KHÍ HẬU HỌC
Phan Văn Tân



Giới thiệu mô học
 Thời lượng: 3 TC = 45 tiết TC
 Lý thuyết
 Bài tập
 Tài liệu tham khảo:
 Khí hậu vật lý tồn cầu (Global Physical Climatology), Dennis
L. Hartmann: Ch1 – Ch7
 Nguyên lý khí hậu học – Tập 1, Yêu Trẩm Sinh (Bản dịch
tiếng Việt)
 Bài giảng và bài tập: />

Nội dung chương trình
1. Giới thiệu về hệ thống khí hậu

2. Cân bằng năng lượng toàn cầu
3. Bức xạ và khí hậu
4. Cân bằng năng lượng bề mặt
5. Chu trình nước
6. Hồn lưu khí quyển và khí hậu

7. Hồn lưu chung đại dương và khí hậu


KHÍ HẬU HỌC
Chương 1. Giới thiệu về hệ thống
khí hậu

1.1 Mở đầu
Những câu hỏi thơng thường
 Khí hậu là gì? Thời tiết là gì?
 Khí hậu khác với thời tiết như thế nào?
 Khí hậu và thời tiết có liên hệ với nhau như thế nào?
 Cái gì chi phối khí hậu?
 Khí hậu có biến đổi khơng?
 Có thể dự báo được khí hậu khơng?
 ….


Căn nguyên của vấn đề
Trái đất hấp thụ năng lượng bức
xạ mặt trời, nóng lên và phát xạ
vào khơng trung

Mặt trời phát xạ năng lượng
bức xạ xuống Trái đất

Năng lượng đến = Năng lượng đi
S (1   ) R2  4 R2 T 4 T  18o C


 Từ phương trình cân bằng (mơ hình 0-D):
 Nhiệt độ trung bình tồn cầu T ≈ -18C

 Nhưng nhiệt độ quan trắc được: T ~ 15C


 Chênh lệch: ~33C !!!

Có gì thiếu sót?
 Chưa tính đến:
 Cấu trúc thẳng đứng của khí quyển:
 Hiệu ứng nhà kính
 Tích lũy và vận chuyển năng lượng
 Hồn lưu khí quyển và đại dương


Cấu trúc thẳng đứng là yếu tố quyết định
 Trái đất rất lớn, cịn lớp Khí quyển của nó thì

rất mỏng, và hầu hết Khí quyển nằm gần bề
mặt Trái đất
 Khoảng 15% nằm phía dưới chân chúng ta
 Nếu ta đang ở Hà Nội thì ta gần khoảng khơng vũ

trụ hơn là đi đến Hải Phòng!

 Sự biến đổi của nhiệt độ khí quyển theo độ cao

là nguyên nhân của “Hiệu ứng nhà kính”
 Hiệu ứng nhà kính giữ cho chúng ta khỏi bị
chết vì lạnh giá


Cấu trúc nhiệt thẳng đứng
 Bị đốt nóng từ phía


dưới do các dịng ẩn
nhiệt và hiển nhiệt
 Bị đốt nóng trong
tầng bình lưu do
ozone hấp thụ bức xạ
cực tím
 Bị đốt nóng trong
tầng nhiệt quyển do
bức xạ mặt trời làm
phân ly các phân tử
Oxy, Nitơ,...


Vai trị của hồn lưu
 Đốt nóng bức xạ mặt trời lớn hơn làm lạnh sóng dài

ở Nhiệt đới: Năng lượng tích lũy ở đó, cả trong khí
quyển và đại dương
 Làm lạnh sóng dài lớn hơn đốt nóng bức xạ mặt
trời ở Các cực: Năng lượng bị mất đi ở đó do bức
xạ nhiệt vào khơng gian vũ trụ
 “Cơng việc” của khí quyển và đại dương là vận
chuyển năng lượng từ nơi nó tích lũy đến nơi nó có
thể bị mất (vận chuyển hướng cực và vận chuyển đi
lên)
 Công việc này bị cản trở bởi lực Coriolis


Năng lượng được vận chuyển như thế nào?


 Vận chuyển của cả khí quyển và đại dương là

quyết định
 Đối lưu do lực nổi tạo ra vận chuyển thẳng đứng
 Ẩn nhiệt cũng quan trọng như hiển nhiệt


Hồn lưu khí quyển
 Khơng khí nóng đi lên (mưa nhiều) ở các vùng

nhiệt đới
 Khơng khí bị lạnh đi và chìm xuống ở các vùng
cận nhiệt đới (các vùng sa mạc)
 Dòng hướng cực bị lệch đi do lực Coriolis và hịa
vào dịng xiết gió tây ở ơn đới
 Dịng xiết là hệ thống khơng ổn định, nên khi có
xáo trộn nhỏ sẽ dẫn đến phát sinh những xốy
khổng lồ (bão và front), và như vậy kết thúc công
việc vận chuyển của khí quyển



Khái niệm về thời tiết và khí hậu (1)
 Thời tiết là trạng thái tức thời của khí quyển ở một địa

điểm cụ thể, được đặc trưng bởi các đại lượng đo được,
như nhiệt độ, độ ẩm, gió, lượng mưa,… hoặc các hiện
tượng quan trắc được, như sương mù, dông, mưa,
nắng,…
 Ví dụ:

 “Hơm qua mưa rất to ở Hà Nội”
 “Ngày mai trời sẽ trở rét, ở các vùng núi phía bắc nhiệt độ có

thể xuống dưới 5oC”
 …


Khái niệm về thời tiết và khí hậu (2)
 Khí hậu là sự tổng hợp của thời tiết, được đặc trưng bởi

các giá trị trung bình thống kê và các cực trị đo được
hoặc quan trắc được của các yếu tố và hiện tượng thời tiết
trong một khoảng thời gian đủ dài, thường là hàng chục
năm
 Ví dụ:
 “Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với miền Bắc có mùa

đơng lạnh”
 “Một đặc điểm quan trọng của khí hậu khu vực Hà Nội là sự
tương phản sâu sắc về nhiệt độ giữa mùa nóng và mùa lạnh:
về mùa nóng nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất là 29,0 độ
C, cao nhất có thể lên tới trên 42,0 độ C, trong khi nhiệt độ
trung bình tháng lạnh nhất là 16,6 độ C, thấp nhất có thể
xuống tới dưới 3,0 độ C”


Khí hậu khác với Thời tiết
 “Khí hậu là cái mà ta mong đợi ..., thời tiết là cái mà ta

nhận được!”

 Khí hậu là một cái “vỏ bọc chứa mọi khả năng” mà

bên trong đó thời tiết có thể xảy ra
 Khí hậu tự nó được xác định bởi các thuộc tính của

hệ thống Trái đất (các điều kiện biên), trong khi thời
tiết lại phụ thuộc mạnh mẽ vào sự tiến triển của hệ

thống từ thời điểm này đến thời điểm tiếp theo


Khí hậu khác với thời tiết
 Ta có thể nói thời tiết tại một thời điểm (ví dụ, bây giờ trời







đang mưa), của một ngày (ví dụ, hơm qua sương mù dày
đặc), của tuần, thậm chí của một hoặc vài năm (ví dụ, thời
tiết năm nay có nhiều sự kiện bất thường hơn năm ngối),
Nhưng ta khơng thể nói khí hậu của một ngày, một tháng
hoặc một năm nào đó. Chẳng hạn, có thể nói thời tiết năm
2010 nhưng khơng thể nói khí hậu năm 2010!
Thời tiết biến đổi liên tục từ nơi này đến nơi khác, từ thời
điểm này đến thời điểm khác
Khí hậu có tính ổn định tương đối
Qui mô không gian, thời gian và các dạng thời tiết, khí hậu



Khả năng dự báo
 Dự báo thời tiết chỉ có thể dùng được trong vài

ngày, cùng lắm là một tuần
 Dự báo thời tiết bị hạn chế bởi sự tinh xảo của
mơ hình và khơng thể phù hợp hồn tồn với
quan trắc, nhưng ngay cả khi mơ hình đạt
được độ tinh xảo và kết quả dự báo phù hợp
với quan trắc thì giới hạn của khả năng dự
báo cũng chỉ khoảng 2 tuần
 Giới hạn này là một thuộc tính của chính khí
quyển, chứ khơng phải do chúng ta thiếu khả
năng!


Những hạn chế của khả năng dự báo
 Các phương trình động lực học mơ tả chuyển







động khí quyển và đại dương là những phương
trình phi tuyến
Điều đó làm cho chúng phụ thuộc rất mạnh vào
các điều kiện ban đầu

Những sai số trong điều kiện ban đầu, bất kể giá
trị của chúng như thế nào hoặc qui mô không
gian nhỏ ra sao, đều bị khuếch đại và lan truyền
đến qui mơ khơng gian lớn hơn một cách nhanh
chóng
Do đó, sẽ không bao giờ dự báo được thời tiết
trước một tháng
Nhưng dựa trên qui luật thống kê ta lại có thể
đưa ra dự báo với một độ tin cậy nào đó


Qui mơ thời gian có thể dự báo được
 Xốy lớp biên:

10 phút

 Mây vũ tích (Cumulonimbus):

1 giờ

 Xốy thuận vĩ độ trung bình:

3 ngày

 Sóng dừng qui mơ lớn:

10 ngày

 El Nino:


100 ngày

 Hoàn lưu dưới sâu đại dương:

50 năm(?)


Dự báo hạn dài
 Không thể dự báo được thời tiết ở Hà Nội vào

một ngày cụ thể trong tháng 12 (Mưa? Rét?
+10C? +20C?)
 Nhưng có thể “dự báo” với độ tin cậy chắc chắn
rằng –5 C < Tmax < +35 C, hoặc thậm chí có thể
nói nó sẽ thấp hơn hôm nay
 Tại sao?
 Điều kiện biên!
 Hằng số mặt trời

 Thành phần khí quyển
 Độ nghiêng của trục Trái đất, vĩ độ của Hà Nội,...


Các thành phần khí hậu biến đổi chậm khác với
những thành phần biến đổi nhanh
 Một số bộ phận của hệ thống Trái đất phản ứng lại

đối với những biến đổi bên ngồi chậm hơn so với
khí quyển (ví dụ nhiệt độ biển, độ ẩm đất)
 Những quá trình chậm chạp như vậy tạo ra cái gọi là


“bộ nhớ khí hậu” (the climate “memory”)
 Nếu biết được những quá trình chi phối các q trình

“chậm chạp” này thì có thể dự báo được chúng


1.2 Hệ thống khí hậu
 Khí quyển là một hệ thuỷ nhiệt động lực  được đặc

trưng bởi những hợp phần của nó, trạng thái nhiệt động
(đặc trưng bởi các biến nhiệt động lực), và trạng thái cơ
học (tính chất chuyển động) của nó
 Trạng thái của khí quyển được đặc trưng bởi các biến
như mây, mưa, lượng nhập nhiệt,...
 Thời tiết liên quan đến trạng thái tức thời của khí quyển
và sự biến tính hàng ngày của các hệ thống synơp riêng
biệt.
 Khí hậu là trạng thái thời tiết trung bình, được tổng hợp
lại từ các yếu tố hợp thành nó thơng qua một vài giới hạn
có thể biến đổi được và từ những thông tin về sự xuất
hiện các sự kiện cực trị


 Hai yếu tố quan trọng nhất của khí hậu là nhiệt độ và

mưa
 Các biến khí quyển đặc trưng cho thời tiết đồng thời
cũng là những biến đặc trưng cho khí hậu
 Sự khác biệt: Khí hậu bỏ qua những dao động chi

tiết hàng ngày của trạng thái khí quyển, và thay vào
đó là những đặc trưng thống kê được xác định từ
việc xem xét toàn bộ hoặc một chuỗi các trạng thái
tức thời
 Các định luật bảo toàn thuỷ nhiệt động lực đối với
khối lượng, động lượng và năng lượng, là cơ sở vật
lý cho việc nghiên cứu những tính chất tức thời của
khí quyển, tức là thời tiết, đều có thể được ứng dụng
cho việc nghiên cứu vật lý của khí hậu


 Hệ thống khí hậu (S) bao







gồm 5 hệ con là A, H, C, B,L
S=AH C B L
Các hệ con rất khác nhau về
thành phần cấu tạo, thuộc
tính vật lý, cấu trúc và tính
chất của chúng,
Chúng liên kết với nhau bởi
các dòng khối lượng, dòng
năng lượng và động lượng,
tạo nên một hệ thống rộng
lớn gọi là hệ thống khí hậu.

Hệ thống khí hậu (S) cực kỳ
phức tạp do những mối tương
tác phi tuyến giữa các thành
phần của nó