Xem mẫu
- §¹i häc quèc gia Hµ néi
Tr−êng §¹i häc Khoa häc tù nhiªn
§inh V¨n ¦u
T−¬ng t¸c BiÓn - khÝ quyÓn
Hµ Néi – 1997
1
- Môc lôc
Më ®Çu 4
Ch−¬ng 1. C¸c quy luËt trao ®æi c¬ n¨ng, nhiÖt vµ 8
vËt chÊt gi÷a biÓn vµ khÝ quyÓn.
1.1. §éng lùc líp biªn khÝ quyÓn s¸t mÆt n−íc. 8
1.2. .¶nh h−ëng cña ph©n tÇng khÝ quyÓn lªn trao ®æi ®éng l−îng 12
biÓn-khÝ quyÓn.
1.3. T−¬ng quan gi÷a hÖ sè truyÒn nhiÖt, khuyÕch t¸n vµ mas¸t rèi trªn 19
biÓn.
1.4. TÝnh to¸n c¸c th«ng l−îng nhiÖt, Èm theo sè liÖu khÝ t−îng th«ng 24
dông vµ trong ®iÒu kiÖn giã lín (b·o).
28
Ch−¬ng 2. HÖ qu¶ t−¬ng t¸c biÓn vµ khÝ quyÓn
2.1. T−¬ng t¸c nhiÖt c¸c líp biªn biÓn khÝ vµ ph−¬ng ph¸p m« h×nh 28
ho¸ líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn.
2.2. T−¬ng t¸c ®éng lùc c¸c líp biªn khi hÖ sè rèi kh«ng ®æi. 32
2.3. Sãng giã 37
2.4. Dßng ch¶y trªn biÓn 40
45
2.5. ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn lªn nhiÖt ®é n−íc mÆt biÓn
2.6. C¸c xo¸y Langmur - kÕt qu¶ t−¬ng t¸c nhiÖt ®éng lùc häc quy m« 48
trung b×nh gi÷a biÓn vµ khÝ quyÓn
2.7.BiÕn ®æi nhiÖt ®é cña líp biªn tiÕp gi¸p khÝ quyÓn vµ biÓn 51
2.8. Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt hÖ thèng ®¹i d−¬ng - khÝ quyÓn 54
2.9. ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn lªn cÊu tróc líp biªn ®¹i d−¬ng vµ tham 56
sè ho¸ chóng.
Ch−¬ng 3. T−¬ng t¸c biÓn-khÝ quyÓn t¹i vïng biÓn 62
nhiÖt ®íi
2
- nhiÖt ®íi
3.1. BÊt æn ®Þnh ®èi l−u trong khÝ quyªn nhiÖt ®íi 62
3.2. Ho¹t ®éng cña giã mïa trong hÖ thèng biÓn vµ khÝ quyÓn nhiÖt ®íi 67
3.3. T−¬ng t¸c nhiÖt biÓn - khÝ quyÓn - lôc ®Þa nguyªn nh©n h×nh thµnh 69
vµ biÕn ®æi cña hoµn l−u khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng.
3.4. C¸c chu kú dao ®éng trong hÖ thèng khÝ quyÓn - ®¹i d−¬ng. 74
3.5. C¸c ®Æc ®iÓm khÝ t−îng BiÓn §«ng 80
3.6. C¸c ®Æc ®iÓm h¶i d−¬ng 92
Tµi liÖu tham kh¶o 107
3
- Më ®Çu
Trong nh÷ng thËp niªn cuèi thÕ kû XX, nh÷ng yªu cÇu cña nh©n lo¹i nh»m
khai th¸c sö dông tµi nguyªn thiªn nhiªn. biÕn ®æi khÝ hËu vµ t¨ng møc ®é chÝnh x¸c
cña c¸c dù b¸o khÝ t−îng thuû v¨n ®· dÉn ®Õn viÖc t¨ng c−êng nghiªn cøu khÝ quyÓn
vµ ®¹i d−¬ng trong mèi t−¬ng t¸c gi÷a chóng. HiÖn nay mäi ng−êi ®Òu nhËn thÊy râ
c¸c yÕu ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p m« t¶ c¸c ®iÒu kiÖn khÝ t−îng thuû v¨n, mét thêi ®·
cã ý nghÜa tÝch cùc trong khÝ t−îng häc vµ h¶i d−¬ng häc. §iÒu cÊp b¸ch ®Æt ra ®èi
víi ngµnh khÝ t−îng thuû v¨n hiÖn ®¹i lµ cung cÊp c¸c chØ tiªu ®Þnh l−îng vÒ tr¹ng
th¸i vµ møc ®é biÕn ®éng cña ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn. Nh− chóng ta ®Òu biÕt, tr¹ng
th¸i cña m«i tr−êng lu«n phô thuéc vµo tÝnh chÊt cña m«i tr−êng ®ã trong qu¸ tr×nh
thu nhËn còng nh− ph©n bè l¹i n¨ng l−îng, v× vËy vÊn ®Ò quan träng ®Çu tiªn cÇn
gi¶i quyÕt cho phÐp x¸c ®Þnh sù ph¸t triÓn c¸c qu¸ tr×nh khÝ t−îng thuû v¨n lµ
nghiªn cøu nguån cung cÊp vµ biÕn ®æi cña n¨ng l−îng trong khÝ quyÓn, thuû quyÓn
vµ th¹ch quyÓn cña qu¶ ®Êt.
Nguån gèc cña sù sèng trªn tr¸i ®Êt chÝnh lµ nguån bøc x¹ mÆt trêi ®i vµo qu¶
®Êt ®−îc khÝ quyÓn, thuû quyÓn, th¹ch quyÓn vµ sinh quyÓn hÊp thô vµ chuyÓn ®æi.
Trong qu¸ tr×nh ®ã toµn bé khÝ quyÓn chØ hÊp thô 1/3 tæng n¨ng l−îng, phÇn cßn l¹i
®−îc mét líp t−¬ng ®èi máng cña mÆt ®Êt vµ biÓn hÊp thô dÉn tíi hiÖn t−îng ®èt
nãng c¸c líp nµy, ®ång thêi t¹o ra bøc x¹ sãng dµi vµ c¸c th«ng l−îng rèi ®−îc
truyÒn cho khÝ quyÓn. ChÝnh vÊn ®Ò nµy ®· cho thÊy sù cÇn thiÕt ph¶i nghiªn cøu c¸c
quy luËt biÕn ®æi n¨ng l−îng trong c¸c líp biªn khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng còng nh−
líp ho¹t ®éng cña mÆt ®Êt.
C¸c ®Æc tr−ng nhiÖt ®éng lùc häc cña mÆt tr¶i cã mét vai trß hÕt søc quan träng
®èi víi c¸c khèi kh«ng khÝ trªn ®ã. §ã lµ c¸c khèi khÝ Èm vµ Êm trong mïa ®«ng vµ
m¸t trong mïa hÌ trªn mÆt biÓn cã tÝnh ®èi lËp víi c¸c khèi khÝ trªn ®Êt liÒn.
Nghiªn cøu ®Æc tr−ng cña c¸c khèi khÝ ®¹i d−¬ng vµ lôc ®Þa, sù biÕn ®éng cña chóng
trong qu¸ tr×nh dÞch chuyÓn trªn mÆt ®Êt lµ vÊt ®Ò v« cïng quan träng cña ngµnh khÝ
t−îng häc. §iÒu nµy hoµn toµn tù nhiªn khi x©y dùng c¸c lý thuyÕt khÝ hËu vµ dù
b¸o thêi tiÕt ng−êi ta ®Òu ph¶i kÓ ®ªn qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c khÝ quyÓn víi ®¹i d−¬ng
vµ lôc ®Þa. Cã thÓ thÊy r»ng sù kh¸c biÖt cña tÝnh chÊt mÆt tr¶i lµ nguyªn nh©n ®Çu
®Çu t¹o nªn sù kh¸c biÖt cña hoµn l−u khÝ quyÓn so víi tÝnh chÊt ®íi vµ g©y nªn sù
®a d¹ng cña ®iÒu kiÖn khÝ hËu vµ thêi tiÕt trªn c¸c vïng khÝ hËu kh¸c nhau cña qu¶
®Êt. Tuy nhiªn do tÝnh ®Æc thï cña c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng,
ng−êi ta chó träng tr−íc hÕt ®Õn qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c kh«ng khÝ víi mÆt tr¶i.
4
- Sù kh¸c nhau vÒ tÝnh chÊt vËt lý vµ ®éng lùc cña ®Êt vµ n−íc dÉn ®Õn viÖc ®é
dµy líp ho¹t ®éng, trong ®ã xÈy ra dao ®éng cña nhiÖt ®é vµ ®é Èm theo thêi gian,
trªn lôc ®Þa lu«n nhá h¬n so víi trªn biÓn. MÆt kh¸c, do nhiÖt dung cña ®Êt nhá h¬n
nhiÒu so víi n−íc dÉn ®Õn yªu cÇu nhiÖt l−îng Ýt h¬n khi cho ®èt nãng cïng mét
khèi l−îng trªn mÆt ®Êt so víi trªn mÆt n−íc. Do c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi nhiÖt rèi ®¹i
bé phËn nhiÖt n¨ng chuyÓn ho¸ trong c¸c líp ho¹t ®éng trªn ®−îc truyÒn l¹i cho khÝ
quyÓn th«ng qua líp khÝ quyÓn s¸t mÆt. Còng tõ sù kh¸c nhau vÒ tÝnh chÊt vËt lý vµ
®éng lùc cña ®Êt vµ n−íc c¸c lôc ®Þa cã tÝnh ú nhiÖt nhá h¬n nhiÒu so víi ®¹i d−¬ng
v× vËy nhiÒu khi chóng ®−îc xem nh− bÒ mÆt ph¶n x¹ nhiÖt ( cã thÓ trong d¹ng
chuyÓn ho¸) vµo khÝ quyÓn. §iÒu nµy cã thÓ lµm cho bµi to¸n tÝnh nguån nhiÖt trªn
®Êt liÒn ®−îc dÔ dµng h¬n. V× vËy trong nhiÒu m« h×nh thuû ®éng lùc hoµn l−u
chung khÝ quyÓn cã thÓ cho nhiÖt dung cña ®Êt liÒn b»ng kh«ng.
C¸c ®¹i d−¬ng víi ®é ú nhiÖt lín ®· trë thµnh c¸c n¬i tÝch nhiÖt quan träng
nhÊt cña qu¶ ®Êt, møc ®é biÕn ®æi cña nhiÖt ®é n−íc theo thêi gian th−êng rÊt chËm.
C¸c th«ng l−îng nhiÖt gi÷a ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn trë nªn kh¸c biÖt so víi c¸c
th«ng l−îng trªn lôc ®Þa. §ång thêi c¸c dßng ch¶y trªn biÓn vµ ®¹i d−¬ng ®· chuyÓn
t¶i nhiÖt theo h−íng ngang dÉn ®Õn sù biÕn ®æi h−íng cña th«ng l−îng nhiÖt. Thùc
chÕ cho thÊy r»ng c¸c ®¹i lôc gÇn nh− kh«ng ph¶n øng l¹i ®èi víi c¸c t¸c ®éng cña
khÝ quyÓn lªn mÆt tr¶i, trong khi ®¹i d−¬ng l¹i ph¶n øng rÊt nhanh lªn khÝ quyÓn khi
bÞ t¸c ®éng. Gi÷a hai m«i tr−êng nµy h×nh thµnh hµng lo¹t c¸c mèi t¸c ®éng ®èi lËp
nhau (ng−îc).
Trong chõng mùc nµo ®ã cã thÓ hiÓu vµ gi¶i thÝch c¬ chÕ nhiÒu qu¸ tr×nh vµ
hiÖn t−îng tù nhiªn th«ng qua nghiªn cøu ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn mét c¸ch ®éc lËp.
Tuy nhiªn trong tÝnh to¸n vµ dù b¸o c¸c qu¸ tr×nh khÝ t−îng thuû v¨n ®Æc biÖt ®èi
víi b−íc thêi gian t−¬ng ®èi dµi th× kh«ng thÓ bá qua c¸c qu¸ tr×nh trao ®æi ng−îc
®−îc. Trong c¸c quy m« lín, mèi t−¬ng quan ng−îc nµy ®−îc thÓ hiÖn qua biÕn
®éng mïa cña hoµn l−u chung ®¹i d−¬ng thÓ hiÖn qu¸ tr×nh trao ®æi gi÷a c¸c ®íi vü
tuyÕn. ViÖc gia t¨ng chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a cùc vµ xÝch ®¹o trong mïa ®«ng vµ
t¨ng c−êng hoµn l−u khÝ quyÓn kinh h−íng dÉn ®Õn t¨ng c−êng vËn tèc dßng ch¶y
vµ l−îng nhiÖt ®¹i d−¬ng theo h−íng nµy. HÖ qu¶ cña c¸c qu¸ tr×nh sau sÏ lµm gi¶m
sù t−¬ng ph¶n nhiÖt ®é gi÷a c¸c ®íi vü tuyÕn trong ®¹i d−¬ng còng nh− trong khÝ
quyÓn. VÝ dô ®iÓn h×nh cña qu¸ tr×nh trªn thÓ hiÖn râ qua tÝnh chÊt mïa râ rÖt cña
b×nh l−u nhiÖt n−íc b¾c §¹i T©y d−¬ng vµ B¾c B¨ng d−¬ng.
C¸c chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn dÉn ®Õn qu¸ tr×nh vËn chuyÓn mét l−îng n−íc
®¸ng kÓ kÌm theo mét tr÷ l−îng nhiÖt lín ®Õn mét khu vùc víi c¸c ®Æc ®iÓm khÝ hËu
hoµn toµn xa l¹, t¹i ®©y tr÷ l−îng nhiÖt cña n−íc sÏ lµm biÕn ®æi tÝnh chÊt cña khèi
5
- kh«ng khÝ trªn biÓn vµ tõ ®ã t¹o nªn c¸c khèi khÝ biÕn tÝnh cã thÓ kh¸c biÖt hoµn
toµn so víi c¸c c¸c ®Æc tr−ng trung b×nh trªn cïng mét ®íi vü tuyÕn.
C¸c mèi quan hÖ ng−îc còng ®−îc h×nh thµnh trong c¸c t−¬ng t¸c vi m«, vÝ dô
do kÕt qu¶ trao ®æi c¸c th«ng l−îng nhiÖt, chÊt lu«n h×nh thµnh nªn c¸c líp biªn ®¹i
d−¬ng vµ khÝ quyÓn víi c¸c ®Æc tr−ng nhiÖt ®éng lùc phô thuéc lÉn nhau.
§¹i d−¬ng kh«ng chØ lµ n¬i dù tr÷ vµ ph©n phèi l¹i nhiÖt theo kh«ng gian vµ
thêi gian, mµ cßn lµ nguån cung cÊp Èm chñ yÕu cho khÝ quyÓn. Chóng ta ®Ò biÕt
qu¸ tr×nh chuyÓn ho¸ ®é Èm trong khÝ quyÓn lu«n g©y nªn t¸c ®éng m¹nh mÏ lªn
chÕ ®é nhiÖt ®éng häc khÝ quyÓn víi vai trß kh«ng nhá h¬n so víi bøc x¹ mÆt trêi.
ChØ cÇn nªu ra thùc tÕ vÒ l−îng nhiÖt khÝ quyÓn nhËn ®−îc do ng−ng tô h¬i n−íc lín
h¬n tæng l−îng nhiÖt do trao ®æi rèi vµ hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi. Vai trß lín lao cña
®é Èm kh«ng chØ giíi h¹n trong ph©n bè l¹i l−îng nhiÖt trong khÝ quyÓn mµ cßn g©y
t¸c ®éng trùc tiÕp tíi mÆt tr¶i. Trao ®æi Èm ®¹i d−¬ng - khÝ quyÓn g©y nªn ¶nh
h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn sù biÕn ®æi ®é muèi vµ tr¹ng th¸i biÓn.
NÕu nh− ®¹i d−¬ng t¸c ®éng lªn c¸c qu¸ tr×nh khÝ quyÓn chñ yÕu th«ng qua
trao ®æi nhiÖt - Èm, th× khÝ quyÓn t¸c ®éng ng−îc l¹i lªn ®¹i d−¬ng kh«ng chØ qua
c¸c th«ng l−îng nhiÖt Èm mµ cßn th«ng qua ®éng l−îng. NhiÖt ®é vµ ®é muèi cña
®¹i d−¬ng vµ biÓn còng nh− chÕ ®é dßng ch¶y chñ yÕu ®−îc h×nh thµnh do c¸c t¸c
®éng cña khÝ quyÓn mét c¸ch gi¸n tiÕp hoÆc trùc tiÕp. ChØ cÇn nh¾c l¹i r»ng c¸c
dßng ®èi l−u vµ dßng ch¶y gradient trong biÓn ®−îc g©y nªn do t¸c ®éng trùc tiÕp
cña trao ®æi nhiÖt - Èm víi khÝ quyÓn.
TËp hîp tÊt c¶ c¸c ®Æc tr−ng t−¬ng t¸c nhiÖt, ®éng lùc, ph©n bè Èm vµ c¸c qu¸
tr×nh liªn quan tíi t¸c ®éng ng−îc cho phÐp xem ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn nh− mét hÖ
thèng nhÊt ho¹t ®éng do mét nguån n¨ng l−îng duy nhÊt lµ bøc x¹ mÆt trêi.
Do nhiÒu tÝnh chÊt vËt lý ®èi víi m«i tr−êng láng vµ khÝ gièng nhau nªn c¸c
nguyªn lý nhiÖt ®éng lùc häc hoµn toµn cã thÓ øng dông cho c¶ hai phÇn cña hÖ.
§iÒu nµy ®· ®−îc c¸c nhµ khoa häc x¸c nhËn tõ l©u, vµ trong thêi gian gÇn ®©y
ng−êi ta quan t©m chñ yÕu tíi viÖc gi¶i c¸c hÖ ph−¬ng tr×nh m« t¶ toµn hÖ thèng
hoÆc Ýt nhÊt còng ®èi víi hÖ thèng c¸c líp biªn tiÕp gi¸p cña hai m«i tr−êng. Tuy
nhiªn cho ®Õn nay ng−êi ta còng ch−a thu ®−îc nhiÒu kÕt qu¶ ®¸ng kÓ do nhiÒu khã
kh¨n kh«ng nh÷ng trªn ph−¬ng diÖn to¸n häc, mµ trªn c¶ ph−¬ng diÖn vËt lý. Tr−íc
hÕt cÇn kÓ ®Õn yªu cÇu x¸c ®Þnh sù biÕn ®æi c¸c nguån n¨ng l−îng mét c¸ch chÝnh
x¸c h¬n. Thùc vËy, ®éng n¨ng cña toµn khÝ quyÓn chØ vµo kho¶ng 1% dù tr÷ thÕ
n¨ng vµ néi n¨ng, tû lÖ nµy l¹i cßn nhá h¬n ®èi víi ®¹i d−¬ng. V× vËy nh÷ng sai sè
t−¬ng ®èi bÐ khi x¸c ®Þnh c¸c th«ng l−îng nhiÖt vµ Èm cã thÓ g©y ra nhiÔu ®éng
6
- ®¸ng kÓ trong kÕt qu¶ tÝnh to¸n c¸c ®Æc tr−ng ®éng lùc khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng.
NhiÒu ®iÒu kh¸c còng ch−a ®−îc lµm s¸ng tá liªn quan tíi c¬ chÕ h×nh thµnh vµ
t−¬ng quan ph¸t triÓn cña c¸c qu¸ tr×nh khÝ t−îng. VÝ dô c¬ chÕ liªn kÕt gi÷a th«ng
l−îng nhiÖt, bèc h¬i, ng−ng tô Èm vµ t¹o m©y chØ míi ®−îc lµm s¸ng tá ®èi víi quy
m« khÝ hËu. Trong nhiÒu tr−êng hîp, kh«ng hiÓu râ ngay c¶ ®Þnh tÝnh møc ®é ¶nh
h−ëng cña t−¬ng t¸c ®éng lùc vµ t−¬ng t¸c nhiÖt lªn h×nh thµnh dßng ch¶y biÓn.
Nh− vËy, cã thÓ ®−a ra hai d¹ng c¸c vÊn ®Ò cÇn ®−îc tËp trung nghiªn cøu
ngay. §ã lµ c¸c quy luËt trao ®æi n¨ng l−îng gi÷a ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn vµ vai trß
cña t−¬ng t¸c nhiÖt ®éng trong c¸c qu¸ tr×nh khÝ t−îng thuû v¨n. §èi víi quy m« c¸c
hiÖn t−îng, cÇn ®Æc biÖt chó ý tíi t−¬ng t¸c vi m« vµ t−¬ng t¸c vÜ m«.
HiÖn nay ch−a cã sù thèng nhÊt trong ®Þnh nghi· c¸c quy m« t−¬ng t¸c ®¹i
d−¬ng - khÝ quyÓn. Th«ng th−êng theo møc ®é cÇn thiÕt sù ph©n lo¹i cã thÓ dùa vµo
kÝch th−íc ®Æc tr−ng cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng hoÆc kÝch th−íc cña
khu vùc trong ®ã xÈy ra trao ®æi n¨ng l−îng gi÷a khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng. Theo ®ã,
c¸c qu¸ tr×nh vi m« t−¬ng øng dao ®éng cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng thuû v¨n trong
kho¶ng tõ vµi phÇn gi©y ®Õn vµi phót. §iÒu nµy cã thÓ ph©n biÖt dÔ dµng trªn c¸c
ph©n bè phæ trong khÝ quyÓn, nh− vËn tèc giã hoÆc trong ®¹i d−¬ng - sãng giã.
§èi víi c¸c qu¸ tr×nh quy m« võa th× chu kú ®Æc tr−ng vµo kho¶ng vµi ba giê.
Nh÷ng hiÖn t−îng d¹ng nµy ®−îc t¸ch ra tõ biÕn tr×nh phæ biÕn trong mét ngµy ®ªm
cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng thuû v¨n.
Ng−êi ta còng ph©n ra c¸c qu¸ tr×nh synèp víi chu kú ®Æc tr−ng mét vµi ngµy
vµ c¸c qu¸ tr×nh mïa, n¨m, v.v.. th«ng th−êng nh÷ng quy m« nµy ®−îc ghÐp víi c¸c
qu¸ tr×nh vÜ m«. Trªn ph©n bè phæ c¸c yÕu tè khÝ t−îng thuû v¨n kh¸c nhau nh÷ng
chu kú nµy lu«n ®−îc thÓ hiÖn kh¸ râ nÐt.
7
- Ch−¬ng 1.
C¸c quy luËt trao ®æi c¬ n¨ng, NhiÖt vµ vËt chÊt
gi÷a biÓn vµ khÝ quyÓn.
1.1. §éng lùc líp biªn khÝ quyÓn s¸t mÆt n−íc.
Qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c nhiÖt ®éng lùc g÷a ®¹i d−¬ng vµ khÝ quyÓn ®−îc thÓ hiÖn
qua c¸c dßng (th«ng l−îng) n¨ng l−îng vµ vËt chÊt trao ®æi gi÷a hai m«i tr−êng.
Th«ng th−êng tèc ®é giã trong khÝ quyÓn lu«n lín h¬n tèc ®é dßng ch¶y trong biÓn.
C¸c dßng n¨ng l−îng tõ khÝ quyÓn ®−îc truyÒn cho ®¹i d−¬ng chñ yÕu t¹o nªn sãng
vµ dßng ch¶y trong líp n−íc trªn mÆt biÓn.
Kh¸c víi líp biªn khÝ quyÓn s¸t mÆt ®Êt, ®é gå ghÒ cña mÆt tr¶i trªn biÓn lu«n
biÕn ®æi, phô thuéc vµo tr¹ng th¸i mÆt biÓn. Trong sù h×nh thµnh ®é gå ghÒ cña mÆt
biÓn, bªn c¹nh ®é cao vµ ®é dèc cña sãng, tèc ®é truyÒn sãng vµ h−íng sãng cã mét
vai trß ®¸ng kÓ. Sù kÕt hîp gi÷a sãng vµ dßng ch¶y trong líp n−íc s¸t mÆt cã thÓ
dÉn tíi hiÖn t−îng tèc ®é giã trªn mÆt ph©n c¸ch n−íc-kh«ng khÝ kh«ng bÞ triÖt tiªu
mµ b»ng vËn tèc cña dßng ch¶y mÆt. Nh÷ng ®Æc ®iÓm nªu trªn dÉn tíi qu¸ tr×nh
biÕn d¹ng cña profil (ph©n bè) th¼ng ®øng vËn tèc giã trªn mÆt biÓn vµ gi¸ trÞ dßng
®éng l−îng trao ®æi gi÷a hai m«i tr−êng còng thay ®æi theo. Nh− vËy tõ c¶ hai phÝa
mÆt ph©n c¸ch n−íc- kh«ng khÝ tån t¹i c¸c líp biªn trong ®ã c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc
còng nh− nhiÖt- chÊt t−¬ng øng lu«n phô thuéc vµo tr¹ng th¸i cña hai m«i tr−êng.
Chóng ta ®Òu biÕt, c¸c th«ng l−îng rèi trao ®æi qua líp biªn th−êng ®−îc
tÝnh to¸n th«ng qua nhiÔu ®éng th¨ng gi¸ng rèi hoÆc gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c ®Æc
tr−ng t−¬ng øng. §èi víi dßng ®éng l−îng hay ma s¸t gi÷a dßng khÝ vµ n−íc chóng
cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh dùa vµo quy luËt biÕn ®æi cña vËn tèc vµ h−íng giã theo ®é cao
trong mét líp t−¬ng ®èi máng- ®−îc gäi lµ líp ma s¸t.
Trªn ®Êt liÒn, líp ma s¸t ®−îc xem lµ líp mµ trong ®ã dßng ®éng l−îng gÇn
nh− kh«ng biÕn ®æi, ®iÒu nµy còng ®−îc xem xÐt t−¬ng tù ®èi víi dßng nhiÖt vµ
dßng Èm.
Th«ng th−êng, khi giíi h¹n biÕn ®æi cña c¸c th«ng l−îng tõ 5% ®Õn 10%
∂τ ∂ Η ∂ Ε
trong ®é dµy líp ma s¸t, c¸c gi¸ trÞ gradient cã thÓ xem b»ng kh«ng.
, ,
∂z ∂z ∂z
§é dµy cña líp nµy cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh trªn c¬ së ®¸nh gi¸ c¸c sè h¹ng cña c¸c
ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng, truyÒn nhiÖt vµ khuyÕch t¸n.
8
- 1 ∂τ
Cho r»ng trong líp biªn khÝ quyÓn s¸t mÆt biÓn, sè h¹ng thµnh phÇn
ρ ∂z
trong ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng
r
∂v r r r 1 1
+ v .∇v + fe3 Λv = − ∇p + ∇τ (1.1)
∂t ρ ρ
cã bËc ®¹i l−îng cì 10-1 cm2/s2, t−¬ng øng bËc ®¹i l−îng c¸c sè h¹ng thµnh
1 ∂ρ
→
phÇn lùc Coriolis (fΛV ) hoÆc lùc do gradient ¸p suÊt . Nh− vËy ®é dµy líp
ρ ∂z
∂τ
líp khÝ quyÓn cã sù biÕn ®æi kho¶ng 10% sÏ lµ:
∂z
1 ∆τ
hu ~ (1.2)
ρ 1 ∂ρ
ρ ∂z
víi c¸c gi¸ trÞ: ρ = 1.3 10-3 g/cm3, ∆τ = 10-1τ , τ = 0.5 - 5 dyn/cm2 vµ (1/ρ)
(∂ τ/∂z) = (1/ρ) (∂ p/∂z) = 10-1 cm/s2,
ta cã hu ~ (0,5 – 5) 103 cm, hay hu = 5 - 50 mÐt.
XÐt c¸c ®iÒu kiÖn t−¬ng tù ®èi víi dßng nhiÖt hiÖn H:
⎛ ∂T ∂θ
⎞
H = C p ρ w' T '−C p ρχ H ⎜ + γ a ⎟ ≈ C p ρ w' T '−C p ρχ H
⎝ ∂z ⎠ ∂z
χh hÖ sè truyÒn nhiÖt ®é ph©n tö, γa gradient nhiÖt ®é ®o¹n nhiÖt kh«, θ -
nhiÖt ®é thÕ vÞ. Nãi chung dßng nhiÖt H cã thÓ lÊy b»ng trÞ sè dßng nhiÖt rèi.
Ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt trong tr−êng hîp kh«ng cã hiÖn t−îng chuyÓn ®æi
pha cã d¹ng sau.
1 ∂ (Η + F )
T dθ
=- (1.3)
θ dt ρC p ∂z
trong ®ã F lµ dßng nhiÖt bøc x¹.
BËc ®¹i l−îng cña vÕ tr¸i (1.3) th−êng vµo kho¶ng 3°/h, trong tr−êng hîp ®ã
®é dµy cña líp kh«ng khÝ trong ®ã trÞ sè H+F Ýt biÕn ®æi ( ~10%- 20%) sÏ lµ:
h'u ~ 106 ⏐H + F⏐ (1.4)
[H,F] = cal/cm2.s, [h’u]= cm.
9
- Trong ®iÒu kiÖn ph©n tÇng kh«ng æn ®Þnh (vµo c¸c ngµy hÌ) bËc ®¹i l−îng H
vµo kho¶ng 0,005 cal/cm2.s, ®é dµy h’u t−¬ng øng 50 mÐt. Khi H
- trong ®ã c¸c biÕn sè lµ ®é gå ghÒ mÆt tr¶i hx, vËn tèc ®éng lùc v* vµ hÖ sè nhít
ph©n tö cña kh«ng khÝ k0=0,15 cm2/s. ChÕ ®é dßng ®−îc xem lµ tr¬n ®éng lùc khi
Re < 5 vµ nh¸m ®éng lùc khi Re > 90.
Trong chÕ ®é dßng ch¶y tr¬n, tån t¹i mét líp máng nhít s¸t mÆt n−íc víi ®é
dµy hn ~ 5k0/v*, trong ®ã ®éng l−îng truyÒn b»ng nhít ph©n tö vµ vËn tèc dßng t¨ng
tuyÕn tÝnh theo kho¶ng c¸ch tõ mÆt ph©n c¸ch. N»m trªn líp nµy lµ líp chuyÓn tiÕp
cã ®é dµy hc ~ 30hn , trong ®ã c¸c nhiÔu ®éng rèi ®ãng vai trß quan träng h¬n so víi
nhít ph©n tö trong qu¸ tr×nh trao ®æi ®éng l−îng. VËn tèc giã trung b×nh t¨ng chËm
h¬n so víi quy luËt tuyÕn tÝnh, trÞ sè vµ quy luËt ph©n bè giã trung b×nh trªn ®Ønh
sãng vµ bông sãng còng kh¸c nhau. Lùc ma s¸t giã trªn mÆt biÓn bao gåm hai thµnh
phÇn; tiÕp tuyÕn τt vµ ph¸p tuyÕn τp:
∂v
⎛ ⎞
τ = τt + τp =(1/s) ∫ ⎜ ρ 1κ 0 nz + pn Χ ⎟ ds
⎝ ⎠
∂h s
s
h - ph¸p tuyÕn cña mÆt sãng s.
Trong tr−êng hîp giã thæi trªn mÆt sãng, sãng cã vËn tèc chuyÓn ®éng c0,
ξ(x,t) = a cos(kx- c0t), dßng kh«ng khÝ sÏ v−ît sãng ë c¸c ®é cao lín h¬n ®é cao tíi
h¹n zcr vµ chËm h¬n sãng ë c¸c ®é cao z < zcr. Xung quanh khu vùc zcr c¸c ®−êng
dßng cã d¹ng khÐp kÝn (h×nh 1.1.).
H×nh 1.1. §−ên dßng vËn tèc trªn mÆt sãng chuyÓn ®éng theo Miles [7]
Mét ®Æc tr−ng quan träng cña dßng khÝ trªn mÆt sãng lµ ¶nh h−ëng cña nhiÔu
®éng sãng lªn dßng khÝ. C¸c nhiÔu ®éng cña sãng dÉn tíi viÖc viÖc c¸c nhiÔu ®éng
vËn tèc ®−îc t¹o nªn bëi hai thµnh phÇn: nguån gèc rèi thuÇn tuý vµ nguån gèc
sãng (u',v',w' vµ u's, v' s vµ w's). KÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy r»ng c¸c lo¹i nhiÔu
11
- −−−−−−− −−−−−−− −−−−−−−
u's u' ≈ 0, v's v' ≈ 0, u's w' ≈ 0,..... ,
®éng trªn th−êng ®éc lËp víi nhau:
− −−−−−−−− −−−−−−−−−
u's w's ≠ 0, v's w' s ≠ 0 .
nh−ng gi÷a chóng l¹i cã mèi t−¬ng quan nhÊt ®Þnh:
Nh− vËy trong líp biªn khÝ quyÓn trªn mÆt sãng xuÊt hiÖn c¸c øng suÊt sãng
−−−−−−−−− −−−−−−−−−
τsx = ρu' s w' s vµ τsy = ρ v' s w' s . Chóng gi¶m rÊt nhanh khi kho¶ng c¸ch tÝnh tõ
mÆt sãng t¨ng lªn, v× vËy ¶nh h−ëng cña c¸c thµnh phÇn nµy lªn ph©n bè th¼ng ®øng
cña vËn tèc trung b×nh chØ giíi h¹n trong mét líp máng hs vµo kho¶ng 0,1λ (λ-
b−íc sãng), sù biÕn ®æi cña vËn tèc trung b×nh trong líp khÝ quyÓn n»m trªn ®ã cã
d¹ng t−¬ng tù nh− ®èi víi líp khÝ quyÓn s¸t mÆt trªn nÒn cøng. §èi víi tr−êng hîp
ph©n tÇng phiÕm ®Þnh ph©n bè cña vËn tèc trung b×nh ë phÇn nµy sÏ tu©n theo quy
luËt logarit.
§Ó tÝnh to¸n øng suÊt giã trªn mÆt biÓn cã sãng τ = τt + τs còng nh− ph©n bè
th¼ng ®øng cña vËn tèc giã cã thÓ viÕt biÓu thøc øng suÊt giã vÒ d¹ng sau τ = τt (1 +
γ) trong ®ã γ = f(v*/c0) lµ mét hµm cña tû sè gi÷a vËn tèc (®éng lùc) giã vµ vËn tèc
truyÒn sãng.
1.2. ¶nh h−ëng cña ph©n tÇng khÝ quyÓn lªn trao ®æi
®éng l−îng biÓn-khÝ quyÓn.
Trong líp biªn khÝ quyÓn trªn biÓn, nhiÔu ®éng rèi cña ®é Èm q' cã mét vai trß
®¸ng kÓ trong nhiÔu ®éng rèi mËt ®é ρ' , ®¹i l−îng liªn quan trùc tiÕp tíi lùc ®Èy
¸chimede gρ'/ρ v× vËy cÇn tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña sù ph©n tÇng nhiÖt vµ Èm trong
líp biªn khÝ quyÓn s¸t mÆt.
Tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña hçn hîp khÝ vµ h¬i n−íc (kh«ng khÝ Èm)
p = RρTv = RρT [1+q((Rh/R) -1)] ~ RρT [1 + 0,61 q]
(R=287 J/kg.°K, Rh= 461J/kg.°K - h»ng sè v¹n n¨ng cña kh«ng khÝ kh« vµ h¬i
n−íc ) q = ρh/ρ - ®é Èm riªng, T - nhiÖt ®é, Tv - nhiÖt ®é ¶o. Tuy r»ng sù kh¸c biÖt
gi÷a T vµ Tv chØ vµo kho¶ng vµi ba phÇn tr¨m (%) nh−ng nhiÔu ®éng th¨ng gi¸ng
cña chóng T' vµ T'v th−êng kh¸c nhau rÊt nhiÒu, phô thuéc vµo q. V× vËy chóng g©y
¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn ρ' vµ lùc ®Èy ¸schimede trong ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng
l−îng rèi:
∂v βΗ + 0,61gCpΕ 1 ∂Q
−ε = 0
+ −
v∗
∂z ρCp ρ ∂z
12
- β =g/T - tham sè lùc næi,
−−−−−−−−−−−
Q = ρ ρ u'i u' j u'3 / 2 - dßng n¨ng l−îng trung b×nh do nhiÔu ®éng vËn tèc
rèi theo ph−¬ng th¼ng ®øng, ε- t¶n m¸t n¨ng l−îng.
Sè Richardson ®éng lùc, ®Æc tr−ng cho sù ph©n tÇng, biÓu diÔn th«ng qua tû sè
gi÷a hai thµnh phÇn n¨ng l−îng ®èi l−u vµ n¨ng l−îng c¬ häc trong ph−¬ng tr×nh
trªn sÏ cã d¹ng:
Rf* = Rf (1 + I)
1
ρ ' w'
βΗ ρ
trong ®ã Rf = - (=- ),
∂v ∂v
ρCp 2
v' w'
∂z ∂z
v∗
Rèi sÏ kh«ng ph¸t triÓn æn ®Þnh khi Rf >1.
I = 0,61 Cp T E/ H = 0,61 T q*/T*
q* vµ T* lµ c¸c ®¹i l−îng ®Æc t−¬ng tù v* ®Æc tr−ng cho c−êng ®é trao ®æi Èm vµ
nhiÖt rèi
q* = -E / κρv* , T* = - H / κCpρv*
Th«ng th−êng ng−êi ta biÓu diÔn I th«ng qua tû sè Bauen (Bowen):
Cp(θ 0 − θ a ) (θ − θ a )
Bo = H / ΛE = = 0,66 0
Λ( q 0 − q a ) ( e0 − ea )
I = m/Bo
trong ®ã m = 0,61 Cp T/ Λ lµ hÖ sè kh«ng thø nguyªn, phô thuéc vµo nhiÖt ®é,
trong b¶ng 1.1. sau ®©y ®−a ra mét sè gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña m.
B¶ng 1.1. Gi¸ trÞ hÖ sè m tÝnh to¸n ¶nh h−ëng ®é Èm lªn trao ®æi ®éng l−îng rèi
T (°C) 0 10 20 30
m 0,067 0,070 0,073 0,078
13
- Tû sè Bauen cßn ®ù¬c sö dông ®Ó tÝnh tæng th«ng l−îng nhiÖt trao ®æi qua mÆt
biÓn trªn c¬ së sè liÖu nhiÖt ®é.
KÕt qu¶ nghiªn cøu thùc nghiÖm trªn biÓn cho thÊy r»ng ¶nh h−ëng cña ph©n
tÇng sÏ lín khi I > 1 . Víi c¸c trÞ sè trung b×nh mïa hÌ m ~ 0.07 vµ Bo ~ - 0,1
th× I chØ vµo kho¶ng - 0,1 . Trong tr−êng hîp I cã trÞ sè ©m vµ gi¸ trÞ tuyÖt ®èi lín
h¬n 1 (I
- v2 = (v* /κ) [ln(z/z0) + β (z2 - z0)/L]
§èi víi líp biªn khÝ quyÓn trªn mÆt biÓn, tham sè nh¸m z0 kh«ng cè ®Þnh mµ
phô thuéc vµo tr¹ng th−êng ng−êi ta thÓ hiÖn mèi t−¬ng quan ®ã qua d¹ng sau:
z0 = zm exp (-κc0/v* )
trong ®ã zm lµ ®é cao mµ trªn ®ã vËn tèc giã trung b×nh cã trÞ sè b»ng vËn tèc
pha cña sãng c0.
Trªn h×nh 1.2 cho ta ph©n bè kÕt qu¶ thùc nghiÖm quan tr¾c so s¸nh víi kÕt
qu¶ tÝnh theo c«ng thøc trªn.
H×nh 1.2. Phô thuéc gi÷a tham sè nh¸m z0 vµ ®é cao sãng kh«ng thø nguyªn, theo
Kitaigorotski [ 4]
ViÖc x¸c ®Þng gi¸ trÞ cña z0 vµ zm trªn mÆt biÓn th−êng rÊt phøc t¹p vµ khã
kh¨n, phô thuéc kh«ng chØ vµo vËn tèc truyÒn sãng c0 mµ cßn c¶ tuæi sãng. Trong
giai ®o¹n ph¸t triÓn ®Çu cña sãng c0/v* > 1 th× z0 = const, kh«ng cßn phô thuéc vµo
tr¹ng th¸i mÆt biÓn n÷a.
15
- Theo lý thuyÕt ph©n tÝch thø nguyªn th× tû sè gi÷a tham sè nh¸m z0 vµ kÝch
th−íc ®Æc tr−ng cña sãng hg : z0/hg cã thÓ ®−îc xem nh− mét hµm cña sè Reinolds
sãng Reg:
z0 = hg P0(Reg)
trong ®ã Reg = (hg.v*)/γ vµ hg= v*2/g.
Cã thÓ x¸c ®Þnh c¸c biÓu thøc tiÖm cËn cho hµm P0(Reg) theo c¸c gi¸ trÞ Reg tíi
h¹n kh¸c nhau.
Trong tr−êng hîp giã yÕu, gi¸ trÞ Reg sÏ rÊt nhá, mÆt kh¸c sãng träng lùc ch−a
ph¸t triÓn nªn vai trß cña gia tèc träng tr−êng g còng bÞ triÖt tiªu, v× vËy hµm P0 ph¶i
cã d¹ng Reg-1, hay:
z0 = m0 hg(Reg-1) = m0 (v*/g)(gγ/v*3) = m0 γ/v* = m0 hv
hv lµ ®é dµy ®Æc tr−ng cho líp ma s¸t ph©n tö- nã cã trÞ sè vµo kho¶ng mét vµi
milimÐt, hÖ sè kh«ng thø nguyªn m0 ®èi víi c¸c mÆt tr¶i cøng vµo kho¶ng 0,1.
Trong tr−êng hîp giã m¹nh, Reg cã gi¸ trÞ lín, ph©n bè vËn tèc giã trung b×nh
theo ®é cao sÏ kh«ng cßn phô thuéc vµo hÖ sè nhít ph©n tö γ n÷a vµ hµm P0 sÏ tiÕn
tíi mét trÞ sè kh«ng ®æi. BiÓu thøc tham sè nh¸m z0 sÏ cã d¹ng sau:
z0 = m1(v*2/g) =m1 hg
Gi¸ trÞ cña hÖ sè m1 ®èi víi mÆt tr¶i cøng vµo kho¶ng 0.03.
Nh÷ng c«ng thøc tiÖm cËn trªn ®©y trïng víi c¸c biÓu thøc thùc nghiÖm cña
Charnock, trong ®ã trÞ sè m1 lÊy b»ng 0,035.
Theo kÕt qu¶ xö lý c¸c sè liÖu thùc nghiÖm trªn biÓn, Kitaigorotxki ®· ®−a ra
c¸c ®−êng cong biÔu diÔn hµm P0 nh− sau:
⎡ 0,1/ Reg víi 0 < Reg
- mét ®é cao nhÊt ®Þnh t−¬ng øng hÖ sè Cu. Trong c¸c tÝnh to¸n chuÈn ho¸ ®é cao
nµy ®−îc chän b»ng 10 mÐt.
τ = ρCu v2
H×nh 1.3. HÖ sè ma s¸t mÆt biÓn theo c¸c sè liÖu quan tr¾c kh¸c nhau theo Bortkovxki
P. C vµ ctv. [ 1]
Trong trõ¬ng hîp khÝ quyÓn ph©n tÇng phiÕm ®Þnh, hÖ sè ma s¸t Cu0 cã thÓ dÏ
dµng rót ra tõ biÓu thøc ph©n bè vËn tèc:
Cu0 = (κ2)/[ln(z/z0)]2 =(v*/v)2
NÕu kÓ ®Õn sù ph©n tÇng, hÖ sè Cu sÏ cã d¹ng tæng qu¸t h¬n:
Cu = (v*/v10)2 ={κ2/[ln(z10/z0) + β (z10 - zm)/L]}2 =
= Cu0{1 + β (z10 - zm)/[Lln(z10/z0)] }-2=
= Cu0{1 - 2β [(z10)/L]ln(z10/z0)}
§èi víi ph©n tÇng kh«ng æn ®Þnh ( L < 0), trÞ sè Cu sÏ lín h¬n Cu0, vµ ng−îc
l¹i víi ph©n tÇng æn ®Þnh ( L > 0) th× Cu < Cu0.
17
- H×nh 1.4. T−¬ng quan gi÷a vËn tèc ®éng lùc tÝnh theo quan tr¾c gradient vµ gi¸ trÞ
quan tr¾c trùc tiÕp theo Kitaigorotxki [4].
Kh¸c víi tr−êng hîp trªn mÆt tr¶i cøng, trªn mÆt biÓn hÖ sè ma s¸t Cu phô
thuéc vµo tr¹ng th¸i giã vµ sãng.
§èi víi tr−êng hîp ph©n tÇng kh«ng ®¸ng kÓ, hÖ sè Cu0 ®−îc xem nh− mét
hµm cña vËn tèc giã v, nÕu sö dông vËn tèc giã trªn 10 mÐt (v10) c«ng thøc tÝnh cã
d¹ng:
Cu0 = 10-3(a + cv10)
trong ®ã c¸c hÖ sè a: 0,70 < a < 1,10, c: 0,04 < c < 0,12 víi thø nguyªn vËn
tèc giã [v] = (m/s). Tuy c«ng thøc trªn chØ ®óng cho tr−êng hîp ph©n tÇng yÕu, song
®iÒu kiÖn nµy th−êng rÊt phæ biÕn ®èi víi líp biªn khÝ quyÓn trªn biÓn nªn hay ®−îc
sö dông.
Trªn h×nh 1.3. cho ta sè liÖu quan tr¾c vµ tÝnh to¸n theo c¸c gi¶ thiÕt kh¸c nhau
vÒ sù phô thuéc hÖ sè ma s¸t vµo vËn tèc giã. H×nh 1.4 ®−a ra so s¸nh kÕt qu¶ tÝnh
to¸n vËn tèc ®éng lùc vµ sè liÖu thùc ®o. DÔ dµng thÊy tÝnh phøc t¹p cña sù phô
thuéc vËn tèc ®éng lùc vµo vËn tèc giã.
Trong tr−êng hîp nµy, ph©n bè vËn tèc tu©n theo quy luËt logarit:
18
- - trªn mÆt tr¶i cøng:
v2 = (v* /κ) ln(z/z0) ,
- trªn mÆt sãng:
v2 - c0 = (v* /κ) ln(z/zm) .
§èi víi tr−êng hîp ®èi l−u tù do hay ®iÒu kiÖn ph©n tÇng kh«ng æn ®Þnh m¹nh:
(z/L) < -0,05 ÷ -0,10, hÖ sè trao ®æi rèi sÏ biÕn ®æi theo quy luËt sè mò 4/3 vµ ph©n
bè th¼ng ®øng vËn tèc giã theo quy luËt -1/3. HÖ sè mas¸t Cu sÏ cã d¹ng:
Cu =κ2[ln(zk/z0) + β (zk/L) + C1(z10-1/3 - zk-1/3 )/L-1/3 ] -2
zk lµ ®é cao b¾t ®Çu cã ®èi l−u tù do: zk ~ -0,07 L.
Nh− vËy cïng mét trÞ sè vËn tèc giã, ®èi l−u lµm t¨ng dßng ®éng l−îng trao
®æi qua mÆt ph©n c¸ch khÝ quyÓn - biÓn do t¸c ®éng cña lùc ®Èy ashimede lµm t¨ng
c−êng qu¸ tr×nh trao ®æi th¼ng ®øng.
Trong ®iÒu kiÖn ph©n tÇng rÊt æn ®Þnh z/L > 0,04, hÖ sè rèi kh«ng cßn phô
thuéc vµo kho¶ng c¸ch, hÖ sè mas¸t Cu cã thÓ tÝnh theo c«ng thøc sau:
Cu =κ2[ln(zi/z0) + β (zi/L) + C1(z10 - zi )/LRfcr ] -2
trong ®ã Rfcr lµ gi¸ trÞ tíi h¹n cña sè Richardson ®éng lùc, zi lµ giíi h¹n d−íi
cña tÇng nghÞch nhiÖt, th«ng th−êng zi ~ 0,4L, β = 10.
Nh− vËy ph©n tÇng æn ®Þnh cña khÝ quyÓn lµm gi¶m dßng ®éng l−îng trao ®æi
gi÷a biÓn vµ khÝ quyÓn.
1.3. T−¬ng quan gi÷a hÖ sè truyÒn nhiÖt, khuyÕch t¸n vµ
mas¸t rèi trªn biÓn.
Sö dông nguyªn lý ®ång d¹ng vµ thø nguyªn, gradient c¸c gi¸ trÞ trung b×nh
cña vËn tèc giã, nhiÖt ®é thÕ vþ vµ ®é Èm cã thÓ biÓu diÔn qua d¹ng:
∂v v ∗ v
= ψ v (ξ ) = ∗ g v (ξ )
∂ z κz κL
∂θ T∗ T
= ψ θ (ξ ) = ∗ gθ (ξ ) (1.9)
∂ z κz κL
∂q q ∗ q
= ψ q (ξ ) = ∗ g q (ξ ) ,
∂z κz κL
19
- trong ®ã:
R
Α*
⎛P ⎞ Cp
ξ=z/L; Ψ(ξ) = ξg(ξ) ; θ = T ⎜ 0 ⎟
⎝ P⎠
A*=2,39 10-8 cal/erg - ®−¬ng l−îng c«ng.
Sau khi tÝch ph©n (1.9) chóng ta thu ®−îc c¸c c«ng thøc sau:
u* ⎡ z 2 z1 ⎤
u( z 2 ) − u( z1 ) = ⎢ f u ( L ) − f u ( L )⎥
κ⎣ ⎦
θ* ⎡ z1 ⎤
z2
θ ( z 2 ) − θ ( z1 ) = ⎢ fθ ( L ) − fθ ( L )⎥ (1.10)
κ ⎣ ⎦
q* ⎡ z1 ⎤
z2
q ( z 2 ) − q ( z1 ) = ⎢ f q ( L ) − f q ( L )⎥
κ⎣ ⎦
C¸c th«ng l−îng øng suÊt (®éng l−îng) τ = ρ u' w' , nhiÖt Η = ρC p T ' w' vµ Èm
Ε = ρ q' w' cã thÓ tÝnh to¸n ®−îc khi biÕt c¸c gi¸ trÞ gradient vËn tèc, nhiÖt ®é vµ ®é
Èm vµ sö dông gi¶ thiÕt vÒ hÖ sè trao ®æi rèi ®éng l−îng Kv, nhiÖt l−îng Kh vµ Èm
Kq :
∂u
τ = ρKv
∂z
∂θ
Η = ρCpKh (1.11)
∂z
∂q
Ε = ρK D
∂z
Trªn c¬ së c¸c c«ng thøc (1.9) vµ (1.11) ta cã:
κu* L
Kv =
gu(ξ )
κu* L
KΗ = (1.12)
gθ (ξ )
κu* L
KD =
g q (ξ )
Th«ng th−êng ng−êi ta sö dông c¸c gi¸ trÞ nghÞch ®¶o sè Prandtl vµ sè Shmidt
αH vµ αD trong d¹ng sau:
20
nguon tai.lieu . vn
