Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Khảo sát dao động tự do của
biển Đông
Bởi:
PGS. TS. NGƯT Phạm Văn Huấn

Ý nghĩa của việc nghiên cứu dao động tự do của biển Đông
Khi giải thích cơ chế hình thành thủy triều toàn nhật của biển Đông và nhất là ở các vịnh
của nó, các tác giả đều có ý niệm rằng hiện tượng này là do đặc thù của địa hình đáy
và hình dạng bờ của từng địa phương quy định. Xuất phát từ các bản đồ thủy triều nhận
được bằng phương pháp số, các tác giả hoặc là so sánh tương quan giữa biên độ các
sóng tới ở cửa vào và biên độ sóng triều thực tại điểm khảo sát, tức tính hệ số khuếch
đại như trong vật lý, để đánh giá mức độ cộng hưởng, hoặc là tính các dòng năng lượng
triều và biểu thị lên bản đồ để chỉ ra những vùng năng lượng được tập trung.
Mặt khác, nếu như chúng ta xem xét hệ thống dao động của biển, dù đó là các dao
động triều, dao động nước dâng, hoặc dao động bất kỳ với nguồn gốc khác nhau theo
quan điểm truyền thống trong vật lý khi nghiên cứu sự cộng hưởng, thì dễ dàng có được
những suy đoán ngay từ đầu về khả năng phát triển mạnh hay yếu của hiện tượng dao
động.
Hiện tượng cộng hưởng là sự tăng biên độ dao động cưỡng bức của hệ dao động khi
chu kỳ của lực tác động từ bên ngoài tiến dần tới chu kỳ dao động riêng của bản thân
hệ. Nếu xét trường hợp dao động triều trong biển, chúng ta có bức tranh như sau: Lực
tác động thường được đặc trưng bởi công suất trong trường hợp sóng triều truyền từ đại
dương vào qua eo biển – đó là thông lượng năng lượng được mang vào biển bởi sóng
tới. Tương quan giữa tần số của ngoại lực σ và tần số riêng của biển σ0 sẽ đặc trưng cho
mức độ “sẵn sàng” của biển cộng hưởng với dao động cưỡng bức với tần số σ do ngoại
lực gây nên. Khi σ = σ0 toàn bộ công do ngoại lực thực hiện trong toàn chu kỳ dao động
(2π / σ0) sẽ được dùng vào việc “đưa đẩy” khối nước biển. Nếu không có mất mát năng
lượng do ma sát và không tính đến sụ phát xạ sóng ra khỏi biển qua eo thì năng lượng
và biên độ dao động tương ứng tăng vô cùng. Trong điều kiện thực, bao giờ cũng có mặt

Xuất phát từ những ý tưởng đó chúng tôi bắt đầu nghiên cứu những đặc điểm trong dao
động mực nước của biển Đông thông qua việc khảo sát dao động tự do của nó, vì dao
động tự do là dạng dao động chỉ phụ thuộc vào kích thước thủy vực, phản ánh đặc điểm
về hình dạng và phân bố độ sâu của thủy vực.

Phương pháp tính dao động tự do của thủy vực
Lý thuyết các dao động tự do trong những thủy vực kín hoàn toàn hay hở một phần đã
được các nhà cơ học cổ điển nghiên cứu dựa trên phép xấp xỉ kênh, khi đó người ta xem
xét chuyển động chỉ diễn ra trong một hướng dọc kênh. Giải bằng giải tích bài toán về
các chuyển động của sóng dài trong kênh (xem [58]) cho phép người ta đi đến kết luận
rằng trong kênh sẽ tồn tại những sóng tiến chạy ngược chiều nhau với vận tốc C = (gh)1 / 2
, trong đó C − tốc độ truyền sóng; g − gia tốc trọng lực; h − độ sâu kênh. Khi xảy ra sự
phản xạ sóng ở đầu kênh, thì các sóng này tạo thành dao động sóng đứng hoặc một tập
hợp sóng đứng với điều kiện ở đầu kín của kênh sẽ tồn tại bụng sóng, còn ở đầu hở của
kênh sẽ tồn tại nút sóng, và trong kênh phải xếp đặt vừa đủ một số nguyên lần một phần

2/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

tư độ dài bước sóng. Từ đó nhận được công thức Merian quen thuộc cho kênh hình chữ
nhật kín với chiều dài L:
Tn =

2L
1

(2.1)



1
[gh(x)] 2
L
0

dx
1

(2.4)

[gh(x)] 2

ở đây (n + 1) là số điểm nút của dao động đứng có mặt trong kênh. Trong biển thực đối
với những dao động thủy triều thông thường chỉ có một dao động với chu kỳ lớn nhất
ứng với trị n = 0, người ta gọi là mốt (mode) thấp nhất, là có khả năng cộng hưởng.
Khi đó, trong kênh kín sẽ chứa trọn một nửa độ dài bước sóng, điểm nút nằm ở giữa
kênh, còn trong kênh hở một đầu – một phần tư độ dài bước sóng với điểm nút nằm ở
đầu hở của kênh.
Nguyễn Ngọc Thụy trong [15] đã từng sử dụng công thức (2.2) để ước lượng kích thước
cộng hưởng của biển, thí dụ với vịnh Bắc Bộ, tác giả nhận được trị số độ dài cộng hưởng
của nó với sóng O1 bằng 567 km, sóng K1 - bằng 613 km và nhận định rằng kích thước
của vịnh Bắc Bộ (theo Phan Phùng [12] bằng 470 km) gần trùng với kích thước cộng
hưởng.
Đối với những biển thực, việc phân định thủy vực biển phức tạp thành những vùng với
hình dạng đơn giản để áp dụng các công thức của Merian và Đuyboa, sau đó lại ghép
nối để nhận được một tập hợp những chu kỳ dao động tự do của cả biển sẽ phức tạp và
chắc chắn chứa đựng sai số đáng kể. Với thủy vực biển Đông, đương nhiên những công
thức này không thể giúp chúng ta khảo sát chi tiết được. Song chúng tôi cho rằng giá trị
của các công thức giải tích trên là ở chỗ nó được dùng làm tiêu chuẩn để kiểm tra những

∂t

− λV + g ∂ x = 0 (2.5)

∂ζ

∂V
∂t

+ λU + g ∂ y = 0 (2.6)

∂ζ
∂t

+

∂ζ

∂ [U(h + ζ)]
∂x

+

∂ [V(h + ζ)]
∂y

= 0 (2.7)

ucosα + vsinα = 0 tại G1 (2.8)
ζ = 0 tại G2 (2.9)

ΔxΔy
1

[gh(Δx2 + Δy2)] 2

bằng 150 giây.
Các chuỗi mực nước dùng để phân tích phổ các dao động tự do dài 1000 giờ được máy
tính giữ lại cho 16 điểm phân bố đều đặn đại diện cho các dải bờ khác nhau và phần
khơi biển (hình 1.1). Thủ tục phân tích điều hòa để khôi phục lại hình dạng không gian
của các dao động (tức tính phân bố biên độ và pha của nó) được thực hiện cho một nửa
số điểm tính ζ trên lưới tính.
Kết quả tính chu kỳ và những sơ đồ cấu trúc không gian của các dao động tự do
Kết quả tính các dao động tự do được trình bày dưới dạng một bảng liệt kê những đỉnh
phổ của mười sáu điểm tính phổ (bảng 2.1). Trong bảng này, những chữ số có dấu sao
bên trên chỉ độ lớn (phương sai) của đỉnh phổ cao nhất có mặt trong phổ. Những chữ số
không có dấu sao – các giá trị đã quy chuẩn theo tung độ của các đỉnh phổ cao nhất này
(biểu thị bằng phần trăm của đỉnh phổ cao nhất). Dòng cuối cùng của bảng có ghi những
trị số bình phương trung bình (đại diện cho phương sai tổng cộng) của mỗi chuỗi mực
nước mà từ đó phổ được tính.
Bảng 2.1. Những đỉnh phổ tại các điểm được phân tích

5/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Chu
kỳ
(giờ)
Điểm

13

14

2

25,0

2

24,8

9

2

3

6

19,2

95

4
2

2

2

7

7

6

146* 75

13,2

13

8

2

14

11,6

62

15

49

10,6

23


9,1

2

8,6

4

8,2

2

68

3

2

7,9

10
18

7,1

4
6

6


15

3
2

50

89

41

41

99

80

39

51

29

Trên các hình (2.1)-(2.16) biểu diễn các đồ thị phổ của các điểm tính. Trục tung ghi giá
trị phổ quy chuẩn theo giá trị của tung độ đỉnh phỏ cao nhất tại mỗi điểm.
6/31

21

38


2

55,6

19,2 13,2 11,6 10,6 9,8

8,2

3

55,6

23,8 19,2 13,2 11,6 10,6 9,6 8,2 7,1 6,1

4

55,6

24,8 19,2 17,2 13,2 10,6 9,6 9,1 8,6 8,2 6,1

5

19,2

17,2 14,7 8,2

6

33,3


7/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

11

25,0

19,2 17,2

12

25,0

19,2 17,2

13

25,0

19,2 17,2

14

55,6

25,0 19,2 17,2 11,6 10,6 9,8 9,4


độ dao động lớn nhất rõ ràng sẽ là phần phía nam của biển và trong các đỉnh vịnh. Ở
đỉnh vịnh Thái Lan, biên độ dao động tương đối (quy chuẩn theo trị bình phương trung
bình của nó trên toàn biển (xem bảng 2.3)) đạt tới 10 -13, tức biên độ tuyệt đối đạt gần
một mét nước.
Bức tranh tương tự như trên cũng có thể xảy ra với mốt 17,2 giờ. Điều khác biệt duy
nhất là quy mô của dao động này nhỏ hơn, trị bình phương trung bình của biên độ chỉ
bằng 14, và do độ dài bước sóng nhỏ hơn nên ở ngay phần phía nam của biển, trước cửa
vào vịnh Thái Lan đã hình thành một điểm “vô triều” và trong vịnh Thái Lan hình thành
thêm một cặp điểm “vô triều” nữa.
Bảng 2..3. Trị số bình phương trung bình toàn biển của biên độ các dao động ứng với
một số mốt
8/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Chu kỳ (giờ) 60 24 19,2 17,2 11,6 10,6 9,7
Δ

(mm)

16 10 64

14

18

15

8

2.2) thì từ đây chúng ta cũng có thể suy ra được phần lớn các địa phương có điều kiện
thuận lợi cho bán nhật triều phát triển như tác giả [15] đã chỉ ra ở trên.
Như vậy là từ kết quả của những tính toán về dao động tự do chúng tôi đã có thể dự
đoán được tương đối chính xác những nơi nào của biển Đông thuận lợi cho phát triển
nhật triều và những nơi nào thuận lợi cho dao động bán nhật triều.

9/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

7. Qua những nhận xét ở trên, chúng ta thấy rằng biển Đông được đặc trưng bởi một
nhóm những chu kỳ cộng hưởng chung. Tuy nhiên từng vùng biển khác nhau của nó do
những đặc điểm khu vực về độ sâu và viền bờ bao quanh còn có sự phân hóa rất rõ rệt về
khả năng cộng hưởng dao động, tức mỗi vùng của biển có thể coi là một bộ cộng hưởng.
Thí dụ, những chu kỳ cộng hưởng ở nhóm bán nhật chỉ đặc trưng cho những điểm tính
với số hiệu 1, 2, 3 và 4, tức những điểm đại diện cho vịnh Thái Lan, điểm 9 gần vịnh
Pulô Lakei, đại diện cho vùng thềm lục địa nước nông ở đông nam biển và các điểm 10
và 14 đại diện cho dải ven bờ nam Trung Quốc từ eo Đài Loan cho đến đông bắc đảo
Hải Nam. Những vùng này thực tế cho thấy đúng là những vùng với chế độ dao động
triều bán nhật không đều hoặc thậm chí bán nhật đều.
Vùng biển vịnh Bắc Bộ là điển hình về sự phân hóa mạnh trong đặc điểm cộng hưởng.
Nếu chúng ta so sánh những chu kỳ cộng hưởng của các điểm 6 và 7, thì thấy rằng những
điểm này chỉ cách nhau vài trăm cây số nhưng chúng có kiểu cộng hưởng rất khác nhau:
vùng điểm số 6 cộng hưởng với các sóng triều bán nhật và những sóng triều nước nông,
là những dao động luôn luôn xảy ra và kết quả là độ lớn triều trong vùng thuộc loại lớn
nhất trong biển, trong khi đó ở điểm số 7 danh sách các chu kỳ cộng hưởng rất nghèo
nàn, nó chỉ cộng hưởng với hai dao động 19,2 và 17,2 giờ là những dao động rất hiếm
thấy và thực tế đây chính là nơi có độ lớn thủy triều rất nhỏ như chúng ta đã biết.
8. Tính phân hóa về đặc điểm cộng hưởng không những biểu hiện ở sự có mặt hay không

Sóng

Hòn Dấu Đà Nẵng Quy Nhơn Vũng Tàu Rạch Giá

K1 (cm) 65,16

19,44

30,88

59,48

20,46

O1 (cm) 74,71

12,93

26,49

45,22

11,82

K1
O1

1,50

1,16


6,65

28,64

3,04

M2 (cm) 9,29

17,23

16,06

74,83

16,12

S2
M2

0,33

0,41

0,38

0,18

0,54


Vùng loại 6 giáp bờ nam Trung Quốc ở phía đông bắc đảo Hải Nam cho tới eo Đài
Loan (gần các điểm tính 10 và 14) phản ứng với dải rộng các chu kỳ, nhưng hoàn toàn
không cộng hưởng với dao động ngày nên biểu hiện mực nước sẽ là bán nhật cộng với
các sóng nước nông phát triển.
Có thể thấy rằng sự phân vùng trên đây thuần túy dựa theo đặc điểm của dao động tự do
của từng vùng, cũng đã cho phép chúng ta đoán được những khả năng của những vùng
đó thuộc vào một kiểu dao động thủy triều nào. Để so sánh chúng tôi dẫn bản đồ phân
bố tính chất thủy triều trên biển Đông lấy trong [43] (hình 2.25).
Thấy rằng, về cơ bản những vùng với những đặc trưng thủy triều dự đoán đã được thể
hiện gần giống với bản đồ phân bố tính chất thủy triều.
12/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Những kết luận rút ra từ khảo sát dao động tự do
Qua một mô hình tương đối đơn giản này chúng tôi đã khảo sát được những tính chất
rất quan trọng của biển Đông như một hệ cộng hưởng.
Có thể thấy rằng thủy vực này có một chế độ dao động tự do rất phức tạp phản ánh sự
phức tạp của hình dạng đường bờ và địa hình đáy của nó. Biển Đông có thể cộng hưởng
với những lực tác động từ bên ngoài trên một dải rộng các gtần số.
Trong số những chu kỳ cộng hưởng của biển có mặt các chu kỳ với trị số xấp xỉ chu kỳ
dao động của thủy triều toàn nhật và bán nhật. Điều này một lần nữa lý giải cơ chế cộng
hưởng của các sóng triều làm cho biên độ thủy triều đặc biệt lớn trong một số vùng của
biển này và phân hóa tính chất triều ở những vùng khác nhau.
Việc khả sát tính phân hóa trong dao động tự do ở các vùng khác nhau của biển Đông đã
giúp giải thích nhiều hiện tượng độc đáo lý thú trong dao động thủy triều của biển như
sự tồn tại vùng nhật triều biên độ lớn, những vùng bán nhật triều, quy luật tăng giảm các
tương quan biên độ của các sóng nhật triều hay bán nhật triều khi chúng lan truyền trong
biển.

55,6-23,8-19,2-13,2-11,6-10,6-9,6-8,2-7,1-6,1 giờ)

15/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông
Phổ dao động tự do tại điểm số 4 (các đỉnh ứng với chu kỳ
55,6-24,8-19,2-17,2-13,2-10,6-9,6-9,1-8,6-8,2-6,1 giờ)

Phổ dao động tự do tại điểm số 5 (các đỉnh ứng với chu kỳ 19,2-17,2-14,7-8,2-6,9 giờ)

16/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Phổ dao động tự do tại điểm số 6 (các đỉnh ứng với chu kỳ 33,3-25,0-19,2-17,2-14,7-7,6 giờ)

Phổ dao động tự do tại điểm số 7 (các đỉnh ứng với chu kỳ 19,2-17,2 giờ)

17/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Phổ dao động tự do tại điểm số 8 (các đỉnh ứng với chu kỳ 25,0-19,2-17,2 giờ)

Phổ dao động tự do tại điểm số 9 (các đỉnh ứng với chu kỳ
25,0-19,2-13,2-11,6-10,6-9,8-7,9-7,1-6,4-6,1 giờ)



Phổ dao động tự do tại điểm số 15 (các đỉnh ứng với chu kỳ 19,2-17,2 giờ)

Phổ dao động tự do tại điểm số 16 (các đỉnh ứng với chu kỳ 25,0-19,2-17,2 giờ)

22/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Những đường đồng pha (liền nét) và đồng biên độ (gạch nối) của dao động tự do với chu kỳ 55,6
giờ

23/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Những đường đồng pha (liền nét) và đồng biên độ (gạch nối) của dao động tự do với chu kỳ 24,8
giờ

24/31


Khảo sát dao động tự do của biển Đông

Những đường đồng pha (liền nét) và đồng biên độ (gạch nối) của dao động tự do với chu kỳ 19,2
giờ

25/31