Tài liệu Ính toán trao đổi nước qua các biên ở biển đông dựa trên số liệu nhiệt muối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lưu Quang Hải TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NƯỚC QUA CÁC BIÊN Ở BIỂN ĐÔNG, DỰA TRÊN SỐ LIỆU NHIỆT MUỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lưu Quang Hải TÍNH TOÁN TRAO ĐỔI NƯỚC QUA CÁC BIÊN Ở BIỂN ĐÔNG, DỰA TRÊN SỐ LIỆU NHIỆT MUỐI Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Phạm Văn Huấn Hà Nội - 2014 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 6 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................................... 8 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................. 8 1.2. Đặc điểm các trường hải văn Biển Đông ..................................................... 9 1.2.1. Cấu trúc hoàn lưu Biển Đông ................................................................... 9 1.2.2. Chế độ nhiệt muối Biển Đông ................................................................. 15 1.2.3. Chế độ dòng chảy Biển Đông.................................................................. 19 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................... 22 2.1. Cơ sở lý thuyết về tính toán dòng chảy...................................................... 22 2.1.1. Cơ sở lý thuyết về trường mật độ của nước biển .................................... 22 2.1.2. Cơ sở lý thuyết về dòng chảy mật độ...................................................... 24 2.1.3. Lý thuyết dòng chảy gradien trong biển đồng nhất ................................ 28 2.2. Phương pháp động lực tính dòng chảy mật độ.......................................... 29 2.2.1. Công thức cơ bản của sơ đồ tính toán dòng chảy bằng phương pháp động lực............................................................................................................. 29 2.2.2. Tính độ sâu (hay độ cao) động lực của trạm hải văn và dựng bản đồ động lực............................................................................................................. 31 2.2.3. Tính độ cao động lực của các trạm có độ sâu khác nhau....................... 32 2.3. Các bước thực hiện tính toán dòng chảy qua một mặt cắt lựa chọn ...... 33 2.3.1. Tính độ cao động lực tại một trạm hải văn trên mặt cắt ........................ 33 2.3.2. Dựng bản đồ đẳng vận tốc qua mặt cắt .................................................. 36 Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH PHÂN BỐ DÒNG CHẢY MẬT ĐỘ TRUNG BÌNH THÁNG TẠI CÁC EO BIỂN ..................................................................... 37 3.1. Cơ sở dữ liệu và phạm vi nghiên cứu......................................................... 37 3.1.1. Tình hình số liệu và phương pháp xử lý.................................................. 37 3.1.2. Phạm vi nghiên cứu................................................................................. 40 3.2. Phân bố nhiệt độ và độ muối trung bình tại các eo biển .......................... 41 3.3. Kết quả tính toán đặc trưng trao đổi nước qua các biên lỏng................. 53 3.3.1. Eo Đài Loan ............................................................................................ 53 3.3.2. Eo Bashi .................................................................................................. 56 3.3.3. Eo Mindoro ............................................................................................. 58 3.3.4. Eo Balabac .............................................................................................. 61 3.3.5. Eo Singapore ........................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 67 CÁC HÌNH PHỤ LỤC ........................................................................................... 68 2 LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, tôi gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới PGS.TS. Phạm Văn Huấn – bộ môn Hải dương học – người đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ về nhiều mặt. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng đạo tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; các đồng nghiệp và lãnh đạo Trung tâm Hải văn đã có những chỉ dẫn và giải đáp quý báu, tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa luận. Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn có thể hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! 3 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các đặc trưng địa hình của một số eo biển chủ yếu của biển Đông Trang 16 Bảng 2.1: Nhiệt độ tỷ trọng cực đại và đóng băng phụ thuộc độ mặn 22 Bảng 2.2: Ví dụ về thể tích riêng quy ước của nước biển tại trạm hải văn 34 Bảng 2.3: Ví dụ về tính độ cao động lực tại trạm hải văn 35 Bảng 3.1: Tình trạng số liệu 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hoàn lưu lớp nước mặt biển Đông Trang 11 Hình 1.2: Phân bố nhiệt độ và độ mặn trung bình tầng mặt tại biển Đông mùa đông 17 Hình 1.3: Phân bố nhiệt độ và độ muối trung bình tầng mặt biển Đông mùa hè 18 Hình 1.4: Hệ thống dòng chảy tầng mặt trên biển Đông (Atlas Quốc gia) 19 Hình 2.1: Biểu đồ biểu thị sự phụ thuộc vào độ muối của nhiệt độ tỷ trọng cực đại và nhiệt độ đóng băng 23 Hình 2.2: Giải thích sự hình thành cân bằng địa chuyển 25 Hình 2.3: Những đường đồng mức động lực của mặt biển 27 Hình 2.4: Giải thích sự hình thành dòng chảy gradien 28 Hình 2.5: Hai trạm có độ sâu khác nhau 32 Hình 3.1: Số liệu nhiệt độ - độ muối trên mặt cắt eo Bashi 39 Hình 3.2: Vị trí các eo biển (biên lỏng) lựa chọn tính toán 40 Hình 3.3: Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua eo Đài Loan, dọc 23o15’N 42 Hình 3.4: Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua eo Bashi, dọc 120o45’E 43 Hình 3.5: Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua eo Mindoro, dọc 120o15’E 44 Hình 3.6: Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua eo Balabac, dọc 117o45’E 45 Hình 3.7: Phân bố nhiệt độ trên mặt cắt ngang qua eo Singapore, dọc 2o15’N 46 Hình 3.8: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Đài Loan, dọc 23o15’N 48 4 Hình 3.9: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Bashi, dọc 120o45’E 49 Hình 3.10: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Mindoro, dọc 120o15’E 50 Hình 3.11: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Balabac, dọc 117o45’E 51 Hình 3.12: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Singapore, dọc 2o15’N 52 Hình 3.13: Giá trị độ muối tháng 1 – eo Đài Loan 54 Hình 3.14: Giá trị nhiệt độ tháng 1 – eo Đài Loan 54 Hình 3.15: Mặt cắt dòng chảy tại eo Đài Loan vào mùa đông và mùa hè 55 Hình 3.16: Số liệu độ muối tại mặt cắt eo Bashi – tháng 1 56 Hình 3.17: Số liệu nhiệt độ tại mặt cắt eo Bashi – tháng 1 56 Hình 3.18: Mặt cắt dòng chảy tại eo Bashi vào mùa đông và mùa hè 57 Hình 3.19: Số liệu nhiệt độ tại mặt cắt eo Mindro – tháng 1 59 Hình 3.20: Số liệu độ muối tại mặt cắt eo Mindro – tháng 1 59 Hình 3.21: Mặt cắt dòng chảy tại eo Mindoro vào mùa đông và mùa hè 60 Hình 3.22: Số liệu nhiệt độ tại eo Balabac – tháng 1 61 Hình 3.23: Số liệu độ muối tại eo Balabac – tháng 1 61 Hình 3.24: Mặt cắt dòng chảy tại eo Balabac vào mùa đông và mùa hè 62 Hình 3.25: Số liệu nhiệt độ tại eo Singapore – tháng 1 63 Hình 3.26: Số liệu độ muối tại eo Singapore – tháng 1 63 Hình 3.27: Mặt cắt dòng chảy tại eo Singapore vào mùa đông và mùa hè 64 5 MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng của kinh tế biển và các hoạt động an ninh quốc phòng đảm bảo chủ quyền trên biển đã đặt ra những vấn đề khoa học cấp thiết cần giải quyết đối với việc cung cấp thông tin dự báo trường các yếu tố khí tượng thủy văn biển. Trong điều kiện nước ta hiện nay, để có được các thông tin dự báo hạn ngắn các trường yếu tố khí tượng thủy văn biển có thể tiến hành theo hai phương thức: - Xây dựng hệ thống thu nhận thông tin các trường khí tượng thủy văn dự báo của các nước trên thế giới và khu vực; - Xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống các mô hình dự báo các trường khí tượng – thủy văn biển. Theo phương thức thứ hai chúng ta sẽ có được tính chủ động cao trong công tác dự báo, các thông tin kết quả của hệ thống dự báo nhận được sẽ đầy đủ, chi tiết và chính xác kịp thời đáp ứng được yêu cầu của các hoạt động kinh tế, an ninh quốc phòng và nghiên cứu. Tuy nhiên thực tế là trong khi thực hiện các mô hình số trị nói chung, mô hình dự báo biển nói riêng phụ thuộc rất lớn vào chất lượng của trường ban đầu và điều kiện biên. Trong các mô hình dự báo biển, các điều kiện biên hở lại phụ thuộc nhiều vào dòng chảy đi vào và đi ra khỏi miền tính của mô hình. Thông thường cấu trúc thẳng đứng của dòng vận tốc cần lựa chọn sao cho có sự tương ứng với dòng chảy nhiệt (địa chuyển) do trường nhiệt độ và độ muối gây nên Gần đây, số lượng các quan trắc trên các thông số vật lý của nước như: nhiệt độ, độ mặn cho các vùng biển Đông đã đang được tăng rất nhanh và các kỹ thuật khác nhau để phân tích dữ liệu đã được áp dụng để có được những lĩnh vực nội suy chi tiết về các thông số cho khu vực biển; Dòng chảy và trường mật độ trong biển liên quan lẫn nhau, không phụ thuộc vào cái gì trong đó là nguyên nhân, cái gì là hệ quả. Quy luật này là cơ sở của phương pháp động lực tính dòng chảy theo trường nhiệt độ và độ muối. Trong nghiên cứu này, tác giả đã xây dựng quy trình tính toán trường dòng chảy qua các 6 mặt cắt (biên lỏng) dựa trên giá trị nhiệt độ và độ muối. Xây dựng các mặt cắt thẳng đứng về nhiệt độ, độ muối nước biển, khảo sát sự biến thiên theo không gian và thời gian trong năm của những đặc trưng thủy văn, thủy hóa này trong mối liên quan với sự trao đổi nước qua một số mặt cắt lựa chọn trên biển Đông: phía đông bắc biển – eo Bashi, eo Đài Loan; phía đông biển – eo Mindoro và Verde; phía đông nam biển – eo Balabac và phía nam biển – eo Singgapo; Những số liệu dòng chảy nhận được, có thể dùng làm dữ liệu điều kiện biên cho các mô hình hoàn lưu biển Đông cũng như những tính toán và ứng dụng khác. 7 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục tiêu gián tiếp của các nghiên cứu triển khai mô hình số là tìm hiểu các mối tương quan khác nhau giữa những tác động gây ảnh huởng tới biển. Những tác động này bao gồm các dòng động luợng, nhiệt và ẩm trao đổi qua mặt biển, cũng như lưu luợng sông gây ảnh huởng đến hoàn lưu đại dương quy mô lớn. Mỗi khi mô hình đã đuợc khẳng định, có thể thông qua so sánh với các quan trắc và với lời giải giải thích, mô hình có thể sử dụng như công cụ kết nối với các vấn đề môi truờng. Ví dụ, mô hình có thể sử dụng để dự báo diễn biến của vết dầu loang, hay cung cấp các thông tin về vị trí tối ưu cho việc đổ chất thải ra biển. Những vấn đề như vậy đòi hỏi các kiến thức về hoàn lưu trong môi truờng biển, thuờng chỉ đuợc cung cấp bởi các mô hình phân giải cao. Nhiều ứng dụng trong các biển ven (ví dụ vệt dầu loang) có quy mô thời gian từ một vài ngày đến hàng tuần. Ở đây cũng cần đến các kiến thức kể cả dự báo các biến động có thể xẩy ra trong các biển ven với quy mô năm và thập kỷ. Ví dụ, nguời ta biết rõ rằng các bãi cod tại các bãi ngầm gần Newfoundland có sự biến động với chu kỳ nhiều năm (Mayer et al., 1993). Các kiến thức về điều kiện trong tương lai trên thềm lục địa có thể cho phép các nhà khoa học phần nào giải thích đuợc hiện tuợng suy giảm của nghề cá gần đây. Các nghiên cứu theo hướng này yêu cầu kết hợp với hệ thống dự báo khí hậu toàn cầu. Các mô hình biển ven hiện đang ở nhiều mức dộ khác nhau. Trước hết là các mô hình chuẩn đoán. Nguời ta sử dụng các trường nhiệt độ và độ muối có sẵn, được rút ra từ số liệu quan trắc, để tìm cách tái hiện trường hoàn lưu. Các mô hình chuẩn đoán là công cụ cơ bản cung cấp kết quả phân tích đảm bảo đối với hoàn lưu thềm lục địa theo quy mô lớn hơn bán kính biến dạng nội Rossby. Tiếp đến là các mô hình dự báo, trong dó các trường nhiệt độ và độ muối đuợc đánh giá như một bộ phận trong thủ tục giải quyết vấn đề. Chính các mô hình dạng này sẽ tạo nên cơ sở cho hệ thống dự báo biển. Hoàn lưu chuẩn đoán thường đuợc sử dụng như điều kiện ban đầu và điều kiện biên ngang đối với mô hình dự báo. Cả hai nhóm mô hình trên 8 đều có những tính phức tạp khác nhau. Các mô hình dự báo có thể biến đổi từ hai chiều, tích phân theo độ sâu đến hoàn lưu ba chiều đầy đủ. Đối với tính toán dòng chảy bằng phương pháp động lực đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và đạt được những kết quả nhất định. Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như tính toán thử nghiệm phương pháp này đã được quan tâm. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện nay trong nước chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào về vấn đề này đối với việc cung cấp dữ liệu đầu vào tại các biên lỏng cho mô hình số trị. Trong một số nghiên cứu trường động lực Biển Đông bằng mô hình số trị như đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác nghiệp khí tượng thủy văn biển (bao gồm sóng, dòng chảy và nước dâng bão) vùng Biển Đông và ven biển Việt Nam” do TS. Lê Trọng Đào làm chủ nhiệm có áp dụng mô hình Delft 3D tính toán dự báo trường dòng chảy toàn Biển Đông. Tuy nhiên điều kiện tại các biên là hằng số điều hòa mực nước, không tính đến trao đổi nước theo độ sâu tại các biên lỏng. Đề tài: “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đông” do TS. Nguyễn Minh Huấn làm chủ nhiệm đã ứng dụng mô hình ROMS tính toán dự báo trường dòng chảy 3D toàn Biển Đông. Trong nghiên cứu này số liệu tại các biên lỏng là mực nước, nhiệt độ và độ mặn tầng mặt, chưa tính đến trao đổi nước theo độ sâu tại đây. Trong các nghiên cứu mô phỏng trường động lực biển nói chung và trường dòng chảy 3D nói riêng, việc đưa tối đa các điều kiện biên vào tính toán góp phần lớn nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu, vì yêu cầu thực tiễn đề tài “Tính toán trao đổi nước qua các biên ở Biển Đông, dựa trên số liệu nhiệt muối” với mục tiêu tính toán trao đổi nước tại các biên lỏng của Biển Đông làm dữ liệu điều kiện biên cho các mô hình số nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả cho các mô hình số trị. 1.2. Đặc điểm các trường hải văn Biển Đông [4, 8] 1.2.1. Cấu trúc hoàn lưu Biển Đông a) Các nhân tố ảnh hưởng đến hoàn lưu Biển Đông 9 Như chúng ta đều biết, bên cạnh sự phụ thuộc vào các lực tác động lên toàn bộ khối nước biển, các đặc điểm hoàn lưu của một thủy vực biển còn phụ thuộc rất lớn vào các điều kiện địa hình và khả năng trao đổi nước với các thủy vực kề cận. Tính phức tạp của điều kiện địa hình biển và bờ Biển Đông đã tạo nên sự đa dạng và biến động lớn của phân bố không gian và thời gian các nhân tố tác động lên nước biển như các trường khí tượng, tương tác biển- khí quyển, tương tác đất- biển và từ đó hoàn lưu Biển Đông cũng có những đặc điểm phức tạp tương ứng. Đối với Biển Đông đặc điểm quan trọng nhất của các nhân tố tác động lên mặt biển là sự biến động mạnh mẽ của chúng theo không gian và thời gian. Sự biến đổi theo thời gian chủ yếu do chế độ của gió mùa gây nên, còn biến đổi theo không gian lại do nguyên nhân địa hình và các quá trình hoàn lưu khí quyển nhiệt đới – xích đạo quy mô lớn. Theo tính chất luân phiên của gió mùa, các trường gió trên biển trong hai mùa đặc trưng có hướng thịnh hành hoàn toàn đối lập nhau. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy trên các bản đồ gió, hoa gió đã được công bố từ trước đến nay, bắt đầu từ các bản đồ hoa gió và dòng chảy mặt do Hải quân Hoa Kỳ công bố năm 1945 (US Army, 1945), đến các trường ứng suất gió của Halleman và Rosenstein (1983), và Atlas khí tượng thủy văn Biển Đông (1994) do Tổng cục Khí tượng thủy văn xuất bản. Bên cạnh sự phân hóa theo thời gian, chúng ta có thể thấy được sự phân hóa theo không gian thông qua các trường gió và xoáy (roto) ứng suất gió đặc trưng cho từng vùng biển. Sự phân hóa khá rõ nét của hướng gió được thể hiện nhất trong các tháng mùa hè. Những kết quả nghiên cứu trong thời gian gần đây trên phạm vi toàn Biển Đông cũng như các vùng hẹp hơn càng chứng minh nhận định nêu trên là đúng (Đinh Văn Ưu, 1995). Cùng với các nhân tố tác động lên mặt biển như các thông lượng cơ năng, nhiệt và ẩm, các quá trình trao đổi giữa Biển Đông với thủy vực biển kề cận và đất liền cũng có sự biến động lớn theo thời gian và không gian. Những hiểu biết về các quy luật này là hết sức cần thiết khi nghiên cứu chế độ thủy văn và hoàn lưu biển. 10 b) Các đặc điểm cơ bản của hoàn lưu Biển Đông Hoàn lưu chung Biển Đông Như đã phân tích ở phần trên, hoàn lưu chung của Biển Đông thực chất là hoàn lưu mùa, có thể sơ đồ hóa bằng hai bức tranh hoàn lưu cơ bản gần như đối lập nhau tương ứng hai mùa gió: gió mùa Đông-Bắc (mùa đông) và gió mùa Tây-Nam (mùa hè). Trong mùa gió đông-bắc, luôn tồn tại một xoáy thuận chính trong phạm vy toàn Biển Đông. Trên khu vực bắc Biển Đông, bên cạnh xoáy thuận chính, dưới tác động của hiệu ứng gió và quá trình xâm nhập của dòng Kuroshio vào Biển Đông qua eo Luzon đã tạo nên các bộ phận hoàn lưu có tính biến động lớn. Quá trình xâm nhập của Kuroshio vào Biển Đông có thể xẩy ra theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua các xoáy (dòng uốn). Đến nay, nguyên nhân chính của hiện tượng này vẫn còn chưa được làm rõ, tuy nhiên tác động của trường gió cục bộ cũng có thể ảnh hưởng tới sự hiện diện và biến động của hiện tượng này (A. Farris and M. Wimbush, 1996). (a) (b) Hình 1.1: Hoàn lưu lớp nước mặt biển Đông (a) – mùa đông, (b) – mùa hè Hải dương học Biển Đông – Lê Đức Tố (1999) Đối với thời kỳ chuyển tiếp, phụ thuộc vào quá trình thay thế của các trường khí tượng trong từng năm cụ thể mà các đặc trưng hoàn lưu có thể xuất hiện sớm hơn hoặc lưu lại lâu hơn. 11 Trong mùa hè vẫn còn nhiều điểm không thống nhất giữa các kết quả phân tích số liệu thực đo cũng như mô hình tính toán hoàn lưu Biển Đông, tuy nhiên chúng ta vẫn có thể rút ra những đặc điểm chung và cơ bản nhất của hoàn lưu mùa. Trước hết xu thế chung của cả hệ thống dòng chảy có hướng ngược hẳn so với hoàn lưu mùa đông, điều này cho thấy vai trò quyết định của quá trình tương tác biển-khí quyển khu vực, trong đó có trường gió đối với hoàn lưu biển. Xu thế chung của hoàn lưu nhiệt muối được khẳng định thông qua sự hiện diện của một hoàn lưu xoáy thuận chính cho toàn bộ Biển Đông. Trên vùng biển phía nam, đồng thời tồn tại một xoáy nghịch dọc theo kinh tuyến 110°E, vị trí của tâm xoáy nghịch này phụ thuộc vào cường độ và vị trí của khu vực hoàn lưu tách khỏi bờ Việt Nam. Bộ phận chủ yếu của dòng chảy đi từ phía nam biển của hoàn lưu chính vẫn tiếp tục đi lên theo hướng bắc và đông-bắc được tiếp tục tăng cường thêm trong quá trình chảy dọc ven bờ Trung Quốc và thoát ra biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan. Tác động của trường gió có thể gây nên sự biến động đáng kể của hoàn lưu trên khu vực này liên quan tới quá trình dịch chuyển của xoáy thuận Hoàng Sa và sự uốn dòng của trục dòng chảy chính có thể dẫn tới hiện tượng đổi hướng dòng chảy. Như vậy, khi gió hướng nam trên vùng ven bờ không áp đảo, thì hoàn lưu địa chuyển sẽ là thành phần chủ yếu của hoàn lưu tại khu vực này, điều này có thể giải thích các kết quả quan trắc dòng chảy hướng nam dọc bờ miền Trung tới tận khu vực nước trồi nam Trung Bộ. Điều kiện khí áp dẫn tới hình thành trường gió nêu trên cũng rất phổ biến đối với toàn dải ven biển bờ từ cửa đồng bằng Bắc Bộ cho đến nam Trung Bộ do hệ quả của sự tồn tại và hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới trong mùa hè dẫn đến sự phân hóa trường gió trên Biển Đông (Đinh Văn Ưu, 1995). Khi dải hội tụ nhiệt đới nằm về phía bắc gió tây-nam và nam trở nên áp đảo và yếu tố gió có vai trò quyết định trong vùng biển ven bờ dòng chảy tổng cộng sẽ có hướng bắc hoặc đông-bắc tương ứng các trường hợp quan trắc đã được phân tích trên đây. 12 Những đặc điểm cơ bản của hoàn lưu địa chuyển Biển Đông Hình thành do kết quả tương tác biển-khí quyển khu vực xích đạo nhiệt đới Đông Nam Á, với sự biến động mạnh của các trường khí tượng trên biển, các trường nhiệt độ và độ muối cũng có sự biến động đáng kể giữa các tháng trong năm. Sự biến động của các trường nhiệt muối là một trong hai nguyên nhân cơ bản tạo nên hoàn lưu tổng hợp của biển. Trong mùa đông, các kết quả phân tích đều cho thấy mức độ xâm nhập của các khối nước lạnh bắc vịnh Bắc Bộ và bắc Biển Đông về phía nam với các đặc trưng độ muối khác biệt nhau do nguồn gốc nước ven bờ và ngoài khơi tương ứng. Trong mùa này cũng thấy sự hiện diện của một vùng nước ấm nằm tại các khu vực trung tâm vịnh Bắc Bộ và ngoài khơi Biển Đông. Hoàn lưu nước tầng mặt Biển Đông trong mùa đông hình thành nên một xoáy thuận chính trên phần lớn khu vực biển sâu kèm theo hiện tượng cường hóa dòng dọc bờ miền trung Việt Nam. Tại vùng biển ngoài khơi nam Trung Bộ xoáy thuận lớn bị thu hẹp theo chiều ngang hình thành nên xoáy thuận nam Biển Đông với dải hội tụ theo hướng kinh tuyến. Tại vùng biển tây Luzon tồn tại một xoáy thuận phụ khá ổn định bị tách khỏi xoáy thuận phía nam bởi một xoáy nghịch trung tâm biển. Trên vùng biển bắc Borneo dòng chảy sát bờ đi về phía tây-nam đã hình thành nên các xoáy nghịch nằm phía đông xoáy thuận nam Biển Đông. Trong mùa hè, trong xu thế chung của hoàn lưu xoáy nghịch trên toàn biển, có thấy sự xuất hiện hai xoáy nghịch nhỏ hơn tại các khu vực ngoài khơi nam Trung Bộ và bắc Hoàng Sa. Giữa hai xoáy nghịch này là một xoáy thuận gần bờ biển sâu Trung Bộ. Trong các điều kiện nhất định, xoáy thuận này có thể bao gồm cả vùng hoạt động nước trồi do hiệu ứng phân hóa trường gió gần bờ Việt Nam cũng và các phần uốn của dòng chảy chính đi về phía bắc và đông bắc biển. Những sơ đồ này một mặt khẳng định những đặc trưng cơ bản của hoàn lưu địa chuyển quy mô lớn trong hai mùa, mặt khác cũng cho ta thấy sự hiện diện của các xoáy cục bộ và sự biến động của chúng giữa các năm so với sơ đồ hoàn lưu chung. 13 Một số bộ phận hoàn lưu cục bộ trong Biển Đông Như đã phân tích trong phần hoàn lưu địa chuyển và hoàn lưu chung, trong cả hai mùa và trên phạm vi Biển Đông luôn có sự hiện diện của các bộ phận hoàn lưu cục bộ có kích thước khác nhau được hình thành do một số nhân tố mang tính địa phương như địa hình, sự phân hóa gió hay xâm nhập của các dòng chảy lớn vào biển. Tại vùng đông bắc biển do kết quả tương tác giữa dòng Kuroshio và hoàn lưu Biển Đông với mức độ xâm nhập khác nhau của nước Thái Bình dương vào phần nam eo Luzon luôn tồn tại các xoáy ngược chiều nhau nằm về hai phía của dòng xâm nhập chính. Những xoáy này được Fang dẫn ra dưới các tên: xoáy thuận tây-nam Luzon; dòng ven tây Luzon. Trên dải gần bờ Trung Quốc, bên cạnh dòng chảy Quảng Đông biến đổi theo hướng gió thịnh hành trong hai mùa, dòng chảy ấm bắc Biển Đông có hướng không đổi trong cả hai mùa được xem như phần liên kết rìa ngoài của các xoáy phía bắc dòng xâm nhập chính từ eo Luzon. Do có gốc xuất phát từ vùng biển ấm phía nam cũng như Kuroshio nên luôn có nhiệt độ nước ấm hơn và chảy ngược chiều gió trong mùa đông. Trong sự hình thành của dòng chảy này vai trò của địa hình đáy, trong đó có sườn lục địa Trung Quốc và đảo Hải Nam như bức tường ngăn các dòng chảy có nguồn gốc khác nhau từ phía đông tới tạo nên hiện tượng uốn dòng và tăng mực nước phía bờ tây tạo nên dòng gradient ngược chiều gió. Đặc điểm quan trọng của hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ là sự tồn tại trong cả năm của dòng chảy ven bờ tây vịnh. Bên cạnh hoàn lưu trong dạng xoáy thuận nêu trên, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô hình hóa đều cho thấy sự hiện diện của một xoáy nghịch trên vùng biển phía bắc vịnh trong mùa hè. Nguyên nhân hình thành bức tranh hoàn lưu trong mùa hè trên vịnh Bắc Bộ được mô tả trên đây có thể lý giải bằng sự phân hóa về hướng gió trên vịnh do hoạt động kết hợp của áp thấp bắc Đông Dương và dải hội tụ nhiệt đới. Với hướng gió thịnh hành đông-nam từ Bạch Long Vỹ đến Hải Phòng, Quảng Ninh, sự hình thành hai xoáy đối lập dấu nằm hai phía bắc và nam hoàn toàn khẳng định vai trò của gió 14 trong mùa hè. Trong mùa đông, sự xâm nhập của dòng chảy Biển Đông góp phần làm tăng cường dòng chảy đi về phía nam ven bờ phía tây vịnh. Hoàn lưu trong vịnh Thái Lan cơ bản khác biệt nhau trong hai mùa, mùa đông trong dạng xoáy thuận và mùa hè trong dạng xoáy nghịch. Tuy nhiên các kết quả khảo sát (Wattayakorn G. et al, 1998) và mô hình hóa cho thấy sự tồn tại của một số xoáy quy mô vừa trong từng mùa tại các khu vực phía bắc vịnh, ven bờ Việt Nam và Malaysia. Những sự phân hóa này có thể được giải thích bởi sự phân hóa của trường gió trên vịnh và trên Biển Đông: gió Tây trên vịnh và Tây Nam trên Biển Đông trong mùa hè, Đông Bắc trên Biển Đông và Đông trên vịnh trong mùa đông. Ngoài ra quá trình trao đổi nước giữa vịnh với Biển Đông và sự biến đổi lưu lượng các sông cũng góp phần tạo ra sự đa dạng này. Một trong những đặc điểm của hoàn lưu cục bộ liên quan tới vùng biển Việt Nam là dòng chảy đi về phía nam ven bờ tây Nam Bộ trong cả hai mùa, điều này đã được nhiều kết quả khảo sát của Việt Nam khẳng định và thu được từ áp dụng phương pháp mô hình hóa . 1.2.2. Chế độ nhiệt muối Biển Đông Chế độ thủy văn biển Đông được quy định bởi điều kiện địa lý, đặc điểm khí hậu, các quá trình tương tác với các biển lân cận và hoàn lưu giữ vai trò quyết định, biển Đông trải dài theo phương kinh tuyến từ 3oS đến 23oN thuộc đới xích đạo và nhiệt đới Tây Thái Bình Dương. Phần đông của biển có độ sâu lớn từ 2000m đến 5500m chiếm 20% diện tích lại tiếp giáp với phần Tây Thái Bình Dương và các biển của Philippin là điều kiện quan trọng đối với các quá trình trao đổi nước qua các eo biển sâu và rộng Luzon, Đài Loan, Mindoro và Barabac. Khoảng 80% diện tích còn lại của biển Đông là thuộc thềm lục địa rộng lớn phía tây, trong đó Vịnh Thái Lan và Vịnh Bắc Bộ. Địa hình Vịnh Bắc Bộ bằng phẳng dạng lòng chảo nghiêng về phía đông nam. Nước biển Đông xâm nhập vào vịnh chủ yếu qua của đông nam rộng hơn 230km và sâu hơn 100m, một phần không lớn được truyền quy eo biển Quỳnh Châu (Trung Quốc) hẹp và nông. Vịnh Thái Lan ở phía tây nam là một vùng nước nông, độ sâu trung bình khoảng 60m, độ sâu lớn nhất ở trung tâm 15 khoảng 80m, địa hình không đơn điệu và ăn sâu vào phần đất liền, chỉ có một của giao lưu với nước biển Đông. Do đặc điểm riêng về địa lý, chế độ thủy văn của Vịnh Thái Lan và Vịnh Bắc Bộ mang tính địa phương. Phần phía nam của biển Đông, khả năng trao đổi nước với biển GiaVa có nguồn gốc Ấn Độ Dương không lớn. Có thể khẳng định quá trình trao đổi nước với phần tây bắc Thái Bình Dương giữ vai trò quyết định quá trình hình thành chế độ nhiệt muối biển Đông. Sự biến động của cấu trúc nước nhiệt đới có nguồn gốc Thái Bình Dương có quan hệ trước hết là chế độ khí hậu gió mùa, thứ yếu là yếu tố địa phương. Bảng 1.1: Các đặc trưng địa hình của một số eo biển chủ yếu của biển Đông Độ sâu (m) TT Tên eo biển Tính trung bình Chiều rộng nhỏ nhất (km) 1 Eo Đài Loan 69-70 127 2 Eo Luzon 2341 - 2600 372 3 Eo Mindoro 329-450 78 4 Eo Barabac 49-100 49 5 Eo Kanimata 29-40 116 6 7 Eo Gaspar Bankan 30-40 9-13 23 12 8 Malaca 12-30 35 Ghi chú Trao đổi trực tiếp với Đông Hải và Thái Bình Dương Trao đổi với Thái Bình Dương Trao đổi nước trực tiếp với các biển của Philippin Trao đổi trực tiếp với biển GiaVa Trao đổi nước trực tiếp với biển GiaVa Trao đổi trực tiếp với GiaVa Gián tiếp Gián tiếp theo kinh dài Malaca với biển Andaman của Ấn Độ Dương a) Chế độ nhiệt muối trong mùa gió đông bắc Lớp nước tựa đồng nhất mặt biển, trong thời kỳ mùa đông dưới tác dụng của gió mùa đông bắc nước lạnh tràn xuống phía nam trong hướng đông bắc – tây nam, khi gặp dòng chảy mạnh ở ven bờ Việt Nam đem khối nước lạnh nhiệt độ thấp (<24oC) của Vịnh Bắc Bộ tăng cường, các đường đẳng nhiệt độ 25oC bị ấn sâu xuống phía nam như các lưỡi nước lạnh đến tận vĩ tuyến 4oN – 5oN. Trong khi đó vùng biển đông nam thuộc Trường Sa, nam Philippin và bờ tây Kalimantan vẫn là 16 vùng nước mang đặc tính nhiệt đới xích đạo, nhiệt độ trung bình lớn hơn 27oC – 28oC, riêng vịnh Thái Lan nhiệt độ lớn hơn 27oC do địa hình nông. Trên bản đồ phân bố nhiệt độ lớp nước mặt trong thời kỳ gió mùa đông bắc thể hiện rất đậm nét ảnh hưởng của hoàn lưu nước mặt hướng đông bắc – tây nam và sự chênh lệch nhiệt độ giữa bờ tây bắc và đông nam lớp (8oC) (a) độ muối mùa đông (b)- nhiệt độ mùa đông o Hình 1.2: Phân bố nhiệt độ và độ mặn trung bình ( C, %o) tầng mặt tại Biển Đông (a)- độ muối mùa đông, (b) – nhiệt độ mùa đông (Biển Đông, tập II (2003), Khí tượng Thủy văn Động lực biển – Chương trình điều tra nghiên cứu biển cấp nhà nước KHCN -06 (1996 - 2000)) Độ muối trong thời kỳ mùa đông của lớp nước mặt thể hiện tính phân vùng do ảnh hưởng của gió đông bắc mang tính địa đới. Các đường đẳng trị độ muối thuộc khu vực trung tâm tựa song song với vĩ tuyến phản ánh xu thế ảnh hưởng của gió mùa từ bắc xuống nam và thể hiện phạm vi lan truyền của nước nhiệt đới Thái Bình Dương. Đối với vịnh Bắc bộ trong thời kỳ gió mùa đông bắc nước biển khơi có độ muối cao xâm nhập sâu vào vịnh, vùng nước giữa vịnh vẫn còn mang tính chất biển khơi, mặt khác nước lục địa đổ vào vịnh lúc này không lớn nên chủ yếu chỉ ảnh hưởng đến vùng nước sát bờ. Theo kết quả điều tra nghiên cứu của chương trình Việt – Trung 1960 nhận xét trong thời kỳ mùa đông ở ven bờ Vịnh Bắc Bộ Việt 17 Nam có 3 khối nước chính. Thứ nhất là khối nước nhạt ven bờ, tiếp theo là khối nước lạnh và cuối cùng là khối nước biển khơi chiếm thể tích lớn nhất ở vùng trung tâm và cửa vịnh. b) Chế độ nhiệt muối trong mùa gió tây nam Trong mùa gió tây nam trên toàn bộ lớp nước mặt vùng khơi nằm trong một nền nhiệt độ cao, trung bình 29oC. Vùng nước ven bờ có sự phân hóa do ảnh hưởng nước nông và nước lục địa đổ vào nên nhiệt độ nước thường cao hơn từ 1oC đến 2oC so với vùng biển khơi. Riêng khu vực biển ven bờ Nam Trung Bộ nền nhiệt thấp hơn ngoại vi từ 1oC đến 3oC do hoạt động nước trồi gió mùa tây nam từ tháng 5 đến tháng 9. Nước trồi hoạt động mạnh nhất vào tháng 7. (a) độ muối mùa hè (b)- nhiệt độ mùa hè o Hình 1.3: Phân bố nhiệt độ, độ muối trung bình ( C, %o) tầng mặt tại Biển Đông (a)- độ muối mùa hè, (b) – nhiệt độ mùa hè (Biển Đông, tập II (2003), Khí tượng Thủy văn Động lực biển – Chương trình điều tra nghiên cứu biển cấp nhà nước KHCN -06 (1996 - 2000)) Trường muối mùa hè tương đối phức tạp. Vùng biển khơi và khu vực đông bắc biển Đông độ muối có giá trị cao từ 33%o đến 34%o. Mặc dù thấp hơn mùa đông nhưng vẫn là nước nhiệt đới Thái Bình Dương. Khu vực ven bờ phía tây (Việt Nam, Trung quốc và Malayxia) độ muối luôn thấp, thấp hơn 32%o. Đặc điểm này có thể giải thích bằng ảnh hưởng của chế độ thủy văn lục địa. Điểm quan tâm hơn 18 cả là trên các bản đồ trường nhiệt muối mùa hè của Võ Văn Lành không cho phép đánh giá mức độ xâm nhập của nước biển Gia va vào Biển Đông qua các eo biển phía nam dưới tác động của gió mùa tây nam, trong khi đó ở phần đông bắc của biển vẫn thấy rõ nước Thái Bình Dương độ muối cao 34%o xâm nhập qua eo Luzon. Các bản đồ dòng chảy tầng mặt tháng 6 và 8 của Wyrki thể hiện rất rõ dòng nước từ biển Giava chảy vào phần phía nam Biển Đông qua eo Karimata. 1.2.3. Chế độ dòng chảy Biển Đông Dòng chảy tầng mặt mùa hè: Hình thành chủ yếu do trường gió Tây Nam với đặc điểm bị phân hóa mạnh bởi tác động của dải hội tụ nhiệt đới có vị trí trung bình vắt chéo qua biển theo hướng từ Tây Bắc đến Đông Nam. Về tổng thể trục chính của dòng chảy trên mặt biển hướng từ Tây Nam đến Đông Bắc kèm theo một hệ thống các xoát quy mô vừa. Do sự hiện diện và tăng cuờng của vùng nuớc ấm biển sâu ngoài khơi Ðông Nam Bộ, bộ phận xoáy nghịch phía Nam sau khi tách từ bờ ở khoảng vĩ tuyến 11°N được tăng cường. Vận tốc dòng chảy ở đây có giá trị trung bình vào khoảng 0,25 m/s với giá trị cực đại có thể vuợt quá 0,5 m/s. Hình 1.4: Hệ thống dòng chảy tầng mặt trên Biển Đông (Atlas Quốc gia) Trên vùng biển phía Tây và Bắc Hoàng Sa, so với dòng chảy gió, vai trò của dòng chảy nhiệt muối đã trở nên đáng kể và một nhánh của xoáy nghịch cơ bản tiếp tục hướng theo phía Ðông Bắc xuất phát từ cửa vịnh Bắc Bộ. Một nhánh khác sẽ huớng về phía Ðông trên vùng Nam Hoàng Sa sẽ gặp nhánh tách dòng từ vùng biển 19