Đang tải... (xem toàn văn)
Bài giảng Khí hậu học - Chương 5: Chu trình nước. Những nội dung chính được trình bày trong chương gồm có: Nước là yếu tố cần thiết cho khí hậu và đời sống, cân bằng nước, tích luỹ nước mặt và dòng chảy, giáng thủy và sương sa, sự bốc hơi và thoát hơi, biến động năm của cân bằng nước lục địa. Mời các bạn cùng tham khảo.
KHÍ HẬU HỌC Chương Chu trình nước 5.1 Nước yếu tố cần thiết cho khí hậu đời sống Nước di chuyển liên tục đại dương, khí quyển, băng đất liền Tổng lượng nước trái đất trì gần khơng đổi qui mơ thời gian cỡ hàng ngàn năm, thay đổi trạng thái dạng lỏng, rắn khí Sự di chuyển nước đại dương, khí đất liền gọi chu trình nước Lượng nước di chuyển thơng qua chu trình nước hàng năm tương đương với lớp nước lỏng dày khoảng 1m phủ bề mặt Trái đất Nước đưa vào khí thông qua bốc quay trở lại bề mặt nhờ giáng thuỷ Để bốc lớp nước dày 1m năm địi hỏi phải có lượng lượng trung bình khoảng 80 Wm2 Mặt trời cung cấp lượng cần thiết để bốc nước từ bề mặt Sự di chuyển nước theo phương ngang phương thẳng đứng khí yếu tố định cân nước lục địa Khoảng 1/3 lượng giáng thuỷ rơi lục địa nước bốc từ vùng đại dương Lượng giáng thuỷ vượt lượng bốc vùng lục địa trả đại dương qua sơng Nếu tất nước khí ngưng kết lại thành dạng lỏng trải bề mặt trái đất tương đương với lớp nước dày khoảng 2.5 cm (Lượng nước bốc ngưng kết)/Năm ~ lớp nước dày 100cm, Lượng nước tồn KQ ~ 2.5cm Nước khí bị lấy (remove) giáng thuỷ ~ 40 lần/Năm (=100/2.5), hay ngày lần Vì lượng bốc phần nhỏ cịn lại q trình trao đổi hai chiều xảy nhanh phân tử nước qua bề mặt tiếp xúc khí quyểnnước, nên thời gian trú ngụ phân tử nước khí khoảng ngày Vì lượng nước nằm sát bề mặt trái đất khoảng gần km độ sâu (chủ yếu đại dương), có lớp nước dày 2.5 cm có mặt khí quyển, nên trung bình phân tử nước phải chờ thời gian dài đại dương, tảng băng tầng ngậm nước, lần du ngoạn ngắn ngủi vào khí Chu trình nước tồn cầu (cm/năm phủ diện tích đất đại dương) • • • • Nước từ đại dương vận chuyển vào đất liền khí Nước từ đất liền trở đại dương qua sông Phần lớn lượng giáng thủy đất liền tham gia vào chu trình nước (48/75=64%) Yếu tố định chu trình nước tồn cầu ? Phân bố nước hệ thống khí hậu chu trình nước Chu trình nước thứ cấp Chu trình nước liên quan đến: Nguồn xạ mặt trời bề mặt Nguồn xạ sóng dài bề mặt Thông lượng hiển nhiệt Thông lượng ẩn nhiệt Thông lượng nhiệt lên từ đất Độ ẩm tương đối bề mặt Phân bố xạ sóng dài bề mặt Phụ thuộc vào: Nhiệt độ bề mặt (Ts4) Độ phát xạ khí (chủ yếu nước) Nhiệt độ khí Phân bố thơng lượng hiển nhiệt bề mặt Phụ thuộc vào: Mức độ nước sẵn có Hiệu nhiệt độ bề mặt nhiệt độ không khí (Tsfc – Tair) Bức xạ Các trình bề mặt (A) Các nguồn xạ bề mặt (B) Ảnh hưởng dịng nhiệt đến khí Ảnh hưởng tán đến gió Phía độ cao d+z0 (lớp bề mặt) profile gió tuân theo luật lơga Gió bị làm yếu nhiều bên tán cây, xoáy rối yếu gia tăng Đôi quan trắc cực đại gió thứ cấp khoảng trống bên tán Vai trò thực vật ảnh hưởng đến q trình lớp biên thơng qua tính chất vật lý trình sinh học có khả vận chuyển nước qua với tốc độ nhanh tạo điều kiện thuận lợi cho quang hợp sẵn có nước thiếu nước, thực vật giảm cường độ cách đóng khí khổng ảnh hưởng khác đến albedo xạ nhìn thấy xạ gần hồng ngoại cấu trúc tán làm ảnh hưởng đến thơng thống bên tán, quan trọng thông lượng rối động lượng, nhiệt ẩm Mơ hình hóa dịng bề mặt (1984) • Định nghĩa kháng trở khí động lực / (Cd U) bể chứa đơn Bể đổ thêm nước • Kháng trở bốc giáng thủy phụ thuộc vào tích lũy ẩm đất Dòng chảy xuất bể đầy • Chưa tính đến thực vật Tích lũy nước nhiệt Mơ hình hóa dịng bề mặt (1990) Tính đến vai trị thực vật (BATS, SiB) Tương tự mạch điện Các dòng nhiệt (SH, LE) ~ Các cường độ dòng điện Các kháng trở ~ Các điện trở Tính ổn định sinh lý thực vật với thuộc tính bề mặt phụ thuộc vào loại thực vật Đưa thêm vào loại kháng trở Mắc nối tiếp (Trong điện học, độ dẫn nghich đảo độ dẫn suất, điện trở độ dẫn Thêm kháng trở suất nhân với tỷ số độ 1 1 dài dây dẫn tiết diện dây) gequiv g g g Độ dẫn nghịch đảo kháng trở Kháng trở tổng cộng kháng trở mắc nối tiếp 1 1 tổng kháng trở riêng Requiv R R2 R biệt Thêm kháng trở Độ dẫn tổng cộng kháng trở mắc song song gequiv g1 g2 g3 tổng độ dẫn riêng biệt R equiv R1 R2 R3 Mắc song song 5.5.1 Đo bốc thoát Đo thiết bị gọi thẩm kế Ước lượng qua thông lượng ẩm từ bề mặt cách đo đồng thời tốc độ độ ẩm thẳng đứng Suy từ phương trình cân băng lượng E R s SH Feo G L Đo cách xác dụng cụ tương đối rẻ Ước lượng từ công thức khí động học tổ hợp qua số liệu đo tốc độ gió trung bình nhiệt độ hai mực Tính từ số liệu đo profile nhiệt độ đất nước 5.5.2 Bốc từ bề mặt ướt Phương trình Penman Be E E en Eair (1 B e ) (1 B e ) E en R s Feo G L E(1 + BO) = Een SH c p (Ts Ta ) Bo LE L (q s q a ) Eair = .CDE.U( qa) = .CDE.U (1 RH) (q*a q a ) E1 Be E en EB e * (q s q a ) (q *a q a ) Bo Be (1 * ) (q s q a ) (q*s q*a ) dq* (Ts Ta ) dT Een tốc độ bốc cần thiết để cân với lượng cung cấp cho bề mặt xạ, dòng ngang bề mặt lượng tích luỹ Một số nhận xét Ưu việt phương trình Penman chỗ đòi hỏi số liệu đo biến khí mực Trên bề mặt đất thành phần vận chuyển ngang 0, với qui mô thời gian cỡ tháng dài thành phần tích luỹ bỏ qua, cần địi hỏi số liệu đo xạ thuần, nhiệt độ không khí, độ ẩm riêng tốc độ gió mực Có tính đến vai trị tương đối độ ẩm khơng khí xạ sẵn có Ở nhiệt độ cao, tỷ số cân Bowen nhỏ cường độ bốc tiệm cận đến giá trị cần thiết để cân với lượng vào bề mặt Ở nhiệt độ thấp 25oC, tỷ số cân Bowen lớn hơn, cường độ bốc phụ thuộc nhiều vào hỗ trợ khơng khí chưa bão hoà Ở nhiệt độ gần thấp nhiệt độ đóng băng, tỷ số cân Bowen lớn bốc phụ thuộc chủ yếu vào mức độ khơ khơng khí 5.5.3 Bốc tiềm Bốc tiềm cường độ bốc thoát xảy bề mặt ướt (lượng bốc thoát cực đại điều kiện phổ biến khí quyển) Bốc tiềm dùng để đo ảnh hưởng cung cấp lượng độ ẩm khơng khí đến cường độ bốc thoát Nếu bốc tiềm vượt q bốc thực tế xảy thiếu hụt ẩm, kết luận bề mặt khơ Bốc tiềm tính sử dụng phương pháp lý thuyết thực nghiệm Một phương pháp tính bốc tiềm sử dụng phương trình Penman (phương trình liên kết bốc từ bề mặt ướt với đốt nóng xạ nhiệt độ, độ ẩm khơng khí tốc độ gió trung bình mực) 5.6 Mơ hình hố cân nước mặt đất Đất giả thiết có sức chứa cố định để lưu giữ nước dùng cho bốc thoát Tốc độ biến đổi khối lượng nước đất đơn vị diện tích ww xác định cường độ mưa pr, cường độ bốc thoát E, cường độ tan tuyết Ms độ dày lớp nướctương cườngđương độ dònghchảy mặt w với f mật độ nước tiêu chuẩn w w w h w w p r E Ms f t t Đối với vùng có tuyết Nếu giáng thuỷ xuất nhiệt độ bề mặt thấp điểm băng Ps, bề mặt có tuyết phủ Lớp tuyết phủ đo khối lượng nước đơn vị diện tích ws, độ dày lớp nước tương đương hs w s h s w p s Esub Ms t t Lượng tuyết thăng hoa 5.6.2 Mô hình chi tiết trình bề mặt đất Là mơ hình mơ tả q trình tương tác khí với thực vật đất Thực vật đóng vai trị trung tâm việc truyền động lượng, lượng ẩm bề mặt Đất nguồn cung cấp nước cho q trình bốc xét nhiều lớp đất VD: Có thể xét lớp: Lớp mỏng sát bề mặt xác định tương tác khí với bề mặt đất trần qui mơ thời gian hai lần giáng thủy (Nếu lớp bão hồ mưa xuất dịng chảy mặt Nếu lớp khơ bốc bề mặt nhỏ thoát thực vật trở thành chế nhất) Lớp sâu hơn, nơi rễ tập trung hút ẩm từ đất Dưới lớp rễ lớp sâu nơi ẩm bị mang lực trọng trường đất bão hoà từ ẩm bị hút hoạt động mao dẫn 5.7 Biến động năm cân nước lục địa Biến trình năm cân nước địa phương khác Cân nước phụ thuộc vào biến động năm lượng giáng thủy bốc hơi, chúng có vai trị định độ ẩm đất Nói chung có bốn loại chu trình cân nước bản, nhiều nơi cho thấy chu trình tổ hợp vài loại cực đại giáng thủy vào mùa đông thời kỳ khô vào mùa hè (Duyên hải phía tây Bắc Mỹ thuộc vùng vĩ độ trung bình) cực đại lượng mưa rơi vào mùa xuân mùa hè nối tiếp sau thời kỳ khơ có cường độ biến đổi thời kỳ cuối mùa hè (Miền sâu lục địa) lượng giáng thủy không phụ thuộc vào mùa, bốc tiềm đạt cực đại vào mùa hè (vùng dun hải phía đơng Bắc Mỹ, thuộc vĩ độ trung bình) lượng mưa lớn dơng thường xảy thời kỳ nóng mùa hè, cịn mùa đơng mưa (vĩ độ nhiệt đới cận nhiệt đới) ... Bình Dương Tất đại dương Toàn cầu 3 75 420 58 2 53 4 403 946 28 480 657 696 696 803 6 45 156 4 169 746 Đại dương 53 97 1133 761 1294 1043 1202 1292 1176 1066 973 973 5. 3 Tích luỹ nước mặt dòng chảy gw... vật, động vật, người Khí Tổng % 97.39 2.01 0 .58 * 0.02 0.001 100.0 2.60 77.2 9.8* 12.3* 0.17* 0. 35 0.003 0.001 0.003 0.040 100.000 Phân bố nước hệ thống khí hậu Nước ngầm Nước khí Trung bình năm... hình thành khi: khơng khí tiếp xúc với bề mặt lạnh (đêm trời quang) Sương rơi góp phần đáng kể cho cân nước bề mặt vùng khí hậu khơ cằn, nói chung lượng nước nhỏ Một dạng giáng thủy 5. 5 Sự
