Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 7 – Phan Văn Tân

Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học) - Chương 7: Hoàn lưu chung đại dương và khí hậu. Những nội dung chính trong chương gồm có: Vai trò của đại dương đối với khí hậu, các tính chất của nước biển, lớp xáo trộn, hoàn lưu do gió, hoàn lưu nhiệt muối nước sâu, vận chuyển năng lượng trong đại dương, cơ chế vận chuyển trong đại dương.

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC

Chương 7 Hoàn lưu chung đại

dương và khí hậu

7.1 Vai trò của đại dương đối với khí hậu

|   Là nguồn chính cung cấp hơi nước và nhiệt cho khí quyển

|   Là cái “nồi hơi” điều khiển chu trình nước toàn cầu

|   Tạo ra tính quán tính nhiệt lớn cho hệ thống khí hậu trên quy

mô thời gian từ hàng tuần đến hàng thế kỷ

|   Khả năng tích luỹ nhiệt lớn của đại dương làm giảm biên độ

chu trình mùa của nhiệt độ bề mặt

|   Sự vận chuyển năng lượng từ xích đạo về cực, làm giảm

gradient nhiệt độ từ cực đến xích đạo

|   Vận chuyển năng lượng theo phương ngang và phương thẳng

đứng có thể điều chỉnh nhiệt độ bề mặt biển địa phương

|   Tác động gián tiếp tới khí hậu thông qua những quá trình hoá

học và sinh học

3

Đị a hình và độ sâu biển !

Nước trên Trái đất

|   Khí quyển chỉ lưu

trữ một lượng nước rất nhỏ

|   Nguồn nước chủ yếu

của hệ thống khí hậu

•   “Bể nóng” Tây Thái Bình dương

•   Nước biển có nhiệt dung riêng lớn

•   Đại dương là “kho” dự trữ nhiệt khổng lồ cho hệ thống khí hậu

Thủy triều

7

Thủy triều

Các dòng chảy đại dương

9

7.2 Các tính chất của nước biển

|   Trạng thái vật lý của nước biển được xác định bởi: Áp

suất, nhiệt độ, mật độ và độ muối

|   Độ muối là lượng muối hoà tan trong một kg nước biển,

đơn vị đo là phần nghìn (‰)

|   Độ muối và nhiệt độ trung bình của đại dương thế giới

tương ứng khoảng 34.7‰ và 3.6°C

|   Ảnh hưởng của đại dương đến thành phần khí quyển

thông qua các quá trình sinh học và hoá học tuỳ thuộc

vào tính pha trộn phức tạp của các tính chất lý, hoá, sinh

|   VD: Hàm lượng ôxy và các chất dinh dưỡng của biển có

tầm quan trọng đối với sự sống ở biển

|   Một lượng nhỏ các khoáng chất chủ chốt có thể rất quan

trọng đối với năng suất sinh học

Các tính chất của nước biển

Dị thường mật độ nước biển (ρt-1000

kg m−3 ) tại một điều kiện khí áp như là

hàm của nhiệt độ (°C) và độ muối (‰)

|  Biến động của mật độ trên các mặt áp

suất là quan trọng để điều khiển hoàn lưu của đại dương, và phụ thuộc vào nhiệt độ

và độ muối

|  Hàm lượng muối làm tăng mật độ nước

|  Nhiệt độ tăng làm nước biển giãn nở và

giảm mật độ

|   Độ muối của nước biển dao động trong

khoảng 25‰ đến 40‰, nhiệt độ biến thiên trong khoảng –2°C đến 30°C

|   Sự thay đổi của độ muối và nhiệt độ có

tầm quan trọng gần như nhau đối với sự

|   Mật độ nước biển phụ thuộc vào độ

muối gần như tuyến tính

|   Nước biển hầu như không nén (phụ

thuộc yếu ớt vào mật độ trên các mặt đẳng áp)

|   Nhiệt độ ảnh hưởng đến mật độ ít hơn

độ muối

11

Các tính chất của nước biển

Nhiệt độ thế (°C), độ muối (‰) và mật độ

Tây dương (trái) và Thái Bình dương (phải)

|   Đối với nước biển có độ muối lớn

hơn 24.7‰ mật độ tiếp tục tăng khi nhiệt độ giảm cho đến điểm băng mặc

dù càng gần điểm băng càng chậm

|   Vì vậy, nếu độ muối ban đầu đồng

nhất thì toàn bộ cột nước phải bị lạnh

đi cho đến điểm băng trước khi băng

có thể hình thành

|   Băng biển có thể hình thành ở các đại dương vĩ độ cao do độ muối gần bề mặt

giảm đáng kể

|   Độ muối thấp hơn gần bề mặt làm giảm mật độ bù lại sự gia tăng mật độ do

nhiệt độ gần bề mặt lạnh hơn, cho phép nước gần bề mặt đóng băng trong khi

nước ấm có ở bên dưới

|   Độ muối bề mặt thấp chủ yếu do lượng mưa vượt quá bốc hơi ở các vĩ độ này

Các tính chất của nước biển

|   Ở Bắc Băng dương việc cung cấp nước ngọt từ các con sông từ lục địa

xung quanh đóng vai trò quan trọng làm độ muối bề mặt thấp và do đó làm gradient mật độ ổn định

|   Bắc Băng dương có gradient thẳng đứng của độ muối lớn (strong

halocline) với nước gần bề mặt tương đối nhạt chuyển nhanh sang nước mặn hơn ở bên dưới

|   Do độ muối tăng theo độ sâu và cũng làm tăng mật độ nên bề mặt có thể

hình thành băng mà không cần đưa nhiệt độ toàn cột nước về điểm băng

|   Giả thiết rằng các con sông quan trọng chuyển từ việc đổ về Bắc Băng

dương sang đổ về phía các lục địa xung quanh làm nước tưới thì cân bằng nhiệt của Bắc Băng dương có thể bị biến dạng trầm trọng do điều kiện

thông thường của lớp băng mỏng bề mặt sẽ không còn ổn định

|   Tăng độ muối của nước mặt ở Bắc cực có thể loại bỏ hoàn toàn băng

biển Bắc cực hoặc đóng băng hoàn toàn Bắc Băng dương từ bề mặt đến đáy

13

Các tính chất của nước biển

|   Chỉ khoảng một km trên cùng của đại dương từ 50°N

đến 50°S là ấm hơn 5°C, do đó phần lớn khối lượng đại dương có nhiệt độ trong khoảng –2°C đến 5°C

|   Cấu trúc nhiệt của đại dương tại hầu hết mọi nơi có thể

được chia thành 3 lớp theo chiều thẳng đứng

|   Lớp nước 20–200 m trên cùng tiếp xúc với khí quyển

thường có nhiệt độ đồng nhất được duy trì bởi sự xáo trộn nhanh nhờ cơ chế nhiệt động và cơ học

|   Lớp này được gọi là lớp xáo trộn của đại dương

|   Phía dưới lớp xáo trộn nhiệt độ giảm khá nhanh theo độ sâu đến khoảng 1000m,

được gọi là nêm nhiệt cố định (permanent thermocline) tồn tại trong tất cả các mùa

|   Nêm nhiệt cố định được duy trì bởi đốt nóng phía trên, được cân bằng bởi

chuyển động đi lên chậm của nước lạnh phía dưới và xáo trộn rất yếu ở dưới

sâu

|   Nước lạnh ở dưới sâu đại dương được tạo ra tại bề mặt ở một số ít vùng của đại

dương vùng cực

|   Tại đáy của nêm nhiệt cố định nhiệt độ tiêu biểu khoảng 5°C, dưới đó nhiệt độ

giảm chậm theo độ sâu, đạt khoảng 2°C ở các lớp sâu nhất của đại dương

|   Các tính chất vật lý của đại dương dưới sâu có biến động không gian nhỏ, do đó

nhiệt độ, độ muối và mật độ hầu như đồng nhất

7.3 Lớp xáo trộn

•  Độ sâu lớp xáo trộn phụ thuộc vào tốc

độ hình thành lực nổi và tốc độ tại đó động năng được cung cấp cho bề mặt đại dương từ gió

•  Nếu bề mặt bị làm lạnh mạnh, như ở các

vĩ độ cao trong mùa thu và mùa đông, thì nước lạnh, đậm đặc được hình thành gần bề mặt với tốc độ nhanh và lực nổi

sẽ chi phối đối lưu với sự chìm xuống của nước lạnh và nổi lên của nước ấm hơn trong lớp xáo trộn

•  Khi bề mặt chỉ bị lạnh ít hoặc thực tế là

bị đốt nóng, như trong mùa hè khi đốt nóng bức xạ bề mặt lớn nhất, thì sự hình thành xáo trộn do lực nổi là nhỏ và lớp xáo trộn sẽ mỏng hơn và ấm hơn

Các quá trình quan trọng trong

lớp xáo trộn

15

Lớp xáo trộn

•  Lực nổi có thể được hình thành do ảnh hưởng của bốc hơi đến độ muối bề mặt, ngay cả khi nhiệt độ bề mặt tăng theo thời gian

•  Mật độ tăng liên quan với độ mặn nước mặt tăng có thể cân bằng hoặc thắng được phân tầng nhiệt và thúc đẩy xáo trộn

•  Mưa làm giảm mật độ nước mặt

•  Gió thổi truyền động năng cho nước thông qua sóng dẫn đến chuyển động rối cũng như các dòng chảy biển

•  Sự cung cấp động năng rối cho lớp trên đại dương bởi gió có thể gây xáo trộn ngay cả khi phân tầng mật độ

ổn định

•  Nếu cường độ rối trong lớp xáo trộn đủ lớn, nước mát, đậm đặc có thể được đưa vào lớp xáo trộn từ phía

dưới

•  Điều đó có nghĩa vận chuyển nhiệt đi xuống làm mát

và sâu thêm lớp xáo trộn

|   Trong điều kiện trung bình thông lượng mặt trời và tốc độ đốt nóng ở

độ sâu khoảng 1 m bị giảm đi còn khoảng một nửa giá trị bề mặt của chúng, nhưng sự đốt nóng đáng kể có thể vẫn còn xảy ra ở độ sâu sâu hơn 100m

|   Vì nhiệt mặt trời chỉ tích tụ ở vài chục mét trên cùng, và sự làm lạnh do

bốc hơi và hiển nhiệt xảy ra tại bề mặt, nên cần phải có dòng năng

lượng đi lên để duy trì cân bằng năng lượng

|   Khuyếch tán phân tử là cơ chế truyền nhiệt quan trọng chỉ trong lớp

một cm trên cùng Tại một số nơi, dòng nhiệt được mang đến hoặc

mang đi nhờ xáo trộn rối, thăng giáng đối lưu, và chuyển động thẳng đứng trung bình (nước trồi (upwelling) và nước chìm (downwelling))

|   Xáo trộn rối lớp bề mặt được tăng cường đáng kể bởi nguồn cơ năng

do gió và sự tương tác giữa gió với sóng trên bề mặt nước

|   Trong lớp xáo trộn, sự vận chuyển nhiệt bởi đối lưu và xáo trộn rối

mạnh đến mức nhiệt độ, độ muối và các tính chất khác của nước biển

Lớp xáo trộn

17

Lớp xáo trộn

(i) Bản đồ độ sâu lớp xáo trộn tháng 1 và tháng 7 Các đường đẳng trị cách nhau 30 dbars với màu đỏ đậm chỉ độ sâu lớp xáo trộn nông hơn 30 dbars, màu xanh đậm sâu hơn; (ii) Bản đồ nhiệt

độ thế trung bình lớp xáo trộn Các đường đẳng cách nhau 2°C, và nóng nhất là 28°C; (iii) Bản

đồ độ muối trung bình lớp xáo trộn Các đường đẳng cách nhau 0.25‰ và mặn nhất ở Đại Tây dương là 37.25‰

•  Vào mùa hè lớp xáo trộn tương đối nông, nhất là ở Bắc bán cầu, nhưng mùa đông chỉ sâu hơn ở một số nơi

•  Ở Bắc Đại Tây dương lớp xáo trộn rất sâu về mùa đông

•  Ở Nam bán cầu, trong tháng 7 (mùa đông) một dải lớp xáo trộn sâu trải rộng từ Ấn Độ dương đến Đông Thái Bình dương

Lớp xáo trộn

|   Lớp xáo trộn ấm nhất và mỏng nhất vào cuối hè gần kết thúc thời kỳ bức xạ lớn nhất và cường độ xáo trộn đại dương do gió mạnh nhất

|   Cuối hè bề mặt bắt đầu mát và hoạt động dông bão tăng lên và lớp xáo trộn sâu hơn và mát mẻ

|   Lớp xáo trộn tiếp tục sâu và lạnh dần trong suốt mùa đông, và cuối mùa đông có thể sâu xuống vài trăm mét

|   Trong hầu hết thời gian còn lại của năm một nêm nhiệt mùa có gradient nhiệt độ lớn gắn với nêm nhiệt cố định

|   Vào mùa xuân và mùa hè nêm nhiệt mùa này phát triển

và lớp xáo trộn trở nên mỏng hơn và ấm hơn

|   Biến động mùa của nhiệt độ chủ yếu xảy ra trong lớp xáo trộn và nêm nhiệt theo mùa; nhiệt độ ở độ sâu phía dưới của lớp xáo trộn có biến động mùa nhỏ

|   Tại cả hai nơi, về mùa hè một lớp nước ngọt phủ trên lớp nước mặn hơn ở dưới, nhưng về mùa đông nước mặn bị xáo trộn lên trên tạo thành một lớp nước lạnh, mănk và rất đậm đặc gần bề mặt, nhất là ở Bắc Đại Tây dương

|   Các điều kiện này làm cho nước có mật độ lớn được hình

19

Tính biến động mùa của lớp xáo trộn

Biến động mùa của nhiệt độ ở lớp trên đại dương tại 50°N-145°W, Đông Bắc Thái Bình Dương (a) Profile thẳng đứng của nhiệt độ theo các tháng, (b) các đường đẳng trị nhiệt độ, (c) nhiệt độ tại các độ

sâu khác nhau theo thời gian trong năm

|   Tháng 3, nhiệt độ không đổi theo độ sâu cho

đến 100m (độ sâu xáo trộn)

|   Lớp xáo trộn ấm nhất và mỏng nhất vào cuối

mùa hè (gần kết thúc thời kỳ độ chiếu nắng mạnh nhất và cường độ xáo động do gió nhỏ nhất)

|   Sau tháng 8, bề mặt bắt đầu bị lạnh đi, sự xáo

động tăng lên, và lớp xáo trộn bắt đầu sâu xuống và lạnh dần

|   Lớp xáo trộn tiếp tục sâu xuống và lạnh đi

trong suốt mùa đông, và cuối mùa đông có thể lan rộng tới độ sâu vài trăm mét

|   Vào mùa xuân và mùa hè lớp xáo trộn trở nên

mỏng hơn và ấm hơn

7.4 Hoàn lưu do gió

|   Sự truyền động lượng từ gió sang các

dòng chảy đại dương đóng vai trò cực kỳ quan trọng đối với hoàn lưu đại dương, đặc biệt là các dòng chảy gần bề mặt đại dương

|   Ứng suất gió tác động lên đại dương

trông rất giống gió gần bề mặt

|   Ở các vùng cận nhiệt đới, nhất là ở bán

cầu mùa đông, tín phong hướng xích đạo tạo ra ứng suất hướng tây đối với đại dương

|   Ngược lại, ở vĩ độ trung bình, các ứng

suất này sinh ra lực hướng đông và hướng cực trên bề mặt

|   Ở Đông Thái Bình dương Đại Tây dương

xích đạo, vào tháng 7 ứng suất gió là hướng tây và chi phối nước trồi và nhiệt

Vector ứng suất gió và nhiệt độ mặt nước

biển (SST) cho (a) tháng 1 và (b) tháng 7

21

Hoàn lưu do gió

Vector dòng chảy mặt đại dương và SST

tháng 1 (a) và tháng 7 (b)

|   Ở các vùng tín phong các dòng chảy gần bề mặt ở Bắc bán cầu chảy

lệch phải (Nam bán cầu lệch trái) khoảng 90° so với vector ứng suất gió

Hoàn lưu do gió

|   Vào tháng 1 các dòng chảy có

hướng về phía tây ở bắc đường xích đạo, sau đó chuyển sang hướng đông vào tháng 7

|   Dọc bờ biển Châu Phi và Ả Rập,

gió nam mùa hè sinh ra dòng chảy hướng bắc, dòng này cũng trôi ra ngoài khơi gây nên nước trồi mát hơn dọc bờ

|   Hệ quả của nước trồi và gió

mạnh trong mùa hè là SST trong tháng 1 ấm hơn trong tháng 7

|   Dòng Kuroshio, dòng Gulf Stream, dòng Brazil, dòng Agulhas

|   Mang nước ấm từ nhiệt đới về các vĩ độ trung bình

|   Tốc độ có thể vượt quá 1 m/s (lớn !); tương tự dòng xiết KQ

7.4.1 Các dòng chảy bờ tây

|   Dọc bờ biển phía tây Thái Bình

dương và Đại Tây dương tồn tại các dòng chảy hướng cực mạnh, trong một dải hẹp và rất gần lục địa là các dòng Kuroshio và Gulf Stream

|   Các dòng chảy bờ tây cũng xuất hiện

ở Nam bán cầu dọc bờ biển Nam Mỹ (Dòng Brazil) và châu Phi (Dòng

Agulhas)

|   Dòng hướng cực Gulf Stream chảy

dọc bờ tây Đại Tây dương theo bờ biển Nam Mỹ đi vào vịnh Mexico qua Strait của Florida, và đi lên phía

bờ đông của Bắc Mỹ

|   Dòng Gulf Stream mạnh gần tương

đương nhau trong cả hai mùa

25

7.4.1 Các dòng chảy bờ tây

tháng 1 và tháng 8 tại lát cắt dọc kinh tuyến 65°W nơi dòng Gulf

Stream đi qua gần hướng về đông

|   Dòng chảy có tốc độ trung bình tháng

lớn hơn 0.5m/s và cân bằng địa chuyển với độ nghiêng nêm nhiệt, có nghĩa là biến động của nhiệt độ và mật độ dọc theo nêm nhiệt không đổi

|   Dòng hướng đông tại kinh tuyến này trải

rộng khoảng 1000m độ sâu đến đáy của nêm nhiệt và mạnh hơn một ít, dịch xa hơn về phía bắc khoảng 2° trong tháng 1

và tháng 8

|   Mặc dù trung bình tháng làm mờ đi độ

sắc nét của cấu trúc dòng xiết, tuy nhiên dòng chảy vẫn hẹp; độ rộng mà dòng chảy vượt quá một nửa cực đại của nó vào khoảng 150m

Các dòng chảy bờ tây

|   Không ổn định,

không thẳng hướng

|   Uốn lượn quanh

co, vỡ thành các xoáy nhỏ

|   Không còn rõ

khi dòng chảy

mở rộng về phía đông và phía bắc cắt qua thuỷ vực

27

Các dòng chảy bờ tây

SST ngày của 3 ngày tháng 2/2012 và trung bình khí

hậu 3 tháng ở tây Đại Tây dương

|   Cấu trúc xoáy liên

quan với đặc điểm địa hình đáy

|   Gradient lớn có vị trí

phù hợp với vị trí trung bình của dòng chảy

|   Gradient nhiệt độ lớn

mở rộng về phía đông bắc từ giữa bờ biển Đại Tây dương của Bắc Mỹ đến gần bắc Spitsbergen của Scandinavian,

Peninsula

|   Nước ấm nhất ở gần bề mặt, trùng với vận tốc dòng chảy

mạnh nhất, gần bằng 2 m/s

nước, với nước ấm hơn ở rìa đông và nam, và nước lạnh

hơn ở rìa tây và bắc

và Kuroshio có ảnh hưởng sâu sắc đến SST và khí hậu các vùng lục địa bao quanh, đặc biệt đối với những vùng đất

trực tiếp đón gió từ đại dương

dòng chảy Nauy tiếp nhận và chuyển lên vùng cực

|   è T ại các vĩ độ trung bình và cao, nước bề mặt phần phía

đông Đại Tây dương ấm hơn phần phía tây

Tóm tắt

29

(a) SST trung bình năm và (b) độ lệch của SST trung

bình năm so với trung bình vĩ hướng tại mỗi vĩ độ

( o C)

|   Các dòng chảy xuất hiện ở bờ đông

các đại dương tại các vĩ độ nhiệt đới

và cận nhiệt đới cũng quan trọng đối với khí hậu

|   Nói chung đây là các dòng chảy lạnh,

nông và rộng hơn các dòng bờ tây

|   Tên gọi các dòng chảy được đặt theo

vùng địa lý như: Dòng California ở ngoài khơi Bắc Mỹ, dòng Peru hoặc Humboldt ở ngoài khơi Nam Mỹ dòng Canary ở ngoài khơi Bắc Phi và dòng Benguela ngoài khơi Nam Phi

|   Ở các khu vực này, các dòng chảy do

gió chảy dọc theo bờ biển hướng về xích đạo sau đó quay về hướng tây hướng ra tâm các thuỷ vực

Tóm tắt

|   Xuất hiện ở các vĩ độ nhiệt đới và cận nhiệt đới thuộc bờ đông các

đại dương

|   Dòng California (ngoài khơi Bắc Mỹ), dòng Peru (ngoài khơi Nam

Mỹ), dòng Leuwin (ngoài khơi Đông Australia), dòng Canary

(ngoài khơi Bắc Phi) và dòng Benguela (ngoài khơi Nam Phi)

|   Chảy dọc theo bờ hướng về xích đạo và sau đó ngoặt sang hướng

tây chảy về phía tâm thuỷ vực

|   Gắn liền với nhiệt độ nước mặt biển lạnh

|   Nước lạnh nhất ở rất gần bờ và lan rộng về phía tây và xích đạo

|   SST gần bờ thấp là do nước trồi

|   Hình dạng các đường bờ ở hai đại dương, và độ nghiêng theo

hướng tây bắc - đông nam của các đường bờ Nam Mỹ và châu Phi,

đã làm cho các dòng chảy bờ đông ở Nam Bán Cầu phát triển hơn

và mở rộng tới xích đạo, sau đó chảy sang phía tây dọc theo xích đạo

|   Nhiệt độ bề mặt biển lạnh hơn trung bình ở các vùng dòng chảy bờ

đông liên quan đến chuyển động giáng trong khí quyển