LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình “Dự báo thủy văn biển” nhằm cung cấp cho sinh viên hải dương học những khái
niệm và nguyên lý cơ bản xây dựng những dự báo về những đặc trưng chế độ thủy văn các biển và
đại dương.
Phần mở đầu và chương 1 nêu lên những nhiệm vụ và tầm quan trọng của các dịch vụ thông
tin thủy văn cho các hoạt động kinh tế, khái quát các nguồn dữ liệu mà nhà hải dương học có thể
thu thập khi hình thành các tài liệu phục vụ thông tin và làm dự báo. Ở đây cũng mô tả về nội dung
và những đặc điểm của mỗi dạng dữ liệu theo nghĩa lợi dụng nó khi xây dựng các phương pháp dự
báo.
Chương 2 giới thiệu những nguyên lý vật lý và những phương pháp chung nhất để xây dựng
các mô hình dự báo. Thủ tục phân tích hồi quy với tư cách là công cụ chủ yếu để nhận các phương
trình dự báo được xét chi tiết. Phần còn lại của chương 2 mô tả những cách đánh giá chất lượng các
phương pháp dự báo.
Vì phần lớn các sơ đồ dự báo những tham số thủy văn biển dựa trên tương tác đại dương khí
quyển, các chương 3 và 4 mô tả những phương pháp tính tới hoàn lưu khí quyển, đặc điểm của các
trường khí áp, trường gió và các hợp phần cân bằng nhiệt, trong đó chú trọng những phương pháp
thể hiện giải tích các trường khí tượng và hải văn.
Các chương từ 5 đến 8 giành tổng quan những phương pháp cụ thể được dùng rộng rãi để dự
báo từng tham số động lực và nhiệt độ nước đại dương.
Một số ví dụ về dự báo dài hạn và những giả thiết, những phát hiện của các nhà khoa học nổi
tiếng về những biến động dao động chung của hệ thống khí quyển − đại dương như là cơ sở của dự
báo siêu hạn được giới thiệu trong chương 9.
Cuốn sách này được viết dựa theo cuốn sách giáo khoa cùng tên của các tác giả K. I.
Kyđriavaia, E. I. Seriakov và L. I. Scriptunova, xuất bản năm 1974 và cuốn cẩm nang “Hướng dẫn
về dự báo thủy văn biển” năm 1994 của Viện Nghiên cứu Khoa học Khí tượng Thủy văn Liên bang
Nga.
4
MỞ ĐẦU
1. NHỮNG NHIỆM VỤ VÀ Ý NGHĨA PHỤC VỤ THỦY VĂN CHO CÁC CƠ SỞ KINH TẾ
Phục vụ khí tượng thủy văn cho các lĩnh vực có liên quan đến biển của kinh tế
là nhiệm vụ cơ bản của công tác phục vụ dự báo biển mà lịch sử phát triển của nó
luôn luôn gắn liền với những hoạt động của con người. Với sự phát triển của hàng
hải, xây dựng thủy công trình ở biển, những đòi hỏi về phục vụ thủy văn cho các
cơ sở kinh tế như các tài liệu tổng quan, những thông tin và dự báo thủy văn càng
ngày càng tăng và thay đổi về nội dung, chất lượng và hình thức.
Thông thường người phân loại tài liệu tổng quan gồm những kiến thức về
trạng thái của biển ở những thời gian đã qua, thông tin là trạng thái của biển trong
thời gian hiện tại, còn dự báo là những thông tin, những nhận định có cơ sở khoa
học về trạng thái của biển trong tương lai. Tất cả các dạng phục vụ thủy văn này
đều có ý nghĩa to lớn đối với hàng hải, ngành đánh bắt hải sản, xây dựng thủy công
trình và phòng thủ đất nước.
Đối với một nước có ngành giao thông đường biển và đội tàu đánh cá phát
triển, có nhiều hải cảng... thì dĩ nhiên những đòi hỏi phục vụ thủy văn biển càng
nhiều và công tác nghiên cứu chế độ thủy văn của các biển và đại dương càng mở
rộng.
Mỗi ngành kinh tế, mỗi hoạt động của con người trên biển đòi hỏi những dạng
tài liệu khác nhau về biển. Nếu như để thiết kế các công trình kỹ thuật trên biển và
ven bờ biển người ta cần những tài liệu về chế độ nhiều năm (các giá trị trung
bình, cực đại, cực tiểu của các yếu tố khí tượng, vật lý thủy văn, tần số lặp lại của
chúng), thì đối với hàng hải, dẫn dắt tàu, lắp đặt các hệ thống kỹ thuật trong biển,
người ta cần cả những thông tin "thời tiết" đang có của biển lẫn những dự báo về
các yếu tố thủy văn biển như sóng, dòng chảy... và những dự báo này thường có ý
nghĩa lớn hơn.
Ngày nay, bên cạnh việc đảm bảo an toàn chạy tàu trên biển, người ta còn
quan tâm tới hiệu quả cao nhất của mỗi chuyến chạy tàu. Tại các nước có ngành
kinh tế giao thông biển phát triển như Anh, Mỹ, Nga... ngành phục vụ thủy văn còn
đảm nhận cả dịch vụ đảm bảo những đường bơi tối ưu cho các tàu viễn dương. Đây
là một hình thức phục vụ thủy văn mới và hứa hẹn, đang phát triển mạnh mẽ. Đồng
thời hình thức phục vụ này lại đề ra những yêu cầu lớn hơn đối với các dự báo gió,
dòng chảy, sóng, độ đóng băng... trên những vùng rộng lớn của đại dương.
Ngành cá biển và công nghiệp khai thác khoáng sản và dầu khí trên biển cũng
5
cần nhiều thông tin về trạng thái của biển. Những tháp khoan, những cầu nối,
đường ống được thiết kế, xây dựng ở vùng thềm lục địa để khai thác dầu, khí và
các khoáng sản khác cũng cần được phục vụ thủy văn một cách toàn diện. Trong
xây dựng các công trình kỹ thuật và khai thác cá ở miền bờ, những dự báo về sóng,
dòng chảy, dao động mực nước và các hiện tượng băng (đối với các nước ở vùng vĩ
độ cao) vô cùng quan trọng.
Phục vụ thủy văn biển thâm nhập cả vào các hoạt động của hải quân. Ở đây
cần thiết những dự báo dao động mực nước biển, dòng chảy, thời gian xuất hiện
những hiện tượng băng. Lịch sử biết đến nhiều cuộc dự báo trôi mìn đã ngăn chặn
nguy hiểm cho bao nhiêu sinh mạng con người và tàu thuyền, những dự báo điều
kiện thủy văn và động lực biển cho các cuộc đổ bộ quân đội. Gần đây, do phát
triển của hạm tàu ngầm hoạt động trong biển và đại dương, người ta đặc biệt quan
tâm đến vai trò của những dự báo đặc thù như dự báo về phân bố theo phương
thẳng đứng của nhiệt độ nước đại dương, diễn biến của các lớp đột biến nhiệt độ,
mật độ ở các vùng biển khác nhau.
Ở nhiều nước, việc thông báo kịp thời cho các cơ sở sản xuất, các cơ quan nhà
nước về những hiện tượng thủy văn nguy hiểm và đặc biệt nguy hiểm như các vụ
nước dâng, nước dạt lớn, sóng thần, đóng phủ băng đối với tàu thuyền... có ý nghĩa
hết sức quan trọng.
Như vậy, ngành phục vụ khí tượng thủy văn đã và đang thực hiện những
nhiệm vụ đa dạng. Hiệu quả của sự phục vụ, dĩ nhiên, càng ngày càng tăng và quy
định một mặt bởi các hoạt động sản xuất, kinh tế và các lĩnh vực khác của con
người ngày càng phát triển rộng và sâu, yêu cầu dung lượng khoa học kỹ thuật cao
hơn, mặt khác bởi trình độ các phương pháp nghiên cứu và dự báo biển ngày một
hoàn thiện. Hai mặt đó quan hệ hữu cơ với nhau và luôn thúc đẩy nhau phát triển.
2. CÁC KHÁI NIỆM THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN
Các thông tin thủy văn biển là các tài liệu quan trắc, kết quả xử lý tài liệu
quan trắc về thủy văn biển và đại dương, tập hợp những công trình nghiên cứu của
các cơ quan phục vụ dự báo biển nhằm đảm bảo cho hoạt động kinh tế, kỹ thuật,
những tư liệu về trạng thái của biển trong ngày qua và trong một thời kỳ ngắn đã
qua (đến 10 ngày). Những tư liệu này giúp đánh giá hoàn cảnh, tình huống thủy
văn trên biển (như sóng, hải lưu, nhiệt độ, phân bố băng...). Nếu không quán xuyến
được trạng thái của biển ở thời điểm hiện tại thì cũng không thể lập được dự báo
hoàn cảnh thủy văn biển trong tương lai.
Dự báo thủy văn biển là đoán trước, tính trước một cách có cơ sở khoa học
những thay đổi của các đặc trưng thủy văn, một hiện tượng nhất định hay một yếu
tố của chế độ thủy văn dựa trên những sự hiểu biết về các quy luật vật lý thủy
quyển và khí quyển có tính đến các điều kiện địa lý, tự nhiên địa phương. Trong
các dự báo phải phản ánh được đặc trưng định lượng và định tính của hiện tượng
dự báo và thời gian xuất hiện của nó trong một vùng hay một địa điểm cụ thể.
Lập và đưa ra các dự báo là giai đoạn quan trọng và đầy trách nhiệm trong
6
công việc của cơ quan phục vụ dự báo. Yêu cầu và đòi hỏi của các cơ sở kinh tế
trong lĩnh vực dự báo biển rất lớn và ngày càng gia tăng.
7
CHƯƠNG 1 - THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN
1.1. MẠNG LƯỚI THÔNG TIN
Nguồn để nhận thông tin có hệ thống về trạng thái hiện tại của biển là những
quan trắc của các trạm khí tượng thủy văn trên bờ và trên tàu khảo sát, nghiên cứu,
các tàu thời tiết, các trạm phao hoạt động độc lập, những quan trắc hải dương học
từ máy bay và vệ tinh.
Tổ chức thực hiện mạng lưới thông tin hải dương học thường rất tốn kém và
phức tạp. Mạng lưới thông tin được tổ chức sao cho số trạm thông tin càng ít càng
tốt, song vẫn đảm bảo được công tác phục vụ bình thường. Muốn vậy phải tuân thủ
những yêu cầu sau đây:
1) Phải đáp ứng được những đòi hỏi của các cơ sở kinh tế;
2) Phải đảm bảo tính đặc trưng của các dữ liệu thu được;
3) Phân bố các lưới thông tin phải phù hợp với sự cần thiết tìm hiểu đặc điểm
thủy văn, phù hợp kích thước của biển, vịnh, eo biển...
4) Phải có các phương tiện liên lạc đảm bảo truyền thông tin an toàn và kịp
thời.
Những đài, trạm khí tượng thủy văn ven bờ cung cấp những số liệu, tin tức
đặc trưng cho chế độ khí tượng thủy văn ở vùng gần bờ và có thể một phần vùng
biển lân cận. Nguồn thông tin này từ lâu vẫn là nguồn cơ bản trong công tác của
các cơ quan dự báo biển. Đặc điểm quý giá nhất của nguồn dữ liệu này là nó cung
cấp những dữ liệu đầy đủ, liên tục và chính xác nhất. Những thông tin do nguồn
này cung cấp thường được dùng trong những nghiên cứu khoa học, trong khi xây
dựng và kiểm nghiệm các phương pháp dự báo.
Các trạm khí tượng thủy văn trên tàu được tổ chức trên những tàu hàng hải,
tàu đánh cá và các tàu nghiên cứu khoa học. Nhìn chung cho đến ngày nay số trạm
kiểu này trên thế giới đã tương đối nhiều. Tuy nhiên chúng phân bố không đều trên
đại dương và các biển, phân bố không đều về thời gian hoạt động và thành phần
các quan trắc. Thông thường phần lớn các tàu hoạt động trên đại dương và biển
cung cấp những số liệu quan trắc tối thiểu về các yếu tố khí tượng biển, một vài
yếu tố thủy văn mặt biển. Chỉ có những tàu khoa học chuyên dụng mới thực hiện
quan trắc đầy đủ các yếu tố, trong đó có những trạm hải văn nước sâu, trạm hải
văn liên tục là dạng dữ liệu phục vụ những mục đích nghiên cứu chuyên sâu.
Những tàu khoa học thực hiện một tập hợp đầy đủ những quan trắc và nghiên cứu
theo một chương trình được cân nhắc trước theo những mục tiêu, nhiệm vụ chuyên
8