Dự báo dài hạn các yếu tố thủy văn biển

Những dự báo thủy văn dài hạn có thời gian báo trước từ một đến sáu tháng, những dự báo siêu dài hạn - từ sáu tháng đến một năm và thậm chí vài năm.

Khi lập dự báo, tuỳ thuộc vào thời gian báo trước của dự báo người ta chọn những yếu tố tiên lượng do ảnh hưởng của chúng mà đại lượng được dự báo biến đổi.

Việc xây dựng những phương pháp dự báo ngắn hạn và dài hạn có những hình thức khác nhau về nguyên tắc. Những biến đổi ngắn hạn của các yếu tố chế độ biển hoàn toàn được quy định bởi tác động của các yếu tố khí tượng, trong đó phản ứng của các yếu tố thủy văn đối với tác động của các yếu tố khí tượng có tính chất đồng thời hoặc với một khoảng trễ nào đó. Vì vậy những dự báo thủy văn biển ngắn hạn hoàn toàn dựa trên những dự báo khí tượng.

Với dự báo dài hạn và siêu dài hạn vấn đề sẽ khác. Ở đây trước hết tính tới những dao động chu kỳ dài của các yếu tố chế độ biển.

Biển hấp thụ và tích tụ năng lượng mặt trời, giữ năng lượng một thời gian dài. Nhờ xáo trộn thẳng đứng, năng lượng mặt trời được truyền xuống toàn bộ lớp hoạt động của biển, khi có các dòng chảy ổn định năng lượng được vận chuyển từ vùng biển này sang vùng biển khác, đôi khi từ biển này sang biển khác.

Tuy nhiên, ngoài những quá trình diễn ra trong chính lớp hoạt động của biển, một nhân tố bên ngoài quan trọng gây nên độ biến động nhiệt và động học của lớp hoạt động của biển là hoàn lưu khí quyển. Tác động của hoàn lưu sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào trạng thái biển và bản thân khí quyển vào thời điểm lập dự báo. Vì vậy trong các dự báo thủy văn dài hạn cần chú ý tới việc xác định những điều kiện ban đầu tồn tại trong một thời kỳ dài trước dự báo. Trong các mối phụ thuộc dự báo, ảnh hưởng của hoàn lưu khí quyển được kể tới không chỉ tại khoảng thời gian trước dự báo mà cả trong thời gian dự báo. Và điều này đòi hỏi phải có dự báo khí tượng.

Những mối phụ thuộc dự báo được xây dựng tuân theo những nguyên tắc như vậy sẽ có độ đảm bảo cao, nhưng khi sử dụng chúng trong dự báo thực tế cần phải có dự báo thời tiết với độ xác thực cao.

Một hướng các công trình nghiên cứu xây dựng các phương pháp dự báo biển bỏ qua dự báo khí tượng, chú ý tới độ biến động của các yếu tố quyết định và khả năng biến đổi của chúng trong tương lai [6,8]. Cơ sở của những nghiên cứu này là sự tính tới tính kế thừa, tính có quán tính và các đặc điểm khác trong sự phát triển của các quá trình khí tượng và thủy văn.

Tóm tại những quy luật cơ bản sử dụng trong dự báo biển dài hạn gồm:

1) Tính kế thừa trong sự phát triển của các quá trình khí tượng thủy văn.

2) Quán tính của các quá trình.

3) Phát hiện những sự giống nhau trong sự phát triển của các quá trình (chọn những loại suy).

Phương pháp này, còn gọi là phương pháp thống kê động lực, dựa trên giả thiết về sự tồn tại những quy luật nội tại trong sự biến thiên thời gian của các quá trình khí tượng, thủy văn vĩ mô [4].

Tư tưởng của phương pháp do Iu. M. Alekhin đề xướng nhằm đối tượng là những quá trình cỡ lớn, tức quá trình được lấy trung bình trên quy mô rộng theo không gian hoặc (và) theo thời gian để đảm bảo nó là hệ quả của nhiều nguyên nhân, trong đó các nguyên nhân cùng có ảnh hưởng đều như nhau, không trội hẳn so với nhau. Những nguyên nhân này về phần mình lại là hệ quả của hàng loạt các quá trình khác, tức có sơ đồ hình cây của các nguyên nhân tác động tới yếu tố chúng ta cần dự báo. Biến động nhiều hướng của vô số những nguyên nhân ấy thiết lập trong yếu tố dự báo một chế độ dao động ổn định trong thời gian, đặc trưng bởi tính liên hệ nội tại giữa những giá trị của nó trong tiền sử, hiện tại và tương lai. Tính liên hệ nội tại này thể hiện ở sự ổn định của hàm tự tương quan. Một khi hàm tương quan của yếu tố ổn định, có thể ngoại suy yếu tố đó một cách tin cậy.

Trong thực tế nếu chuỗi quan trắc đủ dài chúng ta có thể kiểm tra sự ổn định của hàm tương quan bằng cách tính hàm này trong những đoạn quan trắc và so sánh với nhau. Vì vậy, với yếu tố khí tượng hải văn lấy trung bình theo tháng, mùa hoặc năm, hoặc những đặc trưng trung bình của cả một vùng biển, của một mặt cắt với hàm tương quan ổn định đều có thể sử dụng phương pháp dự báo này. Xét theo nghĩa đó phương pháp dự báo chúng ta đang nghiên cứu có tính vạn năng, nghĩa là nó có thể sử dụng để dự báo nhiều yếu tố tự nhiên quy mô lớn.

Giá trị dự báo qt size 12{q rSub { size 8{t} } } {} (là giá trị quy chuẩn theo trị số trung bình của đại lượng cần dự báo Q size 12{Q} {}) có thể được biểu diễn dưới dạng một quan hệ tuyến tính với các giá trị đã biết của nó ở những thời điểm trước bằng phương trình

qt=Km,1qt−m+Km,2qt−m−1+...+Km,θqt−m−θ+1 size 12{q rSub { size 8{t} } =K rSub { size 8{m,1} } q rSub { size 8{t - m} } +K rSub { size 8{m,2} } q rSub { size 8{t - m - 1} } + "." "." "." +K rSub { size 8{m,θ} } q rSub { size 8{t - m - θ+1} } } {}, (9.1)

trong đó m− size 12{m - {}} {} thời gian báo trước của dự báo, gọi tắt là thời hạn dự báo, m=1,2,... size 12{m=1, 2, "." "." "." } {}; θ− size 12{θ - {}} {} số lượng các giá trị đã biết của đại lượng q size 12{q} {} được dùng trong phương trình dự báo.

Những hệ số ngoại suy tuyến tính Km,1,Km,2,..., Km,θ size 12{K rSub { size 8{m,1} } , K rSub { size 8{m,2} } , "." "." "." ", "K rSub { size 8{m,θ} } " "} {}ứng với một giá trị xác định của m size 12{m} {}, làm thành hàm các hệ số ngoại suy tuyến tính Km size 12{K rSub { size 8{m} } } {}, được xác định thực nghiệm từ quan trắc thực tế. Người ta thường sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất để xác định những trị số của hàm Km size 12{K rSub { size 8{m} } } {}. Theo phương pháp này, những trị số Km,i size 12{K rSub { size 8{m,i} } } {}, i=1,2,..., θ size 12{i=1, 2, "." "." "." ", "θ} {}, được xác định sao cho tổng của các bình phương của sai số ngoại suy theo công thức (9.1) so với các quan trắc thực tế đạt cực tiểu, tức là

∑t=1N−θqt−Km,1qt−m−Km,2qt−m−1−...−Km,θqt−m−θ+12=min size 12{ Sum cSub { size 8{t=1} } cSup { size 8{N - θ} } { left (q rSub { size 8{t} } - K rSub { size 8{m,1} } q rSub { size 8{t - m} } - K rSub { size 8{m,2} } q rSub { size 8{t - m - 1} } - "." "." "." - K rSub { size 8{m,θ} } q rSub { size 8{t - m - θ+1} } right ) rSup { size 8{2} } ="min"} } {}, (9.2)

với N− size 12{N - {}} {} tổng số các quan trắc về đại lượng Q size 12{Q} {}.

Khảo sát điều kiện cực trị của (9.2) sẽ dẫn tới một hệ phương trình chuẩn tắc sau đây để tính những trị số của hàm Km size 12{K rSub { size 8{m} } } {}:

Km,1r0+Km,2r1+...+Km,θrθ−1=rm,Km,1r1+Km,2r0+...+Km,θrθ−2=rm+1,...Km,1rθ−1+Km,2rθ−2+...+Km,θr0=rm+θ−1.alignl { stack { size 12{K rSub { size 8{m,1} } r rSub { size 8{0} } +K rSub { size 8{m,2} } r rSub { size 8{1} } + "." "." "." +K rSub { size 8{m,θ} } r rSub { size 8{θ - 1} } =r rSub { size 8{m} } ,} {} # K rSub { size 8{m,1} } r rSub { size 8{1} } +K rSub { size 8{m,2} } r rSub { size 8{0} } + "." "." "." +K rSub { size 8{m,θ} } r rSub { size 8{θ - 2} } =r rSub { size 8{m+1} } , {} # "." "." "." {} # K rSub { size 8{m,1} } r rSub { size 8{θ - 1} } +K rSub { size 8{m,2} } r rSub { size 8{θ - 2} } + "." "." "." +K rSub { size 8{m,θ} } r rSub { size 8{0} } =r rSub { size 8{m+θ - 1} } "." {} } } {} (9.3)

Thấy rằng việc xác định các trị số của hàm các hệ số ngoại suy tuyến tính Km size 12{K rSub { size 8{m} } } {} quy về việc giải hệ các phương trình đại số tuyến tính gồm θ size 12{θ} {} phương trình với θ size 12{θ} {} ẩn số. Với những m size 12{m} {} khác nhau, các hệ phương trình ấy sẽ chỉ khác nhau ở những số hạng tự do vế phải.

Như vậy các bước tính toán để thực hiện mô hình dự báo bao gồm:

a) Thiết lập chuỗi thời gian những giá trị quan trắc của đại lượng q size 12{q} {} quy chuẩn theo trị số trung bình của chuỗi

b) Tính các giá trị của hàm tự tương quan chuẩn hoá theo công thức

rk=∑i=1N−kqiqi+k∑i=1N−kqi2∑j=kNqj2,k=0,1,..., m+θ−1 size 12{r rSub { size 8{k} } = { { Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{N - k} } {q rSub { size 8{i} } q rSub { size 8{i+k} } } } over { sqrt { Sum cSub { size 8{i=1} } cSup { size 8{N - k} } { left (q rSub { size 8{i} } right ) rSup { size 8{2} } } Sum cSub { size 8{j=k} } cSup { size 8{N} } { left (q rSub { size 8{j} } right ) rSup { size 8{2} } } } } } ," "k=0, 1, "." "." "." ", "m+θ - 1} {};

c) Giải hệ phương trình chuẩn tắc (9.3) bằng một phương pháp quen thuộc trong phương pháp tính như phương pháp Gauxơ hoặc phương pháp lặp Seiđen.

Kinh nghiệm dự báo các quá trình tự nhiên quy mô lớn bằng phương pháp ngoại suy tối ưu cho thấy rằng ứng với số lượng θ size 12{θ} {} các số hạng ở vế phải của (9.1) khác nhau sẽ cho hiệu quả dự báo khác nhau. Người ta cho rằng, tuỳ thuộc vào cấu trúc biến động dao động của mỗi quá trình dự báo mà tồn tại những giá trị θ size 12{θ} {} tối ưu làm cho dự báo quá trình đó đạt hiệu quả cao nhất. Tác giả của phương pháp và nhiều người áp dụng phương pháp này vào các quá trình trong thuỷ văn và hải dương học đã chú ý khảo sát nhằm xác định giá trị tối ưu của θ size 12{θ} {} đối với từng yếu tố dự báo cụ thể và tìm được những giá trị tối ưu nằm trong khoảng từ 8 đến 40 bước thời gian (tháng hoặc năm, tuỳ thuộc độ gián đoạn quan trắc hay quy mô lấy trung bình các đại lượng).

Phương pháp thống kê động lực đã được dùng để dự báo giá trị trung bình tháng, trung bình mùa và năm của nhiệt độ nước Bắc Đại Tây Dương.

Những dự báo siêu dài hạn chủ yếu có tính chất định tính. Thực tế tồn tại những dao động về độ đóng băng biển, nhiệt độ nước ở các mặt cắt chuẩn, mực nước và những yếu tố khác đã hướng các nhà nghiên cứu tới việc tìm những nguyên nhân của chúng và thử nghiệm xây dựng những phương pháp dự báo với thời gian báo trước rất lớn.

Các công trình của Vize chỉ ra rằng nguyên nhân chủ yếu của những biến động về độ dày thảm băng trên các biển thuộc Bắc Băng Dương là do dao động của cường độ hoàn lưu chung của khí quyển.

Suleikin xây dựng sơ đồ về hệ tự dao động của thủy vực Bắc Băng Dương và Bắc Đại Tây Dương. Ông cho rằng giả sử do một nguyên nhân nào đó nhiệt độ nước trong dòng hải lưu Bắc Đại Tây Dương tăng lên. Do sự vận chuyển nhiệt rất mạnh bởi nước Đại Tây Dương lên thủy vực Bắc Băng Dương làm cho băng ở đó sẽ tan nhiều. Về phía mình, sự tăng cường tan băng có ảnh hưởng hai mặt tới chế độ nhiệt của nước: một mặt, do giảm độ dày và diện tích thảm băng sẽ làm tăng cường sự trao đổi nhiệt với không khí bên trên và nước bị lạnh đi mạnh hơn; mặt khác, sự tăng cường tan băng làm tăng lượng nước và băng trôi đi theo các dòng hải lưu lạnh Labrađo và Đông Grinlan về Đại Tây Dương. Chính vì vậy phá vỡ trạng thái nhiệt của nước ở vùng Niu-Phơnlen, nơi xảy ra sự trộn lẫn các dòng hải lưu nóng và hải lưu lạnh, có nghĩa là nhiệt độ nước trong các tia của hải lưu Bắc Đại Tây Dương phải giảm xuống. Sự giảm nhiệt độ trong dòng hải lưu nóng này và ở những đoạn kéo dài của nó (gồm các dòng hải lưu Tây Spitxbergen và Norđcap) nhất thiết sẽ dẫn tới làm giảm sự tan băng ở Bắc Băng Dương. Điều đó có nghĩa rằng nhiều lượng nước lạnh hơn sẽ được giữ lại dưới thảm băng, giảm số lượng núi băng trôi và băng trôi chuyển xuống phía Đại Tây Dương. Tất cả các quá trình đó dẫn tới sự tăng nhiệt độ nước, thoạt đầu trong dòng hải lưu Labrađo và sau đó ở vùng Niu-Phơnlen và cuối cùng ở trong các tia của dòng hải lưu nóng. Sau đó toàn bộ chu trình biến đổi nhiệt độ bắt đầu lặp lại. Người ta theo dõi thấy rằng chu kỳ của những dao động này bằng 3,5 năm.

Giả thiết của Suleikin về các quá trình tự dao động có thể là cơ sở để xây dựng phương pháp dự báo siêu dài hạn đối với những hiện tượng nhiệt trong hệ thống Bắc Băng Dương và Bắc Đại Tây Dương (hình 9.1).

A. I. Đuvanhin xét mối liên hệ giữa sự phân bố các dị thường nhiệt độ nước và những dao động trong cường độ vận chuyển khí quyển trên địa phận Bắc Đại Tây Dương. Thấy rằng, ứng với trường hợp tăng cường vận chuyển từ hướng tây trong khí quyển người ta quan sát thấy những dị thường dương của nhiệt độ nước trong vùng các dòng hải lưu nóng và những dị thường âm trong vùng các dòng hải lưu lạnh. Sự phân bố ngược lại về dấu của các dị thường nhiệt độ nước đặc trưng cho trường hợp giảm cường độ vận chuyển từ hướng tây trong khí tuyển. Trên cơ sở đặc điểmnày người ta kết luận rằng trong hoàn lưu khép kín của ở Bắc Đại Tây Dương sự vận chuyển nhiệt có bản chất sóng. Khi thực hiện phân tích phổ những số liệu quan trắc dao động mực nước và nhiệt độ ở những vùng đại dương khác nhau Đuvanhin đã xác định được các chu kỳ bằng 2,5 và 5 năm.

J. Bierknes nêu lên nguyên nhân xuất hiện của những dị thường cỡ lớn trong đại dương thông qua thí dụ về hoàn lưu nước dị thường ở vùng đông phần xích đạo Thái Bình Dương gọi là hiện tượng El-Nino. Khi gió mậu dịch đông nam suy yếu, sẽ xuất hiện một sự gia tăng dị thường lượng nước xích đạo ấm do nhánh phía nam của hải lưu nghịch nội tín phong đưa xa xuống đến khoảng 15°S dọc bờ Nam Mỹ, ở đoạn này dòng hải lưu được gọi là dòng El-Nino. Sự xâm nhập mạnh mẽ đó của nước ấm sẽ làm thay đổi đột ngột các điều kiện hải dương và khí tượng tại các vùng gần bờ Pêru và Chilê, dẫn tới những hiện tượng như huỷ diệt nhiều giống cá ưa lạnh, gây mưa và bão khốc liệt trong vùng.

Bierknes nhận thấy rằng trong thế kỷ 20 dòng hải lưu El-Nino phát triển hoàn toàn ba lần vào thời kỳ mùa hè các năm 1925-1926, 1940-1941, 1957-1958. Ảnh hưởng của dòng hải lưu El-Nino tác động lên hoàn lưu khí quyển không những chỉ ở phần Bắc Thái Bình Dương mà cả ở Bắc Đại Tây Dương. Thí dụ, sự phát triển mạnh mẽ của dòng hải lưu này vào những năm 1957-1958 (mùa đông) đã gây ra sự giảm mạnh các gió tây ở Đại Tây Dương và dịch chuyển tâm áp thấp Aixơlen từ đảo Aixơlen tới phía Bắc Nauy.

Như vậy những dị thường lớn của nước biển gây bởi quá trình khí quyển ở vùng xích đạo của đại dương thế giới và sự ảnh hưởng ngược lại của các dị thường đại dương này lên hoàn lưu khí quyển phải là cơ sở để nghiên cứu độ biến động và dự báo các yếu tố khí tượng thủy văn trên những vùng không gian lớn (xem [13]).

Trong nhiều năm gần đây một số nhà khoa học chú ý tới việc nghiên cứu chu trình hai năm của các yếu tố khí tượng thủy văn nhằm mục đích xây dựng những phương pháp dự báo với thời gian báo trước lớn. Lần đầu tiên biến nhịp hai năm trong các hiện tượng khí tượng đã được nhận thấy trong các công trình của Cleiton và Voencop. Sau đó các công trình của Meinarđux và Lexgaft xét chu trình hai năm trong biến trình nhiệt độ nước đại dương. Lexgaft nhận xét rằng građien kinh hướng lớn của nhiệt độ nước gây ra sự gia tăng hoàn lưu đới, nhưng do trao đổi rối giữa các vĩ độ nên hiệu nhiệt độ giảm xuống và do đó hoàn lưu yếu đi. Sự tăng nhiệt độ nước trong hệ thống dòng hải lưu Gơnxtrim gây bởi sự phát triển đặc biệt mạnh của các dòng không khí từ hướng tây nam trong khí quyển sẽ dẫn tới sự suy yếu các dòng hải lưu, và do đó, tới sự giảm nhiệt độ nước trong hệ thống dòng hải lưu Gơnxtrim.

Sự giảm nhiệt độ nước ở Bắc Băng Dương, liên quan với sự phát triển yếu của Gơnxtrim, chắc chắn sẽ làm tăng sự khác biệt về nhiệt độ giữa vùng cực và vùng xích đạo. Điều này về phần mình sẽ làm tăng độ sâu của áp thấp cực thống trị ở các lớp trên của khí quyển, do đó, sẽ kéo theo sự tăng áp suất ở nhiệt đới. Áp suất tăng cao ở vùng nhiệt đới cần kéo theo sự gia tăng dòng không khí tây nam và cường hoá Gơnxtrim. Như vậy hình thành một hệ kín. Lexgaft nhận xét rằng có thể có í nhiều sai khác với chu kỳ hai năm, nhưng nói chung có biểu hiện chu kỳ hai năm .

Ngoài chu kỳ hai năm, trong biến thiên nhiều năm của độ đóng băng, nhiệt độ và mực nước biển, người ta cũng tìm thấy những chu kỳ dài hơn. Thí dụ, Meinarđux đã xác định được rằng trung bình cách nhau 4-5 năm lượng băng và thời gian kéo dài mùa băng ở vùng Aixơlen lại đạt cực đại. Khi phân tích các dao động độ băng ở các biển Carxơ, Laptev, Đông Xibiri và Trucốt, Vize đã phát hiện tính tuần tự dạng sóng trong sự lan truyền các đỉnh độ đóng băng với khoảng trễ pha ở mỗi biển liên tiếp nhau bằng 2-3 năm. Để giải thích hiện tượng này Vize đã đưa ra giả thiết sau: sự lặp lại của các đỉnh dao động độ đóng băng là hậu quả của sự di chuyển xoay tròn của sóng áp suất quanh cực. Ở vùng áp suất cao trên Bắc Băng Dương các sóng áp suất di chuyển qua với chu kỳ 18 năm, tương tự chu kỳ các sóng thủy triều thiên văn ở đại dương. Sóng áp suất di chuyển từ tây sang đông. Kết quả là tuần tự tăng cường và di chuyển bốn nhánh chính của cao áp cực - Grinlen, Taimư, Đông Xibiri và Canađa. Như vậy chu kỳ toàn phần của sóng quanh cực đã dẫn tới sự lặp lại bốn lần của nhánh được cường hoá của xoáy nghịch cực ở mỗi vùng, dẫn tới chu kỳ lặp lại của tình huống điều kiện áp suất trung bình bằng 4-5 năm.

Giả thiết về ảnh hưởng của các nhân tố vũ trụ - địa vật lý tới các quá trình khí tượng thủy văn đã được đề xướng trong các công trình của các nhà khoa học như I. V. Maximov và N. P. Xmirnov. Phân tích điều hoà đã cho phép xác định trong nhiều chuỗi quan trắc về nhiệt độ nước tồn tại những chu trình 6－7, 11 và 18－19 năm. Người ta giải thích rằng chu kỳ 6－7 năm gây bởi các dao động trục quay trái đất, chu kỳ 11 năm liên quan tới hoạt độ mặt trời, chu kỳ 18－19 năm liên quan tới thủy triều mặt trăng - mặt trời chu kỳ dài. Trên cơ sở những phát hiện này đã xây dựng phương pháp thành phần - điều hoà để dự báo nhiệt độ nước.

I. V. Maximop đã tính những dao động độ đóng băng của các biển Bắc Băng Dương, nhiệt độ nước và mực nước gây bởi tác động của những nhân tố bên ngoài nguồn gốc vũ trụ và địa vật lý như triều cực, hoạt độ mặt trời, triều độ nghiêng mặt trăng chu kỳ dài và biến thiên tốc độ quay của trái đất.

Trên hình 9.2 biểu thị những dao động độ đóng băng ở Bắc Đại Tây Dương do Maximov tính (lấy theo [12]). Sự chồng lên nhau của các đỉnh đã tạo nên những thời kỳ giảm mạnh độ đóng băng vào những năm 1900-1940. Độ băng cực tiểu tính toán đạt vào những năm 1930-1950. Những số liệu quan trắc nhiệt và chế độ băng đang ghi nhận thời kỳ ấm dần của Bắc Cực.

Như vậy, để lập những dự báo dài hạn và siêu dài hạn cần phải nghiên cứu sự biến thiên của các yếu tố chế độ biển và tìm ra những nguyên nhân gây nên những biến động. Ở đây cần nhấn mạnh quan điểm tính tới toàn bộ tập hợp những nhân tố tác động và sự thay đổi vai trò của chúng trong thời gian.