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

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 7. Hồn lưu chung đại
dương và khí hậu


7.1 Vai trị 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 tồn cầu
|  Tạo ra tính qn tính nhiệt lớn cho hệ thống khí hậu trên quy

mơ 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 thơng qua những q trình hố

học và sinh học
2


Địa hình và độ sâu biển!

3

Nước trên Trái đất

|  Khí quyển chỉ lưu

15:38:35

trữ một lượng nước
rất nhỏ
|  Nguồn nước chủ yếu
của hệ thống khí hậu
là đại dương
4


Nhiệt độ bề mặt biển (SST)!
•  Nhiệt độ mặt nước biển cao
vào những tháng mùa hè
•  Nóng hơn ở các vùng nhiệt
đới
•  “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

5

Thủy triều

6


Thủy triều

7


Các dòng chảy đại dương

8


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

thơng qua các q trình sinh học và hố học tuỳ thuộc
vào tính pha trộn phức tạp của các tính chất lý, hố, 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 khống chất chủ chốt có thể rất quan
trọng đối với năng suất sinh học
9


Các tính chất của nước biển
|  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
| 

| 
| 

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
biến động mật độ trong đại dương
10


Các tính chất của nước biển
Nhiệt độ thế (°C), độ muối (‰) và mật độ
thế (kg m−3 – 1000) như là hàm của áp suất
(decibar ∼ độ dày 1 m) và vĩ độ đối với Đại
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 này11


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 trị 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 khơng 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 khơng cịn ổn định

Tăng độ muối của nước mặt ở Bắc cực có thể loại bỏ hồn tồn băng
biển Bắc cực hoặc đóng băng hồn tồn Bắc Băng dương từ bề mặt
đến đáy
12


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 khơng gian nhỏ, do đó
nhiệt độ, độ muối và mật độ hầu như đồng nhất
13


7.3 Lớp xáo trộn

Các quá trình quan trọng trong
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 đơng,
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

14


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 thơng qua sóng
dẫn đến chuyển động rối cũng như các dịng 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
15


Lớp xáo trộn
|  Trong điều kiện trung bình thơng 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 cịn 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 dịng 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
hầu như không phụ thuộc vào độ sâu
16


Lớp xáo trộn
•  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

đơng
•  Ở Nam bán cầu, trong
tháng 7 (mùa đông) một
dải lớp xáo trộn sâu trải
rộng từ Ấn Độ dương đến
Đơng Thái Bình dương
(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
17
dương là 37.25‰


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 cịn 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
Nhiệt độ thế, độ muối và mật
trộn và nêm nhiệt theo mùa; nhiệt độ ở độ sâu phía dưới

độ thế như là hàm của độ sâu
của lớp xáo trộn có biến động mùa nhỏ
và các tháng trong năm ở xa |  Tại cả hai nơi, về mùa hè một lớp nước ngọt phủ trên lớp
Bắc Đại Tây dương (62°N,
nước mặn hơn ở dưới, nhưng về mùa đông nước mặn bị
20°W) và ở Tây-Nam Thái
xáo trộn lên trên tạo thành một lớp nước lạnh, mănk và
Bình dương (55°S, 205°W)
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
thành có thể chìm xuống phía dưới bề mặt và lấn xuống
18
các lớp dưới sâu đại dương


Tính biến động mùa của lớp xáo trộn

|  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 đơng, và cuối mùa đơng 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

Biến động mùa của nhiệt độ ở lớp trên đại dương
tại 50°N-145°W, Đơng 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
19


7.4. Hồn lưu do gió
|  Sự truyền động lượng từ gió sang các

| 
| 

| 

Vector ứng suất gió và nhiệt độ mặt nước
biển (SST) cho (a) tháng 1 và (b) tháng 7

| 

dòng chảy đại dương đóng vai trị cực kỳ
quan trọng đối với hồn lưu đại dương,
đặc biệt là các dịng chảy gần bề mặt đại
dương
Ứng suất gió tác động lên đại dương
trơng rất giống gió gần bề mặt
Ở các vùng cận nhiệt đới, nhất là ở bán
cầu mùa đơng, 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 Đơng Thái Bình dương Đại Tây dương
xích đạo, vào tháng 7 ứng suất gió là
hướng tây và chi phối nước trồi và nhiệt
độ bề mặt biển lạnh hơn ở đó
20


Hồn lưu do gió
Vector
dịng chảy
mặt đại
dương và
SST
tháng 1
(a) và
tháng 7

(b)

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

lệch phải (Nam bán cầu lệch trái) khoảng 90° so với vector ứng suất
gió
21


Hồn lưu do gió
|  Vào tháng 1 các dịng 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 dịng
chảy hướng bắc, dịng này cũng
trơi ra ngồi 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
Vector dòng chảy mặt và SST (°C) ở khu vực Ấn Độ
dương thể hiện sự đảo mùa do với gió mùa

22


Các dịng chảy mặt

•  Dịng chảy bờ tây
•  Dịng chảy nóng
•  Dịng chảy bờ đơng
•  Dịng chảy lạnh
|  Dịng 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

23


7.4.1 Các dịng chảy bờ tây
|  Dọc bờ biển phía tây Thái Bình

Dịng chảy mặt và SST ở khu vực tây
Đại Tây dương

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 đơng của Bắc Mỹ
|  Dịng Gulf Stream mạnh gần tương
đương nhau trong cả hai mùa
24


7.4.1 Các dịng chảy bờ tây
|  Dịng 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
|  Dịng hướng đơng 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
Dịng chảy địa chuyển hướng đông (m/s) và nhiệt độ thế (oC)
tháng 1 và tháng 8 tại lát cắt dọc kinh tuyến 65°W nơi dịng Gulf
Stream đi qua gần hướng về đơng

25