Luận văn tốt nghiệp Đề tài " Nghiên cứu xác định front trong
toàn khu vực biển Đông "

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
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 5
0
C 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]:

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

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.


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

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 km
2
. Vịnh nhận được một lượng lớn nước lợ chủ yếu từ sông
Mekong với lưu lượng dòng chảy đạt đỉnh trên 30.000 m
3
/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 – 30.5
0
C.
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 khoảng biến thiên độ muối bề mặt giảm xuống tới dS = 32.8 – 33.2
(Yanagi & Takao, 1998).
Các dòng triều trong vịnh Thái Lan đều song song với bờ với dòng triều
trung bình tháng nhỏ khoảng dưới 0.07 m/s (Wattayakorn và cs, 1998). Điều này
chứng tỏ thủy triều gần như không có vai trò đáng kể trong việc hình thành và tồn

dải front nhiệt kết hợp với front muối phía Đông-Nam Phú Quý có thể có vị trí
trung bình theo hướng Bắc Nam. [16]

Hình 5:Sơ đồ phân bố các khối nước và front trên mặt biển trong mùa đông
(Đề tài KT 03-10)[15]
Trong mùa hè, số lượng các khối nước vẫn giữ nguyên như trong báo cáo
của đề tài KT03-10, vị trí các vùng front cũng không có sự thay đổi nhiều nhưng
nguồn gốc của các front có thể được làm sáng tỏ hơn. Front tổng hợp nhiệt và muối
15

nằm giữa khối nước ấm và tương đối nhạt do kết quả tương tác với nước sông đổ ra
từ vùng bờ Nam Bộ với nước lạnh và mặn khu vực nước trồi. Front tại phía Bắc
Đèo Ngang cơ bản là front nhiệt do kết quả xâm nhập của nước tầng sâu đi lên tại
vùng tiếp giáp với nước bị đốt nóng mạnh mùa hè do gió khô nóng tại các vùng
biển nông ven bờ Hà Tĩnh, Nghệ An. Dải front phía cửa sông Hồng lại là front muối
do xâm nhập nước sông ra biển. [16]
của NOAA/NASA đã phát triển đối với nhiệt mặt biển toàn cầu độ phân giải 9.28
km từ đầu thập kỷ 90 với kết quả là bộ dữ liệu phiên bản 4.x (V4). Mặt dù đã có
những thành công nhất định, nhưng bộ dữ liệu này cũng có những hạn chế nhất
định, ví dụ như độ lệch đối với một khu vực bị tác động bởi các bất đồng nhất khí
quyển (atmospheric aerosols) lớn. Hơn nữa, khả năng phân tách đất khá thô là một
vấn đề lớn đối với các ứng dụng khu vực ven biển và làm hạn chế các thông tin về
sự không tồn tại của các băng biển trong việc sử dụng các dữ liệu vĩ độ cao. Với 3
năm phát triển, RSMAS/NODC đã sử dụng thuật toán tiền xử lý mới đã giải quyết
được những hạn chế của phiên bản 4.x và đưa ra bộ dữ liệu nhiệt mặt biển chính xác
hơn với độ phân giải cao hơn.
Quá trình tiền xử lý dữ liệu vệ tinh sử dụng phiên bản nâng cao của thuật toán
Pathfinder và các bước xử lý để đưa ra 2 ảnh nhiệt mặt biển toàn cầu trong 1 ngày
và các thông số liên quan từ những năm 1985. Với độ phân giải xấp xỉ 4 km, bộ số
liệu này được coi là có độ phân giải cao nhất có thể đối với dữ liệu độ phân giải cao
17

(AVHRR) toàn cầu. Không những thế, bộ dữ liệu này còn bao gồm các dữ liệu
trung bình giai đoạn 5 ngày, 7 ngày, 8 ngày, trung bình tháng và trung bình năm. So
với bộ dữ liệu nhiệt mặt biển Pathfinder độ phân giải 9 km, bộ dữ liệu này đã có
những tiến bộ hơn đó là sự chính xác hơn, khả năng phân tách đất tốt hơn, độ phân
giải cao hơn và bao gồm cả thông tin về băng biển.
Bảng 1: Các vệ tinh NOAA được sử dụng trong bộ dữ liệu SST Pathfinder 5.0
STT
Tên vệ tinh
Thời gian của dữ liệu Pathfinder 5.0
1
NOAA-9
04/01/1985 – 07/11/1988
2
NOAA-11

phao khu vực Thái Bình Dương cũng cho độ lệch chuẩn là 0.79
0
C. Những số liệu
này có thể cho thấy được rằng, CSDL ảnh NOAA-AVHRR là tin cậy và có thể sử
dụng để nghiên cứu cường độ và vị trí front trong biển Đông.
18

Luận văn sử dụng các số liệu ảnh NOAA trung bình tháng từ năm 1985 –
2006 để nghiên cứu và xác định vị trí của front cũng như tính toán tần suất xuất hiện
của front. Đồng thời, luận văn sử dụng số liệu trung bình 5 ngày và trung bình tháng
năm 2006 theo cả số liệu chụp ban ngày (10h địa phương – vệ tinh đi xuống) cũng
như ban đêm (22h địa phương – vệ tinh đi lên) để nghiên cứu chi tiết sự biến động
của cường độ front theo ngày đêm, 5 ngày và theo tháng.

19


20 Hình 9: Các histogram tương ứng được thể hiện trong window 2
và window 1 trong hình trên
Trong phép phân tích histogram, cần xác định giá trị ngưỡng để phân tách
hai miền giá trị nhiệt có sự phân dị đáng kể.
Trong trường hợp có hai miền nhiệt phân dị, cần sử dụng phương pháp thống
kê để xác định (phân loại) chúng.
Giả sử:
+ ω
1
và ω
2
là hai miền nhiệt xác định
+ x là điểm ảnh thuộc miền xác định X (X là toàn bộ các điểm trong cửa sổ
đã chọn)
+ t
(x)
là giá trị nhiệt tại x
Khi đó, mật độ xác suất cho các giá trị nhiệt trên 2 miền ω
1
và ω
2
được xác
định theo công thức:










1
](


1

+ 





< 


2
](


2


Để đơn giản, giả thiết P(error) là không đáng kể và có thể loại bỏ. Khi đó,
nếu xác định được τ tối ưu, các tham số kỳ vọng và phương sai của hai miền nhiệt




=

(
1<
)
2
()

()
<


2
2



=

(
2
)
2
()

()


1



, 
2



] 



}
2Sau phân loại theo hướng τ, nếu đặt J
e
(τ) là phương sai trong mỗi miền và
J
b
(τ) là phương sai theo 2 miền đã phân loại. J
tot
tổng là:
J
tot
= J
e
(τ) + J





1



=



1



2
()
<

1


2



=









=

1

2
(
1
+ 
2
)
2
[
1




1



]
2


=

1

1


2
=

2

2

=

1
+
2

1
+
2

Trong đó:
T
1
: Tổng số điểm so sánh giữa nhiệt độ tại x các giá trị thuộc ω
1
’ và giá trị

: Tổng số điểm so sánh giữa nhiệt độ tại x và các điểm xung quanh thuộc
ω
1
’

1
=


{

, 

, 






1


, 


1

}


2
=0.92.
c) Vị trí các ranh giới:
Sau khi đã xác định được ranh giới theo từng cửa sổ. Bước tiếp theo là xác
định và khẳng định các front. Ảnh front được thể hiện dưới dạng các pixel không có
front sẽ nhận giá trị 0. Nếu giá trị nhiệt tại miền ω
1
’ và ω
2
’ được thể hiện theo hàm
Ω(x), khi đó:
, 



=

0 ế 
1

1 ế 
2

Các điểm ranh giới được thể hiện dưới dạng:
 nếu tồn tại 
()


- Kết hợp ranh giới đã xác định với ảnh ban đầu để xác định các ranh giới yếu
- Thành lập mask cho các khu vực mây che phủ
* Xác định các front:
Đường C có độ dài phân bố trên N điểm được xác định bởi tập hợp các pixel
như sau:
= {(

, 




1, 

}


Mỗi pixel thuộc C đều bắt đầu 1 đoạn có độ dài λ. Độ dài này được lựa chọn
theo đặc trưng của vùng nghiên cứu, độ phân giải ảnh và khoảng các liên kết.
Đoạn S
q
thuộc C được xác định trên miền [1, ] bởi:


= {(

, 


