Bài giảng Khí hậu học: Chương 4 – ĐH KHTN Hà Nội

Chia sẻ: Chạy Ngay Đi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Khí hậu học - Chương 4: Cân bằng năng lượng bề mặt. Những nội dung chính được trình bày trong chương gồm có: Lớp bề mặt, nguồn năng lượng bề mặt, tích luỹ nhiệt ở bề mặt, sự đốt nóng bức xạ bề mặt, lớp biên khí quyển, các dòng hiển nhiệt và ẩn nhiệt trong lớp biên,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Khí hậu học: Chương 4 – ĐH KHTN Hà Nội

KHÍ HẬU HỌC Chƣơng 4. Cân bằng năng lƣợng bề mặt
4.1 Lớp bề mặt  Bề mặt của Trái đất là biên giữa khí quyển và mặt đất hoặc đại dương  Bề mặt được xác định một cách thích hợp: Là một mặt phân cách đơn giản giữa hai môi trường  Khi xét đến các quá trình trao đổi năng lượng quan trọng sẽ đưa vào cả lớp biên của khí quyển và đại dương và lớp một vài mét trên cùng của lớp đất  Cân bằng năng lượng bề mặt quyết định lượng năng lượng cung cấp cho quá trình bốc hơi nước bề mặt và làm tăng hoặc giảm nhiệt độ bề mặt  Cân bằng năng lượng tại bề mặt đòi hỏi xem xét các dòng năng lượng do truyền dẫn và đối lưu nhiệt, ẩm thông qua sự chuyển động của chất lỏng cũng như bức xạ  Nguồn năng lượng bề mặt phụ thuộc vào độ chiếu nắng, các đặc trưng bề mặt (trạng thái ẩm ướt, lớp phủ thực vật, albedo), và các tính chất của khí quyển phía trên.  Nguồn năng lượng bề mặt liên hệ mật thiết với chu trình nước, vì sự bốc hơi từ bề mặt là thành phần cơ bản trong cả các nguồn năng lượng và nguồn nước
4.2 Nguồn năng lượng bề mặt  Nguồn năng lượng bề mặt là các dòng năng lượng đi qua một đơn vị diện tích mặt phân cách không khí  bề mặt theo phương thẳng đứng (W/m2)  Các quá trình xác định sự truyền năng lượng giữa bề mặt và khí quyển:  sự truyền bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại,  các dòng năng lượng liên quan với sự chuyển động của chất lỏng trong khí quyển và đại dương.  Tích luỹ năng lượng bề mặt xảy ra giữa lớp biên khí quyển và độ sâu dưới bề mặt (vài mét ở những vùng đất khô hoặc đến vài kilômét như trong các vùng đại dương sâu)  Đối với bề mặt nước, dòng năng lượng ngang được sinh ra do chuyển động chất lỏng có thể đóng vai trò rất quan trọng
Cân bằng năng lượng bề mặt  E s  G  R s  LE  SH  Feo t Làm lạnh bề mặt Đốt nóng bề mặt
 Những thành phần đã bỏ qua  Tiềm nhiệt làm tan băng hoặc tuyết (có thể cần đến 10% NLBX dư thừa).  Sự chuyển đổi động năng của gió và sóng thành nhiệt năng.  Truyền nhiệt do giáng thuỷ (nếu nhiệt độ giáng thuỷ khác nhiệt độ bề mặt)  Năng lượng mặt trời tích luỹ dưới dạng liên kết hoá học (quang hợp). Tính chung toàn cầu:
4.3 Tích luỹ nhiệt ở bề mặt  E s  G  R s  LE  SH  Feo t Es  CeoTeo nhiệt dung hữu hiệu của lục địa nhiệt độ hữu hiệu của lục địa hoặc đại dương (Jm-2K-1): Khí quyển+Đại dương+Đất hoặc đại dương (K) • Nhiệt dung của toàn bộ khí quyển: Ps 1004JK 1 kg 1105 Pa 1  2 Ca  c p   2  1.02  107 JK m g 9.81ms • Nhiệt dung đối với lớp nước (đại dương) có độ dày dw, mật độ w và nhiệt dung riêng cw
 Nhiệt dung của cột khí quyển bằng nhiệt dung của cột nƣớc dày 2.5 m (~ 102/42)  Lớp nƣớc khoảng 70m trên cùng của đại dƣơng tƣơng tác với khí quyển trên qui mô thời gian khoảng một năm, do đó nhiệt dung của đại dƣơng gấp khoảng 25 lần của khí quyển   vai trò của đại dương trong việc tích lũy năng lượng cho hệ thống khí hậu
4.3.1 Tích luỹ nhiệt trong đất  Đất có nhiệt dung hữu hiệu nhỏ hơn nhiều so với đại dương.  Nhiệt được truyền qua đất hầu như chỉ bằng quá trình dẫn nhiệt  Chỉ khoảng 1-2 mét đất trên cùng là chịu ảnh hưởng của sự biến đổi mùa.  Dòng năng lượng nhiệt dẫn thẳng đứng trong đất tỷ lệ với gradient nhiệt độ trong đất.  Fs  K T T z Phương trình cân bằng nhiệt trong đất       Cs T  Fs    K T T  t z z  z  nhiệt tích luỹ trong đất = phân kỳ của dòng nhiệt khuyếch tán Nhiệt dung của đất, phụ thuộc vào: • tỷ lệ thể tích của đất fs, chất hữu cơ fc, nước fw và không khí fa, • mật độ và nhiệt dung riêng của các thành phần vật chất bề mặt
 Nếu độ dẫn nhiệt KT không phụ thuộc vào độ sâu thì (DT = KT/Cs là hệ số khuyếch tán nhiệt): Một số tính chất của các thành phần đất ở 293K Nhiệt dung Mật độ () cp riêng (cp) (kg/m3) (J/(m3K)) (J/(kgK)) Chất vô cơ trong đất 733 2600 1.9106 Chất hữu cơ trong đất 1921 1300 2.5106 Nước trong đất 4182 1000 4.2106 Không khí trong đất 1004 1.2 1.2103 • Nhiệt dung của không khí trong đất rất nhỏ, nên khi nước thay thế không khí trong đất thì nhiệt dung tăng lên rất nhiều • Độ xốp ảnh hưởng lớn đến nhiệt dung của đất tuỳ thuộc vào trạng thái đất là khô hay ẩm
 Đất là hỗn hợp nhiều loại vật chất, mỗi loại có các thuộc tính vật lý hoàn toàn khác biệt  Nhiệt dung của thể tích đất là tổng có trọng số của nhiệt dung các chất thành phần (tỷ lệ thể tích đóng vai trò trọng số) Khoáng chất Chất hữu cơ Nước Băng Không khí Cs = s cs fs + c cc fc + w cw fw + i ci fi + a ca fa Nhiệt dung Mật độ Tỷ lệ thể tích của đất Nhiệt dung
Nhiệt độ đất • Giả thiết bề mặt chịu tác động có chu kỳ với chu kỳ là  (chẳng hạn, biến trình ngày đêm, biến trình năm, chu kỳ băng hà,...). • Phản ứng lại của T(z) cũng có chu kỳ, nhưng biên độ bị giảm và chậm pha theo độ sâu so với tác động bề mặt • “Độ sâu thâm nhập” của dao động nhiệt độ bị cưỡng bức bởi tính chu kỳ của tác động từ bề mặt phụ thuộc vào chu kỳ của tác động và các thuộc tính vật lý của chất bề mặt  = 1 ngày hT ~ 10 cm  = 1 năm hT ~ 1.5 m DT ~ 5 x 10-7 m2 s-1  = 10000 năm hT ~ 150 m
Biến động ngày đêm của nhiệt độ đất  Gần bề mặt biên độ nhiệt độ rất lớn  Biên độ ngày đêm đạt 25K ở độ sâu 0.5 cm  Cực đại T xung quanh 14h  Biên độ giảm và pha chậm theo độ sâu  Tại độ sâu 10 cm biên độ ngày đêm chỉ còn 6 K  Cực đại T vào khoảng 18h Nhiệt độ đất ở các độ sâu khác nhau tại  Tại độ sâu 40 cm biên độ cánh đồng cỏ ở O'Neill, Nebraska hầu như không đáng kể
Profile thẳng đứng của nhiệt độ đất  Nhiệt độ tăng theo độ sâu vào những giờ sáng sớm (6h) và ban đêm (22h)  Nhiệt độ ít biến động theo thời gian trong ngày khi độ sâu càng tăng  Sự giảm biên độ dao động và chậm pha càng thể hiện rõ nếu là đất thuộc khu vực rừng
4.4 Sự đốt nóng bức xạ bề mặt  Bức xạ thuần tới bề mặt là tổng của mật độ dòng bức xạ mặt trời thuần và bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt RS = (S(0)  S(0)) + (F(0)  F(0))  Bức xạ mặt trời thuần tại bề mặt phụ thuộc vào albedo bề mặt, độ che phủ của mây, góc thiên đỉnh,...  Bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt, hệ số hấp thụ,...
Dạng bề mặt Phạm vi Giá trị điển hình 4.4.1 Sự hấp thụ Nước bức xạ mặt trời tại Nƣớc sâu: gió nhẹ, độ cao nhỏ 510 7 bề mặt Nƣớc sâu: Gió mạnh, độ cao lớn 1020 12 Đất trọc S(0)  S(0) = Đất ẩm tối, độ mùn cao 515 10 S(0)(1S) Đất ẩm xám 1020 15  Albedo biến Đất khô, sa mạc 2035 30 Cát ƣớt 2030 25 thiên từ 5% (đại Cát khô sáng 3040 35 dương, gió nhẹ) Đƣờng rải nhựa 510 7 đến ~90% (tuyết Đƣờng bê tông 1535 20 mới, khô) Thực vật Cây xanh thấp 1020 17  Albedo lớn ở sa Cây khô 2030 25 mạc, đất khô, Rừng lá nhọn 1015 12 đồng cỏ khô,... Rừng lá rụng 1525 17 Tuyết và băng  Albedo thấp ở Rừng bị tuyết phủ 2035 25 những vùng Băng biển, không có tuyết phủ 2540 30 rừng Tuyết cũ, đang tan 3565 50  Rừng lá nhọn có Tuyết khô, lạnh 6075 70 Tuyết khô, mới 7090 80 thấp hơn
Albedo bề mặt biển  Tăng khi góc thiên đỉnh mặt trời tăng  Mây làm tán xạ các tia bức xạ tới, làm cho nó có thể đến bề mặt từ nhiều hướng  Mây càng ít thì albedo càng tăng nhiều theo góc thiên đỉnh  Khi trời đầy mây albedo Sự phụ thuộc của albedo bề mặt nước vào không phụ thuộc vào góc thiên đỉnh mặt trời và độ phủ mây góc thiên đỉnh
Băng biển có albedo rất lớn so với nước biển
Albedo bề mặt đất  Hệ số phản xạ của các bề mặt khác nhau phụ thuộc mạnh vào bước sóng bức xạ  Thực vật hấp thụ BX mạnh (90%) ở bước sóng nhìn thấy (0.40.7m) và phản xạ mạnh ở những bước sóng gần hồng ngoại  Albedo tính chung là giá trị lấy trung bình có trọng lượng trên tất cả các bước sóng  Albedo còn phụ thuộc vào dạng hình học của tán cây  Tán lá có hình dạng phức tạp và nhiều lỗ hổng có thể có albedo thấp hơn của một lá riêng lẻ
Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau
Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau