Hải dương học đại cương - Chương 5: trao đổi nhiệt và nước trong hệ thống đại dương

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:35

Thêm vào BST

Báo xấu

143
lượt xem 33
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tương tác của đại dương và khí quyển là một quá trình rất phức tạp, là biểu hiện của nhiều cơ chế qui mô khác nhau phân bố lại nhiệt, hơi nước động năng, các chất khí và muối, kết quả làm cho các đặc trưng lý - hóa của đại dương thích nghi ( phù hợp ) với nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Hải dương học đại cương - Chương 5: trao đổi nhiệt và nước trong hệ thống đại dương

B ng 4.2. Các d n li u v qui mô không gian - th i gian c a các d ng r i chính ngu i l nh m t i d ng trong mùa l nh và trong m t s tr ng h p - do t ng mu i l p m t trong th i kì b c h i m nh. Qui mô không gian (m) Ri Qui mô th i gian 7. B t n nh gra ien th ng ng c a v n t c dòng ch y l p biên sát Ngang Th ng ng áy. Vai trò c a ngu n phát sinh r i này t ng i nh , c bi t so v i l p Qui mô l n T vài ch c ngày 5 6 2 3 trên c a i d ng. 10 10 10 10 n vài tháng D i góc phát sinh r i, i d ng c phân chia thành ba l p: a) Qui mô v a T vài gi 4 5 2 10 10 10 10 l p xáo tr n bên trên, n i ây quá trình nhào sóng m t gi vai trò chính n vài ngày phát sinh r i; b) B dày chính c a i d ng, ây s b t n nh c a sóng Qui mô nh T ph n c a giây 2 3 1 10 10 10 10 n i góp ph n chính; c) L p biên sát áy, trong ó ph n óng góp cho r i ch n vài ch c phút y u t s b t n nh c a các sóng tri u và các dòng ch y i d ng. Hi n nay nh n th y có m t s c ch ch y u phát sinh r i trong i d ng. 1. B t n nh và v sóng gió trên m t i d ng, gây nên b i tác ng ng l c c a khí quy n. Rõ ràng ây là c ch m nh m nh t phát sinh r i l p trên c a i d ng, vì sóng gió di n ra kh p n i trong i d ng. Ch ng 5 2. B t n nh gra ien th ng ng c a t c trong các dòng ch y trôi Trao i nhi t và n c trong h th ng i do gió tác ng tr c ti p trên m t gây nên và bao trùm l p trên c a i d ng. B t n nh ng l c c qui nh b i ch tiêu Reinolds Re Re cr , d ng - khí quy n trong ó Re cr 2 000 . 3. B t n nh c a sóng n i và s v c a nó - di n ra kh p n i và có 5.1. c tr ng chung các quá trình t ng tác c a i l là c ch ch y u phát sinh r i quy mô nh bên trong b dày c a i d ng và khí quy n d ng. 4. B t n nh th y ng l c c a các dòng ch y ph ng ngang không T ng tác c a i d ng và khí quy n - ó là m t quá trình r t ph c d ng qui mô v a, ch y u do các dao ng tri u và quán tính (v i qui mô t p, là bi u hi n c a nhi u c ch qui mô khác nhau phân b l i nhi t, h i hàng ch c km) gây nên. n c, ng n ng, các ch t khí và mu i, k t qu làm cho các c tr ng lý - hóa c a i d ng thích nghi (phù h p) v i nhau. 5. B t n nh gra ien th ng ng c a v n t c trong các dòng ch y i d ng qui mô l n phân t ng. Ch bi u l m t s vùng, vì v y ch y u S t ng tác c a i d ng và khí quy n c quy t nh không ph i mang tính khu v c. ch là do di n tích b m t ti p xúc tr c ti p to l n gi a i d ng và khí quy n, mà còn do nh ng c i m c u t o c a chúng (c u t o nhi t, m t , 6. i l u trong các l p phân t ng m t không n nh gây b i s ng h c, hóa h c v.v...) t o ra nh ng gra ien l n t i biên phân cách hai môi 195 196
tr ng. môi tr ng t ng tác. Ngoài ra, nh k t qu c a s t ng tác này hình thành các sóng m t và sóng n i, r i và m t s quá trình khác làm bi n i l p biên Trên c s nh ng i u v a nói có th phân chia nh ng d ng (ki u) khí quy n sát m t n c. t ng tác sau ây: t ng tác nhi t (n ng l ng), t ng tác th y v n (n c và h i n c), ng l c, mu i và khí. M i d ng t ng tác có nh ng qui lu t c T ng tác qui mô v a c tr ng b ng nh ng quá trình phát tri n trong thù c a mình, song t t c chúng liên quan v i nhau và hình thành m t h các l p biên c a i d ng và khí quy n, chúng có kích th c ph ng ngang th ng th ng nh t các vòng tu n hoàn (chu trình) hành tinh: chu trình nhi t, t vài tr m mét n hàng tr m kilômét và qui mô th i gian t m t s gi n n c và các tính ch t khác. Các chu trình hành tinh c a nhi t và n c c vài tháng. Lo i t ng tác này g m các quá trình sóng trong các l p biên có bi t liên h m t thi t v i nhau. V n là ch s b c h i không ch qui nh ngu n g c tri u và quán tính, xáo tr n i l u và xáo tr n r i, nh ng dao l ng n c tham gia vào chu trình hành tinh, mà còn quy t nh s chi phí ng nhi t gây b i bi n thiên ngày êm c a b c x m t tr i (thí d , hoàn ph n ch y u n ng l ng m t tr i do m t i d ng Th gi i h p th c. l u gió t, gió bi n trong khí quy n trên vùng b bi n). ng th i s t a nhi t trong khí quy n trong khi ng ng t m là m t nhân t Bi n ng synop n m c n trên c a ph các quá trình qui mô v a, nó n ng l ng quan tr ng c a hoàn l u các kh i không khí. D i ây s xem bao g m m t d i r t r ng các qui mô: t nh ng chi ti t c u trúc c a các thành xét t m h n v t ng d ng t ng tác. t o khí quy n và các front i d ng (104 m) n các kích th c c a chính nh ng thành t o ó (106 m) và t th i gian kéo dài c a các front khí quy n Các quá trình t ng tác c a i d ng và khí quy n có d i ph không (104 s) n các chu kì t ng tác c a nh ng thành t o áp su t ho c c a các gian - th i gian liên t c: t i vùng t n th p c a ph này ng i ta nh n th y có nh ng quá trình bao trùm toàn i d ng Th gi i và kéo dài nhi u th p ki u hoàn l u khí quy n v i i d ng. Cu i cùng, bi n ng qui mô v a niên và nhi u th k , còn t i vùng t n cao - nh ng quá trình ch c o b ng còn là c tr ng c a t t c các dòng nhi t, m và các tính ch t khác gi a i ph n c a x ngtimét và t n t i vài ph n giây. Vì lí do ó c n ph i phân lo i d ng và khí quy n. các quá trình t ng tác i d ng và khí quy n theo qui mô không gian - T ng tác qui mô l n bao g m nh ng quá trình v i qui mô không th i gian. Hi n nay, h th ng phân chia ba d i không gian - th i gian cs gian t vài nghìn kilômét cho n kích th c c a toàn i d ng Th gi i và d ng r ng rãi nh t: th i gian kéo dài c mùa và t n m này t i n m khác. Trong i d ng, các a) T ng tác qui mô nh (vi mô, a ph ng); quá trình t ng tác qui mô l n g m: nh ng dao ng chu kì dài c a nhi t n c và mu i, s hình thành nêm nhi t chính, bi n ng c a các dòng b) T ng tác qui mô trung bình (qui mô v a); ch y i d ng chính, các hi n t ng t dao ng c a h th ng i d ng - c) T ng tác qui mô l n (toàn c u). khí quy n, s hình thành và bi n ng c a các cánh ng b ng các vùng T ng tác qui mô nh bao g m nh ng quá trình v i chu kì 10-1 - 103 s c c v.v... S bi n ng qui mô l n còn c tr ng cho các dòng nhi t, m và và qui mô không gian 10-2 - 103 m, trong ó do tính ch t b t ng h ng (b t các tính ch t khác, nh ng dòng này không ch có ch u s bi n thiên theo mùa ng nh t) qui mô th ng ng c tr ng b ng 10-2 - 101 m, còn qui mô rõ r t mà c dao ng nhi u n m. ph ng ngang 100 - 103 m. Trong t ng tác qui mô nh di n ra quá trình trao Nh v y là i v i t t c các d i không gian - th i gian c a s t ng i tr c ti p nhi t, n c, ng l ng qua biên phân cách i d ng - khí tác, thì s trao i nhi t, m và ng l ng t ra là m t quá trình v t lý duy quy n và hình thành tính ch t chuy n ti p rõ r t trong các l p biên c a hai nh t bi u l m i t n s . i u này ch ng t r ng nó có vai trò c bi t l n 197 198
trong s hình thành tính ch t bi n ng c a quá trình t ng tác id ng và h ng v n chuy n lên các v trung bình và v cao và ó i d ng khí quy n. truy n nhi t cho khí quy n. Nhìn chung g n 60 % toàn b nhi t n ng i d ng c p cho khí quy n thông qua b c h i. Ph n còn l i thông qua s phát S phân hóa không gian c a các dòng nhi t và m, t c s phân b r t x hi u d ng và trao i nhi t r i. không ng u c a chúng trên m t các i d ng, có ý ngh a c bi t trong t ng tác qui mô l n. Bên c nh nh ng th y v c r t r ng l n, ó trao i Do tính c a các quá trình th y v n, s tác ng c a i d ng lên khí nhi t và m g n gi ng v i giá tr trung bình v tuy n, ng i ta l i nh n th y quy n bi u l ch y u thành nh ng d th ng th i ti t dài h n c ng nh s có nh ng vùng mà c ng c a các quá trình này t ra m nh m h n nhi u. hình thành và bi n i khí h u hành tinh. V nh h ng quy t nh c a i Nh ng vùng nh v y c V.V. Timonov g i là các t ng tác c a i d ng t i s hình thành khí h u ã c bi t t lâu. M t thí d i n hình là d ng và khí quy n. V sau này G.I. Marchuk nh ngh a chúng là các i nh ng tính ch t c a khí h u i d ng, so v i khí h u l c a khí h u i tích c c n ng l ng c a i d ng và hình thành quan ni m i tích c c d ng có biên ngày và biên n m c a nhi t không khí nh , m n ng l ng i d ng, theo quan ni m này các i tích c c n ng l ng óng cao, nhi u mây và l ng m a t ng. Còn v vai trò c a i d ng trong s vai trò then ch t trong t ng tác qui mô l n và, nh m t h qu , trong v n bi n ng c a khí h u hành tinh thì chúng ta bi t ít h n nhi u. R t nhi u d báo th i ti t dài h n và nh ng dao ng khí h u chu kì ng n. nghiên c u theo h ng lí thuy t và th c nghi m hi n nay chính là nh m vào h ng này. ng nhiên, trong nghiên c u các quá trình t ng tác i d ng và khí quy n, thì câu h i khí quy n tác ng t i i d ng và ng c l i i d ng nh h ng t i khí quy n nh th nào là m t câu h i quan tr ng. S 5.2. S trao i nhi t trong h th ng id ng - khí tác ng c a khí quy n bi u l ch y u d i d ng ng l c (c h c), t c quy n hình th c truy n xung l ng cho i d ng, và m t ph n hình th c các dòng nhi t và ch t (giáng th y, ng ng t trong l p sát m t n c). Vì v y, H th ng i d ng - khí quy n là m t b ph n h p thành và có l là b chuy n ng trong i d ng, tr m t ít ngo i l , có th xem là k t qu ph n h p thành quan tr ng nh t c a h th ng khí h u. H th ng khí h u là t ng tác ng l c c a khí quy n. Nh ng chuy n ng ó g m: sóng gió, r i t p h p các quy n c a hành tinh - khí quy n, i d ng quy n, th ch quy n, các l p trên và bên trong i d ng, các dòng ch y trôi. b ng quy n và sinh quy n- t ng tác qua l i và trao i v t ch t và n ng Dòng n ng l ng t khí quy n c p cho các chuy n ng i d ng di n l ng v i nhau. ra trong các qui mô khác nhau. ây R.V. Ozmi ov phân chia ra ba d i u tiên ta xét nh ng c i m hình thành quá trình trao i nhi t toàn chính trong ó xung l ng c a khí quy n c truy n cho i d ng: sóng c u (l y trung bình i v i Trái t nói chung) trong h th ng khí h u. Xét gió (101 m), dao ng quán tính (104 m), xoáy synop (106 m). theo ngh a nhi t ng l c thì h th ng khí h u là h th ng m , vì nó liên t c Còn v nh h ng ng c l i c a i d ng lên khí quy n, tr c h t ó trao i nhi t v i không gian v tr . là tác ng nhi t và sau ó m t ph n là tác ng c h c. Vì nhi t dung n c cao H 30 km , T i biên trên c a khí quy n, th ng qui c ó là l n h n nhi u so v i nhi t dung không khí, i d ng tích l y b c x m t có m t dòng b c x m t tr i sóng ng n b ng 1368 W/m2 i t i và i l ng tr i sóng ng n ch y u l p dày kho ng ch c mét bên trên, và c ng ch y u này c g i là h ng s m t tr i. Ta ch p nh n i l ng này làm 100 % và vùng v th p. Ph n l n l ng nhi t này c h th ng dòng ch y kinh 199 200
s c l ng t t c các dòng nhi t trong h th ng khí h u thành các b ph n c a h ng s m t tr i (hình 5.1). T hình này th y r ng, albe ô c a h th ng Trái t - khí quy n b ng 28 %, ây chính là l ng phát x sóng ng n c ph n x tr l i kho ng không v tr (do mây - 19 %, tán x phân t và zôn khí - 6 %, phát x t m t m - 3 %). M t ph n b c x m t tr i i xu ng (25 %) c h p th trong khí quy n, trong ó ôzôn t ng bình l u h p th 3 %, h i n c và các t p ch t - 17 %, mây - 3 %. Ph n còn l i (47 %) ch p th b i các l p m t c a Trái t, trong ó h u nh ch y u là i d ng Th gi i h p th d i d ng các dòng tr c x và tán x . Chính là ây có s khác bi t c n b n gi a các l p m t c a i d ng và c a l c a, vì nhi t dung c a i d ng nhi u l n cao h n so v i c a l c a. T t c nh ng dòng nhi t ã xét trên t p trung trong ph n ph sóng ng n (nhìn th y). Trong h th ng khí h u c ng c n tính n c các dòng b c x sóng dài do i d ng và khí quy n t phát x . Dòng phát x sóng dài t m t m tr c ti p vào kho ng không v tr b ng 5 %, còn vào khí quy n - 110 %, trong ó ph n áp o (105 %) b h p th b i h i n c, khí cacbonic, mây và các t p ch t khác. ng th i khí quy n c ng phát x c vào v tr Hình 5.1. S cân b ng nhi t n m trung bình c a h th ng khí h u Trái t (67 %) và xu ng m t t (96 %). T ây th y r ng dòng b c x sóng dài t ng c ng vào kho ng không v tr b ng 72 %, còn t i biên phân cách c a h Bây gi trong h th ng i d ng - khí quy n ta tách ra m t th tích tùy th ng Trái t - khí quy n nó b ng 14 % và h ng lên trên. ý (hình 5.2) gi i h n phía d i b i áy i d ng, phía trên b i ranh gi i Nh v y, d dàng th y r ng t i biên trên c a khí quy n quan sát th y s trên c a khí quy n. Ký hi u dòng b c x sóng ng n i t i ranh gi i trên c a cân b ng: t ng các dòng b c x i t i và i kh i b ng không và do ó, h khí quy n là Qa , dòng ph n x là C a , còn phát x sóng dài thoát vào th ng khí h u n m trong tr ng thái cân b ng nhi t. D nhiên, ranh gi i phân kho ng không v tr là J a . Khi ó, dòng b c x k t qu b ng cách gi a khí quy n và m t m c ng ph i n m trong tr ng thái cân b ng Ra Qa Ja Ca . nhi t. Nh ng mu n v y c n ph i sao cho t m t m có 33 % nhi t n ng c truy n vào khí quy n d i d ng các dòng nhi t và h i n c do r i. T ng t nh v y, có th bi u di n các dòng b c x t i m t i d ng: Q0 dòng b c x sóng ng n i t trên xu ng t i m t i d ng, C 0 dòng c i m quan tr ng nh t c as trao i nhi t toàn c u ã xét trên ph n x t m t i d ng, J 0 phát x sóng dài, g i là phát x hi u d ng. là t t c các dòng n ng l ng ch có h ng th ng ng: m t s dòng h ng xu ng d i, m t s dòng khác h ng lên trên. Vì v y khi chuy n t qui mô Dòng b c x t ng c ng b ng l y trung bình toàn c u sang qui mô a ph ng thì s trao i nhi t s R0 Q0 J0 C0 . ph c t p h n r t nhi u. 201 202
Do hi u nhi t gi a các l p n c và không khí ti p xúc, khi có gió s dòng nhi t h ng xu ng sâu và ng c l i. xu t hi n m t dòng nhi t ti p xúc (dòng hi n nhi t), c tr ng cho trao i Cu i cùng, t bên trong Trái t luôn có m t dòng nhi t ( a nhi t) D không khí ( T 0 ), thì nhi t r i . N u nhi t n c cao h n nhi t i qua áy vào i d ng. T t c nh ng dòng này có h ng th ng ng. Tuy dòng nhi t h ng lên khí quy n, tr ng h p ng c l i - h ng xu ng i nhiên ng th i v i chúng còn quan sát th y nh ng dòng n ng l ng theo d ng. ph ng ngang. Thí d , trong khí quy n có s v n chuy n nhi t qua các m t bên b i hoàn l u khí quy n trung bình (dòng nhi t bình l u) và b i quá trình xáo tr n cu n xoáy (dòng nhi t r i). C ch trao i nhi t qua các m t bên t ng t nh v y c ng di n ra trong i d ng. ó là s v n chuy n (bình l u) nhi t b i các dòng ch y và s trao i nhi t r i trong ph ng ngang. Hình 5.2. S trao i nhi t i v i m t th tích S t ng tác c a các dòng nhi t theo ph ng ngang và ph ng th ng b t kì trong h th ng i ng d n t i nh ng bi n i theo th i gian c a enthalpy (tr l ng nhi t) c a d ng - khí quy n khí quy n và i d ng, ngoài ra nh ng bi n i này c xem là d ng khi khí quy n và i d ng nóng lên và âm khi khí quy n và i d ng b l nh i. Ngoài ra, do chênh l ch m gi a m t i d ng và l p khí quy n sát D nhiên, trong s nh ng dòng nhi t ã li t kê không ph i t t c có m t n c, s xu t hi n m t dòng n nhi t liên quan t i s chuy n pha m m d ng ( q 0 ) dòng n m t i d ng. Trong tr ng h p chênh l ch cùng ý ngh a nh nhau. Thí d , th ng ng i ta b qua dòng qua áy i d ng. Nh ng quá trình t a và thu nhi t trong ho t ng sinh hóa, s tiêu tán c g i là m t nhi t cho b c h i LE . N u nhi t s h ng lên khí quy n và c n ng c a các dòng ch y thành nhi t và m t s quá trình khác th ng có m âm ( q 0 ) s x y ra ng ng t h i n c t không khí và chênh l ch tính ch t a ph ng, vì thông th ng giá tr c a các dòng này n m trong dòng m s h ng xu ng m t i d ng. Thí d i n hình v s ng ng t là ph m vi sai s phép o ho c tính toán các thành ph n chính c a cân b ng s ng mù. Tuy nhiên, hi u ng này mang c i m a ph ng. N u em nhi t. chia LE cho nhi t l ng hóa h i L , ta nh n c giá tr c a l ng b c h i. N u th tích c tách ra n m các vùng c c, thì t i m t i d ng có th x y ra s chuy n pha n c thành b ng và ng c l i. L ng nhi t t a ra 5.3. Cân b ng b c x c a id ng khi t o b ng (khi tan b ng cùng m t l ng nhi t này b h p th ) b ng Lc M , trong ó Lc nhi t l ng tinh th hóa, M kh i l ng b ng b 5.3.1. Ph ng trình cân b pháp ng b c x và nh ng ph ng c t o thành hay b tan. c l ng các thành ph n c a nó Vì t ng i s các dòng nhi t qua m t i d ng th ng không b ng B c x m t tr i - th c t là ngu n n ng l ng duy nh t i v i ph n không, nên ph i t n t i m t dòng nhi t th ng ng B gi a m t i d ng và l n các quá trình x y ra trong khí quy n, th y quy n và các l p trên c a các l p sâu h n c a nó. Trong ó n u l p m t i d ng c s i m, thì 203 204
th ch quy n. N c i d ng Th gi i tích l y m t l ng nhi t l n nh h p chu n, mà thi u cái ó thì không th chu n hóa và nâng cao chính xác th b c x m t r i. Sau ó nó c p nhi t cho khí quy n d i d ng phát x quan tr c. sóng dài, các dòng nhi t hi n và nhi t n và b ng cách ó nó i u ch nh s Ph i l u ý r ng nh ng quan tr c c th c hi n trên m t s không hình thành khí h u c a hành tinh. nhi u các t u th i ti t và trong nh ng chuy n kh o sát chuyên không nh kì c hi u là t ng t t c các dòng không cho phép có c quan ni m toàn v n v các thành ph n cân b ng b c Cân b ng b c x c a i d ng nhi t d ng tia do i d ng h p th và phát x . Vì v y ph ng trình cân x và bi n thiên c a chúng trên nh ng không gian i d ng r ng l n. b ng b c x c a m t i d ng có th vi t d i d ng nh sau: Rõ ràng gi i quy t v n xác nh các thành ph n cân b ng b c x cho R0 Q0 (1 I0 , ) (5.1) các i d ng ch có th d a trên quan tr c v tinh. Tuy nhiên, t các v tinh các dòng b c x ch o cv i chính xác cao t i ranh gi i trên c a khí trong ó Q0 b c x sóng ng n t ng c ng (tr c x và tán x ) t i m t i quy n. c l ng các thành ph n cân b ng b c x m t i d ng th ng ng, I 0 d ng, albe o m t id phát x hi u d ng (cân b ng b c x dùng nh ng m i ph thu c th c nghi m liên h gi a các dòng b c x t i m t sóng dài), R0 cân b ng b c x c a m t id ng, hay nói úng h n, dòng ranh gi i trên c a khí quy n và m t i d ng. ng nhiên, nh ng giá tr b c x k t qu t i m t id ng. cân b ng b c x nh n c nh v y s có sai s l n so v i nh ng c l ng c i m quan tr ng c a ph ng trình (5.1) là ch nó ch a nh ng s t ng t t i biên trên c a khí quy n. h ng mô t các dòng b c x nh ng ph n ph khác nhau. Trong ó s h p Vì v y, cho n ngày nay v n s d ng r ng rãi nh ng ph ng pháp tính th b c x di n ra ph n ph sóng ng n, còn phát x thì ph n ph sóng dài toán c l ng các thành ph n cân b ng nhi t, trong ó chính xác c (h ng ngo i). nâng cao h n b ng cách t ng th i kì l y trung bình c a các d li u xu t phát. Nh ng dòng b c x có th o c nh các lo i c m bi n tr c x t Bây gi ta xét các thành ph n cân b ng b c x . Nh ã nói trên, b c trên boong t u nghiên c u khoa h c. chính xác phép o các thành ph n x t ng c ng là t ng c a tr c x và tán x . Vi c k t h p chúng thành m t c a ph ng trình (5.1) không nh nhau. Thí d , ng i ta o tr c x v i sai dòng chung là do trong các tính toán n ng l ng thì hi u ng k t qu c a các s không l n h n 2-3 % trong m i th i ti t n u th a mãn i u ki n M t Tr i dòng ó là quan tr ng. không b mây che khu t. Sai s phép o b c x ph n x l n h n nhi u và S nh p b c x m t tr i vào m t i d ng b i u ti t b i mây. Khi b ng 10-25%. Tuy nhiên n u l u ý r ng giá tr c a b c x ph n x nh h n không có mây ( n 0 ) b c x m t tr i t ng c ng trong i u ki n b u tr i nhi u so v i tr c x , thì sai s phép o t ng x b ng kho ng 5 %. không mây, g i là b c x có th có, Qm b ng Q0 . l n c a Qm c xác Sai s o cân b ng b c x sóng dài vào các gi ban êm trên t u nh ph thu c vào cao M t Tr i bi u di n b ng nh ng kho ng giá tr c a th ng không quá 15 %. h s trong su t c tr ng cho m c c zôn khí c a khí quy n. V i khí Ch t l ng o cân b ng b c x b ng các máy cân b ng k thì kém h n quy n “trong su t” h s này c xem là b ng m t n v . nhi u. K t qu so sánh các lo i máy cân b ng k trên th gi i ã xác l p Trong tr ng h p t ng quát ch p nh n r ng c r ng s o c a các d ng c này có th khác bi t nhau t i vài ch c ph n Qm f ( n) . tr m, c bi t vào ban ngày và hi n nay không có m t máy cân b ng k tiêu (5.2) Q0 205 206
h ng s Stephan-Bolzman, T0 nhi t trong ó c a m t i d ng T n t i r t nhi u công th c do các tác gi xu t và liên h t s Qm / Q0 v i c p l ng mây. Thí d , công th c sau ây th ng hay cs 0,983 . Khi tính b ng K. V i m t i d ng b ng ph ng ch p nh n d ng xu t hi n sóng bi n kh n ng phát x c a i d ng gi m. Vì v y, v i nh ng 0,91 . Giá tr i u ki n sóng trung bình (4-5 c p) ng i ta cho r ng Qm 1 b1 n b2 n 2 , (5.3) này th ng c dùng trong các tính toán s . Q0 Vi c c l ng phát x ng c l i c a khí quy n ph c t p h n, nó ph trong ó b1 và b2 là nh ng h s th c nghi m. Nh n th y r ng trong nh ng thu c vào nhi u nhân t . Vì v y trong nh ng tr ng h p không c n thi t tính m i ph thu c ph c t p h n ng i ta có th tính t i c i m nhi u t ng c a riêng các i l ng I 0 và I 0 , ng i ta s d ng nh ng công th c tích phân mây. c l ng phát x hi u d ng. V i t cách là thí d , chúng tôi d n công Còn v albe ô, v n này ã xét ch ng 3, vì v y ây ch nh c l i th c th c nghi m do Andersen nh n c: r ng albe ô ph thu c vào m t lo t nh ng nhân t khí t ng th y v n: l ng 10 T04 0,26 0,025 n exp ( 0,0584 H 0 ) I0 0,55 10 mây, sóng gió v.v... Tuy nhiên, trong nh ng tính toán s th ng s d ng các i l ng Q0 (1 ) giá tr c l ng khí h u c a albe ô (xem b ng 3.2). 0,0049 0,0054 n exp ( 0,06 H 0 ) e z , (5.5) bi u di n l ng b c x thâm nh p vào bên trong i d ng và c g i là trong ó n n v , H0 tính b ng ph n c a cao trung bình c a mây b c x h p th . Nh ng d li u quan tr c cho th y th c t t t c b c x c tính b ng nghìn b (1 b = 0,305 m), e z áp su t riêng ph n c a h i n c h p th m t l p n c dày kho ng ch c mét bên trên. trong l p sát m t n c. B c x hi u d ng là hi u gi a phát x sóng dài c a b n thân i d ng Ph n óng góp chính t o nên cân b ng b c x là b c x t ng c ng. ( I 0 ) xác nh theo nhi t m t n c và phát x ng c l i c a khí quy n i u này cho phép trong các tính toán g n úng xác nh nh ng giá tr R0 ( I 0 ) ph thu c vào phân b th ng ng c a nhi t , m không khí và dài nh là R0 a Q0 v i a h s l y trung bình trong m t th i kho ng ng mây, t c I 0 I0 I0 . l t l bi n i t 0,5 các v cao n 0,79 t i xích o. Nh N.A. Timopheev ã cho bi t, khi tính thêm l ng mây thì nh ng giá tr khí h u Trong tr ng h p t ng quát, phát x hi u d ng là m t hi u s nh c a trung bình tháng c a cân b ng b c x có th c xác nh v i chính xác i l ng l n I 0 và I 0 . Vì v y v i nh ng th i o n l y trung bình hai khá cao theo công th c ng I 0 và ng n s xu t hi n nh ng sai s l n so sánh c v i chính il 2 R0 Q0 2,22 (3,31 0,052 ) , ch v i nh ng th i o n l y trung bình l n thì chính xác c a cl ng trong ó ch s l ng mây liên h v i c p l ng mây b ng m t bi u phát x hi u d ng m i có th tr nên t ng i cao. th c ph thu c phi tuy n Cho r ng i d ng phát x nh m t v t xám, t c s phát x c a nó t i 1 0,130 n 0,40 n 2 . t t c các vùng ph khác v i phát x c a v t en tuy t i b i cùng m t nhân t ,t c 1 , còn khi n 1 0,47 , t c giá tr Do ó, khi không mây T04 I0 , (5.4) bi n thiên g n hai l n. 207 208
5.3.2. Phân b các thành ph n cân b ng b c x trên id ng ng Th gi i, cal/(cm2.ngày) (theo N.A. Trên hình 5.3 d n phân b nh ng giá tr n m trung bình c a b c x chuy n chúng t cal/(cm2.ngày) v t ng c ng trên m t các i d ng. 2 n v SI (MJ/(m .ngày) ph i chia cho 23,885. Nh ã th y t hình 5.3, nh ng giá tr c c i c a t ng x luôn luôn nh n th y các v g n xích o. C c i tuy t i l n h n 550 2 cal/(cm .ngày) th y trung ph n Thái Bình D ng g n qu n o Marquiz. Trên h ng t các v xích o v c c t ng x gi m h n ba l n và các c c b ng 150 cal/(cm2.ngày). Qui lu t phân b quan tr ng nh t c a t ng x là s bi n thiên c a nó bi u l ch y u trên h ng kinh tuy n, trong khi bi n thiên d c vòng tròn v không áng k . i u này có ngh a r ng s phân b t ng x mang c id i m i. Th t v y, ph thu c gi a các giá tr trung bình i c a t ng x và v là ph thu c tuy n tính và c tr ng b ng h s t ng quan b ng 0,95. Timopheev) Hình 5.3. Phân b giá tr trung bình n m c a t ng x trên Có m t vài bi u l vi ph m tính a i c nh n th y các v th p (thí d , Thái Bình D ng, g n qu n o Marshall Q0 400 cal/(cm2.ngày)) và các vùng phía ông i chí tuy n c a các i d ng. Trong tr ng h p th nh t s vi ph m tính a i liên quan t i v trí c a d i h i t n i nhi t i c tr ng b i s t n t i các l p mây dày. Tr ng h p th hai liên quan t i nh h ng c a các i ngh ch nhi t tín phong và nh ng h i l u l nh. Phân b các giá tr cân b ng b c x trung bình n m th hi n trên hình 5.4. T i các v th p dòng k t qu c a n ng l ng b c x t t i 400-440 cal/(cm2.ngày), h n n a nh ng giá tr c c i t p trung các vùng phía tây ca i Tây D ng và n D ng và ph n trung tâm c a Thái Bình D ng. Phân b các giá tr cân b ng b c x th c t ng nh t v i phân b các giá tr b c x t ng c ng. ó là vì bi n i không gian c a phát x hi u d ng và b c x ph n x nh so v i bi n i không gian c a t ng x . T ây t t c nh ng qui lu t trong phân b c a Q0 c ng là c tr ng c a R0 . 209 210
Nh ng khác bi t l n trong phân b b c x m t tr i gi a xích o và các ng Th gi i, cal/(cm2.ngày) (theo N.A. v c c là nhân t chính qui nh nh ng c i m quan tr ng nh t c a i u ki n khí t ng th y v n hành tinh. Chính là gra ien xích o - c c quy t nh s t n t i c a vùng v n chuy n i ng tr trong khí quy n Trái t. M t nhân t quan tr ng khác - s bi n ng trong n m gây b i bi n trình mùa c a dòng b c x t i m t i d ng và l c a. T i nh ng vùng không có bi n ng trong n m (ch y u là các v th p) thì c ng không có bi n trình n m c a các quá trình và hi n t ng khí t ng th y v n. Trong b ng 5.1 d n các giá tr cân b ng b c x trung bình v trên m t i d ng và l c a. D th y r ng i d ng h p th n ng l ng tia m nh h n nhi u so v i các l c a, ngoài ra, s khác bi t l n nh t quan sát id th y các v nhi t i. Hình 5.4. Phân b giá tr trung bình n m cân b ng b c x trên B ng 5.1. Phân b giá tr trung bình v c a t ng x và cân b ng b c x trên Timopheev) m t i d ng và l c a, Kcal/(cm2.n m) (theo M.I. Bu kô và nnk.) id ng Th gi i Lc a iv Q0 R0 RL QL 70 60 oN 75 23 84 22 60 50 90 43 100 32 50 40 113 64 127 45 40 30 142 90 155 58 30 20 168 111 175 64 20 10 177 121 181 74 10 0 177 124 158 79 0 10 oS 181 127 150 79 10 20 177 122 165 75 20 30 165 109 173 71 30 40 144 92 161 62 40 50 116 72 122 44 50 60 87 46 86 35 144 91 138 50 Trung bìnhTrái t 211 212
Theo s li u b ng 5.1, giá tr cân b ng b c x trung bình toàn c u (l y kéo dài c a các chu trình khí h u trên Trái t nói chung cùng c v i th i trung bình toàn th y v c i d ng Th gi i) b ng 91 Kcal/(cm2.n m), trong gian kéo dài c a các k nguyên a ch t. Nh n th y r ng khi gi m qui mô l y khi ó i v i m t l c a - b ng 50 Kcal/(cm2.n m). Còn n u so sánh các trung bình, c bi t qui mô th i gian, ph ng trình cân b ng th ng ph c t p giá tr b c x t ng c ng, thì nh ng khác bi t gi a i d ng và l c a không lên, vì trong tr ng h p này xu t hi n nhu c u ph i tính t i nh ng s h ng có nhi u. i u này có ngh a r ng h s hi u su t (KPD) c a i d ng, t c ph n ý ngh a a ph ng. thông l ng nhi t b c x nó chi m c, cao h n nhi u so v i KPD l c a Thí d , ta xét ph ng trình cân b ng nhi t l y trung bình tháng i v i (tu n t là 63 và 36 %). N u xem xét bi n thiên kinh h ng c a t s m t c t n c i d ng di n tích áy n v tr i dài t m t phân cách v i khí R0 / Q0 , thì KPD cao nh t c nh n th y các v th p, n i ây nó t quy n t i áy. Khi ó ph ng trình cân b ng nhi t có th vi t d i d ng sau: i 0-20 oS. t i 70 % trong S div (FA FT ) R0 LE . (5.7) t ây S enthalpy c a c t n c th ng ng, xác nh b ng 5.4. Cân b ng nhi t c a id ng Z0 c Td z , S 5.4.1. Ph ng trình cân b ng nhi t c a id ng ZK D i d ng t ng quát ph ng trình cân b ng c a m t tính ch t b t kì trong ó Z 0 mt id ng ( Z 0 0 ), Z K sâu id ng. FA và FT (nhi t, n c v.v...) có th vi t d i d ng tu n t là dòng nhi t toàn ph n (tích phân) do các dòng ch y và trao ir i Xi Xi Xi , (5.6) (cu n xoáy), t c Xi trong ó t ng các thành ph n tích l y c a cân b ng, c tr ng cho Z0 Z0 FT c T V dz, FA c TVdz, Xi s bi n thiên c a chúng theo th i gian; t ng các h p ph n n ZK ZK Xi c a cân b ng có ngh a làm t ng tính ch t ang xét; t ng các h p trong ó V vect t c theo ph ng ngang, còn d u g ch ngang bên trên ch phép l y trung bình theo th i gian. Khi l y trung bình tháng, ph n óng ph n m t i c a cân b ng c tr ng cho s gi m tính ch t ang xét. góp chính vào trao i r i v mô là t các xoáy synop, qui mô không gian c Nh v y, ph ng trình (5.6) bi u di n nh lu t b o toàn n ng l ng tr ng c a chúng b ng vài tr m kilômét, còn th i gian t n t i t m t s ngày hay v t ch t. Tùy thu c các qui mô không gian - th i gian c a phép l y trung n m t s tháng. K t qu dòng nhi t toàn ph n t ng c ng c vi t b ng bình i v i các d li u xu t phát, ph ng trình này có th có d ng r t khác Z0 Z0 nhau, b i vì t ng quan gi a các dòng và nh ng bi n thiên c a chúng không F0 c TV T V dz c T Vd z . gi nguyên không i trong không gian c ng nh th i gian. ZK ZK Qui mô không gian l n nh t là th tích i d ng Th gi i nói chung, Nh v y, trong ph ng trình (5.7) s h ng th nh t v trái ch s bi n còn qui mô nh nh t - là th tích n v c a nó. Còn v qui mô th i gian, thì thiên enthalpy c a c t n c th ng ng trong th i gian, trong ó giá tr c n trên c a nó có th b ng hàng tr m, th m chí hàng nghìn n m, vì th i gian 213 214
div F0y R0 LE , (5.10) d ng s t ng ng v i t ng enthalpy. S h ng th hai v trái, c th là phân kì c a dòng toàn ph n ch dòng trong ó d u ngo c vuông ch phép l y trung bình d c theo vòng tròn v , nhi t k t qu m t (hay dòng nhi t n) do chuy n ng ngang trong c t n c còn dòng nhi t kinh h ng c xác nh b ng th ng ng. Trong nh ng tr ng h p khi S / t 0 nh ng giá tr div F0 Z0 có th lí gi i nh là các dòng nhi t m t (hay ngu n) trong i d ng. Nh ng c Tvdz, F0 y vùng div F0 0 là nh ng ngu n nhi t, ng c l i nh ng vùng div F0 0 là ZK dòng nhi t m t. Giá tr div F0 d ng trong tr ng h p dòng nhi t t a ra trong ó v thành ph n t c kinh h ng c a dòng ch y. v t tr i so v i dòng nhi t i n. 5.4.2. Bi n thiên c a enthalpy id ng V ph i c a ph ng trình (5.7) là t ng i s c a cân b ng b c x , nhi t l ng chi phí cho b c h i và nhi t l ng trao i r i, th ng cg i Thông th ng, ph n óng góp c a o hàm a ph ng ( o hàm riêng) là cân b ng nhi t t bên ngoài. Nó d ng khi R0 LE , t c khi ó có S / t vào ph ng trình cân b ng nhi t nh h n so v i div F0 , tuy nhiên nó ng và âm khi R0 LE dòng nhi t t i m t id ,t c id ng c p tùy thu c nhi u vào th i kho ng l y trung bình : khi gi m ph n óng nhi t vào khí quy n. góp S / t vào ph ng trình cân b ng nhi t th ng t ng lên. Nh ng bi n Trong ph ng trình (5.7) ch a tính n m t lo t các s h ng mà nh ã thiên c a enthalpy i d ng có th t t i nh ng giá tr l n trong quá trình nói trên th ng ch có ý ngh a a ph ng. ó là dòng a nhi t, s làm bi n tính nhi t t xu t c a các kh i n c, tr c h t i v i các i front. l nh (làm m) l p n c m t do có chênh l ch gi a nhi t c a giáng th y và ng S / t có th xác Trong tr ng h p t ng quát, il nh thông nhi t c a m t i d ng v.v... qua nh ng sai phân h u h n, t c N u vùng i d ng ang xét n m các v cao, thì không nên b Sk Sn S , qua nhi t l ng t a ra (hay h p th ) trong quá trình chuy n pha n c thành t b ng và ng c l i. Trong tr ng h p này ph ng trình (5.7) có th bi u di n trong ó S k và S n enthalpy vào lúc cu i và lúc u c a kho ng tính toán nh sau: . Thí d , khi c l ng nh ng bi n thiên bên trong tháng c a enthalpy i S div F0 R0 LE LC M . (5.8) 1 tháng) chúng ta r t mu n s d ng các giá tr enthalpy ngày d ng ( t cu i và ngày u tháng làm S k và S n . Trong th c t i u này th ng t ra ng v i nh ng i u ki n trung bình n m nhi u n m (khí h u) ph ng không th , vì v y bu c ph i dùng t i nh ng th t c tính toán nào ó, thí d trình (5.7) không k t i nh ng bi n i pha n c c vi t nh sau s d ng các sai phân trung tâm: div F0 R0 LE , (5.9) Si Si S 1 1 , t c là phân kì c a dòng nhi t trong id ng c bù tr b ng cân b ng t 2 nhi t t bên ngoài. t c nh ng bi n thiên c a enthalpy i d ng trong tháng i b ng m t n a Khi l y trung bình i, ph ng trình (5.9) tr thành hi u các tr s enthalpy trong tháng sau và tháng tr c. Nên l u ý r ng 215 216
ph ng pháp này ch cho nh ng k t qu úng v i bi n thiên tuy n tính c a enthalpy i d ng. V i dao ng không tuy n tính ph ng pháp s làm sai l ch áng k giá tr c a S / t . Enthalpy i d ng d dàng tính c theo các s li u v phân b th ng ng nhi t và mu i. Nh ng vì nhi t dung và m t n c ph thu c nhi u h n vào nhi t và ph thu c ít h n vào mu i, nên trong phép x p x b c m t enthalpy i d ng có th xác nh ch theo s li u v phân b th ng ng c a nhi t . Ngoài ra, n u nh ý r ng bên d i l p ho t ng nh ng bi n thiên nhi t th ng không áng k , thì có th gi i hn sâu i d ng kho ng 200-300 m. Trong r t nhi u nghiên c u ng i ta ã xác l p c r ng nh ng bi n thiên v mô c a enthalpy l p ho t ng r t t ng quan v i nhi t mt i d ng. M t m t i u này cho phép n gi n hóa h n n a th t c tính trong nh ng tr ng h p không òi h i chính xác cao, m t khác - xem xét bi n thiên th i gian c a nhi t m t i d ng nh là m t ch th v nh ng dao ng v mô c a enthalpy i d ng. Trên hình 5.5 d n nh ng giá tr bi n thiên trung bình c a enthalpy l p ho t ng theo các i 10o c a i d ng Th gi i. Nh ã nh n xét trên, Hình 5.5. Bi n trình n m c a bi n thiên enthalpy (W/m2) l p ho t ng i nh ng giá tr này c tr ng cho t c s i nóng (làm l nh) các kh i n c d ng Th gi i (theo B.A. Kagan, I. Sankova) i d ng. T hình 5.5 th y r ng bi n thiên enthalpy có bi n trình v th hi n khá rõ. Trong ó c c i tích l y nhi t n m c n nhi t i b c bán c u C ng c n l u ý r ng n u b c bán c u nh n th y th i kì tích nhi t và và quan sát th y vào các tháng 7-8. i u lý thú là c c i làm l nh i d ng th i kì ngu i l nh kéo dài khác nhau, thì nam bán c u các th i kì ó x p x c ng n m chính i này và g p th y vào tháng 12. Nh v y chính n i dao ng n m c a S / t b c bán c u l n b ng nhau. Cu i cùng, biên ây quan sát th y biên c c i c a các dao ng n m c a i l ng c c i ch b ng g n 190 W/m2. h n rõ r t so v i nam bán c u, ó biên S / t , b ng kho ng 470 W/m2. i u này có ngh a c ng nh p và t a nhi t trong i d ng b c bán c u Trong mùa ông h u nh kh p n i di n ra s làm l nh l p n c i cao h n h n hai l n so v i nam bán c u. d ng, còn mùa hè - s i m, t c là bi n trình n m c a i l ng S / t th hi n khá rõ. Ch ngo i tr i xích o và các v c n c c b c bán c u, 5.4.3. S v n chuy n hi n nhi t trong id ng n i ây th c t không có bi n trình. c l ng các dòng nhi t ph ng ngang trong i d ng là m t v n ph c t p nh t trong khi xác nh cân b ng nhi t. Ch y u có th s d ng ba 217 218
cách ti p c n cl ng các dòng ó: dòng nhi t có h ng ng c l i - v phía Nam C c. Nh v y, i v i i Tây D ng c tr ng n i b t là tính ch t d th ng c a v n chuy n nhi t kinh - Cách ti p c n I - c l ng v n chuy n nhi t trên c s tính t c h ng. áng ti c, cho n nay hi n t ng này v n ch a c gi i thích m t dòng ch y theo d li u th y v n; cách th a áng. - Cách ti p c n II - c l ng v n chuy n nhi t theo k t qu mô hình hóa s tr hoàn l u i d ng; B ng 5.2. V n chuy n kinh h ng c a dòng hi n nhi t trung bình i trong i d ng và trong khí quy n, 1015 W (theo S.S. Lappo và nnk.) - Cách ti p c n III - c l ng v n chuy n nhi t nh là s h ng d t ph ng trình cân b ng nhi t c a i d ng ho c c a h th ng i d ng - Ph n c a v n chuy n ng Th gi i ng khí quy n. ng i d ng (%) ng Khí quy n D nhiên, m i cách ti p c n nêu trên có nh ng u i m và nh c i m Thái Bình D i Tây D D c a mình, nh ng chúng có m t nh c i m chung: chính xác c l ng V v n chuy n nhi t r t th p. H n n a, th m chí ta không ki m soát c n id chính xác c a các c l ng ó. Có th nói r ng các dòng nhi t ph ng ngang trong i d ng c bi t n ch m c nh tính. o Trong b ng 5.2 d n phân b các dòng nhi t kinh h ng trung bình theo 70 N 0,11 60 0,42 0,01 0,43 2,79 13 i t ng i d ng và i d ng Th gi i nói chung. c tr n g i v i 50 0,71 0,03 0,74 3,86 16 toàn i d ng Th gi i là v n chuy n kinh h ng c hai bán c u có 40 0,90 0,05 0,85 4,63 16 h ng n các c c, trong ó các giá tr v n chuy n kinh h ng c c i x y 30 1,21 0,40 1,61 3,93 29 i chí tuy n và b ng g n 2,0 1015 W. Tr c h t ó là do s hi n di n ra 20 1,44 0,96 0,02 2,38 2,45 49 10 1,30 0,49 0,03 1,76 1,16 34 c a nh ng dòng ch y l p m t m nh nh G nstrim, Kurosyo b c bán c u 0 1,06 0,47 0,28 0,31 0,04 115 và dòng ch y Brazil, Môz mbic nam bán c u. 10 oS 0,75 1,56 0,64 1,45 0,11 93 Ngoài ra, nh ã th y t hình 5.2, v n chuy n nhi t qua xích o g n 20 0,69 1,84 0,75 1,90 2,44 44 b ng không. i u này cho phép nh n nh r ng các quá trình trao i nhi t 30 0,67 1,79 0,66 1,78 4,59 33 b c bán c u và nam bán c u có l khá c l p v i nhau. 40 0,72 1,61 0,52 1,41 4,22 25 50 0,64 1,48 0,44 1,28 2,96 30 Tuy nhiên, n u xét riêng trong t ng i d ng, thì th y r ng có v n 60 0,70 1,61 0,16 0,62 2,20 22 chuy n nhi t qua xích o. Th t v y, i Tây D ng v n chuy n nhi t h ng t nam bán c u t i b c bán c u, còn Thái Bình D ng và n Trong khí quy n, v n chuy n nhi t t ng bán c u h ng t i các c c và t c c i g n 40o. Vì c c i c a v n chuy n i d ng d ch v phía xích D ng, ng c l i, t b c bán c u t i nam bán c u. V c b n v n chuy n o m t ít, nên nói chung i d ng m nh n v n chuy n nhi t t các v nhi t Thái Bình D ng, c bi t phía nam xích o, t ng t nh v n xích o - chí tuy n v các v cao, ó nhi t c c p cho khí quy n chuy n nhi t trong i d ng Th gi i. i Tây D ng dòng nhi t kinh b ng con ng b c h i. Sau ó nhi t c v n chuy n ti p t c v phía các h ng t i t t c các v h ng v phía B c C c, trong khi n D ng 219 220
c c ch y u theo con ng khí quy n. Bây gi ta xem xét s phân b c a i l ng phân kì dòng nhi t kinh h ng trung bình i, i l ng này có th tính t ph ng trình (5.10) thông ng Th gi i qua cân b ng nhi t t bên ngoài theo i u ki n trung bình khí h u. D nh n th y r ng phân b c a h p ph n cân b ng nhi t này mang c i m “l n x n” h n nhi u so v i dòng nhi t kinh h ng. Nhìn chung nh ng v th p c a c hai bán c u là nh ng ngu n nhi t, vì ây cân b ng nhi t id t bên ngoài mang d u d ng. T t c nh ng v còn l i là nh ng vùng tiêu nhi t, vì t ng nhi t c p vào khí quy n v t tr i dòng nhi t b c x t i. i ng phân kì dòng nhi t toàn ph n (W/m ) trên Tây D ng t ra là m t ngo i l : t t c ph n phía nam c a nó là vùng tích nhi t. ó là vì l ng nhi t chi phí cho b c h i th p h n so v i các i d ng 2 khác và tr c h t so v i Thái Bình D ng. K t qu là vùng c c i tích nhi t i Tây D ng nh n th y t i i 60-50oS, c c i tiêu phí nhi t - tuy t i i Tây D ng và t i i 60-50oN. c ng n D ng s khác bi t v i u ki n tích và tiêu nhi t gi a các v t ra ít h n, ó là do ho t ng c a các dòng ch y. Ph i l u ý r ng phép l y trung bình i cho b c tranh r t s l c, b i vì ch a tính t i s bi n thiên không gian c a các c tr ng d c theo vòng tròn v , s bi n thiên này có th r t áng k vì kích th c to l n c a i d ng, s hi n di n c a các l c a và các o v.v... i u này có th d dàng kh ng nh n u chú ý t i hình 5.6. Trên hình này th hi n phân b c a i l ng phân kì dòng nhi t i d ng Th gi i i v i nh ng i u ki n giá tr n m trung bình. Th t v y, t i cùng m t v có th có các vùng tích c ng nh có 40 oN các b l c a phía ông trong các vùng tiêu nhi t. Thí d , t i v il i các dòng ch y m G nstrim và Kurosyo quan sát th y nh ng tiêu nhi t Hình 5.6. Phân b l n, trong khi các b phía tây ta nhìn th y nh ng vùng tích nhi t cho i d ng. Tính b t ng nh t không gian trong phân b các i l ng div F0 tr c h t liên quan t i nh h ng c a các dòng ch y. nh ng vùng ho t ng c a các dòng ch y m thì tiêu phí nhi t vào khí quy n th ng l n h n tích l y nhi t, i u này d n t i ch l ng nhi t do các dòng ch y mang i (dòng i) ít h n l ng nhi t do chúng mang n (dòng n). K t qu là ta nhìn th y nh ng giá tr d u âm c a div F0 trên b n . 221 222
B c tranh ng c l i th ng quan sát th y nh ng vùng ho t ng c a C hai ph ng pháp (th ng giáng và gra ien) u khá ph c t p, r t các dòng ch y l nh, thí d dòng Kanar , Caliphocnia, Benghel, Pêru, ây nh y c m v i nh ng i u ki n bên ngoài và th ng c dùng trong khi th c các giá tr div F0 mang d u d ng. Tuy nhiên, t i các v cao, do dòng b c hi n nh ng thí nghi m hi n tr ng chuyên d ng trên t u nghiên c u khoa h c. Vì v y, s l ng quan tr c tr c ti p v các dòng r t ít và ch y u ch x m t tr i gi m m nh, nhi t n c và không khí r t t ng ph n nhau, ta có th l i nhìn th y nh ng giá tr div F0 âm nh ng vùng ho t ng c a th c hi n i v i nh ng tr ng h p t c gió nh và t c gió trung bình. Ph ng pháp khí ng l c c dùng r ng rãi nh t trong các tính toán dòng ch y l nh, t c các vùng này là nh ng tiêu phí nhi t c a id ng i trà, nó có u i m ch ch òi h i thông tin ban u t i thi u, t c ch (dòng ông Grinlan, Labra o). gió trung bình, nhi t và m không khí t i c n nh ng d li u v t c cao 10 m ( U 10 , T10 , q10 ) và nhi t c a m t bi n. Các công th c tính 5.4.4. M t nhi t do b c h i và nhi t trao ir ic a id ng toán có d ng: v i khí quy n cP A CT (TW T10 ) U 10 , Hi n nay tính các dòng nhi t hi n và n t n t i r t nhi u ph ng (5.13) LE L AC E (q (TW ) q10 ) U 10 , pháp d a trên nh ng gi thi t khác nhau. Nh ng ph ng pháp ph bi n nh t là: ph ng pháp th ng giáng (t ng quan), ph ng pháp gra ien (tr c di n) trong ó CT và C E tu n t là nh ng h s trao i nhi t và trao i m (s và ph ng pháp sai phân (khí ng l c). Stenton và s Dalton), q(TW ) t ph n kh i l ng c a m l ng c xác Th c ch t c a ph ng pháp th ng giáng có th bi u di n b ng nh ng nh theo nhi t n c có tính t i mu i. công th c sau: Ta nh n th y trong các công th c trên ây ã gi thi t r ng các dòng cP A w Ta , LE L Aw q , (5.11) nhi t không i theo cao. L p không khí trong ó các dòng th ng ng x p x không bi n i theo cao c g i là l p khí quy n sát m t n c. không khí, w trong ó mt thành ph n th ng ng c a t c A B dày c a l p này th ng b ng m t s ch c mét và ph thu c vào nhi u gió, Ta không khí, q nhi t t ph n kh i l ng h i n c. Ph ng nhân t bên ngoài, trong ó có c ng c a các dòng xung l ng, nhi t và pháp này là c n c ng i ta quan tr c các dòng r i b ng các thi t b v i m. quán tính nh t trên boong t u hay các b quan tr c th trôi t do. 0 và LE ã th y t (5.13), khi U 10 0, i u Ngoài ra, nh 0 thì Ph ng pháp gra ien d a trên vi c o các tr c di n (gra ien th ng này không phù h p v i th c t , b i vì trong tr ng h p ó v i phân t ng b t ng) c a t c gió, nhi t , m không khí và sau ó c l ng các n nh c a l p sát m t n c ( T 0 ) v n chuy n nhi t và m lên trên s dòng nhi t b ng nh ng công th c có d ng: c th c hi n b ng c ch i l u t do. Vì v y t i nh ng t c gió nh Ta q ( U 10 3 m/s) thay vì công th c (5.13) tính các dòng có th s d ng, thí cP A kT LE L AkE , , (5.12) z z d , nh ng m i ph thu c n gi n sau ây c a R.S. Bortkovski: trong ó k T và k E tu n t là nh ng h s khu ch tán r i c a nhi t và c a e 3 ( T10 )1 / 3 T10 , A CT 1,15 10 h in c, th ng c tính theo d li u v tr c di n th ng ng c a t c (5.14) e LE 1,15 10 3 L ( T10 )1 / 3 e10 , AC E gió. 223 224
e e T10 CE CT f (U 10 , T10 ) . trong ó l ng h t nhi t hi u d ng c xác nh b ng e Tr s c a các h s trao i nhi t và m c cho d i d ng b ng ho c T10 (TW T10 ) 0,108 (eW e10 ) . (5.15) b ng các toán chuyên d ng. Trên hình 5.7 d n m t toán nh v y, t S h ng th hai c a công th c này ( eW áp su t riêng ph n bão hòa ây th y r ng v i nh ng t c gió nh thì phân t ng c a l p sát m t n c m t bi n, e10 c ah in c t i nhi t áp su t riêng ph n c a h i n ct i c c tr ng b ng T1e có nh h ng quy t nh t i giá tr c a các s 0 cao 10 m) th hi n hi u ch nh do phân t ng m c a l p không khí sát e T10 b t Stenton và Dalton. Khi t c gió t ng thì vai trò c a u gi m, còn m t n c. vai trò c a t c gió t ng lên. gió l n ( U 10 V i nh ng t c 14 m/s) ng v i i u ki n bão, ng i ta th y có thêm s b c h i và trao i nhi t tr c ti p t m t l p b i n c t o thành trên nh sóng gió b sung vào c ch hình thành trao i nhi t và m do r i. Do ó dòng nhi t hi n và c bi t dòng nhi t n s t ng m nh. Bài toán c l ng s óng góp c a bão vào t ng l ng m t nhi t n nay v n còn mang tính ch t tranh cãi. i u này liên quan t i nh ng khó kh n khi ti n hành quan tr c khí t ng th y v n trong i u ki n bão. Theo m t s ánh giá thì ph n óng góp c a bão (t ng th i gian kéo dài bão trong tháng th ng ch b ng m t s ngày) có th t ng ng v i l ng m t nhi t trung bình tháng. Nh v y, tùy thu c t c gió, chúng ta có ba c ch hình thành trao i nhi t và m: c ch trao i th ng (trong gió l ng), c ch trao i r i (trong gió trung bình), c ch trao i r i - b i n c (trong bão). và LE liên quan t i vi c Tr ng i l n nh t khi c l ng các giá tr xác nh các s Stenton và Dalton. Th ng ng i ta ch p nh n r ng CT C E , m c dù ch a có ch ng minh ch t ch v s b ng nhau c a các s ó. Tuy nhiên, v n v s liên h c a các s Stenton và Dalton v i các tham s quy t nh còn ph c t p h n. Vì cho n nay ch a tìm c nh ng m i ph thu c v n n ng, nên trong các tính toán s d ng nh ng ph ng án r t khác nhau: t ch p nh n chúng b ng nh ng h ng s cho n nh ng m i ph thu c ph c t p a tham s c a C E và CT vào các c tr ng c a l p không khí sát m t n c. Thí d , trong m t mô hình bán th c nghi m, do R.S. Bortkovski và các ng nghi p xu t cho các t c gió trung bình, ã Hình 5.7. Toán xác nh các h s trao i nhi t và m ( C T và C E ) ph thu c ch p nh n vào l ng h t nhi t hi u d ng và t c gió (theo N.Z. Ariel, A.V. Murasova) 225 226
Ph ng pháp khí ng l c có th c gii n c mà không làm gi m chính xác c a tính toán. Thí d , trong khi tính LE trong công nhi u v th c (5.13) n u chuy n t t ph n kh i c a m l ng sang áp su t riêng ph n và sau ó l i d ng ph ng trình tr ng thái c a không khí khô (hi u ch nh do m không khí b ng d i 1 %), ta có LMC E eU 10 T z 1 , LE (5.16) trong ó M h s th nguyên ph thu c vào qui mô l y trung bình các s li u xu t phát, T z nhi t không khí ( K). H s trao i m là hàm c a l ng h t nhi t và t c gió t i cao 10 m và c xác nh v i chính xác th a mãn các m c ích th c t theo công th c sau: 3 0,762 10 4 U 10 4 CE T10 0,88 10 0,882 10 0,591 10 6 U 10 2 5 2 0,191 10 5 U 10 T10 . T10 0,11 10 Nh ng sai khác v các giá tr b c h i trung bình tháng tính theo công th c (5.16) và mô hình bán th c nghi m l p sát m t n c th ng không v t quá 5 %. N u xét nh ng giá tr n m trung bình i c a l ng m t nhi t do b c h i (xem b ng 5.3), có th nh n th y bi n thiên kinh h ng bi u l rõ nét v i m t c c i t ng bán c u trong i chí tuy n (10-20o). Trong ó gra ien kinh h ng chí tuy n - c c c hai bán c u x p x nh nhau. Phân tích các nhân t quy t nh ã ch ng t r ng s phân b nh v y c a các giá tr LE tr c h t là do phân b kinh h ng c a l ng h t m trong l p sát m t n c và r t ít ph thu c vào t c gió, phân b t c gió mang tính ch t r t không u n. Phân b dòng nhi t r i gi a các v ph c t p h n (xem b ng 5.3). Nhìn chung, c ng trao i nhi t t ng khi xa d n kh i ng xích o. c n c c (70 -60 oN), t i Trong ó b c bán c u nó t c c i t i các v ây quan sát th y chênh l ch c c i gi a nhi t n c và không khí. V nam bán c u n i lên m t i 40 50 oS, t i ó dòng phân b các giá tr nhi t r i y u h n nhi u so v i các v lân c n. B i vì trong ph m vi i này i Tây D ng và n D ng nhi t n c trung bình n m h u nh t ng ng v i nhi t không khí, và dòng nhi t r i g n b ng không. 227 228
B ng 5.4. Giá tr trung bình i c a t s Bowen i v i các id ng Mu n so sánh l ng m t nhi t do b c h i và trao i nhi t r i có th (theo L.A. Strokina) tính t s Bowen 0,65 (TW T A ) i Tây Thái Bình n i d ng . Bo iv D ng D ng D ng Th gi i LE eW e A 60 oN 70 0,75 c eW liên h v i nhi t Áp su t riêng ph n bão hòa c a h i n n c 60 50 0,37 0,44 0,39 TW b ng công th c th c nghi m c a Magnus 50 40 0,24 0,23 0,24 7 , 45 TW 40 30 0,15 0,15 0,15 ( 235 TW ) eW , 6,1 10 30 20 0,09 0,07 0,04 0,07 còn m không khí t ng quan d ng v i nhi t không khí. T ây tr 20 10 0,05 0,06 0,04 0,05 nên rõ r ng nhi t n c và không khí là nh ng nhân t quy t nh i v i 10 0 0,07 0,07 0,06 0,07 t s Bowen. 10 oS 0 0,06 0,05 0,06 0,04 c a B o nh n th y s bi n Trong phân b các giá tr trung bình v 10 20 0,06 0,07 0,06 0,05 20 30 0,09 0,12 0,09 0,10 b c bán c u: các giá tr Bo t ng thiên kinh h ng bi u hi n rõ nét, c bi t 30 40 0,11 0,17 0,10 0,14 d n t các v th p lên phía các v cao (b ng 5.4). Nh v y, ph n óng 40 50 0,02 0,17 0,00 0,09 góp l n nh t c a dòng nhi t r i vào t ng l ng m t nhi t t i d ng vào 50 60 0,18 0,24 0,34 0,25 khí quy n s x y ra nh ng vùng c n c c (tr c h t các bi n Grinlan và Na Uy), n i ây hình thành chênh l ch c c i gi a nhi t n c và nhi t C ch nh h ng c a nhi t n t i các quá trình khí quy n khác v c n và LE khác nhau không nh ng v nh không khí. H n n a các dòng b n. c i m i n hình c a h i n c là nó có th b hoàn l u khí quy n l ng mà còn v nh tính, t c v xu h ng nh h ng c a chúng lên khí mang i xa hàng tr m và hàng nghìn kilômét ch ng nào có ch a b ng ng t quy n. Th t v y, dòng nhi t r i là ngu n chính s i m các l p không khí và ch a t o thành mây. Khi ng ng t m t nhi t l ngkh ng l c t a ra là th p bên trên i d ng. c bi t hi u ng này l rõ các v trung bình ngu n chính duy trì các quá trình hoàn l u khí quy n và các xoáy synop và cao trong mùa ông, khi s khác bi t gi a nhi t không khí bên trên i v mô (xoáy thu n, bão v.v...). Vì v y, khác v i trao i nhi t r i, nh h ng d ng và trên l c a t i cùng m t v có th t i vài ch c . c a b c h i n khí quy n c th c hi n m t cách không tr c ti p và có th th p quan sát th y hi u ng ng c l i, vì nhi t không các v bi u l trên nh ng kho ng cách xa h n k t n i b c h i. khí trên t li n th ng cao h n nhi t không khí trên i d ng. Rút c c, Bây gi ta xét nh ng c i m phân b a lý c a các dòng nhi t hi n qui lu t c b n c a trao i nhi t r i là nó có tác ng làm d u khí h u hành tinh: các v th p nh ng kh i không khí l nh h n c mang vào t và n (hình 5.8 và 5.9). Trong phân b c a l ng nhi t m t do b c h i th li n, còn các v trung bình và cao - nh ng kh i không khí m h n c hi n rõ tác ng c a hai nhân t : nhân t a i liên quan v i dòng nhi t mang vào l c a. b cx n và nhân t phi a i do tác ng c a các h i l u. nh h ng 229 230
ng Th gi i (theo L.A. Strokina) a i th hi n s gi m khá u giá tr LE t chí tuy n v c a nhân t phía các v c c. Và ch có nh ng v c n xích o thì nh h ng c a a i lên s hình thành LE m i t ra suy gi m. ó là vì nhân t ây l ng m a l n nh t, ng nhiên d n t i làm t ng m không khí và nh là h qu , làm gi m b c h i so v i chí tuy n. Các dòng ch y phá v tính a i là vì chúng nh h ng t i nhi t c a m t b c h i. Ho t ng c a các dòng ch y m có tác d ng làm t ng m nh c ng b c h i trong vùng các h i l u G nstrim, B c i Tây D ng, Kurosyo, Môz mbic, Brazin và các h i l u khác. Trong vùng ho t id ng c a nh ng dòng ch y l nh s b c h i th ng gi m áng k , ólà nh ng Hình 5.8. Phân b giá tr n m trung bình m t nhi t do b c h i (W/m ) trên vùng ho t ng c a h i l u Labra o, Kanar , Kaliphocnia, Pêru, Pholklan và 2 Benghel. Nh ng c c i tuy t i c a l ng nhi t m t do b c h i (h n 200 2 W/m ) c ghi nh n b c bán c u trong vùng ho t ng c a G nstrim và Kurosyo. nh ng vùng này l ng h t m trong l p sát m t n c t ra tr i h n không ch do nhi t n c cao, mà còn do không khí t ng i khô c mang t i ây t các l c a trong mùa l nh. Nh ng giá tr m t nhi t do b c h i th p nh t quan sát th y t i các v trung bình c a nam bán c u i Tây D ng và n D ng, n i ây di n ra s t ng tác c a các khí oàn nóng và m t nh ng v chí tuy n t i v i m t i d ng t ng i l nh vùng ho t ng c a h i l u Gió Tây. H u nh trên toàn b m t i d ng Th gi i dòng nhi t r i h ng lên khí quy n. Ch ngo i tr nh ng vùng h i l u l nh Kalifornia và h i l u Gió Tây và i n c tr i phía nam xích o ông ph n Thái Bình D ng. ây l p khí quy n sát m t n c m h n m t i d ng, vì v y dòng nhi t hi n h ng xu ng i d ng. 231 232
Các giá tr c c i quan sát th y b c bán c u t i nh ng vùng có ng và khí quy n (W/m2) (theo L.A. Strokina) t ng ph n l n gi a nhi t n c và nhi t không khí. Trong ó vai trò quan tr ng h n th ng không thu c v nhi t m t i d ng, mà là nhi t c a các khí oàn t nh ng vùng l c a ho c t th y v c B c B ng D ng i t i. Thí d , bi n Grinlan, bên trên h i l u l nh ông Grinlan dòng hi n nhi t t t i 90 W/m2. Ngoài ra, nh n th y nh ng giá tr cao nh ng vùng ho t ng c a G nstrim và Kurosyo, nh ng n i này c ng liên quan m t thi t v i các khí oàn l c a l nh ti n ra i d ng vào mùa ông. Tuy nhiên trên ph n l n m t i d ng Th gi i, c bi t các v nhi t i và c n xích o, trao i nhi t r i không l n. Trong các tính toán s , c bi t liên quan t i nghiên c u t ng tác v mô i d ng và khí quy n, ng i ta th ng hay xét l ng m t nhi t t ng c ng - t ng c a các dòng LE và . Chính là trên các b n l ng m t id nhi t t ng c ng c a th i kì mùa ông bi u l r t rõ s phân hóa không gian trong phân b c a i l ng này và n i lên các i tích c c n ng l ng i Hình 5.9. Phân b giá tr n m trung bình dòng nhi t r i gi a d ng t p trng tr c h t h th ng các h i l u nóng. Thí d , trong h th ng G nstrim, ng i ta th ng phân bi t ba i tích c c n ng l ng: i Bermu a n m phía nam m i Gatteras gi a châu M và qu n o Bermu a, i Niuph nlan và i Na Uy. Nh ng n m g n ây ng i ta c bi t chú ý nghiên c u các i tích c c n ng l ng do vai trò then ch t c a chúng trong s hình thành các dao ng h n ng n c a khí h u hành tinh. Bi n trình trong n m c a các dòng nhi t hi n và n c gây nên b i nh ng bi n i mùa c a l ng h t nhi t và m trong l p sát m t n c. trung bình và cao, bi n trình n m LE và Theo ó, các v th hi n r t rõ, trong khi các v th p ( c bi t trong n D ng và Thái Bình D ng) nó bi u l y u. Các giá tr dòng nhi t hiên và n c c i nh n th y vào mùa ông, còn giá tr c c ti u - mùa hè. i u này c th y tr c quan ó th hi n bi n trình n m c a các dòng LE và l y trung trên hình 5.5, bình theo bán c u i v i t ng i d ng. Nh chúng ta mong i, nam bán c u bi n trình n m th hi n y u h n nhi u so v i b c bán c u. Ngo i tr n D ng, ph n phía b c c a nó n m trong i tác ng c a gió mùa 233 234