1. فصل سوم هیدرولوژی و هواشناسی
هیدرولوژی عمومی
فصل سوم
هیدرولوژی و هواشناسی

2. کلیات
قسمت عمده ای از چرخه هیدرولوژی در جو انجام میگیرد. باید جو و عناصراثر گذار آن بر چرخه هیدرولوژی را بشناسیم .
از جمله این عناصر
دما Temperature
رطوبت Humidity
فشار هوا Air pressure
باد Wind
مقدار بارندگی Precipitation

3. جو زمین ترکیب جو هوا مخلوطی از گازهای مختلف است.
تا ارتفاع 60 کیلومتری ترکیب جو تقریبا ثابت است (بجز درصد بخار آب)
99 درصد ترکیب جو نیتروژن و اکسیژن است
بیشترین مقدار بخار در مجاورت زمین است و بتدریج بخار آب جو نسبت به ارتفاع کم میشود.
( که دلیل آن وجود اقیانوس ها و سرد تر بودن لایه های بالاتر جوی است)
جو حاوی ذرات غبار و جامد و مایع نیز هست

4. ارتفاع و ساختار جو جو: پوشش گازی است که اطراف زمین را فرا گرفته است
با افزایش ارتفاع غلظت آن کاهش می یابد
50% وزنی جو تا ارتفاع 5.5 کیلومتری است و 25% تا ارتفاع 5.5 کیلومتری بعدی است ( که دلیل آن جاذبه و افزایش فشار است.)
در شکل مقابل Thermal Stratification را مشاهده میکنید
تغییرات دما ، فشار و چگالی نشان داده شده است.
در تروپوسفر کاهش دما نسبت به ارتفاع داریم
ترموسفر تا 190 کیلومتری و بطور مطلق تا هزارن کیلومتر ادامه دارد
ترکیب گازها تا 70 کیلومتری ثابت است (Homosphere). , و بالا تر از آن Heterosphere است .
لایه ازون نیز در قسمت بالایی استراتوسفر است

5. عناصر هواشناسی
مقیاسهای دماسنجی :
دمای هوا: دما نمایه ای از گرماست. دما در سطح کره زمین متفاوت است . چرا؟
دما با اندازه گیری میشود که اساس کار آن به .... است.
دماسنج ماکزیمم و مینیمم چیست؟ برای ثبت بالاترین یا پایین ترین دما در دوره ای معیین هستند.
دما نگار برای ثبت پیوسته دما بکار میرود.

6. تغییرات روزانه و فصلی دما
تغییرات روزانه دما:
ثبت دما نگار زیر نشان میدهد که تغییرات روزانه دما دوره ای است. بطوریکه حداکثر دما در ... وحداقل آن در ... از روز است.
در طول شب واتابی سطح زمین و سرد شدن
تغییرات فصلی دما :
روی خشکی ها حد اکثر دما تقریبا دو ماه بعد از وقوع انقلاب تابستانی (اول تیرماه)
و حداقل دما تقریبا دو ماه بعد از ...
در مناطق نزدیک دریا اختلاف حداکثر و حداقل دما کمتر است

7. تغییرات افقی دما مهمترین عامل تغییر دما عر ض جغرافیایی است.
عامل دوم وجود خشکی ها و دریا ها ست
خشکی ها نوسانات دمای بیشتر از دریا ها دارند. چرا؟
جریان های دمای ایجاد نوسان در توزیع دما میکنند.
مثل پدیده ال نینو که در اثر وجود جریان های گرم اقیانوسی دراقیانوس آرام است .
تغییرات افقی دما
مهمترین عامل تغییر دما عر ض جغرافیایی است.
در قطب ها کمترین زاویه تابش و کمترین دما وجود دارد
در استوا تابش جذب شده به زمین بیش از تابش خروجی از سطح زمین است و در قطب ها بر عکس میباشد
چرا استوا سال به سال گرمتر نمیشود؟
خطوط همدما: Isotherms
اگر جنس زمین یکسان بود، این خطوط منطبق بر ... بودند
توزیع منظم مکانی و زمانی ندارند

8. تغییرات قائم دما مهمترین عوامل کاهش دما با افزایش ارتفاع
1- سرد شدن سریعتر هوا ی مجاورسطح زمین نسبت به هوای مرتفع تر
2- عبور هوای گرم از روی زمین سرد
3- گرم شدن هوا در اثر پایین آمدن آن
منحنی ب سرد شدن سطح زمین در اثر تابش سطح زمین و سرد شدن سریع آن
منحنی ج عبور یک توده هوای گرم از ارتفاع خاص
تغییرات قائم دما
مهمترین عوامل کاهش دما با افزایش ارتفاع
1- منبع گرما سطح زمین است
2-بخار آب با افزایش ارتفاع کم میشود. و گرمای ذخیره شده در جو کم میشود.
3-هوا در اثر صعود و کاهش فشار منبسط و سرد میشود.
آهنگ کاهش دما با ارتفاع Lapse rate (افت آهنگ در حالتی که هوا ساکن باشد) متغییر است.
بطور متوسط نرخ آن -6.5 در جه در هر کیلومتر است
وارونگی (inversion) دما:
دما بطور موضعی با افزایش ارتفاع افزایش یابد
علل آن: 75

9. تغییرات قائم دما تغییرات بی در رو
برای هوای خشک Dry adiabatic lapse rate DALR برابر با 10 درجه بر هر کیلومتر و برای هوای اشباع
Saturated ALR یا
Pseudo ALR درجه در هر کیلومتراست (علت آن چیست؟)
صعود ابر ها با کدام Lapse rate است؟
تغییرات بی در رو
در حالتی است که هوا دارای حرکات عمودی رو به بالا و یا رو به پایین باشد ولی بخش اصلی جو ساکن باشد.
در اثر صعود هوا منبسط میشود و انرژی لازم برای انبساط خود را از بیرون تامین نمیکند و از انرژی داخلی خود تامین میکنند
یعنی هوا بدون مبادله حرارتی با اطراف سرد میشود. (مثل کمپرسور یخچال)

10. پایداری و ناپایداری هوا
پایدار: هوایی که نتواند به پایین یا بالا حرکت داشته باشد.
دلایل ناپایداری هوا یا حرکت عمودی یا افقی هوا:
تفاوت های دما در سطح زمین
اثر جبهه ها
نا همواریهای سطح زمین
همگرایی و واگرایی
سرعت و مقدار حرکت بستگی به ... دارد.
برای توده هوا ALR برابر با 8 درجه بر کیلومتر و برای توده هوای مجاور 6.5 درجه بر کیلومتر با صعود هوا به قله یعنی افزایش ارتفاع به اندازه 1 کیلومتر دمای توده به ... و دمای هوای مجاور به ... میرسد.
در روی قله توده هوا تمایل پیدا میکند که به ... حرکت کند.
وقتی توده به پایین کوه بازگشت پایدار است چون تمایل به بالا رفتن ندارد.

11. ناپایداری هوا
برای توده هوا ALR برابر با 10 درجه بر کیلومتر و برای توده هوای محیط12 درجه بر کیلومتر باشد.
با صعود هوا و افزایش ارتفاع به اندازه 2 کیلومتر دمای توده به ... و دمای هوای مجاور به ... میرسد.
در ارتفاع 2 کیلومتری هوا تمایل پیدا میکند که به ... حرکت کند.
و هوا هیچگاه پایدار نیست
وقتی توده به پایین کوه بازگشت پایدار است چون تمایل به بالا رفتن ندارد.

12. پایداری و ناپایداری هوا

13. نمایه های خاص دما متوسط دمای روزانه، ماهانه، سالانه
حداکثر و حداقل دما در طول دوره آماری
دامنه تغییرات دما ( تفاوت بین متوسط حداکثر و حداقل دما در سال)
دمای نرمال :دمای نرمال مهر ماه: میانگین دمای مهر ماه در 30 سال گذشته
درجه - روز: برای پدیده هایی که نیاز به آستانه دمای دارند توان حرارتی لازم بر اساس درجه روز تعیین میگردد. مثلا برای رشد گندم دمای بالای 5 درجه لازم است . تعداد روزهایی که دما بالاتر از 5 درجه است را در مقداری که دما بالاتر از 5 درجه بوده ضرب میکنیم تا درجه روز بدست آید.
گرادیان دما نسبت به ارتفاع، مثلا گرادیان دمای متوسط سالانه منطقه کشف رو د رسم گردیده است

14. فشار هوا و باد فشار هوا: وزن هوای بالای سر ماست فشار هوا 1013 میلی بار
نیوتن بر متر مربع یا ... پاسکال است
76 میلیمتر جیوه است
کمربند ها پر فشار و کم فشار بر روی کره زمین
Equitorial Low Pressure
Subtropical High Pressure پر فشار نیم حاره ای یا جنب حاره ای
Sub-polar Low Pressure کم فشار زیر قطبی
Polar High pressure پرفشار قطبی
روی مدار 30 درجه جهت حرکت هوا چگونه است؟
بین مدار های 0 و 30 درجه در سطح زمین و در ارتفاع جهت حرکت هوا چگونه است؟
Prevailing westerlies

15. فشار هوا و باد
اگر زمین ساکن میبود: با توجه به زاویه تمایل تابش خورشیدیک سیکل چرخش وجود داشت
با حرکت زمین :
سرعت حرکت زاویه ای/ خطی متفاوت در مدار های مختلف
استوا زمین با سرعت 1670 کیلومتر بر ساعت ازسمت ... به ... میچرخد. در مدار 60 درجه سرعت چرخش نصف سرعت در استوا میباشد.
در مدار 30 درجه سمت حرکت هوا از .. به .. است.
بیابان ها در مدار .... واقع شده اند.

16. باد های موضعی
نسیم دریا وخشکی : یک نوع باد موسمی روزانه است. نتیجه تغییرات روزانه فشار است.
تغییر دما باعث وزیدن چنین باد هایی میشود. خشکی در روز گرم تر از دریا و افزایش دما باعث سبک شدن هوا و صعود آن و سرد تر شدن هوا در مجاورت سطح آب باعث سنگین تر شدن نسبی آن و وزش باد از دریا به خشکی و به آن نسیم دریا میگویند
بادهای فون و چینوک: در اثر نزول هوا در سمت پشت به باد کوه باد های گرم و خشک میوزد. گرم شدن و خشک شدن هوا بی دررو است . در زمستان باعث ذوب برف ها میشود. ذوب شدن برف در اثر ... و.. است.
نسیم کوهستان و دره: در مناطق کوهستانی در روز دره ها بیشتر از کوهها گرم میشوند. و باعث جریان هوا از .... به ... میشود.

17. رطوبت هوا
رطوبت : مقدار آبی است که در هوا بصورت بخار وجود دارد. از نظر حجمی میتواند تا 4% هوا را تشکیل دهد.
رطوبت هوانقش مهمی در بیلان گرمای هوا دارد
رابط انتقال آب از اقیانوس ها به خشکی ها
در هر دمایی تبخیر از سطح آب صورت میگیرد
در یک ظرف در بسته تبخیر صورت میگیرد تا به حدی برسد متوقف میشود چرا؟
در واقع مقدار ورودی و خروجی
مولکولهای بخار به آب مساوی میشوند
در این حال در بالای سطح آب بخار آب
موجود در هوا دارای فشار خاصی است
که به آن فشار بخار میگویند
در واقع این حداکثر بخاری است که هوا
میتواند در خود جای دهد و حداکثر فشار
بخار است که به آن
Saturated Vapor pressure
میگویند

18. گرمای نهان تبخیر
دما: نمادی از انرژی جنبشی مولکولهاست. با تبخیر مولکولهای پر جنب و جوش تر از آب خارج میشوند. برای اینکه آب بدون تغییر دما از حالت مایع به بخار تبدیل شود احتیاج به انرژی برابر با گرمای نهان تبخیر دارد (Latent heat of evaporation).
541 Cal/gr
گرمای ویژه آب : مقدار انرژی که به یک گرم آب داده میشود تا دمای آن یک درجه افزایش یابد (0.56 Cal/oC/gr )
برای تبدیل 40 گرم آب 20 درجه به بخار 100 درجه چند کالری گرما لازم است؟
اندازه گیری رطوبت
ظرفیت و درجه اشباع: در هر دمایی حداکثر بخار خاصی را هوا میتواند در خود جای دهد ک به آن رطوبت اشباع میگویند. در این حالت هوا دارای فشار بخار اشباع است.
اگر از مقدار اشباع رطوبت بیشتری به هوا داده شود ، آنگاه ...
در هر دمایی هوا میتواند مقدار حداکثر رطوبت خاصی در خود جای دهد

19. فشار بخار اشباع es
فشار بخار e
ظرفیت پذیرش بخار آب (es-e)

20. فشار بخار اشباع es
فشار بخار e
ظرفیت پذیرش بخار آب (es-e)
نقطه شبنم Td

21. وزن مخصوص هوای خشک وزن مخصوص بخار آب وزن مخصوص هوای مرطوب
بر اساس قانون عمومی گازها
وزن مخصوص بخار آب
وزن مخصوص هوای مرطوب
بنابراین برای دو توده هوای هم فشار هوای مرطوبتر دارای وزن مخصوص ... تری نسبت به هوای خشک است.

22. نقطه شبنم رطوبت مطلق Absolute humidity
دمایی که در آن در اثر سرد کردن هوا از بخار اشباع شده است. و سرد شدن بیشتر باعث میعان آب و تشکیل قطرات آب میگردد.
رطوبت مطلق Absolute humidity
جرم بخار آب موجود در حجم معینی از
هوا است مثلا 10 گرم بر متر مکعب .
برای هوای اشباع در دماهای مختلف:
رطوبت ویژه Specific humidity (q)
نسبت به رطوبت مطلق ثابت پذیری بیشتری دارد. وزن بخار آب در واحد وزن هوای مرطوب

23. آب قابل بارش W
مقدار آب موجود در ستونی از هوا که از سطح زمین تا ارتفاع معینی در نظر گرفته شده است

24. رطوبت نسبی R اندازه گیری رطوبت هوا:
مقدار درصد نسبت بین فشار بخار موجود در هوا به بخار اشباع هوا
اندازه گیری رطوبت هوا:
بوسیله Psycrometer اندازه گیری میگردد که از دماسنج تر(Wet bulb) و دماسنج خشک (Dry bulb)تشکیل شده است.
هر چه اختلاف دمای این دو دماسنج بیشتر باشد رطوبت هوا تر است.

25. رطوبت نسبی R اندازه گیری رطوبت هوا:
مقدار درصد نسبت بین فشار بخار موجود در هوا به بخار اشباع هوا
اندازه گیری رطوبت هوا:
بوسیله Psycrometer اندازه گیری میگردد که از دماسنج تر(Wet bulb) و دماسنج خشک (Dry bulb)تشکیل شده است.
هر چه اختلاف دمای این دو دماسنج بیشتر باشد رطوبت هوا تر است.