Giáo trình học về Động lực học biển - Chương 2

2.4 Lý thuyết dòng toàn phần2.4.1 Một số nhận xét chungKết quả quan trắc cho thấy rằng trong Đại dương Thế giới có các dòng chảy lạnh hướng từ các cực đến xích đạo dọc theo bờ phía tây của các đại lục. Các dòng chảy lạnh đó dần dần được đốt nóng lại hướng từ phía đông sang phía tây dọc theo xích đạo. Các dòng chảy nóng dọc theo xích đạo về các cực dọc theo bờ phía đông của các đại lục. Phân bố các dòng chảy nóng và lạnh như vậy là do tác dụng của...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình học về Động lực học biển - Chương 2 50 Trên hình 2.15d, ứng với β = 1800. Dòng chảy mặt thực tế hướng theo hướng gió khi H ≤0,5 D và lệch về bên phải hướng gió khi H ≥ 1,25 D, góc lệch đến 450.2.4 Lý thuyết dòng toàn phần2.4.1 Một số nhận xét chung Kết quả quan trắc cho thấy rằng trong Đại dương Thế giới có các dòng chảy lạnh hướngtừ các cực đến xích đạo dọc theo bờ phía tây của các đại lục. Các dòng chảy lạnh đó dần dầnđược đốt nóng lại hướng từ phía đông sang phía tây dọc theo xích đạo. Các dòng chảy nóngdọc theo xích đạo về các cực dọc theo bờ phía đông của các đại lục. Phân bố các dòng chảy nóng và lạnh như vậy là do tác dụng của sự phân bố bức xạ mặttrời và ảnh hưởng của sự quay Trái Đất đến các khối nước quyết định. Việc xác định các biến đổi vận tốc sẽ phức tạp thêm nhiều do hiện tượng ma sát vàtrao đổi động lượng theo phương ngang. Tuy nhiên, ảnh hưởng của các hiện tượng đó cóthể xem là nhỏ và có thể tìm được dạng biểu diễn của chúng thích hợp cho đại dương.Điều đó có thể làm đơn giản hoá đáng kể bài toán về hoàn lưu đại dương. Thiếu sót của phương pháp động lực là không xét đến quá trình trao đổi rối động lượngtheo cả phương thẳng đứng và nằm ngang, tức là đã bỏ qua ma sát trong và sự tác động củagió trên mặt biển... (chỉ xét đén sự cân bằng của gradien áp lực và lực Koriolis). Hơn nữa,muốn tính được vận tốc dòng chảy thì phải xác định được mặt không động lực mà việc xácđịnh mặt không động lực trong thực tế là rất khó khăn. Lý thuyết của Ecman dựa trên giả thiết nước biển đồng nhất về mật độ, xem biển là rộngvô hạn, không xét đến trao đổi động lượng theo phương ngang. Vì biển rộng vô hạn nênkhông xét đến ảnh hưởng của đường bờ đối với chế độ dòng chảy. Vào năm 1946, trên cơ sở lý tuyết của Ecman, Stocman đã phát triển và khắc phục một sốhạn chế của lý thuyết đó. Ông đã đưa ra phương pháp dòng toàn phần để tính toán dòng chảybiển, thực hiện tính dòng chảy trong toàn khối nước từ mặt đến độ sâu không có chuyển động.Sau đó các công trình về lý thuyết dòng toàn phần của dòng chảy đại dương được chia thànhhai hướng: Theo hướng Stocman và các cộng sự: Công nhận vai trò của ma sát rối ngang trong việcthành tạo hệ thống dòng chảy đại dương. Tìm ra công thức quan trọng liên hệ giữa ứng lựctiếp tuyến gió với hàm dòng toàn phần. Theo hướng của Sverdrup,,Stommel...: Dựa trên cơ sở giả thiết về xa bờ thì các đặc trưngdòng chảy phụ thuộc vào hiệu ứng -β và có thể bỏ qua hiệu ứng trao đổi rối bên và tìm ra hệthức liên hệ giữa hàm dòng toàn phần, hiệu ứng -β và xoáy của lực tiếp tuyến gió. Theohướng này người ta đã giải thích được nguyên nhân của hiện tượng cường hoá dòng chảy ở bờphía tây các đại dương là do sự thay đổi thông số Koriolis theo vĩ độ. 51 Thực chất của phương pháp dòng toàn phần là thay cho việc nghiên cứu chi tiết chuyểnđộng của nước trong đại dương, chúng ta chỉ chú ý đến dáng điệu của các thành phần vận tốcđã được lấy tích phân theo độ sâu. Trong trường hợp đó bức tranh trung bình của vận tốcdòng chảy thu được lại phù hợp khá tốt với dòng chảy mặt của Đại dương Thế giới. Khi đóđóng góp của các dòng chảy sâu vào giá trị vận tốc tích phân là nhỏ hay dáng điệu của dòngchảy dưới sâu cũng giống như dòng chảy trên mặt. Như vậy mô hình dòng toàn phần chỉ có thể giải thích được một số vấn đề của động lựcdòng chảy biển, mô hình này không thuận lợi để nghiên cứu động lực học dòng chảy của đạidương baroklin, vì hoàn lưu phân tích thu được sẽ khác biệt nhiều so với dòng chảy trên mặt.2.4.2 Lý thuyết dòng toàn phần ổn định trong biển không đồng nhất của Stocman Xét chuyển động ổn định do gió gây nên trong đại dương. Trong hệ phương trìnhchuyển động của chất lỏng bất đồng nhất, Stocman đã bỏ qua thành phần vận tốc theophương thẳng đứng và các thành phần quán tính phi tuyến. Chất lỏng được xem nhưchuyển động ổn định dưới tác dụng cân bằng của gradien áp lực Koriolis và trao đổi rốiđộng lượng theo phương thẳng đứng và nằm ngang. Hệ phương trình chuyển động: ⎛ ∂ 2u ∂ 2u ⎞ ∂ ∂P ∂u Al⎜ 2 + 2 ⎟+ ⎟ ∂z ( A z ∂z ) + 2ρ.ω sin ϕ.v = ∂x ⎜ ∂x ∂y ⎠ ⎝ (2.189) ⎛ ∂2v ∂2v ⎞ ∂ ∂v ∂P Al⎜ 2 + 2 ⎟+⎟ ∂z ( A z ∂z ) − 2ρ.ω sin ϕ.u = ∂y . ⎜ ∂x ∂y ⎠ ⎝ - Phương trình tĩnh học ∂P = −gρ . (2.190) ∂z - Phương trình liên tục: ∂( u.ρ) ∂( v.ρ ) = 0. (2.191) ...