1
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ..................................................................................................
2
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG.....................................................
3
1.1 Khái niệm.................................................................................
3
1.2 Các loại front...........................................................................
5
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU FRONT ..................
8
CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG VỆ TINH VÀ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH
16
3.1 Hệ thống các vệ tinh NOAA-AVHRR .................................
3.2 Cơ sở dữ liệu ảnh NOAA-AVHRR ......................................
16
17
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH FRONT TỪ ẢNH VỆ
TINH ........................................................................................................
19
4.1 Thuật toán xác định ranh giới các ảnh nhiệt mặt biển (SST)
của Cayula & Cornillon (1992) ..................................................
19
4.2 Xác định ranh giới sử dụng nhiều ảnh SST ..............................
4.3 Tính toán Gradient .....................................................................
4.4 Quy trình tính toán front nhiệt mặt biển với phƣơng pháp
của Cayula & Cornillon (1992) ..................................................
24
25
27
CHƢƠNG 5: XÁC ĐỊNH FRONT NHIỆT MẶT BIỂN KHU VỰC
BIỂN ĐÔNG ............................................................................................
42
5.1 Tiền xử lý ảnh vệ tinh …………………………………………
5.2 Xác định biến thiên gradient nhiệt mặt biển bằng phƣơng
pháp tính toán gradient ………….............................................
42
46
5.3 Nghiên cứu xác định vị trí, tần suất xuất hiện của front .......
51
KẾT LUẬN ..............................................................................................
72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................
73
2
MỞ ĐẦU
Front đại dương là một trong những yếu tố rất quan trọng trong hải dương
học. Front nhiệt mặt biển là một dạng cơ bản nhất của front đại dương. Trong tất cả
các đại dương cũng như các biển, luôn luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ theo các
khu vực riêng biệt. Sự chênh lệch này có thể là do sự xâm nhập của các khối nước,
quá trình vận chuyển nước của các hoàn lưu hay do sự khác biệt của các yếu tố vật
lý, dinh dưỡng. Chính vì thế, nghiên cứu front nhiệt có thể giúp xác định các điều
kiện vật lý khác biệt của các khu vực nước rộng lớn, nhờ đó có thể xác định ranh
giới của các khối nước hay ranh giới của các dòng chảy lớn... Nghiên cứu front rất
quan trọng trong việc nghiên cứu cũng như kết hợp hoàn thiện các trường hải dương
khác.
Khu vực Biển Đông là khu vực có đặc trưng gió mùa: gió mùa Đông Bắc vào
mùa đông và gió mùa Tây Nam vào mùa hè. Trường nhiệt trong Biển Đông cũng có
sự thay đổi theo mùa: vào mùa đông, xuất hiện một lưỡi nước lạnh từ phía Bắc xâm
nhập sâu xuống phía Nam; mùa hè thường xuất hiện một khu vực nước trồi ở khu
vực Nam Trung Bộ. Hai hiện tượng đặc trưng mùa này làm thay đổi rõ rệt trường
nhiệt trong Biển Đông. Chính điều này, front trong Biển Đông cũng có sự thay đổi
về cường độ và vị trí theo mùa. Khu vực Nam Trung Bộ là khu vực có sự thay đổi
nhiệt độ mặt biển rõ rệt cả hai xu thế của trường nhiệt trong Biển Đông. Do cơ sở
dữ liệu nhiệt mặt biển từ nguồn dữ liệu vệ tinh rất phong phú nên luận văn này tập
trung nghiên cứu xác định front trong toàn khu vực biển Đông (99E – 121E; 1N –
25N) với sự tập trung vào nghiên cứu xác định front khu vực Nam Trung Bộ. Sự mở
rộng khu vực nghiên cứu này cho cái nhìn tổng quát và rộng mở hơn về sự biến
thiên của front nhiệt mặt biển trong Biển Đông.
3
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Khái niệm
Front đại dương là những dải tương đối hẹp ngăn cách những vùng không
gian rộng của các khối nước khác nhau hay các khu vực có cấu trúc thẳng đứng
khác nhau. Các front hầu như luôn đi kèm với sự tăng cường gradient ngang của các
yếu tố như: nhiệt độ, độ muối, mật độ, chất dinh dưỡng và các đặc trưng khác
(Fedorov, 1986; Belkin, 2003[2]). Các front và các dòng chảy liên quan rất quan
trọng trong vận chuyển nhiệt, muối, tương tác biển – khí quyển và các hoạt động
sinh thái khác [1].
Front xuất hiện với các quy mô khác nhau: từ vài trăm mét cho tới hàng
nghìn kilomet. Một số front xuất hiện trong thời gian ngắn nhưng hầu hết đều tồn
tại tựa ổn định hoặc tồn tại theo mùa. Các front thường xuất hiện hoặc biến mất ở
cùng vị trí trong cùng một mùa trong năm. Hầu như tất cả các front lớn thường xuất
hiện quanh năm. Sự biến thiên nhiệt, muối qua các front mạnh nhất có thể cao từ
100C - 150C và từ 2‰ - 3‰, tuy nhiên nhìn chung thường từ khoảng 50C và 1‰.
Độ rộng của front biến thiên rất khác nhau, có những nơi front rất hẹp (dưới 100 m)
nhưng cũng có các front lớn rộng từ 50 - 20 km. Front có thể mở rộng tới độ sâu
hàng trăm mét; một số front lớn phát triển tớ độ sâu 2000 m.
Các front chủ yếu xuất hiện trong các quá trình: tương tác đại dương – khí
quyển hoặc đại dương với băng và đáy biển [1]:
- Các front có liên quan đến dòng chảy do vậy hình dạng front thể hiện
hình dạng dòng chảy
- Theo dòng chảy dọc front có thể tính toán tổng thông lượng
nước/nhiệt/muối
- Các front phân chia các khối nước khác nhau và tạo nên các chu trình
tương ứng với tổng thông lượng nước, nhiệt và muối dọc theo front và
theo kinh độ.
4
- Thông thường, các front thường trùng khớp với các biên sinh – địa lý lớn
với các dải tăng cường sinh khối.
- Các thông lượng nhiệt trên mặt, ứng suất gió và các điều kiện khí tượng
khác có thể khác biệt lớn giữa các khu vực lạnh và nóng của front. Các
front tương tác mạnh mẽ với các lớp biên khí quyển và phân chia các khu
vực có sự khác nhau các tác động của các lực khí quyển, vì thế chúng rất
quan trọng đối với việc quan trắc và dự báo thời tiết biển.
- Các front ở vĩ độ cao liên quan trực tiếp với các điều kiện băng biển, vì
thế vị trí của các front có thể xác định quy mô cực đại của băng biển.
- Các front có ảnh hưởng lớn đến môi trường sóng âm, do vậy khi nghiên
cứu quá trình truyền âm trong đại dương cũng cần phải biết được vị trí và
đặc trưng của các front.
- Cơ chế vận chuyển trầm tích được xác định chủ yếu thông qua hoàn lưu,
do vậy việc giải đoán các thông tin cổ xưa về đại dương và khí quyển yêu
cầu trước tiên là cần phải biết về vị trí của front hiện đại.
- Do các front có liên quan với các dòng chảy hội tụ, sự ô nhiễm đại dương
và cửa sông có thể tập trung với nồng độ lớn gấp hàng nghìn lần ở các dải
front, do vậy đe dọa đời sống của các loài cá, động vật sinh sống trong
các dải front.
Các dữ liệu nhiệt độ mặt biển (SST) thu được từ vệ tinh đã được sử dụng để
nghiên cứu các front ở Thái Bình Dương từ những năm 1970 (Legeckis, 1978). Các
nghiên cứu trước đây được tập trung chủ yếu vào các front liên quan với các dòng
chảy biên phía Tây như Kuroshio (Qiu và cs, 1990) và dòng phía Đông Australia
(Nilsson và Cresswell, 1980). Các front gắn với các dòng chảy biên phía Đông và
các khu vực nước trồi ven bờ đã được nghiên cứu ở các khu vực giống như Dòng
chảy California (Strub và cs, 1991; Strub và James, 1995) và dòng chảy Peru –
Chile (Brink và cs, 1983; Fonseca, 1989) [2].
5
Các nghiên cứu trên rất quan trọng trong việc nghiên cứu các tính chất vật lý
và địa lý của các đặc trưng khu vực sử dụng các phương pháp khác nhau; Hầu hết
các nghiên cứu trên đều thực hiện trên các bộ số liệu có thời gian tương đối hạn chế.
1.2 Các loại front
Các front được hình thành bởi các quá trình khác nhau. Theo các quá trình
đó, chúng ta có thể chia thành các loại front sau [1]:
- Front cửa sông: Những front này hình thành trên ranh giới giữa dòng nước
ngọt từ sông đổ ra và nước biển. Do vậy, chúng chủ yếu là front độ muối mặc dù
trong hầu hết các trường hợp có tồn tại chênh lệch nhiệt độ ngang front độ muối.
Khi các dòng sông mang trầm tích lớn ra cửa sông, hầu hết các front lúc này là front
độ đục; các front này có thể quan trắc dễ dàng từ không gian do các gradient có màu
riêng biệt các dải front này.
- Front thềm lục địa: Front thềm lục địa có thể quan trắc được tại những khu
vực giữa thềm lục địa, ở phía trong của đứt gãy thềm lục địa. Những front này có
nguồn gốc liên quan đến các dòng chảy ngược chiều trên thềm lục địa với các dòng
chảy xa bờ. Điển hình của những dòng chảy này là dòng chảy phía Bắc (Bắc bán
cầu) và dòng chảy ven bờ chảy xuống phía Nam (như trong vịnh Nam Địa Trung
Hải). Ví dụ về các dòng chảy điển hình: Các front Biển Bering, Vịnh Nam Địa
Trung Hải hay các front ở biển Đông Trung Hoa.
- Front do sự xáo trộn thủy triều: Trong các khu vực nước nông, thủy triều
bị tiêu tán một lượng lớn năng lượng do ma sát đáy. Trong các khu vực này, cột
nước có thể được xáo trộn hoàn toàn do thủy triều. Độ sâu cột nước cực đại thủy
triều có thể xáo trộn hoàn toàn là xấp xỉ 100m và trung bình là gần 50m. Chính
nguyên nhân này, các front có thể hình thành giữa các khối nước xáo trộn toàn bộ ở
khu vực nước nông và các khối nước phân tầng ở các độ sâu lớn hơn. Những front
này có thể quan trắc ở nhiều thềm lục địa như: Biển Bắc, Biển Celtic, Bering, Đông
Trung Hoa, Biển Hoàng Hải và Biển Okhotsk. Front do sự xáo trộn triều cũng có
thể hình thành xung quanh các bờ biển, các hòn đảo (Đảo Pribilof trong Biển