Hệ quả tương tác biển và khí quyển

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 ho¸ líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn. Trong líp biªn trªn cïng cña biÓn, nh÷ng biÕn ®éng cña c¸c ®Æc tr−ng thuû nhiÖt ®éng lùc vµ m«i tr−êng biÓn chØ cã ý nghÜa ®¸ng kÓ trong líp ho¹t ®éng trªn. T¹i c¸c ®é s©u lín h¬n giíi h¹n cña líp ho¹t ®éng, biªn ®é dao ®éng mïa cña c¸c ®Æc tr−ng n−íc biÓn nh− ®é muèi, nhiÖt ®é, v.v.. nhá h¬n nhiÒu so víi trªn mÆt biÓn. Cã thÓ lÊy tû lÖ tíi h¹n gi÷a biªn ®é t¹i hai líp trªn lµ 10% lµm chØ tiªu x¸c ®Þnh ®é s©u líp ho¹t ®éng H. §èi víi c¸c vïng biÓn kh«ng cã ®èi l−u th¼ng ®øng cña mËt ®é th× ®é s©u cña líp ho¹t ®éng H vµ líp mas¸t Ecman D hÇu nh− trïng nhau. CÊu tróc th¼ng ®øng cña líp ho¹t ®éng còng bao gåm hai líp nhá h¬n lµ líp tùa ®ång nhÊt (T§N) trªn vµ líp nªm nhiÖt (TN - thermocline) mïa. §é dµy cña líp tùa ®ång nhÊt trªn (h) còng cã sù biÕn ®éng lín do t¸c ®éng trùc tiÕp cña c¸c qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c nhiÖt - ®éng lùc biÓn - khÝ quyÓn. §Ó m« pháng vµ nghiªn cøu c¸c quy luËt biÕn ®éng cña líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn, th«ng th−êng ph¶i sö dông hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh thuû nhiÖt ®éng lùc häc líp biªn bao gåm c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng, c©n b»ng nhiÖt l−îng, c©n b»ng muèi- n−íc ngät vµ c©n b»ng n¨ng l−îng. §Ó tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn lªn líp ho¹t ®éng, ph−¬ng ph¸p tèt nhÊt lµ gi¶i ®ång thêi hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh m« t¶ c¸c qu¸ tr×nh trªn cho c¶ hai líp biªn cña biÓn vµ khÝ quyÓn. Tuy nhiªn viÖc gi¶i ®ång thêi nµy rÊt phøc t¹p, v× vËy c¸c ®Æc tr−ng khÝ quyÓn, bao gåm c¸c th«ng l−îng qua mÆt ph©n c¸ch n−íc - kh«ng khÝ , ®−îc tÝnh ®Õn nh− c¸c ®iÒu kiÖn biªn trong bµi to¸n líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn. §èi víi bµi to¸n líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn, còng tån t¹i hai h−íng gi¶i kh¸c nhau: gi¶i trùc tiÕp hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh vi ph©n - ®¹o hµm riªng vµ ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n c¸c ph−¬ng tr×nh ®ã theo ®é s©u cho líp tùa ®ång nhÊt vµ líp nªm nhiÖt. D−íi ®©y tr×nh bµy c¬ së ph−¬ng ph¸p tÝch ph©n trong nghiªn cøu líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn. Tr−íc hÕt, lÊy tÝch ph©n c¸c ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt vµ khuyÕch t¸n ®é muèi tõ mÆt biÓn ®Õn hÕt líp tùa ®ång nhÊt trªn h, ta cã: h T t U T x V T y F Cp F Cp Kl T hT T h ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ρ 0 0 0 0 2 0+ + = − + ∇ 29 h S t U S x V S y F F Kl S hS S h ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ρ 0 0 0 0 2 0+ + = − + ∇ (2.1) trong ®ã T0 vµ S0 lµ nhiÖt ®é vµ ®é muèi cña líp tùa ®ång nhÊt trªn cã gi¸ trÞ kh«ng biÕn ®æi theo ®é s©u tõ mÆt biÓn (0 m) ®Õn ®é s©u h; FT0, FS0, FTh, FSh lµ c¸c th«ng l−îng nhiÖt vµ muèi qua mÆt biÓn vµ t¹i mÆt ph©n c¸ch gi÷a líp tùa ®ång nhÊt vµ líp nªm nhiÖt, U vµ V c¸c thµnh phÇn cña hµm dßng toµn phÇn. C¸c gi¸ trÞ U vµ V ®−îc tÝnh tõ c¸c thµnh phÇn vËn tèc t−¬ng øng u vµ v: U = 0 h ∫ udz , V = 0 h ∫ vdz . C¸c th«ng l−îng FT0 vµ FS0 dÔ dµng tÝnh to¸n ®−îc theo c¸c ®iÒu kiÖn t−¬ng t¸c biÓn - khÝ quyÓn trªn mÆt biÓn nh− ®· tr×nh bµy ë phÇn tr−íc, chóng bao gåm c¸c thµnh phÇn chñ yÕu sau ®©y: FT0 = Bo + F + LE FS0 = S0(E - P), trong ®ã Bo lµ bøc x¹ mÆt trêi tæng céng, F - th«ng l−îng nhiÖt hiÖn rèi, E - th«ng l−îng Èm rèi, LE ( L - nhiÖt ho¸ h¬i) - th«ng l−îng nhiÖt Èn rèi, P - l−îng n−íc ngät (m−a), S0 - ®é muèi trªn mÆt biÓn. §Ó x¸c ®Þnh c¸c th«ng l−îng qua mÆt ph©n c¸ch gi÷a líp tùa ®ång nhÊt vµ líp nªm nhiÖt: FTh vµ FSh ng−êi ta th−êng sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p tham sè ho¸ kh¸c nhau, trong ®ã ph−¬ng ph¸p sö dông ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt vµ khuyÕch t¸n trong líp nªm nhiÖt lµ hîp lý h¬n c¶. Cã thÓ tÝch ph©n hai ph−¬ng tr×nh nµy tõ ®é s©u h ®Õn hÕt líp nªm nhiÖt H, kÕt qu¶ cho thÊy: ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ρ t Tdz T h t u T x dz v T y dz w T z dz F Cp F Cp Kl Tdz h H h H h H h H Th TH h H + + + + = = − + ∇ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ 0 2 ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ρ t Sdz S h t u S x dz v S y dz w S z dz F F Kl Sdz h H h H h H h H Sh SH h H + + + + = = − + ∇ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫ 0 2 (2.2) Trong hai ph−¬ng tr×nh nµy, c¸c thµnh phÇn FTH vµ FSH cã thÓ bá qua v× th«ng l−îng nhiÖt vµ muèi qua biªn d−íi cña líp ho¹t ®éng th−êng kh«ng ®¸ng kÓ. Tuú 30 theo møc ®é gÇn ®óng ®ßi hái, trong mét sè lêi gi¶i cho tõng khu vùc biÓn nhÊt ®Þnh cã thÓ bá qua thµnh phÇn b×nh l−u, ®èi l−u còng nh− trao ®æi rèi ngang. Nh− vËy, c¸c th«ng l−îng FTh vµ FSh phô thuéc chñ yÕu vµo quy luËt ph©n bè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é vµ ®é muèi, hay c¸c tÝch ph©n Tdz h H ∫ vµ Sdz h H ∫ . Ph©n bè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é vµ ®é muèi trong líp nªm nhiÖt th−êng tu©n theo quy luËt ph©n bè v¹n n¨ng: θ η= f T ( ) vµ ℘= f S ( )η , trong ®ã: θ = −− T T T TH 0 0 , ℘= −− S S S SH 0 0 vµ η = −− h z h H - c¸c ®Æc tr−ng kh«ng thø nguyªn cña nhiÖt ®é, ®é muèi vµ ®é s©u kh«ng thø nguyªn cã trÞ sè t−¬ng øng b»ng 0 t¹i biªn trªn líp nªm nhiÖt (z=h) vµ 1 t¹i biªn d−íi z = H. Víi gi¶ thiÕt nµy c¸c tÝch ph©n nhiÖt ®é vµ ®é muèi trong líp nªm nhiÖt cã thÓ viÕt: Tdz h H ∫ = (H-h)[αTTH + (1 - αT)T0] Sdz h H ∫ = (H-h)[αSSH + (1 - αS)S0] trong ®ã αT = θ η 0 1 ∫ d vµ αS = ℘∫ 0 1 dη . C¸c gi¸ trÞ αT vµ αS phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn cô thÓ cña tõng vïng biÓn, th«ng th−êng αT = αS = 0,6 - 0,8. Nh− vËy c¸c th«ng l−îng nhiÖt vµ muèi trao ®æi gi÷a líp tùa ®ång nhÊt vµ líp nªm nhiÖt cã thÓ tÝnh theo c¸c biÓu thøc sau: F Cp T h t h T t Th T Tρ α δ ∂ ∂ δα δ ∂ ∂= + 0 F S h t h S t Sh S Sρ α δ ∂ ∂ δα δ ∂ ∂= + 0 31 víi δT = T0 -TH, δS= S0 -SH, δh= H -h , δαi = 1 - αi ( i = T,S). Sau khi tiÕn hµnh thÕ c¸c biÓu thøc võa thu ®−îc vµo hÖ ph−¬ng tr×nh (2.1) ta thu ®−îc hai ph−¬ng tr×nh biÕn ®æi nhiÖt ®é, ®é muèi cña líp tùa ®ång nhÊt trªn trong d¹ng sau: ∂ ∂ α δ δα δ ∂ ∂ δα δ T t T h h T t A h h T T T T 0 0 0 0+ + + + = (2.3) ∂ ∂ α δ δα δ ∂ ∂ δα δ S t S h h S t A h h S S S S 0 0 0 0+ + + + = (2.4) víi AT0 = −F Cp T0 ρ , AS0 = −FS0 ρ trong ®iÒu kiÖn c¸c dßng b×nh l−u vµ ®èi l−u kh«ng ®¸ng kÓ. §Ó khÐp kÝn hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh trªn cÇn bæ sung ph−¬ng tr×nh ®èi víi ®é s©u líp tùa ®ång nhÊt trªn trªn h. Trong sè nh÷ng ph−¬ng ph¸p th«ng dông, viÖc sö dông ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng rèi ®èi víi mÆt ph©n c¸ch gi÷a líp tùa ®ång nhÊt vµ líp nªm nhiÖt ®−îc xem lµ hîp lý nhÊt. T¹i mÆt ph©n c¸ch nµy, trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi vÞ trÝ (h), biÕn ®æi n¨ng l−îng rèi phô thuéc chñ yÕu vµo t−¬ng quan gi÷a nguån n¨ng l−îng do lùc ®Èy Acshimede vµ dßng n¨ng l−îng khuyÕch t¸n tõ mÆt biÓn: C e h h t g M C e hh1 2 3 2∂ ∂ ρ= + / (2.5) C1, C2 lµ c¸c hÖ sè thùc nghiÖm, Mh lµ dßng khèi l−îng: Mh = ε ρ ε ρ S Sh T Th F F− Cp . N¨ng l−îng rèi e phô thuéc vµo c−êng ®é trao ®æi n¨ng l−îng c¬ häc vµ nhiÖt- chÊt th«ng qua mÆt biÓn. §èi víi tr−êng hîp x¸o trén ®éng lùc ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh e sÏ phô thuéc vµo dßng ®éng l−îng τ: e ~ τ/ρ ~ u*2 . Khi x¸o trén ®èi l−u ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh, e sÏ phô thuéc vµo dßng khèi l−îng trao ®æi qua mÆt biÓn M0, quyÕt ®Þnh cho lùc ®Èy Acshimed, cho r»ng th«ng l−îng nµy lan truyÒn nhanh trong toµn líp tùa ®ång nhÊt trªn h: 32 e ~ g hMρ 0 2 3⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ / §èi víi ®iÒu kiÖn th«ng th−êng, ¶nh h−ëng cña c¶ hai qu¸ tr×nh nªu trªn cã gi¸ trÞ t−¬ng ®−¬ng nhau, th× biÓu thøc ®èi víi n¨ng l−îng rèi e cã thÓ viÕt trong d¹ng sau: e = C3u*2 + C4 g hMρ 0 2 3⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ / , (2.6) Th«ng l−îng M0 ®−îc tÝnh theo c¸c th«ng l−îng thµnh phÇn: M0 = ε ρ ε ρ S S0 T T0 F F− Cp . Nh− vËy kÕt qu¶ gi¶i hÖ c¸c ph−¬ng tr×nh (2.3 - 2.5) cho ta c¸c ®Æc tr−ng biÕn ®éng cña nhiÖt ®é, ®é muèi vµ ®é dµy líp tùa ®ång nhÊt trªn cña biÓn phô thuéc hoµn toµn vµo c¸c ®Æc tr−ng t−¬ng t¸c biÓn - khÝ quyÓn. §èi víi líp nªm nhiÖt, c¸c ®Æc tr−ng nhiÖt muèi cã thÓ tÝnh to¸n ®−îc theo c¸c gi¸ trÞ trong líp tùa ®ång nhÊt trªn vµ quy luËt ph©n bè v¹n n¨ng cïng c¸c gi¸ trÞ trªn mÆt ph©n c¸ch líp ho¹t ®éng vµ líp nªm nhiÖt chÝnh æn ®Þnh n»m d−íi ®ã. 2.2. T−¬ng t¸c ®éng lùc c¸c líp biªn. 2.2.1. T−¬ng t¸c ®éng lùc c¸c líp biªn khi hÖ sè rèi kh«ng ®æi. HÖ c¸c ph−¬ng tr×nh líp biªn khÝ quyÓn (®¹i d−¬ng) cã thÓ viÕt qua d¹ng: ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂z Kv v z fu p y − = 1 ∂ ∂ ∂ ∂ ρ ∂ ∂z Kv u z fv p x + = 1 (2.7) Ngoµi giíi h¹n líp biªn, vËn tèc dßng khÝ vµ dßng ch¶y tu©n theo quy luËt ®Þa chuyÓn, víi c¸c thµnh phÇn sau: Vg f p x = 1ρ ∂ ∂ , Ug f p y = − 1ρ ∂ ∂ , khi z →∝, u = Ug, v = Vg. 33 Trªn mÆt biÓn, ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn, cã thÓ cho r»ng vËn tèc giã trªn mÆt biÓn b»ng vËn tèc dßng ch¶y tr«i: u=u0, v=v0 , khi z = 0. NghiÖm cña hÖ ph−¬ng tr×nh (2.7) sÏ cã d¹ng: ( ) ( ) Ug D zVgv D zUgu h zu +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −+−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= sincosexp 00 ( ) ( ) Vg D zUgu D zVgv h zv +⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛−= sincosexp 00 (2.8) trong ®ã D lµ kÝch th−íc ®é dµy líp ma s¸t Ecman, cã thÓ tÝnh nh− sau: D = 2k f/ , víi k lµ hÖ sè ma s¸t. §é cao giíi h¹n trªn cïng cña líp biªn ®−îc lÊy theo ®iÒu kiÖn ®¹o hµm vËn tèc giã t¹i ®©y kh«ng ®¸ng kÓ: d dt u v z H 2 2 1 0+ == .. Theo ®iÒu kiÖn nµy th× H1= 2,3h1, h1 lµ ®é cao líp Ecman trong khÝ quyÓn. §èi víi biÓn cã thÓ lÊy b»ng H2= πD2, trong ®ã D2 lµ ®é s©u líp Ecman trong biÓn. H×nh 2.1. S¬ ®å biÕn thiªn vËn tèc giã vµ dßng ch¶y tr«i trong c¸c líp biªn khÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng (kh«ng tu©n thñ theo tû lÖ kÝch th−íc) [2]: 1- giã ®Þa chuyÓn; 2- giã trong líp biªn s¸t mÆt n−íc; 3- dßng ch¶y tr«i tÇng mÆt; z1i - ®é cao trong líp biªn khÝ quyÓn; z2i - ®é s©u trong líp biªn ®¹i d−¬ng. 34 S¬ ®å ph©n bè vËn tèc dßng ch¶y vµ giã trong líp biªn thÓ hiÖn trªn h×nh 2.1 trong ®ã c¸c c¸c ®¹i l−îng z11,z21...t−¬ng øng ®é cao trong khÝ quyÓn (1) vµ ®é s©u trong biÓn (2). H−íng cña dßng ch¶y tr«i trïng víi h−íng cña dßng ®Þa chuyÓn v× giã s¸t mÆt ®Êt lÖch vÒ bªn tr¸i giã ®Þa chuyÓn mét gãc π/4, cßn dßng ch¶y mÆt l¹i lÖch vÒ bªn ph¶i so víi h−íng giã còng mét gãc π/4. Th«ng th−êng hÖ sè giã ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: 0 2 0 2 2 2 22 610u v U Vg g + + −~ , . Khi tÝnh ®Õn hiÖu øng cña tµ ¸p (barocline), cã thÓ biÕn ®æi c¸c c«ng thøc trªn nh− sau: Do p = ρ1RTv, nªn Ug T R f p yv = − ∂∂ ln , V T R f p x g v = ∂∂ ln , mÆt kh¸c tõ ph−¬ng tr×nh tÜnh häc, ta cã: p = - ρ1gz nªn ∂ ∂ ln p z g RTv = , cuèi cïng: ∂ ∂ ∂ ∂z Ug T g f y Tv v ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ = ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1 , vµ ∂ ∂ ∂ ∂z Vg T g f x Tv v ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ = − ⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1 . Sau khi tÝch ph©n c¸c ph−¬ng tr×nh trªn ta thu ®−îc kÕt qu¶ sau: ( )Ug Ug T T z gT f T T y dzv v v vz z v= − ∫ 1 2 1 1 ∂ ∂ ( )Vg Vg T T z gT f T T y dzv v v vz z v= + ∫ 1 2 1 1 ∂ ∂ , (2.9) trong ®ã Ug vµ Vg lµ h×nh chiÕu cña giã ®Þa chuyÓn lªn mÆt ph¼ng x0y t¹i ®é cao z1. 35 Trªn h×nh vÏ 2.2 thÓ hiÖn c¸c ®−êng cong ph©n bè : Ug Ug nz= + vµ Vg Vg mz= + cho c¸c tr−êng hîp kh¸c nhau cña ph©n bè nhiÖt ®é ∂∂ T x . H×nh 2.2. ¶nh h−ëng cña gradient nhiÖt ngang lªn ®−êng ®Çu tèc giã trong líp biªn khÝ quyÓn [1]. 1: ∂ ∂ ∂ ∂ T x T y = = 0 , 2: ∂∂ ∂ ∂ T x T y = > 0 , 3: ∂∂ ∂ ∂ T x T y = < 0 , 4: ∂∂ ∂ ∂ T x T y > <0 0, vµ 5: ∂ ∂ ∂ ∂ T x T y 0 0, . 2.2.2. T−¬ng t¸c ®éng lùc c¸c líp biªn khi hÖ sè rèi biÕn ®æi. Trong ®iÒu kiÖn hÖ sè rèi biÕn ®æi theo ®é cao vµ ®é s©u ta tiÕn hµnh xem xÐt tr−êng hîp tæng qu¸t sau ®©y, cho r»ng hÖ sè rèi tû lÖ víi kÝch th−íc rèi vµ n¨ng l−îng rèi: Kv = l ε t , trong ®ã ε t n¨ng l−îng rèi vµ l - kÝch th−íc rèi. Nh− vËy, h−íng giã vµ vËn tèc giã thu ®−îc sÏ phô thuéc vµo sè Rossby R0 : R0 = g gU V fz 2 2 0 + vµ tham sè ph©n tÇng S : 36 S = βδθ f g gU V2 2+ . (2.10) H×nh 2.3. Phô thuéc gãc gi÷a c¸c h−íng giã mÆt ®Êt vµ ®Þa chuyÓn vµo sè Ro theo Orlenco [1]: 1,2,3,4 - sè liÖu c¸c t¸c gi¶ kh¸c nhau; 5 - sè liÖu thùc nghiÖm trªn ®Êt liÒn; 6 - trªn mÆt biÓn; c¸c sè - vËn tèc giã ®Þa chuyÓn, m/s Quy luËt biÕn ®æi cña giã ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2.3 , phô thuéc vµo sè Rossby (Ro). Cã thÓ ®−a ra nh÷ng ®Æc ®iÓm kh¸i qu¸t cña sù biÕn ®æi ®ã nh− sau: - Khi vËn tèc giã t¨ng vµ ®é nh¸m z0 gi¶m, gãc α gi÷a h−íng giã ®Þa chuyÓn vµ giã mÆt ®Êt gi¶m nh−ng vÉn lín h¬n 45°. - Trªn biÓn, sù phô thuéc h−íng giã vµo vËn tèc giã m¹nh h¬n, nÕu trªn ®Êt liÒn giã t¨ng th× gãc α gi¶m, trªn biÓn giã t¨ng th× α l¹i t¨ng, cã lÏ v× khi vËn tèc giã t¨ng th× ®é nh¸m bÒ mÆt z0 còng t¨ng theo. T¹i líp d−íi cña khÝ quyÓn, hÖ sè rèi Kν t¨ng lªn khi ®é cao t¨ng do kÝch th−íc rèi l t¨ng, nh−ng b¾t ®Çu tõ mét ®é cao nµo ®Êy Kν gi¶m do gradient vËn tèc giã hay sù ph©n líp cña vËn tèc gi¶m. ( Ta ®· biÕt n¨ng l−îng rèi phô thuéc vµo sù ph©n líp cña vËn tèc giã). 37 §é cao n¬i cã gi¸ trÞ cùc ®¹i cña hÖ sè rèi Kν phô thuéc vµo vËn tèc giã , vµo ®é æn ®Þnh cña khÝ quyÓn vµ vµo ®é nh¸m cña mÆt tr¶i theo quy luËt: - giã t¨ng th× ®é cao nµy t¨ng, - ®é æn ®Þnh t¨ng th× ®é cao nµy gi¶m, - z0 t¨ng th× ®é cao t¨ng. 2.3. Sãng giã lµ kÕt qu¶ t−¬ng t¸c biÓn - khÝ quyÓn 2.3.1. Sù ph¸t sinh vµ ph¸t triÓn cña sãng giã trªn mÆt biÓn. Trªn mÆt biÓn, do c¸c nhiÔu ®éng cña ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ giã h×nh thµnh c¸c dao ®éng cña mÆt n−íc ®−îc gäi lµ sãng trªn mÆt biÓn. Sãng trªn mÆt biÓn (sãng mÆt) cã chu kú nhá h¬n 10 -15 gi©y vµ b−íc sãng tõ vµi chôc ®Õn vµi tr¨m mÐt lµ sãng giã ®−îc h×nh thµnh do t¸c ®éng trùc tiÕp vµ t¹i chç cña giã. Sãng giã h×nh thµnh ë khu vùc kh¸c vµ lan truyÒn ®Õn vïng biÓn quan tr¾c ®−îc gäi lµ sãng lõng. Sãng cã chu kú lín h¬n cã thÓ lµ sãng ®Þa chÊn, sãng triÒu, v.v.. ®−îc gäi chung lµ sãng dµi do cã b−íc sãng lín. Sãng giã th«ng th−êng lan truyÒn theo h−íng giã thæi. Nguyªn nh©n chñ yÕu h×nh thµnh lo¹i sãng nµy lµ do t¸c ®éng cña øng suÊt trªn mÆt biÓn. Nh÷ng øng suÊt nµy bao gåm øng suÊt ph¸p tuyÕn hay ¸p suÊt theo h−íng vu«ng gãc mÆt n−íc vµ øng suÊt tiÕp tuyÕn liªn quan tíi lùc kÐo trªn mÆt n−íc. Trong tr−êng hîp giã thæi nhanh h¬n sãng, Jeffreys ®· ®−a ra c¸c chØ tiªu ph¸t triÓn cña sãng giã nh− sau: sρ'(U-c)2c > 4µg (2.11 ) U - vËn tèc giã, c - vËn tèc sãng, th«ng th−êng vËn tèc giã lín h¬n vËn tèc sãng, µ - hÖ sè nhít ®éng häc, ρ'= (ρa/ρw), s - hÖ sè trë kh¸ng d¹ng sãng, vÕ tr¸i cña (2.11) ®¹t gi¸ trÞ cùc ®¹i khi U = 3c. VËn tèc giã nhá nhÊt cã kh¶ n¨ng lµm ph¸t sinh sãng cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: Umin = 3 µ ρ g s ' /⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ 1 3 . Víi µ = 1,8 10-6 m2s-1, g= 9,81 m .s-2, ρ'= 1,29 10-3 kg.m3, ta cã Umin = 0,73 s1/3 m/s, nÕu s =0,27 th× Umin = 1,1 m/s. 38 ChØ tiªu ph¸t triÓn chung cña sãng ®−îc tÝnh trªn c¬ së cho r»ng tæng c¸c dßng n¨ng l−îng do øng suÊt ph¸p tuyÕn vµ tiÕp tuyÕn lín h¬n t¶n m¸t n¨ng l−îng do nhít ph©n tö: 2Cu ρ' U2c+sρ'(U-c)2c > 4µg (2.12) Nh− vËy, sãng vÉn cã thÓ ph¸t triÓn ngay khi vËn tèc sãng lín h¬n vËn tèc giã. Bªn c¹nh lý thuyÕt øng suÊt ph¸t triÓn sãng ng−êi ta cßn ®−a ra c¸c lý thuyÕt kh¸c nh− céng h−ëng trong líp biªn s¸t mÆt. 2.3.2. Dù b¸o sãng giã trªn mÆt biÓn. Do ®é cao vµ tÇn sè sãng trªn mÆt biÓn mang tÝnh ngÉu nhiªn, nªn ®Ó tÝnh to¸n vµ dù b¸o chóng cÇn thiÕt sö dông c«ng cô ph©n tÝch thèng kª, c¸c gi¸ trÞ cÇn tÝnh bao gåm c¸c ®Æc tr−ng sãng c¬ b¶n vµ phæ sãng. C¸c ®Æc tr−ng thèng kª c¬ b¶n cña sãng gåm cã ®é cao sãng c¬ b¶n, ®é cao trung b×nh vµ tÇn sè sãng t−¬ng øng. §é cao sãng c¬ b¶n (hay sãng ®Æc tr−ng Hs lµ ®é cao trung b×nh cña 1/3 sè ®é cao sãng lín nhÊt. §é cao sãng trung b×nh H th−êng lín h¬n ®é cao sãng ®Æc tr−ng, vµ mèi liªn hÖ gi÷a chóng nh− sau: Hs = 1,7 H §é cao sãng phô thuéc c¬ b¶n vµo vËn tèc giã V vµ ®µ sãng X, tÇn sè cña sãng còng phô thuéc vµo hai ®Æc tr−ng ®ã. C¸c h×nh 2.4a,b cho ta c¸c to¸n ®å tÝnh ®é cao vµ chu kú sãng phô thuéc vµo vËn tèc giã vµ ®µ sãng. H×nh 2.4. Phô thuéc ®é cao sãng (Hmax(10m), a) vµ tÇn sè sãng (TS, b) vµo vËn tèc giã, thêi gian giã t¸c ®éng vµ ®µ sãng, 1 - chu kú sãng chÝnh, 2- thêi gian t¸c ®éng cña sãng, vËn tèc : h¶i lý/ giê; ®µ sãng : h¶i lý. Trªn c¬ së tÝnh to¸n n¨ng l−îng cña sãng , cã thÓ x©y dùng mèi t−¬ng quan gi÷a ®é cao, chu kú sãng vµ n¨ng l−îng cña nã: 39 Hs = k Ε , k = 2,83. E = ( )[ ]A dω ω 0 2∞ ∫ , trong ®ã ω =(2π/T) tÇn sè sãng. Biªn ®é sãng A ®−îc xem b»ng hai lÇn ®é cao sãng. B»ng c¸ch gi¶i ph−¬ng tr×nh c©n b»ng n¨ng l−îng sãng ng−êi ta thiÕt lËp c¸c m« h×nh dù b¸o sãng cho vïng n−íc s©u vµ kÕt hîp tÝnh to¸n khóc x¹, ph¶n x¹ sãng tÝnh to¸n sãng vïng ven bê vµ n−íc n«ng. 2.3.3. Sãng ®æ. Theo Stokes th× sãng b¾t ®Çu ®æ khi gãc ®Ønh sãng α (h×nh 2.5) nhá h¬n 120°, hay t−¬ng øng ®é nhän (hay ®é uèn) cña sãng lín h¬n hoÆc b»ng 1/7 ( H/λ ≥ 1/7). Ph©n tÝch c«ng thøc tÝnh to¸n vËn tèc truyÒn sãng theo ®é s©u vµ c¸c ®Æc tr−ng kh¸c cña sãng cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc hiÖn t−îng sãng ®æ. H×nh 2.5. D¹ng sãng troxoide, α - gãc ®Ønh sãng. Tõ c«ng thøc tÝnh vËn tèc truyÒn sãng c: c2 = λ π π λ sDthg 2 2 , víi Ds lµ ®é s©u, khi Ds << λ th× c2 → gD s Nh− vËy, vËn tèc sãng khi n−íc n«ng chØ phô thuéc vµo ®é s©u vµ khi sãng ®i vµo vïng n−íc n«ng vËn tèc c sÏ gi¶m. Mçi khi vËn tèc c gi¶m th× b−íc sãng λ còng 40 gi¶m theo v× theo c«ng thøc tÝnh b−íc sãng λ = cT vµ nh− vËy H/λ còng t¨ng lªn dÉn tíi viÖc sãng bÞ ®æ. T¹i c¸c khu vùc ngoµi kh¬i, sãng bÞ ®æ do nguyªn nh©n ®Ønh sãng dÞch chuyÓn nhanh h¬n vµ v−ît ®¸y sãng. 2.3.4. ¶nh h−ëng cña ph©n tÇng khÝ quyÓn lªn ph¸t triÓn sãng. T¸c ®éng cña ph©n tÇng khÝ quyÓn lªn ph¸t triÓn sãng chñ yÕu th«ng qua biÕn ®æi vËn tèc giã trªn biÓn trong líp khÝ quyÓn s¸t mÆt. Trªn b¶ng 2.1. ®−a ra tû lÖ gi÷a vËn tèc giã t¹i ®é cao 10 mÐt vµ t¹i c¸c tÇng kh¸c nhau phô thuéc vµo ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é n−íc - kh«ng khÝ. XÐt tr−êng hîp vËn tèc giã t¹i ®é cao 2 m: khi ®é ph©n tÇng æn ®Þnh sÏ cã gi¸ trÞ lín h¬n khi ®é ph©n tÇng kh«ng æn ®Þnh tíi h¬n 30% so víi cïng mét gi¸ trÞ vËn tèc trªn 10 mÐt. Trong c¸c tÝnh to¸n sãng, ng−êi ta th−êng chØ sö dông vËn tèc giã trªn 10 m, ®iÒu ®ã lµm xuÊt hiÖn mét sai sè ®¸ng kÓ so víi tÝnh to¸n theo vËn tèc giã t¸c ®éng thùc lªn mÆt biÓn. §Ó tÝnh ®Õn ¶nh h−ëng nµy, ng−êi ta ®· ®−a ra c¸c møc hiÖu chØnh sãng theo chªnh lÖch nhiÖt ®é n−íc - kh«ng khÝ. B¶ng 2.1. Phô thuéc gi÷a vËn tèc giã t¹i c¸c ®é cao vµ ®é æn ®Þnh cña khÝ quyÓn Tr¹ng th¸i ∆T TÇng ®o (m) khÝ quyÓn °C 1 2 4 6 8 10 20 30 æn ®Þnh ¤.®. yÕu PhiÕm ®Þnh vµ kh«ng «.®. <-0,5 -0,5< <-0,1 >=0 1,62 1,30 1,21 1,43 1,21 1,13 1,22 1,11 1,08 1,10 1,05 1,04 1,04 1,02 1,01 1,0 1,0 1,0 0,89 0,94 0,95 0,81 0,89 0,93 2.4. Dßng ch¶y trªn biÓn 2.4.1. Nguån gèc cña dßng ch¶y tr«i (giã) 41 Dßng ch¶y tr«i h×nh thµnh do t¸c ®éng cña giã trªn mÆt biÓn th«ng qua qu¸ tr×nh truyÒn n¨ng l−îng giã cho n−íc biÓn d−íi c¸c h×nh thøc sau: - N¨ng l−îng vµ øng suÊt cña sãng trªn mÆt biÓn t¹o nªn dßng ch¶y. Tõ sãng ng¾n chuyÓn sang sãng dµi, chuyÓn ®éng ngang ®−îc lÊy tõ thµnh phÇn cña vËn tèc quü ®¹o (h×nh 2.6). - Nguyªn nh©n chÝnh cña dßng ch¶y lµ do øng suÊt tiÕp tuyÕn: τ = ρCuv2 H×nh 2.6. Quü ®¹o liªn tôc cña c¸c h¹t n−íc trong sãng träng tr−êng trªn mÆt biÓn. 2.4.2. Lý thuyÕt Ecman cña dßng ch¶y giã Ecman cho r»ng ma s¸t cña giã trªn mÆt biÓn lµ lùc duy nhÊt t¹o nªn dßng ch¶y vµ ma s¸t gi÷a c¸c líp n−íc lµ nguyªn nh©n chÝnh dÉn ®Õn viÖc c¸c líp n−íc d−íi chuyÓn ®éng theo. Tõ ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng rèi gi¶ thiÕt gi¶i cho tr−êng hîp biÓn ®ång nhÊt s©u v« h¹n vµ kh«ng giíi h¹n theo ph−¬ng n»m ngang, giã vµ øng suÊt giã æn ®Þnh hoµn toµn. Chän trôc y theo h−íng øng suÊt giã. Tõ hÖ ph−¬ng tr×nh : x PVf z UKv z y PUf z VKv z ∂ ∂ ρ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ρ∂ ∂ ∂ ∂ 1. 1. =+ =− (2.13) 42 Ta cã lêi gi¶i : )45sin()exp(. )45cos()exp(. 0 0 ff ff D z D zUoV D z D zUoU ππ ππ −−= −−= (2.14) trong ®ã Uo tèc ®é dßng ch¶y trªn mÆt. Cã thÓ x¸c ®Þnh Uo theo øng suÊt giã : ϕρ τ sin...2 Ω= KvU vo Df : ®é s©u mµ tõ ®ã ¶nh h−ëng cña dßng ch¶y mÆt ®−îc xem nh− kh«ng ®¸ng kÓ, ®¹i l−îng nµy cã thÓ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: D K f v2 2 = π ϕΩ.sin H×nh 2.7. BiÕn thiªn dßng ch¶y tr«i theo ®é s©u. T¹i ®é s©u z = Df : 23. o o UeUU ≈= −π 43 Df ®−îc gäi lµ ®é s©u ma s¸t. Dßng ch¶y thu ®−îc trªn mÆt biÓn huíng mét gãc 45o so víi h−íng giã vµ quay vÒ bªn ph¶i theo sù gia t¨ng cña ®é s©u t¹o nªn ®−êng xo¾n èc Ecman cña c¸c vÞ trÝ ®Çu tèc (h×nh 2.7). H−íng cña vÐc t¬ dßng n−íc vËn chuyÓn tæng céng t¹o mét gãc 900 so víi h−íng giã. §èi víi vïng biÓn n«ng th× gãc gi÷a h−íng giã vµ dßng ch¶y mÆt nhá h¬n 45o ., víi ®é s©u biÓn z = d th× gãc ®ã ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: tang d D Sin d D Sh d D Sin d D f f f f Ψ= Sh 2π π π π − + 2 2 2 (2.15) NÕu d/Df Df th× ψ Ýt lÖch khái 45o v× sh(2πd/Df) t¨ng nhanh trong khi sin(d/Df) < 1 (h×nh 2.8). H×nh 2.8.CÊu tróc th¼ng ®øng cña dßng ch¶y tr«i trong biÓn s©u h÷u h¹n - h×nh chiÕu c¸c vÐc t¬ dßng ch¶y trªn mÆt ngang (theo Ecman). C¸c ®−êng d=2,5Df vµ d=1,25Df trïng nhau, ngo¹i trõ phÇn ng¾t qu·ng ë c¸c líp trªn. 44 §èi víi dßng ch¶y trong líp ®¸y th× vËn tèc gi¶m theo hµm sè mò e cña ®é s©u vµ dßng ch¶y toµn phÇn quay dÇn vÒ bªn tr¸i. Lý thuyÕt Ecman còng gi¶i thÝch ®−îc hiÖn t−îng chuyÓn h−íng giã trong líp biªn khÝ quyÓn. 2.4.3. N−íc tråi - øng dông lý thuyÕt Ecman Do dßng ch¶y lÖch khái h−íng giã ( b¾c b¸n cÇu vÒ bªn ph¶i vµ nam b¸n cÇu vÒ bªn tr¸i) nªn dßng ch¶y h−íng däc bê dÉn tíi hiÖn t−îng n−íc rót tõ bê vµ n−íc tÇng s©u d©ng lªn trªn mÆt biÓn lµm cho nhiÖt ®é n−íc t¹i khu vùc nµy gi¶m, tèc ®é th¼ng ®øng ë ®©y ~ 10-4 cm/s Sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña sinh vËt do hiÖn t−îng giµu c¸c chÊt dinh d−ìng ®−îc mang tõ c¸c tÇng n−íc s©u lªn mÆt biÓn cã ý nghÜa lín cho c«ng nghiÖp ®¸nh c¸ t¹i c¸c vïng cã ho¹t ®éng n−íc tråi. Trªn thÕ giíi c¸c vïng ven bê Pª ru , Ghi nª lµ nh÷ng thÝ dô ®Æc tr−ng, ë ViÖt nam, vïng n−íc tråi Ninh thuËn-B×nh ThuËn còng t¹o ra vïng cã n¨ng suÊt c¸ vµ c¸c h¶i s¶n cao. Khi hiÖn t−îng n−íc tråi gi¶m c−êng ®é th× nhiÖt ®é t¨ng cã thÓ lµm cho c¸ chÕt, ®iÒu nµy th−êng xÈy ra ë vïng biÓn Pª ru trong c¸c th¸ng cuèi n¨m vµ hiÖn t−îng nµy ngµy nay ®−îc gäi theo c¸i tªn El - Nino. 2.4.4. N−íc d©ng b·o Khi trªn mÆt biÓn cã xo¸y thuËn th× ¸p suÊt khÝ quyÓn gi¶m dÉn tíi viÖc n©ng cao mùc n−íc. Khi xo¸y thuËn ®i qua, ¸p suÊt khÝ quyÓn trªn mÆt biÓn t¨ng lªn vµ mùc n−íc tôt xuèng. Nh− vËy, khi xo¸y thuËn ®i qua trªn biÓn th−êng dÉn theo qu¸ tr×nh n©ng vµ h¹ mùc n−íc biÓn. Theo quy luËt tÜnh häc, sù biÕn ®æi ¸p suÊt khÝ quyÓn kho¶ng 1mb lµm thay ®æi 1 cm mùc n−íc. Quy luËt biÕn ®æi nµy cã thÓ viÕt trong d¹ng : ∆H = K( Pa - Pa), trong ®ã Pa : ¸p suÊt trung b×nh cña khÝ quyÓn , k = 1/ρwg. Trong nhiÒu tr−êng hîp nÕu sù biÕn ®æi ¸p suÊt kh«ng lín th× mùc n−íc d©ng lªn chñ yÕu do giã. Giã lµm cho n−íc mÆt chuyÓn ®éng theo h−íng giã vµ khi gÆp bê th× cã thÓ bÞ n©ng lªn hoÆc h¹ xuèng phô thuéc vµo gãc gi÷a giã vµ ®−êng bê. Nh− vËy sù d©ng rót mùc n−íc liªn quan tíi hai thµnh phÇn: do øng suÊt tiÕp tuyÕn cña giã vµ do ¸p suÊt. T¹i c¸c vïng n−íc n«ng ven bê, giã ®ãng vai trß quan träng h¬n c¶ trong sù biÕn ®æi cña mùc n−íc. 45 2.5. ¶nh h−ëng cña khÝ quyÓn lªn chÕ ®é nhiÖt n−íc mÆt biÓn. Nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, cÊu tróc nhiÖt th¼ng ®øng bao gåm 3 líp c¬ b¶n (h×nh 2.9), trong ®ã líp ho¹t ®éng chÞu t¸c ®éng m¹nh mÏ cña c¸c t¸c ®éng khÝ quyÓn. NhiÖt ®é n−íc ®−îc tÝnh theo ph−¬ng tr×nh dÉn nhiÖt víi ®iÒu kiÖn biªn trªn mÆt thÓ hiÖn b»ng ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt. Tuy nhiªn do ¶nh h−ëng cña sù kh«ng ®ång nhÊt theo kh«ng gian cïng víi ®é chÝnh x¸c thÊp cña c¸c phÐp tÝnh to¸n ®éng lùc trong líp ho¹t ®éng trªn cña biÓn nªn viÖc tÝnh to¸n nhiÖt ®é n−íc th−êng kh«ng tho¶ m·n yªu cÇu. Cã thÓ sö dông ph−¬ng tr×nh truyÒn nhiÖt trong d¹ng tæng qu¸t ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè khÝ quyÓn lªn nhiÖt ®é n−íc biÓn. H×nh 2.9.Ph©n bè ®Æc tr−ng cña nhiÖt ®é n−íc biÓn theo ®é s©u ®é s©u: mÐt; nhiÖt ®é : °C. Tõ ph−¬ng tr×nh : ∂ ρθ ∂ ∂ ρθ ∂ κ ρ ∂ θ ∂ ( ) ( ) t Vi x x I Ci t i t p + − = 2 2 (2.16) 46 Trong ®ã I dQp dt dB dz Dt = − + - tæng nhiÖt l−îng biÓn ®æi do chuyÓn ®æi pha, c©n b»ng bøc x¹ vµ t¶n m¸t n¨ng l−îng. LÊy tÝch ph©n tõ 0 ®Õn ®é s©u h ta cã : ρ ∂θ∂ ρ θ θ κ ∂θ ∂ ρ θ θ C t dz B H LE C w w z C V V dz p h p i h p n h 0 0 2 0 ∫ ∫ = + + − + −⎡⎣⎢ ⎤ ⎦⎥ − − ∇ + , , , ,( ) (2.17) Trong ®ã ∇n2 thµnh phÇn theo ph−¬ng ngang cña to¸n tö Laplace. Ba thµnh phÇn ®Çu vÕ ph¶i cho ta phÇn nhiÖt bøc x¹ tia, trao ®æi nhiÖt rèi vµ nhiÖt ho¸ h¬i. Thµnh phÇn tiÕp theo cho ta thÊy phÇn nhiÖt trao ®æi gi÷a tÇng h vµ tÇng n−íc d−íi cho kÕt qu¶ dßng th¼ng ®øng, dßng nhiÖt rèi vµ nhiÖt ph©n tö, thµnh phÇn cuèi : trao ®æi nhiÖt ngang (b×nh l−u) do dßng ch¶y vµ trao ®æi rèi. Trong b¶ng 2.1. d−íi ®©y ®−a ra mét sè gi¸ trÞ trung b×nh c¸c thµnh phÇn c©n b»ng nhiÖt ë mét sè ®íi vÜ tuyÕn cho thÊy vai trß kh¸c nha