chương 2 Giáng thủy

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.