Nghiên cứu thử nghiệm xác định front dòng chảy mùa gió mùa tây nam tại vùng biển ven bờ Khánh Hòa

Tuyển Tập Nghiên Cứu Biển, 2015, tập 21, số 2: 33-41<br /> <br /> NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH FRONT DÒNG CHẢY MÙA GIÓ MÙA<br /> TÂY NAM TẠI VÙNG BIỂN VEN BỜ KHÁNH HÒA<br /> Phạm Sỹ Hoàn, Bùi Hồng Long, Nguyễn Bá Xuân<br /> Viện Hải dương học, Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt Nam<br /> Tóm tắt<br /> <br /> Việc xác định front dòng chảy có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu hải<br /> dương học, nó sẽ là định hướng để xác định các front hải dương khác như<br /> front nhiệt, mặn… Tuy nhiên, cho đến nay, việc tính toán, xác định front<br /> dòng chảy, đặc biệt trong vùng ven bờ vẫn còn chưa được quan tâm nghiên<br /> cứu nhiều, có lẽ vì khó khăn trong yêu cầu về mức độ số liệu đo phải đủ dày<br /> và đồng bộ. Bài viết đưa ra một vài đặc điểm về sự biến đổi theo phương<br /> ngang của các thành phần tốc độ dòng chảy và xác định các front của chúng<br /> dựa vào số liệu đo mới nhất về dòng chảy mùa gió mùa tây nam năm 2010.<br /> Thành phần dòng chảy theo phương kinh tuyến (bắc - nam) có giá trị lớn hơn<br /> và sự biến động mạnh hơn thành phần theo phương vĩ tuyến (đông - tây). Độ<br /> lớn (modune) gradient thành phần dòng chảy theo phương kinh tuyến dao<br /> động từ 0,03 - 9,76 cm/s/km, theo phương vĩ tuyến từ 0,04 - 6,94 cm/s/km.<br /> Giá trị trung bình của các modun này lại rất nhỏ, dao động từ 0,74 - 1,40<br /> cm/s/km (thành phần theo vĩ tuyến), từ 1,36 - 2,01 cm/s/km (thành phần theo<br /> kinh tuyến). Do tác động của gió và tương tác với lục địa mà modune<br /> gradient của các thành phần dòng chảy tại các tầng nước gần mặt (2 m, 5 m)<br /> có giá trị lớn hơn và biến động mạnh hơn tại các lớp nước tầng sâu (25 m,<br /> 50 m). Kết quả thống kê của modune gradient các thành phần tốc độ dòng<br /> chảy cho ta đưa ra chỉ tiêu xác định front (bắt đầu xuất hiện front các thành<br /> phần tốc độ dòng chảy), thành phần tốc độ dòng chảy theo phương vĩ tuyến<br /> là >2,44 cm/s/km; thành phần tốc độ dòng chảy theo phương kinh tuyến là<br /> >3,94 cm/s/km.<br /> THE EXPERIMENTAL STUDY ON CURRENT FRONTS DURING<br /> THE SOUTHWEST MONSOON IN THE COASTAL WATERS<br /> OF KHANH HOA PROVINCE<br /> Pham Sy Hoan, Nguyen Ba Xuan, Bui Hong Long<br /> Institute of Oceanography, Vietnam Academy of Science & Technology<br /> <br /> Abstract<br /> <br /> Calculation of current fronts plays the important role in oceanographic<br /> research. It will be the key for calculating other fronts in oceanography as<br /> temperature, salinity… However, up to now calculation of current fronts in<br /> the coastal areas has not been interested specially, because it may be not<br /> enough samples. Some characteristics of gradient of the current components<br /> and their fronts were defined depending on newly observed data in July and<br /> August 2010. Values of gradient of longitudinal current component were<br /> higher and more variant than latitudinal current component. Values of<br /> gradient module of longitudinal and latitudinal current components varied<br /> from 0.03 to 9.76 cm/s/km and from 0.04 to 6.94 cm/s/km respectively.<br /> 33<br /> <br /> Average values of gradient of these components were very small, from 0.74<br /> to 1.40 cm/s/km (latitudinal component) and from 1.36 to 2.01 cm/s/km<br /> (longitudinal component). Gradient module near the surface layers (2 m and<br /> 5 m of depth) was higher and more variant than that at deeper layers (25 m<br /> and 50 m). The front index, which current components begin forming fronts,<br /> was defined by more 2.44 cm/s/km and more 3.94 cm/s/km for longitudinal<br /> and latitudinal current component correspondingly depended on statistical<br /> gradients.<br /> I. MỞ ĐẦU<br /> <br /> trên Biển Đông và đã chỉ ra có 6 dải front<br /> cơ bản tồn tại.<br /> Vùng ven bờ là vùng có sự biến động<br /> mạnh của các yếu tố hải dương, sinh thái<br /> theo không gian và thời gian. Có lẽ do sự<br /> biến động mạnh và sự hạn chế của các ảnh<br /> vệ tinh (tác động của các yếu tố vùng bờ)<br /> trong vùng bờ mà các nghiên cứu front<br /> trong vùng bờ còn rất hạn chế. Các nghiên<br /> cứu kiểm chứng độ chính xác từ các ảnh vệ<br /> tinh cho vùng ven bờ Việt Nam gần như<br /> còn rất thưa thớt để có thể sử dụng nguồn tư<br /> liệu này.<br /> Với cách tiếp cận đánh giá gradient như<br /> đã nêu và dựa vào nguồn số liệu khảo sát<br /> đồng bộ, chúng ta cũng có thể nhận diện ra<br /> các front vùng ven bờ như front dòng chảy<br /> ven bờ. Một hạn chế để đánh giá cấu trúc<br /> front dòng chảy là tài liệu thực đo không<br /> thực sự đủ dày nên vẫn còn tồn tại những<br /> sai số nhất định. Tuy nhiên, về mặt định<br /> tính vẫn cho ta thấy những đặc điểm biến<br /> đổi của cấu trúc front của các thành phần<br /> dòng chảy, từ đó có thể thấy được những<br /> khu vực có sự biến động mạnh của chúng.<br /> Có thể thấy được mức độ phức tạp cũng<br /> như đòi hỏi sự phân bố của số liệu đo phải<br /> đủ nhiều và đồng bộ, vì thế, cho đến nay,<br /> gần như chưa có các công trình công bố về<br /> cấu trúc front của dòng chảy trong khu vực<br /> này. Do vậy, chỉ tiêu để xác định front dòng<br /> chảy vùng bờ vẫn còn đang để ngỏ.<br /> Như ta đã biết, dòng chảy là một đại<br /> lượng vec tơ, tức là gồm 02 thành phần,<br /> thành phần theo phương kinh tuyến (V) và<br /> theo phương vĩ tuyến (U). Bản thân từng<br /> thành phần này có sự biến đổi theo phương<br /> ngang (theo phương kinh tuyến và vĩ<br /> tuyến). Do đó, gradient của các thành phần<br /> này được tính theo không gian ngang 02<br /> <br /> Front là dải biên giữa hai khối nước khác<br /> nhau (Douglas A. Segar, 1998). Các front<br /> hầu như luôn đi kèm với sự tăng cường<br /> gradient ngang của các yếu tố như: nhiệt<br /> độ, độ muối, mật độ, chất dinh dưỡng và<br /> các đặc trưng khác (Fedorov, 1986; Belkin,<br /> 2003). Các front và các dòng chảy liên quan<br /> rất quan trọng trong vận chuyển nhiệt,<br /> muối, tương tác biển – khí quyển và các<br /> hoạt động sinh thái khác (Belkin, 2003). Do<br /> đó, một trong những cách tiếp cận để xác<br /> định front là dựa vào gradient của đại<br /> lượng. Tại nơi mà gradient của đại lượng có<br /> giá trị lớn là nơi có khả năng xuất hiện<br /> front. Các front đã được nhận dạng khi sử<br /> dụng phương pháp này là front nhiệt, front<br /> mặn, front độ đục… Theo khái niệm này,<br /> để cho việc xác định được các front, sự<br /> phân bố số liệu của đại lượng (ví dụ SST)<br /> phải đủ dày. Đối với các front vùng bờ có<br /> tính chất biến đổi nhanh, quy mô nhỏ thì sự<br /> phân bố số liệu càng phải lớn. Cùng với sự<br /> ra đời và phát triển của công nghệ viễn<br /> thám, các phương pháp xác định front dựa<br /> vào các ảnh vệ tinh độ phân giải cao<br /> (MODIS, AVHRR…) cũng được phát triển<br /> dần. Đầu tiên là phương pháp phân tách<br /> front dựa vào gradient của các ảnh SST<br /> được phát triển bởi Holyer and<br /> Peckinpaugh, 1989. Sau đó, phương pháp<br /> SIED (single-image edge detection) do<br /> Cayula và Cornillon (1992) đề xuất, được<br /> phát triển và cải tiến bởi Diehl và cs. (2002)<br /> và vẫn được dùng cho đến ngày nay. Các<br /> front trên Biển Đông đã được nghiên cứu từ<br /> những năm 1999, cho đến năm 2005,<br /> Belkin đã hoàn thành sơ đồ các front lớn<br /> 34<br /> <br /> ra, quan trọng là phải chọn được chỉ tiêu để<br /> xác định front hợp lý.<br /> <br /> chiều. Gradient 02 chiều này cũng là một<br /> đại lượng vec tơ với giá trị modune (độ lớn)<br /> của nó thể hiện sự biến động của đại lượng<br /> theo không gian (nơi có sự biến động mạnh<br /> của đại lượng thì độ lớn gradient của nó lớn<br /> và ngược lại) và hướng của nó thể hiện xu<br /> thế chuyển dịch của đại lượng đó (từ nơi có<br /> tỷ lệ biến đổi thấp đến nơi có tỷ lệ biến đổi<br /> cao của đại lượng), có nghĩa là, nó thể hiện<br /> xu thế để hình thành nên trường hiện tại của<br /> đại lượng đó.<br /> Trong phần nghiên cứu này, chúng tôi đã<br /> tiến hành tính gradient vùng ven bờ biển<br /> Khánh Hòa dựa vào tài liệu khảo sát mà<br /> theo chúng tôi đánh giá là khá đồng bộ. Từ<br /> đó, đã đưa ra chỉ tiêu xuất hiện front dòng<br /> chảy cho vùng biển này trong thời gian<br /> tháng 7 - 8/2010. Một số ranh giới của front<br /> dòng chảy của khu vực này cũng được đưa<br /> 12.9<br /> <br /> Dựa vào tài liệu đo dòng chảy tại 30 trạm<br /> đo mặt rộng và 2 trạm đo liên tục 01 ngày<br /> đêm của chuyến khảo sát vào tháng 7 –<br /> 8/2010 đã xử lý, tính gradient theo phương<br /> ngang và xác định front của các thành phần<br /> dòng chảy. Vị trí các trạm khảo sát được<br /> thể hiện trên hình 1. Sự phân bố của các<br /> trạm khảo sát theo mặt cắt từ bờ ra biển là<br /> 0,05o kinh độ, giữa các mặt cắt là 0,25o vĩ<br /> độ. Các trạm được đo theo các tầng là 2 m,<br /> 5 m, 25 m, 50 m, 75 m, 100 m, 125 m,<br /> 150 m, đáy (tầng đáy phụ thuộc các trạm có<br /> độ sâu khác nhau).<br /> <br /> PHUÙ YEÂN<br /> <br /> 25<br /> : Ñöôøng ñaúng saâu (m)<br /> St01 : Traïm ño maët roäng vaø soá hieäu<br /> <br /> Tu Boâng<br /> <br /> LT1 : Traïm ño lieân tuïc vaø soá hieäu<br /> <br /> 50<br /> 100<br /> <br /> 12.8<br /> <br /> II. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP<br /> <br /> Vaïn Giaõ<br /> <br /> 150<br /> <br /> 12.7<br /> 12.6<br /> <br /> Ninh Hoøa<br /> <br /> 12.5<br /> <br /> St01 St02 St03 St04 St05 St06<br /> <br /> 12.4<br /> KHAÙNH HOØA<br /> 12.3<br /> 12.2<br /> <br /> V. Nha Trang<br /> <br /> St11 St12LT2<br /> St13 St14 St15 St16 St17 St18<br /> LT1<br /> NHA TRANG<br /> <br /> St20<br /> <br /> NT03<br /> NT02<br /> NT01<br /> <br /> 12.1<br /> St21 St22 St23 St24 St25 St26 St27<br /> <br /> 12.0<br /> 11.9<br /> <br /> Cam Ranh<br /> <br /> 11.8<br /> St31 St32 St33 St34 St35<br /> <br /> 11.7<br /> <br /> Vónh Hy<br /> <br /> NINH THUAÄN<br /> Ninh Chöõ<br /> <br /> 11.5<br /> <br /> V. Phan Rang<br /> <br /> 150<br /> <br /> PHAN RANG- THAÙP CHAØM<br /> <br /> 100<br /> <br /> 11.6<br /> <br /> BÌNH THUAÄN<br /> 11.4<br /> 108.6 108.7 108.8 108.9 109.0 109.1 109.2 109.3 109.4 109.5 109.6 109.7 109.8<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ các trạm khảo sát, tháng 7 - 8/2010 (dự án Việt - Nga)<br /> Fig. 1. Location of sampling stations, 7 - 8/2010 (Vietnamese-Rusian project)<br /> <br /> 35<br /> <br /> Các số liệu từ chuyến khảo sát thu được<br /> là khá đồng bộ tại các tầng 2 m, 5 m, 25 m,<br /> 50 m, cho nên các tính toán đã nêu trên đây<br /> được thực hiện cho các tầng sâu này.<br /> Như ta đã biết, gradient của một đại<br /> lượng vật lý nào đó cho ta biết mức độ biến<br /> đổi của đại lượng đó trong một đơn vị<br /> không gian, trong nghiên cứu này là các<br /> thành phần dòng chảy. Trong một phạm vi<br /> không gian nhất định đủ rộng lớn, sẽ thấy<br /> tồn tại những vùng có gradient lớn liền kề<br /> với những vùng có gradient nhỏ. Giữa các<br /> vùng này là một dải ngăn cách mà ở đó, đại<br /> lượng vật lý sẽ chuyển từ tính chất này sang<br /> tính chất khác (ví dụ giữa nóng - lạnh, dốc thoải…). Dải ngăn cách này có thể là một<br /> dạng front. Vấn đề là chỉ tiêu để tìm ra front<br /> như thế nào?<br /> Dựa vào kết quả tính gradient các thành<br /> phần dòng chảy, chúng tôi cố gắng phân<br /> tích để tìm ra chỉ tiêu có thể sẽ hình thành<br /> front.<br /> <br /> Modune (độ lớn) gradient thành phần tốc<br /> độ U trong không gian 02 chiều được tính<br /> theo các công thức nêu trong (Phạm Ngọc<br /> Hồ, 1979), cụ thể:<br /> (1)<br /> Trong đó:<br /> (2)<br /> <br /> Hướng của gradient cũng được tính theo:<br /> Dir_gradU = atan2(gradUx, gradUy) (3)<br /> Trong đó, U là giá trị của thành phần tốc<br /> độ dòng chảy theo phương vĩ tuyến tại điểm<br /> tính (i, j) nào đó; chỉ số i tăng theo hướng<br /> đông; j tăng theo hướng bắc. Các thành<br /> phần tốc độ U(i, j) và gradU(i, j) được bố trí<br /> như trên hình 2.<br /> Các tính toán tương tự được thực hiện<br /> cho thành phần tốc độ dòng chảy theo<br /> phương kinh tuyến V.<br /> <br /> 3<br /> <br /> Y<br /> U, V<br /> <br /> U, V<br /> gradU<br /> gradV<br /> <br /> gradU<br /> gradV<br /> U, V<br /> <br /> U, V<br /> <br /> 2<br /> <br /> U, V<br /> <br /> U, V<br /> <br /> gradU<br /> gradV<br /> <br /> gradU<br /> gradV<br /> <br /> U, V<br /> <br /> U, V<br /> <br /> j=<br /> <br /> 1<br /> <br /> U, V<br /> <br /> i=<br /> <br /> x<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 3<br /> X<br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ biểu diễn lưới tính gradient của các thành phần tốc độ dòng chảy<br /> Fig. 2. Diagram of grid for calculating the gradient of current speed components<br /> <br /> III. KẾT QUẢ<br /> <br /> định. Tuy nhiên, cho đến nay, trong vùng<br /> nghiên cứu này, chúng tôi chưa cập nhật<br /> được thông tin nào về chỉ tiêu đánh giá<br /> front dòng chảy. Chúng tôi đã thử nghiệm<br /> xây dựng chỉ tiêu này như sau:<br /> Qua thống kê tính gradient của các thành<br /> phần dòng chảy, chúng tôi nhận thấy, sự<br /> biến động của cường độ (modun) gradient<br /> <br /> 1. Chỉ tiêu hình thành front dòng chảy<br /> Sau khi tính gradient của các thành phần<br /> dòng chảy theo các công thức từ (1) đến (3)<br /> tại các tầng sâu 2 m, 5 m, 25 m, 50 m, để<br /> đánh giá được front của các thành phần<br /> dòng chảy này, cần phải có một chỉ tiêu xác<br /> 36<br /> <br /> V). Ở đây cũng có thể thấy, giá trị độ lệch<br /> chuẩn của modun gradient cũng tương đối<br /> nhỏ, xấp xỉ bằng giá trị trung bình của nó.<br /> Chỉ tiêu để đánh giá front của các thành<br /> phần dòng chảy theo chúng tôi là giá trị cực<br /> đại của tổng của giá trị trung bình modun<br /> gradient và giá trị độ lệch chuẩn modun<br /> gradient. Theo chỉ tiêu này, giới hạn xuất<br /> hiện front thành phần dòng chảy theo<br /> phương vĩ tuyến U là 2,44 cm/s/km; giới<br /> hạn này cho thành phần theo phương kinh<br /> tuyến V là 3,94 cm/s/km.<br /> <br /> của các thành phần dòng chảy có xu thế nhỏ<br /> dần theo độ sâu (Bảng 1 và 2), cường độ<br /> gradient của thành phần V có phần lớn hơn<br /> cường độ gradient của thành phần U. Trên<br /> bảng này có thể thấy, giá trị cực tiểu của<br /> modun gradient là rất nhỏ (lớn nhất là 0,14<br /> cm/s/km), trong khi giá trị cực đại của nó<br /> có thể đạt từ 4,95 - 6,94 cm/s/km (đối với<br /> thành phần U) và từ 7,10 - 9,76 cm/s/km<br /> (đối với thành phần V). Giá trị trung bình<br /> của modun gradient lại ít biến đổi, đạt từ<br /> 0,74 - 1,40 cm/s/km (đối với thành phần U)<br /> và 1,36 - 2,01 cm/s/km (đối với thành phần<br /> <br /> Bảng 1. Thống kê modune gradient thành phần tốc độ dòng chảy theo phương vĩ tuyến (cm/s/km)<br /> (gradU_50: giá trị modun gradient tại tầng sâu 50 m)<br /> Table 1. Statictics of the gradient module of latitudinal current speed component (cm/s/km);<br /> (gradU_50: the value of gradient module at 50 m depth)<br /> <br /> gradU_50<br /> gradU_25<br /> gradU_05<br /> gradU_02<br /> Cực đại (chỉ tiêu front)<br /> <br /> Cực<br /> tiểu<br /> 0,09<br /> 0,04<br /> 0,12<br /> 0,12<br /> <br /> Cực<br /> đại<br /> 4,95<br /> 6,94<br /> 5,49<br /> 6,03<br /> <br /> Trung<br /> bình<br /> 0,83<br /> 0,74<br /> 1,13<br /> 1,40<br /> <br /> Độ lệch<br /> chuẩn<br /> 0,87<br /> 0,74<br /> 0,92<br /> 1,04<br /> <br /> Tổng (Trung bình<br /> và độ lệch chuẩn)<br /> 1,70<br /> 1,48<br /> 2,05<br /> 2,44<br /> 2,44<br /> <br /> Bảng 2. Thống kê modune gradient thành phần tốc độ dòng chảy theo phương kinh tuyến<br /> (cm/s/km); (gradV_50: giá trị modun gradient tại tầng sâu 50 m)<br /> Table 2. Statistics of gradient module of longitudinal current speed component (cm/s/km);<br /> (gradV_50: the value of gradient module at 50 m depth)<br /> <br /> gradV_50<br /> gradV_25<br /> gradV_05<br /> gradV_02<br /> Cực đại (chỉ tiêu front)<br /> <br /> Cực<br /> tiểu<br /> 0,07<br /> 0,03<br /> 0,14<br /> 0,11<br /> <br /> Cực<br /> đại<br /> 7,10<br /> 9,20<br /> 9,51<br /> 9,76<br /> <br /> Trung<br /> bình<br /> 1,37<br /> 1,36<br /> 1,69<br /> 2,01<br /> <br /> 2. Đặc điểm biến đổi gradient và front<br /> dòng chảy<br /> <br /> Độ lệch<br /> chuẩn<br /> 1,30<br /> 1,39<br /> 1,51<br /> 1,48<br /> <br /> Tổng (Trung bình<br /> và độ lệch chuẩn)<br /> 2,67<br /> 2,75<br /> 3,20<br /> 3,49<br /> 3,49<br /> <br /> sâu, tức là, càng xuống sâu, sự biến động<br /> của thành phần dòng chảy theo phương vĩ<br /> tuyến càng nhỏ.<br /> Tại lớp nước sát mặt (tầng 2 m và 5 m),<br /> giá trị gradient lớn tập trung ở khu vực cửa<br /> vịnh Nha Trang, nơi có bộ phận dòng chảy<br /> ra - vào cửa vịnh, cũng là nơi có địa hình<br /> phức tạp. Khu vực này, thành phần dòng<br /> chảy hướng đông - tây (theo phương vĩ<br /> tuyến cũng đồng thời là phương của cửa<br /> <br /> 2.1. Modune gadient của thành phần<br /> dòng chảy theo phương vĩ tuyến<br /> Độ lớn của gradient của thành phần tốc độ<br /> dòng chảy theo phương vĩ tuyến nhìn chung<br /> nhỏ hơn độ lớn gradient của thành phần<br /> dòng chảy theo phương kinh tuyến. Độ lớn<br /> gradient ở đây có xu thế giảm dần theo độ<br /> 37<br /> <br />