Báo cáo nghiên cứu khoa học " Một số kết quả khảo sát tr-ờng tốc độ âm biển Đông " ppt

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

(trục kênh âm ngầm đại dơng) tại độ sâu biến thiên trong khoảng 900
- 1000m,
ở trung tâm các vùng khơi có thể tới sâu hơn, 1200m.
Kết quả tính đờng đi tia âm đối với trờng hợp nguốn tại độ sâu 30, góc mở
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
500m.

Các đặc trng âm học có thể đợc sử dụng để chỉ thị các khối nớc, nghiên cứu
các dòng chảy, sóng mặt và sóng ngầm, băng biển. Các phơng pháp âm học đợc áp
dụng rộng rãi khi giải quyết nhiều bài toán ứng dụng. Đó là việc tìm và khai thác vùng
tập trung cá, tìm kiếm khoáng sản có ích trên đáy biển và đại dơng, đảm bảo hàng hải
và dẫn tầu Đặc biệt phải kể tới việc sử dụng rộng rãi các phơng pháp âm học trong
lực lợng hải quân [4]. Trong khi đó việc nghiên cứu âm học biển ở nớc ta còn ít [2, 3].
Lần đầu tiên kênh âm ngầm đợc phát hiện năm 1946 trong thời gian khảo sát ở
biển Nhật Bản, sau đó đợc các nhà khoa học Nga L. M. Brekhovskich và L. Đ.
Rozenberg giải thích. Giá trị thực tiễn của kênh âm ngầm rất to lớn. Hiện tợng truyền
âm đi xa bên trong kênh âm ngầm là cơ sở của thủy âm học hiện đại.
Ngoài liên lạc và phát tín hiệu dới nớc, kênh âm ngầm có thể đợc sử dụng để
giải quyết trực tiếp những bài toán hải dơng học. Thí dụ, xây dựng hệ thống trắc đạc
âm học, cho phép tiến hành quan trắc liên tục về trạng thái và chuyển động của các
khối nớc theo những đặc trng tích phân của các tín hiệu âm cùng lúc trên những
vùng nớc rộng lớn của đại dơng và biển.
Trong bài này, xuất phát từ cơ sở dữ liệu phong phú về các đặc trng hải dơng
học cơ bản nh nhiệt độ và độ muối, đã khảo sát những đặc điểm chính của trờng tốc
độ âm trong biển Đông, tính toán bức tranh khúc xạ tia âm trong nớc biển để rút ra
một số đặc trng chủ yếu của sự truyền âm trong biển này.
44

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)

trong đó
C
tính bằng m/s; các hiệu chỉnh do nhiệt độ khác với 0C ( ), độ muối khác
với 35%
o ( ), áp suất khác với áp suất khí quyển ( ) và hiệu chỉnh tổng hợp ( )
đợc xác định theo các công thức:
T
C
S
C
P
C
PTS
C
463422
T
T109851,7T1060445,2T104532,4T 5721,4C

+= ;
23
S
)35S(1069202,1)35S(39799,1C +=

;
;P103603,3P105216,3P100268,1P1060272,1C
41239263
P

++=

++=
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

biến thiên không gian của trờng tốc độ âm tại những mặt cắt thẳng đứng điển hình ở
biển Đông.
Với mỗi trắc diện thẳng đứng của tốc độ âm đã tiến hành tính toán sự khúc xạ tia
âm trong nớc biển. Quy trình tính đờng đi của tia âm thực hiện trên cơ sở giả thiết
rằng sự khúc xạ tia âm chỉ xảy ra trong mặt phẳng thẳng đứng. Giả thiết rằng toàn bề
dày nớc biển đợc chia thành nhiều lớp (44 lớp), trong phạm vi mỗi lớp tốc độ âm biến
thiên tuyến tính với độ sâu, tức gradient thẳng đứng của tốc độ âm trong mỗi lớp không
đổi. Trong trờng hợp này đờng đi của tia âm sẽ là đờng tròn với bán kính
R
xác
định theo công thức (xem [1])
Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm
46


cos
c
o
C
R = , (2)
và tâm có các tọa độ:


= tg
C
x
c
o
o
;

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

22
o
2
o
R)zz()xx( =+ .
Sau khi thế các giá trị của vào phơng trình này và rút gọn ta đợc
Rzx
oo
,,

0z
C
2zx tg
C
2x
c
o
2
c
o
2
=

+

. (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
=

+










. (5)
ii
'

c
=
const

x
o
z
= 0
C
o

C
1


z
O
z
o

z = z
1


Hình 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

x
1
z
b) Khi phơng trình có một nghiệm kép, giá trị nghiệm
chính là tiếp điểm của
tia âm với biên phân cách
. Trong trờng hợp này tia âm phản xạ toàn phần tại biên
phân cách
và tiếp tục đi lên phía trên.
1
x
1
z
1
z
c) Nếu phơng trình vô nghiệm, điều đó có nghĩa rằng tia âm đã phản xạ toàn
phần tại một độ sâu nhỏ hơn so với độ sâu
đang xét. Trong trờng hợp này phải tìm
độ sâu
nhỏ hơn, tại đó xảy ra phản xạ toàn phần của tia âm. Bằng giải tích điều này
có thể thực hiện bằng cách khảo sát biệt số của phơng trình (5), tức tìm giá trị
sao
cho thoả mãn đẳng thức:
1
z
1
z
1
z
0tg

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.

1
z
1
z
Nếu tia âm tiếp tục đi xuống lớp dới, thì góc tới
của tia âm tại biên phân cách
sẽ đợc xác định bằng cách tính trị số tang của góc nghiêng của tiếp tuyến với đờng
tròn quỹ đạo tia âm (4) tại điểm
. Lấy đạo hàm
i
1
z
)z ,x(
11
dx
dz
theo phơng trình (4) ta
đợc công thức tính góc giữa trục
và tia âm tại điểm nh sau:
x ),(
11
zx
0
0
1
0
0
1
1
C

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

2
z
3. Một số đặc điểm phân bố tốc độ âm ở vùng khơi biển Đông và các đặc trng
đờng đi của tia âm
Trên hình 2 dẫn thí dụ về phân bố thẳng đứng của nhiệt độ, độ muối và tốc độ âm
tại một điểm thuộc vùng khơi biển Đông trong tháng Giêng. Sự biến thiên mạnh của
nhiệt độ trong lớp nêm nhiệt mùa quyết định sự giảm tốc độ âm trong lớp trên của biển
từ mặt tới khoảng độ sâu 8001000 m.
Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm
48
5 10152025
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000
-800
-600
-400
-200
0

34.3 34.4 34.5 34.6
-2000
-1800
-1600
-1400
-1200
-1000

-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

điểm, các tháng mùa đông, do ảnh hởng của lỡi nớc lạnh, mặn từ phía đông bắc biển
xâm nhập vào biển gây nên cực đại cục bộ của độ muối tại độ sâu vài trăm mét (xem
hình 2 b) chỉ làm cho phân bố tốc độ âm ít nhiều thay đổi trong lớp này.
Vai trò của nhiệt độ mặt biển thể hiện ở sự phân hóa tốc độ âm theo đới bắc nam
thể hiện khá rõ vào mùa đông. Trong các tháng mùa đông dòng chảy lạnh góp phần
hình thành các đờng đẳng trị tốc độ âm có dạng lỡi xâm nhập từ phía bắc và đông
bắc biển (hình 3). Trong mùa hè trờng tốc độ âm mặt biển đồng nhất hơn, nhng tồn
tại một vùng thiên giảm tốc độ âm trùng với vùng hoạt động của nớc trồi gần bờ Nam
Trung Bộ, Việt Nam (hình 4).
Bắt đầu từ khoảng độ sâu 800
900 m hoặc 10001200 m, khi nhiệt độ không còn
biến thiên mạnh theo độ sâu thì vai trò của áp suất bắt đầu làm tăng tốc độ âm. Vì vậy
tại vùng khơi biển Đông thờng quan sát thấy cực tiểu chính của tốc độ âm ở các độ sâu
khoảng từ 900 đến 1200 m phù hợp với quy luật chung của vùng nhiệt đới Thái Bình
Dơng. Hình 7 là thí dụ về bản đồ phân bố độ sâu cực tiểu chính của tốc độ âm (trục
kênh âm ngầm đại dơng).
Một số kết quả khảo sát trờng tốc độ âm biển Đông
49
100 102 10
4
10
6
108 11
0
112 11
4
116 11
8
120
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120

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

gần mặt (độ sâu 30 m) và trên hình 6 là bức tranh tơng tự với nguồn phát tại độ sâu
cực tiểu chính của tốc độ âm (1000 m).
Nếu vẽ chi tiết đờng đi của các tia âm trong trờng hợp nguồn phát đặt tại độ
sâu 30 m, ta nhận thấy rằng trên mặt biển, gần nguồn phát là một vùng tối âm có bán
kính khoảng 50 m, còn vùng sáng âm thứ nhất trên mặt biển, gọi là vùng sáng gần
nguồn, là một vành khuyên với bán kính ngoài biến thiên từ 300 đến 500 m.
Ta thấy rằng, do độ sâu biển nhỏ hơn so với các độ sâu đại dơng và độ muối ở các
tầng sâu thờng chỉ bằng khoảng 35%
o, nên kênh âm ngầm ở biển Đông thuộc loại
kênh với tốc độ âm tại đáy biển nhỏ hơn nhiều so với tốc độ trên mặt biển và biến thiên
tốc độ âm theo độ sâu không lớn. Khảo sát đờng đi của các tia âm trong trờng hợp
nguồn ở độ sâu trục kênh âm ngầm và góc mở cực đại 30
o
so với phơng ngang thấy
rằng chỉ có các tia với góc đi ra khỏi nguồn rất nhỏ mới có thể có khả năng phản xạ bên
trong bề dày nớc biển. Phần các tia còn lại thờng phản xạ tại đáy và mặt biển với
năng lợng giảm đi khá nhiều.
Phạm Văn Huấn, Phạm Hoàng Lâm
50
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120
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 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

VB
(nguån ph¸t ë ®é s©u 1000 m - ®é s©u cùc tiÓu chÝnh cña tèc ®é ©m)
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24

H×nh 7. Ph©n bè ®é s©u cùc tiÓu chÝnh cña tèc ®é ©m ë biÓn §«ng, th¸ng 1

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.

4.
. .
. 1:
. , 1998, 400 .


VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, n
0
3AP., 2005

some results of The investigation of the sound
velocity field in the south-china sea
Pham Van Huan, Pham Hoang Lam
Department of Hydro-Meteorology & Oceanography
College of Science, VNU

The data base of 137 181 temperature and salinity profiles on the South-china
sea were used to compute the sound speed in sea water. The area restricted from 99
o
E
to 120
o
E and from 2
o
N đến 24
o
N was devided into a mesh domain with the maesh size
Mét sè kÕt qu¶ kh¶o s¸t tr−êng tèc ®é ©m biÓn §«ng
53
of 0,5

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.