T¹p chÝ Khoa häc ®hqghn, KHTN & CN, T.xxI, Sè 3PT., 2005
Mét sè kÕt qu¶ kh¶o s¸t tr−êng tèc ®é ©m biÓn §«ng
Ph¹m V¨n HuÊn, Ph¹m Hoµng L©m
Khoa KhÝ t−îng Thñy v¨n vµ H¶i d−¬ng häc,
Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §HQG Hµ Néi
Tãm t¾t: C¬ së d÷ liÖu vÒ nhiÖt ®é vµ ®é muèi biÓn §«ng gåm 137 181 tr¹m
quan tr¾c ®−îc khai th¸c ®Ó tÝnh tèc ®é ©m trong n−íc biÓn. Vïng biÓn §«ng giíi
h¹n tõ 99oK§ ®Õn 120oK§, tõ 2oVB ®Õn 24oVB ®−îc chia thµnh m¹ng l−íi víi
b−íc 0,5o trªn c¸c ph−¬ng kinh tuyÕn vµ vÜ tuyÕn. T¹i mçi ®iÓm nót l−íi ®· tÝnh
ph©n bè th¼ng ®øng trung b×nh th¸ng cña tèc ®é ©m. Tõ ®ã x©y dùng c¸c mÆt c¾t
th¼ng ®øng cña tèc ®é ©m øng víi c¸c vÜ tuyÕn 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11
vµ 10 oVB. KÕt qu¶ ph©n tÝch ph©n bè tèc ®é ©m theo mÆt réng biÓn cho thÊy
trong thêi kú mïa ®«ng, thÝ dô th¸ng 1, sù vËn chuyÓn n−íc do dßng ch¶y l¹nh
mïa ®«ng lµm gi¶m tèc ®é ©m trong líp n−íc mÆt ë phÇn phÝa b¾c vµ ®«ng b¾c
biÓn §«ng.
Trªn toµn vïng kh¬i biÓn §«ng quan s¸t thÊy tÇng cùc tiÓu chÝnh cña tèc ®é ©m
(trôc kªnh ©m ngÇm ®¹i d−¬ng) t¹i ®é s©u biÕn thiªn trong kho¶ng 900 - 1000m,
ë trung t©m c¸c vïng kh¬i cã thÓ tíi s©u h¬n, 1200m.
KÕt qu¶ tÝnh ®−êng ®i tia ©m ®èi víi tr−êng hîp nguèn t¹i ®é s©u 30, gãc më
nguån 30o nhËn ®−îc b¸n kÝnh vïng tèi ©m trªn mÆt kho¶ng 50 m, b¸n kÝnh
ngoµi cña vµnh khuyªn s¸ng ©m gÇn nguån trªn mÆt b»ng kho¶ng 300 ®Õn
500m.
C¸c ®Æc tr−ng ©m häc cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó chØ thÞ c¸c khèi n−íc, nghiªn cøu
c¸c dßng ch¶y, sãng mÆt vµ sãng ngÇm, b¨ng biÓn. C¸c ph−¬ng ph¸p ©m häc ®−îc ¸p
dông réng r·i khi gi¶i quyÕt nhiÒu bµi to¸n øng dông. §ã lµ viÖc t×m vµ khai th¸c vïng
tËp trung c¸, t×m kiÕm kho¸ng s¶n cã Ých trªn ®¸y biÓn vµ ®¹i d−¬ng, ®¶m b¶o hµng h¶i
vµ dÉn tÇu... §Æc biÖt ph¶i kÓ tíi viÖc sö dông réng r·i c¸c ph−¬ng ph¸p ©m häc trong
lùc l−îng h¶i qu©n [4]. Trong khi ®ã viÖc nghiªn cøu ©m häc biÓn ë n−íc ta cßn Ýt [2, 3].
LÇn ®Çu tiªn kªnh ©m ngÇm ®−îc ph¸t hiÖn n¨m 1946 trong thêi gian kh¶o s¸t ë
biÓn NhËt B¶n, sau ®ã ®−îc c¸c nhµ khoa häc Nga L. M. Brekhovskich vµ L. §.
Rozenberg gi¶i thÝch. Gi¸ trÞ thùc tiÔn cña kªnh ©m ngÇm rÊt to lín. HiÖn t−îng truyÒn
©m ®i xa bªn trong kªnh ©m ngÇm lµ c¬ së cña thñy ©m häc hiÖn ®¹i.
Ngoµi liªn l¹c vµ ph¸t tÝn hiÖu d−íi n−íc, kªnh ©m ngÇm cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó
gi¶i quyÕt trùc tiÕp nh÷ng bµi to¸n h¶i d−¬ng häc. ThÝ dô, x©y dùng hÖ thèng tr¾c ®¹c
©m häc, cho phÐp tiÕn hµnh quan tr¾c liªn tôc vÒ tr¹ng th¸i vµ chuyÓn ®éng cña c¸c
khèi n−íc theo nh÷ng ®Æc tr−ng tÝch ph©n cña c¸c tÝn hiÖu ©m cïng lóc trªn nh÷ng
vïng n−íc réng lín cña ®¹i d−¬ng vµ biÓn.
Trong bµi nµy, xuÊt ph¸t tõ c¬ së d÷ liÖu phong phó vÒ c¸c ®Æc tr−ng h¶i d−¬ng
häc c¬ b¶n nh− nhiÖt ®é vµ ®é muèi, ®· kh¶o s¸t nh÷ng ®Æc ®iÓm chÝnh cña tr−êng tèc
®é ©m trong biÓn §«ng, tÝnh to¸n bøc tranh khóc x¹ tia ©m trong n−íc biÓn ®Ó rót ra
mét sè ®Æc tr−ng chñ yÕu cña sù truyÒn ©m trong biÓn nµy.
44
Mét sè kÕt qu¶ kh¶o s¸t tr−êng tèc ®é ©m biÓn §«ng 45
1. C¸ch thøc xö lý sè liÖu nhiÖt ®é vµ ®é muèi
C¬ së d÷ liÖu vÒ c¸c ®Æc tr−ng vËt lý c¬ b¶n cña n−íc biÓn §«ng lµ nhiÖt ®é vµ ®é
muèi gåm 137 181 tr¹m quan tr¾c ®· ®−îc thu thËp vµ kiÓm tra ®Ó lo¹i trõ nh÷ng sai sè
th«. Vïng biÓn ®−îc kh¶o s¸t giíi h¹n tõ vÜ tuyÕn 2 ®Õn 240VB, tõ 99 ®Õn 1200K§ ®−îc
chia thµnh nh÷ng « vu«ng cã c¹nh 0,50 theo c¸c ph−¬ng kinh tuyÕn vµ vÜ tuyÕn. T¹i mçi
®iÓm nót cña miÒn l−íi nµy ®· tiÕn hµnh néi suy tuyÕn tÝnh gi¸ trÞ nhiÖt ®é vµ ®é muèi
vÒ 45 tÇng s©u, trong ®ã ë c¸c líp gÇn mÆt biÓn cã sè tÇng s©u mau h¬n so víi c¸c líp
d−íi s©u. Nh− vËy nhËn ®−îc hai ma trËn ba chiÒu vÒ nhiÖt ®é vµ ®é muèi cho tõng
th¸ng trong n¨m.
2. Ph−¬ng ph¸p tÝnh tèc ®é ©m trong n−íc biÓn vµ quy tr×nh x©y dùng quü
®¹o cña tia ©m
XuÊt ph¸t tõ c¸c tr−êng nhiÖt ®é vµ ®é muèi trung b×nh th¸ng nhiÒu n¨m trªn
®©y ®· x¸c ®Þnh tèc ®é ©m theo mét trong nh÷ng c«ng thøc thùc nghiÖm cã ®é chÝnh x¸c
cao vµ phæ dông lµ c«ng thøc cña Wilson W. D (xem [1]:
PTSPST CCCC14,1449C
+
+
+
+
=, (1)
trong ®ã C tÝnh b»ng m/s; c¸c hiÖu chØnh do nhiÖt ®é kh¸c víi 0°C ( ), ®é muèi kh¸c
víi 35%o ( ), ¸p suÊt kh¸c víi ¸p suÊt khÝ quyÓn ( ) vµ hiÖu chØnh tæng hîp ( )
®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c c«ng thøc:
T
C
S
CP
CPTS
C
463422
TT109851,7T1060445,2T104532,4T 5721,4C −−− ⋅+⋅−⋅−= ;
23
S)35S(1069202,1)35S(39799,1C −⋅+−= −;
;P103603,3P105216,3P100268,1P1060272,1C 41239263
P−−−− ⋅−⋅+⋅+⋅=
+⋅+⋅−−= −− 272
PTS T107711,7T101244,1( )35S(C +⋅−⋅ −− 275 P102943,1P107016,7
+⋅+⋅ −− )PT105790,1PT101580,3 298 +⋅+⋅− −− 264 T104812,7T108607,1( P
+⋅−+⋅ −− T105294,2(P)T105283,4 7238 ).T109646,1(P)T108563,1 10329 −− ⋅−+⋅
trong ®ã tÝnh b»ng kg/cm−P2.
B»ng c«ng thøc nµy ®· nhËn ®−îc ph©n bè th¼ng ®øng cña tèc ®é ©m t¹i tÊt c¶
c¸c ®iÓm thuéc vïng n−íc trªn biÓn §«ng, kho¶ng trªn mét ngµn ®iÓm. Trong môc 3 sÏ
rót ra mét sè nhËn xÐt vÒ ®Æc ®iÓm ph©n bè tèc ®é ©m ë biÓn §«ng trªn c¬ së ph©n tÝch
biÕn thiªn kh«ng gian cña tr−êng tèc ®é ©m t¹i nh÷ng mÆt c¾t th¼ng ®øng ®iÓn h×nh ë
biÓn §«ng.
Víi mçi tr¾c diÖn th¼ng ®øng cña tèc ®é ©m ®· tiÕn hµnh tÝnh to¸n sù khóc x¹ tia
©m trong n−íc biÓn. Quy tr×nh tÝnh ®−êng ®i cña tia ©m thùc hiÖn trªn c¬ së gi¶ thiÕt
r»ng sù khóc x¹ tia ©m chØ x¶y ra trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng. Gi¶ thiÕt r»ng toµn bÒ
dµy n−íc biÓn ®−îc chia thµnh nhiÒu líp (44 líp), trong ph¹m vi mçi líp tèc ®é ©m biÕn
thiªn tuyÕn tÝnh víi ®é s©u, tøc gradient th¼ng ®øng cña tèc ®é ©m trong mçi líp kh«ng
®æi. Trong tr−êng hîp nµy ®−êng ®i cña tia ©m sÏ lµ ®−êng trßn víi b¸n kÝnh
R
x¸c
®Þnh theo c«ng thøc (xem [1])
Ph¹m V¨n HuÊn, Ph¹m Hoµng L©m
46
ασ
cos
c
o
C
R=, (2)
vµ t©m cã c¸c täa ®é:
α
σ
=tg
C
x
c
o
o;
c
o
oC
z σ
−= , (3)
trong ®ã tèc ®é ©m t¹i nguån ph¸t; −
o
C
−
σ
c gra®ien tèc ®é ©m theo ph−¬ng th¼ng
®øng; −
α
gãc ra cña tia ©m so víi ph−¬ng ngang, tøc trôc
x
.
D−íi ®©y tr×nh bµy quy tr×nh tÝnh khóc x¹ tia ©m trong m«i tr−êng n−íc biÓn do
chóng t«i x©y dùng ®Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n tù ®éng bøc tranh khóc x¹ tia ©m trong n−íc
biÓn trong ®iÒu kiÖn bÊt ®ång nhÊt tèc ®é ©m trªn ph−¬ng th¼ng ®øng (h×nh 1).
Ph−¬ng tr×nh quü ®¹o ®−êng trßn cña tia ©m trong líp tõ m¸y ph¸t ®Õn ®é s©u
sÏ cã d¹ng:
1
z
22
o
2
oR)zz()xx( =−+− .
Sau khi thÕ c¸c gi¸ trÞ cña vµo ph−¬ng tr×nh nµy vµ rót gän ta ®−îc
Rzx oo ,,
0z
C
2zx tg
C
2x
c
o
2
c
o
2=
σ
−+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛α
σ
−. (4)
ThÕ gi¸ trÞ ®é s©u vµo to¹ ®é
1
z
z
trong ph−¬ng tr×nh trªn ta nhËn ®−îc ph−¬ng
tr×nh ®¹i sè bËc hai ®èi víi to¹ ®é d−íi d¹ng
x
0
C
2z zx tg
C
2x
c
o
11
c
o
2=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
σ
−+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛α
σ
−. (5)
ii
'
σ
c =const
x
o
z = 0
Co
C1
β
z
O
zo
z = z1
H×nh 1. §−êng ®i cña tia ©m trong n−íc biÓn ph©n líp
Muèn t×m täa ®é ngang cña giao ®iÓm cña tia ©m víi biªn ph©n c¸ch hai líp ta
ph¶i gi¶i ph−¬ng tr×nh (5) ®èi víi Èn sè lµ
1
z
x
. Cã thÓ x¶y ra ba tr−êng hîp sau ®©y:
Mét sè kÕt qu¶ kh¶o s¸t tr−êng tèc ®é ©m biÓn §«ng 47
a) Khi ph−¬ng tr×nh (5) cã hai nghiÖm riªng biÖt, tøc cã hai gi¸ trÞ cña , ta cÇn
chän lÊy mét nghiÖm phï hîp: thÝ dô, nÕu ®−êng trßn quü ®¹o tia ©m quay bÒ lâm
lªn trªn th× chän lÊy gi¸ trÞ nhá nhÊt trong hai nghiÖm, ®ã sÏ lµ giao ®iÓm thø nhÊt cña
tia ©m khi ®i tõ trªn xuèng tíi biªn ph©n c¸ch .
x
1
x
1
z
b) Khi ph−¬ng tr×nh cã mét nghiÖm kÐp, gi¸ trÞ nghiÖm chÝnh lµ tiÕp ®iÓm cña
tia ©m víi biªn ph©n c¸ch . Trong tr−êng hîp nµy tia ©m ph¶n x¹ toµn phÇn t¹i biªn
ph©n c¸ch vµ tiÕp tôc ®i lªn phÝa trªn.
1
x
1
z
1
z
c) NÕu ph−¬ng tr×nh v« nghiÖm, ®iÒu ®ã cã nghÜa r»ng tia ©m ®· ph¶n x¹ toµn
phÇn t¹i mét ®é s©u nhá h¬n so víi ®é s©u ®ang xÐt. Trong tr−êng hîp nµy ph¶i t×m
®é s©u nhá h¬n, t¹i ®ã x¶y ra ph¶n x¹ toµn phÇn cña tia ©m. B»ng gi¶i tÝch ®iÒu nµy
cã thÓ thùc hiÖn b»ng c¸ch kh¶o s¸t biÖt sè cña ph−¬ng tr×nh (5), tøc t×m gi¸ trÞ sao
cho tho¶ m·n ®¼ng thøc:
1
z
1
z
1
z
0tg
C
z
C
2z
2
c
o
1
c
o
2
1=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛α
σ
−
σ
−. (6)
ThÊy r»ng cã thÓ cã hai gi¸ trÞ cña tho¶ m·n ®¼ng thøc nµy vµ ng−êi ta ph¶i
chän gi¸ trÞ nµo gÇn víi ®é s©u biªn ph©n c¸ch ®· cho.
1
z
1
z
NÕu tia ©m tiÕp tôc ®i xuèng líp d−íi, th× gãc tíi cña tia ©m t¹i biªn ph©n c¸ch
sÏ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch tÝnh trÞ sè tang cña gãc nghiªng cña tiÕp tuyÕn víi ®−êng
trßn quü ®¹o tia ©m (4) t¹i ®iÓm . LÊy ®¹o hµm
i
1
z
)z ,x( 11 dx
dz theo ph−¬ng tr×nh (4) ta
®−îc c«ng thøc tÝnh gãc gi÷a trôc vµ tia ©m t¹i ®iÓm nh− sau:
x),( 11 zx
0
0
1
0
0
1
1C
z
tg
C
x
dx
dz
tg
1
zz
1
xx
σ
−
α
σ
−
==α
=
=. (7)
Tõ ®iÓm cã to¹ ®é ta tiÕp tôc tÝnh quü ®¹o tia ©m trong líp tõ tÇng quan
tr¾c ®Õn tÇng quan tr¾c theo quy tr×nh hoµn toµn t−¬ng tù nh− trªn vµ qu¸ tr×nh
tÝnh lÆp l¹i cho ®Õn tÇng cuèi cïng cña tr¹m quan tr¾c hoÆc tíi ®¸y.
),( 11 zx
1
z2
z
3. Mét sè ®Æc ®iÓm ph©n bè tèc ®é ©m ë vïng kh¬i biÓn §«ng vµ c¸c ®Æc tr−ng
®−êng ®i cña tia ©m
Trªn h×nh 2 dÉn thÝ dô vÒ ph©n bè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é, ®é muèi vµ tèc ®é ©m
t¹i mét ®iÓm thuéc vïng kh¬i biÓn §«ng trong th¸ng Giªng. Sù biÕn thiªn m¹nh cña
nhiÖt ®é trong líp nªm nhiÖt mïa quyÕt ®Þnh sù gi¶m tèc ®é ©m trong líp trªn cña biÓn
tõ mÆt tíi kho¶ng ®é s©u 800−1000 m.
Ph¹m V¨n HuÊn, Ph¹m Hoµng L©m
48
5 10152025
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
34.3 34.4 34.5 34.6
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
1490 1500 1510 1520 1530
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
a) b) c)
H×nh 2. Ph©n bè th¼ng ®øng nhiÖt ®é (
a
), ®é muèi (
b
) vµ tèc ®é ©m (
c
) t¹i ®iÓm 110,5oK§−13,5oVB
§é muèi th−êng kh«ng cã vai trß ®¸ng kÓ lµm biÕn thiªn tèc ®é ©m. T¹i mét sè
®iÓm, c¸c th¸ng mïa ®«ng, do ¶nh h−ëng cña l−ìi n−íc l¹nh, mÆn tõ phÝa ®«ng b¾c biÓn
x©m nhËp vµo biÓn g©y nªn cùc ®¹i côc bé cña ®é muèi t¹i ®é s©u vµi tr¨m mÐt (xem
h×nh 2 b) chØ lµm cho ph©n bè tèc ®é ©m Ýt nhiÒu thay ®æi trong líp nµy.
Vai trß cña nhiÖt ®é mÆt biÓn thÓ hiÖn ë sù ph©n hãa tèc ®é ©m theo ®íi b¾c nam
thÓ hiÖn kh¸ râ vµo mïa ®«ng. Trong c¸c th¸ng mïa ®«ng dßng ch¶y l¹nh gãp phÇn
h×nh thµnh c¸c ®−êng ®¼ng trÞ tèc ®é ©m cã d¹ng l−ìi x©m nhËp tõ phÝa b¾c vµ ®«ng
b¾c biÓn (h×nh 3). Trong mïa hÌ tr−êng tèc ®é ©m mÆt biÓn ®ång nhÊt h¬n, nh−ng tån
t¹i mét vïng thiªn gi¶m tèc ®é ©m trïng víi vïng ho¹t ®éng cña n−íc tråi gÇn bê Nam
Trung Bé, ViÖt Nam (h×nh 4).
B¾t ®Çu tõ kho¶ng ®é s©u 800 − 900 m hoÆc 1000−1200 m, khi nhiÖt ®é kh«ng cßn
biÕn thiªn m¹nh theo ®é s©u th× vai trß cña ¸p suÊt b¾t ®Çu lµm t¨ng tèc ®é ©m. V× vËy
t¹i vïng kh¬i biÓn §«ng th−êng quan s¸t thÊy cùc tiÓu chÝnh cña tèc ®é ©m ë c¸c ®é s©u
kho¶ng tõ 900 ®Õn 1200 m phï hîp víi quy luËt chung cña vïng nhiÖt ®íi Th¸i B×nh
D−¬ng. H×nh 7 lµ thÝ dô vÒ b¶n ®å ph©n bè ®é s©u cùc tiÓu chÝnh cña tèc ®é ©m (trôc
kªnh ©m ngÇm ®¹i d−¬ng).
