chương 2 Giáng thủy

Giáng thủy là một nhân tố quan trọng điều hòa chế độ thủy văn của một vùng.

Nó là nguồn cung cấp nước chủ yếu cho bề mặt Trái đất và những kiến thức về sự

phân bố mưa theo không gian và thời gian là rất cần thiết để hiểu được sự trao đổi

ẩm trong đất, trao đổi nước ngầm và dòng chảy sông ngòi. Số liệu giáng thủy thu

thập dễ dàng hơn, tại nhiều vị trí hơn và có thời gian dài hơn các thành phần khác

trong vòng tuần hoàn của nước. ởmột số nơi trên thế giới, số liệu giáng thủy là

những số liệu thủy văn duy nhất trực tiếp đo đạc được. Do đó việc nghiên cứu giáng

thủy có tầm quan trọng đặc biệt đối với các nhà thủy văn học và ở chương này tập

trung vào sự hình thành và phân bố của nó là những vấn đề liên quan trực tiếp đến

các nhà thủy văn học. Những kiến thức chi tiết hơn về cơ cấu hình thành của giáng

thủy thuộc lĩnh vực nghiên cứu của các nhà khí tượng và khí hậu học. Người đọc có

thể tham khảo thêm các tài liệu chuẩn về khí tượng, khí hậu.

pdf44 trang | Chia sẻ: lelinhqn | Ngày: 19/11/2013 | Lượt xem: 426 | Lượt tải: 1download
Nội dung tài liệu chương 2 Giáng thủy, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
24 Ch­¬ng 2 Gi¸ng thñy 2.1 Më ®Çu vµ c¸c kh¸i niÖm Gi¸ng thñy lµ mét nh©n tè quan träng ®iÒu hßa chÕ ®é thñy v¨n cña mét vïng. Nã lµ nguån cung cÊp n­íc chñ yÕu cho bÒ mÆt Tr¸i ®Êt vµ nh÷ng kiÕn thøc vÒ sù ph©n bè m­a theo kh«ng gian vµ thêi gian lµ rÊt cÇn thiÕt ®Ó hiÓu ®­îc sù trao ®æi Èm trong ®Êt, trao ®æi n­íc ngÇm vµ dßng ch¶y s«ng ngßi. Sè liÖu gi¸ng thñy thu thËp dÔ dµng h¬n, t¹i nhiÒu vÞ trÝ h¬n vµ cã thêi gian dµi h¬n c¸c thµnh phÇn kh¸c trong vßng tuÇn hoµn cña n­íc. ë mét sè n¬i trªn thÕ giíi, sè liÖu gi¸ng thñy lµ nh÷ng sè liÖu thñy v¨n duy nhÊt trùc tiÕp ®o ®¹c ®­îc. Do ®ã viÖc nghiªn cøu gi¸ng thñy cã tÇm quan träng ®Æc biÖt ®èi víi c¸c nhµ thñy v¨n häc vµ ë ch­¬ng nµy tËp trung vµo sù h×nh thµnh vµ ph©n bè cña nã lµ nh÷ng vÊn ®Ò liªn quan trùc tiÕp ®Õn c¸c nhµ thñy v¨n häc. Nh÷ng kiÕn thøc chi tiÕt h¬n vÒ c¬ cÊu h×nh thµnh cña gi¸ng thñy thuéc lÜnh vùc nghiªn cøu cña c¸c nhµ khÝ t­îng vµ khÝ hËu häc. Ng­êi ®äc cã thÓ tham kh¶o thªm c¸c tµi liÖu chuÈn vÒ khÝ t­îng, khÝ hËu. C¸c nhµ khÝ t­îng quan t©m ®Õn viÖc ph©n tÝch vµ gi¶i thÝch nh÷ng c¬ chÕ t¸c ®éng ®Õn sù ph©n bè cña gi¸ng thñy, mµ kh«ng quan t©m ®Õn c¸c vÊn ®Ò khi gi¸ng thñy r¬i xuèng mÆt ®Êt. Cßn nh÷ng nhµ thñy v¨n häc th× quan t©m ®Õn nã, ®ã lµ sù ph©n bè, tæng l­îng gi¸ng thñy, khi nµo vµ ë ®©u gi¸ng thñy sÏ xuÊt hiÖn. Do ®ã, nh÷ng h­íng nghiªn cøu gi¸ng thñy cña thñy v¨n häc liªn quan tíi lo¹i gi¸ng thñy, sù biÕn ®æi theo kh«ng gian vµ thêi gian cña nã, viÖc hiÓu vµ sö dông chÝnh x¸c sè liÖu ®o ®¹c ®­îc. Gi¸ng thñy xuÊt hiÖn ë mét sè d¹ng vµ mét sù kh¸c biÖt tuy ®¬n gi¶n nh­ng c¬ b¶n gi÷a chóng lµ d¹ng r¾n vµ láng. Gi¸ng thñy láng bao gåm chñ yÕu lµ m­a rµo vµ m­a phïn (cã kÝch th­íc h¹t nhá h¬n vµ c­êng ®é yÕu h¬n m­a rµo). Ng­îc l¹i víi gi¸ng thñy láng ®ãng vai trß trùc tiÕp trong sù chuyÓn ®éng cña n­íc trong vßng tuÇn hoµn, gi¸ng thñy r¾n bao gåm chñ yÕu lµ tuyÕt tån t¹i trªn bÒ mÆt ®Êt trong mét kho¶ng thêi gian ®¸ng kÓ cho tíi khi nhiÖt ®é t¨ng ®ñ lín lµm nã tan ra. V× lÝ do nµy mµ gi¸ng thñy r¾n, ®Æc biÖt lµ tuyÕt, sÏ ®­îc tr×nh bµy riªng ë môc 2.7. M­a ®¸ lµ mét d¹ng gi¸ng thñy kh¸ ®Æc biÖt v× mÆc dï r¬i xuèng mÆt ®Êt d­íi d¹ng r¾n nh­ng nã th­êng tan nhanh trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nhiÖt ®é thóc ®Èy sù tan ch¶y do ®ã nã cã xu h­íng t¸c ®éng ®Õn chÕ ®é thñy v¨n nh­ mét trËn m­a nÆng h¹t. Mét sè d¹ng kh¸c cña gi¸ng thñy cã thÓ quan träng víi tõng khu vùc. VÝ dô, ë mét sè khu vùc nöa kh« h¹n, nguån Èm chÝnh lµ s­¬ng ®­îc t¹o thµnh khi kh«ng khÝ bÞ l¹nh ®i vÒ ®ªm. ë vïng ven biÓn hoÆc vïng nói, nh÷ng giät n­íc nhá trong nh÷ng ®¸m m©y thÊp hay s­¬ng mï cã thÓ ®äng l¹i trªn cá c©y vµ nh÷ng bÒ mÆt kh¸c. Trong thùc tÕ, mÆc dï kh«ng hoµn toµn ®óng nh­ng thuËt ng÷ “gi¸ng thñy” vµ “m­a” 25 th­êng ®­îc dïng tïy tiÖn vµ cã thÓ thay thÕ cho nhau trong bÊt kú hay tÊt c¶ c¸c d¹ng cña chóng. 2.1.1 H¬i n­íc Dï kh«ng khÝ cã kh« ®Õn ®©u ®i ch¨ng n÷a, nã còng lu«n chøa h¬i Èm d­íi d¹ng nh÷ng ph©n tö h¬i n­íc. Mét ph©n tö h¬i n­íc lµ mét ph©n tö khÝ ë d­íi “nhiÖt ®é tíi h¹n” vµ do ®ã dÔ dµng ng­ng tô hoÆc hãa láng khi cã mét sù thay ®æi t­¬ng ®èi nhá cña nhiÖt ®é hoÆc ¸p suÊt. L­îng h¬i n­íc trong kh«ng khÝ lu«n lu«n biÕn ®æi theo thêi gian vµ cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng søc tr­¬ng h¬i n­íc - ¸p suÊt riªng phÇn cña h¬i n­íc. §©y lµ mét phÇn rÊt nhá trong toµn bé ¸p suÊt kh«ng khÝ, th­êng b»ng 2.5 hPa trong khi ¸p suÊt khÝ quyÓn kho¶ng 985 hPa (Trenberth, 1992). Kh«ng khÝ cã thÓ gi÷ ®­îc mét l­îng tèi ®a h¬i n­íc tr­íc khi nã b·o hßa vµ l­îng h¬i n­íc nµy t¨ng theo quy luËt hµm logarit cïng víi sù t¨ng cña nhiÖt ®é. NhiÖt ®é kh«ng khÝ cµng cao th× nã cµng cã kh¶ n¨ng gi÷ ®­îc nhiÒu h¬i n­íc h¬n. Mét khi l­îng h¬i n­íc v­ît qu¸ giíi h¹n, ch¼ng h¹n b»ng c¸ch lµm l¹nh, th× sù ng­ng tô xuÊt hiÖn. NhiÖt ®é x¶y ra sù ng­ng tô gäi lµ “nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng”. §é b·o hßa cña kh«ng khÝ cã thÓ ®­îc biÓu diÔn b»ng “®é Èm t­¬ng ®èi” cña kh«ng khÝ (lµ tØ lÖ gi÷a ¸p suÊt h¬i n­íc thùc tÕ so víi ¸p suÊt h¬i n­íc b·o hßa). Do ¸p suÊt h¬i b·o hßa phô thuéc nhiÖt ®é nªn ®é Èm t­¬ng ®èi gi¶m khi nhiÖt ®é t¨ng vµ ng­îc l¹i, khi kh«ng khÝ l¹nh ®i th× ®é Èm t­¬ng ®èi t¨ng. ë ¸p suÊt h¬i d­íi ¸p suÊt h¬i b·o hßa, kh«ng khÝ ch­a b·o hßa vµ nÕu c¸c ®iÒu kiÖn phï hîp (xem ch­¬ng 4), nã cã thÓ hót thªm h¬i Èm tõ qu¸ tr×nh bay h¬i. L­îng h¬i Èm cña khÝ quyÓn, hay ®é Èm, cã thÓ ®o b»ng mét sè dông cô. Èm kÕ ®iÓm s­¬ng lÇn l­ît ®èt nãng råi lµm l¹nh mét chiÕc g­¬ng vµ ®o nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng b»ng c¸ch ghi l¹i sù thay ®æi n¨ng suÊt ph¸t x¹ cña bÒ mÆt g­¬ng do qu¸ tr×nh h×nh thµnh sù ng­ng tô. Èm biÓu gåm 2 nhiÖt kÕ, mét chiÕc ®o nhiÖt ®é kh«ng khÝ cßn chiÕc thø hai ®­îc gi÷ Èm b»ng mét miÕng v¶i nhóng trong mét cèc n­íc. BÇu Èm bÞ lµm l¹nh bëi n­íc bay h¬i (nªn cÇn Èn nhiÖt bay h¬i) vµ sù gi¶m nhiÖt ®é t­¬ng øng víi nhiÖt kÕ kh« cho biÕt møc ®é bèc h¬i, do ®ã cho biÕt sù kh« r¸o cña kh«ng khÝ. Tæng l­îng h¬i n­íc trong khÝ quyÓn chØ chiÕm mét phÇn nhá trong kho n­íc toµn cÇu. ë mét thêi ®iÓm x¸c ®Þnh, n­íc trong khÝ quyÓn chiÕm kh«ng qu¸ 0,001 % tæng l­îng n­íc trong lôc ®Þa, ®¹i d­¬ng vµ khÝ quyÓn (xem b¶ng 1.1), song l­îng n­íc nhá nµy l¹i lµ nguån cung cÊp mét nguån n­íc liªn tôc d­íi d¹ng gi¸ng thñy. H¬i n­íc trong khÝ quyÓn lªn tíi kho¶ng 25 mm n­íc láng trong kho¶ng thêi gian trung b×nh lµ 9 ngµy (cung cÊp mét l­îng m­a trung b×nh hµng n¨m kho¶ng 1000 mm trªn toµn cÇu). Con sè nµy kh«ng ®­îc thÓ hiÖn trªn h×nh 1.1. Mét phÇn l­îng n­íc bÞ mang lªn tÇng b×nh l­u n¬i chóng cã thÓ ë l¹i trªn 10 n¨m. ë mét th¸i cùc kh¸c, mét phÇn n­íc ®· bay h¬i vµo nh÷ng tÇng thÊp cña mét ®¸m m©y d«ng cã thÓ r¬i xuèng d­íi d¹ng gi¸ng thñy trong vßng 1 giê (Lamb, 1972). MÆt c¾t th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt cã ¶nh h­ëng ®Æc biÖt quan träng tíi gi¸ng thñy. Sù biÕn ®æi cña nhiÖt ®é theo ®é cao gäi lµ tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña m«i tr­êng – gradien nhiÖt ®é cña m«i tr­êng (ELR). Tèc ®é gi¶m th­êng lµ 6C/km nh­ng cã thÓ thay ®æi rÊt lín gi÷a c¸c khu vùc vµ theo thêi gian vµ ®iÒu nµy sÏ ¶nh h­ëng ®Õn sù ho¹t ®éng cña c¸c khèi khÝ theo mét c¬ chÕ n©ng lªn. Khi mét dßng khÝ ®i lªn, nã sÏ gi¶m ¸p suÊt vµ do ®ã në ra vµ l¹nh ®i. NÕu kh«ng cã sù x¸o trén th× 26 kh«ng cã sù trao ®æi nhiÖt gi÷a dßng kh«ng khÝ ®i lªn vµ m«i tr­êng xung quanh nã (qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt) – ®©y lµ mét gi¶ thiÕt cã lîi cho nhiÒu môc ®Ých, tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é kho¶ng 9,8C/km, gäi lµ gradien ®o¹n nhiÖt kh« (DALR). Tuy nhiªn, nÕu kh«ng khÝ ®ñ l¹nh ®Ó trë thµnh b·o hßa th× Èn nhiÖt cña qu¸ tr×nh bay h¬i sÏ ®­îc gi¶i phãng khi h¬i n­íc ng­ng tô t¹o thµnh c¸c giät n­íc. Èn nhiÖt gãp phÇn bï l¹i mét phÇn cña qu¸ tr×nh l¹nh ®i, kÕt qu¶ lµ dßng th¨ng l¹nh ®i víi tèc ®é chËm h¬n – gradien ®o¹n nhiÖt Èm (SALR). Gradien ®o¹n nhiÖt Èm nhá h¬n gradien ®o¹n nhiÖt kh« (th­êng b»ng kho¶ng 1/2) vµ tØ lÖ nghÞch víi nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt. Èn nhiÖt ®­îc gi¶i phãng v× thÕ t¨ng c­êng chuyÓn ®éng theo ph­¬ng th¼ng ®øng. NÕu mét dßng khÝ ®· b·o hßa cã nhiÖt ®é cao h¬n (vµ do ®ã nhÑ h¬n) kh«ng khÝ xung quanh vµ gradien nhiÖt ®é cña m«i tr­êng lín h¬n SALR (hoÆc DALR nÕu kh«ng khÝ ch­a b·o hßa), nã sÏ tiÕp tôc ®i lªn, khèi khÝ nµy ®­îc gäi lµ ë tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh. Cuèi cïng khèi khÝ ®¹t ®Õn ®iÓm mµ ë ®ã nã ®ñ l¹nh ®Ó t¹o thµnh m©y. §iÓm nµy gäi lµ “mùc ng­ng kÕt”. Sù thay ®æi ®Æc tÝnh cña khèi khÝ chuyÓn ®éng ®­îc biÓu diÔn trªn gi¶n ®å nhiÖt ®éng vµ sù æn ®Þnh cña chóng còng nh­ bÊt kú mùc ng­ng kÕt nµo còng cã thÓ ®­îc x¸c ®Þnh ( H×nh 2.1). H×nh 2.1 Gi¶n ®å nhiÖt ®éng biÓu thÞ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é theo ®é cao (gi¶m ¸p suÊt). NÕu mét phÇn tö khÝ ch­a b·o hßa ®i lªn vµ l¹nh ®i theo ®­êng DALR, tíi nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng nã trë thµnh b·o hßa vµ b¾t ®Çu x¶y ra sù ng­ng tô (t¹o thµnh m©y). NÕu phÇn tö khÝ tiÕp tôc ®i lªn nã sÏ tiÕp tôc bÞ l¹nh ®i theo ®­êng SALR. A = n¨ng l­îng cÇn cung cÊp ®Ó phÇn tö khÝ ®i lªn, B = n¨ng l­îng ®­îc gi¶i phãng tõ Èn nhiÖt 2.1.2 M©y M©y lµ tËp hîp cña nh÷ng h¹t n­íc nhá hoÆc tinh thÓ b¨ng l¬ löng trong khÝ quyÓn vµ tr«ng nh­ nh÷ng vËt thÓ tr«i l¬ löng mµu tr¾ng hoÆc x¸m. Nh÷ng ®¸m m©y riªng biÖt cã thÓ biÕn ®æi trong ph¹m vi tõ vµi chôc mÐt ®Õn hµng tr¨m kilomet. ë mét thêi ®iÓm bÊt kú, cã kho¶ng 1/2 bÒ mÆt Tr¸i ®Êt bÞ bao phñ bëi nh÷ng ®¸m m©y vµ chóng ¶nh h­ëng quan träng tíi c¸n c©n bøc x¹ (Salby, 1992). Do kh¶ n¨ng ph¶n x¹ lín hay albedo lín, m©y ph¶n x¹ ¸nh s¸ng mÆt trêi ®i tíi vµ ph¶n x¹ l¹i bøc x¹ tõ bÒ mÆt ®Êt gióp cho tr¸i ®Êt ®­îc Êm ¸p. §­êng kÝnh cña c¸c h¹t m©y th­êng n»m trong kho¶ng 1-100 m. L­îng n­íc trong mét ®¬n vÞ thÓ tÝch cña m©y cã thÓ biÕn thiªn rÊt lín, nh­ng gi¸ trÞ trung b×nh kho¶ng 0.1-0.2 gm-3 vµ gi¸ trÞ lín nhÊt theo lý A DALR ELR B SALR Ch©n m©y TrÇn m©y § é ca o X NhiÖt ®é kh«ng khÝ 27 thuyÕt kho¶ng 5 gm-3 (Pruppacher vµ Klett, 1997). M©y ®­îc h×nh thµnh khi kh«ng khÝ trë thµnh b·o hßa do sù bèc h¬i cña n­íc vµo kh«ng khÝ hoÆc phæ biÕn h¬n lµ do sù l¹nh ®i cña kh«ng khÝ khi chuyÓn ®éng lªn cao. C¸c giät n­íc ng­ng tô lªn trªn c¸c h¹t bôi khÝ ®ãng vai trß nh­ nh÷ng nh©n ng­ng kÕt. ë nhiÖt ®é d­íi nhiÖt ®é ®ãng b¨ng, c¸c ph©n tö h¬i n­íc cã thÓ ®­îc biÕn ®æi trùc tiÕp thµnh c¸c tinh thÓ b¨ng nhê qu¸ tr×nh th¨ng hoa. C¸c nh©n ng­ng kÕt cã ®­êng kÝnh kho¶ng tõ 10-4 ®Õn 1 m vµ cã nguån gèc rÊt ®a d¹ng. Chóng bao gåm khãi, bôi, phÊn hoa, nh÷ng ph©n tö muèi tõ bät n­íc biÓn b¾n lªn vµ cßn thªm c¸c h¹t bôi khÝ ®­îc t¹o ra tù nh÷ng ph¶n øng hãa häc nµo ®ã gi÷a h¬i n­íc, oxi, nit¬ vµ mét l­îng nhá c¸c khÝ (SO3, Cl, NH3, O3, NOx) (Preston-Whyte vµ Tyson, 1988). MÆc dï khèi khÝ cã thÓ ®ñ l¹nh ®Ó t¹o thµnh m©y nh­ng gi¸ng thñy sÏ kh«ng x¶y ra trõ phi ®¹t c¸c ®iÒu kiÖn thÝch hîp cho sù lín lªn cña c¸c giät n­íc hoÆc c¸c tinh thÓ b¨ng. VÉn cßn nhiÒu ®iÒu kh«ng ch¾c ch¾n vÒ c¸c chi tiÕt – vÝ dô sù lín lªn cña c¸c giät n­íc bëi sù ng­ng tô riªng lÎ lµ qu¸ thiÕu ®Ó gi¶i thÝch nguyªn nh©n xuÊt hiÖn c¸c giät m­a trong vßng mét vµi giê diÔn ra sù h×nh thµnh m©y. Chóng ta ®· biÕt r»ng trong c¸c ®¸m m©y Êm (nhiÖt ®é xung quanh lín h¬n nhiÖt ®é ®ãng b¨ng), nh÷ng c¬ chÕ chñ yÕu gióp cho sù lín lªn cña c¸c giät n­íc lµ sù va ch¹m vµ sù liªn kÕt. Trong c¸c ®¸m m©y l¹nh, c¸c tinh thÓ b¨ng lín lªn nhanh h¬n c¸c giät n­íc nhê vµo qu¸ tr×nh th¨ng hoa (h¬i n­íc ng­ng tô trùc tiÕp thµnh b¨ng lªn c¸c tinh thÓ b¨ng) – do søc tr­¬ng h¬i n­íc b·o hßa t¸c dông lªn b¨ng nhá h¬n lªn n­íc láng – vµ bëi sù va ch¹m, kÕt hîp cña c¸c tinh thÓ b¨ng. 2.2 Nh÷ng c¬ chÕ h×nh thµnh gi¸ng thñy Gi¸ng thñy x¶y ra khi mét khèi kh«ng khÝ Èm ®ñ l¹nh ®Ó trë thµnh b·o hßa vµ cã sù hiÖn diÖn cña nh©n ng­ng kÕt ®Ó t¹o thµnh c¸c giät n­íc hoÆc c¸c tinh thÓ b¨ng. C¸c qu¸ tr×nh nµy ®· ®­îc ®Ò cËp chi tiÕt trong nhiÒu tµi liÖu (vÝ dô Mason 1971; Pruppacher vµ Klett, 1997) vµ nh÷ng ®iÒu sau ®©y lµ mét sù tæng kÕt ng¾n gän. Kh«ng khÝ cã thÓ bÞ l¹nh ®i theo mét sè c¸ch, ch¼ng h¹n do sù gÆp nhau gi÷a nh÷ng khèi kh«ng khÝ cã nhiÖt ®é kh¸c nhau hay lµ do tiÕp xóc víi bÒ mÆt l¹nh vÝ dô mÆt ®Êt. Song c¬ chÕ l¹nh ®i quan träng nhÊt lµ do chuyÓn ®éng th¨ng cña kh«ng khÝ. Khi ®i lªn, ¸p suÊt cña kh«ng khÝ gi¶m, nã në ra vµ l¹nh ®i. Sù l¹nh ®i nµy lµm gi¶m kh¶ n¨ng gi÷ n­íc cña khèi khÝ cho tíi khi ®Õn nhiÖt ®é ®iÓm s­¬ng, khèi khÝ trë thµnh b·o hßa vµ sù ng­ng tô xuÊt hiÖn. V× ®Æc ®iÓm cña m©y (h×nh d¹ng, cÊu tróc, kiÓu, sù trong suèt) biÓu diÔn sù chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ nªn nh÷ng lo¹i m©y kh¸c nhau g¾n liÒn víi c¸c ®iÒu kiÖn thêi tiÕt kh¸c nhau. Mét sè m©y g¾n liÒn víi thêi tiÕt kh« r¸o hoÆc m­a nhá, trong khi sè kh¸c g¾n víi nh÷ng trËn m­a nÆng h¹t. H¬n n÷a trong nh÷ng hÖ thèng thêi tiÕt, th«ng th­êng cã mét sè lo¹i m©y cïng xuÊt hiÖn – ë nh÷ng ®é cao kh¸c nhau, thay ®æi theo thêi gian vµ ë nh÷ng vïng kh¸c nhau cña mét c¬n b·o. Nh÷ng th«ng tin nµy ®· ®­îc sö dông trong c«ng viÖc dù b¸o thêi tiÕt h¬n 2.000 n¨m (vÝ dô NIH, 1990). Sù ph©n lo¹i trùc quan ®­îc ph¸t triÓn bëi Luke Howard 200 n¨m tr­íc (m©y ti – xÕp thµnh sîi, m©y tÇng – xÕp thµnh tÊm, m©y tÝch – xÕp thµnh ®èng) ®· ®­îc kÕt hîp víi ®é cao cña m©y: tÇng thÊp (< 2.000 m), tÇng trung (2.000-6.000 m), vµ tÇng cao (>6.000 m) trong nh÷ng c¸ch ph©n lo¹i m©y hiÖn ®¹i nh­ Atlas m©y quèc tÕ (WMO – Tæ chøc khÝ t­îng thÕ giíi, 1975; MO – c¬ quan khÝ t­îng, 1982 ). 28 Nh÷ng ®¸m m©y tÇng thÊp cã thÓ ®­îc t¹o thµnh do sù l¹nh ®i cña líp kh«ng khÝ phÝa d­íi khi tiÕp xóc víi mÆt ®Öm l¹nh, t¹o thµnh “s­¬ng mï”. Sù h×nh thµnh nh÷ng ®¸m m©y kh«ng tù nã g©y ra gi¸ng thñy v× cÇn ph¶i cã mét c¬ chÕ cung cÊp nguån h¬i Èm ®i vµo. ChØ khi nµo nh÷ng giät n­íc hay nh÷ng tinh thÓ b¨ng lín lªn ®Õn mét cì nµo ®ã, chóng míi cã thÓ r¬i xuèng xuyªn qua nh÷ng dßng khÝ ®i lªn d­íi d¹ng gi¸ng thñy. Tïy thuéc vµo nhiÖt ®é, chóng cã thÓ r¬i xuèng d­íi ®Êt d­íi d¹ng m­a, m­a ®¸ hoÆc tuyÕt. V× dßng th¨ng lµ nguyªn nh©n chÝnh g©y ra sù l¹nh ®i cña kh«ng khÝ vµ gi¸ng thñy nªn 3 c¸ch ph©n lo¹i gi¸ng thñy sau ®©y theo nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ t­îng g©y ra chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña kh«ng khÝ (front/xo¸y, ®èi l­u vµ ®Þa h×nh) cã thÓ ®­îc sö dông nh­ mét c¸ch chung nhÊt. 2.2.1 Gi¸ng thñy front vµ gi¸ng thñy xo¸y ë ngoµi vïng nhiÖt ®íi, gi¸ng thñy th­êng lµ kÕt qu¶ cña nh÷ng hÖ thèng thêi tiÕt cã quy m« réng lín (cã chiÒu ngang >500 km), víi gi¸ng thñy xuÊt hiÖn däc theo nh÷ng ®íi chuyÓn tiÕp hÑp (hay nh÷ng front) gi÷a nh÷ng khèi khÝ còng nh­ g¾n liÒn víi hÖ thèng ¸p thÊp n¬i cã sù héi tô vµ ®i lªn cña kh«ng khÝ. HÖ thèng ¸p thÊp bao gåm nh÷ng khèi khÝ quay ng­îc chiÒu kim ®ång hå ë B¾c b¸n cÇu vµ cïng chiÒu kim ®ång hå ë Nam b¸n cÇu. Trong tr­êng hîp gi¸ng thñy front, khèi khÝ nãng Èm tr­ît lªn trªn nªm khèi khÝ l¹nh vµ nÆng h¬n. Qu¸ tr×nh nµy cã thÓ diÔn ra ë front nãng hoÆc front l¹nh vµ theo nh÷ng thuËt ng÷ kh¸i qu¸t, hai lo¹i front cã thÓ ®­îc ph©n biÖt dùa vµo lo¹i gi¸ng thñy mµ chóng sinh ra (H×nh 2.2). Front l¹nh th­êng cã bÒ mÆt front rÊt dèc lµm cho dßng kh«ng khÝ bèc nhanh lªn cao g©y ra m­a lín nh­ng thêi gian ng¾n. Ng­îc l¹i, mÆt front nãng Ýt dèc h¬n nhiÒu lµm cho dßng khÝ ®i lªn vµ l¹nh ®i tõ tõ g©y ra nh÷ng trËn m­a cã c­êng ®é nhá h¬n nh­ng l©u h¬n. Trªn kh¾p khu vùc T©y ©u, front nãng thÞnh hµnh vÒ mïa ®«ng khi giã T©y thæi qua §¹i T©y D­¬ng sang phÝa §«ng Êm h¬n kh«ng khÝ ë trong lôc ®Þa, trong khi ®ã vÒ mïa hÌ t×nh h×nh ng­îc l¹i, front l¹nh l¹i thÞnh hµnh h¬n. ë ngoµi vïng nhiÖt ®íi, nh÷ng hÖ thèng xo¸y thuËn lµ nguyªn nh©n cña hiÖn t­îng trêi ®Çy m©y bao phñ vµ g©y ra phÇn lín gi¸ng thñy. Chóng th­êng cã chuyÓn ®éng th¼ng ®øng t­¬ng ®èi yÕu cña kh«ng khÝ vµ g©y ra m­a cã c­êng ®é võa ph¶i trong thêi gian kh¸ dµi. ë vïng nhiÖt ®íi, do cã sù ®èt nãng rÊt lín nªn gi¸ng thñy cã c­êng ®é m¹nh h¬n vµ thêi gian ng¾n h¬n. 2.2.2 Gi¸ng thñy ®èi l­u M­a ®èi l­u sinh ra khi sù ®èt nãng bÒ mÆt ®Êt lµm kh«ng khÝ nãng lªn vµ xuÊt hiÖn nh÷ng dßng kh«ng khÝ chuyÓn ®éng m¹nh theo ph­¬ng th¼ng ®øng. NÕu khèi khÝ ë tr¹ng th¸i kh«ng æn ®Þnh vÒ nhiÖt (môc 2.1.1), nã sÏ tiÕp tôc chuyÓn ®éng lªn cao vµ kÕt qu¶ lµ bÞ l¹nh ®i, ng­ng tô vµ t¹o thµnh m©y g©y ra nh÷ng trËn m­a khu vùc cã c­êng ®é lín vµ thêi gian ng¾n. Lo¹i m­a nµy phô thuéc vµo nhiÖt vµ Èm cña kh«ng khÝ tõ tÇng d­íi vµ phæ biÕn ë khu vùc nhiÖt ®íi ®Æc biÖt lµ vµo mïa hÌ mÆc dï nã còng xuÊt hiÖn th­a thít ë nh÷ng khu vùc kh¸c. Trong khu vùc xo¸y thuËn nhiÖt ®íi, nh÷ng m©y cã thÓ h×nh thµnh nh÷ng d¶i xo¾n èc xung quanh t©m xo¸y sinh ra dßng th¨ng g©y m­a lín kÐo dµi trªn diÖn réng (Barry vµ Chorley, 1998). 29 H×nh 2.2 HÖ thèng b·o xo¸y thuËn ë B¾c b¸n cÇu cho thÊy sù xuÊt hiÖn cña nh÷ng front vµ g©y ra m­a ë nh÷ng vïng bªn trong lôc ®Þa Êm ¸p vµ biÓn nhiÖt ®íi, nh÷ng hÖ thèng ®èi l­u chuyÓn ®éng chËm ë gi÷a (hay gÇn t©m xo¸y) cã thÓ sinh ra mét l­îng m­a ®¸ng kÓ vµ lµ nguyªn nh©n cña sù t¨ng mét phÇn kh¸ lín l­îng m­a vµo mïa hÌ (Maddox, 1983). Nh÷ng hÖ thèng nµy gåm nh÷ng ®¸m m©y d«ng bao lÊy mét vïng rÊt réng tíi vµi ngh×n km2. Do kÝch th­íc rÊt réng vµ th­êng tån t¹i trong mét thêi gian dµi nªn chóng cã thÓ g©y ra lò lôt (Smith vµ Ward, 1998). Chóng hiÕm thÊy h¬n ë nh÷ng khu vùc gÇn biÓn, ®Æc biÖt lµ ë vïng vÜ ®é trung b×nh ch¼ng h¹n ë c¸c hßn ®¶o cña n­íc Anh chóng chØ xuÊt hiÖn mét n¨m mét lÇn. Tuy nhiªn ng­êi ta ®­a ra gi¶ thuyÕt r»ng nh÷ng hÖ thèng nh­ vËy cã thÓ lµ nguyªn nh©n g©y ra mét sè trËn lò trªn diÖn réng (vµ còng hiÕm thÊy nhÊt) tõng ®­îc ghi l¹i ë n­íc Anh (Austin v.v, 1995). 2.2.3 Gi¸ng thñy ®Þa h×nh M­a ®Þa h×nh sinh ra do chuyÓn ®éng ®i lªn cña khèi khÝ Èm khi gÆp vËt c¶n nh­ nh÷ng d·y nói hay nh÷ng hßn ®¶o gi÷a c¸c ®¹i d­¬ng t­¬ng tù nh­ khèi khÝ nãng bÞ tr­ît lªn trªn ë front l¹nh. Nã cã thÓ kh«ng cã kh¶ n¨ng sinh ra gi¸ng thñy gièng nh­ mét hÖ thèng ®èi l­u hay xo¸y thuËn nh­ng sù n©ng lªn cã thÓ g©y ra sù ®èi l­u kh«ng æn ®Þnh nguyªn nh©n chñ yÕu lµ do ®Þa h×nh. §iÓn h×nh lµ m­a r¬i nhiÒu h¬n ë s­ên ®ãn giã h¬n lµ s­ên khuÊt giã do khi khèi khÝ ®i xuèng, nhiÖt ®é cña nã t¨ng lªn, m©y tan ®i vµ m­a gi¶m. HiÖu øng nµy cã thÓ quan s¸t thÊy däc theo bê biÓn phÝa T©y cña khu vùc phÝa B¾c Scandinavi vµ ë vïng nói phÝa B¾c vµ phÝa T©y cña nh÷ng hßn ®¶o cña n­íc Anh. ë mét khu vùc h¬i nhá h¬n, thØnh tho¶ng ng­êi ta thÊy r»ng nh÷ng ¶nh h­ëng cña ®Þa h×nh cã thÓ ®Þnh h­íng giã, kÕt qu¶ lµ l­îng m­a lín nhÊt kh«ng ph¶i ë trªn ®Ønh ®åi mµ ë c¸ch ®ã mét kho¶ng theo h­íng giã (Chater vµ Sturman, 1998). C­êng ®é cña m­a ®Þa h×nh cã xu h­íng t¨ng theo ®é dµy cña líp kh«ng khÝ 30 Èm ®­îc n©ng lªn. Sù t¨ng th¼ng ®øng cña gi¸ng thñy ®ang ®­îc nghiªn cøu ®Ó t×m ra tèc ®é vµ h­íng giã b»ng rada thêi tiÕt vµ nh÷ng b¶n ®å ®­îc vÏ cho n­íc Anh chØ ra l­îng gi¸ng thñy t¨ng lªn theo ®é cao. Tuy nhiªn l­îng gi¸ng thñy chØ t¨ng ®Õn mét ®é cao nµo ®ã th× kh«ng t¨ng n÷a (Browning vµ Hill, 1981). 2.3 Ph©n bè kh«ng gian chung cña gi¸ng thñy Trong nh÷ng trËn b·o lín, l­îng gi¸ng thñy cã thÓ lín h¬n vµi lÇn l­îng n­íc trung b×nh trong mét cét kh«ng khÝ (mÆc dï trong thùc tÕ, nã cã thÓ kh«ng bao giê m­a xuèng hÕt ngay c¶ trong nh÷ng trËn b·o lín nhÊt) cho thÊy r»ng nh÷ng dßng kh«ng khÝ Èm ®i vµo quy m« lín ph¶i ®ãng mét vai trß then chèt ®èi víi sù ph©n bè cña gi¸ng thñy. Nh÷ng sù biÕn ®æi lín cña l­îng gi¸ng thñy c¶ theo kh«ng gian vµ thêi gian cã tÇm quan träng ®¸ng kÓ ®èi víi nh÷ng nhµ thñy v¨n häc. ThÝ dô: cã mét sù t­¬ng ph¶n lín gi÷a mét sè sa m¹c kh« h¹n nhÊt trªn thÕ giíi (kho¶ng 20 n¨m míi cã mét trËn m­a) víi nh÷ng khu vùc m­a lín ch¼ng h¹n nh­ Bahia Felix ë Chile (trung b×nh mét n¨m cã 325 ngµy m­a) (van der Leeden v.v, 1990). L­îng gi¸ng thñy trung b×nh hµng n¨m trªn lôc ®Þa kho¶ng 720 mm tr¸i ng­îc h¼n víi nh÷ng khu vùc nh­ nói Waialeale ë ®¶o Hawai n¬i nhËn ®­îc l­îng m­a hµng n¨m kho¶ng 12.000 mm hay vïng Cherrapunji ë Assam, Ên §é n¬i cã n¨m ®· tõng ghi l¹i ®­îc l­îng m­a tíi trªn 26.400 mm vµ 3.720 mm m­a trong thêi ®o¹n 4 ngµy (Dhar vµ Nandargi, 1996). C­êng ®é cña nh÷ng trËn m­a lµm næi bËt vai trß quyÕt ®Þnh cña nh÷ng chuyÓn ®éng quy m« lín theo ph­¬ng th¼ng ®øng vµ theo ph­¬ng ngang trong khÝ quyÓn trong viÖc chuyÓn dÞch nh÷ng khèi khÝ Èm réng lín tõ nh÷ng n¬i cã sù bèc h¬i m¹nh tíi nh÷ng n¬i cã gi¸ng thñy lín. Kh¶ n¨ng di chuyÓn rÊt lín cña khÝ quyÓn cã nghÜa lµ nh÷ng nguån cung cÊp h¬i n­íc cã thÓ c¸ch hµng tr¨m hoÆc hµng ngh×n km tíi khu vùc mµ t¹i ®ã cã gi¸ng thñy. Do ®ã, sÏ v« cïng khã ®Ó t×m mét sù liªn hÖ gi÷a nh÷ng thay ®æi sö dông ®Êt víi nh÷ng thay ®æi cña gi¸ng thñy. Theo thèng kª chØ cã kho¶ng 10% l­îng gi¸ng thñy trªn toµn lôc ®Þa ¸-©u ®­îc r¬i xuèng ®Þa ®iÓm cã nguån gèc tõ qu¸ tr×nh bèc h¬i bÒ mÆt ®Êt trong lôc ®Þa (Brubaker v.v, 1993), 90% cßn l¹i ®­îc ®­a ®Õn tõ nh÷ng khu vùc xung quanh. Trong khi ho¹t ®éng vµ cÊu tróc cña nh÷ng c¬n b·o riªng lÎ lµ phøc t¹p vµ hay thay ®æi trong thêi gian ng¾n th× nh÷ng cÊu tróc vïng lín cña gi¸ng thñy l¹i tån t¹i trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian dµi. §©y lµ ®iÓm kh¸c biÖt chñ yÕu gi÷a “thêi tiÕt” (tr¹ng th¸i hµng ngµy cña khÝ quyÓn) vµ “khÝ hËu” (qu¸ tr×nh diÔn biÕn trung b×nh cña thêi tiÕt). 2.3.1 Ph©n bè gi¸ng thñy toµn cÇu L­îng h¬i n­íc trung b×nh trong khÝ quyÓn ®­îc biÓu diÔn b»ng mét l­îng gi¸ng thñy t­¬ng ®­¬ng kho¶ng 25 mm. Nh÷ng gi¸ trÞ gi¶m dÇn cã hÖ thèng tõ xÝch ®¹o vÒ cùc vµ còng thay ®æi theo mïa (t¨ng vÒ mïa hÌ do cã sù ®èt nãng vµ bèc h¬i m¹nh h¬n). Sù ph©n bè toµn diÖn cña l­îng Èm trong khÝ quyÓn trªn toµn Tr¸i ®Êt liªn quan kh¸ chÆt chÏ víi cÊu tróc cña khu vùc bèc h¬i vµ sù vËn chuyÓn cña giã (Peixoto vµ Oort, 1992). MÆt kh¸c, ph©n bè cña gi¸ng thñy toµn cÇu lµ kh¸ khã hiÓu ®­îc v× nã phô thuéc vµo c¸c qu¸ tr×nh g©y ra gi¸ng thñy, nãi chung lµ mét chuyÓn 31 ®éng th¼ng ®øng trong khÝ quyÓn lµm xuÊt hiÖn sù ng­ng tô do nhiÒu nguyªn nh©n g©y ra. Jaeger (1983) ®· ®­a ra tæng kÕt vÒ lÞch sö ph¸t triÓn cña gi¸ng thñy toµn cÇu th«ng qua c¸c b¶n ®å vµ nh÷ng ®¸nh gi¸ c©n b»ng n­íc toµn cÇu. Theo nh÷ng thuËt ng÷ kh¸i qu¸t, nh÷ng c¬n m­a lín nhÊt xuÊt hiÖn ë khu vùc xÝch ®¹o, n¬i l­îng gi¸ng thñy hµng n¨m cã thÓ v­ît qu¸ 3.000 mm, g¾n liÒn víi sù héi tô cña nh÷ng hÖ thèng giã mËu dÞch vµ khÝ hËu giã mïa. L­îng Èm lín vµ nhiÖt ®é Êm ¸p dÉn ®Õn l­îng m­a ®èi l­u phong phó. Nh÷ng vïng cã l­îng m­a thÊp nhÊt (th­êng nhá h¬n 200 mm/n¨m) lµ nh÷ng vïng cùc vÜ ®é cao (a) (do cã chuyÓn ®éng gi¸ng cña c¸c khèi khÝ vµ l­îng n­íc nhá trong nh÷ng khèi khÝ rÊt l¹nh) vµ ë vïng cËn nhiÖt ®íi (b) n¬i tån t¹i rÊt nhiÒu sa m¹c réng lín nhÊt trªn thÕ giíi, cã nh÷ng ¸p cao lµm t¨ng c¸c dßng kh«ng khÝ kh« chuyÓn ®éng gi¸ng xuèng d­íi. ë vïng vÜ ®é trung b×nh (40-65) xuÊt hiÖn mét cùc ®¹i phô cña gi¸ng thñy do sù xuÊt hiÖn cña c¸c front cùc vµ g¾n víi nh÷ng chuyÓn ®éng xo¸y nhiÔu lo¹n. CÊu tróc chung c¬ b¶n nµy bÞ thay ®æi bëi mét sè nh÷ng nh©n tè bao gåm nh÷ng biÕn ®æi ®ét ngét vµ ngÉu nhiªn trong vßng hoµn l­u cña khÝ quyÓn toµn cÇu. Sù bèc h¬i tõ bÒ mÆt c¸c biÓn (®Æc biÖt lµ biÓn cËn nhiÖt ®íi) lµ nguån Èm chñ yÕu cña khÝ quyÓn; sù bèc h¬i tõ trong c¸c lôc ®Þa chØ cung cÊp mét phÇn nhá cña gi¸ng thñy trªn ®Êt liÒn (xem b¶ng 1.1). KÕt qu¶ lµ gi¸ng thñy cã xu h­íng gi¶m cïng víi kho¶ng c¸ch tíi biÓn (®­a ®Õn nh÷ng vïng cã l­îng m­a v« cïng thÊp gÇn nh÷ng trung t©m cña lôc ®Þa xa biÓn). ë nh÷ng vïng ven biÓn, gi¸ng thñy trªn ®Êt liÒn th­êng lín h¬n gi¸ng thñy ë gÇn biÓn do sù x¸o trén c¬ häc vµ nhiÖt rÊt lín cña kh«ng khÝ. Nh÷ng d·y nói cã xu h­íng lµm t¨ng l­îng gi¸ng thñy, ®Æc biÖt lµ ë nh÷ng vïng cã nh÷ng chuyÓn ®éng thÞnh hµnh cña kh«ng khÝ tõ biÓn vµo. 2.3.2 Gi¸ng thñy vïng Khi nghiªn cøu chi tiÕt c¸c vïng nh­ MÜ, Ch©u ©u hay Anh quèc, ®Þa h×nh cã ¶nh h­ëng râ rµng h¬n nhiÒu (¶nh h­ëng lín ®Õn l­îng gi¸ng thñy n¨m mµ Ýt ¶nh h­ëng ®Õn ph©n phèi gi¸ng thñy theo mïa). Ph©n bè gi¸ng thñy cña ch©u ©u (h×nh 2.3 vµ h×nh 2.4) chÞu ¶nh h­ëng m¹nh mÏ cña ®¹i d­¬ng réng lín ë phÝa T©y, sù ph©n bè cña nói vµ h­íng chiÕm ­u thÕ cña nh÷ng c¬n giã mang theo m­a (tõ phÝa T©y). Kh«ng khÝ Èm tõ §¹i t©y d­¬ng ®­a ®Õn l­îng gi¸ng thñy lín nhÊt (trªn 1.000 mm/n¨m) ë nh÷ng bê biÓn phÝa T©y vµ nh÷ng d·y nói bao gåm nh÷ng phÝa T©y cña n­íc Anh, Na Uy, b¸n ®¶o Iberia, d·y Pyrenees, Italia, bê biÓn Dalmatian cña nh÷ng ngän nói vïng Balkan vµ d·y Alp¬. L­îng gi¸ng thñy thÊp nhÊt (d­íi 500 mm/n¨m) r¬i vµo nh÷ng khu vùc phÝa Nam vµ phÝa §«ng ë s­ên khuÊt giã cña nh÷ng d·y nói ch¾n giã nh­ Thôy §iÓn vµ PhÇn Lan theo h­íng giã cña d·y Scandinavi, miÒn Trung vµ §«ng Nam T©y Ban Nha, §«ng B¾c Italia vµ phÝa §«ng Hy L¹p. Nh÷ng vïng ®Êt thÊp phÝa T©y vµ Trung ch©u ©u th­êng cã l­îng gi¸ng thñy kh¸ b»ng nhau kho¶ng 500-750 mm/n¨m. VÒ mïa ®«ng, cã mét cùc ®¹i gi¸ng thñy ë nh÷ng bê biÓn phÝa T©y (n­íc Anh, Na Uy, T©y B¾c n­íc Ph¸p) vµ khu vùc §Þa Trung H¶i (b¸n ®¶o Iberia, Italia vµ Hy L¹p) vµ vÒ mïa hÌ, cã mét cùc ®¹i gi¸ng thñy ë phÇn lín c¸c khu vùc thuéc Trung ¢u do sù ®èt nãng vµ sù t¨ng c­êng chuyÓn ®éng ®èi l­u. KhÝ hËu ch©u ©u ®­îc m« t¶ ®Çy ®ñ trong nhiÒu tµi liÖu ch¼ng h¹n Wallen (1970) vµ Martyn (1992). 32 H×nh 2.3 Ph©n bè ®¬n gi¶n l­îng gi¸ng thñy trung b×nh hµng n¨m cña ch©u ©u (mm) 2.4 §o ®¹c gi¸ng thñy Tr­íc khi nghiªn cøu chi tiÕt sù biÕn ®æi cña m­a theo kh«ng gian vµ thêi gian cïng nh÷ng ph­¬ng ph¸p ph©n tÝch ®Æc ®iÓm c­êng ®é vµ tÇn suÊt m­a, ®©y lµ lóc thÝch hîp ®Ó xem xÐt l¹i nh÷ng dông cô kh¸c nhau phôc vô cho viÖc ®o ®¹c, ghi l¹i sè liÖu gi¸ng thñy vµ th¶o luËn vÒ mét sè vÊn ®Ò vµ h¹n chÕ cña chóng. Trong rÊt nhiÒu lo¹i gi¸ng thñy kh¸c nhau (m­a, m­a ®¸, tuyÕt v.v...) chØ cã l­îng m­a lµ cã thÓ ®o ®¹c ®­îc mét c¸ch réng kh¾p, kh¸ chÝnh x¸c dï ë bÊt kú møc ®é nµo. V× lÝ do nµy mµ nh÷ng môc sau ®©y chñ yÕu ®Ò cËp ®Õn l­îng m­a. Nh÷ng ph­¬ng ph¸p riªng ®o ®¹c m­a tuyÕt ®­îc ®Ò cËp trong mét môc riªng. §o ®¹c gi¸ng thñy gåm hai khÝa c¹nh: ®Çu tiªn, ®o ®¹c l­îng m­a ®iÓm ë mét m¸y ®o vµ thø hai sö dông c¸c gi¸ trÞ thu ®­îc ë c¸c m¸y ®o ®Ó ®¸nh gi¸ m­a diÖn.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfpages_from_nguyen_ly_thuy_van_3_2736.pdf