Luận văn Quy trình tính toán front nhiệt mặt biển với phương pháp của Cayula & Cornillon

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 – 25 N ) 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 10 0 C - 15 0 C 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 6 Bering) và các bán đảo (Bán đảo Shandong, Biển Hoàng hải hay bán đảo Valde’s, thềm lục đại Patagonian). - Các front tại sườn lục địa: Đây là dạng front phổ biến nhất, những front này thường nằm trùng vị trí với sườn lục địa và ngăn các các khối nước ven bờ với khối nước xa bờ. Những front này là những front ngăn cách hai khối nước riêng biệt, gần bờ và xa bờ. - Các front nước trồi ven bờ: Các khối nước trồi (do gió, địa hình hay do thủy triều) mang nước từ dưới tầng sâu lên bề mặt. Do các khối nước phía dưới bề mặt thường lạnh hơn nước trên mặt biển nên các front xuất hiện giữa các khối nước trồi ven bờ lạnh với khối nước xa bờ ấm hơn. Những front đặc trưng có thể quan trắc được ở ngoài khơi Washington-Oregon-California, Peru-Chile, Tây Bắc Phi, Angola-Namibia-Nam Phi, Bán đảo Yucatan.... - Các front nước trồi xích đạo: Lực coriolis gây nên sự phân kỳ ở xích đạo với các khối nước mặt di chuyển xa Xích đạo trong cả hai bán cầu. Nước ở dưới sâu lạnh hơn đi lên trên mặt biển tạo nên một dải gradient nhiệt độ hay độ muối tại nơi giao lưu với nước ấm trên mặt biển. Những front này chủ yếu chiếm ưu thế ở trung tâm và phía Đông Thái Bình Dương và Đại Tây Dương. Sự bất đối xứng của bờ tại các biên Ấn Độ Dương có thể là nguyên nhân chính giải thích tại sao front nước trồi Xích đạo không phổ biến trong Ấn Độ Dương. - Các front dòng chảy biên phía Tây: Các front liên quan đến các dòng Gulf Stream, Kuroshio, Agulhas, Brazil và Đông Australia mạnh nhất thế giới. Các front này có dải biến thiên ngang của các đặc trưng hải dương học, độ mở rộng theo chiều sâu, vận tốc dòng chảy dọc front và xuất vận chuyển cũng như các đặc tính khác. Những front này có thể xâm nhập sâu trong các biển mở hàng nghìn km. Vào mùa đông, hai front khác biệt ở hai phía của dòng chảy biên phía Tây bởi vì mỗi dòng chảy mang theo nước nhiệt đới ấm hơn nước xung quanh các dòng chảy gần bờ và xa bờ. - Các front hội tụ cận nhiệt đới: Những front này hình thành do hội tụ gió Ekman mang nước với các nhiệt độ khác nhau (bởi vì gradient nhiệt quy mô lớn 7 Bắc – Nam trong đại dương) và giữ tại một khu vực tạo thành front. Những front này có thể quan trắc ở Biển Sargasso (Bắc Địa Trung Hải), Bắc Thái Bình Dương và phần phía Nam của Địa Trung Hải, Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương. - Các front ở gần các khu vực băng đá: Những front này có liên quan đến các rìa băng biển và các quá trình riêng trong dải này. Trong suốt quá trình hình thành băng biển, quá trình giải phóng muối gây nên hiện tượng đối lưu muối biển. Trong quá trình tan băng, nước ngọt trên mặt tạo lên front muối khu vực giữa các khối nước do băng tan độ muối thấp và nước xung quanh. Vào mùa xuân, khi các khối nước do băng tan hấp thụ bức xạ mặt trời, một gradient nhiệt độ phát triển ngang front muối ban đầu. Những ví dụ điển hình của loại front này là: Labrador, Greenland, Barrents, Biển Bering và Nam Băng Dương. - Các front đại dương phía Nam: Các front này chỉ xuất hiện ở đại dương gần cực như: Cận Nam cực, Cực và các front do dòng chảy gần Nam cực. Nguồn gốc của các front trên liên quan đến các quá trình động lực của dòng chảy cận Nam cực. Các front sườn lục địa Nam cực hình thành giữa các khối nước thềm lục địa Nam cực và các khối nước ngoài khơi. Chính điều này lý giải việc cũng có thể coi front này là front tại sườn lục địa. Tuy nhiên, cấu trúc và quá trình động lực của front này khác xa so với front tại nơi đứt gãy thềm lục địa. Gió thổi từ lục địa Nam cực giữ duy trì dòng chảy hướng Tây trên thềm lục địa Nam cực đóng vai trò quan trọng trong quá trình tồn tại của front sườn lục địa Nam cực. 8 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU FRONT Front là các dải có gradient cao, do vậy hầu hết các phương pháp xác định front tiến hành trên máy tính đều dựa trên các tính toán gradient (Kazmin và Rienecker, 1996; Yuan và Talley, 1996; Nakamura và Kazmin, 2003 [6]). Cách tiếp cận trong nghiên cứu này dựa trên phân tích phân bố cấp độ xám (histogram). Do mỗi front phân chia hai khối nước tương đối đồng nhất, do vậy phân bố cấp độ xám của bất kỳ một yếu tố hải dương học nào như SST, khu vực gần front có hai chế độ (mode) tần số tương ứng với các khối nước ngăn cách bởi front trong khi khối nước sau tương ứng với tần số thấp nhất giữa hai cấp độ (mode). Phân tách và xác định front được thể hiện ở 3 cấp độ: cửa sổ, ảnh và kết quả của việc chồng lấp các ảnh. Kích thước cửa sổ tối ưu được xác định thực nghiệm là 32 x 32 pixel đối với ảnh AVHRR độ phân giải 9 km (Cayula và Cornillon, 1992). Thuật toán xác định front được sử dụng dựa trên các giá trị SST của tất cả các pixel trong mỗi cửa sổ để tính toán histogram của tần số SST đối với 1 cửa sổ cho trước. Đối với mỗi cửa sổ chứa front, histogram SST tương ứng có tần số nhỏ nhất sẽ xác định front. Ý tưởng cơ bản này đã được thực hiện bởi Cayula và cs (1991), Cayula và Cornillon (1992,1995,1996) và Ullman và Cornillon (1999,2000,2001). Giai đoạn 1985 – 1996, các front đã thu được từ việc phân tích các trường SST Pathfinder NOAA/NASA. Những trường này thu được từ các số liệu bao phủ toàn cầu độ phân giải cao (AVHRR) (2 trường có độ phân giải 9.28 km một ngày) có sẵn từ phòng thí nghiệm Jet Propulsion. Các front nhiệt độ bề mặt thu được từ các trường nhiệt độ mặt biển đã loại bỏ mây với thuật toán tách ranh giới đa ảnh (Cayula và Cornillon, 1996; Ullman và Cornillon, 1999, 2000, 2001). Thuật toán tách front và tách mây đã được ứng dụng với ảnh nhiệt độ mặt biển (SST) trung bình tháng của bộ số liệu 22 năm. Số liệu front được tập hợp theo từng tháng (ví dụ: nhóm các số liệu của 22 tháng 1 với nhau). 9 Biển Nam Trung Hoa (Biển Đông Việt Nam) [2] Biển Nam Trung Hoa đặc trưng bởi số lượng lớn các front và phần lớn các front này nằm trùng vị trí với sườn lục địa. Ít nhất có 1 front (phía Tây Luzon) mở rộng xuống tới các lớp nước sâu. Front phía Tây Luzon trong trường nhiệt nằm trùng với sự nở hoa của các thực vật nổi (phytoplankton) quan trắc được từ các số liệu CZCS xuất hiện chủ yếu liên quan đến hiện tượng nước trồi (Tang & cs, 1999) hoặc liên quan đến xoáy thuận ổn định ngoài khơi Tây Bắc Luzon (Qu, 2000). Front này và dải front ngoài khơi phía Đông Việt Nam trùng với 3 khu vực hoạt động động lực mạnh có thể quan trắc được từ dữ liệu độ cao mực biển TOPEX/Poseidon (Ho & cs, 2000). Thông qua các dữ liệu TOPEX/Poseidon Wang và Cs (2000) đã chứng minh được rằng Front ven bờ Việt Nam gần với các dải hẹp có sự biến thiên theo mùa đáng kể với cực trị biến thiên lớn nhất. Chủ yếu các front nhiệt bề mặt (SST) thời kỳ mùa đông dọc theo sườn lục địa ngoài khơi phía Nam Trung Hoa và ngang cửa vịnh Thái Lan và Tây Bắc đảo Luzon. Hình 1: Các front SST chu kỳ dài biển Đông tháng hai giai đoạn 1985 – 1996[2] 10 Khu vực này có chế độ biến thiên theo mùa rất mạnh của các front mùa chủ yếu liên quan đến hiện tượng gió mùa. Các thành phần biến thiên mùa khác nhau rõ rệt ngang theo cả biển Đông. Các front đặc trưng trong biển Đông là: Front ven bờ Nam Trung Hoa (South China Coastal Front – SCCF) ở phía Bắc biển Đông, Front Vịnh Bắc Bộ (Bakbo Bay Front – BBF) giữa Việt Nam và đảo Hải Nam, Front Vịnh Thái Lan (Gulf of Thailand Front – GTF) và front phía Tây đảo Luzon (West of Luzon – WLF). Năm 2005, Belkin I.M đã hoàn thiện sơ đồ các dải front lớn trong Biển Đông (Hình 2). Hình 2: Sơ đồ phân bố front trong biển Đông (theo Belkin I.M)[6] Front ven bờ Nam Trung Hoa (SCCF) chủ yếu xuất hiện trong mùa đông (từ tháng 10 – 11 cho tới tháng 4 – 5) và biến mất trong mùa hè (Từ tháng 6 – 7 tới tháng 9 – 11). Tương tự như SCCF, front trong vịnh Bắc Bộ (BBF) chủ yếu xuất hiện trong mùa đông (từ tháng 11 – 12 cho tới tháng 4 - 5) và biến mất hoàn toàn trong mùa hè (từ tháng 5 – 6 đến tháng 10 – 11). Năm 2001, Wang D. cũng đã 11 nghiên cứu front với cơ sở dữ liệu từ năm 1985 – 1996 cũng đã đưa ra được bức tranh phân bố front theo các mùa trong năm (hình 3) Hình 3: Bản đồ phân bố tần suất xuất hiện front theo mùa từ năm 1991 – 1998 A: Mùa đông, B: mùa xuân, C: mùa hè và D: mùa thu [10] Các front xuất hiện đồng thời khắp nơi trong mùa đông ở phía Bắc biển Đông trong khi gần như không xuất hiện ở khu vực phía Nam ngoại trừ ở cửa vịnh Thái Lan. Cửa vịnh Thái Lan là nơi các front sườn lục địa theo mùa phát triển mạnh từ tháng 1 – tháng 2. Front phía Tây Luzon (WLF) quan trắc được ở phía Tây đảo Luzon (mở rộng xuống các khối nước sâu) trong mùa đông (từ tháng 10 – 11 đến tháng 4 – 5). Front này mở rộng theo hướng Bắc theo tiến trình mùa cho tới Eo Bashi và biến mất trong mùa hè (từ tháng 5 – 6 tới tháng 9 – 10). Front ngoài khơi Tây Bắc Boneo xuất hiện trong mùa xuân, mùa hè và mùa thu và biến mất trong mùa đông. So với các biển khác, các front trong biển Đông được nghiên cứu khá ít, tuy nhiên mối quan hệ của các front với nước trồi do gió, xáo trộn triều và lưu lượng nước sông đổ vào đã được nghiên cứu trong một số công trình của Kwan (1978), Kester và Fox (1993), Huang và Cs (1994), Li (1996), Tang & Ni (1996), su (1998), Tang & Cs (1999). 12 Vịnh Thái Lan [2] Vịnh Thái Lan là một vịnh nông (độ sâu cực đại nhỏ hơn 80 m) với diện tích khoảng 350.000 km2. Vịnh nhận được một lượng lớn nước lợ chủ yếu từ sông Mekong với lưu lượng dòng chảy đạt đỉnh trên 30.000 m3/s từ tháng 9 đến tháng 12, do vậy phân bố mật độ chủ yếu bị ảnh hưởng do phân bố độ muối và về cơ bản Vịnh chịu ảnh hưởng của cửa sông (Wattayakorn và cs, 1998; Yanagi và Takao, 1998). Ở cửa vịnh, một front muối phát triển mạnh trong mùa đông (từ tháng 12 – tháng 1) với khoảng biến thiên độ muối trên mặt dS = 32.0 – 33.8 ‰ (Yanagi và Takao, 1998; Yanagi & cs, 2001). Một front nhiệt liên quan đến front muối (gọi là Front Vịnh Thái Lan – Gulf of Thailand Front, GTF) phát triển từ tháng 12 – tháng 2 xuất hiện rõ rệt thông qua dữ liệu AVHRR và dữ liệu hải văn từ tháng 3 – tháng 4 khi khoảng biến thiên nhiệt độ ngang front (dT) là lớn nhất, dT = 28.5 – 30.50C. Front này ngăn cách giữa khối nước khá ngọt trong vịnh đang ấm lên hơn so với các khối nước của biển Đông ngang với GTF, vì vậy khoảng biến thiên mật độ bề mặt (dD) ngang GTF là tương đối lớn, dD = 19.4 – 21.4 (Yanagi & Takao, 1998). Front nhiệt vịnh Thái Lan biến mất hoàn toàn vào tháng 5. Các dữ liệu hải văn đã cho thấy rằng không xuất hiện front nhiệt trong tháng 6 trong khi vẫn tồn tại front muối trong vịnh với khoản