Bài giảng khí hậu học và khí hậu việt nam (phần 1 khí hậu học) chương 4 – phan văn tân

4.1 Lớp bề mặt | Bề mặt được xác định một cách thích hợp: Là một mặt phân cách đơn giản giữa hai môi trường { K hi xét đến các quá trình trao đổi năng lượng quan trọng sẽ đưa vào cả l

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC

Chương 4 Cân bằng năng lượng

bề mặt

4.1 Lớp bề mặt

|   Bề mặt được xác định một cách thích hợp: Là một mặt phân cách đơn

giản giữa hai môi trường

{   K hi xét đến các quá trình trao đổi năng lượng quan trọng sẽ đưa vào cả lớp

biên của khí quyển và đại dương và lớp một vài mét trên cùng của lớp đất

|   Cân bằng năng lượng bề mặt quyết định lượng năng lượng cung cấp cho

quá trình bốc hơi nước bề mặt và làm tăng hoặc giảm nhiệt độ bề mặt

|   Cân bằng năng lượng tại bề mặt đòi hỏi xem xét các dòng năng lượng

do truyền dẫn và đối lưu nhiệt, ẩm thông qua sự chuyển động của chất

|   Nguồn năng lượng bề mặt phụ thuộc vào độ chiếu nắng, các đặc trưng

bề mặt (trạng thái ẩm ướt, lớp phủ thực vật, albedo), và các tính chất của khí quyển phía trên

|   Nguồn năng lượng bề mặt liên hệ mật thiết với chu trình nước, vì sự bốc

hơi từ bề mặt là thành phần cơ bản trong cả các nguồn năng lượng và nguồn nước

4.2 Nguồn n ă ng lượng bề mặt

|  Nguồn năng lượng bề mặt là các dòng năng lượng đi qua một

đơn vị diện tích mặt phân cách không khí - bề mặt theo

phương thẳng đứng (W/m2)

|  Các quá trình xác định sự truyền năng lượng giữa bề mặt và

khí quyển:

{  sự truyền bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại,

{  các dòng năng lượng liên quan với sự chuyển động của

chất lỏng trong khí quyển và đại dương

|  Tích luỹ năng lượng bề mặt xảy ra giữa lớp biên khí quyển và

độ sâu dưới bề mặt (vài mét ở những vùng đất khô hoặc đến vài kilômét như trong các vùng đại dương sâu)

|  Đối với bề mặt nước, dòng năng lượng ngang được sinh ra do

chuyển động chất lỏng có thể đóng vai trò rất quan trọng

Cân bằng n ă ng lượng bề mặt

eo s

E

∂

∂

Làm lạnh bề mặt Đốt nóng bề mặt

|   Những thành phần đã bỏ qua

{   Ẩn nhiệt làm tan băng hoặc tuyết (có thể cần đến 10% NLBX dư thừa)

{   Sự chuyển đổi động năng của gió và sóng thành nhiệt năng

{   Truyền nhiệt do giáng thuỷ (nếu nhiệt độ giáng thuỷ khác nhiệt độ bề

mặt)

{   Năng lượng mặt trời tích luỹ dưới dạng liên kết hoá học (quang hợp)

Tính chung toàn cầu: <1%, nhưng có thể đạt đến ~5%

{   Nhiệt giải phóng do oxy hoá các vật chất sinh vật (quá trình phân huỷ

sinh vật hoặc cháy rừng)

{   Năng lượng địa nhiệt ở những khe nứt nóng, động đất, và núi lửa là nhỏ

{   Nhiệt giải phóng do đốt nhiên liệu hoá thạch hoặc năng lượng hạt nhân

|   Trong các điều kiện ổn định bền vững (trung bình cho toàn năm hoặc

trung bình ngày trên đất), cân bằng năng lượng là sự cân bằng giữa

đốt nóng bức xạ và các quá trình lấy đi năng lượng từ bề mặt:

Rs = LE + SH + ΔFeo

4.3 Tích luỹ nhiệt ở bề mặt

nhiệt dung hữu hiệu của lục địa

hoặc đại dương (Jm-2K-1):

Khí quyển+Đại dương+Đất

eo s

E

∂

∂

eo eo

E =

nhiệt độ hữu hiệu của lục địa

hoặc đại dương (K)

•  Nhiệt dung của toàn bộ khí quyển: !

2 1

7 2

5 1

1 s

p

ms 81 9

Pa 10

kg JK

1004 g

P c

−

−

−

×

=

=

=

•  Nhiệt dung đối với lớp nước (đại dương) có độ dày dw, mật

độ ρw và nhiệt dung riêng cw

|   Nhiệt dung của cột khí quyển bằng nhiệt dung của

|   Lớp nước khoảng 70m trên cùng của đại dương

tương tác với khí quyển trên qui mô thời gian

lượng cho hệ thống khí hậu

4.3.1 Tích luỹ nhiệt trong đất

|   Đất có nhiệt dung hữu hiệu nhỏ hơn nhiều so với đại dương

|   Nhiệt được truyền qua đất hầu như chỉ bằng quá trình dẫn nhiệt

|   Chỉ khoảng 1-2 mét đất trên cùng là chịu ảnh hưởng của sự biến

đổi mùa

|   Dòng năng lượng nhiệt dẫn thẳng đứng trong đất tỷ lệ với gradient

nhiệt độ trong đất

T z

K

∂

∂

−

=

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∂

∂

∂

∂

=

∂

∂

=

∂

∂

T z

K z

F z

T t

Phương trình cân bằng nhiệt trong đất

nhiệt tích luỹ trong đất = phân kỳ của dòng nhiệt khuyếch tán

Nhiệt dung của đất, phụ thuộc vào:

•  tỷ lệ thể tích của đất fs, chất hữu cơ fc, nước fw và không khí fa,

•  mật độ và nhiệt dung riêng của các thành phần vật chất bề mặt

|  Nếu độ dẫn nhiệt KT không phụ thuộc vào độ sâu thì (DT =

KT/Cs là hệ số khuyếch tán nhiệt):

Nhiệt dung riêng

(c p ) (J/(kgK))

Mật độ (ρ) (kg/

m 3 )

ρc p (J/(m 3 K))

Một số tính chất của các thành phần đất ở 293K

•  Nhiệt dung của không khí trong đất rất nhỏ, nên khi nước thay thế không khí trong đất thì nhiệt dung tăng lên rất nhiều

•  Độ xốp ảnh hưởng lớn đến nhiệt dung của đất tuỳ thuộc vào trạng thái đất là khô hay ẩm

|   Đất là hỗn hợp nhiều loại vật chất, mỗi loại có các

thuộc tính vật lý hoàn toàn khác biệt

vai trò trọng số )

Cs = ρs cs fs + ρc cc fc + ρw cw fw + ρi ci fi + ρa ca fa

Nhiệt dung

của đất

Nhiệt dung

Tỷ lệ thể tích Mật độ

Khoáng chất Chất hữu cơ Nước Băng Không khí

Nhiệt độ đất

•  Giả thiết bề mặt chịu tác động có chu kỳ với chu kỳ là τ

(chẳng hạn, biến trình ngày đêm, biến trình năm, chu kỳ băng hà, )

•  Phản ứng lại của T(z) cũng có chu kỳ, nhưng biên độ bị giảm và

chậm pha theo độ sâu so với tác động bề mặt

•  “Độ sâu thâm nhập” của dao động nhiệt độ bị cưỡng bức bởi

tính chu kỳ của tác động từ bề mặt phụ thuộc vào chu kỳ của tác động và các thuộc tính vật lý của chất bề mặt

DT ~ 5 x 10-7 m2 s-1

τ = 1 ngày hT ~ 10 cm

τ = 1 năm hT ~ 1.5 m

τ = 10000 năm hT ~ 150 m

Biến động ngày đ êm của nhiệt độ đất

độ rất lớn

{  Biên độ ngày đêm đạt 25C

ở độ sâu 0.5 cm

{  Cực đại T xung quanh 14h

chậm theo độ sâu

{  Tại độ sâu 10 cm biên độ

ngày đêm chỉ còn 6C

{  Cực đại T vào khoảng 18h

{  Tại độ sâu 40 cm biên độ

hầu như không đáng kể

Nhiệt độ đất ở các độ sâu khác nhau tại

cánh đồng cỏ ở O'Neill, Nebraska

Measured thermal diffusivities on the day

Profile thẳng đứng của nhiệt độ đất

sâu vào những giờ sáng sớm (6h) và ban đêm (22h)

theo thời gian trong ngày khi độ sâu càng tăng

|   Sự giảm biên độ dao

động và chậm pha càng thể hiện rõ nếu là đất thuộc khu vực rừng

4.4 Sự đốt nóng bức xạ bề mặt

xạ mặt trời thuần và bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt

albedo bề mặt, độ che phủ của mây, góc thiên đỉnh,

độ bề mặt, hệ số hấp thụ,

Dạng bề mặt! Phạm vi! điển hình!

! Nước sâu: gió nhẹ, độ cao nhỏ! 5-10! 7!

! Nước sâu: Gió mạnh, độ cao lớn! 10-20! 12!

! Đất ẩm tối, độ mùn cao! 5-15! 10!

! Băng biển, không có tuyết phủ! 25-40! 30!

4.4.1 Sự hấp thụ bức

xạ mặt trời tại bề mặt

|  Albedo biến

thiên từ 5% (đại dương, gió nhẹ) đến ~90% (tuyết mới, khô)

|  Albedo lớn ở sa

mạc, đất khô, đồng cỏ khô,

|  Albedo thấp ở

những vùng rừng

|  Rừng lá nhọn có

thấp hơn

Albedo bề mặt

|   Tăng khi góc thiên đỉnh mặt trời tăng

|   Mây làm tán xạ các tia bức xạ tới, làm

cho nó có thể đến bề mặt từ nhiều hướng

|   Mây càng ít thì albedo càng tăng nhiều

theo góc thiên đỉnh

|   Khi trời đầy mây albedo không phụ

thuộc vào góc thiên đỉnh

Sự phụ thuộc của albedo bề mặt nước vào góc thiên đỉnh mặt trời và độ phủ mây

Surface albedo of Earth for annual

mean, January and July Gray areas

indicate missing data

NASA Natural Color Satellite Image of Southwestern Alaska on January 15,

2012 Fresh snow on land is very bright, while sea ice with tendrils in Bristol Bay is slightly darker The ocean is very dark, except where clouds obscure the

dark surface

Albedo bề mặt đất

|   Hệ số phản xạ của các bề mặt

khác nhau phụ thuộc mạnh vào

|   Thực vật hấp thụ BX mạnh

(90%) ở bước sóng nhìn thấy (0.4-0.7µm) và phản xạ mạnh ở những bước sóng gần hồng ngoại

|   Albedo tính chung là giá trị lấy

trung bình có trọng lượng trên tất

cả các bước sóng

|   Albedo còn phụ thuộc vào dạng

hình học của tán cây

{   Tán lá có hình dạng phức tạp và

nhiều lỗ hổng có thể có albedo thấp hơn của một lá riêng lẻ

(Rơm) (Cỏ linh lăng)

(Đất đen nhiều bùn)

Surface reflectivity as a function of wavelength of radiation

for a variety of natural surfaces Human eyesight is sensitive

to wavelengths from 0.4 ︎m (violet) to 0.7 ︎m (red) Alfalfa

and sudan grass appear green because their albedo is higher

Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau

Albedo mặt đất khô và ẩm

thấy

có albedo cao hơn so với bề mặt gồ ghề

•  Vì albedo bề mặt biến đổi mạnh và có ảnh hưởng mạnh đến bức xạ mặt trời hấp thụ được, nó có thể có ảnh hưởng lớn đến nhiệt độ bề mặt

•  Albedo bề mặt cũng có thể có ảnh hưởng mạnh mẽ đến độ nhạy khí hậu, nếu nó biến đổi một cách có hệ thống theo các điều kiện khí hậu

•  Cần phải xét đến các quá trình hồi tiếp liên quan đến albedo bề mặt

! Mặt đất bằng phẳng! Đất cày xới!

Khô! Ẩm! Khô! Ẩm!

Đất bùn đen xám! 13! 8! 8! 4!

Đất màu hạt dẻ xám! 18! 10! 14! 6!

Đất màu hạt dẻ đỏ! 20! 12! 15! 7!

Cát màu xam! 25! 18! 20! 11!

Đất xét xanh tối! 23! 16! -! -!