Xem mẫu
- Ch ¬ng 3
ph¶n øng thuû - nhiÖt häc cña hå tíi khÝ hËu -
sù m« t¶ vμ m« h×nh ho¸
3.1. Giíi thiÖu
HÖ thèng hå t¸c ®éng liªn tôc trë l¹i c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu, trong khi c¸c ®iÒu
kiÖn khÝ hËu nμy biÕn ®æi trªn mét ph¹m vi kh«ng gian vμ thêi gian réng. Sù
ph©n bè theo kh«ng gian cña c¸c hå trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt biÓu thÞ c¸c d¹ng cña
hoμn l u khÝ quyÓn trong mét thêi gian dμi, vμ chu kú khÝ hËu hμng n¨m trªn
l u vùc hå ® îc ph¶n ¸nh qua sù biÕn ®æi theo mïa cña kÝch th íc vμ nhiÖt ®é
cña c¸c hå. KÝch th íc hå ® îc quyÕt ®Þnh bëi sù c©n b»ng cña l îng n íc vμo
vμ ra khái hå. Sù c©n b»ng n íc vμ n¨ng l îng hå g¾n liÒn víi khÝ quyÓn.
Trong ph¶n øng trë l¹i c¸c l îng ®i vμo cña khèi l îng, n¨ng l îng vμ ®éng
l îng (gi¸ng thuû, bøc x¹ vμ øng suÊt giã), c¸c hå tr¶ l¹i khÝ quyÓn nhiÖt l îng
vμ h¬I Èm th«ng qua qu¸ tr×nh ®èi l u vμ bèc h¬i. Sù biÕn ®æi tr¹ng th¸i thuû
v¨n vμ tr¹ng th¸i nhiÖt cña hå trªn toμn cÇu, trªn tõng vïng hoÆc tõng ®Þa
ph ¬ng, do ®ã thÓ hiÖn cho sù t¸c ®éng qua l¹i lÉn nhau ®Õn sù thay ®æi khÝ
hËu lμ sù cung cÊp n íc vμ n¨ng l îng.
PhÇn lín c¸c qu¸ tr×nh sinh häc, ho¸ häc, vËt lý häc trong hå bÞ ¶nh h ëng trùc
trùc tiÕp bëi c¸c thay ®æi vÒ thñy v¨n (nh ®é s©u cña hå), hay sù thay ®æi
nhiÖt trong hå (nh c¸ch s¾p xÕp thμnh tõng líp theo mïa), vμ nh vËy chÞu sù
t¸c ®éng gi¸n tiÕp bëi sù thay ®æi cña khÝ hËu. Nh÷ng hiªu biÕt vÒ sù t¸c ®éng
qua l¹i lÉn nhau cña hÖ thèng hå - khÝ hËu lμ nÒn t¶ng quan träng trong nhËn
thøc vÒ nh÷ng t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ hËu trong nh÷ng qu¸ tr×nh thuû
sinh häc. HiÖn nay tån t¹i mét sè m« h×nh t ¬ng ®èi ®¬n gi¶n vÒ kÝch th íc vμ
nhiÖt ®é hå ®ang ® îc sö dông ®Ó t¹o sè liÖu ®Çu vμo cho c¸c qu¸ tr×nh khÝ
t îng vμ thuû v¨n. Nh÷ng m« h×nh nμy cã thÓ ¸p dông ®Ó ®¸nh gi¸ t¸c ®éng
cña sù thay ®æi khÝ hËu lªn nh÷ng qu¸ tr×nh x¶y ra ë hå, vμ ®Ó x©y dùng l¹i sù
thay ®æi kÝch th íc hå vμ liªn kÕt gi÷a cæ khÝ hËu víi kÝch th íc hå qu¸ khø.
Trong ch ¬ng nμy, sù ph©n bè chung cña c¸c hå ® îc so s¸nh víi tæng l îng
n íc mÆt trong c©n b»ng thuû v¨n. VÝ dô sù biÕn chuyÓn kÝch th íc hå x¶y ra
h¬n 10 - 104 n¨m qua ® îc th¶o luËn. Sù biÕn ®æi trong kÝch th íc hå nμy ® îc
th¶o luËn trong giíi h¹n cña quü thuû v¨n vμ nh÷ng yÕu tè kh«ng thuéc khÝ
hËu, nh÷ng m« h×nh vÒ cÊp hå hiÖn nay. Nh÷ng ph¶n øng trë l¹i cña nhiÖt ®é
hå ® îc kÕt hîp víi ®iÒu kiÖn khÝ hËu vμ khÝ t îng häc g©y ra nã vμ t¸c ®éng
100 http://www.ebook.edu.vn
- lªn chu kú mïa cña c©n b»ng n¨ng l îng, do ®ã nhiÖt ®é trªn mÆt vμ d íi mÆt
hå ® îc s¾p xÕp thμnh tõng líp. Trong ch ¬ng nμy, tæng quan vÒ c¸c m« h×nh
hå dïng ®Ó m« pháng nhiÖt ®é vμ bèc h¬I cña hå ® îc tr×nh bμy, vμ c¸c øng
dông cña c¸c m« h×nh hå nμy trong c¸c nghiªn cøu vÒ biÕn ®æi khÝ hËu ® îc
minh häa cô thÓ.
3.2. ph¶n øng thuû v¨n
Sù xuÊt hiÖn vμ tån t¹i cña c¸c hå trªn bÒ mÆt tr¸I ®Êt nh×n chung liªn quan
®Õn l îng dßng ch¶y trªn bÒ mÆt l u vùc, mμ nÕu xÐt trung b×nh trong mét
kho¶ng thêi gian dμi sÏ chÝnh b»ng l îng Èm hiÖu qu¶, hay l îng chªnh lÖch
gi÷a m a vμ tæng l îng bèc tho¸t h¬I l u vùc. (H×nh 3.1. P - E).
H×nh 3.1: A. Khu vùc tèc ®é trung b×nh cña gi¸ng thuû (P), bèc h¬i (E), vμ dßng mÆt (Ri). B. Sù cè cña
c¸c hå theo vÜ ®é b»ng phÇn tr¨m bÒ mÆt ®Êt. (Sè liÖu thuû v¨n A tõ Budyko 1977, vμ sè liÖu biÕn cè
hå B ® c¶i biÕn sau Street – Perrott vμ Roberts 1983)
Trong vïng xÝch ®¹o (~ 100S t i 100N ), gÇn 1,5% bÒ mÆt tr¸i ®Êt ® îc bao phñ
101 http://www.ebook.edu.vn
- bëi c¸c hå. ë ®©y gi¸ng thuû th êng v ît qu¸ bèc h¬i, dßng ch¶y mÆt lμ lín
nhÊt vμ vÒ c¬ b¶n hå lμ hë theo kh¸I niÖm thñy v¨n, nghÜa lμ n íc tho¸t ra
khái hå qua c¸c cöa mÆt hoÆc cöa s¸t mÆt. Mét vμi hå ® îc t×m thÊy ë vïng ¸p
cao cËn xÝch ®¹o (~ 250N tíi 250S), n¬i mμ l îng bèc h¬i v ît qu¸ xa so víi
l îng gi¸ng thuû vμ sù thiÕu hôt Èm lu«n tån t¹i. MËt ®é che phñ cña hå lín
nhÊt ® îc t×m thÊy ë c¸c vïng vÜ ®é trung b×nh (250 ®Õn 600 vÜ tuyÕn b¾c vμ
nam). BiÓu hiÖn kh¸c th êng cña vÜ ®é trong h×nh 3.1 gi÷a sù ph©n bè hå vμ
dßng mÆt ë 450N ® îc cho lμ do ph¹m vi kh«ng gian r«ng lín cña biÓn Caspia
vμ biÓn Aral (Hutchison 1957) vμ do mét sè l îng lín c¸c hå réng lín ®ã ® îc
khoÐt s©u ra phÝa ngoμi bëi líp phñ b¨ng ë B¾c b¸n cÇu. ë c¶ hai b¸n cÇu c¸c
tÇn suÊt xuÊt hiÖn lín nhÊt cña c¸c hå kÝn theo khai niÖm thñy v¨n [tøc lμ c¸c
hå ë vïng quÆng cuèi cïng (c¸c l u vùc tù tiªu) kh«ng cã ® êng cho n íc tho¸t
®i trõ viÖc th«ng qua sù bèc h¬i] t ¬ng øng víi c¸c vÜ ®é mμ t¹i ®ã l îng gi¸ng
thuû gÇn nh lμ c©n b»ng víi l îng bèc h¬i (R = 0). Sù phô thuéc cña c¸c hå
kÝn vμo sù gÇn c©n b»ng gi÷a l îng gi¸ng thuû vμ l îng bèc h¬i t¹o ra sù nh¹y
c¶m lín cña c¸c hå ®èi víi sù thay ®æi thuû v¨n, vμ do ®ã còng nh¹y c¶m ®èi víi
sù thay ®æi khÝ hËu. VÒ phÝa cùc tõ vïng vÜ ®é trung b×nh dßng ch¶y mÆt t¨ng
t¹o ra mét sù gi¶m t ¬ng øng cña tÇn suÊt xuÊt hiÖn c¸c hå kÝn.
Mét sè hå cã kÝch th íc thay ®æi do sù t¨ng l îng n íc nhËp vμo hå g©y ra do
b·o. Tuy nhiªn, phÇn lín c¸c hå t ¬ng ®èi kÐm nh¹y ®èi víi hÇu hÕt tÊt c¶ c¸c
c¬n b·o trõ c¸c c¬n b·o lín, vμ sù thay ®æi ng¾n h¹n trong kÝch th íc hå lμ
kh«ng quan träng. C¸c hå th êng biÓu hiÖn sù biÕn ®æi kÝch th íc theo mïa
t ¬ng øng víi sù biÕn ®æi theo chu kú mïa cña c¸c thμnh phÇn thuéc c¸n c©n
c©n b»ng thuû v¨n. VÝ dô, sù thay ®æi kÝch th íc trung b×nh theo mïa (sù tÝch
tr÷) cña hå Erie bÞ chi phèi bëi ®é lín vμ chu kú cña gi¸ng thuû, bèc h¬i vμ dßng
ch¶y mÆt (H×nh 3.2).
Tõ 10 - 100 n¨m nh÷ng sù biÕn ®æi cña l îng m a, bèc h¬i vμ dßng ch¶y víi
khèi l îng lín h¬n vμ chu kú dμi h¬n kÕt hîp l¹i t¹o ra c¸c dao ®éng cña kÝch
th íc hå lín h¬n (H×nh 3.3). Sù thay ®æi thuû v¨n qua nh÷ng kho¶ng thêi gian
nμy lμ kÕt qu¶ cña sù dÞch chuyÓn c¸c hoμn l u khÝ quyÓn trªn ph¹m vi lôc ®Þa
vμ vïng mμ chóng cã thÓ tån t¹i trong vμi n¨m ( vÝ dô, Andreeva 1974). VÝ dô,
trong suèt thËp kû 80, ®iÒu kiÖn Èm ít trªn vïng B¾c Mü (Karl vμ Young
1986, Changnon 1987) t¹o ra møc lÞch sö lín ë c¸c hå Laurentide Great vμ hå
Great Salt, Utah vμ mét sè hå kh¸c ë Great Basin. Thêi kú Èm ít nμy cã thÓ
liªn quan tíi c¸c d¹ng hoμn l u khÝ quyÓn lôc ®Þa g©y ra do El Nino Southern
Oscillation. El Nino nμy lμ sù kÕt hîp cña c¸c bÊt th êng vÒ nhiÖt ®é bÒ mÆt
biÓn vμ c¸c d¹ng ¸p suÊt khÝ quyÓn ë c¸c vïng t©y vμ nam Th¸i B×nh D ¬ng.
Trong suèt 100 n¨m sù hiÖn diÖn cña c¸c dÞch chuyÓn khÝ hËu ® îc thÓ hiÖn ë
c¸c sè liÖu lÞch sö vÒ mùc n íc cña hå Great Lakes (H×nh 3.3) vμ c¸c hå ë vïng
Great Basin (H×nh 3.4).
Sù dao ®éng lín trong kÝch th íc hå ®· x¶y ra trong suèt 103 - 105 n¨m qua
trªn toμn cÇu. C¸c d¹ng dao ®éng theo kh«ng gian vμ thêi gian víi biªn ®é lín
102 http://www.ebook.edu.vn
- vμ tÇn suÊt nhá nμy t ¬ng øng víi c¸c biÕn ®æi khÝ hËu toμn cÇu g¾n víi sù tiÕn
tho¸i cña c¸c líp b¨ng hμ lôc ®Þa nh mét vÝ dô (thÝ dô, Smith vμ Street -
Perotl 1985, Harison 1989, Benson vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1989).
H×nh 3.2: Sù biÕn ®æi trung b×nh theo mïa thêi kú dμi h¹n cña gi¸ng thuû, dßng mÆt, bèc h¬i vμ sù thay
®æi l îng trong tÝch tr÷ hå cña hå Erie (Sau khi c¶i biÕn Quinn vμ Guerra 1986).
103 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 3.3: Sù biÕn ®æi dμi h¹n cña c©n b»ng thuû v¨n hμng n¨m hå Erie. Gi¸ng thuû, dßng mÆt vμ bèc
h¬i c¶i biÕn sau Quinn vμ Guerra (1986) vμ sè liÖu cÊp hå tõ Winter vμ Woo (1990).
104 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 3.4: Xu h íng vμ sù thay ®æi dμi h¹n cña mÆt hå ë Great Basin phÝa t©y Hoa Kú (® êng ®øt: ghi
chÐp lÞch sö, ® êng liÒn: ®o ®¹c), mùc hå kh«ng ph¶i cho c¸c ®iÒu kiÖn cæ x a (x©y dùng l¹i) vμ do ®ã
ph¶n ¸nh t¸c ®éng cña sù rót n íc s«ng cho sù t íi vμ sö dông cho tiªu thô kh¸c, ®Æc thï trong thêi
kú cuèi cña sù ghi chÐp nμy (Street – Perrott vμ Harrison 1985).
Nh÷ng sù dao ®éng tû lÖ hμng ngh×n n¨m nay ® îc ghi chÐp l¹i trong rÊt nhiÒu
hå, vμ nhiÒu c«ng viÖc ® îc tiÕn hμnh ®Ó thiÕt lËp c¸c sè liÖu theo tr×nh tù thêi
gian cña mùc n íc hå b»ng c¸ch kÕt hîp c¸c ph©n tÝch ho¸ häc, sinh häc vμ vËt
lý häc c¸c trÇm tÝch hå, c¸c ®Æc ®iÓm ®Þa chÊt ®Þa m¹o, vμ ®«i khi lμ dÊu hiÖu
kh¶o cæ häc (thÝ dô, Bradley 1985, Street - Porrtl vμ Harrison 1985, Benson vμ
Thompson 1987 a, b; Benson vμ nh÷ng ng êi kh¸c 1989; Gause vμ Fontes
1989; COHMAP Members 1989, Benson 1994; Thompson vμ nh÷ng ng êi kh¸c
105 http://www.ebook.edu.vn
- 1994).
H×nh 3. 5: Mùc hå Lahontan (® êng liÒn) trong niªn ®¹i Late - Pleistone so s¸nh víi thÓ tÝch chung cña
b¨ng (® êng ®øt) ® îc tÝnh to¸n tõ nghiªn cøu chi tiÕt c¸c ®¬n vÞ phãng x¹ cña träng t©m lßng biÓn.
Sè liÖu mÆt hå tõ Benson (kh«ng c«ng bè ® îc) vμ sè liÖu thÓ tÝch b¨ng tõ Imbrie vμ nh÷ng ng êi
kh¸c. (1984).
H×nh 3.6: §iÓm khëi ®Çu tõ gi¸ trÞ trung b×nh 130 n¨m cña gi¸ng thuû (® êng liÒn) vμ bèc h¬i (® êng
®øt) cña hå Great Salt, Utah. D÷ liÖu th« th«ng th êng ® îc lμm tr¬n cïng víi 5 sè h¹ng, sù di chuyÓn
trung b×nh.
VÝ dô sù biÕn ®éng theo tr×nh tù thêi gian cña hå Lahontan, ® îc x©y dùng l¹i
tõ ph©n tÝch phãng x¹ cacbon cña nhiÒu c¸c vËt liÖu chØ thÞ kh¸c nhau (nh ®¸
gÇn c¸c m¹ch n íc kho¸ng), chØ ra r»ng sù dao ®éng lín vÒ kÝch th íc cña hå
trong thêi kú cuèi kû Plaitoxin x¶y ra trong 35000 n¨m trë l¹i ®©y phï hîp
t ¬ng øng víi thêi ®iÓm cã l îng b¨ng hμ lín nhÊt gÇn ®©y (c¸ch ®©y 18000
106 http://www.ebook.edu.vn
- n¨m), vμ tiÕp sau ®ã lμ sù chuyÓn tiÕp ®Õn giai ®o¹n cã l ¬ng b¨ng hμ trung
b×nh (H×nh 3.5) .
Nh÷ng nghiªn cøu kh¶o cæ nμy cung cÊp th«ng tin quý gi¸ vÒ kÝch th íc vμ
thêi ®iÓm t ¬ng ®èi cña nh÷ng dao ®éng ®· x¶y ra, vμ cã thÓ ® îc kÕt hîp víi
c¸c m« h×nh thuû v¨n vμ m« h×nh nhiÖt ®Ó pháng ®o¸n cæ khÝ hËu.
H×nh 3.7: §iÓm khëi ®Çu tõ gi¸ trÞ trung b×nh 130 n¨m cña P - E (® êng liÒn) vμ mùc hå (® êng ®øt) cña
hå Great Salt, Utah. D÷ liÖu th« th«ng th êng ® îc lμm tr¬n cïng víi 5 sè h¹ng, sù di chuyÓn trung
b×nh (James 1985; Morrisette 1988; b¶n tãm l îc d÷ liÖu khÝ t îng häc NOAA).
Trong t×nh tr¹ng v¾ng c¸c ho¹t ®éng kiÕn t¹o vμ sù t¸c ®éng cña con ng êi c¸c
hå h íng tíi mét kÝch th íc hoÆc mùc c©n b»ng hoÆc ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh víi
sù c©n b»ng thuû v¨n trung b×nh. NÕu sù thay ®æi khÝ hËu x¶y ra vμ tån t¹i th×
hå sÏ më réng hoÆc thu hÑp ®Ó ®¹t tíi mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh míi. NÕu hå ch a
®ñ thêi gian ®Ó ®¹t tíi sù c©n b»ng víi tr¹ng th¸i c©n b»ng thuû v¨n míi cña
nã tr íc khi sù thay ®æi kh¸c x¶y ra, th× nã sÏ ph¶i buéc tíi tr¹ng th¸i æn ®Þnh
kÝch th íc kh¸c. Do ®ã lÞch sö cña kÝch th íc hå ® îc t¹o thμnh tõ nh÷ng dao
®éng phô thuéc vμo thêi gian mμ nh÷ng dao ®éng nμy cã c¸c biªn ®é vμ tÇn sè
biÕn ®æi trong mét ph¹m vi réng. Sù ph¶n øng trë l¹i cña mét hå tíi biÕn ®æi
khÝ hËu ®ù¬c quyÕt ®Þnh bëi sù thay ®æi nhiÒu nh©n tè nh ®Þa h×nh, ®Þa m¹o,
thæ nh ìng vμ th¶m phñ thùc vËt cña l u vùc.
C¸c biÕn ®æi cña l îng gi¸ng thñy, b«c h¬I trªn ph¹m vi l u vùc g©y ra do khÝ
hËu t¹o nªn sù thay ®æi kÝch th íc cña hå. VÝ dô, d÷ liÖu lÞch sö tõ hå Great
Salt, Utah (H×nh 3.6) tr×nh bμy sù biÕn ®æi chung, sù nghÞch biÕn gi÷a gi¸ng
thuû vμ bèc h¬i. C¸c chu kú cã dao ®éng gi¸ng thñy lμ lín nhÊt còng cã dao
®éng vÒ bèc híi lμ lín nhÊt. DÔ thÊy nguyªn nh©n cña sù biÕn ®æi nμy h íng
tíi cùc ®¹i thuû v¨n ph¸t sinh trong mÆt hå, lμ nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ quyÓn cã
lîi cho gi¸ng thuû (m©y trªn bÇu trêi, ®é Èm cao) còng cã khuynh h íng gi¶m
thiÓu bèc h¬i vμ do ®ã lμm t¨ng l îng Èm ít thùc.
Sù biÕn ®æi t ¬ng ®èi cña ®é Èm ít thùc th êng ® îc sö dông ®Ó thiÕt lËp mèi
t ¬ng quan cña nh÷ng dao ®éng mùc n íc hå víi khÝ hËu, ®Æc biÖt lμ trong c¸c
nghiªn cøu cæ thuû v¨n. Qua c¸c thêi kú trung b×nh ®ñ dμi mèi t ¬ng quan nμy
lu«n lu«n ®óng ®¾n. Tuy nhiªn, nÕu khÝ hËu tån t¹i trong thêi gian ng¾n th× sù
thay ®æi trong P - E cã thÓ x¶y ra tr íc khi kÕt hîp víi thay ®æi trong mùc hå
107 http://www.ebook.edu.vn
- (H×nh3.7). Do ®ã d íi nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ hËu t¹m thêi, gi¶ sö P - E vμ mùc
mÆt hå t¨ng hoÆc gi¶m cïng nhau chØ ®óng cho c¸c l u vùc, mμ ë ®ã diÖn tÝch
bÒ mÆt hå lμ lín so víi tæng diÖn tÝch l u vùc, hoÆc nh÷ng l u vùc cã l îng tr÷
nhá (trong ®Êt vμ b¨ng) vμ nh÷ng l u vùc bÞ ¶nh h ëng ®ång ®Òu bëi c¸c yÕu tè
khÝ hËu.
3.3. c©n b»ng thuû v¨n
Sù thay ®æi kÝch th íc hå cã thÓ ® îc tÝnh to¸n dùa trªn nh÷ng gi¸ tri ®· biÕt
hay íc l îng cña c¸c thμnh phÇn trong c©n b»ng thuû v¨n. Mét ph ¬ng tr×nh
chung cho sù thay ®æi theo thêi gian cña kÝch th íc hå cã thÓ viÕt d íi d¹ng
sau:
dV
(1)
PL E L AL Z PB E B AB Z R0 G1 G0
dt
trong ®ã: V lμ thÓ tÝch hå, PL lμ l îng gi¸ng thñy trªn bÒ mÆt hå (L/T), EL lμ
l îng bèc h¬i tõ bÒ mÆt hå (L/T), AL(Z) lμ diÖn tÝch bÒ mÆt hå ë ®é cao Z (L2), PB
lμ l îng gi¸ng thuû trªn vïng tËp trung n íc hå (L/T), EB lμ l îng bèc h¬i tõ
vïng tËp trung n íc hå (L/T), AB (Z) lμ diÖn tÝch bÒ mÆt tõ vïng tËp trung
n íc bªn ngoμi hå ë ®é cao Z (L ), R0 lμ dßng tho¸t tõ hå (L3/T), G1 lμ dßng ch¶y
2
ngÇm vμo trong hå (L3/T), G0 lμ dßng ch¶y ngÇm tõ hå (L3/T).
Sè liÖu ®é s©u - diÖn tÝch, A(Z) ® îc lÊy tõ c¸c b¶n ®å ®Þa h×nh, hoÆc cã thÓ lÊy
xÊp xØ d¹ng h×nh häc cña h×nh nãn, tø gi¸c hoÆc ® êng Parabol. Ph ¬ng tr×nh
(1) phï hîp cho c¶ hå kÝn vμ hå hë. Mét ®iÒu quan träng lμ sù nh©n biÕt r»ng
c¸c qu¸ tr×nh ® îc ®Æc tr ng bëi c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng thñy v¨n cã thÓ
cã c¸c thêi gian ph¶n øng tíi biÕn ®æi khÝ hËu lμ rÊt kh¸c nhau (Xem vÝ dô,
Szestay 1974 vμ Street – Perrolt vμ Harrison 1985 cho sù ph©n chia c¸c hå liªn
quan tíi tÝnh chÊt, thμnh phÇn cña c©n b»ng thuû v¨n).
MÆc dï c¸c th¶o luËn sau ®©y cã thÓ ¸p dông víi c¸c hå më, nh ng träng t©m
cña phÇn cßn l¹i ch ¬ng nμy lμ vÒ c¸c hå kÝn v× chóng ® îc nghiªn cøu réng
h¬n nh lμ yÕu tè chØ thÞ cña biÕn ®æi khÝ hËu. §èi víi c¸c hå kÝn th«ng th«ng
l îng dßng ngÇm cã thÓ coi nh b»ng 0 cho c¸c thêi ®o¹n xem xÐt. Ph ¬ng
tr×nh (1) rót gän thμnh:
dV
(2)
PL E L AL Z PB E B AB Z
dt
Theo ph ¬ng tr×nh (2) tèc ®é thay ®æi mùc n íc hå theo thêi gian cña mét hå
kÝn ® îc x¸c ®Þnh bëi:
AB Z
dZ
(3)
PB E B
PL E L
AL Z
dt
Thay thÕ c¸c yÕu tè trªn: R = Ri = (PB – EB )AB(Z) vμ A = AL(Z), d¹ng rêi r¹c cña
ph ¬ng tr×nh (3) cã thÓ viÕt d íi d¹ng sau:
108 http://www.ebook.edu.vn
- R
(4)
Z PL EL t
A
Ph¶n øng cña mùc n íc hå tíi sù thay ®æi trong c©n b»ng thuû v¨n cã thÓ ® îc
th¶o luËn b»ng viÖc sö dông ph ¬ng tr×nh (4). §Ó cho ®¬n gi¶n chóng ta gi¶
thiÕt r»ng PL - EL lμ cè ®Þnh vμ hå ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh víi sù c©n b»ng thuû
v¨n ban ®Çu cña nã. T¹i thêi ®iÓm t0 hå ë ®é cao Z0 vμ diÖn tÝch bÒ mÆt A0, mét
sù thay ®æi khÝ hËu x¶y ra khi Rt > R0, trong ®ã Rt biÓu thÞ sù thay ®æi gi¸ trÞ
dßng mÆt vμ R0 lμ gi¸ trÞ dßng mÆt ban ®Çu. V× PL - EL cè ®Þnh (trªn mét ®¬n vÞ
diÖn tÝch), nªn ë tr¹ng th¸i æn ®Þnh míi diÖn tÝch bÒ mÆt At sÏ lín h¬n A0.
Phô thuéc vμo ®é lín cña sù thay ®æi dßng ch¶y mÆt, vμo tr¾c l îng h×nh th¸i
cña lßng ch¶o (nghÜa lμ diÖn tÝch bÒ mÆt t ¬ng ®èi theo chiÒu cao), sù thay ®æi
mùc Z sÏ lín h¬n víi mçi b íc thêi gian t ngay sau khi khÝ hËu biÕn ®æi, vμ
sau ®ã sÏ t¨ng víi tèc ®é gi¶m dÇn ®Õn khi diÖn tÝch bÒ mÆt hå dÇn dÇn tiÕn tíi
mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt míi At vμ sù kh¸c biÖt ®¹i sè gi÷a
(R/At) vμ (PL - EL) tiÕn ®Õn 0 (nh×n chung PL > EL cho hå kÝn). Ng îc l¹i nÕu Rt
> R0, th× At < A0 vμ hå sÏ b¾t ®Çu tr¹ng th¸i æn ®Þnh diÖn tÝch bÒ mÆt cña nã víi
mét quü ®¹o ®Æc tr ng gièng nh tr êng hîp mùc n íc hå ®ã ®ang ® îc n©ng
lªn. B¶n chÊt cña c¸c t¸c ®éng nμy tíi sù thay ®æi thuû v¨n gîi ý r»ng quü ®¹o
cña mùc n íc hå kÝn khi tiÕn tíi tr¹ng th¸i æn ®Þnh cã d¹ng ® êng tiÖm cËn
(H×nh 8).
H×nh 3.8: VÝ dô vÒ tr¹ng th¸i æn ®Þnh quü ®¹o cña mùc hå (nh×n vμo bμi cho c¸c kÝ hiÖu)
§ êng tiÖm cËn ph¶n øng nμy ® îc ®Þnh l ¬ng hãa bëi mét khai triÓn to¸n häc
chuÈn x¸c h¬n ph ¬ng tr×nh c©n b»ng thuû v¨n. Sù l îng hãa nμy cã thÓ thu
® îc bëi phÐp lÊy tÝch ph©n ph ¬ng tr×nh vi ph©n (3), vμ sau mét sè biÕn ®æi
®¹i sè, chóng ta cã nghiÖm
Z* t *
Z ss t 1 e kt
(5)
trong ®ã: Z * t Z t 0 lμ sù biÕn ®æi t ¬ng ®èi trong mùc Z(t) víi tr¹ng th¸i
Zt
æn ®Þnh mùc ban ®Çu Z(t0) ë thêi ®iÓm t0 (H×nh 3.8). Tr¹ng th¸i æn ®inh ban
®Çu ® îc quyÕt ®Þnh bëi: Q0AL(Z0) = R0AB(Z0) trong ®ã Q0 = EL – PL . Mét tr¹ng
109 http://www.ebook.edu.vn
- th¸i æn ®Þnh míi thay ®æi trong mùc Z*ss ® îc íc l îng b»ng:
AB Z 0 AL Z 0 Q
*
(6)
Z ss
Qt Rt
trong ®ã: Q vμ R lμ sù biÕn ®æi thuû v¨n ë thêi ®iÓm t0, Qt = Q0 + Q, Rt =
dA Z
R0 + R vμ ë Z = Z0. Tèc ®é cña sù thay ®æi mùc k trong ph ¬ng tr×nh
dZ
(5) ® îc íc l îng b»ng :
(7)
k Qt Rt
AL Z0
Tõ ph ¬ng tr×nh (6) râ rμng ta thÊy r»ng dï mét hå n©ng lªn hay h¹ xuèng vÉn
h íng tíi mét sù c©n b»ng ® îc quyÕt ®Þnh bëi dÊu cña tö sè. NÕu R > 0 vμ
Q < 0 (nghÜa lμ nh÷ng ®iÒu kiÖn Èm ít h¬n tõ l îng gi¸ng thuû cao h¬n hay
bít l îng gi¸ng thuû ®i, hoÆc c¶ hai) th× tö sè sÏ d ¬ng (sù n©ng mùc).
NÕu R < 0 vμ Q > 0 (nghÜa lμ, c¸c ®iÒu kiÖn kh« h¬n tõ l îng gi¸ng thuû bÞ
gi¶m bít hay t¨ng l îng gi¸ng thuû, hoÆc c¶ hai) th× mÉu sè sÏ ©m (sù h¹ mùc).
Thêi gian cÇn thiÕt ®Ó hå ®¹t ® îc tr¹ng th¸i æn ®Þnh cho bëi gi¸ trÞ 1/k (H×nh
3.8). Tèc ®é thay ®æi mùc hå k trong sù ph¶n øng trë l¹i víi sù thay ®æi thuû
v¨n lμ mét hμm trong c©n b»ng thuû v¨n vμ cña phÐp ®o s©u hå.
Tõ ph ¬ng tr×nh (6) vμ ph ¬ng tr×nh (7) cã thÓ kÕt luËn r»ng nh÷ng mÆt hå dèc
®øng ( nhá ) sÏ mang l¹i ¶nh h ëng tíi sù thay ®æi thuû v¨n chËm h¬n
nh÷ng hå chiÕm kho¶ng réng lín, lßng ch¶o dèc thoai tho¶i ( lín ), víi tèc ®é
ph¶n øng phô thuéc vμo mùc hå ban ®Çu (diÖn tÝch).
TÊt c¶ c¸c nh©n tè kh¸c ®ang lμm cho c¸c lßng ch¶o c©n b»ng, më réng, dèc
thoai tho¶i ( lín) vμ do ®ã c¸c ghi chÐp tèt h¬n cña th¸c ghÒnh, biªn ®é thay
®æi khÝ hËu thÊp, tr¸i l¹i ®é s©u c¸c hå trong c¸c lßng ch¶o hÑp ( nhá) th êng
® îc ghi chÐp tèt h¬n biªn ®é cao, sù thay ®æi tÇn suÊt thÊp.
3.4. M« h×nh thuû v¨n
C¸c m« h×nh sè cña mÆt hå lμ c¬ së vËt lý (nghÜa lμ, kÕt hîp chÆt chÏ ph ¬ng
tr×nh c©n b»ng thuû v¨n), thèng kª (tøc lμ, chØ sö dông tÝnh chÊt thèng kª cña
mÆt hå ® îc ghi chÐp), hoÆc sù kÕt hîp cña mét vμi c¬ së ®ã. Mét m« h×nh ®¬n
gi¶n cã lîi cho viÖc ®iÒu tra ph¶n øng cña mùc hå tíi sù thay ®æi trong gi¸ng
thuû (P), bèc h¬i (E) vμ l îng n íc vμo cã thÓ ®¹t ® îc bëi sù liªn kÕt ph ¬ng
tr×nh (4) vμo trong mét ch ¬ng tr×nh m¸y tÝnh. §©y lμ mét ch ¬ng tr×nh cã thÓ
® îc sö dông ®Ó x©y dùng l¹i vμ cung cÊp nh÷ng hiÓu biÕt s©u s¾c cã Ých cho
ngμnh khoa häc ®éng lùc cña sù thay ®æi mùc hå (vÝ dô, Hostetler vμ Benson
1990). Phøc t¹p h¬n, c¸c m« h×nh hå ® îc x©y dùng bëi sù kÕt hîp chi tiÕt h¬n
sù biÓu diÔn cña c©n b»ng thuû v¨n (vÝ dô, Stauffer 1985).
Thay v× sö dông sè liÖu quan tr¾c hoÆc nh÷ng biÕn ®æi ®¬n gi¶n ®Çu vμo vμ ®Çu
ra cña m« h×nh, c¸c m« h×nh theo c¬ së vËt lý kh¸c cã thÓ ® îc sö dông t ¬ng
tù nh c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng thuû v¨n, nh dßng ch¶y ngÇm (Mïa
110 http://www.ebook.edu.vn
- ®«ng, tËp nμy), dßng ch¶y mÆt (Crowley 1990) vμ ® îc nghiªn cøu ë c¸c phÇn
sau, sù bèc h¬i (vÝ dô, Adam cïng c¸c céng sù 1986, Hostetler vμ Bartlei 1990,
Crowley 1989, Hostetler vμ Benson 1990). Trong m« h×nh c¸c thμnh phÇn thuû
v¨n nμy kh«ng ®æi, ¶nh h ëng tíi sù ph¶n øng trë l¹i cña hÖ thèng hå quy ®Þnh
c¸c ®iÒu kiÖn khÝ hËu vμ thuû v¨n ®· ®¹t ® îc, mÆc dï ë møc ®é nμo ®ã t×nh
tr¹ng kh«ng bÒn v÷ng ® îc kÕt hîp víi gi¸ trÞ trong m« h×nh. C¸c m« h×nh
thèng kª (chuçi thêi gian) ® îc sö dông lμm nÒn t¶ng cho sù x¸c ®Þnh c¸c ®Æc
tÝnh (vÝ dô, tÝnh chu kú) trong ghi chÐp cña mùc hå lÞch sö (vÝ dô, Kuzel vμ
Kesslar 1986; Woodbury vμ Padm©nbhal 1998). Nh÷ng ¸p dông cña c¸c m«
h×nh mùc hå ® îc nghiªn cøu trong phÇn sau cña ch ¬ng nμy.
3.5. Ph¶n øng nhiÖt
TÊt c¶ c¸c hå ë mét møc ®é nμo ®ã biÓu thÞ sù thay ®æi bÊt th êng trong nhiÖt
®é n íc phï hîp víi c¸c chu kú mïa cña khÝ hËu thÞnh hμnh. Sù ®iÒu khiÓn
chñ yÕu theo chu kú cña nhiÖt ®é n íc ë mét vÜ ®é x¸c ®Þnh (H×nh 3.9) lμ chu kú
mïa cña ®é ph¬i bøc x¹ (sãng ng¾n) thu ® îc ë vÜ ®é ®ã (H×nh 3.10).
H×nh 3.9: Sù thay ®æi hμng n¨m cña nhiÖt ®é bÒ mÆt hå theo vÜ ®é ® îc quyÕt ®Þnh bëi ph ¬ng tr×nh
thùc nghiÖm ( ® c¶i biÕn tõ Staskraba 1980).
111 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 3.10: §¸nh gi¸ sù thay ®æi hμng n¨m trong sù ph©n chia vÜ ®é cña thêi gian, bøc x¹ sãng ng¾n
chung ë mÆt ®Êt ( ® c¶i biÕn tõ Staskraba 1980).
Nh÷ng hå trong ®íi xÝch ®¹o ë chu kú n¨m nãng vμ thÓ hiÖn biªn ®é chu kú
nhiÖt ®é t ¬ng ®èi thÊp. Tõ c¸c vÜ ®é trung b×nh h íng vÒ phÝa cùc, nhiÖt ®é hå
trung b×nh n¨m gi¶m, nh ng biªn ®é cña vïng tuÇn hoμn nhiÖt t¨ng t ¬ng
xøng víi ®é ph¬i bøc x¹ ®ã. Thªm vμo chu kú mïa cña nhiÖt ®é lμ thêi kú ng¾n
(mét ®Õn vμi ngμy hoÆc h¬n), sù thay ®æi bÊt th êng ®ã x¶y ra trong sù ph¶n
øng trë l¹i tíi tØ lÖ nhiÔu khÝ quyÓn lín vμ trung b×nh ch¼ng h¹n nh sù ®i qua
cña front l¹nh (® êng ®i cña front l¹nh) (H×nh 3.11). Sù biÕn ®æi theo ngμy cña
nhiÖt ®é n íc t¹o ra tõ sù kh¸c biÖt ngμy ®ªm trong th«ng l îng bøc x¹ mÆt
trêi vμ nh÷ng ®iÒu kiÖn thêi tiÕt ®Þa ph ¬ng nh giã giËt vμ líp phñ m©y.
KÕt hîp víi sù kh¸c biÖt theo vÜ ®é trong nhiÖt ®é lμ sù kh¸c biÖt t ¬ng tù
trong tÝnh æn ®Þnh cña hå (lùc c¶n tíi nh÷ng hçn hîp bÞ giã cuèn ®i;
Hutchinson 1975; Straskraba 61980; Wetzen 1983). Trong c¸c hå n íc ngät
nμy ®é æn ®Þnh lμ mét hμm cña sù chªnh lÖch vÒ mËt ®é trong cét n íc xÊp xØ
tíi bËc ®Çu tiªn ® îc quyÕt ®Þnh bëi nhiÖt ®é [C¸c ®Æc tÝnh vËt lý kh¸c nh sù
t¸c ®éng cña ho¸ häc trong mËt ®é n íc, còng cã thÓ quan träng b»ng hoÆc h¬n
trong sù ph©n tÇng ®Æc tÝnh cña mét sè hå (vÝ dô, Imboden vμ Wilest; theo tËp
nμy)]. Khi lùc c¶n t¸c ®éng tíi hçn hîp, ®Æc ®iÓm næi bËt cña vßng tuÇn hoμn
112 http://www.ebook.edu.vn
- nhiÖt ®é hå hμng n¨m lμ cÊu tróc cña sù ph©n tÇng th¼ng ®øng.
3.5.1. C©n b»ng n¨ng l îng vμ m« h×nh c©n b»ng n¨ng l îng
L îng nhiÖt cña mét hå bÞ chi phèi bëi sù ph©n chia n¨ng l îng (nhiÖt) t¹i bÒ
mÆt hå. NÕu sù truyÒn nhiÖt x¶y ra gi÷a n íc trong hå vμ c¸c trÇm tÝch n»m
bªn d íi lμ kh«ng ®¸ng kÓ, vμ hå kh«ng ®ãng b¨ng, th× sù c©n b»ng n¨ng l îng
bÒ mÆt (SEB) lμ:
dq s
1 1 lw lw qle q h
sw sw lu
dt
(8)
dq s
lμ sù biÕn ®æi l îng tr÷ trong hå ë tÇng mÆt [W/m2],
trong ®ã:
dt
sw lμ albe®« sãng ng¾n (hÖ sè ph¶n x¹) cña bÒ mÆt hå ( kh«ng ®o ® îc),
2
sw lμ bøc x¹ sãng ng¾n tæng hîp (trùc tiÕp + khuÕch t¸n) [W/m ],
lw lμ albe®« sãng dμi cña bÒ mÆt hå [kh«ng ®o ® îc],
lμ bøc x¹ sãng dμi cña khÝ quyÓn [W/m2],
lw
lμ bøc x¹ sãng dμi tõ bÌ mÆt hå [ W/m2],
lu
qle lμ th«ng l îng Èn nhiÖt, d ¬ng nÕu t¸c ®éng cña hå liªn tôc [W/m2],
qh lμ th«ng l îng Èn nhiÖt cã thÓ nhËn thÊy ® îc, d ¬ng nÕu t¸c ®éng tõ hå
liªn tôc [W/m2].
NhiÖt ®é hå lμ phÐp ®o cña l îng nhiÖt tÝch tr÷ trong hå. S¾p ®Æt l¹i ph ¬ng
tr×nh (8) ®Ó c©n b»ng nh÷ng biÕn ®æi riªng trong l îng nhiÖt dù tr÷ ë tÇng mÆt
tíi c¸c thμnh phÇn c¬ b¶n cña SEB, vμ sù thay ®æi trong l îng nhiÖt dù tr÷ tíi
sù thay ®æi trong nhiÖt ®é trªn mét l îng ®¬n vÞ thêi gian.
1
T
1 1 qlw qle q h
sw sw lw lw
t CZ
(9)
trong ®ã:
T lμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é,
t lμ sù gia t¨ng thêi gian,
lμ mËt ®é cu¶ n íc,
C lμ nhiÖt dung riªng cña n íc,
Z lμ bÒ dμy cña tÇng mÆt.
GÇn 40% bøc x¹ mÆt trêi ®i xuyªn qua tÇng mÆt vμ bÞ hÊp thô ë ®é s©u phï
hîp cña Beer vÒ sù truÒn ¸nh s¸ng trong n íc.
1 1 Z Z
Z e
sw sw
(10)
trong ®ã:
113 http://www.ebook.edu.vn
- lμ sù hÊp thô n¨ng l îng ë ®é s©u Z ( Z = 0 t¹i bÒ mÆt hå),
tØ lÖ % cña bøc x¹ mÆt trêi bÞ hÊp thô trong tÇng mÆt ( Z m),
lμ hÖ sè chiÕu s¸ng.
Tèc ®é cña sù hÊp thô ® íc quyÕt ®Þnh bëi gi¸ trÞ hÖ sè t¾t ¸nh s¸ng, thay ®æi
tõ mét gi¸ trÞ lín h¬n trong n íc ®ôc ngÇu ®Õn 0.02 trong n íc trong suèt.
Ph ¬ng tr×nh (8 - 10) cung cÊp c¬ së cho c¸c m« h×nh nhiÖt ® îc nghiªn cøu
trong phÇn sau cña ch ¬ng nμy.
C¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng n¨ng l îng ® îc quan tr¾c hoÆc tÝnh to¸n kh¸c
nhau tõ c¸c tham sè khÝ t îng cã liªn quan (vÝ dô, Henderson – Sellers 1986,
c¸c kü s binh chñng qu©n ®éi Mü 1986, Oke 1987, Tennessee Valley Authority
1972). Bøc x¹ mÆt trêi vμ bøc x¹ sãng dμi khÝ quyÓn cã thÓ tÝnh to¸n ® îc,
nh ng v× bøc x¹ mÆt trêi nμy ® îc nhËp vμo m¸y tÝnh ®Ó tÝnh SEB, nªn khi
vËn hμnh nã sÏ tèt h¬n so víi viÖc ®o ®¹c trùc tiÕp víi bøc x¹ kÕ. Bøc x¹ quay
trë l¹i tõ bÒ mÆt hå ® îc tÝnh to¸n nh sau:
4
(11)
Tw 273.15
lw
trong ®ã:
lμ ®é ph¸t x¹ ( 0.97 ),
lμ h»ng sè Stefan - Boltmann (5,67.10-8 K-4 ),
Tw lμ nhiÖt ®é bÒ mÆt ( 0C ).
Th«ng l îng Èn nhiÖt trung b×nh hμng ngμy (sù bèc h¬i) cã thÓ ® îc tÝnh to¸n
tõ ph ¬ng tr×nh truyÒn khèi (Brutsaert 1982):
(12)
qle LV N mt u 2 e0 ea
trong ®ã:
LV lμ Èn nhiÖt hãa h¬i ,
Nmt lμ hÖ sè truyÒn khèi,
U2 lμ tèc ®é cña giã ë 2m,
e0 lμ ¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ t¹i nhiÖt ®é cña bÒ mÆt hå,
ea lμ ¸p suÊt h¬i n íc trong kh«ng khÝ cña khÝ quyÓn.
HÖ sè truyÒn khèi ® îc x¸c ®Þnh tõ mét hμm cña diÖn tÝch bÒ mÆt hå
(Brutsuert 1982):
3.367 10 9 A 0.05
(13)
N mt
¸p suÊt h¬i n íc b·o hoμ ® îc tÝnh b»ng ph ¬ng tr×nh Richards (1971):
1.97t k2 3
0.1229t k4
101.325 exp 13.3185t k 0.6445t k (14)
e0
víi tk = 1 – [ 373.15/(Tw + 273.15)]. ¸p suÊt h¬i n íc trong kh«ng khÝ cã thÓ
® îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch thay ®æi nhiÖt ®é kh«ng khÝ Tw vμo ph ¬ng tr×nh (14)
vμ sù gia t¨ng kÕt qu¶ bëi ® ¬ng l îng thËp ph©n cña ®é Èm t ¬ng ®èi.
Sù biÕn ®æi hμng ngμy trong tÝnh æn ®Þnh cña líp biªn khÝ quyÓn cã thÓ t¸c
114 http://www.ebook.edu.vn
- ®éng m¹nh tíi th«ng l îng Èn nhiÖt (tèc ®é bèc h¬i). Khi líp biªn kh«ng khÝ æn
®Þnh (hå nãng h¬n kh«ng khÝ) th× th«ng l îng Èn nhiÖt ® îc n©ng lªn t ¬ng ®èi
tíi ®iÒu kiÖn æn ®Þnh n»m bªn d íi. Mét ph ¬ng tr×nh truyÒn khèi l îng (Ryan
vμ c¸c céng sù, 1974, Weisman, 1975) ®¸nh gi¸ cho tÝnh æn ®Þnh cña ®iÒu kiÖn
lμ:
1/ 3
(15)
qle b0 Tsv Tav N mt u 2 e0 ea
trong ®ã:
b0 lμ mét h»ng sè ,
Tsv lμ nhiÖt ®é ¶o cña mÆt n íc,
Tav lμ nhiÖt ®é ¶o cña khÝ quyÓn.
NÕu Tsv > Tav th× th«ng l îng Èn nhiÖt ® îc n©ng lªn. NÕu Tsv Tav th× khÝ
quyÓn æn ®Þnh vμ cÇn ph¶i giíi h¹n c¸c nhiÖt ®é lμ tËp hîp b»ng 0 khi biÕn ®æi
ph ¬ng tr×nh (15) vÒ ph ¬ng tr×nh (12).
Th«ng l îng c¶m nhiÖt cã thÓ sö dông hÖ sè gÇn ®óng Bowen ®Ó tÝnh to¸n:
q h Rle (16)
trong ®ã hÖ sè Bowen ® îc x¸c ®Þnh bëi:
R TW Ta / e0 ea (17)
vμ lμ h»ng sè Èm kÕ.
Mét chuçi thêi gian 3 n¨m cña sù thay ®æi khÝ hËu cho hå Pyramid, Nevada t¹o
ra tõ m« h×nh ph©n gi¶i cao dùa theo khÝ hËu ®Þa ph ¬ng (RCM), ® îc biÓu thÞ
trong h×nh 3.11. §óng víi chuçi thêi gian cña nhiÖt ®é n íc mÆt vμ c¸c thμnh
phÇn cña SEB tÝnh to¸n tõ d÷ liÖu khÝ t îng ® îc tr×nh bμy trong h×nh 12. Bëi
v× c©n b»ng n¨ng l îng ® îc ®iÒu chØnh bëi bøc x¹ mÆt trêi, v ît qu¸ chu kú
vμi n¨m cña c¸c thμnh phÇn s½n cã trong SEB hoÆc nghÜa lμ chu kú t¸c ®éng
cïng víi sù biÕn ®æi thùc tÕ trong n¨m.
Sù c©n b»ng chuçi thêi gian cña nhiÖt ®é n íc mÆt cïng víi d÷ liÖu khÝ t îng
vμ c¸c thμnh phÇn cña SEB ® îc lμm s¸ng tá:
(1) thÊy r»ng sù biÕn ®æi tÇn suÊt cao, biªn ®é thÊp trong sè liÖu khÝ t îng vμ
trong c¸c thμnh phÇn cña SEB ® îc lμm nhá ®i bëi chuçi nhiÖt ®é n íc theo
thêi gian;
(2) thÊy cã mét sù dÞch chuyÓn pha nhá gi÷a m¹ng l íi bøc x¹
rn 1 1 vμ nhiÖt ®é bÒ mÆt, nghÜa lμ, cùc ®¹i trong
sw sw lw lw lu
nhiÖt ®é hå x¶y ra muén h¬n trong n¨m lμm thμnh cùc ®iÓm trong rn vμ
(3) thÊy r»ng cùc ®¹i trong th«ng l îng Èn nhiÖt (sù bèc h¬i) x¶y ra muén h¬n
vμo mïa hÌ vμ h¹ thÊp h¬n cùc ®¹i trong nhiÖt ®é n íc vμ rn. Ba ®Æc tÝnh nμy
lμ sù t¸c ®éng cña qu¸n tÝnh nhiÖt, ® îc kÕt hîp víi nhiÖt dung cao cña n íc (
ë 40C, 4.18 MJ, l îng nhiªt cÇn ®Ó t¨ng nhiÖt ®é 1m3 n íc s¹ch lªn 10C ).
Trong khÝ hËu nãng sù bèc h¬i tõ c¸c hå cung cÊp c¸c ®Ønh nhiÖt æn ®Þnh trong
115 http://www.ebook.edu.vn
- suèt mïa hÌ sau, h¹ xuèng vμ thËm chÝ sím h¬n mïa ®«ng trong khi bÒ mÆt hå
nãng h¬n kh«ng khÝ n»m bªn trªn vμ c¸c møc h¬i Èm khÝ quyÓn tiÕn tíi gi¶m
dÇn.
H×nh 3.11: 11A – E. Sè liÖu khÝ t îng trung b×nh hμng ngμy trong ba n¨m cho hå Pyramid, Nevada, ®
thu ® îc tõ mét m« h×nh khÝ hË víi sù ph©n gi¶i cao. A nhiÖt ®é kh«ng khÝ; B ¸p suÊt h¬i kh«ng khÝ; C
tèc ®é giã ë 2 m; D bøc x¹ sãng ng¾n chung (cña mÆt trêi); E bøc x¹ sãng dμi khÝ quyÓn.
116 http://www.ebook.edu.vn
- H×nh 3. 12: 12A – E. NhiÖt ®é trung b×nh hμng ngμy vμ c¸c thμnh phÇn cña c©n b»ng nhiÖt cho hå
Pyramid, Nevada trong ba n¨m, ® îc t¸i t¹o bëi m« h×nh x©y dùng trong c¸c ph ¬ng tr×nh (20) - (21). A
nhiÖt ®é bÒ mÆt; B l íi bøc x¹; C th«ng l îng Èn nhiÖt; D th«ng l îng Èn nhiÖt cã thÓ c¶m nhËn ® îc;
E sù thay ®æi trong l îng nhiÖt dù tr÷.
117 http://www.ebook.edu.vn
- MÆc dï SEB vμ sù hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi d íi mÆt ®ñ ®Ó ®¸nh gi¸ cho hÇu
hÕt c¸c hå, nh ng cã mét vμi ®iÒu ®Æt ra trong c¸c nguån nhiÖt vμ nh÷ng n¬i
nhiÖt h¹ xuèng lμ c¸c thμnh phÇn quan träng cña c©n nhiÖt hμng n¨m. Mét sè
hå thÓ tÝch lín (liªn quan tíi thÓ tÝch) dßng ch¶y vμo (dßng ch¶y ra) nãng hay
l¹nh ®· t¸c ®éng ®Õn l îng nhiÖt vμo (ra) cña hå vμ do ®ã ph¶i ® îc xem xÐt
trong c©n b»ng nhiÖt. Mét thμnh phÇn bæ sung cña c©n b»ng nhiÖt còng cÇn
® îc xem xÐt rong c¸c hå n«ng, ë n¬i mμ l îng nhiÖt ® îc truyÒn gi÷a n íc vμ
trÇm tÝch n»m phÝa d íi bëi tÝnh dÉn nhiÖt. ë c¸c hå trong (s¹ch) c¸c trÇm tÝch
cã thÓ ® îc lμm nãng trùc tiÕp bëi sù x©m nhËp bøc x¹ mÆt trêi. (Bøc x¹ mÆt
trêi còng cã thÓ ph¶n x¹ trë l¹i (sù b¾n lªn) vμo trong n íc nÕu albe®« cña tÊt
c¶ trÇm tÝch cao). Th«ng l îng nhiÖt ngang qua ®¸y hμng n¨m cã cÊu t¹o gÇn
gièng nh ® êng h×nh sin xï x× vμ ® îc quyÕt ®Þnh bëi vßng tuÇn hoμn nhiÖt ®é
n íc hμng n¨m vμ c¸c ®Æc tÝnh cña trÇm tÝch. TrÇm tÝch nãi chung lμ mét vïng
lÇy ®Ó gi÷ nhiÖt h¹ xuèng trong suèt mïa ®«ng (Hutchinson 1975; Dutton vμ
Bryson 1962; Hughes 1967).
Cho c¸c hå mμ ph¸t triÓn líp phñ b¨ng vμo mïa ®«ng, c¸c sè h¹ng thªm vμo
ph¶i bao gåm c¶ trong SEB ®Ó ®¸nh gi¸ cho n¨ng l îng cña sù kÕt b¨ng vμ sù
tan b¨ng (vμ líp phñ tuyÕt). Sù h×nh thμnh, vμ sù tan b¨ng bÞ chi phèi bëi SEB,
sù x©m nhËp cña bøc x¹ mÆt trêi vμ bëi l îng nhiÖt cung cÊp n»m phÝa d íi
(Ragozkie 1978; de Bruin vμ Nessels 1988; Patterson vμ Humblin 1988). Trong
c¸c nh©n tè nμy, SEB chiÕm u thÕ vμ h×nh th¸i b¨ng cã thÓ ® îc dù b¸o
(Patterson vμ Hamblin 1988; Hostetler 1991):
1
qi q le q h Ts Tf (18a)
sw sw lw lu
1
qi q le q Ts Tf (18b)
sw sw lw lu dh
h
dt
trong ®ã:
qi lμ dßng nhiÖt chØ cã ë bÒ mÆt b¨ng (tuyÕt),
Ts lμ nhiÖt ®é bÒ mÆt,
Tf lμ nhiÖt ®é ®iÓm ng ng kÕt (®iÓm s ¬ng),
lμ mËt ®é cña b¨ng (tuyÕt),
L lμ Èn nhiÖt cña b¨ng (tuyÕt),
dh
lμ tèc ®é thay ®æi ®é dμy b¨ng theo thêi gian.
dt
Ph ¬ng tr×nh (18a) ® îc kÕt hîp v¬i sù h×nh thμnh b¨ng vμ ph ¬ng tr×nh (18b)
® îc kÕt hîp víi sù tan b¨ng (tuyÕt) t¹i bÒ mÆt. Sù h×nh thμnh vμ sù tan b¨ng
t¹i mÆt ph©n c¸ch n íc - b¨ng ® îc x¸c ®Þnh bëi:
dh
L qi qw (19)
pen
dt
trong ®ã:
118 http://www.ebook.edu.vn
- lμ bøc x¹ mÆt trêi xuyªn qua b¨ng vμ tuyÕt,
pen
Qw lμ th«ng l îng nhiÖt n»m bªn d íi tíi b¨ng.
Sù ph©n tÇng nhiÖt ®é vμ sù hçn hîp hå chÞu t¸c ®éng bëi c¸c nh©n tè ngoμi khÝ
hËu nh h×nh th¸i lßng ch¶o (diÖn tÝch bÒ mÆt vμ ®é s©u), lùc Coriolis b¾t
nguån tõ sù quay cña tr¸i ®Êt, vμ c¸c ®Æc tÝnh vËt lý (vÝ dô, tÝnh chÊt ®ôc ), ho¸
häc (®é mÆn) cña n íc hå (Hutchinson 1957; Straskraba 1980; Wetzel 1983;
Henderson – Sellers 1984; Krink 1988; Imboden vμ Wuest, trong tËp nμy). C¸c
hå n«ng th êng kh«ng thÓ hiÖn sù ph©n tÇng nhiÖt ®é æn ®Þnh v× nã bÞ chÆn l¹i
bëi ®é s©u toμn phÇn l îng nhiÖt mÆt trêi vμ hçn hîp bÞ giã cuèn ®i, n¬i t¹o ra
c¸c ®iÒu kiÖn ®¼ng nhiÖt. Do ®ã sù ph©n tÇng vμ sù t ¬ng ph¶n nhiÖt ®é th¼ng
®øng trong c¸c hå n«ng, th êng tu©n theo cÊu tróc ngμy cña bøc x¹ mÆt trêi vμ
giã. Trong c¸c hå ®ôc giμu chÊt dinh d ìng th× sù x©m nhËp cña bøc x¹ sãng
ng¾n bÞ hÊp thô vμ t¸n x¹ ë gÇn bÒ mÆt, dÉn ®Õn kÕt qu¶ lμ líp nhiÖt ®é nh¶y
vät ë c¸c b·i n«ng h¬n nãi chung ® îc t×m thÊy trong c¸c hå s¹ch n¬i mμ l îng
nhiÖt líp d íi mÆt bÞ ph©n t¸n tíi c¸c ®é s©u lín h¬n (Henderson – Sellers
1984, 1988).
3.5.2. C¸c m« h×nh vμ m« h×nh hãa
TÇm quan träng cña vßng tuÇn hoμn nhiÖt hå trong sù t¸c ®éng mét vïng
quang phæ réng lín cña qu¸ tr×nh t¹o ®Çm hå ®· thóc ®Èy sù ph¸t triÓn cña c¸c
m« h×nh vËt lý vμ thùc nghiÖm t¹o c¬ së cho viÖc tÝnh to¸n nhiÖt ®é hå. C¸c
ph ¬ng ph¸p thùc nghiÖm cho sù tÝnh to¸n nhiÖt ®é bÒ mÆt hå lμ mét hμm cña
vÜ ®é ®· t×m ® îc (vÝ dô, Straskraba 1980) vμ nhiÒu mèi quan hÖ thùc nghiÖm
®· ® îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ sù ph©n tÇng mïa hÌ nh mét hμm cña tr¾c l îng
h×nh th¸i lßng ch¶o vμ giã thæi ®Õn (mÆt n íc kh«ng bÞ c¶n trë ® îc lé ra ®Ó giã
thæi, xem Ragotzkie 1978, Arai 1984, Melack 1989). C¸c ph ¬ng ph¸p thùc
nghÞªm cã thÓ cung cÊp h÷u hiÖu cho ph ¬ng ph¸p gÇn ®óng bËc nhÊt cña
nhiÖt ®é hå hoÆc ®é s©u líp nh¶y vät nhiÖt ®é trung b×nh. Tuy nhiªn, c¸c
ph ¬ng ph¸p nμy kh«ng phï hîp víi viÖc ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña sù thay ®æi khÝ
hËu trong tr¹ng th¸i nhiÖt ®é cña mét hå, còng cã thÓ chóng kh«ng ® îc sö
dông ®Ó ®iÒu tra ®éng lùc häc cña qu¸ tr×nh t¹o ®Çm hå.
¶nh h ëng khÝ hËu t¸c ®éng tíi tr¹ng th¸i nhiÖt cña hå cã thÓ ® îc t¸i t¹o bëi
c¬ së vËt lý cña c¸c m« h×nh sè. Trong nhiÒu hå n«ng, n¬i mμ l îng nhiÖt dù
tr÷ t ¬ng ®èi nhá h¬n vμ do ®ã vßng tuÇn hoμn nhiÖt ®é hμng n¨m nhanh hoÆc
trÔ pha h¬n kh«ng khÝ n»m phÝa trªn. Mét m« h×nh “0 chiÒu” (0D) chØ c¨n cø
vμo SEB (ph ¬ng tr×nh 7) cã thÓ cung cÊp cho sù t¸i t¹o ®Çy ®ñ nhiÖt ®é bÒ mÆt
vμ sù bèc h¬i (Keijman 1974, Eggest vμ Tetzlaff 1978). Trong c¸c hå s©u h¬n sù
tÝch tr÷ theo mïa vμ sù mÊt nhiÖt lμ mét phÇn quan träng cña c©n b»ng n¨ng
l îng do ®ã ph¶i thªm vμo m« h×nh nhiÖt ®é n íc. C¸c m« h×nh hai vμ ba chiÒu
cho dù ®Þnh nμy, nh ng m« h×nh mét chiÒu (1D) chØ ph©n tÝch sù thay ®æi nhiÖt
®é theo ph ¬ng th¼ng ®øng, ® îc sö dông réng r·i h¬n. M« h×nh mét chiÒu kÕt
hîp víi c¸c qu¸ tr×nh vËt lý ®ã lμ quan träng nhÊt trong sù chi phèi nhiÖt ®é hå
119 http://www.ebook.edu.vn
nguon tai.lieu . vn
