Giáo trình động lực học môi trường lớp biên khí quyển

GS. TS. PHAM NGOC HO - GS. TS. LE DINH QUANG

GIAO TRiNH

B0NG u p hoc m Oi TRIfONG
Ldp BllN KHf OUYEN

NHA XUAT BAN GIAO DUC V I $ T NAM


Cong ty Co phan sach Dai hoc - Day nghe - Nha xuat ban Giao due Viet Nam giff
quyen cong bo tac pham.

161 - 2009/CXB/31 - 208/GD

Ma so: 7K798Y9 - DAI


h i n o i (/a n

Giao trinh Dong lire hoc moi trudng ldp bien khi quyen duoc bien
soan lam tai lieu hoc tap cho hoc vien cao hoc va nghien cuu sinh thuoc
chuyen nganh moi trudng khong khf d Trudng Dai hoc Khoa hoc Tu nhien,
Dai hoc Quoc gia Ha Noi; dong thdi cung la tai lieu tham khao bo fch trong
giang day va nghien curu khoa hoc cua giang vien d cac trudng dai hoc co
lien quan tdi llnh vuc mdi trudng tren pham vi ca nude.
Noi dung giao trinh duoc trinh bay trong hai phan:
Phan I. Co so ly thuyet cua ldp bien khi quyen, gom 3 chuong.
Chuong 1 trinh bay cac khai niem, dinh nghia va cau true cua ldp bien,

dac diem cua ldp bien khf quyen vung vi do thap; vai tro va tac dong cua cac
hien tuong thdi tiet, nhung dac trung bien dong cua ldp bien anh hudng den
cac hoat dong kinh te - xa hoi va moi trudng; tac dong ngupc lai do cac hoat
dong cua con ngudi gay ra da va dang lam gia tang mtic do o nhiem mdi
trudng khong khf.
Chuong II trinh bay phuong phap md phong burc tranh di£n bien phite
tap cua ldp bien bang cach mo ta toan - vat ly. 6 day, he phuong trinh nhiet
dong lire mo ta trudng toe do, ap suat, nhiet do, do am v.v... dupe phan tfch
chi tiet ve kha nang khep km cung nhu cach giai bang cac phuong phap sd
tri, thu nguyen va thong ke.
Trong chuong III de cap den viec tham sd hoa cac dac trung co ban cua
ldp bien theo cac thong tin Synop - cao khong, tieu chuan phuc vu cho cac
mo hinh du bao chmh ap va ta ap cua ldp bien khf quyen.
Phan II. O nhitm khong khi va mo hinh hoa qua trinh lan truyen
chat o nhifim trong ldp bien khi quyen, la phan ting dung co sd ly thuyet
roi dong luc hoc va thong ke cua ldp bien vao giai quyet cac bai toan cu the
co y nghia thuc iitn , dupe trinh bay trong ba chuong.

3


Chuong IV trinh bay v l o nhiim khong khi va cac phuong phap nghien
cuu qua trinh lan truyen chat o. nhiim trong ldp bien khf quyen, dac biet la
Top khong khf sat dat. Do la phuong phap thuc nghiem, phuong phap mo
hinh hoa toan hoc va phuong phap thong ke vat ly.
ChuongV trinh bay mot so mo hinh tfnh toan va du bao qua trinh lan
truyen chat o nhiim trong ldp bien khf quyen da va dang duoc sir dung rong
rai d nude ngoai cung nhu d trong nude.
Chuong VI de cap den cac ky nang thuc hanh trong viec xac dinh cac
tham so dau vao cua cac mo hinh bang cach tham so hoa cac yeu td khf

tuong, dia hinh, cac tham so khuech tan rdi cua ldp bien urng vdi dieu kien
khf hau nhiet ddi gio mua d Viet Nam, kern theo chuong trinh tfnh toan tren
may tfnh de minh hoa.
Giao trinh duoc bien soan lan dau nen khong tranh khoi cac khiem khuyet,
cac tac gia rat mong ban doc dong gop y kien d! lan tai ban sau giao trinh dupe
cap nhat, bo sung va hoan thien hon. Moi y kien xin gui ve Cong ty Cd phan sach
Dai hoc - Day nghe, Nha xuat ban Giao due Viet Nam, 25 Han Thuyen - Ha Noi.
C ac tac gia

4


DANH M U C CA C KV H IE U C O BAN
a, = - Fa/x P u*: quy mo doi vdi do do cua dai lugng a.
A. « 2,39.10~5 cal/erg: duang lugng nhiet cua cong.
b2: dong nang trung binh cua roi.
B() = H/LE: ty sd Boien.
C D, CH: he so khuech tan va truyen nhiet.
Cp « 0,24 cal/g.do - nhiet dung dang ap cua khong khf.
Cv ~ 0,17 cal/g.do: nhiet dung dang tfch cua khong khf.
d = y j v f f : do day ldp bien tang Ekman.
e(T): siic truong cua hai nude bao hoa d nhiet do T.
e0 w 0,lm bar: siic trudng cua hai nude bao hoa khi T = 273°.
E: nang lugng xung dong roi.
f: tham sd Coriolit.
F: dong buc xa nhiet.
Fa: dong thang dung cua ldp xao tron vo hudng a.
g « 9,81 cm/s2: gia toe trgng trudng.
G: toe do gid dia chuyen.
h: do cao ldp bien hanh tinh cua khf quyen.

h„: do cao gd ghe cua mat dem.
hs: do cao ldp sat dat cua khf quyen.
hv = v/u„: quy md do day cua ldp ma sat nhdt.
H: dong nhiet thang dung d gan mat dem.
i: vecta dan vi, hudng theo true x.
I: Tham sd vo khu nguyen phan tang am.
Is: gia tri cua I trong khf quyen bao hoa.
j : vecta dan vi hudng theo true y.
k: vecta dan vi hudng theo true z.
kD, kH, kM, kQ: cac he sd trao doi roi, nhiet, xung roi va nang lugng


1: quy mo roi (hay quang dudng di chuyen).
L, L \ L', L ,: ky hieu khac nhau cua quy mo do dai Monin - Obukhov.
L ~ 600cal/g: tiem nhiet ngung ket.
M: toe do trung binh ngung ket am trong mot don vi khoi luong khong khf.
P: ap suat.
P0 = l.OOOmbar: ap suat tieu chuan.
Pr: so Prandt (ddi vdi khong khf Pr « 0,72).
q: do am rieng.
q, = -E /xp u .: quy mo ddi vdi do am.
q0: gia tri hieu dung cua q d muc do nham.
qh: gia tri q d gidi han tren cua ldp bien hanh tinh.
qm: do am rieng circ dai (bao hoa).
q,: gia tri trung binh cua q d ranh gidi khf quyen va mat dem.
Q: dong trung binh cua nang luong rdi theo chieu thang dung.
Qt : dong trung binh cua bat dong nhat ve nhiet theo phuong thang durrig.
r0: do am tuong ddi cua khong khf d gan mat dem.
R » 2,87.106erg/g.do: hang so rieng cua khong khf kho.
Rf, R f\ Rji cac so Richardson.

R ikp: gia tri tieu chuan cua so Richardson Rj.
R w= 4,615.106 erg/g.do: hang so rieng cua hoi nude.
Rc = G.d/v: so Richardson cua ldp bien Ekman do day d.
Rd) = u,.h(/v: so Richardson ddi vdi be mat cd do nham trung binh h().
R0 = G/lfl.z,,: so Rossby.
S = (3.5.0/lfl.G: tham so ngoai cua tang ket.
Sc = v/Xd: s° Smidt (ddi vdi khong khf Sc = 0,72).
t: thdi gian.
T: nhiet do tuyet ddi.
T* = -H /x C p.p.u»: quy mo nhiet do.
6


T„ = 273°.
Ts: nhiet do trung binh cua mat dem.
Tb: nhiet do ao.
u, = u; u2 = v; u3 = w: thanh phan toe do theo cac true x, y, z.
u,: toe do ma sat.
V = i.u + j.v: vecto ngang toe do gio trung binh.
V : toe do gio trung binh tren mire co dinh nao do.
Ug: thanh phan toe do gio dia chuyen theo true x.
Vg: thanh phan toe do gio dia chuyen theo true y.
Wh: toe do thang dung trung binh tren mat gidi han ldp bien hanh tinh.
Z0: tham so nham.
a: goc giua sue cang ma sat d be mat va gid trong khi quyen tu do.
a D = k ^ , ^ : ty sd cua he sd trao doi roi doi vdi h6n hep thu dong va doi
vdi xung roi.
a H = kH/k M: ty sd he sd trao doi roi doi vdi nhiet va doi vdi xung roi.
P = g/T: tham sd cua luc nang.
ya ~ 1CT2 do/m: gradien doan nhiet kho.

8q = qh - q0; 5e = 0h - 90: chenh lech do am rieng va nhiet do the' vi.
8q0 = q0 - qs; 5e0 = 90 - 9S : chenh lech do am rieng va nhiet do the' vi d
gan mat dem.
s: toe do hao tan trung binh cua nang llicng roi.
sh, ew: toe do hao tan nang luong roi tuong ung vdi mach dong nam
ngang va thang dirng cua td'c do.
C, = z/L: do cao vo thir nguyen (trong ldp sat dat).
9: nhiet do the' vi.
90: gia tri ciia 9 d muc do nham.
9 h : gia tri 9 d do cao h.
9S : gia tri trung binh 9 d ranh gidi khi quyen va mat dem.
7


X * 0,4: hang so Karman.
X*: he so ma sat dia chuyen.

X - u„/lfl: quy m o do day lop bien.
A = G/lfl: quy m o do dai, duoc xac lap tu tham sd ngoai.
p = XfL: tham so tang ket Monin.
v « 0,3cmVs: he sd dong nang luc dinh cua khong khf.
£, = Z/L: do cao vo thu nguyen (trong ldp bien hanh tinh).
p ~ 1,3.10 3g/cm 3 : mat do khong khf.
5t , 5u, 5v, 8 w : do lech chuan cua nhiet do va cac thanh phan toe do gio.
x = i.xx + j.xy : vecto ngang cua urng suat tiep tuyen cua luc ma sat.
cp: vi do dia ly.
Xd ~ 0,17 cm 2/s; Xh ~
nhiet hoc.

7 cm 2/s: he sd khuech tan phan tu dong hoc va

\\i: ham dac trung trong cong thuc tong quat Karman.
co « 7,29.10_5s_1: toe do goc quay cua Trai Dat.

8


Phan I
CO SOI LY THUYET CUA LOP BIEN KHI QUYEN

Cac qua trinh va hien tucfng khi tuong tac dong true tiep den ddi song
cua moi sinh vat va hoat dong cua con ngudi chu yeu xay ra trong cac ldp
cua khf quyen tang thap, dac biet trong ldp bien hanh tinh (LBHT) cua khi
quyln. Trong ldp bien, viec nghien cuu rdi dupe quan tarn hon ca va thu hut
rat nhieu nha khoa hoc cd ten tuoi trong lmh vuc nghien curu nay.
Song song vdi viec nghien cuu ldp bien Khi quyen, ldp bien cua Dai
duong va tuong tac giua ldp bien Dai duong va Khf quyen van dang la mot
trong nhung trung tarn cua vat ly bien hien dai. Dai duong va Khf quyen
khong phai la moi trudng tach biet, giua chung luon luon xay ra su trao ddi
dong luong, nhiet, am v.v... Tfnh chat va che do trao doi giua Dai duong Khf quydn la mot trong nhung dac trung cd tam quan trong nhat cua cac
quyen nay tren hanh tinh va luon song song ton tai.

Chi/dng I
LdP BIEN KHI QUYEN
1.1. KHAI NIEM,
0IN
H NGHIA VA CAU TRUC LdP BIEN KHI QUYEN
•
r
•

1 .1 .1 . Khai n iem , dinh n gh ia
Ldp bien khf quyen la ldp cd do day 1,5 - 2,0 km ke tir mat dem , trong
pham vi ldp nay, su phan bo cua cac yeu to khf tupng chiu tac dong true
tiep cua mat dem va chuyen dong rdi. D ieu do dupe the hien ro ret nhat
trong phan bo thang dufng cua toe do gio. Toe do gio luon bang khong d
mat dem va tien den to'c do gio dia chuyen d gidi han tren ldp bien khf
quyen (vdi dieu kien dong nhat ngang va cac dudng dang ap la thang). Gan
mat nude, toe do gio bang toe do dong chay be mat, thudng bang khoang
2% toe do gio d m uc quan sat chuan.
9


Dac tfnh cua sir phan bo toe do gio giua hai muc nay duoc xac dinh chu
yeu bdi chuyen dong roi. Chuyen dong roi gay ra su trao doi dong luong
giua cac ldp khac nhau va lam tron profin gio.

Mua dong

2.000

1.000

—

U (m/s)

Hinh 1.1. Profin toe do gio trung binh thang (Dai Voaykov) [25]

Anh hudng cua mat dem den profin thang dung cua nhiet va do am

trong ldp bien khf quyen the hien yeu hon, vi chung chiu anh hudng rat ldn
cua cac nhan to khac bien dong rat ldn ma khong lien quan den tfnh chat
cua mat dem. Chang han, dao dong ngay cua birc xa lam bien doi dinh tfnh
su phan bo nhiet do, trong khi profin gio ft nhat v6 mat dinh tfnh lai khong
bien doi.
Trong khong khf nong va am hon so vdi mat dem, nhiet do va do am
rieng co the khong giam theo do cao ma lai tang. Cung nhu trong trudng hop
toe do gio, chuyen dong roi lai d in den lam tron profin nhiet do va do am.
Tuy nhien, khi danh gia anh hudng cua chuyen dong roi can luu y la no
khong nhung xac dinh dac tfnh profin cua cac yeu to khf tuong ma con phu
thuoc vao chfnh gradien cua cac yeu to nay. Trong thuc te, cac trudng cua
cac yeu to khf tuong va sir trao doi roi bien doi tuong h6 do tac dong cua cac
nhan to ben ngoai. Cac nhan to ben ngoai do la luong nhap buc xa Mat Trdi,
10


gradien ngang cua khf ap, cudng do trao doi roi giua ldp bien va khi quyen
tu do. Su bien doi cua cac nhan to ben ngoai dan den su bien doi profin cua
mot sd yeu to khi tuong do tuong tac giua cac ldp. Do co chuydn dong roi
hay do trao doi nhiet buc xa da anh hudng den su phan bo thang dung cua
cac yeu to khi tuong khac. Chang han, su tang cudng do buc xa Mat Trdi
truyen den mat dat se d in den su tang nhiet do, lam cho gradien nhiet do
thang dung tang len va chuyen dong roi duoc tang cudng. Do chuyen dong
roi, gradien nhiet do tang va gradien toe do gid giam, di6u dd lai d in den su
suy yeu cua chuyen dong roi. Su bien doi tuong ho cua cac trudng nhiet do,
do Im , toe do gid va chuyen dong roi se tiep tuc cho den khi thiet lap duoc
nhung phan bo cua chung de dam bao duoc su can bang nhiet va dong lire
cua he khong khi - mat dem doi vdi mot cudng do buc xa nhat dinh va toe
do xam nhap hoi nude vao ldp bien khi quyen.

1 .1 .2 . Cau true 16p bien khi quyen
Ldp khi quyen co do cao trung binh khoang 1,5 - 2,0km cach mat dem,
trong do cac luc ma sat roi, gradien khf ap va luc Coriolit dong vai tro quyet
dinh duoc goi la ldp bien [24, 26, 31].
Theo do cao, gia tri cac thanh phln cua ung suat roi giam di va trd nen
du nho de co the bo qua d nhung do cao ldn.
Viec xac dinh dong thdi cac quy luat phan bo thang dung cua profin toe
do gid, nhiet do va cac dac trung roi la nhiem vu chu yeu trong nghien cuu
ldp bien. Profin cua cac yeu to khf tuong trong ldp nay duoc hinh thanh mot
cach tuong tac vdi trang thai xac lap, duoc xac dinh duy nhat bdi cac nhan to
ben ngoai: gradien ngang cua ap suat, cudng do buc xa Mat Trdi, cac tham
so nhiet - vat ly cua dat, do nham be mat cung nhu nhiet do va do am ben
ngoai ldp bien. Su bien doi ciia tham sd ngoai bat ky nao cung d in den su
bien doi tat ca cac dac trung cua ldp bien. Chang han, khi tang dong nhiet
btic xa tren be mat Trai Dat, thi cung bat dau lam tang nhiet do cua no, do
vay lam tang gradien thang dung nhiet do y. y tang theo do cao lai d in den
cudng do di chuyen roi ldn hon, den luot minh lai anh hudng den phan bo
nhiet do va tiep theo lam tang sd gia nhiet do cua no, khi dd gradien toe do
gid giam di. Su giam cua ca hai qua trinh gradien nay d in den suy yeu
cudng do di chuyen.
11


Sir bien hoa tuong tac eiia ca ba trudng yeu to nay se tiep tuc cho den
khi chua xac lap cac gradien nhiet do, toe do gio va cudng do trao doi roi de
dam bao su can bang nhiet dong lire cua he thong khong khf - mat dem hoat
dong.
Hinh 1.2 minh hoa so do don gian su hinh thanh ldp bien khf quyen theo
Laikhtman (1960). Cot khong khf rdi co nhiet do TH va di chuygn vdi toe do
gio dia chuyen V . Do trao doi rdi va buc xa tren mat hoat dong can bang

birc xa dupe xac lap:
E a + S - Ez = 0
7,

0

(1.1)
f

day, Ea - dong buc xa song dai hudng xudng dudi; S - dong buc xa

song ngan; Ez - dong buc xa song dai hudng len tren.
V,

Khi quyin tu do
H

Lap bien

""I""
Ea

X

E;

I

di
5q

kpCp T - + y; - L k (
dz
.dz
Lap sat d§t
I T

" T

' T

H

Hinh 1.2. So do hinh thanh ldp bien theo Laikhtman [24]

Tir mat hoat dong dong nhap nhiet va hoi nude tuong ung la
K C (— + ya) va K — . 6 ldp do cao H do anh hudng cua mat dat gay ra
dz
p dz
sir pha huy trudng nhiet do va toe do gio nen nhiet do tu gia tri T0 tren mat
hoat dong giam den TH tren muc H, con toe do gio giam tir tren xudng dudi
(tir Vg den 0). Vdi mot so nhan td, de xac dinh cau true ldp bien cd the ky
hieu: H - do sau ldp hoat dong cua dat; y0- nhiet do cua dat d do sau nay;
k,, p„ c, - tuong ting la do dan nhiet, mat do va nhiet dung cua dat; R - can
12


bang buc xa cua ldp hoat dong; Z0- do nham cua mat dem. Do cao ldp bien
khi k = const ty le thuan vdi toe do gio dia chuyen va ty le nghich vdi can
bac hai cua do lech gradien trung binh nhiet do va gradien doan nhiet kho.
He sd trung binh roi ty le thuan vdi binh phuong toe do gio va ty le nghich

vdi do lech gradien trung binh nhiet do va gradien doan nhiet kho.
Xac dinh do cao ldp bien H bang phuong phap xap xi lien tiep. Cong
thirc de xac dinh H co dang:
H3 + A ,H 2 + B,H + C, = 0
•>

(1.2)

y

O day, A,, B,, C, la cac he so.
Dg giai phuong trinh nay can bien doi ve dang khong thu nguyen:
H ,3 + H ,2 +

A,

H, + —j = 0
A,

(1.3)
H

0 day, H, la dai luong khong thu nguyen, bang

A,
Cong thuc (1.3) xac dinh chinh xac han gia tri k so vdi cac cong thurc
trudc day cua Laikhtman (1956) cho sai sd ldn khi nghich nhiet. Cong thurc
khong thu nguyen doi vdi H, chi thuan lai doi vdi dieu kien dung gan vdi
phan bo trung binh do khoang thai gian du dai (bac cd 10 ngay hoac thang).
Trong cong trinh cua N. A. Nagareba (1960) da dan ra chuong trinh ti'nh

B
C
toan de xac dinh H va phu thuoc vao —!-va—r • Do cao ldp bien duoc xac
A2
A;
•

•

dinh so bo theo profin toe do gio, sau do dugc chinh xac hoa theo cac cong
thurc dugc dan ra a tren. Thudng khi tfnh toan gidi han bdi hai xap xi vi su
phan tan d tren cao, d do nhan dugc gan dung thur nhat va thur hai khong vugt
qua 20 - 30m. Khi biet do cao ldp bien H co the xac dinh:
He sd roi trung binh:
k = 0,19cozH 2

(1.4)

Toe do gio mat dat:
u(z) - In — ^
Z0

2,3
X

(1.5)

13

Dong nhiet roi:
P=^

“ Ip C , H [ V r ( T | - TH) - “ ?,>]

(1-6)

Tieu hao nhiet thanh bay hoi:
LE = ^

6day,

o>,pLHq„ (T„ )(f„ - f„ ) M, + ^

^

P,

(1.7)

P, = T ^ u j i C y l u , I X , - T l:)

Dong nhiet truyen vao dat:
B = (3y H

f ^ 0/1 e \rrr/2
2 ,3 ( 1 - 5 ) T V g2

gyaH 2

A

+ P(T h - T 0)

(1.8)

6 day, co, - tham so Coriolit; qm(TH) - sue truong cua do am; y gradien can bang cua nhiet do; p - mat do khong khf; m va p - nhan to
hieu chinh trong cac thong luong nhiet va am; f() va fH- do am tuong doi d
mat dat va do cao H; p - he sd truyen nhiet cua mat hoat dong; (1 - 5) thanh phan tfnh den sir tieu tan nang luong roi thanh nhiet trong ldp bien khi
quyen; nhung ky hieu con lai nhu da neu d tren.
Su ton tai xung dong (nhi6u dong) cua hau het cac yeu to khf tuong gay
ra bdi roi la dac diem co che ldp bien khf quyen. Trong ldp nay, cac xoay
tach ra tu ddng co ban d chmh cac khoang cach khac nhau lien tuc di qua
diem co dinh bat ky trong khong gian duoc lap day bdi dong roi. Su thay doi
lien tuc cua cac xoay tai mdi diem khao sat gay ra xung dong lien tuc cua
cac yeu to khf tuong. Vi vay, chuy6n dong cua cac xoay la vo trat tu, mdi
xoay di mot hudng d in den tfnh khong dong nhat. Tham sd nham Z0 co anh
hudng ldn den co che ldp bien H va dac biet ldp sat mat dat h. Thudng ngudi
ta xem do nham Z() bang 1/10 do cao trung binh cua vat can; chang han rung
vdi cay cao 20m thi do nham Z0 la 2m.
Roi dong lire
Su bien dang cua ddng khong khf ben tren mat dem phu thuoc vao do
nham be mat cung nhu toe do chuyen dong cua khong khf, toe do chuyen
dong cang ldn va do nham cang ldn thi ddng khong khf cang bien dang
manh, la nguyen nhan co ban phat trien roi dong luc trong ldp sat dat. Su
14


phat trien dang nay cua roi dac biet 6 cac lop tren cao hon cung la nguyen

nhan t6n tai gradien ngang va thing dufng (do dirt) cua gio Ion hon.
Viec lua chon tieu chuan xac dinh cudng do trang thai rdi cua khf quyen
la mot trong nhung van de chu yeu cua ly thuyet hi?n dai rdi khf quyen.
Song song vdi chuyen dong rdi nhu da chi ra con t6n tai mot ldp mong vdi
dong chay tang, trong do cac phan tir khong khi di chuyen theo cac quy dao
song song vdi nhau.
Xuat phat tir phuong trinh can bang nang luong rdi:
' d
^
— - u , — ( l - i g - — — EW - e
dt
dz
dz dz

(1.9)

6 day, E = —f a 2 + cr2 + a M - dong nang cua xung dong rdi tren mot
d ( E W ')
don vi khoi luong; —--------- la gradien thing dung cua dong nang luong
dz
dw
rdi; t, — - nang luong cua chuyen dong trung binh dudi tac dung cua luc
dz
ma sat; £ - toe do hao tan nang luong.
Trong nhieu tai lieu, khao sat van de ve gia tri tieu chuan cua so
Richardson Rikp (L.T. Matveev, 1965), do la dai luong xac dinh bdi nang
dE
luong xung dong rdi khong bien doi theo thdi gian, tile la — = 0
dt
dF

dF
Khi do: — > 0 neu R,< R.kn; — < 0 neu R: > Rikn.
dt
p dt
p
Khai niem gia tri tieu chuln R ikp khac vdi dai lupng tham so Richardson
Rf, vdi no, trao doi rdi trong khi quyen va dong chuyen sang chay tang, tire
la khi E = 0. Ve vat ly, hien nhien ring, vdi sir tang len cua do on dinh, trang
dE
thai do eiia khf quyen b it dau thdi gian kha muon khi — = 0. Nhu vay, gia
dt
tri tieu chuan thu hai cua R j\ khi E = 0 thudng ldn hon gia tri tieu chuan thu
dE
nhat Rlk ma vdi no — = 0. Theo Matveev (1965), neu danh gia trao doi rdi
dt
theo hoat dong den may bay, dai lupng Rj* = 35,5.
So khong thu nguyen Rj co dang
15


R

jL L _ y

1

T

(L10)

P2

Vdi: P - gradien thang dung cua toe do gio trung binh; ya va y - gradien
thang dung doan nhiet va nhiet do quan trac.
Tmh den he thuc Troitski ve sir phu thuoc giua gradien thing dung c ia
toe do gio va gradien ngang cua nhiet do, sd Richardson co thd viet la
R, =

l2T (y - y )
y - —

(i.ii)

Vdi: y = — la gradien ngang cua nhiet do; 1 = 2cosincp (co la toe
<3n

do

quay cua Trai Dat; cp la vi do dia ly).
Song co nhieu nguyen nhan gidi han kha nang sur dung tieu chiuan
Richardson de du bao sir phat trien cua roi. Cac trang thai sau day co th e la
cac nguyen nhan.
Mire cao cua nang luong roi duoc xac dinh khong chi bdi gradien ng;ang
cua nhiet do ldn ma con do su phu thuoc vao su bien doi cua gradien nay. iKhi
tinh den su lien quan giua gradien ngang cua nhiet do va gradien thang diung
cua toe do gio, co the xem rang, muc nang luong roi can phai dat gia tri kha
ldn ma no dugc xac dinh bdi sir bien doi gradien thang dirng cua toe do ;gio,
hoac tuong ung vdi sir bien doi cua tham so Richardson theo do cao. De’ d;anh
gia mure do roi khf quyen va de xac dinh cac ldp nay ma d do khong quan sat
dugc roi, can phai chu y khong chi P ldn va gia tri k nho ma con phu thmoc

vao dac trung bien doi cua cac dai lugng nay theo phuong thang dung.
Doi vdi sir nay sinh cua roi tang cao, tinh hudng thuan lgi khi gia tir i p
nho (dai lugng R; ldn) trong cac ldp tha'p chuyen thanh gia tri P ldn (giia tri
Rj nho) d nhung ldp cao hon lien ke, khi do roi bat dau xuat hien d ldp vdi
gia tri p, turc la d ldp tang manh cua gio.
Gidi han tren cua vung roi thudng lien he vdi muc ma gan no quani sat
thay su chuyen manh tir gia tri nho cua R; tdi gia tri ldn hon. N hu vay, ldp
gia tri tieu chuan R> < 1, ma tren va dudi dugc gidi han bdi cac ldp co gua. tri
R; ldn la dieu kien thuan lgi nhat de phat trien roi. Doi vdi ldp bien hau n h u
khong co nhung sd lieu ve do day cua vung nay, nhung do ldn cua no c:uing
khong qua nho, cung khong qua ldn.
16


Khi lop day len vdi gia tri R, nho, nang luong rdi dudng nhu' bi tan mat
va rdi co the, hoac la khong co, hoac la quan sat thay d ben tren va phfa dudi
ldp nay.
Vai tro cua gradien thang dung cua nhiet do trong viec hinh thanh rdi co
the thay ro vdi sir di qua cua mat front hoac la d nhung vung nui ton tai gio nhiet.
Rdi dong luc dan tdi viec hinh thanh ddi luu, khi muc ngung ket nam trong
cac gidi han cua ldp rdi va khi do can phai tfnh gradien doan nhiet aim va kho.
Roi ddi luu va dong nhiet
Trong su phat trien cua rdi khf quyen, chuyen dong ddi luu dong vai trd
rat ldn. Neu chuyen dong hay mot phan chuyen dong, khi khong ton tai
nhiet, tu phat trien nhd lire nang thi qua trinh nhu vay dupe goi la ddi hcu h(
do. Neu cac chuyen dong thang dung dupe gay ra bdi cac tham so ben ngoai,
chang han, sir nang len cua khong khf doc theo sudn ddi, thi quan sat thay
ddi luu cudng buc. Khi hoan toan la ddi luu cudng buc, luc nang khong anh
hudng den sir di chuyen thang dung va hoan toan dupe xac dinh bdi cac
nguyen nhan dong luc. Vi vay, ddi luu cudng buc ton tai khi tang ket on

dinh, ddi luu tu do ton tai khi tang ket bat on dinh, hoac la toan bo khoi
khong khf hay mot phan nho cua no tham gia. Qua trinh ddi luu tu do cd the
d in den hai dang chuyen dong thang dung cua khong khf - rdi nhiet va ddi
luu co trat tu, do do no mang y nghia nhiet.
Mae du sir phan biet nay mang tfnh udc le nhung d muc do gan dung thir
nhat vdi rdi nhiet co the dan ra toan bo chuyen dong thang dung cd cau true
vo trat tu, h6n loan cua chuyen dong, con vdi dong nhiet la qua trinh ddi luu
co trat tu thudng th i hien d dang cac dong di len phat trien manh.
Chuyen dong ddi luu trong kin quyen gSy ra cac qua trinh nhu di

chuyen bui, tang cudng trang thai rdi, phat trien may doi luu manh v.v... va
la ket qua hoac la sir nong len manh me cua mat dat bdi bufc xa Mat Trdi va
do do gay ra bien trinh ngay va nam, hoac la ket qua cua sir bien doi nhiet
ngung ket trong khoang thdi gian ngan. Dieu do xay ra d trong may phat
trien thang dung.
Su phat trien eiia chuyen dong ddi luu lam chain lai su tang do bat on
dinh trong qua trinh tiep sau d cac ldp thap, tham ehf khi cd su nong len
manh me tiep tuc cua mat dat. Vi vay, ddi luu cd trat tu thudng khong hay
xuat hien, con phan ldn cac qua trinh khf quyen gay ra hoac cd lien he vdi
ddi luu dirpc gay nen bdi cac dong ddi luu vo trat tu.
DA! HOC QUOC GIA HA NOI
TRUNG TAM THONG TIN THU VIEN

O/Cl^n 0 0 2 5 9 8


Mdi mot dong nhiet duoc dac trung bdi cac dai luong nhu toe do thar g
dung, muc bat dau va ket thuc cua ddng nhiet, dang va dudng kinh cua dong,
cung nhu su bien doi cua cac dac trung nay theo do cao va thdi gian. Ngcai
ra con quan tam tdi viec giai thich nong do cua ddng nhiet tren mot don vi

dien tich hay mot don vi the tich. Song song vdi cac dong nhiet trong khi
quyen con ton tai cac chuy6n dong di xuong cung duoc xem nhu cac nhan to
lam bien doi cau true ddng khong khi.
Gia toe cua phan tu khong khi qua nong khi nang len doan nhiet do anh
hudng co dinh cua luc thuy tmh tac dong co the xac dinh tur phuong trinh:
dw

g

dz ~ T
O

( T ; - T 0) + ( r - T, ) ] h

(M 2)

dav, T0 va T0 la nhiet do ban dau cua phan tu va khong khi xung

quanh d mat dat, y va ya la gradien thang dung thuc te va doan nhiet cua
nhiet do; T - nhiet do trung binh ldp; g - gia toe trong trudng; h - do cao
nang len cua phan tu.
Do ldn su di chuygn thang dung ciia khong khi duoc xac dinh b di su
nong len ban dau AT = T() - T0 va tang ket nhiet. Do do, su hinh thanh
cua cac dong nhiet yeu co the xuat hien vdi tong the su on dinh cua ldp
khong khi, su nong len d cac phan rieng biet se manh len - vdi trang thai
bat on dinh.
Xuat phat tir ly thuyet “tui” nhiet giong nhu su nong len, do do cung co
the tinh duoc su can trd bat ky
M — = gM Z j l Z _ Fc —w
dt

T
2

2

( 1 .1 3 |

4
Trong dd, khoi luong khong khi cua tui nhiet M = —rcr3p , thiet d ie n

ngang F = nr2 (r - ban kinh); w - toe do nang; c - he sd can trd, p - ma t do
tuong doi cua khong khf. Khi dd nhan duoc:
dw

T - T

3c

dt

T

8y

w

2

(1.14)

3c
9
Ngudi ta thudng cho — = — , d day R la ban kinh cong d mat tr u d c
8y 4R
ciia tui nhiet bang khoang 2y.
18


Khi do, chuyen dong duac xac lap:
w
= J | f ( T

“ T ) = 2 '

T

f


(U 5>

AT la hieu nhiet do khong khi nang len va xung quanh d muc da chon.
Hien khong co y kien duy nhat nao ve dang cua dong doi luu. Sd lieu thuc
nghiem co dugc tarn thdi khong cho phep xac dinh dac trung cua chuyen dong
thing dung lien quan vdi phan ting cua khi quyen va cau true cua mat dem.

1.2. KHAI QUAT LdP BIEN KHI QUYEN VIJNG Vi 0 0 THAP [12]
Cac tham sd
De xac lap nhung net dac trung dong luc khi quyen d vung vi do thap,

chung ta danh gia cac dai lugng cua mot sd tham so khi tugng cho vi do 5°,
khi do xem ring kich thudc ngang cua cac qua trinh va hien tugng khi tugng
co bac L = (5 - 6).105m, theo phuong thang dung Z = 104m va thdi gian dien
hinh cua su phat trien cac qua trinh nay la t = 10s giay. Cac dac trung nay
mo ta hinh the Synop d vi do thap, bao gom ca nhung xoay thuan nhiet ddi
trong thdi ky phat trien cuc dai cua chung.
Su phan bo vT hudng cua cac dudng d in g ap, co the xac dinh thanh phan
vT hudng cua chuyen dong tir he thuc dia chuyen den vi do 5 - 7°. Theo danh
gia khac, he thuc dia chuyen doi khi co the b it d iu tir 4°, nhung dieu do
khong co nghia he thurc dia chuyen thudng xuyen dugc thuc hien ngay ca khi
tinh den 10 - 15° vi.
Thanh phan thing dung cua luc Coriolit 2co.cos(p.w (w - toe do thing
diing) xuat hien trong phuong trinh thu nhat cua chuy6n dong ma viec tinh
no chi co y nghia trong vung hep can xich dao I cp| < 5°; d day, no co the so
sanh vdi cac thanh phan khac cua phuong trinh). Trong nhung vung doi luu
m anh d xich dao, vai tro cua thanh phan nay co the rat ldn. Vi vay, no dugc
tinh den trong->cac nghien ciru dong hgc vung xich dao [17, 23],
Khi mo ta cac chuyen dong khi quyen c in tinh den hieu ung nhdt roi. 6
vT do thap anh hudng cua luc nhdt rdi lan truyen den do cao ldn hon. Thuc
vay, do day ldp bien Ekman.
5* -

(1-16)
19


6 day, k - he so trao doi roi thang diing; / - tham so Coriolit. Gia tri 5,
tang len khi gan xfch dao; d sat xfch dao nhat, khai niem lop bien Ekman
mat y nghia. C) day, ldp bien trd thanh lop bien dang Prand, va cung tai day
lire quan tfnh va luc nhcft roi co cung mot bac. Luc nay, do day lop bien

Prand la:
S. = J — = J —

(1.17)

Trong do: Q - do xoay tuong doi; U - dong trung binh vi hudng, do ldn
Q = 10~5S-1 va nho hon dp lan cua f = 10“4S_I, 6 vi dp trung binh thi do ldn
8, d xi'ch dao se ldn hon. Y dinh nghien cuu su chuyen hoa ldp bien Ekman
sang ldp bien Prand da dupe dS cap den trong nhieu cong trinh nghien cuu.
Khi de cap den tfnh chat vat ly khac biet cua chuyen dong rdi d vung vi
do thap, can phai tinh den vai tro cua dao dong ngay va nua ngay, bdi khf
quyen d vung nay rat bat on dinh so vdi vung vi do trung binh.
Vai net ve cac nhan td dja - vat ly cua dong luc hoc ldp bien
hanh tinh
Sir chuyen dong khf quyen quy mo khac nhau nay sinh dudi anh liucmg
eiia mot so ldn cac nhan td dia - vat ly. Tuong tac cua mat dem va dong khf
tren no la mot trong nhung van de quan trong. Gan mat nham co che rdi bat
dau tac dong. Dong nang cua chuyen dong trung binh bien doi ldn thanh
nang lupng cua xoay rdi. Chuyen dong vo trat tu nay sinh ben tren m a t
nham. Ung suat tiep tuyen lien quan den toe dp dong luc v, la dac trung tfch
phan cua cac xoay rdi va dac trung cho tuong tac dong luc cua mat dem den
dong khf chay ben tren. Cung vdi tuong tac dong luc, cac dieu kien cua m o i
trudng nhu tang ket nhiet, nang lupng cua cac xoay rdi phu thuoc chu y e u
vao cong cua luc nang va cong nay xac dinh cac nguon va dong dong nan g.
Nhu vay, khi mo ta dong luc cua ldp bien can thiet phai tfnh den m o i
tuong tac dong luc va nhiet lire cua khf quyen vdi mat dem. 6 vi dp t.hap
tuong tac nay khac vdi d vi do trung binh va cao. Mat khac, profin th.aing
dung cua cac yeu td khf tupng gan mat dem va dong luc hoc cac qua triinh
khf quyen phu thuoc vao cac tham so cua dong khf. Cac dac trung cua ttffnh
khong dong nhat theo phuong ngang ddi vdi trudng gio, ap suat va nhiett do

20


den luat minh lai co quan he vdi profin thang dung cua cac yeu to khf tuong
va dong luc cua cac qua trinh khf quyen. Vi cac qua trinh khf quyen duoc
nay sinh va tien trien tren be mat ngan each cua khf quyen d mure do ldn phu
thuoc vao vi do, viec danh gia dinh luong ldp bien hanh tinh d vi do thap doi
hoi phai xem xet dac biet.
Phan bo chung cua cac dac trung roi theo vi do
N hu da biet, cac tham so khong thu nguyen tuong tac mat dem vdi dong
khf chay tren no thay doi trong gidi han rat rong phu thuoc vao dac trung cua
mat dem va cac dieu kien nhiet - ap. O vi do thap, sir bien doi ldn cua tham
so Coriolit cung la tfnh chat dac biet. Chung ta thu danh gia sir bien doi cua
cac dac trung tuong tac roi va tang ket doi vdi sir bien doi tu 10 den 40° vi
vdi cac dieu kien khac nhu nhau. Chang han, bang 1.1 duoc tfnh vdi cung
gia tri: toe do gio dia chuyen Cg = 20 m/s; do on dinh d phan dudi cua ldp
bien p() = -5 0 ; tham so nham Z„ = 0,1; trudng hop chfnh ap

' S T _ 5T _ Q
dX

dy

Bang 1.1. Phan bo theo vT do cua cac dac trtfng roi
Vi do

Cac dac t'rtfng roi

(p°N

LgR«

X*

a

V.

k
''max

H

10

90

7.1

0.072

0.90

34

2362

60

15

67

6.8

0.081

0.68

32

1550

30

20

64

6.5

0.084

0.53

31

1183

15

25

53

6.4

0.091

0.74

30

936

12

30

47

6.2

0.099

0.43

30

787

9

35

45

6.1

0.101

0.38

29

650

7

40

44

6.0

0.101

0.34

28

540

5

*
Trong do: p - tham so tang ket d phan dudi cua ldp bien; R() - so
Rossby; %» - he so ma sat dia chuyen; v, - toe do dong luc (m/s); a - goc
quay cua gio theo do cao (do); H - do cao cua ldp bien (m); k ^ - he so roi
cuc dai trong ldp bien (m2/s).

21


CAU HOI ON TAP CHUONG I
1. Neu dinh nghTa va dac tinh co ban cua cau true ldp bien khi quyen.
*>

^

2. Phan loai khi quyen theo so do hinh thanh ldp bien cua Laikhtman.
r

r

r

r

3. Dac tinh co ban cua cac dong roi: Roi dong lire, roi doi liru.

/

o

r

4. Cac tham so dac trung co ban cua ldp bien khi quyen vung vi do thap.
5. Nhan xet su bien doi theo vi do cua cac dac trung roi: Toe do dong
lire V*; do cao ldp bien H; he so Kmax va he so m a sat dia chuyen x* ■

22


Chi/dng II
HE TH6NG PHUONG TRINH o6\ VCJI LCfP BIEN KHI QUYEN
(MO HINH CHINH AP VA MO HlNH TA AP)
2.1.

HE
PHUONG TRINH TONG QUAT CHUYEN 0ONG
CUA KHI
•
•

QUYEN [24, 25, 31]
Nghien cuu dong luc hoc cua cac qua trinh khf quyen ngudi ta thudng
quan tarn den trudng ap, nhiet do, toe do va mot so dac trung khac. De
nghien cuu sir bien doi cua cac trudng nay theo khong gian va thdi gian can
thiet phai thiet lap nhung phuong trinh tuong ung. Co sd thiet lap nhung
phuong trinh nay la dua tren ba dinh luat bao toan: Khoi luong, dong luong

va nang luong.
Tu cac dinh luat tren co the thiet lap duoc he 5 phuong trinh vo hudng
viet d dang tenxo sau:
^ +v M + p^ - = 0
dt
J aXj
5xi
3v

1 dp

. 3vj

^ +X

,

p 32v

=' p^ +^
M B .+ V . ® ,
at

(2.1)

~8'

(ra'V l

\

' "kV' * <2-2)

3 E Q _ p Sv

J 5Xj

Ot

di

Trong do, P = RpT.
Tu he nay co the tim duoc cac dai luong sau: thanh phan toe do gid v{
(i = 1, 2, 3); ap suat P; mat do p; noi nang EB= E B(T). Nhu vay, co 6 phuong
trinh vdi 6 an (vdi dieu kien — da bi£t).
dl
Trong dong luc hoc khi quyen nhung dang nang luong sau dong vai tro
chu yeu:
- Dong nang: EK= v2^ ;
23