Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005

Một số kết quả khảo sát trờng tốc độ âm biển Đông
Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm
Khoa Khí tợng Thủy văn và Hải dơng học,
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tóm tắt: Cơ sở dữ liệu về nhiệt độ và độ muối biển Đông gồm 137 181 trạm
quan trắc đợc khai thác để tính tốc độ âm trong nớc biển. Vùng biển Đông giới
hạn từ 99
o
KĐ đến 120
o
KĐ, từ 2
o
VB đến 24
o
VB đợc chia thành mạng lới với
bớc 0,5
o
trên các phơng kinh tuyến và vĩ tuyến. Tại mỗi điểm nút lới đã tính
phân bố thẳng đứng trung bình tháng của tốc độ âm. Từ đó xây dựng các mặt cắt
thẳng đứng của tốc độ âm ứng với các vĩ tuyến 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11
và 10
o
VB. Kết quả phân tích phân bố tốc độ âm theo mặt rộng biển cho thấy
trong thời kỳ mùa đông, thí dụ tháng 1, sự vận chuyển nớc do dòng chảy lạnh
mùa đông làm giảm tốc độ âm trong lớp nớc mặt ở phần phía bắc và đông bắc
biển Đông.
Trên toàn vùng khơi biển Đông quan sát thấy tầng cực tiểu chính của tốc độ âm

Một số kết quả khảo sát trờng tốc độ âm biển Đông
45
1. Cách thức xử lý số liệu nhiệt độ và độ muối
Cơ sở dữ liệu về các đặc trng vật lý cơ bản của nớc biển Đông là nhiệt độ và độ
muối gồm 137
181 trạm quan trắc đã đợc thu thập và kiểm tra để loại trừ những sai số
thô. Vùng biển đợc khảo sát giới hạn từ vĩ tuyến 2 đến 24
0
VB, từ 99 đến 120
0
KĐ đợc
chia thành những ô vuông có cạnh 0,5
0
theo các phơng kinh tuyến và vĩ tuyến. Tại mỗi
điểm nút của miền lới này đã tiến hành nội suy tuyến tính giá trị nhiệt độ và độ muối
về 45 tầng sâu, trong đó ở các lớp gần mặt biển có số tầng sâu mau hơn so với các lớp
dới sâu. Nh vậy nhận đợc hai ma trận ba chiều về nhiệt độ và độ muối cho từng
tháng trong năm.
2. Phơng pháp tính tốc độ âm trong nớc biển và quy trình xây dựng quỹ
đạo của tia âm
Xuất phát từ các trờng nhiệt độ và độ muối trung bình tháng nhiều năm trên
đây đã xác định tốc độ âm theo một trong những công thức thực nghiệm có độ chính xác
cao và phổ dụng là công thức của Wilson W. D (xem [1]:
PTSPST
CCCC14,1449C
+
+
+
+
= , (1)

++=
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 đó tính bằng kg/cmP
2
.
Bằng công thức này đã nhận đợc phân bố thẳng đứng của tốc độ âm tại tất cả
các điểm thuộc vùng nớc trên biển Đông, khoảng trên một ngàn điểm. Trong mục 3 sẽ
rút ra một số nhận xét về đặc điểm phân bố tốc độ âm ở biển Đông trên cơ sở phân tích

c
o
o
C
z

=
, (3)
trong đó
tốc độ âm tại nguồn phát;
o
C


c
građien tốc độ âm theo phơng thẳng
đứng;


góc ra của tia âm so với phơng ngang, tức trục
x
.
Dới đây trình bày quy trình tính khúc xạ tia âm trong môi trờng nớc biển do
chúng tôi xây dựng để thực hiện tính toán tự động bức tranh khúc xạ tia âm trong nớc
biển trong điều kiện bất đồng nhất tốc độ âm trên phơng thẳng đứng (hình 1).
Phơng trình quỹ đạo đờng tròn của tia âm trong lớp từ máy phát đến độ sâu

sẽ có dạng:
1
z





. (4)
Thế giá trị độ sâu
vào toạ độ
1
z
z
trong phơng trình trên ta nhận đợc phơng
trình đại số bậc hai đối với toạ độ
dới dạng
x
0
C
2z zx tg
C
2x
c
o
11
c
o
2
=





C
1


z
O
z
o

z = z
1Hình 1. Đờng đi của tia âm trong nớc biển phân lớp
Muốn tìm tọa độ ngang của giao điểm của tia âm với biên phân cách hai lớp ta
phải giải phơng trình (5) đối với ẩn số là
1
z
x
. Có thể xảy ra ba trờng hợp sau đây:
Một số kết quả khảo sát trờng tốc độ âm biển Đông
47
a) Khi phơng trình (5) có hai nghiệm riêng biệt, tức có hai giá trị của , ta cần
chọn lấy một nghiệm
phù hợp: thí dụ, nếu đờng tròn quỹ đạo tia âm quay bề lõm
lên trên thì chọn lấy giá trị nhỏ nhất trong hai nghiệm, đó sẽ là giao điểm thứ nhất của
tia âm khi đi từ trên xuống tới biên phân cách
.
x
1

C
z
C
2z
2
c
o
1
c
o
2
1
=












. (6)
Thấy rằng có thể có hai giá trị của
thoả mãn đẳng thức này và ngời ta phải
chọn giá trị nào gần với độ sâu biên phân cách
đã cho.

z
tg
C
x
dx
dz
tg
1
zz
1
xx





==
=
=
. (7)
Từ điểm có toạ độ
ta tiếp tục tính quỹ đạo tia âm trong lớp từ tầng quan
trắc
đến tầng quan trắc theo quy trình hoàn toàn tơng tự nh trên và quá trình
tính lặp lại cho đến tầng cuối cùng của trạm quan trắc hoặc tới đáy.
),(
11
zx
1
z

-800
-600
-400
-200
0
1490 1500 1510 1520 1530
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0
a) b) c)
Hình 2. Phân bố thẳng đứng nhiệt độ (
a
), độ muối (
b
) và tốc độ âm (
c
) tại điểm 110,5
o
KĐ13,5
o
VB
Độ muối thờng không có vai trò đáng kể làm biến thiên tốc độ âm. Tại một số

2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24

Hình 3. Phân bố tốc độ âm trên mặt biển Đông, tháng 1
Trên hình 5 biểu diễn bức tranh đờng đia của tia âm tính cho trờng hợp góc mở
các tia bằng 30, 20, 15, 10, 5
o
so với phơng ngang trong hai trờng hợp: nguồn phát ở

20
22
24
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24

Hình 4. Phân bố tốc độ âm trên mặt biển Đông, tháng 7

Hình 5. Đờng đi của các tia âm tại điểm có tọa độ 110,5
o
KĐ - 13,5
o
VB (nguồn phát ở độ sâu 30 m)
Mét sè kÕt qu¶ kh¶o s¸t tr−êng tèc ®é ©m biÓn §«ng
51

H×nh 6. §−êng ®i cña c¸c tia ©m t¹i ®iÓm cã täa ®é 110,5
o
K§ - 13,5
o

Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm
52
Kết luận
Đã khai thác một cơ sở dữ liệu khá đầy đủ về nhiệt độ và độ muối để nhận đợc
những đặc trng trung bình về trờng tốc độ âm và bức tranh truyền âm trong nớc ở
biển Đông.
Với điều kiện biển Đông, nhiệt độ nớc có vai trò chính ảnh hởng tới phân bố
không gian của tốc độ âm, gây nên sự phân hóa tốc độ âm lớp gần mặt vào mùa đông
với các đờng đẳng trị tốc độ âm chạy theo hớng đông bắc - tây nam và có dạng lỡi.
Trong mùa hè yếu tố nớc trồi lạnh tạo thành một vùng tốc độ âm nhỏ tơng đối ở vùng
gần bờ Nam Trung Bộ.
Tại phần lớn các điểm thuộc vùng khơi biển Đông quan sát thấy cực tiểu chính
của tốc độ âm ở các độ sâu 9001200 m phù hợp với quy luật chung của vùng nhiệt đới
Thái Bình Dơng. Kênh âm ngầm ở biển Đông thuộc loại kênh với gradient tốc độ âm
không lớn và tốc độ âm tại đáy nhỏ hơn nhiều so với tại mặt.
Kết quả tính đờng đi tia âm đối với trờng hợp nguồn tại độ sâu 30, góc mở của
nguồn 30
o
nhận đợc bán kính vùng tối âm trên mặt khoảng 50 m, bán kính ngoài của
vành khuyên sáng âm gần nguồn trên mặt bằng khoảng 300 đến 500 m.
Công trình này đợc thực hiện với sự hỗ trợ kinh phí của đề tài Nghiên cứu
trờng thủy âm và trờng sóng nội của vùng biển Việt Nam, mã số KC-09-18 và đề tài
cơ bản Phân tích và dự báo các trờng khí tợng thủy văn biển Đông, mã số 742804.
Tài liệu tham khảo
1. Phạm Văn Huấn, Tính toán trong hải dơng học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003, 244 tr.
2. Phạm Văn Thục, Một số đặc điểm của trờng sóng âm tại vùng biển Việt Nam, Tuyển tập
báo cáo khoa học Hội nghị khoa học công nghệ biển toàn quốc lần thứ IV, Hà Nội, 1999, tr.
244-250.
3. Phạm Văn Thục, Trạng thái âm học vùng nớc trồi Nam Trung Bộ, Các công trình nghiên
cứu địa chất và địa vật lý biển, tập V, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 1999, tr.198-211.

o
in longitudial and latitudial directions. The monthly averaged profiles of sound
speed were calculated at each maesh and the sound speed vertical sections along the
parallels 19, 18, 17, 16, 15, 14, 13, 12, 11 and 10
o
N were builed up. By the analysis of
the horizontal distribution of sound speed it was found that in winter period the water
transport by the winter cold currents has decreased the sound speed in the suface layer
in the north and the northeast of the South-china sea.
In the whole open area of the sea a main layer of minimal sound speed was
observed at the depths regularly from 800 to 1000 m and deeper, 1200 m, in the centre
of the sea.
The results of computing the sound refraction patterns for a source with 30
o
open
angle located at depth of 30 m denoted a surface circle of shadow zone with radius of
about 50 m. The last limiting ray reached the sea surface at a distance about 300-500
m from the source.