Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 5 – Phan Văn Tân

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 5. Chu trình nước


5.1 Nước là yếu tố cần thiết cho khí hậu và đời sống
|  Nước di chuyển liên tục giữa đại dương, khí quyển, băng quyển và
| 

| 
| 

| 
| 
| 

đất liền.
Tổng lượng nước trên trái đất được duy trì gần như khơng đổi trên
qui mơ thời gian cỡ hàng ngàn năm, nhưng nó thay đổi trạng thái
giữa các dạng lỏng, rắn và khí.
Sự di chuyển của nước giữa các đại dương, khí quyển và đất liền
được gọi là chu trình nước.
Lượng nước di chuyển thơng qua chu trình nước hàng năm tương
đương với lớp nước lỏng dày khoảng 1m phủ đều trên bề mặt Trái
đất.
Nước được đưa vào khí quyển thơng qua bốc hơi và quay trở lại
bề mặt nhờ giáng thuỷ.
Để bốc hơi một lớp nước dày 1m trong một năm đòi hỏi phải có
một lượng năng lượng trung bình khoảng 80 Wm-2.
Mặt trời cung cấp năng lượng cần thiết để bốc hơi nước từ bề mặt

|  Sự di chuyển hơi nước theo phương ngang và

phương thẳng đứng trong khí quyển là yếu tố quyết
định cân bằng nước trên lục địa
|  Khoảng 1/3 lượng giáng thuỷ rơi trên lục địa là
nước bốc hơi từ các vùng đại dương.
|  Lượng giáng thuỷ vượt quá lượng bốc hơi trong các
vùng lục địa được trả về đại dương qua các con
sơng.
|  Nếu tất cả hơi nước trong khí quyển ngưng kết

lại thành dạng lỏng và trải đều trên bề mặt trái
đất thì nó chỉ tương đương với lớp nước dày
khoảng 2.5 cm.


|  (Lượng nước bốc hơi và ngưng kết)/Năm ~ lớp nước dày
| 
| 
| 

| 

100cm,
Lượng nước tồn tại trong KQ ~ 2.5cm
è Nước trong khí quyển bị lấy đi (remove) do giáng thuỷ ~
40 lần/Năm (=100/2.5), hay 9 ngày một lần.
Vì lượng bốc hơi thuần là phần nhỏ cịn lại của q trình trao
đổi hai chiều xảy ra rất nhanh của các phân tử nước qua bề
mặt tiếp xúc khí quyển-nước, nên thời gian trú ngụ của các

phân tử nước trong khí quyển chỉ khoảng 3 ngày.
Vì lượng nước nằm sát bề mặt trái đất chỉ khoảng gần 3 km
độ sâu (chủ yếu trong các đại dương), và chỉ có lớp nước
dày 2.5 cm có mặt trong khí quyển, nên trung bình mỗi
phân tử nước phải chờ một thời gian rất dài trong đại
dương, trong các tảng băng hoặc trong các tầng ngậm nước,
giữa các lần du ngoạn ngắn ngủi vào trong khí quyển.


Chu trình nước tồn cầu

(cm/năm phủ đều trên diện tích đất hoặc đại dương)

• 
• 
• 
• 

Nước từ đại dương vận chuyển vào đất liền trong khí quyển
Nước từ đất liền trở về đại dương qua các con sông
Phần lớn lượng giáng thủy trên đất liền tham gia vào chu
trình nước (48/75=64%)
Yếu tố nào quyết định chu trình nước tồn cầu ?


Phân bố nước trong hệ thống khí hậu


by the parentheses. The smaller values are those referenced to the larger oceanic area.

Phân bố nước trong hệ thống khí hậu
TABLE 5.1

Water Volumes of Earth

Category

Volume (106 km3)

Percent (%)

Oceans

1348.0

97.39

Polar ice caps, icebergs, glaciers

227.8

2.010

Ground water, soil moisture

8.062

0.580*

Lakes and rivers

0.225

0.020

Atmosphere

0.013

0.001

Total water amount

1384.0

100.0

Fresh water

36.00

2.60

Fresh water reservoirs as a percent of total fresh water
Polar ice caps, icebergs, glacier

77.2

Ground water to 800 m depth

9.8*

Ground water from 800 m to 4000 m

12.3*

Soil moisture

0.17*

Lakes (fresh water)

0.35

Rivers

0.003

Hydrated earth minerals

0.001

Plants, animals, humans

0.003

Atmosphere

0.040

Sum

100.000

* Numbers uncertain.


Chu trình nước


Các thành phần của chu trình nước


Giáng thuỷ và các yếu tố khác


Các thành phần của chu trình nước
Giáng thuỷ
•  Rất ẩm ở những vùng nhiệt đới
•  Dịch chuyển theo mùa (Bắc/Nam
bán cầu)
•  Các khu vực gió mùa
•  Rất khơ ở các vĩ độ cao cận nhiệt đới
•  Tại các vĩ độ trung bình mưa nhiều
vào mùa hè
•  Bản đồ mưa tháng 7 trơng giống như
bản đồ phân bố rừng

Nước có thể cho giáng thủy
•  Trung bình ~ 25 mm

•  Cường độ giáng thủy trung bình
khoảng 2.6 mm/ngày
•  Thời gian trú ngụ ~ 9 ngày
•  Rất ổn định
•  E ~ P ~ 2.6 mm/ngày


Nước ngầm


5.2 Cân bằng nước
|  Cân bằng nước bề mặt:

gw = P + D - E - Δf
tích luỹ nước tại bề
mặt và dưới bề mặt

nước ngưng kết
bề mặt
giáng thuỷ do
mưa và tuyết

dịng chảy
lượng bốc
thốt hơi

•  Trung bình trong thời kỳ dài: lượng nước tích luỹ là
nhỏ. Nước do sương cũng thường là nhỏ hoặc có thể
sáp nhập vào giáng thuỷ, nên
Δf = P - E

•  Cân bằng nước bề mặt:
gw = P + D - E - Δf
|  Cân bằng nước khí quyển:

gwa = -(P + D - E) - Δfa
tích luỹ nước trong khí quyển

lượng nước ra khỏi cột khí quyển

•  Cân bằng nước cho hệ trái đất-khí quyển :
gw + gwa = -Δf - Δfa
Trung bình năm:

Δf = - Δfa

Lượng nước mang vào lục địa do sự vận chuyển của
khí quyển bằng lượng dịng chảy từ các con sơng


Phân bố theo vĩ độ của cân bằng nước bề mặt
|  Giáng thuỷ đạt các cực đại ở gần

| 
| 
| 
| 

xích đạo và ở các vĩ độ trung

bình
Cực đại ở xích đạo do giáng thuỷ
mạnh trong dải hội tụ nhiệt đới
Cực đại ở vĩ độ trung bình do các
nhiễu động xốy thuận
Bốc hơi biến thiên đều hơn giáng
thuỷ: một cực đại ở nhiệt đới.
Giáng thuỷ > bốc hơi ở xích đạo
và ở các vĩ độ trung bình và cao.

Phân bố dịng chảy cho thấy:
•  Hơi nước trong khí quyển vận chuyển từ cận nhiệt đới về xích
đạo và vĩ độ cao.
•  Cịn dịng chảy biển hoặc các dịng chảy sơng lại mang nước
từ nơi khác trở lại các vùng cận nhiệt đới


Cân bằng nước của lục địa và đại dương (mm/năm)
Vùng

E

P

Δf

Δf/P

282
276

114
269
242
618
141
266

0,43
0,40
0,16
0,33
0,37
0,39
0,83
0,36

44
-372
-251
90
-110
0

0,45
-0,49
-0,24
0,07
-0,10

Lục địa

Châu Âu
Châu Á
Châu Phi
Châu Úc
Bắc Mỹ
Nam Mỹ
Châu Nam cực
Tất cả các lục địa
Bắc Băng Dương
Đại Tây Dương
Ấn Độ Dương
Thái Bình Dương
Tất cả các đại dương
Toàn cầu

375
420
582
534
403
946
28
480

657
696
696
803
645
1564

169
746
Đại dương
53
97
1133
761
1294
1043
1202
1292
1176
1066
973
973


5.3 Tích luỹ nước mặt và dịng chảy
gw = P + D - E - Δf
|  Trên lục địa thành phần này bao gồm:
{ 

nước trong lớp đất gần bề mặt,

{ 

nước chảy xuống các lớp sâu hơn và trở thành một bộ phận của hệ thống nước ngầm.

{ 

lớp tuyết phủ bề mặt.

|  Nước tích luỹ có ý nghĩa đối với khí hậu và đời sống
|  Tích luỹ nước giáng thuỷ trong các bãi tuyết phụ thuộc vào cấu trúc vật lý và

nhiệt động lực của bề mặt.
|  Tích luỹ nước bề mặt do mưa phụ thuộc vào tần suất và cường độ giáng thuỷ,
vào các tính chất của đất, lớp phủ thực vật và dạng địa hình bề mặt
|  Nếu đất bề mặt đã bão hoà và giáng thuỷ hoặc tuyết tan nhanh hơn lượng nước
có thể được cân bằng lại (ngấm vào đất, bốc hơi) thì các vũng nước bề mặt sẽ
xuất hiện.
|  Khi những chỗ thấp trên bề mặt đã được phủ đầy nước, nước bề mặt sẽ bắt đầu
chảy tràn ra xung quanh về phía các dịng suối và các hệ thống tiêu thốt è
Xuất hiện dịng chảy mặt


5.4 Giáng thủy và sương sa
|  Giáng thủy thường xuất hiện khi:
{  Có chuyển động thăng của các phần tử khí (tầng kết bất ổn
định đối lưu, làm lạnh bức xạ ở trên đỉnh mây, khơng khí ẩm
bị cưỡng bức trượt dọc lên trên sườn núi,...)
|  Giáng thủy lớn nhất ở gần xích đạo, nhỏ nhất ở các vùng

cận nhiệt đới
|  Sương hình thành khi:
{  khơng khí tiếp xúc với bề mặt lạnh (đêm trời quang)

|  Sương rơi góp phần đáng kể cho cân bằng nước bề mặt ở

những vùng khí hậu khơ cằn, nhưng nói chung là lượng

nước nhỏ


Các loại giáng thủy
|  Giáng thuỷ có thể do nhiều

nguyên nhân:

Chuyển động thăng do fronts
Chuyển động thăng do ITCZ
Chuyển động thăng do đối lưu
Chuyển động thăng do địa
hình
{  …
{ 
{ 
{ 
{ 


Phân bố giáng thuỷ

Global maps of precipitation in millimeters per day
for annual, DJF and JJA seasons. Note that the Dateline
is in the center of this plot

•  Mưa nhiều ở nhiệt đới và các vĩ độ trung bình
•  Ba trung tâm mưa lớn ở Tây Thái bình dương,
Nam Mỹ và Tây Phi
•  Phân bố mưa liên quan đến vị trí hoạt động

của ITCZ


5.5 Sự bốc hơi và thoát hơi
|  Bốc thoát hơi là sự di chuyển nước từ bề mặt vào không khí kèm theo
| 
| 
| 
| 
| 

sự chuyển pha từ dạng lỏng sang dạng hơi
Bốc hơi chỉ sự chuyển nước trực tiếp từ chính bề mặt vào khí quyển.
Thốt hơi là sự chuyển nước từ thực vật vào khí quyển thơng qua những
lỗ của lá được gọi là khí khổng
Khó có thể tách biệt được ảnh hưởng của hai quá trình này, nên
thường chúng được gộp lại làm thành một, gọi là Bốc thoát hơi
Bốc thốt hơi cũng có thể bao gồm cả sự thăng hoa thường xảy ra khi
tuyết hoặc băng chuyển trực tiếp thành hơi nước
Bốc thoát hơi phụ thuộc vào:
{ 

Chênh lệch hàm lượng nước bề mặt-khơng khí,

{ 

Khả năng khuyếch tán phân tử và sự thơng thống của khơng khí gần bề mặt

{ 

Vai trò của bề mặt

{ 

Lớp phủ thực vật (LAI, SAI,...)


Vai trò của thực vật
|  Thực vật tác động mạnh đến
| 
| 

| 
| 
| 
| 
Ảnh hưởng của tán lá thực vật đến các
dòng năng lượng và nước

bức xạ và xáo trộn rối
Giáng thủy rơi xuống tán
cây và/hoặc xuống đất
Dòng chảy xuất hiện khi
lượng nước rơi xuống vượt
quá khả năng thấm
Bốc hơi của nước tích lũy
trên tán cây và trên mặt đất
Bốc hơi từ lớp đất gần bề
mặt (~2 cm)
Thoát hơi từ lớp đất rễ thông

qua thực vật
Nước ngấm/chảy xuống bể
nước ngầm


Vai trò của thực vật
|  ảnh hưởng đến các quá trình lớp biên thơng qua các tính
| 
| 
| 
| 

chất vật lý và các q trình sinh học
có khả năng vận chuyển nước qua lá với tốc độ nhanh
tạo điều kiện thuận lợi cho sự quang hợp khi sẵn có nước
khi thiếu nước, thực vật có thể giảm cường độ thốt hơi
bằng cách đóng các khí khổng
ảnh hưởng rất khác nhau đến albedo đối với bức xạ nhìn
thấy và bức xạ gần hồng ngoại
cấu trúc tán cây làm ảnh hưởng đến sự thông thống bên
trong tán, è quan trọng đối với các thơng lượng rối của
động lượng, nhiệt và ẩm


5.5.1 Đo bốc thoát hơi
|  Đo bằng thiết bị gọi là thẩm kế
|  Ước lượng qua các thông lượng ẩm đi ra từ bề mặt

bằng cách đo đồng thời tốc độ và độ ẩm thẳng đứng
|  Suy ra từ phương trình cân băng năng lượng trong đó

các thành phần của nó có thể đo trực tiếp được
1
E = (R s − SH − ΔFeo − G )
L

Đo được một cách chính
xác bằng dụng cụ tương đối
rẻ

- Ước lượng từ các cơng thức
khí động học tổ hợp qua số
liệu đo tốc độ gió trung bình
và nhiệt độ tại hai mực
Tính được từ số liệu đo
profile nhiệt độ trong
đất hoặc nước


5.5.2 Bốc hơi từ bề mặt ướt
Nhận từ phương trình Penman:

Be
1
E=
Een +
Eair
(1 + B e )
(1 + B e )

E en =

1
(R s − ΔFeo − G )
L

E(1 + BO) = Een

SH c p (Ts − Ta )
Bo =
≅
LE L (q s − q a )

Eair = ρ.CDE.U(- qa) = ρ.CDE.U. (1 - RH)

(q *a − q a )
E(1 + Be ) = E en + EBe *
(q s − q a )
(q *a − q a )
Bo = Be (1 − *
)
(q s − q a )

(q *s − q *a ) dq *
≅
(Ts − Ta ) dT

Een là tốc độ bốc hơi cần thiết để cân bằng với năng lượng cung cấp cho bề
mặt bởi bức xạ, dòng ngang dưới bề mặt và năng lượng tích luỹ