Hệ thống Khí hậu vật lý toàn cầu: Phần 2

Chia sẻ: Chạy Ngay Đi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:108

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tiếp nối phần 1, phần 2 cuốn sách Hệ thống Khí hậu vật lý toàn cầu gồm có 4 chương như sau: Chương 4 cân bằng năng lượng bề mặt; chương 5 chu trình nước; chương 6 hoàn lưu chung khí quyển và khí hậu; chương 7 hoàn lưu chung đại dương và khí hậu. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Hệ thống Khí hậu vật lý toàn cầu: Phần 2

Ch−¬ng 4. C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt 4.1 §iÓm tiÕp xóc BÒ mÆt cña tr¸i ®Êt lµ biªn gi÷a khÝ quyÓn vµ mÆt ®Êt hoÆc ®¹i d−¬ng. ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña biªn nµy cã thÓ khã kh¨n khi trªn biÓn cã nhiÔu ®éng lín hoÆc trªn mÆt ®Êt cã líp phñ thùc vËt biÕn ®æi. Ta sÏ gi¶ thiÕt r»ng vÞ trÝ cña bÒ mÆt nµy cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh mét c¸ch thÝch hîp, vµ ta sÏ xem nã nh− lµ mét mÆt ph©n c¸ch ®¬n gi¶n gi÷a hai m«i tr−êng, nh−ng khi xÐt ®Õn nh÷ng qu¸ tr×nh trao ®æi n¨ng l−îng quan träng ta cÇn ph¶i ®−a vµo c¸c líp biªn cña khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng vµ líp mét vµi mÐt trªn cïng cña líp ®Êt. Còng nh− c¸c dßng t¹i ®Ønh khÝ quyÓn, dßng n¨ng l−îng ®i qua bÒ mÆt cã vai trß rÊt quan träng ®èi víi khÝ hËu, ®Æc biÖt v× khÝ hËu t¹i vÒ mÆt lµ bé phËn quan träng nhÊt. C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt quyÕt ®Þnh l−îng n¨ng l−îng cã ®−îc ®Ó lµm bèc h¬i n−íc bÒ mÆt vµ lµm t¨ng hoÆc gi¶m nhiÖt ®é bÒ mÆt. C¸c qu¸ tr×nh bÒ mÆt còng ®ãng vai trß quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh c©n b»ng n¨ng l−îng cña c¶ hÖ thèng toµn cÇu. Nguån (budget) n¨ng l−îng t¹i bÒ mÆt phøc t¹p h¬n nhiÒu so víi t¹i ®Ønh khÝ quyÓn, v× nã ®ßi hái xem xÐt c¸c dßng n¨ng l−îng do truyÒn dÉn vµ do ®èi l−u nhiÖt, Èm th«ng qua sù chuyÓn ®éng cña chÊt láng còng nh− bøc x¹. Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt ®Þa ph−¬ng phô thuéc vµo ®é chiÕu n¾ng, c¸c ®Æc tr−ng bÒ mÆt nh− tr¹ng th¸i Èm −ít, líp phñ thùc vËt, albedo, vµ c¸c tÝnh chÊt cña khÝ quyÓn phÝa trªn. Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt liªn hÖ mËt thiÕt víi chu tr×nh n−íc, v× sù bèc h¬i tõ bÒ mÆt lµ thµnh phÇn c¬ b¶n trong c¶ c¸c nguån n¨ng l−îng vµ nguån n−íc. ViÖc hiÓu biÕt nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt lµ bé phËn cÇn thiÕt ®Ó hiÓu biÕt khÝ hËu vµ sù phô thuéc cña nã vµo nh÷ng t¸c ®éng c−ìng bøc tõ bªn ngoµi. 4.2 Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt Nguån n¨ng l−îng bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt d−íi d¹ng dßng n¨ng l−îng ®i qua mét ®¬n vÞ diÖn tÝch mÆt ph©n c¸ch kh«ng khÝ − bÒ mÆt theo ph−¬ng th¼ng ®øng vµ ®−îc ®o b»ng Watt trªn mÐt vu«ng (W/m2). C¸c qu¸ tr×nh x¸c ®Þnh sù truyÒn n¨ng l−îng gi÷a bÒ mÆt vµ khÝ quyÓn bao gåm sù truyÒn bøc x¹ mÆt trêi vµ bøc x¹ hång ngo¹i, c¸c dßng n¨ng l−îng liªn quan víi sù chuyÓn ®éng cña chÊt láng trong khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng. Sù tÝch luü vµ vËn chuyÓn n¨ng l−îng phÝa d−íi bÒ mÆt còng quan träng. Cho môc ®Ých tÝnh to¸n nguån n¨ng l−îng, tÝch luü n¨ng l−îng bÒ mÆt x¶y ra trong thÓ tÝch gi÷a biªn víi khÝ quyÓn vµ ®é s©u d−íi bÒ mÆt n¬i mµ c¸c dßng n¨ng l−îng vµ tèc ®é tÝch luü n¨ng l−îng ®−îc xem lµ kh«ng ®¸ng kÓ. §é s©u nµy cã thÓ nhá chØ vµi mÐt ë nh÷ng vïng ®Êt kh« hoÆc lín ®Õn vµi kil«mÐt nh−
trong c¸c vïng ®¹i d−¬ng n¬i n−íc s©u. §èi víi bÒ mÆt n−íc, dßng n¨ng l−îng ngang sinh ra do chuyÓn ®éng chÊt láng phÝa d−íi bÒ mÆt cã thÓ ®ãng vai trß rÊt quan träng. C©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt b»ng c¸c ký hiÖu nh− trong (4.1). ∂ E s = G = R s − LE − SH − ∆Feo (4.1) ∂t ∂ trong ®ã E s = G lµ tÝch luü n¨ng l−îng trong líp ®Êt vµ n−íc bÒ mÆt, Rs lµ dßng ∂t n¨ng l−îng bøc x¹ thuÇn ®i vµo bÒ mÆt, LE lµ dßng Èn nhiÖt tõ bÒ mÆt vµo khÝ quyÓn, SH lµ dßng hiÓn nhiÖt tõ bÒ mÆt vµo khÝ quyÓn vµ ∆Feo lµ dßng ngang ra khái cét ®Êt−®¹i d−¬ng phÝa d−íi bÒ mÆt. D−íi ®iÒu kiÖn æn ®Þnh bÒn v÷ng trong ®ã tÝch luü n¨ng l−îng lµ nhá, vÝ dô nh− cã thÓ gi¶ thiÕt lÊy trung b×nh cho toµn n¨m hoÆc trung b×nh ngµy trªn ®Êt, c©n b»ng n¨ng l−îng lµ sù c©n b»ng gi÷a ®èt nãng bøc x¹ vµ c¸c qu¸ tr×nh lÊy ®i n¨ng l−îng tõ bÒ mÆt. Rs = LE + SH + ∆Feo (4.2) Trong phÇn lín c¸c tr−êng hîp th× bøc x¹ ®èt nãng bÒ mÆt, cßn c¸c dßng Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt l¹i lµm l¹nh bÒ mÆt, do ®ã c¸c h¹ng tö biÓu diÔn dßng nhiÖt bøc x¹, Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt trong (4.1) vµ (4.2) hÇu nh− th−êng mang dÊu d−¬ng (h×nh 4.1) H×nh 4.1 S¬ ®å chØ mèi quan hÖ cña c¸c thµnh phÇn kh¸c nhau trong c©n b»ng n¨ng l−îng bÒ ∂ mÆt (RS=Bøc x¹ thuÇn, LE=Lµm l¹nh bèc h¬i, SH=Lµm l¹nh hiÓn nhiÖt, ES=TÝch luü nhiÖt d−íi ∂t bÒ mÆt, ∆Feo=Ph©n kú dßng n¨ng l−îng ngang d−íi bÒ mÆt) ý nghÜa vËt lý cña (4.1) lµ ë chç, tÝch luü n¨ng l−îng phÝa d−íi bÒ mÆt b»ng bøc x¹ thuÇn ®i vµo trõ ®i l−îng nhiÖt mÊt tõ bÒ mÆt do bèc h¬i, dßng hiÓn nhiÖt vµ vËn chuyÓn nhiÖt theo ph−¬ng ngang ®Õn c¸c vÜ ®é hoÆc kinh ®é kh¸c. Khi x©y dùng (4.1) ta ®· lo¹i bá rÊt nhiÒu thµnh phÇn kh¸c mµ ®èi víi mét ®Þa ph−¬ng hoÆc ®èi víi nh÷ng thêi kú ng¾n chóng cã thÓ lµ quan träng. Nh÷ng thµnh phÇn nµy bao gåm: − Èn nhiÖt lµm tan b¨ng hoÆc tuyÕt vÒ mïa xu©n cã thÓ cÇn ®Õn 10% n¨ng l−îng bøc x¹ d− thõa trong mét thêi ®o¹n nhÊt ®Þnh. − Sù chuyÓn ®æi ®éng n¨ng cña giã vµ sãng thµnh nhiÖt n¨ng, nãi chung nhá. − TruyÒn nhiÖt do gi¸ng thuû cã thÓ xuÊt hiÖn nÕu gi¸ng thuû cã nhiÖt ®é kh¸c nhiÖt ®é bÒ mÆt. C¬ chÕ nµy ®Æc biÖt quan träng khi cã m−a rµo vÒ mïa hÌ, v× n−íc m−a cã thÓ l¹nh h¬n bÒ mÆt nhiÒu vµ nhiÖt dung cña n−íc lín. 79
− Mét l−îng n¨ng l−îng mÆt trêi nµo ®ã kh«ng ®−îc thÓ hiÖn râ d−íi d¹ng nhiÖt, mµ ®−îc tÝch luü d−íi d¹ng liªn kÕt ho¸ häc h×nh thµnh trong qu¸ tr×nh quang hîp. TÝnh chung toµn cÇu lo¹i nµy nhá h¬n 1%, nh−ng cã thÓ ®¹t ®Õn cì 5% mang tÝnh ®Þa ph−¬ng trong mét kho¶ng thêi gian h¹n chÕ. − NhiÖt gi¶i phãng do oxy ho¸ c¸c vËt chÊt sinh vËt, qu¸ tr×nh ng−îc l¹i cña qu¸ tr×nh quang hîp, nh− trong qu¸ tr×nh ph©n huû sinh vËt hoÆc ch¸y rõng. N¨ng l−îng chøa trong vËt chÊt sinh vËt trong qu¸ tr×nh quang hîp ®−îc tr¶ vÒ hÖ thèng khÝ hËu vËt lý th«ng qua sù oxy ho¸. Qu¸ tr×nh nµy x¶y ra quanh n¨m nh−ng thùc hiÖn kh¸ nhanh khi bÒ mÆt nãng vµ Èm. − Trªn qui m« toµn cÇu, sù gi¶i phãng n¨ng l−îng ®Þa nhiÖt ë nh÷ng khe nøt nãng, ®éng ®Êt, vµ nói löa lµ nhá. − NhiÖt ®−îc gi¶i phãng do ®èt nhiªn liÖu ho¸ th¹ch hoÆc sù t¹o thµnh n¨ng l−îng h¹t nh©n cã thÓ quan träng mang tÝnh ®Þa ph−¬ng, nh−ng kh«ng ®¸ng kÓ ®èi víi c©n b»ng n¨ng l−îng toµn cÇu. 4.3 TÝch luü nhiÖt ë bÒ mÆt TÝch luü n¨ng l−îng ë bÒ mÆt rÊt quan träng ®èi víi chu kú mïa cña nhiÖt ®é trªn ®¹i d−¬ng vµ chu kú ngµy ®ªm trªn mÆt ®Êt vµ ®¹i d−¬ng. ë d¹ng ®¬n gi¶n nhÊt, l−îng n¨ng l−îng t¹i bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt nh− lµ tÝch cña nhiÖt dung h÷u hiÖu ®èi víi hÖ thèng tr¸i ®Êt−®¹i d−¬ng vµ nhiÖt ®é trung b×nh t−¬ng øng. E s = C eo Teo (4.3) trong ®ã C eo nhiÖt dung h÷u hiÖu cña hÖ thèng lôc ®Þa hoÆc ®¹i d−¬ng (J/(m2K)) vµ Teo lµ nhiÖt ®é h÷u hiÖu cña chÊt dù tr÷ n¨ng l−îng lôc ®Þa hoÆc ®¹i d−¬ng (K). NhiÖt dung phô thuéc vµo c¸c tÝnh chÊt vËt lý cña bÒ mÆt vµ ®é s©u cña líp bÒ mÆt mµ nã liªn hÖ víi khÝ quyÓn trªn qui m« thêi gian cÇn quan t©m. Nãi chung chØ vµi mÐt trªn cïng cña líp ®Êt chÞu t¸c ®éng mïa cña c©n b»ng n¨ng l−îng bÒ mÆt, nh−ng nhiÖt ®é cña líp 50−100m trªn cïng cña ®¹i d−¬ng biÕn ®æi theo mïa. Líp d−íi s©u cña ®¹i d−¬ng cã trao ®æi n¨ng l−îng víi bÒ mÆt còng biÕn ®æi theo mïa, do ®ã còng cÇn ph¶i xem xÐt kh¶ n¨ng phô thuéc thêi gian cña nhiÖt dung h÷u hiÖu. NhiÖt dung cña khÝ quyÓn ®−îc −íc l−îng th«ng qua n¨ng l−îng liªn quan ®Õn chuyÓn ®éng cña ph©n tö, n¨ng l−îng nµy cã quan hÖ víi nhiÖt ®é. NhiÖt dung lµ l−îng n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó lµm t¨ng nhiÖt ®é lªn 1 ®é. Ta cã thÓ xÊp xØ nhiÖt dung riªng cña kh«ng khÝ b»ng nhiÖt dung riªng cña kh«ng khÝ kh« víi ¸p suÊt kh«ng ®æi. §Ó nhËn ®−îc nhiÖt dung cho toµn bé khÝ quyÓn ta tÝch ph©n theo khèi l−îng khÝ quyÓn vµ ®−îc Ps 1004JK −1kg −1105 Pa Ca = c p = −2 = 1,02 × 10 7 JK −1m − 2 (4.4) g 9,81ms Ng−êi ta cã thÓ −íc l−îng nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng b»ng viÖc sö dông nhiÖt 80
dung cña n−íc láng tinh khiÕt ë 0oC. NhiÖt dung cña líp n−íc ®é dµy tuú ý dw cã thÓ nhËn ®−îc tõ mËt ®é ρw vµ nhiÖt dung riªng cw: Co = ρwcwdw = 103kgm−3.4218 JK−1kg−1.dw = dw.4,2×106 JK−1m−2m−1 (4.5) So s¸nh (4.4) vµ (4.5) ta thÊy r»ng nhiÖt dung cña khÝ quyÓn b»ng nhiÖt dung cña líp n−íc 2 m. Nh− ®· nãi ë ch−¬ng 7, líp n−íc kho¶ng 70m trªn cïng cña ®¹i d−¬ng t−¬ng t¸c víi khÝ quyÓn trªn qui m« thêi gian kho¶ng mét n¨m, do ®ã trªn qui m« thêi gian mïa nhiÖt dung cña ®¹i d−¬ng gÊp kho¶ng 30 lÇn cña khÝ quyÓn. 4.3.1 TÝch luü nhiÖt trong ®Êt §Êt cã nhiÖt dung h÷u hiÖu nhá h¬n nhiÒu so víi ®¹i d−¬ng. V× bÒ mÆt ®Êt lµ r¾n nªn sù truyÒn nhiÖt h÷u hiÖu do chuyÓn ®éng cña chÊt láng x¶y ra trong khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng sÏ kh«ng x¶y ra trong ®Êt. NhiÖt ®−îc truyÒn qua ®Êt hÇu nh− chØ b»ng qu¸ tr×nh dÉn nhiÖt kÐm hiÖu qu¶. ChØ kho¶ng 1−2 mÐt ®Êt trªn cïng lµ chÞu ¶nh h−ëng cña sù biÕn ®éng mïa. NhiÖt dung cña bÒ mÆt ®Êt nãi chung nhá h¬n mét Ýt so víi nhiÖt dung khÝ quyÓn. Dßng n¨ng l−îng nhiÖt dÉn th¼ng ®øng trong ®Êt tû lÖ víi gradient nhiÖt ®é trong ®Êt. ∂ Fs = −K T T (4.6) ∂z trong ®ã KT lµ ®é dÉn nhiÖt. C©n b»ng nhiÖt trong ®Êt lµ sù c©n b»ng gi÷a nhiÖt tÝch luü trong ®Êt vµ sù héi tô cña dßng nhiÖt khuyÕch t¸n. ∂ ∂ ∂ ⎛ ∂ ⎞ Cs T = (Fs ) = ⎜ K T T ⎟ (4.7) ∂t ∂z ∂z ⎝ ∂z ⎠ NhiÖt dung thÓ tÝch cña chÊt bÒ mÆt CS lµ tÝch cña nhiÖt dung riªng cña ®Êt cS vµ mËt ®é ®Êt ρS. NhiÖt dung cña ®Êt phô thuéc vµo tû lÖ thÓ tÝch cña ®Êt fS, cña chÊt h÷u c¬ fC, n−íc fW vµ kh«ng khÝ fa, mËt ®é vµ nhiÖt dung riªng cña c¸c thµnh phÇn vËt chÊt bÒ mÆt. Cs = ρscsfs + ρcccfc +ρwcwfw + ρcpfa (4.8) B¶ng 4.1 TÝnh chÊt cña c¸c thµnh phÇn ®Êt ë 293K NhiÖt dung riªng MËt ®é (ρ) (kg/m3) ρcp (J/(m3K)) (cp) (J/(kgK)) ChÊt v« c¬ trong ®Êt 733 2600 1,9×106 ChÊt h÷u c¬ trong ®Êt 1921 1300 2,5×106 N−íc trong ®Êt 4182 1000 4,2×106 Kh«ng khÝ trong ®Êt 1004 1,2 1,2×103 Tõ b¶ng 4.1 cã thÓ thÊy r»ng nhiÖt dung cña kh«ng khÝ trong ®Êt lµ rÊt nhá, do ®ã khi n−íc thay thÕ kh«ng khÝ ë nh÷ng kho¶ng rçng hë trong ®Êt th× nhiÖt dung t¨ng lªn rÊt nhiÒu. §é xèp cña ®Êt lµ tû lÖ thÓ tÝch trong ®Êt cã thÓ bÞ kh«ng khÝ hoÆc n−íc chiÕm gi÷ (nã cã ¶nh h−ëng lín ®Õn nhiÖt dung cña ®Êt tuú thuéc vµo 81
tr¹ng th¸i kh« hay Èm cña ®Êt − ND). Sù truyÒn dÉn nhiÖt cña ®Êt phô thuéc vµo chÊt ®Êt, ®é xèp vµ hµm l−îng n−íc trong ®Êt. Sù truyÒn dÉn nhiÖt t¨ng theo hµm l−îng n−íc ®èi víi ®Êt cã ®é xèp t−¬ng ®èi cao. C¸c gi¸ trÞ biÕn ®æi tõ 0,1 Wm−1K−1 ®èi víi than bïn kh« ®Õn 2,5 Wm−1K−1 ®èi víi c¸t −ít. D−íi ®iÒu kiÖn ®é dÉn nhiÖt KT kh«ng phô thuéc vµo ®é s©u th× ph−¬ng tr×nh (truyÒn) nhiÖt (4.7) ®−îc ®¬n gi¶n hãa thµnh ∂ ∂ 2T T = DT 2 (4.9) ∂t ∂z trong ®ã DT = KT/Cs lµ hÖ sè khuyÕch t¸n nhiÖt cña chÊt bÒ mÆt. ViÖc ph©n tÝch qui m« ®¬n gi¶n (4.9) cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh ®é s©u mµ ë ®ã dÞ th−êng nhiÖt ®é ®−îc ¸p dông t¹i bÒ mÆt sÏ th©m nhËp tíi trong mét kho¶ng thêi gian cho tr−íc. Cã thÓ chØ ra r»ng ®é s©u th©m nhËp hT cña dÞ th−êng nhiÖt ®é liªn quan víi c−ìng bøc (forcing) cã chu kú cña nhiÖt ®é t¹i bÒ mÆt ®−îc cho bëi h T = DT τ (4.10) trong ®ã τ lµ qui m« thêi gian cña c−ìng bøc cã chu kú t¹i bÒ mÆt. Khi lÊy gi¸ trÞ ®iÓn h×nh cña hÖ sè khuyÕch t¸n cña ®Êt DT = 5×10−7m2/s, ta nhËn ®−îc ®é s©u th©m nhËp vµo kho¶ng 10 cm cho c−ìng bøc hµng ngµy vµ kho¶ng 1,5 m ®èi víi c−ìng bøc n¨m. Víi qui m« thêi gian cì 10 000 n¨m, sù biÕn ®éng nhiÖt ®é bÒ mÆt cã thÓ th©m nhËp xuèng ®é s©u kho¶ng 150 m. V× nhiÖt cã thÓ ®−îc vËn chuyÓn th«ng qua ®Êt, ®¸ b»ng truyÒn dÉn diÔn ra víi tèc ®é chËm, nªn vËn chuyÓn nhiÖt ph−¬ng ngang d−íi mÆt ®Êt hoµn toµn cã thÓ bÞ bá qua. H×nh 4.2 NhiÖt ®é ®Êt ë c¸c ®é s©u kh¸c nhau d−íi c¸nh ®ång cá ë O'Neill, Nebraska ngµy 13-8- 1953: a) nhiÖt ®é ë c¸c ®é s©u kh¸c nhau nh− lµ hµm cña thêi gian ®Þa ph−¬ng; b) nhiÖt ®é nh− lµ hµm cña ®é s©u t¹i c¸c thêi ®iÓm kh¸c nhau. §é khuÕch t¸n nhiÖt ®o ®−îc vµo ban ngµy biÕn − − thiªn tõ 2,5 x 10 7 m2/s ë 1 cm ®Õn 6 x 10 7 m2/s ë 5 cm ®é s©u trong ®Êt. (Theo sè liÖu cña Lettau vµ Davidson, 1957) H×nh 4.2 chØ ra nhiÖt ®é t¹i c¸c ®é s©u kh¸c nhau trong ®Êt nh− lµ hµm cña thêi gian trong nh÷ng ngµy trêi quang mïa hÌ. §Êt gÇn bÒ mÆt chÞu sù biÕn ®æi ngµy lín cña nhiÖt ®é víi nhiÖt ®é cùc tiÓu ngay tr−íc lóc mÆt trêi mäc vµ nhiÖt ®é cùc ®¹i vµo kho¶ng sau gi÷a tr−a mét Ýt. ë ®é s©u s©u h¬n trong ®Êt nhiÖt ®é biÕn 82
®æi nhá h¬n vµ x¶y ra chËm h¬n trong ngµy, v× cÇn ph¶i cã thêi gian ®Ó xung nhiÖt ®é khuyÕch t¸n vµo ®Êt. T¹i ®é s©u kho¶ng 10 cm d−íi bÒ mÆt, biªn ®é nhiÔu ®éng nhiÖt ®é gi¶m xuèng kho¶ng e−1 lÇn gi¸ trÞ bÒ mÆt cña nã, vµ biªn ®é nµy rÊt nhá khi ®é s©u xuèng ®Õn 40 cm d−íi bÒ mÆt. Sù gi¶m cña biªn ®é nhiÔu ®éng nhiÖt ®é ngµy ®ªm quan tr¾c ®−îc nµy phï hîp víi lý thuyÕt thø nguyªn ®· ®−a ra trªn ®©y. Sè liÖu nhiÖt ®é cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó suy ra ®é dÉn nhiÖt nh− lµ hµm cña ®é s©u trong ®Êt th«ng qua viÖc sö dông (4.7). Thay vµo ®ã, nÕu profile th¼ng ®øng cña Cs vµ KT lµ ®· biÕt vµ gi¶ thiÕt lµ kh«ng ®æi theo thêi gian, khi ®ã profile nhiÖt ®é ®o ®−îc trong c¸c líp ®Êt s©u cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó −íc l−îng sù biÕn ®æi trong qu¸ khø cña nhiÖt ®é bÒ mÆt trªn qui m« thêi gian cì hµng tr¨m ®Õn hµng ngh×n n¨m (Lachenbruch & Marshall, 1986). 4.4 Sù ®èt nãng bÒ mÆt do bøc x¹ N¨ng l−îng bøc x¹ thuÇn tíi bÒ mÆt lµ tæng cña mËt ®é dßng bøc x¹ mÆt trêi thuÇn vµ bøc x¹ sãng dµi thuÇn t¹i bÒ mÆt. RS = S↓(0) − S↑(0) + F↓(0) − F↑(0) (4.11) trong ®ã S↓(0) vµ S↑(0) t−¬ng øng lµ mËt ®é dßng ®i xuèng vµ ®i lªn cña bøc x¹ mÆt trêi t¹i bÒ mÆt, t−¬ng tù, F↓(0) vµ F↑(0) lµ mËt ®é dßng sãng dµi. Sù ®èt nãng cña mÆt trêi lµ nh©n tè c¬ b¶n ®iÒu khiÓn hÖ thèng khÝ hËu. 4.4.1 Sù hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi t¹i bÒ mÆt Dßng n¨ng l−îng mÆt trêi thuÇn ®i xuèng cã thÓ ®−îc viÕt nh− lµ tÝch cña dßng mÆt trêi ®i xuèng t¹i bÒ mÆt nh©n víi ®é hÊp thô cña bÒ mÆt S↓(0) − S↑(0) = S↓(0)(1−αS) (4.12) Albedo bÒ mÆt αS ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ tû lÖ mËt ®é dßng mÆt trêi ®i xuèng bÞ ph¶n x¹ trë l¹i bëi bÒ mÆt. Albedo bÒ mÆt biÕn thiªn rÊt réng phô thuéc vµo d¹ng vµ ®iÒu kiÖn bÒ mÆt, ph¹m vi tõ gi¸ trÞ nhá b»ng kho¶ng 5% ®èi víi ®¹i d−¬ng trong ®iÒu kiÖn giã nhÑ ®Õn rÊt lín kho¶ng 90% nh− ë bÒ mÆt tuyÕt míi, kh«. Nh÷ng gi¸ trÞ nªu trong b¶ng 4.2 lµ nh÷ng gi¸ trÞ ®Æc tr−ng, nh−ng mçi d¹ng bÒ mÆt cã thÓ cã mét ph¹m vi c¸c gi¸ trÞ albedo (h×nh 4.3). BÒ mÆt phæ biÕn nhÊt lµ n−íc, vµ albedo cña nã phô thuéc vµo gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi, ®é phñ m©y, tèc ®é giã vµ t¹p chÊt pha trén trong n−íc. Sù phô thuéc cña albedo bÒ mÆt n−íc vµo gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi vµ ®é phñ m©y ®−îc dÉn ra trªn h×nh 4.4. Tû lÖ chïm tia bøc x¹ mÆt trêi ®Õn bÞ mÆt n−íc ph¶n x¹ phô thuéc vµo gãc gi÷a chïm tia ®i tíi vµ bÒ mÆt n−íc. Albedo bÒ mÆt cña ®¹i d−¬ng trong ®iÒu kiÖn trêi quang t¨ng mét c¸ch ®ét ngét khi mÆt trêi tiÕn gÇn ®Õn ®−êng ch©n trêi. M©y lµm t¸n x¹ bøc x¹ rÊt hiÖu qu¶, do ®ã bøc x¹ mÆt trêi phÝa d−íi mµn m©y kh«ng ph¶i lµ chïm tia song song kÐo dµi mµ lµ chïm tia bÞ t¸n x¹ vÒ mäi h−íng. Trong ®iÒu kiÖn cã m©y c¸c photon ®i xuèng tíi bÒ mÆt tõ mäi h−íng d−¬ng víi x¸c suÊt gÇn nh− b»ng nhau, do ®ã phÝa d−íi líp m©y ®ñ dµy kh«ng thÓ nãi mÆt trêi ®ang ë vÞ trÝ nµo trªn bÇu trêi. Bëi vËy, albedo bÒ mÆt trong 83
®iÒu kiÖn trêi ®Çy m©y kh«ng nh¹y c¶m víi gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi. Tuy nhiªn, l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi tíi ®−îc bÒ mÆt trong ®iÒu kiÖn trêi ®Çy m©y nh¹y c¶m víi gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi, v× m©y lµ vËt ph¶n x¹ rÊt hiÖu qu¶ bøc x¹ mÆt trêi vµ albedo cña nã nh¹y c¶m víi gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi. B¶ng 4.2 Albedo ®èi víi c¸c bÒ mÆt kh¸c nhau (%) Ph¹m vi Gi¸ trÞ ®iÓn h×nh N−íc N−íc s©u: giã nhÑ, ®é cao nhá 5− 10 7 N−íc s©u: Giã m¹nh, ®é cao lín 10−20 12 §Êt träc §Êt Èm tèi, ®é mïn cao 5− 15 10 §Êt Èm x¸m 10−20 15 §Êt kh«, sa m¹c 20−35 30 C¸t −ít 20−30 25 C¸t kh« s¸ng 30−40 35 §−êng r¶i nhùa 5− 10 7 §−êng bª t«ng 15−35 20 Thùc vËt C©y xanh thÊp 10−20 17 C©y kh« 20−30 25 Rõng l¸ nhän 10−15 12 Rõng l¸ rông 15−25 17 TuyÕt vµ b¨ng Rõng bÞ tuyÕt phñ 20−35 25 B¨ng biÓn, kh«ng cã tuyÕt phñ 25−40 30 TuyÕt cò, ®ang tan 35−65 50 TuyÕt kh«, l¹nh 60−75 70 TuyÕt kh«, míi 70−90 80 HÖ sè ph¶n x¹ cña c¸c bÒ mÆt kh¸c nhau phô thuéc vµo tÇn sè bøc x¹ (h×nh 4.5). M©y vµ tuyÕt ph¶n x¹ hÇu nh− toµn bé bøc x¹ nh×n thÊy vµ ph¶n x¹ kÐm h¬n ë nh÷ng b−íc sãng gÇn hång ngo¹i, n¬i mµ sù hÊp thô chñ yÕu do n−íc. Thùc vËt mµu xanh cã albedo rÊt thÊp ®èi víi bøc x¹ ho¹t ®éng quang hîp, v× chÊt diÖp lôc hÊp thô bøc x¹ lo¹i nµy rÊt hiÖu qu¶. Bøc x¹ trong d¶i b−íc sãng kho¶ng 0,4−0,7µm cã ¶nh h−ëng ®èi víi quang hîp vµ thùc vËt ®ang ph¸t triÓn hÊp thô h¬n 90% l−îng bøc x¹ trong d¶i nµy. T¹i b−íc sãng kho¶ng 0,7µm albedo cña thùc vËt mµu xanh t¨ng mét c¸ch ®ét ngét, do ®ã albedo cña chóng ®èi víi bøc x¹ gÇn hång ngo¹i cã thÓ lªn tíi 50%. V× gÇn mét nöa n¨ng l−îng mÆt trêi ®i tíi bÒ mÆt cã b−íc sãng lín h¬n 0,7µm nªn sù t¨ng lªn ®ã cña albedo lµ quan träng ®èi víi nguån 84
n¨ng l−îng bÒ mÆt. Thùc vËt cÇn nh÷ng b−íc sãng ng¾n h¬n 0,7µm ®Ó quang hîp, nh−ng sù hÊp thô n¨ng l−îng gÇn hång ngo¹i ë nh÷ng b−íc sãng lín h¬n 0,7µm ®èt nãng/s−ëi Êm c¸c l¸ mµ kh«ng cã bÊt kú sù chuyÓn ®æi n¨ng l−îng nµo vµo m« thùc vËt. Do ®ã albedo lín h¬n ë nh÷ng b−íc sãng dµi h¬n 0,7µm gi÷ cho l¸ c©y ë tr¹ng th¸i m¸t mÎ. Khi thùc vËt mµu xanh chÕt vµ kh« ®i l−îng chÊt diÖp lôc cña chóng gi¶m xuèng vµ albedo cña chóng ë nh÷ng b−íc sãng nh×n thÊy t¨ng, nh− ®· chØ ra b»ng vÝ dô vÒ c¸nh ®ång cã r¬m r¹. H×nh 4.3 ¶nh chôp tõ trªn kh«ng t¶ng b¨ng Nam cùc n¬i nã gÆp Ên ®é d−¬ng ë Dumont d’Urville, Terre AdÐlic, Nam cùc. Chó ý albedo cao cña b¨ng so víi n−íc biÓn. (¶nh do R. Guillard chôp. In l¹i víi sù cho phÐp cña I.F.R.T.P.) H×nh 4.4 Sù phô thuéc cña albedo bÒ mÆt n−íc vµo gãc thiªn ®Ønh mÆt trêi vµ ®é phñ m©y (Sè liÖu lÊy tõ Mirinova, 1973) Albedo cña bÒ mÆt cã líp phñ thùc vËt phô thuéc vµo kÕt cÊu vµ ®iÒu kiÖn sinh lý cña t¸n c©y. T¸n l¸ cã h×nh d¹ng phøc t¹p vµ nhiÒu lç hæng cã thÓ cã albedo thÊp h¬n albedo cña mét l¸ riªng lÎ. Tû sè cña bøc x¹ gÇn hång ngo¹i ®èi víi bøc x¹ nh×n thÊy gi¶m theo ®é dµy phÝa d−íi ®Ønh cña t¸n c©y, v× nh÷ng b−íc sãng nh×n thÊy ®−îc l¸ hÊp thô mét c¸ch cã hiÖu qu¶ h¬n. Albedo cña l¸ cao h¬n ®èi víi bøc x¹ gÇn hång ngo¹i lµm cho nã bÞ t¸n x¹ ®i xuèng th«ng qua t¸n c©y vµ lµm ®èt nãng ®Êt. 85
H×nh 4.5 §é ph¶n x¹ bÒ mÆt nh− lµ hµm cña b−íc sãng bøc x¹ ®èi víi c¸c lo¹i bÒ mÆt tù nhiªn. ThÞ lùc cña con ng−êi nh¹y c¶m ®èi víi c¸c b−íc sãng tõ 0,4 µm (tÝm) ®Õn 0,7 µm (®á). Cá ling l¨ng vµ cá susan xuÊt hiÖn mµu lôc (green) v× albedo cña chóng ®èi víi b−íc sãng mµu lôc s¸ng (~0,55µm) cao h¬n ®èi víi nh÷ng b−íc sãng nh×n thÊy kh¸c. (Theo sè liÖu cña Mirinova, 1973) N−íc tinh khiÕt ph¶n x¹ hÇu hÕt ¸nh s¸ng mµu xanh da trêi. Khèi n−íc tù nhiªn chøa nhiÒu chÊt bÈn vµ cã thÓ ph¶n x¹ hÇu hÕt ¸nh s¸ng mµu lôc (green), nh−ng n¨ng suÊt ph¶n x¹ nãi chung ë ¸nh s¸ng nh×n thÊy cao h¬n ë nh÷ng b−íc sãng gÇn hång ngo¹i. §Êt cã hÖ sè ph¶n x¹ ë b−íc sãng gÇn hång ngo¹i cao h¬n so víi ë b−íc sãng nh×n thÊy. §Êt kh« cã albedo cao h¬n mét c¸ch ®¸ng kÓ so víi ®Êt Èm −ít, vµ bÒ mÆt ®Êt nh½n cã albedo cao h¬n so víi bÒ mÆt gå ghÒ (b¶ng 4.3). B¶ng 4.3 Albedo mÆt ®Êt kh« vµ Èm [Mironova (l973)] MÆt ®Êt b»ng ph¼ng §Êt cµy xíi Kh« Èm Kh« Èm §Êt bïn ®en x¸m 13 8 8 4 §Êt mµu h¹t dÎ x¸m 18 10 14 6 §Êt mµu h¹t dÎ ®á 20 12 15 7 C¸t mµu xam 25 18 20 11 C¸t tr¾ng 40 20 − − §Êt xÐt xanh tèi 23 16 − − V× albedo bÒ mÆt biÕn ®æi m¹nh vµ cã ¶nh h−ëng m¹nh ®Õn bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc, nã cã thÓ cã ¶nh h−ëng lín ®Õn nhiÖt ®é bÒ mÆt. Albedo bÒ mÆt còng cã thÓ cã ¶nh h−ëng m¹nh mÏ ®Õn ®é nh¹y khÝ hËu, nÕu nã biÕn ®æi mét c¸ch cã hÖ thèng theo c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu. C¸c qu¸ tr×nh håi tiÕp liªn quan ®Õn albedo bÒ mÆt ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng 9. 4.4.2 Sù ®èt nãng bÒ mÆt do bøc x¹ sãng dµi thuÇn §Ó tÝnh bøc x¹ sãng dµi thuÇn ®i xuèng t¹i bÒ mÆt ta cÇn biÕt bøc x¹ sãng dµi ®i xuèng tõ khÝ quyÓn, nhiÖt ®é cña bÒ mÆt, vµ ®é ph¸t x¹ sãng dµi cña bÒ mÆt ε. 86
NÕu c¸c tÇn sè cña bøc x¹ sãng dµi ®i xuèng vµ ph¸t x¹ bøc x¹ tõ bÒ mÆt vÒ c¬ b¶n lµ nh− nhau, khi ®ã hÖ sè hÊp thô h÷u hiÖu cña bÒ mÆt b»ng hÖ sè ph¸t x¹ cña nã. Mét c¸ch gÇn ®óng ®©y chÝnh lµ ε phÇn bøc x¹ sãng dµi ®i xuèng t¹i bÒ mÆt ®Êt bÞ hÊp thô, do ®ã sãng dµi ®i lªn t¹i bÒ mÆt cã thÓ ®−îc viÕt: F↑ (0) = (1 − ε )F↓ (0 ) + εσTs4 (4.13) Do ®ã ta cã thÓ viÕt: ( F↓ (0) − F↑ (0 ) = ε F↓ (0 ) − σTs4 ) (4.14) V× hiÖu øng nhµ kÝnh trong khÝ quyÓn tr¸i ®Êt m¹nh nªn c¶ sãng dµi xuèng tõ khÝ quyÓn vµ ph¸t x¹ tõ bÒ mÆt lµ t−¬ng ®èi lín vµ cã xu h−íng bï trõ lÉn nhau. HÖ sè ph¸t x¹ sãng dµi cña hÇu hÕt c¸c bÒ mÆt tù nhiªn kho¶ng 90−98% (b¶ng 4.4) vµ kh«ng ®ãng vai trß c¬ b¶n trong viÖc quyÕt ®Þnh khÝ hËu bÒ mÆt. Sai sè trong viÖc −íc l−îng ®é ph¸t x¹ bÒ mÆt cã thÓ dÉn ®Õn sai sè trong tÝnh to¸n dßng sãng dµi thuÇn ë bÒ mÆt kho¶ng 5%. Tuy nhiªn, sai sè trong viÖc −íc l−îng nhiÖt ®é bÒ mÆt ë tr¹ng th¸i c©n b»ng nhá h¬n nhiÒu, v× nhiÖt ®é nhËn ®−îc tõ c©n b»ng dßng n¨ng l−îng ®· ®−îc lÊy c¨n bËc bèn. §iÒu ®ã lµm gi¶m sù biÕn ®éng cña nhiÖt ®é bÒ mÆt liªn quan víi biÕn ®éng ®é ph¸t x¹ xuèng kho¶ng 1%. B¶ng 4.4 HÖ sè ph¸t x¹ sãng dµi (%) cña mét sè d¹ng bÒ mÆt MÆt n−íc vµ mÆt ®Êt Thùc vËt - N−íc 92−96 - Cá linh l¨ng xanh tèi 95 - TuyÕt míi r¬i 82−99.5 - L¸ såi 91−95 - TuyÕt d¹ng b¨ng h¹t nhá 89 - L¸ c©y nãi chung - B¨ng 96 + 0.8µm 5− 53 - §Êt ®ãng b¨ng 93−94 + 1.0µm 5− 60 - C¸t kh« lµm s©n ch¬i 84 + 2.4µm 70−97 - C¸t kh« s¸ng 89−90 + 10.0µm 97−98 - C¸t −ít 95 C¸c chÊt hçn t¹p - Sái th« 91−92 - GiÊy tr¾ng 89−95 - §¸ v«i s¸ng x¸m 91−92 - KÝnh tÊm 87−94 - Bª t«ng kh« 71−88 - G¹ch mµu ®á 92 - §Êt trèng, Èm 95−98 - T−êng v÷a tr¾ng 91 - §Êt kh« ®∙ cµy 90 - Gç såi tÊm ph¼ng 90 BÒ mÆt tù nhiªn - S¬n tr¾ng 91−95 - Sa m¹c 90−91 - S¬n ®en 88−95 - Cá kh«, cao 90 - S¬n mµu nh«m 43−55 - §ång cá vµ c©y bôi 90 - NÒn nh«m 1− 5 - Rõng såi 90 - S¾t m∙ kÏm 13−28 - Rõng th«ng 90 - B¹c ®¸nh bãng 2 - Da ng−êi 95 (Sè liÖu lÊy tõ Sellers, 1965. In l¹i víi sù cho phÐp cña University of Chicago Press.) 87
4.5 Líp biªn khÝ quyÓn Líp biªn khÝ quyÓn lµ phÇn thÊp nhÊt cña tÇng ®èi l−u, n¬i giã, nhiÖt ®é, vµ ®é Èm chÞu ¶nh h−ëng m¹nh mÏ cña bÒ mÆt. Tèc ®é giã gi¶m tõ gi¸ trÞ cña nã trong khÝ quyÓn tù do ®Õn gÇn 0 t¹i bÒ mÆt. Nhê nh÷ng chuyÓn ®éng rèi qui m« nhá trong líp biªn d−íi thÊp, c¸c dßng ®éng l−îng, nhiÖt vµ Èm trong líp biªn ®−îc truyÒn cho khÝ quyÓn vµ lµ nh©n tè c¬ b¶n ®èi víi khÝ hËu. Xon khÝ vµ c¸c thµnh phÇn ho¸ häc thÓ khÝ cña khÝ quyÓn còng trao ®æi víi bÒ mÆt th«ng qua líp biªn khÝ quyÓn. §Æc tr−ng cña líp biªn khÝ quyÓn lµ sù ph¶n øng nhanh chãng cña nã ®èi víi sù biÕn ®æi cña ®iÒu kiÖn bÒ mÆt. Sù ph¶n øng cña bÒ mÆt ®èi víi biÕn ®éng hµng ngµy cña ®é n¾ng ®−îc c¶m nhËn mét c¸ch râ rÖt trong toµn bé líp biªn, nh−ng trong khÝ quyÓn tù do sù biÕn ®æi hµng ngµy th−êng lµ nhá, trõ phi ®èi l−u nhiÖt liªn quan víi sù ®èt nãng bÒ mÆt ®Êt ban ngµy th©m nhËp s©u vµo khÝ quyÓn. §é dµy cña líp biªn khÝ quyÓn cã thÓ biÕn thiªn trong kho¶ng 20m ®Õn vµi km, tïy thuéc vµo tõng ®iÒu kiÖn, nh−ng ®é dµy ®Æc tr−ng cña líp biªn kho¶ng 1 km. Nãi chung líp biªn sÏ dµy h¬n khi bÒ mÆt bÞ ®èt nãng, khi giã m¹nh, khi bÒ mÆt gå ghÒ vµ khi chuyÓn ®éng th¼ng ®øng trung b×nh trong khÝ quyÓn tù do cña tÇng ®èi l−u cã h−íng lªn trªn. VËn chuyÓn khèi l−îng, ®éng l−îng vµ n¨ng l−îng qua líp biªn ®−îc thùc hiÖn bëi chuyÓn ®éng rèi. NÕu kh«ng cã nh÷ng xo¸y hçn lo¹n cña chuyÓn ®éng rèi trong líp biªn th× sù trao ®æi gi÷a bÒ mÆt vµ khÝ quyÓn sÏ x¶y ra rÊt chËm. ChuyÓn ®éng rèi mang theo c¸c th«ng l−îng th¼ng ®øng trong ph¹m vi líp biªn cã qui m« tõ ®é dµy líp biªn ®Õn qui m« nhá nhÊt mµ ë ®ã sù khuyÕch t¸n ph©n tö trë thµnh c¬ chÕ vËn chuyÓn quan träng. Rèi cã thÓ ®−îc h×nh thµnh b»ng c¬ häc hoÆc nhiÖt ®éng. Rèi c¬ häc h×nh thµnh bëi sù chuyÓn giã trung b×nh thµnh chuyÓn ®éng rèi, vµ nã m¹nh nhÊt khi giã trung b×nh trong líp khÝ quyÓn d−íi thÊp lµ lín. Rèi ®èi l−u h×nh thµnh khi c¸c phÇn tö khÝ nãng ë gÇn bÒ mÆt bÞ ®Èy lªn do lùc næi cña chóng. Rèi ®èi l−u hÇu nh− dÔ quan tr¾c thÊy trªn bÒ mÆt ®Êt vµo ban ngµy, khi ®èt nãng bÒ mÆt do bøc x¹ mÆt trêi m¹nh, cung cÊp nguån n¨ng l−îng næi, nh−ng nã còng rÊt th−êng thÊy trªn c¸c ®¹i d−¬ng. Khi líp biªn t−¬ng ®èi bÊt æn ®Þnh, do ®ã lùc næi hoÆc bÊt æn ®Þnh ®é ®øt t¹o nªn rèi, líp biªn cã thÓ bao gåm c¶ líp x¸o trén, n¬i mµ ®éng l−îng, nhiÖt vµ Èm hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo ®é cao. CÊu tróc cña líp biªn hµnh tinh biÕn thiªn kh¸ lín, phô thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn khÝ t−îng vµ phô thuéc vµo viÖc bÒ mÆt cã bÞ ®èt nãng hay lµm l¹nh kh«ng. Khi cã sù ®èt nãng bÒ mÆt, nh− trªn mÆt ®Êt vµo ban ngµy, líp biªn th−êng bÊt æn ®Þnh vµ nãi chung cã cÊu tróc gièng nh− ®· chØ ra trªn h×nh 4.6. PhÇn thÊp nhÊt cña líp biªn ®−îc gäi lµ líp bÒ mÆt (hay líp s¸t ®Êt − ND), ë ®ã c¸c th«ng l−îng th¼ng ®øng cña ®éng l−îng, nhiÖt vµ Èm hÇu nh− kh«ng ®æi theo chiÒu cao. Trong líp x¸o trén lùc næi ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng rèi, nh©n tè duy tr× gi¸ trÞ cña nhiÖt ®é thÕ vÞ θν , ®é Èm q , vµ ®éng l−îng M hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo ®é cao. Trong líp x¸o trén nhiÖt vµ Èm ®−îc vËn chuyÓn lªn trªn cßn ®éng l−îng ®−îc vËn chuyÓn xuèng bÒ mÆt. §Ønh líp biªn lµ mét d¶i chuyÓn tiÕp gi÷a líp biªn vµ khÝ quyÓn tù do, nã th−êng ®−îc gäi lµ líp cuèn hót (entrainment zone). §i qua líp chuyÓn tiÕp 88
nµy c¸c thuéc tÝnh cña kh«ng khÝ biÕn ®æi nhanh tõ líp x¸o trén sang khÝ quyÓn tù do phÝa trªn, nãi chung sù biÕn ®æi nµy ®−îc biÓu thÞ b»ng sù gi¶m ®é Èm, t¨ng nhiÖt ®é thÕ vÞ vµ gi¶m ®é lín cña th«ng l−îng nhiÖt, Èm, ®éng l−îng th¼ng ®øng do chuyÓn ®éng rèi. Cuèn hót lµ qu¸ tr×nh mµ nhê ®ã kh«ng khÝ tõ khÝ quyÓn tù do th©m nhËp hoµ trén vµo trong líp biªn. Sù cuèn hót ®−îc ®o bëi th«ng l−îng nhiÖt ®é thÕ vÞ nhá cña xo¸y ®i xuèng trong líp cuèn hót. Sù cuèn hót bæ sung khèi l−îng cho líp biªn vµ ®iÒu ®ã lµ cÇn thiÕt khi líp biªn dµy thªm hoÆc khi dßng qui m« lín ®i xuèng d−íi vµo trong líp biªn. H×nh 4.6 CÊu tróc cña líp biªn ®èi l−u chØ sù ph©n bè cña nhiÖt ®é thÕ vÞ ¶o trung b×nh θν , tØ sè x¸o trén h¬i n−íc trung b×nh q , ®éng l−îng trung b×nh M , ®éng l−îng ®Þa chuyÓn (geostrophic) trung b×nh Mg vµ th«ng l−îng xo¸y th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ, ®é Èm, vµ ®éng l−îng. (Tõ Stull, 1988 theo Dreidonks vµ Tªnnkes, 1984. In l¹i víi sù cho phÐp cña Kluwer Academic Publishers) Vµo ban ®ªm ph¸t x¹ sãng dµi lµm l¹nh mÆt ®Êt nhanh h¬n kh«ng khÝ ë trªn nã vµ líp biªn cã thÓ trë nªn rÊt æn ®Þnh víi kh«ng khÝ l¹nh, ®Ëm ®Æc bÞ gi÷ l¹i ë gÇn bÒ mÆt (h×nh 4.7). Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nµy rèi vµ c¸c th«ng l−îng th¼ng ®øng do nã sinh ra rÊt cã thÓ bÞ ng¨n chÆn l¹i, vµ bÒ mÆt trë nªn kh«ng chÞu sù t−¬ng t¸c vÒ mÆt c¬ häc tõ khÝ quyÓn tù do, mÆc dï sù vËn chuyÓn bøc x¹ cã thÓ vÉn cßn tiÕp diÔn. NhiÖt ®é thÕ vÞ t¨ng nhanh theo ®é cao ë gÇn bÒ mÆt vµ sù vËn chuyÓn nhiÖt ®é thÕ vÞ cã h−íng xuèng d−íi, do ®ã kh«ng khÝ Ýt ®Ëm ®Æc h¬n sÏ bÞ c−ìng bøc kÐo xuèng chèng l¹i lùc næi. N¨ng l−îng ®Ó x¸o trén kh«ng khÝ Ýt ®Ëm ®Æc h¬n h−íng xuèng bÒ mÆt ®−îc cung cÊp bëi ®é ®øt tèc ®é giã trung b×nh. §é ®øt giã nµy cã xu h−íng kh¸ m¹nh trong nh÷ng ®iÒu kiÖn cùc ®¹i giã mùc thÊp ë gÇn ®Ønh líp biªn vµ giã yÕu ë gÇn bÒ mÆt. Do ®ã, nãi chung cùc tiÓu cña nhiÖt ®é kh«ng khÝ bÒ mÆt ®¹t ®−îc vµo nh÷ng ®ªm trêi quang sÏ nhá h¬n khi tèc ®é giã trong khÝ quyÓn tù do yÕu vµ cung cÊp Ýt n¨ng l−îng cho sù x¸o trén kh«ng khÝ Êm xuèng d−íi cho bÒ mÆt ®· bÞ lµm l¹nh do bøc x¹. Líp biªn khÝ quyÓn cã thÓ bao gåm c¶ m©y mµ nã ®ãng vai trß quan träng trong vËt lý líp biªn vµ sù vËn chuyÓn th¼ng ®øng. Sù gi¶i phãng Èn nhiÖt trong m©y cã thÓ cung cÊp lùc næi ®Ó ®iÒu khiÓn chuyÓn ®éng th¼ng ®øng trong líp biªn. M©y líp biªn cã tÇm quan träng ®èi víi khÝ hËu bao gåm m©y tÝch vµ m©y tÇng tÝch cho thêi tiÕt tèt. MÆc dï Ýt phæ biÕn, s−¬ng mï còng ®−îc xem lµ m©y líp biªn quan träng. Líp biªn còng ¶nh h−ëng lín ®Õn m©y ®èi l−u s©u, v× nhiÖt ®é thÕ vÞ cña kh«ng khÝ 89
cao chi phèi ®èi l−u s©u ®−îc sinh ra trong líp biªn. Ngo¹i trõ khi s−¬ng mï xuÊt hiÖn, nãi chung ®Ønh m©y líp biªn n»m gÇn ®Ønh líp biªn vµ ch©n cña chóng c¸ch bÒ mÆt mét kho¶ng c¸ch nµo ®ã, do ®ã m©y vµ c¸c líp m©y nhá tån t¹i l¬ löng bªn trong líp biªn. M©y tÇng lµm thay ®æi tÝnh chÊt vËt lý cña líp biªn th«ng qua c¶ c¸c dßng nhiÖt, Èm ®èi l−u vµ hiÖu øng bøc x¹ cña chóng. V× ®Ønh m©y tÇng t−¬ng ®èi Êm vµ ph¸t x¹ sãng dµi mét c¸ch hiÖu qu¶, sù lµm l¹nh bøc x¹ sãng dµi tõ ®Ønh m©y cã thÓ lµ c¬ chÕ quan träng ®èi víi sù h×nh thµnh lùc næi bªn trong líp biªn, v× nã lµm l¹nh kh«ng khÝ ë ®Ønh líp biªn lµm cho kh«ng khÝ l¹nh nµy cã xu h−íng ch×m xuèng vµ c¸c phÇn tö khÝ nãng ®i lªn tõ phÝa d−íi sÏ thay thÕ chóng. H×nh 4.7 Profile trung b×nh cña tèc ®é giã, nhiÖt ®é thÕ vÞ, sè Richardson vµ th«ng l−îng th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ ( w′θ′ ), vµ ®éng l−îng ngang ( w′u′ vµ w′v′ ) tõ quan tr¾c ban ®ªm ë Haswell, Colorado vµo ngµy 24-3-1974. §é cao ®−îc qui m« ho¸ theo ®ä dµy quan tr¾c ®−îc rèi xuÊt hiÖn, trong tr−êng hîp nµy trung b×nh vµo kho¶ng 100m. Th«ng l−îng xo¸y th¼ng ®øng ®−îc qui m« ho¸ theo gi¸ trÞ bÒ mÆt. (Theo Mahrt vµ nnk, 1979. In l¹i víi sù cho phÐp cña Kluwer Academic Publishers) H×nh 4.8 chØ ra biÕn ®æi ngµy ®ªm cña nhiÖt ®é trong líp khÝ quyÓn 1500m d−íi cïng ë Nebraska trong nh÷ng ngµy hÌ trêi t−¬ng ®èi quang. Lóc mÆt trêi mäc bÒ mÆt l¹nh h¬n líp kh«ng khÝ kho¶ng 1 km phÝa trªn. Sù nghÞch nhiÖt nµy tan ®i nhanh chãng sau khi mÆt trêi mäc, v× sù chiÕu n¾ng lµm Êm bÒ mÆt vµ l−îng nhiÖt nµy ®−îc truyÒn cho líp khÝ quyÓn máng gÇn mÆt ®Êt. GÇn gi÷a ngµy bÒ mÆt ®¹t ®Õn nhiÖt ®é cùc ®¹i cña nã vµ gradient nhiÖt ®é th¼ng ®øng gÇn víi gi¸ trÞ ®o¹n nhiÖt kh«, 9,8K/km, quan tr¾c ®−îc ë gÇn bÒ mÆt. T¹i thêi ®iÓm nµy lùc næi lµm n©ng c¸c phÇn tö kh«ng khÝ Êm gÇn bÒ mÆt lªn vµ ®èi l−u rèi vËn chuyÓn hiÓn nhiÖt ®i lªn vµo líp biªn mét c¸ch hiÖu qu¶. Ngay tr−íc khi mÆt trêi lÆn bÒ mÆt b¾t ®Çu l¹nh ®i do t¸c ®éng cña chuyÓn ®éng rèi vËn chuyÓn n¨ng l−îng ®i lªn mét c¸ch hiÖu qu¶. Sau khi mÆt trêi lÆn bÒ mÆt l¹nh ®i nhanh chãng, do ®ã vµo kho¶ng 10 giê ®ªm nhiÖt ®é bÒ mÆt ®¹t ®Õn gi¸ trÞ ban ®ªm cña nã, ®Ó l¹i líp nghÞch nhiÖt rÊt râ rÖt gÇn mÆt ®Êt. Khi tèc ®é giã trung b×nh nhÑ ®Õn võa ph¶i, sù biÕn ®éng ngµy ®ªm trong profile nhiÖt ®é sÏ ¶nh h−ëng ®Õn sù trao ®æi nhiÖt, Èm vµ ®éng l−îng gi÷a khÝ quyÓn vµ bÒ mÆt. Sù ph©n tÇng mËt ®é m¹nh liªn quan víi nghÞch nhiÖt ban ®ªm ng¨n c¶n sù vËn chuyÓn rèi ®éng l−îng tõ khÝ quyÓn tù do xuèng phÝa d−íi. Vµo ban ®ªm c¸c dßng hiÓn nhiÖt vµ Èn nhiÖt còng bÞ ng¨n c¶n bëi sù ph©n tÇng mËt ®é 90
m¹nh, do ®ã nhiÖt ®é bÒ mÆt chñ yÕu chÞu ¶nh h−ëng cña nh©n tè bøc x¹ lµm l¹nh bÒ mÆt. NghÞch nhiÖt th−êng ph¸t triÓn khi cã hÖ thèng ¸p cao chi phèi ®iÒu kiÖn thêi tiÕt ®Þa ph−¬ng. Giã bÒ mÆt yÕu, trêi quang vµ chuyÓn ®éng trung b×nh ®i xuèng trong khÝ quyÓn tù do th−êng liªn quan víi c¸c hÖ thèng ¸p cao thóc ®Èy sù ph¸t triÓn nghÞch nhiÖt m¹nh. C¸c chÊt « nhiÔm d−íi ®iÒu kiÖn nghÞch nhiÖt cã thÓ lµm t¨ng møc ®é cã h¹i cho søc khoÎ, v× x¸o trén rèi vµo khÝ quyÓn tù do bÞ c¶n trë do gradient mËt ®é lín. H×nh 4.8 §å thÞ nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i c¸c thêi gian ®Þa ph−¬ng kh¸c nhau trong líp khÝ quyÓn 1500m thÊp nhÊt ë O'Neill, Nebraska vµo ngµy 13-8-1953. Thêi gian cho theo 24h trong ngµy sao cho 1800=6h chiÒu, v.v. (Theo Lettau vµ Davidson, 1957) 4.5.1 Líp biªn phiÕm ®Þnh Khi æn ®Þnh tÜnh trong líp biªn gÇn nh− lµ phiÕm ®Þnh, lùc næi kh«ng ®ãng vai trß quan träng trong nguån ®éng n¨ng rèi. D−íi ®iÒu kiÖn phiÕm ®Þnh nguån n¨ng l−îng cho rèi líp biªn lµ ®éng n¨ng cña giã trung b×nh trong khÝ quyÓn tù do. Rèi trong líp biªn t¹o ra nh÷ng dßng ®éng l−îng m¹nh h−íng tíi bÒ mÆt. Th«ng l−îng th¼ng ®øng cña ®éng l−îng ngang t¹i bÒ mÆt τ0 kÐo theo c¸c dßng khÝ. Trong líp bÒ mÆt d−íi ®iÒu kiÖn phiÕm ®Þnh gradient th¼ng ®øng cña tèc ®é giã (U) cã thÓ chØ phô thuéc vµo ®é cao (z), mËt ®é (ρ), vµ sù c¶n cña bÒ mÆt. Tèc ®é giã ®Æc tr−ng ®Ó dïng trong ph©n tÝch thø nguyªn lµ tèc ®é ma s¸t u*: 1/2 ⎛τ ⎞ u * = ⎜⎜ 0 ⎟⎟ (4.15) ⎝ ρ ⎠ Sö dông tèc ®é ma s¸t vµ ®é cao ®èi víi qui m« ®é ®øt giã, viÖc ph©n tÝch thø nguyªn ®−a ra gi¶ thiÕt r»ng qui m« ®é ®øt giã ph¶i lµ h»ng sè z ∂U 1 ( ) = (4.16) u * ∂z k H»ng sè Karman k lµ nh− nhau cho toµn bé líp biªn phiÕm ®Þnh, kh«ng phô thuéc vµo tÝnh chÊt bÒ mÆt, vµ cã gi¸ trÞ ®o ®−îc xÊp xØ 0,4. Ph−¬ng tr×nh (4.16) cã thÓ ®−îc tÝch ph©n theo ®é cao ®Ó nhËn ®−îc profile logarit cña tèc ®é 91
⎛u ⎞ ⎛ z ⎞ U(z ) = ⎜ * ⎟ ln⎜⎜ ⎟⎟ (4.17) ⎝ k ⎠ ⎝ z0 ⎠ H»ng sè céng z0, ®−îc ®−a vµo khi tÝch ph©n ®Ó nhËn (4.17), gäi lµ ®é cao gå ghÒ (hay ®é gå ghÒ − ND), lµ ®é cao t¹i ®ã tèc ®é giã b»ng 0. §èi víi hÇu hÕt c¸c bÒ mÆt tù nhiªn, tÝnh kh«ng ®ång ®Òu cña bÒ mÆt lín h¬n ®é dµy 1 mm cña líp mµ ë ®ã khuyÕch t¸n ph©n tö thèng trÞ, vµ ®é gå ghÒ nµy cã thÓ ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é cao z0. §é gå ghÒ cña c¸c bÒ mÆt tù nhiªn biÕn ®æi trong kho¶ng cì milimet ®èi víi mÆt biÓn trung b×nh ®Õn lín h¬n 1 mÐt ®èi víi c¸c thµnh phè cã nhiÒu nhµ cao. §é gå ghÒ ®−îc −íc l−îng b»ng c¸ch ®o profile tèc ®é giã d−íi ®iÒu kiÖn phiÕm ®Þnh vµ gi¶i (4.17) ®èi víi z0. Profile logarit cña tèc ®é giã lµ mét xÊp xØ tèt ®èi víi nhiÒu líp biªn trong phßng thÝ nghiÖm còng nh− ®èi víi líp biªn hµnh tinh d−íi ®iÒu kiÖn ph©n tÇng phiÕm ®Þnh. Nã phï hîp ë nh÷ng ®é cao lín h¬n nhiÒu so víi ®é gå ghÒ, z>>z0, vµ v× thÕ nã kh«ng m« t¶ ®−îc profile tèc ®é giã trung b×nh trong c¸c t¸n thùc vËt hoÆc rÊt gÇn nh÷ng bÒ mÆt gå ghÒ. LuËt profile logarit cña tèc ®é giã rÊt thuËn tiÖn cho viÖc biÓu diÔn th«ng l−îng ®éng l−îng t¹i bÒ mÆt qua tèc ®é giã t¹i ®é cao nµo ®ã trong líp bÒ mÆt. Thay thÕ (4.15) vµo (4.17) suy ra biÓu thøc ®èi víi ®é c¶n bÒ mÆt d−íi d¹ng tèc ®é giã Ur t¹i ®é cao cÇn xÐt zr nµo ®ã. τ o = ρC D U 2r (4.18) trong ®ã −2 ⎛z ⎞ CD = k ln⎜⎜ r ⎟⎟ 2 (4.19) ⎝ z0 ⎠ HÖ sè c¶n CD phô thuéc vµo tû sè gi÷a ®é cao ®ang xÐt vµ ®é gå ghÒ. Líp ®ang xÐt cã thÓ ®−îc lÊy t¹i mùc bÊt kú trong líp bÒ mÆt, n¬i cã thÓ ®o ®−îc thuËn lîi vµ n¬i mµ profile logarit cho xÊp xØ tèt th«ng l−îng thùc tÕ. C«ng thøc c¶n khÝ ®éng lùc (4.18) vµ c¸c c«ng thøc cã liªn quan ®èi víi c¸c th«ng l−îng hiÓn nhiÖt vµ Èn nhiÖt t¹i bÒ mÆt t¹o c¬ së cho −íc l−îng thùc nghiÖm c¸c dßng bÒ mÆt vµ cho viÖc ®Þnh râ c¸c dßng bÒ mÆt trong c¸c m« h×nh khÝ hËu. Chóng cho phÐp tÝnh to¸n c¸c th«ng l−îng rèi khi chØ sö dông tèc ®é giã trung b×nh ë ®é cao cÇn xÐt vµ mét vµi tham sè më réng. 4.5.2 Líp biªn ph©n tÇng ViÖc ph©n tÝch thø nguyªn ®èi víi líp biªn phiÕm ®Þnh cã thÓ ®−îc më réng cho c¸c líp biªn ph©n tÇng (Monin & Obukhov, 1954; Arya, 1988). Lý thuyÕt nµy ®−a thªm th«ng l−îng nhiÖt vµ c¸c biÕn lùc næi vµo ph©n tÝch thø nguyªn. Profile th¼ng ®øng ®Æc tr−ng ®èi víi c¶ giã vµ nhiÖt ®é nhËn ®−îc trong to¹ ®é th¼ng ®øng ®· ®−îc ®Þnh tû lÖ, b»ng tæ hîp v« thø nguyªn cña tèc ®é ma s¸t, th«ng l−îng nhiÖt vµ lùc næi. Tõ c¸c profile nµy, cã thÓ nhËn ®−îc tæ hîp c¸c c«ng thøc khÝ ®éng lùc m« t¶ c¸c dßng nhiÖt rèi vµ ®éng l−îng rèi t¹i bÒ mÆt tõ c¸c biÕn trung b×nh. C¸c hÖ sè trong nh÷ng c«ng thøc nµy b©y giê phô thuéc vµo ®é æn ®Þnh th¼ng ®øng cña khÝ 92
quyÓn còng nh− ®é gå ghÒ. Lý thuyÕt nµy chØ ¸p dông cho líp bÒ mÆt. §é æn ®Þnh th¼ng ®øng cã thÓ ®−îc ®Æc tr−ng bëi sè Richardson. D−íi d¹ng kh¸c, sè Richardson phô thuéc vµo ®¹o hµm theo chiÒu th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ θ (xem phô lôc C) vµ tèc ®é giã U g ∂θ / ∂z Ri = (4.20) T0 (∂U / ∂z )2 Trong ®ã g lµ gia tèc träng tr−êng vµ T0 lµ nhiÖt ®é ®ang xÐt. Sè Richardson tæ hîp ®èi víi líp biªn cã thÓ ®−îc viÕt g z r ( θ(z r ) − θ(z 0 )) Ri B = (4.21) T0 U(z r )2 Sè Richardson sÏ lín khi nhiÖt ®é thÕ vÞ cña kh«ng khÝ gÇn bÒ mÆt lµ cao so víi nhiÖt ®é thÕ vÞ t¹i bÒ mÆt. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nh− vËy kh«ng khÝ cã tÇng kÕt æn ®Þnh, ng¨n chÆn sù x¸o trén th¼ng ®øng. C¸c phÇn tö ®−îc n©ng lªn tõ bÒ mÆt cã lùc næi ©m vµ sÏ bÞ kÐo xuèng c−ìng bøc bëi lùc träng tr−êng. HiÖu øng æn ®Þnh nµy cã thÓ bÞ ph¸ vì bëi ®éng n¨ng s½n cã trong ®é ®øt giã trung b×nh gÇn bÒ mÆt ®Êt, mµ nã cã thÓ t¹o nªn tèc ®é rèi ®ñ ®Ó x¸o trén kh«ng khÝ ®· ph©n tÇng æn ®Þnh. T¸c ®éng nµy cña ®éng n¨ng ®−îc biÓu diÔn bëi b×nh ph−¬ng tèc ®é giã ë mÉu sè trong c«ng thøc trong (4.21). NÕu nhiÖt ®é thÕ vÞ gi¶m theo ®é cao gÇn bÒ mÆt th× líp biªn lµ bÊt æn ®Þnh vµ sù dÞch chuyÓn th¼ng ®øng nhá cña c¸c phÇn tö khÝ sÏ ®−îc gia t¨ng bëi lùc næi. Sè Richardson ®èi víi líp biªn bÊt æn ®Þnh næi lµ ©m. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn nµy sù truyÒn n¨ng l−îng vµ Èm theo chiÒu th¼ng ®øng t−¬ng ®èi cã hiÖu qu¶ do sù trao ®æi tù do cña c¸c phÇn tö qua bÒ mÆt c¸c mùc. Trªn ®Êt liÒn th«ng th−êng líp biªn trë nªn bÊt æn ®Þnh trong nh÷ng ngµy hÌ do mÆt trêi chiÕu n¾ng ®èt nãng bÒ mÆt. VÒ ban ®ªm bÒ mÆt l¹nh ®i nhanh h¬n kh«ng khÝ ë phÝa trªn, nªn nghÞch nhiÖt cã thÓ ph¸t triÓn (h×nh 4.8). KÕt qu¶ lµ ph©n tÇng mËt ®é m¹nh cã thÓ c¶n trë sù trao ®æi nhiÖt vµ ®éng l−îng ban ®ªm gi÷a bÒ mÆt vµ khÝ quyÓn tù do. ¶nh h−ëng cña sù biÕn ®æi tÝnh æn ®Þnh cña líp biªn lªn c¸c dßng ®éng l−îng cã thÓ nhËn thÊy ®−îc qua sù biÕn ®æi ngµy ®ªm cña profile giã. H×nh 4.9 chØ ra sù biÕn ®éng ngµy ®ªm cña tèc ®é giã ®o ®−îc ë c¸c ®é cao kh¸c nhau trªn th¸p truyÒn h×nh ë Oklahoma. Ban ®ªm tèc ®é giã ®o ®−îc ë rÊt gÇn bÒ mÆt gi¶m, v× vµo thêi ®iÓm nµy ®é æn ®Þnh tÜnh lín h¬n nªn sù x¸o trén ®éng l−îng xuèng d−íi tõ khÝ quyÓn tù do gi¶m. ë ®é cao cao h¬n trong líp biªn giã t¨ng vµo ban ®ªm do t¸c ®éng c¶n cña bÒ mÆt bÞ gi¶m. Trong thêi gian ban ngµy sù x¸o trén ®éng l−îng hiÖu qu¶ trong suèt líp biªn bÊt æn ®Þnh t−¬ng ®èi lµm cho tèc ®é giã gÇn bÒ mÆt t¨ng do tèc ®é giã ë c¸c mùc cao h¬n trong líp biªn bÞ gi¶m. 4.6 C¸c dßng hiÓn nhiÖt vµ Èn nhiÖt trong líp biªn C¸c dßng hiÓn nhiÖt vµ Èn nhiÖt tõ bÒ mÆt ®−îc sinh ra do chuyÓn ®éng rèi cña chÊt láng trong líp biªn. Ngo¹i trõ bªn trong líp kho¶ng 1 mm s¸t bÒ mÆt, sù vËn chuyÓn do khuyÕch t¸n ph©n tö ®−îc bá qua so víi vËn chuyÓn rèi. Rèi ®−îc ®Æc 93
tr−ng bëi sù dao ®éng hçn lo¹n, nhanh cña tèc ®é giã. N¬i nµo tån t¹i gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é hoÆc ®é Èm trung b×nh th× dao ®éng rèi cña tèc ®é giã sÏ bÞ kÐo theo bëi dao ®éng cña c¸c thuéc tÝnh v« h−íng, nh− nhiÖt ®é vµ ®é Èm. Th«ng l−îng th¼ng ®øng cña khèi l−îng, ®éng l−îng vµ n¨ng l−îng ®−îc sinh ra do rèi khi c¸c phÇn tö khÝ chuyÓn ®éng th¨ng cã c¸c thuéc tÝnh kh¸c víi c¸c phÇn tö khÝ chuyÓn ®éng gi¸ng. Do ®ã cã thÓ ®o ®−îc th«ng l−îng b»ng c¸ch lÊy trung b×nh kh«ng gian hoÆc thêi gian cña tÝch tèc ®é th¼ng ®øng vµ thuéc tÝnh ®ang xÐt. VÝ dô, nÕu ta cã gi¸ trÞ ®o cña nhiÖt ®é T vµ tèc ®é th¼ng ®øng w t¹i mét ®iÓm gÇn bÒ mÆt, ta cã thÓ nhËn ®−îc dßng hiÓn nhiÖt th¼ng ®øng tõ trung b×nh thêi gian cña tÝch tèc ®é th¼ng ®øng vµ nhiÖt ®é råi nh©n víi nhiÖt dung riªng vµ mËt ®é trung b×nh cña kh«ng khÝ Th«ng l−îng hiÓn nhiÖt ®i lªn = c p ρwT (4.22) H×nh 4.9 BiÕn tr×nh ngµy cña tèc ®é giã nh− lµ hµm cña ®é cao ®−îc ®o tõ th¸p ë thµnh phè Oklahoma vµ ®−îc lÊy trung b×nh trong suèt thêi kú tõ 6-1966 ®Õn 5-1967. Pháng theo Crawford vµ Hudson, 1973. In l¹i víi sù cho phÐp cña HiÖp héi KhÝ t−îng Mü) §Ó −íc l−îng ®¹i l−îng nµy chÝnh x¸c, nhiÖt ®é vµ giã ph¶i ®−îc ®o t¹i nh÷ng kho¶ng c¸ch ®ñ dµy ®Ó x¸c ®Þnh c¸c dao ®éng rèi sinh ra sù vËn chuyÓn th¼ng ®øng. V× dao ®éng rèi x¶y ra rÊt nhanh, viÖc ®o ®¹c cÇn ®−îc tiÕn hµnh mét c¸ch th−êng xuyªn, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c lÇn ®o cã thÓ ng¾n h¬n mét gi©y ®Ó cã thÓ ®o ®−îc c¸c dßng rèi mét c¸ch trùc tiÕp. TÝnh chÊt kh«ng ®ång nhÊt trong ®iÒu kiÖn bÒ mÆt còng cã thÓ g©y nªn nh÷ng khã kh¨n khi nhËn c¸c th«ng l−îng tiªu biÓu tõ viÖc ®o ®¹c t¹i c¸c ®iÓm ®¬n. B»ng viÖc ph©n tÝch c¸c biÕn thµnh trung b×nh thêi gian vµ ®é lÖch so víi trung b×nh thêi gian, hoÆc nhiÔu ®éng xo¸y, ta cã thÓ viÕt th«ng l−îng hiÓn nhiÖt ®i lªn nh− lµ tæng ®ãng gãp cña trung b×nh thêi gian vµ cña xo¸y w = w + w ' , T = T + T' (4.23) ë ®©y dÊu g¹ch ngang phÝa trªn chØ viÖc lÊy trung b×nh thêi gian, cßn dÊu phÈy chØ gi¸ trÞ ®é lÖch khái trung b×nh thêi gian. Thay (4.23) vµo (4.22) vµ thùc hiÖn viÖc lÊy trung b×nh ta nhËn ®−îc ®ãng gãp cña c¸c thµnh phÇn trung b×nh vµ xo¸y cho th«ng l−îng th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é 94
wT = Tw + w ' T ' (4.24) Tæng = trung b×nh + xo¸y GÇn bÒ mÆt tèc ®é th¼ng ®øng trung b×nh rÊt nhá so víi tèc ®é xo¸y hoÆc tèc ®é rèi th¼ng ®øng ®iÓn h×nh, vµ ®ãng gãp cña xo¸y vµo th«ng l−îng nhiÖt th¼ng ®øng chiÕm −u thÕ. Ta cã thÓ ®Þnh nghÜa th«ng l−îng Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt nh− lµ nh÷ng th«ng l−îng xo¸y cña nhiÖt vµ Èm ë mét mùc nµo ®ã trong líp biªn khÝ quyÓn SH = c p ρw ′T′ , LE = Lρw′q ′ (4.25) trong ®ã ρ lµ mËt ®é kh«ng khÝ, cp lµ nhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p cña kh«ng khÝ, vµ L lµ Èn nhiÖt ho¸ h¬i. Trong thùc tÕ, viÖc ®o ®¹c nh÷ng nhiÔu ®éng tèc ®é rèi, nhiÖt ®é, vµ ®é Èm cÇn thiÕt ®Ó tÝnh to¸n c¸c dßng n¨ng l−îng hiÓn vµ Èn kh«ng ®−îc thùc hiÖn mét c¸ch th−êng xuyªn, vµ nh÷ng dao ®éng nhanh, qui m« nhá nµy còng kh«ng ®−îc m« pháng trong c¸c m« h×nh khÝ hËu. Trong hÇu hÕt c¸c tr−êng hîp ng−êi ta ph¶i −íc l−îng c¸c th«ng l−îng rèi b»ng c¸ch sö dông c¸c biÕn ®· lÊy trung b×nh trªn qui m« thêi gian vµ kh«ng gian lín h¬n nhiÒu so víi chuyÓn ®éng rèi trong líp biªn. §· cã mét vµi ph−¬ng ph¸p ®Ó −íc l−îng c¸c dßng bÒ mÆt theo nh÷ng quan tr¾c cña c¸c biÕn trung b×nh. Ph−¬ng ph¸p th«ng th−êng nhÊt lµ th«ng qua viÖc sö dông tæ hîp c¸c c«ng thøc khÝ ®éng lùc. §©y lµ c«ng thøc liªn kÕt c¸c th«ng l−îng rèi víi trung b×nh kh«ng gian vµ thêi gian cã thÓ quan tr¾c ®−îc. Cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng th«ng l−îng hiÓn nhiÖt tû lÖ víi hiÖu nhiÖt ®é gi÷a bÒ mÆt vµ kh«ng khÝ t¹i mét ®é cao chuÈn zr nµo ®ã mµ ë ®ã cã c¸c biÕn trung b×nh ®· biÕt. V× mét phÇn ®éng n¨ng cña rèi líp biªn nhËn ®−îc tõ tèc ®é giã trung b×nh thæi trªn bÒ mÆt, nªn cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng c¸c th«ng l−îng rèi còng tû lÖ víi tèc ®é giã trung b×nh Ur t¹i ®é cao chuÈn. Nh÷ng gi¶ thiÕt c¬ b¶n nµy phï hîp víi c¸c kÕt qu¶ cña lý thuyÕt t−¬ng tù ®−îc m« t¶ trªn ®©y, mµ nhê ®ã ta nhËn ®−îc biÓu thøc liªn hÖ gi÷a dßng hiÓn nhiÖt víi tèc ®é giã vµ nhiÖt ®é trung b×nh SH = cpρCDHUr(Ts−Ta(zr)) (4.26) Dßng Èn nhiÖt cã thÓ liªn hÖ víi hiÖu ®é Èm riªng q gi÷a bÒ mÆt vµ khÝ quyÓn t¹i ®é cao cÇn xÐt LE = LρCDEUr(qs−qa(zr)) (4.27) Trong c¸c c«ng thøc khÝ ®éng lùc (4.26) vµ (4.27), ρ lµ mËt ®é kh«ng khÝ, cp lµ nhiÖt dung riªng ®¼ng ¸p, CDH vµ CDE t−¬ng øng lµ hÖ sè truyÒn khÝ ®éng lùc cña nhiÖt ®é vµ ®é Èm. C¸c chØ sè d−íi s vµ a t−¬ng øng chØ gi¸ trÞ bÒ mÆt vµ kh«ng khÝ t¹i mùc cÇn xÐt. C¸c hÖ sè truyÒn khÝ ®éng lùc phô thuéc vµo ®é gå ghÒ cña bÒ mÆt, sè Richardson tæ hîp vµ ®é cao cÇn xÐt. Trong nh÷ng t×nh huèng b×nh th−êng, c¸c gi¸ trÞ cña hÖ sè truyÒn ®èi víi nhiÖt, Èm vµ ®éng l−îng cã thÓ lÊy gÇn b»ng nhau, vµ gi¸ trÞ tiªu biÓu cho c©n b»ng phiÕm ®Þnh vµ cho ®é cao 10 m trªn bÒ mÆt cã thÓ nhËn trong kho¶ng 1×10−3 ë trªn ®¹i d−¬ng ®Õn 4×10−3 ë bÒ mÆt ®Êt cã ®é gå ghÒ võa ph¶i. NÕu tèc ®é giã t¹i 10 m lµ 5m/s vµ CD = 3×10−3, khi ®ã tõ (4.26) dßng hiÓn 95
nhiÖt ®i qua líp khÝ quyÓn bÒ mÆt vµo kho¶ng 15 W/m2 cho mçi ®é cña hiÖu nhiÖt ®é gi÷a bÒ mÆt vµ kh«ng khÝ t¹i 10m. 4.6.1 Tû sè c©n b»ng Bowen ®èi víi ®iÒu kiÖn b·o hoµ Dßng Èn nhiÖt phô thuéc m¹nh mÏ vµo nhiÖt ®é th«ng qua sù phô thuéc cña ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoµ vµo nhiÖt ®é. Trªn bÒ mÆt n−íc vµ mÆt ®Êt −ít ta cã thÓ gi¶ thiÕt r»ng tû sè x¸o trén cña h¬i n−íc t¹i bÒ mÆt b»ng tû sè x¸o trén b·o hoµ q* ë nhiÖt ®é cña bÒ mÆt. qs = q*(Ts) (4.28) Tû sè x¸o trén h¬i n−íc cña kh«ng khÝ b·o hoµ t¹i ®é cao ®ang xÐt cã thÓ ®−îc xÊp xØ bëi chuçi Taylor bËc nhÊt ∂q * q *a = q *s (Ts ) + (Ta − Ts + ......) (4.29) ∂T Tû sè x¸o trén h¬i n−íc thùc tÕ cña kh«ng khÝ t¹i ®é cao cÇn xÐt cã thÓ ®−îc biÓu diÔn qua ®é Èm t−¬ng ®èi t¹i mùc nµy q RH = (4.30) q* ⎛ ∂q * ⎞ q a ≅ RH⎜⎜ q *s (Ts ) + (Ta − Ts ⎟⎟ (4.31) ⎝ ∂T ⎠ Thay (4.31) vµo (4.27) suy ra ®−îc biÓu thøc ®èi víi nhiÖt mÊt ®i tõ bÒ mÆt th«ng qua bèc h¬i d−íi d¹ng hiÖu nhiÖt ®é vµ ®é Èm t−¬ng ®èi ⎛ cp ⎞ ρLE ≅ LC DE U⎜⎜ q *s (1 − RH) + RH.Be−1 (Ts − Ta ) ⎟⎟ (4.32) ⎝ L ⎠ trong ®ã L ∂q * B e−1 ≡ (4.33) c p ∂T Tû sè Bowen lµ tû sè gi÷a sù lµm l¹nh hiÓn nhiÖt vµ lµm l¹nh Èn nhiÖt cña bÒ mÆt. So s¸nh (4.32) vµ (4.26) ta thÊy r»ng khi bÒ mÆt −ít vµ kh«ng khÝ b·o hoµ, RH=1, tû sè Bowen nhËn gi¸ trÞ ®Æc biÖt SH Bo ≡ = Be (4.34) LE Khi bÒ mÆt vµ kh«ng khÝ t¹i mùc ®ang xÐt lµ b·o hoµ, tû sè Bowen tiÖm cËn ®Õn gi¸ trÞ Be cho bëi (4.33) mµ nã cã thÓ ®−îc gäi lµ tû sè c©n b»ng Bowen. Ta xem r»ng dßng Èm tõ líp biªn vµo khÝ quyÓn tù do võa ®ñ c©n b»ng víi dßng Èm ®i lªn tõ bÒ mÆt, do ®ã ®é Èm t¹i ®é cao ®ang xÐt ë trong tr¹ng th¸i c©n b»ng t¹i gi¸ trÞ b·o hoµ. Tû sè Bowen trong tr−êng hîp c©n b»ng nh− vËy lµ tû lÖ nghÞch víi tèc ®é biÕn ®æi theo nhiÖt ®é cña tû sè x¸o trén b·o hoµ cña h¬i n−íc trong (4.33). Tèc ®é biÕn ®æi cña tû sè x¸o trén b·o hoµ theo nhiÖt ®é rÊt nh¹y c¶m víi chÝnh nhiÖt ®é. 96
Sö dông c«ng thøc xÊp xØ (B.3) trong phô lôc B cã thÓ chØ ra r»ng ∂q * ⎛ L ⎞ = q * (T )⎜ ⎟ (4.35) ∂T ⎜ R T2 ⎟ ⎝ v ⎠ Sù phô thuéc vµo nhiÖt ®é theo qui luËt hµm mò cña tû sè x¸o trén b·o hoµ lín h¬n nghÞch ®¶o b×nh ph−¬ng cña nhiÖt ®é trong (4.35), do ®ã tû sè c©n b»ng Bowen gi¶m theo nhiÖt ®é theo qui luËt hµm mò. Sù phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña tû sè x¸o trén b·o hoµ vµ tû sè c©n b»ng Bowen ®−îc chØ ra b»ng ®å thÞ l«ga−tuyÕn tÝnh trªn h×nh 4.10. Tû sè c©n b»ng Bowen b»ng 1 ë kho¶ng 0oC, vµ gi¶m xuèng ®Õn kho¶ng 0,2 t¹i 30oC. V× ®é Èm t−¬ng ®èi trong (4.32) gi¶m tõ 1 ®Õn c¸c gi¸ trÞ nhá h¬n, sù lµm l¹nh bèc h¬i t¨ng, nªn tû sè c©n b»ng Bowen lµ tû sè Bowen lín nhÊt cã thÓ ®èi víi bÒ mÆt −ít. Tû sè Bowen thùc tÕ trªn bÒ mÆt −ít nãi chung cã thÓ nhá h¬n tû sè c©n b»ng Bowen, v× kh«ng khÝ t¹i ®é cao ®ang xÐt kh«ng ph¶i th−êng xuyªn b·o hoµ. Do sù phô thuéc m¹nh vµo nhiÖt ®é cña ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoµ, nªn ë nhiÖt ®íi trªn c¸c bÒ mÆt −ít, lµm l¹nh Èn nhiÖt chiÕm −u thÕ tréi h¬n lµm l¹nh hiÓn nhiÖt ë cïng nhiÖt ®é, nh−ng ë c¸c vÜ ®é cao trong mïa ®«ng sù truyÒn hiÓn nhiÖt cã thÓ ®ãng vai trß quan träng nhÊt. Nh÷ng th¶o luËn ®· nªu, mét c¸ch chÆt chÏ, chØ ¸p dông cho c¸c ®iÒu kiÖn khi bÒ mÆt lµ −ít, do ®ã lµm l¹nh bèc h¬i kh«ng bÞ thiÕu Èm bÒ mÆt. Trªn bÒ mÆt ®Êt sù lµm l¹nh bèc h¬i cã thÓ gi¶m m¹nh khi Èm kh«ng thÓ ®−îc cung cÊp tõ phÝa d−íi bÒ mÆt mét c¸ch ®ñ nhanh ®Ó gi÷ cho kh«ng khÝ lu«n tiÕp xóc víi bÒ mÆt ®· b·o hoµ. ë nh÷ng vïng sa m¹c bÒ mÆt kh« ®iÓn h×nh, ®Õn møc dï víi nhiÖt ®é nµo th× lµm l¹nh bèc h¬i còng nhá, do ®ã lµm l¹nh hiÓn nhiÖt vµ ph¸t x¹ sãng dµi ph¶i c©n b»ng víi ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi. §èi víi ®Þa h×nh cã líp phñ thùc vËt, lµm l¹nh do bèc tho¸t h¬i qua l¸ bÞ chi phèi bëi ®iÒu kiÖn vËt lý vµ sinh häc cña t¸n c©y vµ hµm l−îng n−íc cña ®Êt. Vai trß cña ®Êt vµ thùc vËt trong c©n b»ng n¨ng l−îng vµ n−íc bÒ mÆt ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng 5 sau nµy. H×nh 4.10 §é Èm tiªng b∙o hoµ q* (g/kg) vµ tû sè c©n b»ng Bowen Be nh− lµ hµm cña nhiÖt ®é 97