Í I U D N 6 S Y N O P ■ PHẦN Cơ SỞ ■ M •TS5 * * - ■ Ị C ii ý '. NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
  2. TRẦN CÔNG MINH KHÍ TƯỢNG SYNOP ■ (PHẦN C ơ sử) NHÀ XUẤT BÀN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
  3. MỤC í LỤC • 3 9 ĐỐI TƯỢNG CỦA KHÍ TƯỢNG SYNÔP VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SYNÔP Đối tượng của khí tượng học synôp. 13 Lược sử phát triển cúa khí tượng học synôp. 14 Thông tin khí tượng dùng trong phân tích synôp và dự báo 16 thòi tiết Cơ quan thời tiết toàn cầu 22 Hệ thông truyền tin Loàn cầu 22 Nguyên tắc cơ bản của phương pháp phân tích synôp 23 Những hạn chế của phương pháp phân tích synôp 26 PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỀN THÔNG TIN KHÍ TƯỢNG DÙNG TRONG PHÂN TÍCH SYNÔP VÀ Dự BÁO THỜI TIẾT Đặc điểm của phương pháp biểu diễn thông tin khí tượng 29 Phương pháp biểu diễn các thông tin khí tượng bằng bảng 29 Phương pháp đồ thị biểu diễn thông tin khí tượng 30 Bản đồ synôp 30 Mặt cắt thẳng đứng không gian và mặt cắt thảng đứng 39 thời gian. ĐẶC TRƯNG C ơ BẢN CỦA TRƯỜNG CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG Đặc trưng của các hệ thống khí áp 41 Sự biến đối của hệ thống khí áp theo chiểu cao 45 Phương trình khuynh hướng khí áp 51 Đặc điểm trường gió 55 Một số đặc trưng của trường gió 63 3
  4. 3.6. Trường các chuyển độnp thẳng dứng 78 3.7. Q-vectơ dùng dể chẩn đoán tác động gây dòng tháng đứng 91 và hiệu ứng sinh và tan front CHƯƠNG 4 KHỐI KHÍ KHÍ QUYEN 4.1. Khái niệm cơ bản vể khối khí 93 4.2. Trung tâm hình thành khối khí 94 4.3. Phân loại khối khí 95 4.4. Quá trình hình thành và biến tính của khối khí 100 4.5. Những nhân tố chủ yếu trong quá trình biến tính của khối 101 khí. 4.6. Thời tiết trong khôi khí 107 4.7. Phân tích khối khí 109 CHƯƠNG 5 FRONT KHỈ QUYỂN 5.1. Khái niệm cơ bản về front 1 11 5.2. Phân loại front khí quyển 1 12 5.3. Sự biến dôi của các yếu tô khí tượng trong đới front 1 5.4. Độ nghiêng của mặt front tĩnh 119 5.5. Đặc điểm của trường gió và trường áp ở gần front 122 5.6. Đặc điểm của trường biến áp gần front 124 5.7. Sự di động của front 1 2f» 5.8. Chuyển dộng thẳng đứng ở gần mặt front 127 5.9. Sự sinh và tan front ] 2í> 5.10. Hệ thống thời tiết front 13(5 5.11. Ánh hưởng của địa hình đối với front 14ÍỊ 5.12. Phân tích front 14?) CHƯƠNG 6 ĐỚI FRONT HÀNH TINH TRÊN CAO VÀ DÒNG XIẾT 6.1. Đới front trên cao 14Í9 6 .2 . Đới front hành tinh trên cao 1 50 6.3. Dòng xiết 1 5;'5 CHƯƠNG 7 XOÁY THUẬN VÀ XOÁY NGHỊCH NGOẠI NHIỆT ĐỚI 7.1. Khái niệm cơ bản 17:3 7.2. Phân loại xoáy thuận và xoáy nghịch 17 4 7.3. Điểu kiện xuất hiện xoáy thuận nhiệt và xoáy thuận front 1 7'5 7.4. Các giai đoạn phát triển của xoáy thuận front 1 8-4 7.5. Sự phát triển của xoáv nghịch ngoại nhiệt đới 1912 7.6. Sự tái sinh xoáy thuận và xoáy nghịch 19.5 4
  5. 7.7. Sự di chuyển của xoáy thuận và xoáy nghịch 198 7.8. Anh hưởng của địa hình dối với xoáy thuận và xoáy nghịch 200 7.9. Đặc điểm phân bô' cúa tổng lượng ozôn trong xoáy thuận và ‘2 0 2 xoáy nghịch 7.10. Ví dụ bản đồ chẩn đoán trong phân tích sự phát triển của 204 xoáy thuận CHƯƠNG 8 HOÀN LƯU CHUNG KHÍ QUYỂN 8 .1 . Những nhân tố quy định hoàn lưu khí quyên 209 8 .2 . Những quy luật cơ bản của hoàn lưu chung khí quyển 210 8.3. Đới khí áp và dới gió hành tinh 212 8.4. Sư đồ hoàn lưu chung khí quyển 218 8.5. Các đặc trưng khí hậu của hoàn lưu chung khí quyển gần 220 mặt đất 8 .6 . Hoàn lưu trên cao miền ngoại nhiệt đới 224 8.7. Hình thế áp cao ngồn chặn và áp thấp bị cắt 232 CHƯƠNG 9 PHƯƠNG PHÁP Dự BÁO HÌNH THẾ SYNÔP VÀ Dự BÁO ĐIỂU KIỆN THỜI TIẾT 9.1. Nhìíng nguyên tắc cơ bản xây dựng các phương pháp dự 237 báo 9.2. Dự báo hình thê synôp 242 9.3. Dự b á o điểu kiện thời tiết 254 TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH 277 5
  6. LỜI NÓI ĐẦU Giáo trinh “Khí tượng synôp" gồm hai phần: phần cơ sở và phẩn nhiệt đới được in thành hai quyến riêng. Phẩn cơ sớ trong giáo trinh ' Khí tượng synôp” trình bày những kiến thức cơ bán cúa học thuyết vẽ thời tiết và phương pháp dự báo thời tiết theo học thuyết front. Ba chương đáu đẻ cập đến nguyên lý xây dựng và công dung của các bán đổ synôp, các công cụ dùng trong phản tích sỵnôp và dự bao thời tiết, đặc điếm của các trường khi tượng. Trong 4 chương tiếp theo (chương 4,5,6,7) trình bày những kết quả nghiên cứu gần đây nhất về 4 đối tượng synôp cơ bản: khôi khí, front, xoáy thuận, xoáy nghịch và dong xiết. Chương 8 tổng hợp cảc kiên thức từ các chương trước trong các quỵ luật và dác diêm của hoàn lưu chung khí quyên. Các phương pháp dư báo hinh thê synôp oà điều kiện thời tiết lờ nội dung chương cuối (chương 9). Phấn nhiệt đới trong giáo trinh “Khí tượng synôp" gồm 4 chương trinh bày các d ặ c điếm cơ bon của hoàn lưu miền nhiệt đới như gió mùa, tin phong, dải hội tụ nhiệt đới. đặc điếm và phương pháp dự báo xoáy thuận nhiệt đới và bão. Chương 5 trinh bày về hiện tượng dông và phương pháp dự báo hiện tượng thời tiết rất đặc trưng cho miền nhiệt đới này. Giáo trình được biên soạn trên cơ sở các sách giáo khoa kinh điên cũng như cập nhật những kiến thức khí tượng synôp cho đến năm 1998. Tác giả đã cô gắng chọn lọc những kiến thức cơ bán nhất có liên quan tới các quá trinh sỵnôp ở Đông Nam A và V iệ t N a m Giáo trinh ‘'Khi tượng synôp" có thè dừng làm sách giáo khoa cho chuyên ngành khi tượng tại các trường đạt học tổng hợp và sư phạm. TÁC GIẢ 7
  7. KÝ HIỆU i A Thiết diện ngang, diện tích Ak Hình chiếu trên xích đạo At Bình lưu nhiệt Ati Bình lưu xoáy APE Thế năng khả năng A Bán kính Trái Đất B 1 /2 độ rộng c Hoàn lưu tốc độ c, C Tốc độ hav vectơ tốc độ của một hệ thống chuyển động Cf Tốc độ dịch chuyển front Tốc độ Rossby M i ) Cx, Cy Thành phần tốc độ của hệ thống khí áp theo hướng X và y Nhiệt dung đăng áp hay nhiệt dung đảng tích D Phân kỳ ngang D Khoảng cách giữa các nút trong lưới tính F Khu vực trong toán đổ cực; hàm sinh front; hàm lực F , F3 Vectơ ngang hay vectơ ba chiều của lực ma sát FQ Tác động gây chuyển động thảng đứng l,f = 2 íisincp Thông số Coriolis G Gia tốc trọng trường H Độ cao đặc trưng; độ cao địa hình (m); thông lượng nhiệt trên một đơn vị khối lượng và thời gian H Bề dày thẳng đứng, độ dày lớp; độ cao địa hình núi l Nội năng ĨJ Vectơ đơn vị theo hướng X và y K Động năng Ki..., Độ cong của đường đẳng áp, đường dòng và qu ỹ đạo 9
  8. Kn Độ cong theo hướng vuông góc với đường đẳng áp hay đường dòng K Sô' sóng; hằng số £ Vectơ đơn vị theo chiểu thẳng đứng L Độ dài đặc trưng; độ dài bước sóng Lc Độ dài bước sóng tới hạn Ls ị Độ dài bước sóng của đường dòng và quỹ đạo Lh Độ dài bước sóng dừng; độ dài sóng theo chiểu thảng đứng M Khôi lượng M Yếu tố quy mô; m = ug - fy: mômen tuyệt đối N Số ống nhiệt động lực trong trường đăng áp-đẳng tích N Hướng vuông góc với dường dòng hay đường đẳng áp trong hệ tọa độ tự nhiên rí Vectơ đơn vị theo hưỏng n p Thế năng; xoáy thế p Khí ốp Q Nhiệt lượng; đặc trưng của khối khí; hàm lực Q Vectơ Q Q2 Hằng sô' R(ỉ Hằng số chất khí của không khí khô R, , , Bán kính đường đảng áp, đưòng đòng và quỹ đạo Rn Bán kính trực giao Ri Sô" Richardson Ro Sô" Rossby s Tọa độ tiếp tuyến trong hệ tọa độ tự nhiên; đại lượng vô hướng s Sự biến dạng T Nhiệt độ tuyệt đối Tv Nhiệt độ ảo t Thời gian t Vectơ đơn vị theo hướng s Te e- lần thời gian TFE Thế năng tổng cộng Ư Tốc độ ngang của dòng cơ bản vĩ hướng Ư T h à n h p h ầ n gió t h e o h ư ớ n g X Ư* Giá trị trung bình của gió vì hướng theo chiều tháng đứng 10
  9. ƯT G i ó n h iệ t V T ố c dộ gió V. V ị V e c tờ gió n g a n g v à vectơ gió b a c h iê u V T h à n h phần gió th e o hướng y ýg Vectơ giỏ địa chuyển V* Thành phần gió phi địa chuyển VK, V* T h à n h phần g iô đ ị a c h u y ề n và p h i đ ị a c h u y ể n th e o h ư ớ n g y V (; G i ó g r a d ie n VN Thành phần gió hướng vuông góc với đường dòng hay đưòng đẳng áp vx Gió nhiệt w Tốc độ thảng đứng w Thành phẩn gió theo phương thẳng đứng X T ọ a độ n g a n g t r o n g h ệ tọa độ Đ e c a c t h ư ờ n g h ư ớ n g v ề p h ía đông y Tọa độ ngang trong hệ tọa độ Đécac thường hướng lên phía bắc y„ r Tung độ của đường dòng hay đường dòng tương đôi z Tọa độ thẳng đứng; độ cao hình học cx Thể tích riêng; góc 0 T Hướng gió; /? = — : thông số Rossbv V Góc; hàm _ dT Gradien nhiệt độ thảng dửng môi trường ỵ ~ ~dz Ya Gradien đoạn nhiệt khô Yw Gradien đoạn nhiệt ẩm A Sai phân ô Vi phản; biến thiên; biệt sô'; góc nghiêng c Xoáy tương đối Ck Xoáy tương đối địa chuyển Ct X o á y n h iệ t TI Xoáy tuyệt đối \ Xoáy tuyệt đối địa chuyển 0 Nhiệt độ thê vị Bps Nhiệt độ thế vị ảo A H à m b iế n d ạ n g 11
  10. p Mật độ không khí ơ Thông sô'ổn định ĩ Vectơ ngang của ứng suất nhớt ộ Địa thế vị
  11. Chương 1 ĐỐI TƯỢNG CỦA KHÍ TƯỢNG SYNÔP VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SYNÔP 1.1. ĐỐI TƯỢNG CỦA KHÍ TƯỢNG SYNÔP Thời tiết là trạng thái của khí quyển trong tầng hoạt dộng của con ngưòi, tại một khu vực, một thòi điếm (hay thòi đoạn) nhất định và được đặc trưng bỏi tập hợp giá trị (‘ủa các dại lượng khí tượng và hiện tượng khí quyên. Trạng thái khí quyển được dậc trưng bới các đại lượng khí tượng là các tính chất vật lý của khí quyển như nhiệt độ, độ Anì, khi áp. tốc độ và hướng giỏ, lượng mây và các hiện tượng khí quyển như sương mù, mưa, b ã o , giỏng, lốc, vòi rồng V.V... Khái niệm thời tiết có quy mô không gian và quy mô thời gian. Hoạt động cúa con người chủ yếu diễn ra trong lớp dưới cùng của khí quyển - trong tầng đối lưu. Các quá trình hình thành và biến đối của thòi tiết chủ yếu cũng diễn ra trong lớp khí quyển này. Nhơ vạy (ỊUV mô thang đứng éủa khái niệm thời tiết được xem xét trong khí tượng synôp khoảng 10 1 đến 10lkm. Quy mỏ ngang của thời tiết khoảng 10I-103km nếu xét theo khu vực có điểu kiện thời tiết tương đối đồng đểu hay khu vực có sự biến đổi lỏn của thời tiết. Quy mô thời gian là vài ÉTĨỜhay vài chục giò tuỳ theo sự tồn tại của khu vực* thời tiết nói trên. Dối với người sử dụng thông tin thời tiết khác nhau thì khái niệm thòi tiết hay diêu kiện thời tiết mang nội dung khác nhau: đối với phần lớn nhân dân thì đó là nhiệt dộ không khí, mưa, giỏ v.v.., dối với người đi biển thì dó là gió gây sóng biển, tầm nhìn dài, dối với phi công thì dó là mây, tầm nhìn xa, sốc máy bay v.v... Chính vi vậy cơ quan thời tiôt phái bảo đám cung cấp thông tin thời tiết cho rất nhiều rtgười sử dụng với nhiều nhu cầu khác nhau. Thòi tiết có những biến dôi có chu kỳ theo ngàv đêm, theo mùa, liên quan với sự tự quay của Trái Đất trong một ngày và sự quay của Trái Đất xung quanh Mặt Tròi trong m ột n A m . N h ử n g sự b i ế n đối k h ô n g có c h u k ỳ c ủ a th ò i t iế t t r ê n t h ự c t ế x ẩ y ra thường Xuyỏn vì đó chính là quy luật của lự nhiên. Chang hạn, thay cho sự tảng nhiệt độ ban ngày như biến trình bình thường là sự giảm nhiệt độ tỉo sự xâm nhập lạnh hay mưa rơi xuồng, gió mạnh lên vào thòi điểm bất kỳ. Chính những sự biến đổi không có chu kỳ của thời tiết và nguyên nhân của chúng là đối tượng của khí tượng synôp. Nguyên nhân của những sự biến dôi không có chu kỳ là do sự di chuyển của các khối khí từ khu vực này sang khu vực khác, sự biến dổi tính chất của chúng dưới tác động bên ngoài và cuối c ù n g là sự tươ ng t á c g iữ a c á c k h ố i k h í đó t r ê n r a n h giới c ủ a c h ú n g , c á c đới c h u y ê n tiế p 13
  12. hẹp *dới front. Quá trình hình thành và biến đổi không có chu kỳ của thời tiết trước hét liên quan với sự tiến triển và di chuyển của xoáy (xoáy thuận, xoáy nghịch), front, khói khí khí quyển, dòng xiết, đới front hành tinh trên cao, còn được gọi là các đối tương synôp cơ bản. Khí tượng synôp nghiên cứu các đôì tượng synôp cơ bản nói trên dê xây dựng phương phốp dự báo sự tiến triển và di chuyển của chúng và trên cơ sở đó dự báo thời tiết. Đặc điểm cd bản của các phương pháp nghiên cứu trong khí tượng synôp là các quá trình khí quyển xẩy ra trên những không gian rộng lớn với các đặc điểm địa lý khác nhau. Sự cần thiết nảy còn do không khí khí quyển luôn năm trong trạng thái chuyển động với tốc độ đâng kể. Trong một ngày đêm các đối tượng synôp có thể di chuyên tời 1000 km. Tiến trình và sự biến đổi của thời tiết ở khu vực cần dự báo là kết quả tương tác của các quá trình khí quyển xẩy ra trên một phạm vi rộng lớn. Hạn dự báo (thời gian từ khi lấy số liệu và phát bản tin dự báo đến khi bắt đầu hiện tượng thời tiết được dự báo) cảng dài thì quá trình hình thành và biến đôi của thời tiết cần được nghiên cứư trên phạm vi càng lớn. Chữ synôp xuất phát từ tiếng Hylạp synôpticot nghía là quan sát đồng thòi. Từ này nói lên đặc điếm cơ bản cua phương pháp phân tích synôp là dùng bản đồ đế nghiên cứu các quá trình khí quyên trên một phạm vi rộng lớn vào cùng một thời điểm. 1.2. LƯỢC SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KHÍ TƯỢNG SYNÔP Khí tượng synôp là khoa học vễ thời tiết và dự báo thòi tiết. Môn khoa học này xuất hiện cách đây hơn 150 năm từ khi xuất hiện những bản dồ thòi tiết đầu tiên cho khu vực Châu Âu vào nửa đẩu thế kỷ 19» Nhừng thông tin vế các hiện tượng thòi tiết cực đoan như gió mạnh, mưa lốn, những đợt xâm nhập lạnh đột ngột v.v... đã bắt đầu được thu thập từ thế kỷ thứ nàm trước công nguyên. Chuyên khảo đầu tiên về thời tiết là của nhà triết học Hy Lạp A r i s t ô t với t ê n gọi “K h í tượng*'\ t r o n g đó c h ẳ n g h ạ n ô n g g i ả i t h í c h v ò n g t u ầ n h o à n nước rất gần với khái niệm của chúng ta ngày nay: ” Nước bao quanh Trái Đất bốc hơi do tia Mặt Trời và nhiệt từ trên xuốhg sẽ bốc lên cao, khi đó nhiệt cung cấp cho nó giảm, hơi nước lạnh di SC tụ lại và lại trỏ thành nước”. Thế kỷ 17 trong lịch sử loài người bắt đầu những phát kiến dịa lý lởn. Nhu cầu của vận tải đường biền dẫn tới sự phát triển rất mạnh của ngành khí tượng. Thời gian này các nhà khí tượng có khả nàng chuyển từ những quan trắc bằng mát thường sang quan trắc bằng dụng cụ đo như: nhiệt kế, khí áp biểu, ẩm kế v.v... Năm 1668 Haddley, giám đốc Đài thiên văn Hy Lạp đã lập bản đồ gió cho các đại dương bằng cách lấy trung bình các đợt quan trắc riêng lẻ, bản đồ có ý nghĩa trung bình khí hậu học. Đê xây dựng bán dồ synôp cần có số liệu của mạng lưới trạm khí tượng quan trác đồng thời trên một phạm vi rộng lớn. Mạng khí tượng đầu tiên được xây dựng ỏ Ý năm 1654 gồm 10 trạm, năm 1722 ỏ Nga và năm 1724*1735 ỏ Anh. Vào nhộng năm này M. Lômônôsôv đã có những ý tướng rất sâu sác về phương pháp dự báo thời tiết. Theo ông nguyên nhân hình thành thời tiết là do các dòng khí (hoàn lưu khí quyến) và ông hy 14
  13. vọng về “một học thuvêt vế chuyển động của không khí và nước bao quanh Trái Đất” (vé khí tượng động lực) sê là cơ sỏ cho các phương pháp dự báo thời tiết. N ă m 1 7 8 0 m ạ n g lưới q u a n t rắ c k h i tượng do sự hợp tá c q u ố c t ế đ ầ u t iê n g ồ m 39 trạm từ Mỹ tới Uran được thành lập theo sáng kiến của Hội khí tượng Manhêm. Năm 1826 Brandes (Đức) đã lập bản đồ svnôp đầu tiên. Trên bản đồ điền độ lệch khí áp so với chuẩn theo sô liệu quan trắc đồng thời trên một sô" trạm. Thời đó việc thu thập 80 liệu phái mất vài tháng nên bản đồ không có ý nghĩa dự báo. Năm 1856 ỏ Nga và Pháp bắt đầu có sự trao đôi quốc tế các thông tin khí tượng. Nhiều nước đă xuất bản các nguyệt san khí tượng, lập các cảnh báo tố, tổ chức cơ quan phục vụ thông tin thời tiết. Fitsroi • Giám đốc cơ quan trường áp Anh là người đầu tiên gọi bản đồ địa ]ý trên đó điển số liệu khí tượng quan trắc đồng thòi là bản đồ synôp. Cho đến trước năm 1920 * giai đoạn mở đầu của khí tượng synôp, là thời kỳ người ta thiết lập mối tương quan giữa điều kiện thời tiết với đặc điểm của trường áp. Điều quan tâm chủ yếu của các nhà khí tượng thời đó là sự di động và phát triển của các khu vực áp cao và áp thấp. Khi đó khu áp thấp được gọi là xoáy thuận và khu áp cao là xoáy nghịch. Dầu tiên người ta cho rằng liên quan đến xoáy thuận bao giờ cũng là thời tiết xấu, với xoáy nghịch là thời tiết tốt. Nhưng ngay từ thời đó người ta cũng thấy là nhiều trường hợp thời tiết xấu, có khi cả tõTlại liên quan với phần rìa cao áp. Dầu thế kỷ 2 0 do nhu cầu thực tế, nhất là sự phát triển của hàng không trong chiến tranh thế giới thứ nhất, phương pháp phân tích trường áp không đáp ứng được nhu cầu thực tế như một phương pháp phân tích và dự báo thời tiết nên đã nhường chổ cho phương pháp hoàn thiện hơn, đó là phương pháp phân tích front. Sự tồn tại của front khí quyển như đường hội tụ của các dòng khí ở mặt đất đã được phát hiện từ năm 1980 và danh từ “front” đã dược Angel để xướng từ năm 1915. Tuy nhiên, cấu trúc front của xoáy thuận, sự phân bô' của các đại lượng khí tượng trong khu vực front được thiết lập từ những năm 20 của thế kỷ này. Chính là từ thời điểm đó việc dự báo sự tiến triển và di chuyển của front khí quyển trở thành một khâu không thể thiêu được trong công tác dự báo thời tiết. Tác giả của học thuyết front và các thành quả đầu tiên của phương pháp phân tích và dự báo front thuộc về trường phái khí tượng Na Ưv với V.Bjerknes và J.Bjerknes, Bergeron và Solbergd. Các nhà khí tượng Xô Viết đã có những đóng góp rất lớn trong sự phát triển học thuyết front. Năm 1934 xuất bản cuốn chuyên khảo của s.p Khrômôv “ Nhập môn phân tích khí tượng synôp” và nám 1948 cuốn “Cơ sỏ khí tượng synôp” ra đời. Vào nhửng năm 30, cùng với sự phát triển của mạng lưới thám không và việc xây dựng các bản đồ hình thế khí áp trên cao, K.P.Pôgôsian và N.L.Tabôrôvxki đã đề xuất phương pháp bình lưu động lực trong phân tích front. Các ông đã chứng minh rằng, quá trình xuất hiện của xoáy thuận và xoáv nghịch, front là kết quả của sự tương tác của các nhân tố bình lưu động lực, quy định sự biến đối của cấu trúc trường nhiệt áp. Việc áp dụng phương pháp này đã nâng chất lượng dự báo lên 18-20% . Nhò có sự phát triển mạnh mẻ của khoa học và kỹ thuật vào những năm 50 khí tượng synôp đã có những phát triển vượt bậc. Khối lượng thông tin khí tượng tăng gấp nhiều lần và xuất hiện dạng thông tin mới nhận được từ quan trắc bằng vô tuyến định vị, cầu thám không cân bằng, tên lửa và vệ tinh khí tượng. 15
  14. Ngày nay đà có điều kiện tự động hóa quan trắc khí tượng, truyền tin và xử lý ban dầu. Sự xuất hiện cùa máy tính thúc đẩy mạnh mẻ sự phát triển của các phương phốp dự báo bàng phương pháp số’ trị. Kết quả dự báo trường áp và trường gió đôi với khí quyển tự do bằng phương pháp số trị hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nghiệp \ụ dự báo thời tiết hàng ngày ở nhiều nước. Tuy nhiên, do tính phức tạp của các quá trình xẩy ra trong lớp biên khí quyển nên trong nghiệp vụ dự báo thòi tiết vai trò chính vẩn thuộc vế các phương pháp phân tích và clự báo synôp. Trong những năm gần đây, cùng với sự tống của khối lượng, thông tin khí tượng còn có sự thay đối về chất lượng. Anh mây vệ tinh trở thành tài liệu không thể thiêu được trung nghiệp vụ dự báo thòi tiết hiện nay và không những chỉ cung cấp cho ta màn mây trực quan, mà còn là công cụ phân tích các quá trình khí quyên. Ví dụ, theo những tài liệu này ta có thể xác định trường áp, trường gió, khu vực giang thuỷ, vị trí và cáu trúc của các dối tượng synỏp, kiểm soát sự xuất hiện và phát triển của cốc cơn bão nhiệt đới trên toàn bộ đại dương thế giỏi. Các quá trinh thòi tiết ỏ miền nhiệt đới dược nghiên cứu cùng thòi với sự phat triển của khí tượng học hiện đại do nhu cầu thông tin khí tượng dùng cho việc lập các kẽ hoạch quân sự đôi với các phương diện quân ớ Nam Thái Bình Dương, biên A Rập, v.v... Khí tượng nhiệt đói có nguồn gốc sâu xa từ trường phái khí tượng ngoại nhiệt đổi. Trong chuyên kháo “Khí tượng nhiệt đới” năm 1954 và gần đây là cuốn “Khí hậu và thòi tiết miền nhiệt đới” (1979) của H.Riehl là tập hợp các kết quả nghiên cứu thòi cỉó về các quá trình khí quyển nhiệt đới' Tiếp sau là các nghiên cứu về bão, về gió mùa, dai hội tụ nhiệt đới trên cơ sỏ các tài liệu và khảo sát phối hợp quốc tế trên phạm vi rộng lởn thuộc miền nhiệt đới. Ramage năm 1979 đã tổng kết các kết quá nghiên cửu gió mùa trong cuôn “Khí tượng gió mùa”. Phân tích trường mây và sô" liệu bức xạ thu nhận dược từ cốc vệ tinh nhân tạo nhằm mục tiêu phân tích và dự báo trạng thái khí quyển hiện đang là đối tượng nghiên cứu của các nhà khí tượng thế giới. Việc chinh phục khoảng không gian gần một đất đang mỏ ra cho khí tượng synôp những chân trời phát triển mới dầy hứa hẹn. 1.3. THÔNG TIN KHÍ TƯỢNG DÙNG TRONG PHÂN TÍCH SYNÔP VÀ Dự BÁO THỜI TIẾT 1.3.1. Các d ạ n g th ô n g tin khí tượng Toàn bộ công tốc phân tích synôp và dự báo các quá trình khi quyên dược tiên hành trên cơ sỏ các thông sỏ khí quyển chú yếu thu nhận được từ các quan trác khí tượng. Tống hợp các thông tin đó là thòng tin khí tượng ban đẩu. Tiếp đó thông tin khí tượng ban đầu được xử lý và biểu diễn bằng các phương pháp thích hợp. Kết quả của công việc xử lý này là các bản dồ synôp, mặt cắt thảng đứng, các bản đồ phân tích và dự báo cho các thòi đoạn, các số liệu khí hậu v.v... Các thông tin khí tượng ban đầu bao gồm khí áp, nhiệt dộ, độ ẩm (đôi khi cả nhiệt độ mật trải dưới), tốc dộ và hướng gió, hệ thống ngưng kết hơi nước (sương mù, mây, giáng thủy v.v...), hiện tượng khí quyển (giỏng, bão tuyết, bào bụi v.v...), tốc độ thắng cỉửng của không khí, đỏi khi cả các thông tin về ô nhiễm không khí khí quyến. 16
  15. Xuất phát từ độc điểm cua các ( Ị UÓ trình hình thành thòi tiết, từ những phương pháp phàn tích và dự báo,thòi tiết, từ n h u cầu báo đảm th õ n g tin thòi tiết đối với nền kinh tê quốc dân. đối với thông tin ban đầu cần có các yêu cấu vế tính đồng bộ, tính ba c h i ể u , tính toàn c ầ u , tính th ư ờ n g x u y ê n , t in h tức thời, t ín h đ ồ n g thời. Tinh đồng bộ, các thông un khi tượng phải đầy đủ, thiếu thông tin sẽ gảy khó khăn trong phân tích các quá trình khí quyển và giảm mức chính xác của các dự báo. Các môi tương quan của các yếu tố khí tượng theo không gian và thòi gian giúp phát hiện ra các sai sót thô có thể có trong quá trình truyền tin, điền clồ. Tinh ba chiều, cần thiết là do các đối tượng synôp phát triển trênkhông gian ba chiểu, các quá trình khí quyển tạo nên thời tiết xẩy ra trong một lớpkhá dầy từmặt trải dưới đến phần dưới tẩng bình lưu. Ngoài ra yêu cầu của một sô' ngành kinh tế lại cần thông tin khí tượng hiện tại và thông tin dự báo trong khí quyển tự do. Yêu cầu toàn cầu xuất phát từ thực tế là kích thước lành thó có thông tin ban đầu phải lớn hơn nhiều lần so với khu vực cần dự báo. Diều đó là do các quá trình hình thành thời tiết có mối tương quan trên khoảng cách lớn và các đôi tượng synôp chuyên động với tốc độ khá lớn. 1.3.2. Hệ th ố n g q u a n trắ c khí tượng Hiện nay thỏng tin khí tượng ban đầu nhận được từ các hệ thống: - Mạng trạm khí tượng mật đất và cao không; - Mạng trạm quan trắc trên tàu, trạm trôi và trạm neo trên biển; - Mạng trạm vô tuyến định vị ; - Hệ thông khí tượng vệ tinh; - Hệ thông thám trác thòi tiết bàng máy bay Ngoài ra có thô có số liệu từ hệ thông tên lửa và khinh khí cầu. Các trạm khí tượng thường xuyên cung cấp số liệu dùng cho cơ quan phục vụ thời tiết ià các trạm synỏp. Đài trạm synỏp mặt đất và cao không là đài trạm khí tượng (mặt đất hay cao không) quan trắc và cung cấp các thông tin khí tượng về trung tâm dự báo đê lập các bản đồ synôp. Các quan trác ò đài trạm synôp được tiến hành đồng thời trên toàn thế giới vào các kỳ quan trắc synôp cơ bản là 0 , 6 , 12, 18 giờ (giò quốic tê - giờ GMT (GMT- Greenwich Mean Time) là 1,7, 13, 19 giò (theo giò Hà Nội) và vào các kỳ quan trắc phụ là 3, 9, 15, 21 giờ (giờ GMT) là 4, 1 0 , 16, ‘20 giò (theo giờ Hà Nội). Quan trắc các hiện tượng khí quyển được tiến hành liên tục. Tính ba chiếu của các chuyển cỉộng đôi lưu thông tin khí tượng được bảo đảm nhờ cốc thám trắc khí áp, nhiột độ, độ ẩm, tốc độ gió và hướng gió theo chiều thẳng đứng đến độ cao 15-20km tại các đài thám khòng. Do tính biến động của các yếu tô" khí tượng trong khí quyển tự do ít hơn so với mặt đất nên số kỳ quan trắc cao không chính chỉ có 00 và 1 2 giờ GMT (hay giờ Z) và kỷ quan trắc phụ vào 06 và 18 giò. Mỗi dài trạm synỏp ngoài những yêu cầu của một đài trạm khí tượng nói chung còn phải bảo đàm những yêu cầu như: 17
  16. • Phái có phương tiện thông tin nhanh chóng và bào đám tới cơ quan thời tiết trung ương để kịp thòi chuyên thóng tin khí tượng để lập bản đồ synôp. - Độ cao của đài trạm phải xác dịnh chính xác đẽ dẫn giá trị khí áp về mực biển. • Diêu quan trọng nhất là phải có tập thể quan trác viên có kinh nghiệm và thông thạo quan trác bằng máy cũng như quan trắc bằng mát (quan trác lượng và dạng mây, tầm nhìn ngang...). • Đề đảm bảo tính đối chiếu của các tài liệu synôp điền trên bản dồ, các máy và dụng cụ quan trác của tất cả các đài trạm trong mạng lưới tốt nhất là phái cùng loại, được đột đúng quy cách và thường xuyên được kiểm tra đối chiếu với máy và dụng cạ chuân mầu. - Cuối cùng yêu cầu rất quan trọng với đài trạm synôp là phải báo đảm tính tiêu biểu của đài trạm. Tính tiêu biểu của đài trạm chi có thể đạt được nếu vị trí của dài trạm tiêu biểu cho khu vực dặt đài trạm về những đặc điểm địa lý tự nhiôn sao cho những số liệu quan trác nhặn dược phải dặc trưng cho điểu kiện thòi tiết trong toàn khu vực. Những đài trạm nằm trong điều kiện mặt trải dưới đồng nhất (thảo nguyên, đảo hay bán đảo gần biến v.v...) có tính tiêu biểu lớn nhất. Các đài trạm ỏ vùng dồi núi ít tiêu biểu nhất. Riêng dối vớì một sô đài trạm với mục đích phục vụ đặc biệt như dài trạm sân bay, hai cảng, sườn núi... thì tính tiêu biểu của đài trạm không dật ra. Những tài liệu quan trác của những dài trạm không tiêu biêu, đôi khi còn dược dùng như dấu hiệu báo trước cho sự biến đổi cua thời tiết trong phạm vi tương đôi lớn (chẳng hạn như báo trước sự hình thành của sương mù, sự mạnh lên của gió với hưỏng nhất định, sự xấu đi của thời tiết..). Chất lượng dự báo thòi tiết phụ thuộc nhiều vào khôi lượng và chất lượng thòng tin khí tượng nhận được từ các dài trạm synôp. Tất nhiên, không thể phát triển vô hạn các đài trạm synôp do những vấn để vể kinh tế, kỹ thuật. Mạng lưới synôp tối ưu phài đầm báo tính tiêu biểu của đài trạm. Theo yêu cầu về tính tiêu biểu thi ỏ miền cỏ mật đệm đồng nhất, khoảng cách giữa các đài trạm có thể lỏn hơn ỏ miến có mặt đệm bị chia cắt ít đồng nhất. Với mục đích nghiên cửu và dự báo thòi tiết thì mạng lưới đài trạm tôi ưu một mặt phái đám bâo làm sao cho sai số khi nội suy gió trị các yếu tố khi tượng không vượt quá giới hạn cho phép, mặt khác thông tin của tất cả các đài trạm khí tượng có the điền trên bán dổ nền của bản đồ synỏp với tỷ lệ tương ứng và bảo đảm dể dọc. Theo nguyên tÁc, các đài trạm synôp mặt đất có khoảng cách tối ưu không quá 100*150 km và các dài trạm trên không có khoảng cách không quá 300 km. Trên hình 1.1 là phân bô"các đài trạm quan trác synôp mật đất và cao không trên toàn thế giỏi. Ta thấy mạng lưới đài trạm khí tượng dày đặc nhất ớ khu vực Châu Ấu. Trên các dại dương, miên cực, sa mac, cốc khu vực khó tới, khó khăn đôi với đời sống con Iìgưòi, sô t r ạ m t h ư a th ó t. Ố m ồ i nước d ề u có {Siạng lưới đ à i t r ạ m k h í tư ợ ng q u ố c g ia , m ộ t s ố t ro n g đó dược chọn vào mạng lưới quốc tế, số còn lại có ý nghía cục bộ và cung cấp số liệu lập bán đồ bô trợ. Các đài trạm thuộc mạng lưới quốc tế không những truyền thông tin khí tượng tôi trung tâm dự báo trong nước, mà còn truyền tới các trung tủm dự báo khu vực và từ dó thông tin được truyền đi trên toàn thế giỏi.
  17. T r o n b ả n dồ s y n ô p . c á c đ à i tr ạ m k lìí tương được b iể u th ị k h ô n g th e o t ê n gọi m à tho o b i ế u sô q u ố c tê g ồ m 5 chừ sô T r o n g đó. h a i c h ữ sô đ a u là c h i sô k h u v ự c lớn, ba chừ sô s a u là c h i sò c u a đ à i t r ạ m t r o n g k h u vực đó ( H ì n h 1 . 1 ) . Bề mặt Trái ỉ)ất được chia làm 6 khu vực lớn. mồi khu vực dếu có phẩn dất hển và vũng biến phụ cận: Châu Phi (khu vực I), Châu Á và Táy Thái Bình Dương (khu vực II). Nỉiiin Mỹ (khu vực 111), BÁí* và Trung Mỹ (khu vực IV), Châu Ảu (khu vực V), Táy Nam Thái Bình Dương (khu vực VI). Mật độ các trạm khí tượng đáy đặc nhất là ỏ Châu Âu, Nam Phi, Bắc và Trung Mỹ. rất thưa ỏ Bác A, Tây Nam Thái Binh Dương, Châu Nam Cực. Trên các đại dương sô trạm khí tượng còn ít hơn nhiêu và hiện nay đang được tăng cưởng bàng các trạm khí tượng tự dộng, đó là các trạm "trôi". Đến nay mạng lưới quan trắc khí tượng toàn cầu bao gồm hơn 9000 trạm trẽn đất liền trong cỉó cỏ 3000 trạm synỏp bê mặt, trên 600 trạm khí tượng cao không và trên 600 trạm đo gió trên cao bàng vô tuyên. Trên biển có 7000 trạm quan trắc trên tàu thúy và 350 trạm quan trắc tự động, 600 trạm phao trôi theo dòng biến và cuối cùng là hàng nghìn báo cáo thời tiết từ các chuyến bay trên khắp hành tinh. Việt Nam có 500 trạm khí tượng thúy vản, 10 0 0 diêm đo mưa phân bố ỏ đổng bằng, miền núi và hải đảo. Ngoài nguồn số liệu và các thông tm khí tượng thu nhận dược do quan trác mặt dát và thám trác trên không, các trung tâm dự báo thòi tiết còn thu nhận được các nguồn sô liệu khác do quan trắc trạng thái khí quyên bằng máy bay, bằng ra đa khí tượng và bủng hệ thông các vệ tinh khí tuợng. K h u vực I I ệ Á B ìn h D ư ơ n g . • 4 8600-99999 — ________ aauoq-saaaa H inh 1.1. Phàn bò các khu vực theo chỉ số các trạm synôp trên Trái Đất. Đièm (.) là các trạm khl tượng Oưòng liền nét lá ranh giởi các khu vực trạm với chỉ sô trạm. 19
  18. 1 . 3 . 2 . 1 . T h á m t r ắ c th ờ i tiể t b ằ n g m á y b a y Quan trác loại này được tiến hành từ các máy bay với mục đích nghiên cứu khoa học và với mục đích đậc biệt, chủ yếu phục vụ hoạt động hàng không. Thám trắc bằng máy bay có thể thực hiện dưới ba hình thức: - Thám trắc khi máy bay ỏ độ cao nào đó và sau dó hạ cánh. - Thám trắc theo tuyến bay thường xuyên có kết hợp với thám trác khi máy bay lên xuống. • Thám trác ngay trên các máy bay bay trên các tuyển xác định (máy bay hành khách và máy bay vận tải). Thông tin khí tượng thu dược từ thám trác bằng máy bay có ưu điểm là chọn dược thòi điểm và tuyến nghiên cứu điểu kiện thòi tiết và do đó có thế liên tục theo dỏi được tất cả các chi tiết biến đối của thòi tiết và các tin tức phù hợp với yêu cầu của hàng không. Hộ tlìông tên lửa và khinh khí cầu khí tượng đo khí áp, nhiệt độ, gió đến độ cao 70*100km. 1 . 3 . ‘2 . 2 . T h á m t r ắ c b ằ n g th iế t b ị v ỏ tu y ế n Những thiết bị vô tuyến không những được dùng rộng rãi trong việc truyền thông tin khí tượng và truyền các bàn đồ synỏp đã được các trung tâm dự báo phân tích về các địa phương (bàng phường pháp truyền ảnh-facximin) mà còn được dùng đế quan trac mây, giáng thuỷ, hướng và tốc độ gió; ghi nhận những hiện tượng thời tiết dặc biệt như giông, bão, vòi rồng. Trên cơ sở mối liên quan giữa loại nhiễu vô tuyến và sự phóng điện trong các cơn giông, người ta tiến hành ghi những hiện tượng điện khí quyến. Thông tin vể hiện tượng diện khí quyển được dùng với mục đích xác định ổ giông và điểu chính vị trí của front khí quyển liên quan với giông. Quan trắc bàng thiết bị vô tuyến định vị được tiến hành với mục đích phát hiện hệ thống mây và giáng thủy, cấu trúc của bão theo chiểu ngang cũng như theo chiều tháng đứng. Những máy vô tuyến định vị hiện đại có khả năng phát hiện hệ thống mây và giáng thủy trong phạm vi bán kính khoảng 500 km cách điểm quan trác, trong khi dó tầm bao quát bàng mắt chỉ giới hạn trong phạm vi với bán kính khoảng 10 km. Quan trác bảng vô tuyến định vị có thể xác định được nhiều chi tiết của hộ thống mây và giáng thủy của các loại front và của các cơn bão. về mặt nghiệp vụ, sử cỉụng vô tuyến định vị có thê dự báo các đôi tượng di chuyển như ổ giông, đưòng front, trung tâm bão, vòi rồng với thời hạn cực ngắn (khoảng 2,3 giờ trước). Dự báo cực ngán có ý nghía lớn nhất là đối vói những hiện tượng thời tiết đặc biệt nguy hiểm gây thiệt hại lớn vế người và của cải vật chất như giông, bão, vòi rồng. 1 . 3 . 2 . 3 .H ệ t h ố n g vệ m ill k h i tư ợ ng Hệ thống vộ tinh khí tượng bao gồm các vệ tinh nhân tạo Trái Đất hoạt dộng trên những quỹ đạo khác nhau và bộ phận thu nhận sô" liệu truyền về từ vệ tinh. Cùng với mạng lưới quan trắc mặt đất, trạm trên các đảo, mạng lưới quan trắc thám không và quan trác bằng rada khí tượng, hệ thông các vệ tinh khí tượng góp phẩn báo đám thông 20
  19. tin vê trư ờ n g c á c y ế u tố k h í tư ợ ng tro n g k h ô n g g ia n b a c h iể u c h o c á c p h â n t íc h v ã dự b á o thờ i t iế t ỏ c á c v ù n g k h á c n h a u t m i T r á i Đ ấ t ( H ì n h 1 .2 ). T h ô n g t in Lừ h ệ th õ n g vệ t i n h n g à y c à n g đ ó n g v a i t r ò q u a n trọ n g tr o n g n g h i ệ p v ụ (lự h ả o thời tiết. Thông tin vệ tinh bao gồm những thành phần sau: dạng và phân bô mây, cường độ giáng thuỷ, đới giông hoạt dộng, nhiệt độ mặt t r á i (lưỏi và giới hạn trên cưa mây, phân bố tháng đứng của nhiệt độ và độ ảm c ủ a khí quyến, c á c thành phần cân bằng bửc xạ liệ thống Trái Dất - khí quyến và gidi hạn bảng và tuyết phủ. Thông tin vệ tinh có thê thu nhận cá ngày và dêm nhờ thiết bị vô tuyến truyền hình khoảng bức xạ nhìn thấy và 1>ức xạ hồng ngoại. Trong thông tin khí tượng những bức anh màn mây bao phủ Trái bất thực sự là bân dồ tự nhiên giúp ta phân tích được cấu trúc của đổì tượng synôp. Tivn các ảnh mảy vệ t i n h thế hiộn rõ dải rnâv dạng xoáy trong xoáy thuận, màn mây bao quanh mắt bão. hệ thống mây front nóng và front lạnh, hệ thống inâv trong chuồi Xoáv thuận và xoáy nghịch, hệ thống mây front dài hội tụ nhiệt đỏi. Hình 1.2. Hệ thống quan trắc thời tiết hiện đại: vệ tinh từ trèn cao nhặn và chuyển vể các trung tâm thời tiết kết quả quan trác từ các trạm trôi trên biển, tầu biến, cầu thám không, máy bay, rađa. Các vệ tinh khác chụp màn mảy bao phu Trái Đất. 21
  20. Hiện nay, các hộ thông vộ tinh khí tuựng thường (ỉước phóng lên các độ cao 600, 1100*1300 và 36000 km theo quĩ đạo tròn hay hơi có dạng êlíp dọc theo vỉ tuyến (quì dạo xích đạo) hay dọc theo kinh tuyến (qui đạo cực). Vệ tinh bay theo qui đạo xích đạo thường là vệ tinh ốn dịnh vối tốc độ quay bàng tốc dộ quay của Trái Đất và khi dó vệ tinh như treo trên khu vực nhất định. Điều đó tạo khá nảng quan trác liên tục theo thòi gian tất cả các hiện tượng, đặc biệt là các cơn bão trên khu vực đó. Với quì đạo tròn, độ cao của vệ tinh không thay đổi, những bức ảnh chụp sẽ có cùng tỷ lộ và khi dó không cần phải hiệu chỉnh sự thay đối độ cao đốì với ảnh như trong trường hợp vệ tinh bay theo quĩ đạo hình êlíp. Độ cao của quĩ đạo vệ tinh phải cán cứ vào những điều kiện tôi Ưu thỏa mãn yêu cầu vể dải bao quát và độ lớn của vật phân biệt trên ảnh vệ tinh. Kỹ thuật hiện đại tạo khả nàng chỉ cẩn sử dụng ba vệ tinh bay theo quĩ đạo tròn (bay qua cực) ở độ cao 10 0 0 km có thể kiểm soát được suốt ngày đêm các cơn bão hoạt động trên đại dương thế giới. Từ độ cao 1500 km cỏ thể chụp toàn bộ Trái Đất trong một khoáng thòi gian ngắn. Sau khi thu nhận ảnh ta có thể gắn ảnh vào tọa độ địa lý và có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Hiện nay, thông tin vệ tinh không những có ý nghĩa to lớn vổ mật lý thuyết mà còn có tầm quan trọng trong thực tiễn. Điểu đó thúc đây sự hình thành một chuyên ngành khí tượng mới - chuyên ngành khí tương vệ tinh. 1.4. Cơ QUAN THỜI TIẾT TOÀN CẦU Cơ quan thòi tiết toàn cầu thuộc Tổ chức khí tượng thê giới (WMO-Workl Meteorological Orgnization) thành lập năm 1967. Hệ thống này bảo đảm cho tất cà các quốc gia thành viên WMO thông tin khí tượng ban đầu và thông tin đã xử lý thô rần cho nghiệp vụ dự báo thời tiết và nghiên cứu khoa học. Cơ quan thời tiết toàn cầu gồin ba bộ phận: 1/ Hệ thống quan trác toàn cầu gồm mạng lưới đài trạm khí tượng và cao không củng như các công cụ thu nhận thông tin khí tượng. 2/ Hệ thống xử lý số liệu toàn cầu gồm các trung tâm khí tượng có chức năng xứ lý. quản lý và lưu trữ số liệu khí tượng đó là ba Trung tâm chính ở Matxcơva, Washington và Melbourne. 3/ Hệ thông truyền tin khí tượng toàn cầu có nhiệm vụ trao đôi sô liệu quan trác và tài liệu đà xử lý. 1.5. HỆ THỐNG TRUYỀN TIN TOÀN CẦU Hệ thống này có chức nồng thu nhận số liệu quan trác, truyền và trao dôi thông tin khí tượng đã xử lý giữa các trung tâm thời tiết lớn. Hệ thống truyền tin toàn cầu được tổ chức thành ba cấp cơ bản: - Hệ thống truyền tin toàn cầu với các hệ thống khu vực. * Hệ thống truyền tin khu vực; * Hệ thống truyền tin quốc gia. 22
nguon tai.lieu . vn