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

Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học) - Chương 5: Giới thiệu về hệ thống khí hậu. Những nội dung chính trong chương gồm có: Nước là yếu tố cần thiết cho khí hậu và đời sống, cân bằng nước, tích lũy nước mặt và dòng chảy, giáng thủy và sương sa, sự bốc hơi và thoát hơi, mô hình hoá cân bằng nước mặt đất.

PHẦN 1: 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 thơng qua bốc quay trở lại bề mặt nhờ giáng thuỷ Để bốc lớp nước dày 1m năm đòi hỏi phải có lượng lượng trung bình khoảng 80 Wm-2 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 sông |  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 è 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 quyển-nước, 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 by the parentheses The smaller values are those referenced to the larger oceanic area Phân bố nước 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 chu trình nước Giáng thuỷ yếu tố khác 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 thành phần đo trực tiếp E = (R s − SH − ΔFeo − G ) L Đo cách xác dụng cụ tương đối rẻ - Ước lượng từ cơng 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 Nhận từ phương trình Penman: Be E= Een + Eair (1 + B e ) (1 + B e ) E en = (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 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 địi hỏi số liệu đo |  |  |  |  |  biến khí mực Trên bề mặt đất thành phần vận chuyển ngang 0, với qui mơ thời gian cỡ tháng dài thành phần tích luỹ bỏ qua, cần địi hỏi số liệu đo xạ thuần, nhiệt độ khơng 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 hồ 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 xảy |  |  |  |  bề mặt ướt (lượng bốc 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 Nếu bốc tiềm vượt bốc thoát 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) areas in layer which The greater relative contrast humiditybetween in the boundary is precipitation about 80%, so exceeds that if evaporation layer The relative humidity in the boundary layer is ab and where decreases evaporation exceeds precipitation This “wet gets wetter, elative humidity 79%, 1−RH would decreases change by is 5% from thetorelative humidity tothe 79%, 1−RH would ch drySogets dryer” paradigm of global warming to 21% small changes in relative humidity in changes the boundary layer humidity in th 20% to 21% So small in relative 146changes 5.layer, THE HYDROLOGIC CYCLE ause bigSince changes in thecan gradient moisture in supply the causeofbig in boundary thefor gradient of moisture in th radiation dominates the energy evaporation (5.10), we B erelative humidity h would strongly affect PE The relative humidity in1 theE boundary would strongly affect PE The can write (5.12) aswhich Phương trình Penman tính bốc E = + Eair en HYDROLOGIC 146 THE CYCLE PE for p where we have introduced the acronym ( + B ) ( + B ) is maintained by a complex setisofmaintained processes, and notea simple layer byitaiscomplex set calof processes, and it e Also, wehow see that the second term in the parentheses ion to predict how it would change inpredict response to climate warming culation to it would change in response to c R ⎛ ⎞ s introduced the acronym PE for potentia where we have Bốc tiềm năng: = have + Be Eair ⎟thatinthe (5.14) ⎜⎝the nce we have established thatSince thePE terms inside parentheses (5.14) we established terms inside Also, we see that the second term in the parentheses canpa be ⎠ ρ−1CD U (1 − RH ) ρ Cthe (1 + Be ) L D U (1 − B(1 =pressure, ot change as rapidly as saturation vapor pressure, theas +air B=e) term vapor not change as rapidly saturation eE * L )L d ln q L (1 ) C U (1 RH ρ C U − RH ρ − iplying the parenthesis multiplying determines the fractional of PE = theD fractional D the parenthesis Be sensitivity Eair = determines cconstant tử không vT Lrelative L c p Rhu q * dT p L d ln mperature changes, assuming constant relative humidity and wind to Nhân temperature changes, assuming biếnwith đổi nhanh nhưto áptemperature and c R T c dT d We can take the derivative respect show p v speed We canHere take the derivative with respect to temp p Thành phần xác suất nước bão hoàwe have used, that, Here we have used, định độ nhạy PE d ln q * L −1 theo nhiệt độ ∂ = ≈ 6.5% K * ⎛ Be ⎞ ⎛ 2⎞ ⎛ 2⎞∂ ⎛ L BR 2⎞ d ln−1q dT evT −1 (5.17) (1 + Be )−1 = ⎜ C − (1 ) C B + = − = ≈ 6.5% K ⎜ ⎟ ⎟⎠ e ⎜ (1T+2 B )2 ⎟⎠ ⎜⎝ T ⎠∂T ∂T ⎝ (1 + Be ) ⎟⎠ ⎝ T Ý dT nghĩa:⎝R Độ bão hoà v ẩm riêng e Equation (5.16) states that the tăng khoảng 6.5%saturation nhiệt độspecifi 2 (5.16) states that saturation specific hum e C = (L/Rv )(1/T ) Be decreases rapidly temperature andthe is288K) one = (Equation L /Rwith T for ) B about 6.5% each degree of warming where C rapidly temp e decreases v )(1/ (khoảng tăng lênwith 1for độtemper 6.5% for(5.17) each degree of warming for temperatures out 278 K (Fig 4.10), so that the about first part of is so about 0.5the at The exponential dependences of first saturation vapor p at about 278 K (Fig 4.10), that part of (5.1 |  Be giảm nhanh theo nhiệt độ, cỡ độ nhiệt độ khoảng 278K, nhân tử thứ Thecancel of saturation vapor pressure t 278 Knhất andcóisgiá smaller for both colder and warmer temperatures At outsmaller independences the second term of (5.14) so that ne about 278 K exponential and is for both colder and warmer trị khoảng 0.5 (tại 278K) nhỏ nhiệt độ thấp cao cancel outvapor in the in second term of (5.14) so that neither te cold temperatures, there is so little water the atmosphere parentheses have the exponential on te very cold temperatures, there is so littledependence water vapor i |  Nhân tử thứ hai giảm nhanh nhiệthave độ tăng parentheses the exponential dependence on tempera tion vapor pressure If we assume, as is commonly d |  Nói chung PE giảm khoảng lần khoảng nhiệt độ từ 0-30C,asnghĩa nhạy th tiontrong vapor pressure If we assume, is commonly done, humidity and the wind speed not change very vĩ độ trung bình vĩ độ cao so với vĩ độthe thấp humidity and wind speed not change very rapidlyra w then terms inside the parentheses then the the twotwo terms inside the parentheses shouldshould vary o Bốc tiềm 5.6 Biến động năm cân nước lục địa Biến trình năm cân nước địa phương khác (số liệu ngày ERA Int 1979-2010) Một số nhận xét |  Từ hình (a-c): {  Bờ biển phía tây Bắc Mỹ vĩ độ trung bình, có lượng mưa lớn mùa đơng liên quan đến hoạt động xốy thuận ngoại nhiệt đới {  Lượng mưa thấp vào mùa hè nhiệt đô cao, độ ẩm đất thấp {  Ở Seattle, bốc thoát (E) vượt lượng mưa (P) bắt đầu vào tháng năm, đất khô mùa hè làm PET vượt bốc thoát thực tế |  Từ (d): {  Ở Oaxaca, Mexico thuộc nhiệt đới (∼17°N), lượng mưa lớn vào tháng mùa hè {  Trong tháng mưa lớn từ tháng đến tháng 9, lượng mưa vượt PET Các tháng cịn lại năm khơ |  Từ (i,j): {  Bắc Kinh, Trung Quốc Delhi, Ấn Độ có khí hậu gió mùa, khơ vào mùa đơng mùa xuân, mưa lớn mùa hè tháng {  São Paulo, Brazil có cực đại lượng mưa vào mùa hè vượt bốc thoát tiềm năng, tháng lại năm, lượng mưa tương đương với PET {  Melbourne, Australia có lượng mưa gần khơng đổi năm, thấp PET, ngoại trừ mùa đông |  Từ (m,n): {  Ở vĩ độ cao nói chung giáng thuỷ vượt PET trừ mùa hè Moscow, Russia and Fairbanks, Alaska |  Từ (o,p): {  Singapore gần xích đạo thuộc vùng Maritime Continent nơi lượng mưa vượt PET hầu hết tháng năm biến động năm PET nhỏ {  Timbuktu, Mali khu vực Sahel châu Phi nơi có mưa vào mùa hè thời đoạn ngắn chí mưa khơng đủ đáp ứng PET Một số nhận xét |  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) 5.7 Mơ hình hố cân nước mặt đất Mơ hình “bể chứa” thuỷ văn lục địa (The Bucket Model of Land Hydrology) |  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, độ dày lớp{  nước tương cường độ tanđương tuyết Mhs w với mật độ nước tiêu chuẩn ρ {  cường độ dòngwchảy mặt Δf ∂w w ∂h w = ρw = p r − E + M s − Δf ∂t ∂t wet.continues If measurements of airnecessary humidity, temperature, wind spe sublimation, Esub, at or the melting The snow air cover liesthe on top of the occurs Melting rate to keep surface temperature aresoil available, the balance bulk aerodynamic formula does not enter into the moisture unless it melts rature from rising above 0°C until the temperature falls Mơ hình “bểused chứa” thuỷ văn lục địa (The Bucket Model of Land Hydrology) to calculate PET temperature rises to the freezing point occurs when the surface g or the snow cover is completely removed Đối The với latent vùng cóthe tuyết heat ofon fusion must supplied to the) surface energy PET ρa C f |  evaporation depends soil=be moisture The DE U ( q * (T s ) − qasoil when melting occurs Melting continues atpotential the rate necessary {  Nếu giáng thuỷactual xuất nhiệt độtobềthe mặt thấp điểm to be used to relate the evaporation If temperature insufficient data to evaluate (5.20) are available, thentemperat another surface from rising above 0°C until the băng P , è bề mặt có tuyết phủ s the evaporation that would occur ifestimate the surface were imate formula can be used to PET below freezing or the snow coverlượng is completely {  of Lớp phủ đo khối củaremoved trênpotential e rements airtuyết humidity, air temperature, wind and The actual evapotranspiration may nước bespeed, related to the The rate ofwevaporation depends on theđương soil moisture đơn vị diện tích , độ dày lớp nước tương tion and the soil moisture content rature are available, the bulk aerodynamic formula can be hs s moisture can be used to relate the actual evaporation to the p ate PET ∂w ∂h s E = β PET evaporation – thes evaporation = ρw = that p s −E would E sub − occur M s if the surfa ∂*t(T ) of ∂humidity, t wet.=Ifρmeasurements air air temperature, wind sp PET C U ( q − q ) (5.20) a DE s a Healthy vegetation may transpire atLượng the rate of potential tuyết thăng hoa evap surface temperature are available, the bulk aerodynamic formul even when the soil is not saturated When the soil moisture falls b •  Tốc độ bốc phụ thuộc độ ẩm đất Nếu có số liệu đo độ ẩm khơng khí, nhiệt nt data to evaluate (5.20) are available, then another approxusedcertain to calculate PET level h , the vegetation will no longer v độ khơng khí, tốc độ gió nhiệt độ bề mặt tính PET: transpire at the potent can be used toFor estimate PET availability less than hv, it is simplest to assume soil moisture PET = ρa CDE U (q * (Ts ) − qa ) evapotranspiration bebetween related zero to the potential evaporavaries may linearly and one •  Nếu khơng đủ số liệu sử dụng công thức gần để ước lượng PET: oil moisture content If insufficient data to evaluate (5.20) are available, then another ⎧ 1.0, hw ≥ hv imate formula can be used to estimate PET ⎪ E = β E PET (5.21) ⎛ hw ⎞ β = ⎨ E The actual evapotranspiration may, be hw < hv to the potential e