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

KHÍ HẬU HỌC
Chƣơng 4. Cân bằng năng lƣợng
bề mặt


4.1 Lớp bề mặt
 Bề mặt của Trái đất là biên giữa khí quyển và mặt đất hoặc đại dương
 Bề mặt được xác định một cách thích hợp: Là một mặt phân cách đơn

giản giữa hai môi trường


Khi xét đến các quá trình trao đổi năng lượng quan trọng sẽ đưa vào cả lớp
biên của khí quyển và đại dương và lớp một vài mét trên cùng của lớp đất

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

quá trình bốc hơi nước bề mặt và làm tăng hoặc giảm nhiệt độ bề mặt
 Cân bằng năng lượng tại bề mặt đòi hỏi xem xét các dòng năng lượng
do truyền dẫn và đối lưu nhiệt, ẩm thông qua sự chuyển động của chất
lỏng cũng như bức xạ
 Nguồn năng lượng bề mặt phụ thuộc vào độ chiếu nắng, các đặc trưng
bề mặt (trạng thái ẩm ướt, lớp phủ thực vật, albedo), và các tính chất của
khí quyển phía trên.
 Nguồn năng lượng bề mặt liên hệ mật thiết với chu trình nước, vì sự bốc
hơi từ bề mặt là thành phần cơ bản trong cả các nguồn năng lượng và
nguồn nước


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

đơn vị diện tích mặt phân cách khơng 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 trị rất quan trọng


Cân bằng năng lượng bề mặt


E s  G  R s  LE  SH  Feo
t
Đốt nóng bề mặt

Làm lạnh bề mặt


 Những thành phần đã bỏ qua










Tiềm nhiệt làm tan băng hoặc tuyết (có thể cần đến 10% NLBX dư
thừa).
Sự chuyển đổi động năng của gió và sóng thành nhiệt năng.
Truyền nhiệt do giáng thuỷ (nếu nhiệt độ giáng thuỷ khác nhiệt độ bề
mặt)
Năng lượng mặt trời tích luỹ dưới dạng liên kết hố học (quang hợp).
Tính chung tồn cầu: <1%, nhưng có thể đạt đến ~5%.
Nhiệt giải phóng do oxy hố các vật chất sinh vật (q 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 hố thạch hoặc năng lượng hạt nhân

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

trung bình ngày trên đất), cân bằng năng lượng là sự cân bằng giữa
đốt nóng bức xạ và các q trình lấy đi năng lƣợng từ bề mặt:
Rs = LE + SH + Feo


4.3 Tích luỹ nhiệt ở bề mặt

E s  G  R s  LE  SH  Feo
t

Es  CeoTeo

nhiệt dung hữu hiệu của lục địa
hoặc đại dương (Jm-2K-1):
Khí quyển+Đại dương+Đất

nhiệt độ hữu hiệu của lục địa
hoặc đại dương (K)

• Nhiệt dung của tồn bộ khí quyển:
Ps 1004JK 1 kg 1105 Pa
7
1  2
Ca  c p


1
.
02

10
JK
m

2
g
9.81ms

• Nhiệt dung đối với lớp nước (đại dương) có độ dày dw, mật
độ w và nhiệt dung riêng cw

 Nhiệt dung của cột khí quyển bằng nhiệt dung

của cột nƣớc dày 2.5 m (~ 102/42)
 Lớp nƣớc khoảng 70m trên cùng của đại dƣơng
tƣơng tác với khí quyển trên qui mơ thời gian
khoảng một năm, do đó nhiệt dung của đại
dƣơng gấp khoảng 25 lần của khí quyển
  vai trị của đại dương trong việc tích lũy năng
lượng cho hệ thống khí hậu


4.3.1 Tích luỹ nhiệt trong đất
 Đất có nhiệt dung hữu hiệu nhỏ hơn nhiều so với đại dương.
 Nhiệt được truyền qua đất hầu như chỉ bằng quá trình dẫn nhiệt
 Chỉ khoảng 1-2 mét đất trên cùng là chịu ảnh hưởng của sự biến

đổi mùa.
 Dòng năng lượng nhiệt dẫn thẳng đứng trong đất tỷ lệ với gradient
nhiệt độ trong đất.


Fs  K T T
z

Phương trình cân bằng nhiệt trong đất


 
 

Cs T  Fs    K T T 
t
z
z 
z 
nhiệt tích luỹ trong đất = phân kỳ của dòng nhiệt khuyếch tán
Nhiệt dung của đất, phụ thuộc vào:
• tỷ lệ thể tích của đất fs, chất hữu cơ fc, nước fw và không khí fa,
• mật độ và nhiệt dung riêng của các thành phần vật chất bề mặt


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

KT/Cs là hệ số khuyếch tán nhiệt):

Một số tính chất của các thành phần đất ở 293K
Nhiệt dung
riêng (cp)

Mật độ ()

(kg/m3)

cp
(J/(m3K))

(J/(kgK))
Chất vô cơ trong đất

733

2600

1.9106

Chất hữu cơ trong đất

1921

1300

2.5106

Nước trong đất

4182

1000

4.2106

Khơng khí trong đất

1004

1.2

1.2103

• Nhiệt dung của khơng khí trong đất rất nhỏ, nên khi nước thay thế

khơng 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 hồn tồn khác biệt
 Nhiệt dung của thể tích đất là tổng có trọng số của
nhiệt dung các chất thành phần (tỷ lệ thể tích đóng
vai trị trọng số)
Khống chất

Chất hữu cơ

Nước Băng

Khơng khí

Cs = s cs fs + c cc fc + w cw fw + i ci fi + a ca fa
Nhiệt dung
của đất

Mật độ

Nhiệt dung

Tỷ lệ thể tích

Nhiệt độ đất
• Giả thiết bề mặt chịu tác động có chu kỳ với chu kỳ là 
(chẳng hạn, biến trình ngày đêm, biến trình năm, chu kỳ băng
hà,...).
• Phản ứng lại của T(z) cũng có chu kỳ, nhưng biên độ bị giảm và
chậm pha theo độ sâu so với tác động bề mặt
• “Độ sâu thâm nhập” của dao động nhiệt độ bị cưỡng bức bởi
tính chu kỳ của tác động từ bề mặt phụ thuộc vào chu kỳ của tác
động và các thuộc tính vật lý của chất bề mặt

DT ~ 5 x 10-7 m2 s-1

 = 1 ngày
 = 1 năm
 = 10000 năm

hT ~ 10 cm
hT ~ 1.5 m
hT ~ 150 m


Biến động ngày đêm của nhiệt độ đất
 Gần bề mặt biên độ nhiệt

độ rất lớn

 Biên độ ngày đêm đạt

25K ở độ sâu 0.5 cm
 Cực đại T xung quanh

14h

 Biên độ giảm và pha

chậm theo độ sâu

 Tại độ sâu 10 cm biên độ

Nhiệt độ đất ở các độ sâu khác nhau tại
cánh đồng cỏ ở O'Neill, Nebraska

ngày đêm chỉ còn 6 K
 Cực đại T vào khoảng
18h
 Tại độ sâu 40 cm biên độ
hầu như không đáng kể


Profile thẳng đứng của nhiệt độ đất
 Nhiệt độ tăng theo độ

sâu vào những giờ sáng
sớm (6h) và ban đêm
(22h)
 Nhiệt độ ít biến động
theo thời gian trong
ngày khi độ sâu càng
tăng
 Sự giảm biên độ dao
động và chậm pha càng

thể hiện rõ nếu là đất
thuộc khu vực rừng


4.4 Sự đốt nóng bức xạ bề mặt
 Bức xạ thuần tới bề mặt là tổng của mật độ dòng bức

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

RS = (S(0)  S(0)) + (F(0)  F(0))
 Bức xạ mặt trời thuần tại bề mặt phụ thuộc vào

albedo bề mặt, độ che phủ của mây, góc thiên đỉnh,...
 Bức xạ sóng dài thuần tại bề mặt phụ thuộc vào nhiệt

độ bề mặt, hệ số hấp thụ,...


Dạng bề mặt
Nước
Nƣớc sâu: gió nhẹ, độ cao nhỏ
Nƣớc sâu: Gió mạnh, độ cao lớn
Đất trọc
Đất ẩm tối, độ mùn cao
Đất ẩm xám
Đất khô, sa mạc
Cát ƣớt
Cát khô sáng
Đƣờng rải nhựa
Đƣờng bê tông

Thực vật
Cây xanh thấp
Cây khô
Rừng lá nhọn
Rừng lá rụng
Tuyết và băng
Rừng bị tuyết phủ
Băng biển, khơng có tuyết phủ
Tuyết cũ, đang tan
Tuyết khô, lạnh
Tuyết khô, mới

Phạm vi

Giá trị
điển hình

510
1020

7
12

515
1020
2035
2030
3040
510
1535

10
15
30
25
35
7
20

1020
2030
1015
1525

17
25
12
17

2035
2540
3565
6075
7090

25
30
50
70
80

4.4.1 Sự hấp thụ
bức xạ mặt trời tại
bề mặt









S(0)  S(0) =
S(0)(1S)
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 biển
 Tăng khi góc thiên đỉnh

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

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
khơng phụ thuộc vào
góc thiên đỉnh


Băng biển có albedo rất lớn so với nước biển


Albedo bề mặt đất
 Hệ số phản xạ của các bề mặt

khác nhau phụ thuộc mạnh vào
bước sóng bức xạ
 Thực vật hấp thụ BX mạnh
(90%) ở bước sóng nhìn thấy
(0.40.7m) và phản xạ mạnh ở

những bước sóng gần hồng ngoại
 Albedo tính chung là giá trị lấy
trung bình có trọng lượng trên tất
cả các bước sóng
 Albedo cịn phụ thuộc vào dạng
hình học của tán cây


Tán lá có hình dạng phức tạp và
nhiều lỗ hổng có thể có albedo
thấp hơn của một lá riêng lẻ


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau


Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau

Các dạng bề mặt khác nhau sẽ có albedo khác nhau