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

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 4. Cân bằng năng lượng
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 − ΔFeo
∂t
Đốt nóng bề mặt

Làm lạnh 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 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 (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 tồn 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
∂
E s = G = R s − LE − SH − ΔFeo
∂t

Es = Ceo Teo
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 −1 10 5 Pa

7
−1 − 2
Ca = c p
=
=
1
.
02
ì
10
JK
m

2
g
9.81ms

ã Nhit dung i vi lp nc (i dng) có độ dày dw, mật
độ ρw và nhiệt dung riêng cw


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

cột nước dày 2.5 m (~ 102/42)
|  Lớp nước khoảng 70m trên cùng của đại dương
tương tác với khí quyển trên qui mơ thời gian
khoảng một năm, do đó nhiệt dung của đại dương
gấp khoảng 25 lần của khí quyển
|  è 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
∂
∂
∂ ⎛
∂ ⎞
C s 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 khơng 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) (J/(kgK))

Mật độ (ρ) (kg/

m3)

ρcp (J/(m3K))

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 t

1004

1.2

1.2ì103

ã Nhit dung ca khụng khớ trong t rt nh, 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 = ρs cs fs + ρc cc fc + ρw cw fw + ρi ci fi + ρa 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 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
τ = 1 năm
τ = 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 25C

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.
Measured thermal diffusivities on the day
illustrated range from 2.5 × 10−7 m2 s−1 at 1 cm
to 6 × 10−7 m2 s−1 at 5-cm depth in the soil

ngày đêm chỉ còn 6C
{  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!
!
Nước sâu: gió nhẹ, độ cao nhỏ!
!
Nước sâu: Gió mạnh, độ cao lớn!
Đất trọc!
!
Đất ẩm tối, độ mùn cao!
!
Đất ẩm xám!
!
Đất khô, sa mạc!
!
Cát ướt!
!
Cát khô sáng!
!
Đường rải nhựa!
!
Đường 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!

Giá trị
Phạm vi! điển
hình!
!
!
5-10!
7!
10-20!
12!
!
!
5-15!
10!
10-20!
15!

20-35!
30!
20-30!
25!
30-40!
35!
5-10!
7!
15-35!
20!
!
!
10-20!
17!
20-30!
25!
10-15!
12!
15-25!
17!
!
!
20-35!
25!
25-40!
30!
35-65!
50!
60-75!
70!

70-90!
80!

4.4.1 Sự hấp thụ bức
xạ mặt trời tại bề mặt

S↓(0) - S↑(0) = S↓(0)
(1-αS)
|  Albedo biến
thiên từ 5% (đại
dương, gió nhẹ)
đến ~90% (tuyết
mới, khô)
|  Albedo lớn ở sa
mạc, đất khô,
đồng cỏ khơ,...
|  Albedo thấp ở
những vùng
rừng
|  Rừng lá nhọn có
thấp hơn


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

|  Tăng khi góc thiên đỉnh mặt trời tăng
|  Mây làm tán xạ các tia bức xạ tới, làm

Surface albedo of Earth for annual
mean, January and July. Gray areas
indicate missing data

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


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

(Rơm)

khác nhau phụ thuộc mạnh vào
bước sóng bức xạ
|  Thực vật hấp thụ BX mạnh

(90%) ở bước sóng nhìn thấy
(0.4-0.7µm) và phản xạ mạnh ở
những bước sóng gần hồng ngoại
(Cỏ linh lăng) |  Albedo tính chung là giá trị lấy
trung bình có trọng lượng trên tất
(Đất đen nhiều bùn)
cả các bước sóng
|  Albedo cịn phụ thuộc vào dạng
hình học của tán cây

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
for green light (∼0.55 ︎m) than for other visible wavelengths

{ 

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


Albedo mặt đất khô và ẩm
!

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!
Cát trắng!
40!
20!

-!
-!
Đất xét xanh tối!
23!
16!
-!
-!
•  Đất có hệ số phản xạ ở bước sóng gần hồng ngoại cao hơn so với ở bước sóng nhìn
thấy.
•  Đất khơ có albedo cao hơn một cách đáng kể so với đất ẩm ướt, và bề mặt đất nhẵn
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