BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn vovanlanh Võ Văn Lành, Phạm Văn Huấn Bộ môn Vật lý hải dương, Trường Đại học Tổng hợp Hà Nội Việc nghiên cứu đặc trưng nhiệt với yếu tố động lực nước biển phận quan trọng hàng đầu công tác điều tra nghiên cứu tổng hợp điều kiện tự nhiên biển hay vùng biển định Mục đích nghiên cứu phát quy luật trao đổi nhiệt phân bố nhiệt độ nhằm tiến đến phương pháp dự báo nhiệt độ lớp nước biển cách có hiệu Điều có ý nghĩa to lớn thiết thực hoạt động người biển Đối với vùng biển nước ta chưa có dự trữ số liệu đồng liên tục, tìm vốn số liệu cần thiết tối thiểu để xem xét bước đầu số mặt vấn đề nói khoảng thời gian không gian định Trong báo này, trình bày kết xem xét đặc điểm phân bố nhiệt độ chu kỳ năm toàn lớp hoạt động vùng biển miền trung Việt Nam (quanh 14 độ vĩ bắc, 111 độ kinh đông) dựa nguồn số liệu [1], bước đầu nghiên cứu yếu tố định phân bố nhiệt độ nước biển - trao đổi nhiệt rối, sở xem xét sơ mô hình dự báo biến trình nhiệt độ năm lớp nước biển 1/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM I Những đặc điểm phân bố nhiệt độ vùng biển nghiên cứu Địa điểm xem xét điển hình vùng biển nhiệt đới Dòng nhiệt tổng cộng trung bình năm có hướng từ không khí vào nước biển Phần lớn thời gian năm nhiệt độ không khí cao nhiệt độ nước biển: biển nhận nhiệt từ khí Chỉ từ tháng 12 đến tháng nhiệt độ nước mặt biển cao nhiệt độ không khí: biển nhường nhiệt cho khí Chính biến trình nhiệt độ năm nước biển có tính chất bất đối xứng rõ rệt với thời gian bị sưởi nóng lớn nhiều so với thời gian thời gian nguội (hình 1) Nhiệt độ nước bề mặt có giá trị cực tiểu (25 oC) vào tháng 1, sau bắt đầu tăng đạt giá trị cực đại (30 oC) vào tháng 7-8 Ở lớp nước sâu dao động nhiệt độ lệch pha đáng kể so với dao động mặt Nếu nhiệt độ cực đại mặt quan sát thấy vào thời gian nói trên, độ sâu 50 m đạt vào khoảng tháng 12-1, 100 m – vào tháng 2-3 (hình 1) Biến trình nhiệt độ năm độ sâu phân tích thành dãy hàm điều hòa theo thời gian dạng t(z,τ) = ∑Nn = (ancosnωτ+bnsinnωτ) Giá trị bình phương biên độ A2n = a2n + b2n hàm điều hòa số độ sâu trình bày bảng sau đây: Biến trình nhiệt độ năm không khí (to)và nước biển tw độ sâu khác 2/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM n z (m) 10 50 150 5,46 5,29 0,70 0,28 0,67 0,18 0,47 0,02 0,01 0,02 0,06 0,06 0,08 0,03 0,10 0,02 0,06 0,06 0,10 0,04 ∑5n = A2n 6,28 5,58 1,43 0,42 Từ bảng thấy biến trình nhiệt độ năm độ sâu định chủ yếu hàm điều hòa thứ (n = 1), tức dao động chu kỳ năm Tuy nhiên, hàm điều hòa thứ hai (n = 2) hay dao động chu kỳ nửa năm đóng vai trò đáng kể định tính bất đối xứng phân bố nhiệt độ theo thời gian năm Càng xuống sâu vai trò dao động chu kỳ ngắn trở nên đáng kể Độ chênh lệch nhiệt độ năm đạt giá trị cực đại (5 ° C) mặt biển có giá trị đáng kể độ sâu 100 m (hình 1) Ở độ sâu 400 m trở xuống nhiệt độ không biến đổi theo thời gian, giá trị tiếp tục giảm theo chiều sâu biển Nếu mặt biển nhiệt độ trung bình năm 28,4 ° C độ sâu 400 m – 9,8 ° C 1000 m – 4,5 ° C (hình 2) 3/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Phân bố nhiệt độ t độ muối S trung bình năm theo độ sâu Độ dày lớp đồng nhiệt độ (lớp đồng nhiệt độ xem lớp mặt có građien nhiệt độ theo phương thẳng đứng nhỏ 0,02 ° C/m) độ sâu lớp nhảy vọt nhiệt độ theo mùa thay đổi đáng kể năm Về mùa hè (từ tháng đến tháng 9) tác dụng xáo trộn gió tương đối yếu, lớp đồng bề mặt dày không 10 m Sang mùa đông (từ tháng 12 đến tháng 2) biển tồn chế độ gió tương đối mạnh ổn định cộng với chuyển động đối lưu cường độ xáo trộn lớp nước mặt đạt giá trị cực đại, chiều dày lớp đồng nhiệt độ có giá trị lớn đạt khoảng 70 m (hình 3) Biến trình năm độ dày lớp đồng nhiệt độ II Về toán dự báo biến trình nhiệt độ năm nước biển Trong điều kiện tự nhiên trường nhiệt độ nước biển biến thiên phức tạp theo không gian thời gian nhiều yếu tố bên bên định Trong đó, biến thiên quan trọng dao động chu kỳ năm biến trình năm lượng xạ mặt trời điều kiện trao đổi nhiệt biên khí - đại dương lòng nước biển định, xem vùng biển dòng chảy mạnh cố định Trong trường hợp xem toàn xạ mặt trời vào nước biển bị hấp thụ lớp mỏng bề mặt nhiệt lượng hấp thụ truyền xuống sâu nhờ trình trao đổi nhiệt rối theo phương thẳng đứng phương trình truyền nhiệt viết dạng d dτ t(z,τ) = d d dz K(z,τ) dz t(z,τ), (1) Trong t(z,τ) − nhiệt độ nước biển; K(z,τ) − hệ số truyền nhiệt rối (bỏ qua hệ số truyền nhiệt phân tử); τ − thời gian; z − trục tọa độ thẳng đứng hướng từ mặt biển xuống đáy, dF dx đạo hàm riêng hàm F biến số x, ký hiệu dùng cho Nguồn nhiệt hấp thụ ý điều kiện biên 4/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Để sử dụng phương trình (1) vào việc dự báo biến trình nhiệt độ năm cần giải hai vấn đề: thứ cần xác định K(z,τ) hàm chưa biết độ sâu thời gian, hay nói cách khác, tìm cách khép kín phương trình (1); thứ hai lựa chọn điều kiện biên thích hợp Dưới trình bày kết xem xét vấn đề Hệ số truyền nhiệt rối Trên sở số liệu thực đo biến trình nhiệt độ năm tính biến đổi hệ số K trung bình năm theo độ sâu biển theo công thức Fjeldstad [4] sau đây: K(z) = nω H ∫ A2ndz, (2) dfn z A2 n dz Trong An fn biên độ độ lệch pha hàm điều hòa thứ n dãy phân tích biến trình nhiệt độ năm thực đo; H độ sâu nơi dao động nhiệt độ năm không đáng kể; ω tần số dao động, ω = 2π / T;T = năm Mặc dù công thức (2) áp dụng cho hàm điều hòa sử dụng hàm điều hòa thứ hàm điều hòa xác định với sai số nhỏ Kết tính K(z) theo công thức (2) trình bày hình Từ đó, thấy toàn chiều dày lớp hoạt động chia thành hai lớp, lớp mỏng phía dày khoảng 20 m với cường độ xáo trộn cực đại mặt giảm nhanh theo độ sâu, lớp thứ hai toàn lớp nước phía với cường độ xáo trộn tăng chậm theo chiều sâu Biên giới hai lớp trùng với độ sâu có građien nhiệt độ độ muối cực đại, nơi có độ ổn định lớn cường độ xáo trộn rối nhỏ Biến đổi hệ số trao đổi nhiệt rối theo độ sâu 5/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM K= { 45 − 1,75 ⋅ 10 − 2z,0 ≤ z ≤ h + ⋅ 10 − 4z,h ≤ z ≤ H Mối liên hệ K với độ ổn định nhiệt nước biển biểu thị công thức K= ˉ K0 1−γ dt dz , (3) ˉ hệ số K γ xác định theo giá trị hệ số trao đổi nhiệt rối độ sâu khác tính giá trị građien nhiệt độ độ sâu (hình 5) Cụ thể ***SORRY, THIS MEDIA TYPE IS NOT SUPPORTED.*** , γ = 6,08 ⋅ 103 Phụ thuộc K vào građien nhiệt độ, Biểu thức (3) sử dụng để xác định biến trình hệ số trao đổi nhiệt rối theo thời gian năm Kết tính K theo phương pháp sở sử dụng giá trị građien nhiệt độ trung bình tháng cho toàn lớp mặt từ đến 50 m trình bày hình Từ đó, thấy biến trình năm K có cực đại hẹp tháng cực tiểu rộng suốt thời gian lại Độ chênh lệch K năm đạt 74cm2/s Tính chất biến đổi K hoàn toàn phừ hợp với nhận xét phần I xáo trộn rối gió, chuyển động đối lưu ảnh hưởng độ ổn định lớp nước Các kết nói cho thấy môi trường nước biển hệ số truyền nhiệt rối đại lượng biến đổi phức tạp theo chiều sâu theo thời gian năm Việc cho hệ số giá trị không đổi, hàm đơn giản độ sâu thời gian chắn dẫn đến sai số đáng kể việc tính toán truyền nhiệt môi trườn nước biển thực tế 6/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Hình Biến trình năm K, - giá trị tính được, Nếu xem hệ số truyền nhiệt rối tích hai hàm: hàm biến đổi theo độ sâu, hàm khác biến đổi theo thời gian K(z,τ) = K(z)K(τ), (4) từ kết tính toán nói vùng biển xét hàm biểu diễn gần dạng (xem hình 6): (5) h độ sâu nơi có građien nhiệt độ cực đại; H biên lớp hoạt động; a1 = 45cm2/s; b1 = 1,75.10 − 2cm / s; a2 = 9cm2/s; b2 = ⋅ 10 − 4cm/s; h=20m, ˉ ˉ ˉ ˉ ˉ K(τ) = + χ(τ) = + K cos[ωτ − ϕ + K sin(ωτ − ϕ )], (6) ˉ ˉ ˉ ˉ K = 0,8; K = 1,4; ϕ = 7/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Điều kiện biên Như nói, vùng biển nghiên cứu toàn chiều dày lớp nước phân thành hai lớp với ranh giới độ sâu h Nhiệt độ lớp ký hiệu t1 t2 tương ứng Điều kiện biên mặt biển (z = 0) phương trình cân nhiệt Sử dụng điều kiện chuẩn dừng dòng nhiệt ẩm lớp khí sát mặt biển, dễ dàng biểu diễn dòng qua giá trị trung bình nhiệt độ độ ẩm mặt biển độ cao h0 mặt biển Từ biểu diễn điều kiện cân nhiệt mặt biển biểu thức sau [3]: dt1 CρK dz ∣z = = α[t1∣z = − ϕ(τ)] (7) Điều kiện phía lớp hoạt động t2∣z = H = tH, (8) tH nhiệt độ không đổi lớp nước tầng sâu Ngoài biên giới hai lớp nước (z = h) cần thực điều kiện liên tục: t1∣z = h = t2∣z = h dt1 dz ∣ z=h = dt2 dz ∣ (9) z=h Giải toán Cần tìm nghiệm phương trình (1) thỏa mãn điều kiện biên (7), (8) (9) với hệ số K(z,τ) cho trước dạng (4) Ở xét dao động nhiệt độ ổn định Xét biến số thời gian τ τ1 = ∫ K(τ)dτ (10) Chú ý tới (10), đưa phương trình (1) dạng dtj(z,τ) dτ1 = dtj(z,τ) d dz Kj(z) dz ,j = 1,2 (11) Phân tích hàm ϕ(τ) thành dãy Phuriê theo biến τ1 8/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM ϕ(τ) = A0 + ∑n∞= Ane − ωτ1,i = √ − (12) Tìm nghiệm phương trình (11) dạng tj(z,τ) = V0j(z) + ∑n∞= Vnj(z)e − ωτ1,j = 1,2 (13) Trong biểu thức V0j(z) nhiệt độ trung bình năm nghiệm phương trình dV0j(z) d K (z) j dz dz = 0,j = 1,2 (14) thỏa mãn điều kiện biên: CρK1(z) V02(z) ∣ V01(z) ∣ dV01 dz ∣ dV01(z) dz z=H z=h z=h = ∣ z=0 [ = α V01(z) ∣ z=0 ] − A0 ; = t H; = V02 ∣ dV02 dz ; z=h (15) ∣ z=h Cụ thể V01(z) = C1 − C2 b1 ln(a1 − b1z), V02(z) = B1 − B2 b2 ln(a2 − b2z) (16) Trong số C1,C2,B1,B2 xác định từ điều kiện biên (15) Biên độ hàm điều hòa thứ nVnj(z) nghiệm phương trình dVnj(z) d K (z) j dz dz + inωVnj(z) = 0,j = 1,2 (17) thỏa mãn điều kiện biên: CρK1(z) Vn2 ∣ dVn1 dz ∣ z=H→ ∞ z=0 [ = α Vn1 ∣ z=0 ] − An ; = 0; 9/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Vn1 ∣ dVn1 dz z=h ∣ = Vn2 ∣ z=h = dV02 dz ; z=h ∣ (18) z=h Cụ thể là: ( Vn1(z) = D1H10 ( Vn2(z) = GH10 b1 b2 ) ( √inω(a2 − b1z + D2H0 b1 ) √inω(a1 − b1z ; ) √inω(a2 + b2z (19) D1,D2 G xác định từ điều kiện biên một, ba bốn (18) H10,H20 hàm Hanken bậc loại tương ứng Đặt (16) (19) vào (13) sau tách phần thực nó, ta có nghiệm toàn phần toán đặt ra, phản ánh biến trình nhiệt độ năm nước biển độ sâu khác Các số liệu xuất phát để tính toán kết dự báo trước biến trình nhiệt độ không khí t0, xạ hiệu dụng R0, áp suất nước e0 dòng lượng xạ Q0 độ cao h0 mặt biển Cần nhận thấy rằng, toán tương tự với điều kiện cho trước biến trình nhiệt độ mặt biển xem xét thử nghiệm có kết Địa Trung Hải [2] Ưu việt toán đặt có ý đầy đủ tới tương tác biển lớp khí sát mặt biển dạng phương trình cân nhiệt (7) Khác với toán [2], nghiệm (13) có ý tới (16) (19) phản ánh biến trình nhiệt độ thân mặt biển - đối tượng cần thiết nhiều công tác thực tế biển Nghiệm (16) cho phép xác định phân bố nhiệt độ trung bình năm theo chiều sâu biển Tài liệu tham khảo Số liệu Trung tâm số liệu vật lý địa cầu Thế giới Matxcơva, 1961 Во Ван Лань, Пивоваров А.А Расчетгодовогоходатурбулентногообменаитемпературыводывморе Изв АН СССР, Физика атмосферы и оке-ана, T 10 No 9, 1974 Пивоваров А.А Термика замержающих водоемов Издат Московского Университета, 1972 Fjeldstad J.E Warmeléitung in meere Geophys Publik, 10, No 7, 1933 10/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM SUMMARY THE ANNUAl VARIATIONS OF THE SEA WATER TEMPERATURE IN THE SEA OF THE CENTRE OF VIETNAM Vo Van Lanh, Pham Van Huan Hanoi University On the basis of the measured data the variation characteristics of the sea water temperature in the sea of the centre Vietnam are considered The variations of turbulent heat exchange coefficient with depth and time are calculated The model of calculation and forecast of the annual sea water temperature variations is suggested 11/11 [...]...BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM SUMMARY THE ANNUAl VARIATIONS OF THE SEA WATER TEMPERATURE IN THE SEA OF THE CENTRE OF VIETNAM Vo Van Lanh, Pham Van Huan Hanoi University On the basis of the measured data the variation characteristics of the sea water temperature in the sea of the centre Vietnam are considered The variations ... (hình 2) 3/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM Phân bố nhiệt độ t độ muối S trung bình năm theo độ sâu Độ dày lớp đồng nhiệt độ (lớp đồng nhiệt độ xem lớp...BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI MIỀN TRUNG VIỆT NAM I Những đặc điểm phân bố nhiệt độ vùng biển nghiên cứu Địa điểm xem xét điển hình vùng biển nhiệt đới Dòng nhiệt. .. biên độ A2n = a2n + b2n hàm điều hòa số độ sâu trình bày bảng sau đây: Biến trình nhiệt độ năm không khí (to)và nước biển tw độ sâu khác 2/11 BIẾN TRÌNH NĂM CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC Ở MỘT VÙNG BIỂN KHƠI