Nghiên cứu sự biến thiên của front nhiệt mặt biển trong Biển Đông

1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU
2
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
3
1.1 Khái niệm
3
1.2 Các loại front
5
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU FRONT
8
CHƢƠNG 3: HỆ THỐNG VỆ TINH VÀ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH
16
3.1 Hệ thống các vệ tinh NOAA-AVHRR
3.2 Cơ sở dữ liệu ảnh NOAA-AVHRR
16
17
CHƢƠNG 4: PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH FRONT TỪ ẢNH VỆ
TINH

19
4.1 Thuật toán xác định ranh giới các ảnh nhiệt mặt biển (SST)
của Cayula & Cornillon (1992)

19
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
các đại dương cũng như các biển, luôn luôn tồn tại sự chênh lệch nhiệt độ theo các
khu vực riêng biệt. Sự chênh lệch này có thể là do sự xâm nhập của các khối nước,
quá trình vận chuyển nước của các hoàn lưu hay do sự khác biệt của các yếu tố vật

lý, dinh dưỡng. Chính vì thế, nghiên cứu front nhiệt có thể giúp xác định các điều
kiện vật lý khác biệt của các khu vực nước rộng lớn, nhờ đó có thể xác định ranh
giới của các khối nước hay ranh giới của các dòng chảy lớn Nghiên cứu front rất
quan trọng trong việc nghiên cứu cũng như kết hợp hoàn thiện các trường hải dương
khác.
Khu vực Biển Đông là khu vực có đặc trưng gió mùa: gió mùa Đông Bắc vào
mùa đông và gió mùa Tây Nam vào mùa hè. Trường nhiệt trong Biển Đông cũng có
sự thay đổi theo mùa: vào mùa đông, xuất hiện một lưỡi nước lạnh từ phía Bắc xâm
nhập sâu xuống phía Nam; mùa hè thường xuất hiện một khu vực nước trồi ở khu
vực Nam Trung Bộ. Hai hiện tượng đặc trưng mùa này làm thay đổi rõ rệt trường
nhiệt trong Biển Đông. Chính điều này, front trong Biển Đông cũng có sự thay đổi
về cường độ và vị trí theo mùa. Khu vực Nam Trung Bộ là khu vực có sự thay đổi
nhiệt độ mặt biển rõ rệt cả hai xu thế của trường nhiệt trong Biển Đông. Do cơ sở
dữ liệu nhiệt mặt biển từ nguồn dữ liệu vệ tinh rất phong phú nên luận văn này tập
trung nghiên cứu xác định front trong toàn khu vực biển Đông (99
E
– 121
E
; 1
N
–
25
N
) với sự tập trung vào nghiên cứu xác định front khu vực Nam Trung Bộ. Sự mở
rộng khu vực nghiên cứu này cho cái nhìn tổng quát và rộng mở hơn về sự biến
thiên của front nhiệt mặt biển trong Biển Đông.



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]:
- Các front có liên quan đến dòng chảy do vậy hình dạng front thể hiện
hình dạng dòng chảy
- Theo dòng chảy dọc front có thể tính toán tổng thông lượng

nước/nhiệt/muối
- Các front phân chia các khối nước khác nhau và tạo nên các chu trình
tương ứng với tổng thông lượng nước, nhiệt và muối dọc theo front và
theo kinh độ.
4

- Thông thường, các front thường trùng khớp với các biên sinh – địa lý lớn
với các dải tăng cường sinh khối.
- Các thông lượng nhiệt trên mặt, ứng suất gió và các điều kiện khí tượng
khác có thể khác biệt lớn giữa các khu vực lạnh và nóng của front. Các
front tương tác mạnh mẽ với các lớp biên khí quyển và phân chia các khu
vực có sự khác nhau các tác động của các lực khí quyển, vì thế chúng rất
quan trọng đối với việc quan trắc và dự báo thời tiết biển.
- Các front ở vĩ độ cao liên quan trực tiếp với các điều kiện băng biển, vì
thế vị trí của các front có thể xác định quy mô cực đại của băng biển.
- Các front có ảnh hưởng lớn đến môi trường sóng âm, do vậy khi nghiên
cứu quá trình truyền âm trong đại dương cũng cần phải biết được vị trí và
đặc trưng của các front.
- Cơ chế vận chuyển trầm tích được xác định chủ yếu thông qua hoàn lưu,
do vậy việc giải đoán các thông tin cổ xưa về đại dương và khí quyển yêu
cầu trước tiên là cần phải biết về vị trí của front hiện đại.
- Do các front có liên quan với các dòng chảy hội tụ, sự ô nhiễm đại dương
và cửa sông có thể tập trung với nồng độ lớn gấp hàng nghìn lần ở các dải
front, do vậy đe dọa đời sống của các loài cá, động vật sinh sống trong
các dải front.
Các dữ liệu nhiệt độ mặt biển (SST) thu được từ vệ tinh đã được sử dụng để
nghiên cứu các front ở Thái Bình Dương từ những năm 1970 (Legeckis, 1978). Các
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
triều có thể xáo trộn hoàn toàn là xấp xỉ 100m và trung bình là gần 50m. Chính
nguyên nhân này, các front có thể hình thành giữa các khối nước xáo trộn toàn bộ ở
khu vực nước nông và các khối nước phân tầng ở các độ sâu lớn hơn. Những front

này có thể quan trắc ở nhiều thềm lục địa như: Biển Bắc, Biển Celtic, Bering, Đông
Trung Hoa, Biển Hoàng Hải và Biển Okhotsk. Front do sự xáo trộn triều cũng có
thể hình thành xung quanh các bờ biển, các hòn đảo (Đảo Pribilof trong Biển
6

Bering) và các bán đảo (Bán đảo Shandong, Biển Hoàng hải hay bán đảo Valde’s,
thềm lục đại Patagonian).
- Các front tại sườn lục địa: Đây là dạng front phổ biến nhất, những front
này thường nằm trùng vị trí với sườn lục địa và ngăn các các khối nước ven bờ với
khối nước xa bờ. Những front này là những front ngăn cách hai khối nước riêng
biệt, gần bờ và xa bờ.
- Các front nước trồi ven bờ: Các khối nước trồi (do gió, địa hình hay do
thủy triều) mang nước từ dưới tầng sâu lên bề mặt. Do các khối nước phía dưới bề
mặt thường lạnh hơn nước trên mặt biển nên các front xuất hiện giữa các khối nước
trồi ven bờ lạnh với khối nước xa bờ ấm hơn. Những front đặc trưng có thể quan
trắc được ở ngoài khơi Washington-Oregon-California, Peru-Chile, Tây Bắc Phi,
Angola-Namibia-Nam Phi, Bán đảo Yucatan
- Các front nước trồi xích đạo: Lực coriolis gây nên sự phân kỳ ở xích đạo
với các khối nước mặt di chuyển xa Xích đạo trong cả hai bán cầu. Nước ở dưới sâu
lạnh hơn đi lên trên mặt biển tạo nên một dải gradient nhiệt độ hay độ muối tại nơi
giao lưu với nước ấm trên mặt biển. Những front này chủ yếu chiếm ưu thế ở trung
tâm và phía Đông Thái Bình Dương và Đại Tây Dương. Sự bất đối xứng của bờ tại
các biên Ấn Độ Dương có thể là nguyên nhân chính giải thích tại sao front nước trồi
Xích đạo không phổ biến trong Ấn Độ Dương.
- Các front dòng chảy biên phía Tây: Các front liên quan đến các dòng Gulf
Stream, Kuroshio, Agulhas, Brazil và Đông Australia mạnh nhất thế giới. Các front
này có dải biến thiên ngang của các đặc trưng hải dương học, độ mở rộng theo chiều
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.

8

CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU FRONT
Front là các dải có gradient cao, do vậy hầu hết các phương pháp xác định
front tiến hành trên máy tính đều dựa trên các tính toán gradient (Kazmin và
Rienecker, 1996; Yuan và Talley, 1996; Nakamura và Kazmin, 2003 [6]).
Cách tiếp cận trong nghiên cứu này dựa trên phân tích phân bố cấp độ xám
(histogram). Do mỗi front phân chia hai khối nước tương đối đồng nhất, do vậy
phân bố cấp độ xám của bất kỳ một yếu tố hải dương học nào như SST, khu vực
gần front có hai chế độ (mode) tần số tương ứng với các khối nước ngăn cách bởi
front trong khi khối nước sau tương ứng với tần số thấp nhất giữa hai cấp độ
(mode). Phân tách và xác định front được thể hiện ở 3 cấp độ: cửa sổ, ảnh và kết
quả của việc chồng lấp các ảnh. Kích thước cửa sổ tối ưu được xác định thực
nghiệm là 32 x 32 pixel đối với ảnh AVHRR độ phân giải 9 km (Cayula và
Cornillon, 1992). Thuật toán xác định front được sử dụng dựa trên các giá trị SST
của tất cả các pixel trong mỗi cửa sổ để tính toán histogram của tần số SST đối với
1 cửa sổ cho trước. Đối với mỗi cửa sổ chứa front, histogram SST tương ứng có tần
số nhỏ nhất sẽ xác định front.
Ý tưởng cơ bản này đã được thực hiện bởi Cayula và cs (1991), Cayula và
Cornillon (1992,1995,1996) và Ullman và Cornillon (1999,2000,2001). Giai đoạn
1985 – 1996, các front đã thu được từ việc phân tích các trường SST Pathfinder
NOAA/NASA. Những trường này thu được từ các số liệu bao phủ toàn cầu độ phân
giải cao (AVHRR) (2 trường có độ phân giải 9.28 km một ngày) có sẵn từ phòng thí
nghiệm Jet Propulsion. Các front nhiệt độ bề mặt thu được từ các trường nhiệt độ
mặt biển đã loại bỏ mây với thuật toán tách ranh giới đa ảnh (Cayula và Cornillon,
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
Luzon – WLF). Năm 2005, Belkin I.M đã hoàn thiện sơ đồ các dải front lớn trong
Biển Đông (Hình 2).

Hình 2: Sơ đồ phân bố front trong biển Đông (theo Belkin I.M)[6]
Front ven bờ Nam Trung Hoa (SCCF) chủ yếu xuất hiện trong mùa đông (từ
tháng 10 – 11 cho tới tháng 4 – 5) và biến mất trong mùa hè (Từ tháng 6 – 7 tới
tháng 9 – 11). Tương tự như SCCF, front trong vịnh Bắc Bộ (BBF) chủ yếu xuất
hiện trong mùa đông (từ tháng 11 – 12 cho tới tháng 4 - 5) và biến mất hoàn toàn
trong mùa hè (từ tháng 5 – 6 đến tháng 10 – 11). Năm 2001, Wang D. cũng đã
11

nghiên cứu front với cơ sở dữ liệu từ năm 1985 – 1996 cũng đã đưa ra được bức
tranh phân bố front theo các mùa trong năm (hình 3)

Hình 3: Bản đồ phân bố tần suất xuất hiện front theo mùa từ năm 1991 – 1998
A: Mùa đông, B: mùa xuân, C: mùa hè và D: mùa thu [10]
Các front xuất hiện đồng thời khắp nơi trong mùa đông ở phía Bắc biển
Đông trong khi gần như không xuất hiện ở khu vực phía Nam ngoại trừ ở cửa vịnh
Thái Lan. Cửa vịnh Thái Lan là nơi các front sườn lục địa theo mùa phát triển mạnh
từ tháng 1 – tháng 2.
Front phía Tây Luzon (WLF) quan trắc được ở phía Tây đảo Luzon (mở rộng
xuống các khối nước sâu) trong mùa đông (từ tháng 10 – 11 đến tháng 4 – 5). Front
này mở rộng theo hướng Bắc theo tiến trình mùa cho tới Eo Bashi và biến mất trong
mùa hè (từ tháng 5 – 6 tới tháng 9 – 10). Front ngoài khơi Tây Bắc Boneo xuất hiện
trong mùa xuân, mùa hè và mùa thu và biến mất trong mùa đông.
So với các biển khác, các front trong biển Đông được nghiên cứu khá ít, tuy
nhiên mối quan hệ của các front với nước trồi do gió, xáo trộn triều và lưu lượng
nước sông đổ vào đã được nghiên cứu trong một số công trình của Kwan (1978),
Kester và Fox (1993), Huang và Cs (1994), Li (1996), Tang & Ni (1996), su (1998),
Tang & Cs (1999).
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
tại của front trong vịnh Thái Lan. Trường gió trong vịnh không đồng nhất và biến
đổi (Yanagi & Takao, 1998) và do dó ứng suất gió là âm và góp phần quan trọng
trong việc hình thành GTF. Lượng nước sông Mekong đổ vào vịnh chính là nguyên

nhân chính hình thành front vịnh Thái Lan (GTF). Chính vì thế, có thể dự báo được
sự thay đổi đáng kể theo mùa của các đặc trưng GTF như vị trí front (do GTF không
bị ảnh hưởng bởi địa hình) liên quan đến các biến trình mùa của giáng thủy và lưu
lượng nước sông Mekong. Hơn nữa, hoàn lưu trong biển Đông cũng mang nước
13

sông Mekong vào vịnh cũng có thể giải thích cho sự hình thành và biến đổi của
GTF.

Hình 4: Front trong vịnh Thái Lan (theo Belkin I.M) [6]
Tại Việt Nam, nghiên cứu front và sự hiện diện của các khối nước đã được
đề tài KT03-10 mô tả, chỉ ra vị trí cho từng tháng, từng mùa làm cơ sở dữ liệu quan
trọng trong dự báo phân bố nguồn lợi cá. Với kết quả mô hình hóa, mô hình KHCN-
06-02 cũng đã khẳng định sự hiện diện của các khối nước và front. Mô hình kết hợp
thủy nhiệt động lực và sinh thái cũng đã giúp lý giải rõ hơn về các khu vực tập trung
cá liên quan đến hoạt động của nước trồi, các front và quá trình dịch chuyển chúng
do hoàn lưu chung của biển. Mô hình cũng đã chỉ ra sự hiện diện của khối nước
lạnh mùa đông ven bờ Trung Quốc với nhiệt độ tương tự như khối nước lạnh ven bờ
Tây vịnh Bắc Bộ.
14

Trong mùa đông, giới hạn lan truyền của khối nước nước mặt Bắc Biển
Đông có thể kéo dài đến tận 5
o
N và uốn về hướng Đông Nam đến 112 – 113
0
E và
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]

Hình 6:Sơ đồ phân bố các khối nước và front trên mặt biển trong mùa hè
(Đề tài KT 03-10) [15]

16

CHƢƠNG 3
HỆ THỐNG VỆ TINH VÀ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH
3.1 Hệ thống các vệ tinh NOAA-AVHRR
Dự án thu ảnh độ phân giải cao 4 km sử dụng thuật toán Pathfinder phiên bản
5 (Pathfinder 5) là dự án tái phân tích mới bộ số liệu độ phân giải cao (AVHRR)
được phát triển bởi trường đại học Khoa học Khí quyển và Đại đương Rosenstiel
thuộc đại học Miami (Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science –
RSMAS) và Trung tâm dữ liệu hải dương học quốc gia Mỹ NOAA (NODC). Với
nhiều năm thực hiện và phát triển các bộ dữ liệu Pathfinder trước đó, Trung tâm thu
dữ liệu chủ động, phân phối dữ liệu hải dương học vật lý của NASA (NASA's
Physical Oceanography Distributed Active Archive Center - PO.DAAC) cũng đã
cùng tham gia thực hiện dự án này. Với sự phát triển đó, dự án này đã được hy vọng
sẽ mở rộng hệ thống ghi dữ liệu nhiệt mặt biển (SST) toàn cầu.
Chương trình Pathfinder hải dương học với ảnh độ phân giải cao (AVHRR)
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
08/11/1988 – 13/09/1994
3
NOAA-9

14/09/1994 – 21/01/1995
4
NOAA-14
22/01/1995 – 11/10/2000
5
NOAA-16
12/10/2000 – 31/12/2002
6
NOAA-17
01/01/2003 – 04/06/2005
7
NOAA-18
05/06/2005 – 31/12/2006

3.2 Cơ sở dữ liệu ảnh NOAA-AVHRR
Cơ sở dữ liệu ảnh NOAA-AVHRR là cơ sở dữ liệu đã bắt đầu từ nhiều năm
trước và đã có những nghiên cứu độ chính xác của cơ sở dữ liệu này. Với hàm hồi
quy: y = 0.075*x – 3.0, Lee và cs (2005) đã nghiên cứu độ chính xác của cơ sở dữ
liệu này đối với khu vực biển xung quanh Đài loan. Nghiên cứu này đã cho thấy độ
chính xác của CSDL này là 0.6
0
C [12]. Barton (1995 và Kearns & cs (2000) đã
chứng minh rằng độ chính xác của CSDL này là từ 0 – 0.24
0
C[10]. Trong khi thực
hiện luận văn này, tác giả cũng đã liên hệ với TS. Jason Roberts – Đại học Duke,
TS. Jason Roberts (2002) cũng đã nghiên cứu so sánh với các số liệu của các trạm
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

CHƢƠNG 4
PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH FRONT TỪ ẢNH VỆ TINH

4.1 Thuật toán xác định ranh giới các ảnh nhiệt mặt biển (SST) của Cayula &
Cornillon (1992) [7]
- Cần phân chia ảnh toàn cảnh thành các cửa sổ với kích thước cho trước
- Mỗi cửa sổ sẽ được xử lý độc lập
- Các cửa sổ cần thiết kế có phần chồng lên nhau để có thể liên kết các
ranh giới xác định được trên các cửa sổ khác nhau
- Kích thước cửa sổ có thể lựa chọn theo: 16x16, 32x32,… tùy theo kích
thước các ranh giới cần xác định cũng như độ phân giải của ảnh, nhiễu…
- Ranh giới xác định được là biên của hai khu vực ω
1
và ω
2
có nhiệt độ gần
như đồng nhất
a) Phân tích Histogram:


Hình 7: Histogram của cửa sổ có ranh
giới thể hiện yếu (không rõ ràng), thông
qua sự phân bố các khoảng cực đại phân
tách yếu



Hình 8: Histogram của cửa sổ có ranh
giới thể hiện mạnh (rõ ràng), thông qua
sự phân tách rõ các khoảng cực trị

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:







=

[()



](

)

2
=1

Nếu giả thiết, hai miền nhiệt thay đổi, có thể xác định được giá trị ngưỡng
lựa chọn T để đánh giá sai số phân loại theo tiêu chí sai số cực tiểu Bayes, khi đó:
Hàm mật độ xác suất đánh giá sai số P(error) được mô tả theo công thức:


21





= 









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
sẽ xác định được theo công thức:

1




=

()
<

()
<


2



=

()


()



1
2




=

(
1<
)
2
()

()
<

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

Trong đó:
t: Nhiệt độ

h(t): Giá trị histogram tại t (h(t)=[0,n])
n: Tổng số giá trị nhiệt trong miền xác định
Khi đó, hàm mật độ xác suất tính theo ngưỡng tối ưu τ sẽ được chọn sao cho
J(τ) cực tiểu:




=

{[


1



,


=0

2



, 
1




, 
2



] 



}
2


Sau 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
b
(τ)
Trong đó:






=

1

1
+ 
2

1



+

2

1
+ 
2

2




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


2



=



2




2
()


2




22

Và

1
=

()
<


2
=

()





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

Nếu chọn τ tối ưu, thì khi đó: J
b
(τ) >>J

e
(τ)
b) Thuật toán liên kết (Cohension Algorithm)
Sử dụng trong trường hợp tính đến sự phân bố không gian của dữ liệu
Giả sử:
+ ω
1
’ và ω
2
’ là hai miền xác định
+ x: là điểm trên ảnh xác định
+ t(x) là giá trị nhiệt độ tương ứng
+ τ
opt
: giá trị ngưỡng tối ưu phân chia hai miền ω
1
’ và ω
2
’
Hệ số liên kết (cohension cofficient) đối với ω
1
’ và ω
2
’ cho toàn bộ miền xác
định được xác định như sau:

1
=

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
thuộc các miền nhiệt khác, được biểu diễn như sau:

1

=


{

, 

, 






1


, 


1

}


R
1
: Tổng số điểm so sánh giữa nhiệt độ tại x và các điểm xung quanh thuộc
ω
1

’

1
=


{

, 

, 






1


, 


1

}


Tương tự: với T
2

và R
2

Nếu x
i,j
là điểm trung tâm thì:
23

N(x
i,j
) = {x
i,j+1
,x
i,j-1
,x
i+1,j
,x
i+1,j+1
}
Hệ số liên kết có giá trị lớn khi điểm x
i,j
không gần với ranh giới và các điểm
xung quanh đều thuộc về một miền nhiệt
Trong trường hợp lý tưởng, các miền nhiệt gần như đồng nhất, hệ số liên kết:
C=0.9, C
1
=0.92, C
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 
()

sao cho () ()
Thì khi đó => x là vị trí ranh giới

24

4.2 Xác định ranh giới sử dụng nhiều ảnh SST
Thuật toán xác định ranh giới sử dụng nhiều ảnh thực chất là tổ hợp nhiều
thuật toán gồm:
+ Xác định mây theo đơn ảnh
+ Xác định mây theo đa ảnh
+ Xác định ranh giới sử dụng ảnh đơn lẻ
+ Xác định các ranh giới
Trình tự thực hiện như sau:
- Sử dụng phương pháp xác định ranh giới theo đơn ảnh (Cayula & Cornillon,
1992) và áp dụng cho nhiều ảnh đơn lẻ
- Liên kết các ranh giới theo từng ảnh
- Tối thiểu hóa độ rộng của ranh giới (Xử lý để ranh giới chỉ tồn tại trên 1
điểm)
- 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:


= {(

, 




, + 1


[1, ]}


Phương pháp liên kết các đoạn S
q
thuộc contour của các ảnh khác nhau được
thông qua trường gradient (tốt hơn sử dụng trường nhiệt) do trường nhiệt các ảnh
thường khác nhau. Khi đó, hàm gradient m(grad
1
,grad
2
) được xác định như sau:



25




1
, 
2

=






0 ế 
1
. 
2
0

1
. 
2



1


2
ế



1


>



2




1
. 
2



2


2
ế



1






2




Kết quả sau liên kết S
q
thông qua t = (t

x
,t
y
)




=

[




, 


, 

(
(

,

)



+ 


, 

+ 

)]

Hàm grad(i,j) được xác định như sau:


, 

=



(, )


(, )

=


+1,
1,

,+1

,1



4.3 Tính toán Gradient
Tính toán Gradient sử dụng các ma trận tính gradient có công thức tổng quát
như sau:
GX={GX
dimension, direction
(+) 0 GX
dimension, direction
(-)}
GY={GY
dimension, direction
(+) 0 GY
dimension, direction
(-)}
với dimension là kích thước ma trận tính gradient, ví dụ 3x3, 5x5
direction là hướng tính gradient, có thể là hai hay nhiều hướng
Luận văn sử dụng vec tơ tính gradient được tính toán theo toán tử Prewitt
bao gồm 2 ma trận kích thước 3x3, tính theo hai hướng NS và EW như sau:
=
1 0 1
1 0 1
1 0 1

=
1 1 1
0 0 0
1 1 1

Các ảnh được tính toán với hai ma trận này, kết quả cho ta các giá trị theo

các hướng X,Y.