CHƯƠNG 9 - DỰ BÁO DÀI HẠN CÁC YẾU TỐ THỦY VĂN BIỂN
9.1. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN DÀI HẠN
hững dự báo thủy văn dài hạn có thời gian báo trước từ một đến sáu tháng,
những dự báo siêu dài hạn - từ sáu tháng đến một năm và thậm chí vài năm.
hi lập dự báo, tuỳ thuộc vào thời gian báo trước của dự báo người ta chọn
những yếu tố tiên lượng do ảnh hưởng của chúng mà đại lượng được dự báo biến
đổi.
ệc xây dựng những phương pháp dự báo ngắn hạn và dài hạn có những hình
thức khác nhau về nguyên tắc. Những biến đổi ngắn hạn của các yếu tố chế độ biển
hoàn toàn được quy định bởi tác động của các yếu tố khí tượng, trong đó phản ứng
của các yếu tố thủy văn đối với tác động của các yếu tố khí tượng có tính chất
đồng thời hoặc với một khoảng trễ nào đó. Vì vậy những dự báo thủy văn biển
ngắn hạn hoàn toàn dựa trên những dự báo khí tượng.
Với dự ết tính tới
những dao động chu kỳ dài của các yếu tố chế độ biển.
ượng một thời gian dài.
ền xuống toàn bộ lớp hoạt
động
động của biển là hoàn lưu khí quyển. Tác động của hoàn lưu sẽ khác nhau tuỳ
thuộc vào
N
K
Vi
báo dài hạn và siêu dài hạn vấn đề sẽ khác. Ở đây trước h
Biển hấp thụ và tích tụ năng lượng mặt trời, giữ năng l
Nhờ xáo trộn thẳng đứng, năng lượng mặt trời được truy
của biển, khi có các dòng chảy ổn định năng lượng được vận chuyển từ vùng
biển này sang vùng biển khác, đôi khi từ biển này sang biển khác.
Tuy nhiên, ngoài những quá trình diễn ra trong chính lớp hoạt động của biển,
một nhân tố bên ngoài quan trọng gây nên độ biến động nhiệt và động học của lớp
hoạt
trạng thái biển và bản thân khí quyển vào thời điểm lập dự báo. Vì vậy
trong các dự báo thủy văn dài hạn cần chú ý tới việc xác định những điều kiện ban
đầu tồn tại trong một thời kỳ dài trước dự báo. Trong các mối phụ thuộc dự báo,
ảnh hưởng của hoàn lưu khí quyển được kể tới không chỉ tại khoảng thời gian
trước dự báo mà cả trong thời gian dự báo. Và điều này đòi hỏi phải có dự báo khí
tượng.
Những mối phụ thuộc dự báo được xây dựng tuân theo những nguyên tắc như
vậy sẽ có độ đảm bảo cao, nhưng khi sử dụng chúng trong dự báo thực tế cần phải
có dự báo thời tiết với độ xác thực cao.
Một hướng các công trình nghiên cứu xây dựng các phương pháp dự báo biển
bỏ qua dự báo khí tượng, chú ý tới độ biến động của các yếu tố quyết định và khả
năng biến đổi của chúng trong tương lai [6,8]. Cơ sở của những nghiên cứu này là
86
sự tính tới tính kế thừa, tính có quán tính và các đặc điểm khác trong sự phát triển
của c
G QUAN NHỮNG PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DÀI HẠN NHIỆT ĐỘ VÀ CẤU TRÚC NHIỆT
L
iên theo hướng này thuộc về J. Ađem [1].
Mô hì ớp
dướin, các
nhân ùng
dự b c phương án riêng biệt như: chỉ tính tới xáo
trộn theo ph i dòng nhiệt đến từ khí quyển; tính tới vận
chuy
Khí tượng Thuỷ văn Liên bang Nga đã xây dựng và triển
dựaa Kalatxki [10,11] mô tả cân bằng nhiệt của lớp mặt
tự đồng nhất
ác quá trình khí tượng và thủy văn.
Tóm tại những quy luật cơ bản sử dụng trong dự báo biển dài hạn gồm:
1) Tính kế thừa trong sự phát triển của các quá trình khí tượng thủy văn.
2) Quán tính của các quá trình.
3) Phát hiện những sự giống nhau trong sự phát triển của các quá trình (chọn
những loại suy).
9.2. TỔN
ỚP GẦN MẶT Ở ĐẠI DƯƠNG
9.2.1. Các phương pháp thuỷ động lực học
Việc xây dựng các phương pháp dự báo dài hạn nhiệt độ nước trên cơ sở các
mô hình thủy nhiệt động lực liên quan tới rất nhiều khó khăn, trong đó đáng kể
nhất là sự thiếu vắng những dự báo khí tượng dài hạn tin cậy và việc tính tới các
nhân tố bình lưu.
a) Một trong những thử nghiệm đầu t
nh dự báo của ông đã mô tả cân bằng nhiệt trong lớp mặt đại dương và l
cùng 10km của khí quyển, trong đó tính tới lượng nhiệt đến từ khí quyể
tố bình lưu và xáo trộn rối theo phương ngang. Tuỳ thuộc vào đặc điểm v
áo tác giả này đã thử nghiệm cá
ương ngang; chỉ tính tớ
ển nhiệt theo phương ngang và thẳng đứng.
b) Tại Trung tâm
khai nghiệp vụ phương pháp dự báo dài hạn nhiệt độ và độ dày lớp tự đồng nhất
theo mô hình tích phân củ
ha QQQ
t
h−+=
∂0,
trong đó −h độ dày lớp tự đồng nhất, −
T∂
T
nhiệt độ, −
0
Q cân bằng nhiệt mặt đại
dương, −
h
Q dòng nhiệt qua biên dưới của lớp tựa đồng nhất,
−
∂
∂
+
∂
∂
+
∂
∂
h
adz
z
T
w
y
T
v
x
T
u
0
bình lưu nhiệt trong lớp tựa đồng nhất.
Để khép kín hệ phương trình thường người ta sử dụng phương trình cân bằng
động năng rối dưới dạng tích phân hay vi phân và một số giả thiết khác liên quan
tới các dòng nhiệt tại biên dưới của lớp tựa đồng nhất h
Q.
Mô hình mô tả trên đây đã được sử dụng để l
=Q
ập dự báo cả ngắn hạn và dài hạn
về nhiệt độ mặt biển, độ dày lớp tựa đồng nhất gần mặt. Người ta cũng đã dùng mô
hình này có thể khôi phục lại những đặc trưng của nêm nhiệt mùa nhờ giả thiết về
87
tính tự mô hình của profil nhiệt độ trong nêm nhiệt mùa.
9.2.2. Các phương pháp thống kê vật lý
Các phương pháp thống kê vật lý dự báo dài ạn nhiệt độ nước dựa trên việc
tính tới tác động động lực và nhiệt của khí quyển đối với đại dương. Nhiều công
hưiả
vùng
lớn hơn và trong đó thì các quá trình mùa đông có tính áp đảo nhất. Với tư cách là
đặc trưng của hoàn lưu khí ỉ số phản ánh
cường độ hoạt động xoáy thuận và xoáy nghịch (mục 3.1 chương 3).
ệt độ không khí tại
Nam Gr
rằng các dị thường nhiệt
độ nướ ủa trao đổi dị thường giữa biển và khí
quyể ưu nhiệt do dòng chảy
biển,
ựa trên giả
thiết
ỡ lớn, tức quá trình được lấy trung bình trên quy mô rộng theo
khôn
an. Một khi hàm
c tế nếu chuỗi quan trắc đủ dài chúng ta có thể kiểm tra sự ổn định
của hàm tương quan bằng cách tính hàm này trong những đoạn quan trắc và so
sánh
h
trình theo ớng này [6,8] căn cứ vào g thiết của N. A. Belinsky rằng nhiệt độ
nước tại nào đó chịu ảnh hưởng của hoàn lưu khí quyển trên một miền rộng
quyển Belinsky đề nghị sử dụng các ch
Belinsky đã xây dựng phương pháp dự báo nhiệt độ nước vào mùa ấm cho
nhiều vùng thuộc Bắc Đại Tây Dương. Những yếu tố tiên lượng được dùng là các
chỉ số Belinsky trong mùa lạnh trên Bắc Đại Tây Dương và nhi
inlan.
Các công trình của V. F. Sapkin và M. G. Glagoleva sử dụng phương pháp
khai triển trường thành chuỗi các hàm trực giao tự nhiên. Khi xét các dị thường
trung bình tháng của các yếu tố thủy văn, các tác giả cho
c được hình thành dưới tác động c
n, đặc trưng bởi dị thường nhiệt độ không khí và bình l
và những yếu tố này bị quy định gián tiếp bởi dị thường của áp suất khí
quyển. Về sau này người ta còn xét thêm độ mây do dữ liệu vệ tinh cung cấp để
tính tới một cách kỹ hơn sự trao đổi nhiệt giữa biển và khí quyển.
9.3. PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TỐI ƯU ÁP DỤNG VÀO DỰ BÁO DÀI HẠN CÁC QUÁ TRÌNH
THỦY VĂN
Phương pháp này, còn gọi là phương pháp thống kê động lực, d
về sự tồn tại những quy luật nội tại trong sự biến thiên thời gian của các quá
trình khí tượng, thủy văn vĩ mô [4].
Tư tưởng của phương pháp do Iu. M. Alekhin đề xướng nhằm đối tượng là
những quá trình c
g gian hoặc (và) theo thời gian để đảm bảo nó là hệ quả của nhiều nguyên
nhân, trong đó các nguyên nhân cùng có ảnh hưởng đều như nhau, không trội hẳn
so với nhau. Những nguyên nhân này về phần mình lại là hệ quả của hàng loạt các
quá trình khác, tức có sơ đồ hình cây của các nguyên nhân tác động tới yếu tố
chúng ta cần dự báo. Biến động nhiều hướng của vô số những nguyên nhân ấy thiết
lập trong yếu tố dự báo một chế độ dao động ổn định trong thời gian, đặc trưng bởi
tính liên hệ nội tại giữa những giá trị của nó trong tiền sử, hiện tại và tương lai.
Tính liên hệ nội tại này thể hiện ở sự ổn định của hàm tự tương qu
tương quan của yếu tố ổn định, có thể ngoại suy yếu tố đó một cách tin cậy.
Trong thự
với nhau. Vì vậy, với yếu tố khí tượng hải văn lấy trung bình theo tháng, mùa
hoặc năm, hoặc những đặc trưng trung bình của cả một vùng biển, của một mặt cắt
88
với hàm tương quan ổn định đều có thể sử dụng phương pháp dự báo này. Xét theo
nghĩa đó phương pháp dự báo chúng ta đang nghiên cứu có tính vạn năng, nghĩa là
nó có thể sử dụng để dự báo nhiều yếu tố tự nhiên quy mô lớn.
Giá trị dự báo t
q (là giá trị quy chuẩn theo trị số trung bình của đại lượng cần
dự báo Q) có thể được biểu diễn dưới dạng một quan hệ tuyến tính với các giá trị
đã biết của nó ở những thời điểm trước bằng phương trình
1,12,1, ... +−−−−− +++=
θθ
mtmmtmmtmt qKqKqKq , (9.1)
trong đó −m thời gian báo trước của dự báo, gọi tắt là thời hạn dự báo, ... ,2 ,1=m;
−
θ
số lượng các giá trị đã biết của đại lượng q được dùng trong phương trình dự
báo.
Những hệ số ngoại suy tuyến tính ..., , , ,2,1,
θ
mmm KKK ứng với một giá trị xác
định của m, làm thành hàm các hệ số ngoại suy tuyến tính m
K, được xác định thực
nghiệm từ quan trắc thực tế. Người ta thường sử dụng phương pháp bình phương
nhỏ nhất để xác định những trị số của hàm m
K. Theo phương pháp này, những trị
số im
K,,
θ
..., ,2 ,1=i, được xác định sao cho tổng của các bình phương của sai số
ngoại suy theo công thức (9.1) so với các quan trắc thực tế đạt cực tiểu, tức là
()
=
+−−−−− =−−−−
θθ
N
t
mtmmtmmtmt qKqKqKq
1
2
1,12,1, min ... , (9.2)
với −N tổng số các quan trắc về đại lượng Q.
−
θ
Khảo sát điều kiện cực trị của (9.2) sẽ dẫn tới một hệ phư
tí
(9.3)
tuy
ơng trình chuẩn tắc
sau đây để nh những trị số của hàm m
K:
, ... 1,12,01, −=+++
θθ
mmm rrKrKrK
.
, ...
1
12,02,11, +− =+++
θθ
mmmm
m
rrKrKrK
...
...
0,22,11, −+−− =+++
θθθθ
mmmm rrKrKrK
Thấy rằng việc xác định các trị số của hàm các hệ số ngoại suy tuyến tính m
K
quy về việc giải hệ các phương trình đại số ến tính gồm
θ
phương trình với
θ
ẩn Vớm khác nhau, các hệ phương trình ấy sẽ chỉ khác nhau ở những
số hạng tự do vế phải.
số. i những
Như vậy các bước tính toán để thực hiện mô hình dự báo bao
a) Thiết lập chuỗi thời gian những giá trị quan trắc của đại lượng quy
n t
b) Tính các giá trị của hàm tự tương quan chuẩn hoá theo công thức
gồm:
q
chuẩheo trị số trung bình của chuỗi
=−=
N
t
iii NiQQq ; ..., ,2 ,1 ,
=1
89
()
()
1 ..., ,1 ,0 ,
2
1
2
1−+==
=
−
=
−
=
+
θ
mk
qq
qq
rN
kj
j
kN
i
i
kN
i
kii
k;
ộc
d
ấy rằng ứng với số lượng
c) Giải hệ phương trình chuẩn tắc (9.3) bằng một phương pháp quen thu
trong phương pháp tính như phương pháp Gauxơ hoặc phương pháp lặp Seiđen.
Kinh nghiệm ự báo các quá trình tự nhiên quy mô lớn bằng phương pháp
ngoại suy tối ưu cho th
θ
các số hạng ở vế phải của (9.1)
khác ộc vào cấu
trúc rị
nhau sẽ cho hiệu quả dự báo khác nhau. Người ta cho rằng, tuỳ thu
biến động dao động của mỗi quá trình dự báo mà tồn tại những giá t
θ
tối ưu
làm
y vào các quá trình trong thuỷ văn và hải
dương học đã chú ý khảo sát nhằm xác định giá tr ối ưu của
cho dự báo quá trình đó đạt hiệu quả cao nhất. Tác giả của phương pháp và
nhiều người áp dụng phương pháp nà
ị t
θ
oả
đối với từ yếu tố
dự báo cụ thể và tìm được những giá trị tối ưu n trong kh ng từ 8 đế bước
thời gian (tháng hoặc năm, tuỳ thuộc độ gián đoạn quan trắc hay quy mô lấy trung
bình
Phương pháp thống kê động lực đã được dùng để dự báo giá trị trung bình
tháng, trung bình mùa và năm của nhiệt độ nước Bắc Đại Tâ ương.
9.4. NHỮNG GIẢ THIẾT CƠ BẢN LÀM CƠ SỞ CỦA DỰ BÁO SIÊU HẠN
ng
nguy
ắ
ơng lên thủy vực Bắc Băng Dương làm cho băng ở đó sẽ
tan nhi
ặt khác, sự
theo các dòng hải lưu
ậy phá vỡ trạng thái
nhiệt
ng
n 40ằm
các đại lượng).
y D
Những dự báo siêu dài hạn chủ yếu có tính chất định tính. Thực tế tồn tại
những dao động về độ đóng băng biển, nhiệt độ nước ở các mặt cắt chuẩn, mực
nước và những yếu tố khác đã hướng các nhà nghiên cứu tới việc tìm nhữ
ên nhân của chúng và thử nghiệm xây dựng những phương pháp dự báo với
thời gian báo trước rất lớn.
Các công trình của Vize chỉ ra rằng nguyên nhân chủ yếu của những biến
động về độ dày thảm băng trên các biển thuộc Bắc Băng Dương là do dao động của
cường độ hoàn lưu chung của khí quyển.
Suleikin xây dựng sơ đồ về hệ tự dao động của thủy vực B c Băng Dương và
Bắc Đại Tây Dương. Ông cho rằng giả sử do một nguyên nhân nào đó nhiệt độ
nước trong dòng hải lưu Bắc Đại Tây Dương tăng lên. Do sự vận chuyển nhiệt rất
mạnh bởi nước Đại Tây Dư
ều. Về phía mình, sự tăng cường tan băng có ảnh hưởng hai mặt tới chế độ
nhiệt của nước: một mặt, do giảm độ dày và diện tích thảm băng sẽ làm tăng cường
sự trao đổi nhiệt với không khí bên trên và nước bị lạnh đi mạnh hơn; m
tăng cường tan băng làm tăng lượng nước và băng trôi đi
lạnh Labrađo và Đông Grinlan về Đại Tây Dương. Chính vì v
của nước ở vùng Niu-Phơnlen, nơi xảy ra sự trộn lẫn các dòng hải lưu nóng
và hải lưu lạnh, có nghĩa là nhiệt độ nước trong các tia của hải lưu Bắc Đại Tây
Dương phải giảm xuống. Sự giảm nhiệt độ trong dòng hải lưu nóng này và ở những
đoạn kéo dài của nó (gồm các dòng hải lưu Tây Spitxbergen và Norđcap) nhất thiết
90