...Du bao thuy van bien.pdf

DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN
Phạm Văn Huấn

NXB Đại học Quốc gia Hà Nội - 2002
Từ khóa: Thông tin, dự báo, đánh giá phương pháp dự báo, độ đảm bảo, sai số cho phép,
biên độ nhiều năm, biên độ tính toán, nhiệt độ, mực nước, sóng, dòng chảy.

Tài liệu trong Thư viện điện tử Trường Đại học Khoa học Tự nhiên có thể được sử
dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân. Nghiêm cấm mọi hình thức sao
chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất
bản và tác giả.


PHẠM VĂN HUẤN

D Ự B ÁO TH ỦY V ĂN BI ỂN

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI - 2002
1


MỤC LỤC
LỜI GIỚI THIỆU ....................................................................................................................................................................................4
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................................................................5
1. NHỮNG NHIỆM VỤ VÀ Ý NGHĨA PHỤC VỤ THỦY VĂN CHO CÁC CƠ SỞ KINH TẾ ....................................................5
2. CÁC KHÁI NIỆM THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN............................................................6
CHƯƠNG 1 - THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN ....................................................................................................................................8
1.1. MẠNG LƯỚI THÔNG TIN.......................................................................................................................................................8
1.2. NỘI DUNG VÀ THỨ TỰ THU THẬP CÁC DỮ LIỆU VỀ TRẠNG THÁI BIỂN................................................................10
1.3. ĐẢM BẢO DỮ LIỆU THỦY VĂN CHO CÁC NGÀNH KINH TẾ ......................................................................................11
1.4. CHỈ DẪN SỬ DỤNG CÁC TÀI LIỆU THUỶ VĂN ..............................................................................................................12

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN.....................................14
2.1. NHỮNG CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN .....................................................................................14
2.2. PHÂN LOẠI CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN ...................................................................................................................16
2.3. NHỮNG PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN XÂY DỰNG CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN .......................................................17
2.3.1. Phương pháp trung bình khí hậu .....................................................................................................................................17
2.3.2. Phương pháp ngoại suy ...................................................................................................................................................17
2.3.3. Sử dụng quán tính ...........................................................................................................................................................17
2.3.4. Dự báo dựa trên sự phân loại...........................................................................................................................................18
2.3.5. Sử dụng nguyên tắc loại suy............................................................................................................................................19
2.3.6. Sử dụng tính chất tuần hoàn ............................................................................................................................................21
2.3.7. Sử dụng các định luật bảo toàn vật chất và năng lượng...................................................................................................21
2.3.8. Sử dụng các phương pháp số trị ......................................................................................................................................21
2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN TUYẾN TÍNH GIỮA CÁC BIẾN .............................................................22
2.5. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO VÀ ĐỘ TIN CẬY CỦA CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN
BIỂN ...............................................................................................................................................................................................29
2.5.1. Biên độ nhiều năm và biên độ tính toán ..........................................................................................................................29
2.5.2. Đường cong độ đảm bảo của phương pháp dự báo .........................................................................................................31
2.5.3. Sai số cho phép và các phương pháp xác định ................................................................................................................33
CHƯƠNG 3 - TÍNH TỚI HOÀN LƯU KHÍ QUYỂN TRONG DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN ...........................................................35
3.1. NHỮNG CHỈ SỐ HOÀN LƯU KHÍ QUYỂN DÙNG TRONG DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN ..............................................35
3.2. PHƯƠNG PHÁP BIỂU THỊ GIẢI TÍCH VỀ PHÂN BỐ CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ...................................37
3.3. TÍNH TỐC ĐỘ VÀ HƯỚNG GIÓ TRÊN BIỂN .....................................................................................................................47
CHƯƠNG 4 - NHỮNG NGUYÊN TẮC CHUNG XÂY DỰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO NGẮN HẠN .............................50
4.1. SỰ BIẾN ĐỘNG NGẮN HẠN CỦA CÁC YẾU TỐ THỦY VĂN BIỂN ..............................................................................50
4.2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH CÁC THÀNH PHẦN CÂN BẰNG NHIỆT .....................................................................................51

2


4.2.1. Tính cân bằng bức xạ ......................................................................................................................................................51

4.2.2. Tính bốc hơi và trao đổi nhiệt rối ....................................................................................................................................54
4.2.3. Phương pháp đơn giản tính cân bằng nhiệt......................................................................................................................56
4.3. TÍNH TOÁN SỰ BIẾN TÍNH CỦA KHÔNG KHÍ TRÊN BIỂN ...........................................................................................58
CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN ..................................................................................................................................................60
5.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN.................................................................................................................................60
5.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG .................................................................................61
5.3. TÍNH CÁC YẾU TỐ SÓNG GIÓ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NÔNG .............................................................................63
5.4. PHƯƠNG PHÁP LẬP DỰ BÁO SÓNG ĐỐI VỚI VÙNG ĐẠI DƯƠNG..............................................................................65
5.4.1. Dự báo số trị trường sóng trên cơ sở phương pháp lý thuyết...........................................................................................65
5.4.2. Phương pháp vật lý thống kê dự báo trường sóng đại dương ..........................................................................................66
5.4.3. Tính sóng lừng ................................................................................................................................................................67
CHƯƠNG 6 - DỰ BÁO DAO ĐỘNG KHÔNG TUẦN HOÀN CỦA MỰC NƯỚC...........................................................................70
6.1. PHƯƠNG PHÁP GRAĐIEN DỰ BÁO DAO ĐỘNG DÂNG RÚT MỰC NƯỚC .................................................................72
6.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DAO ĐỘNG MỰC NƯỚC DỰA TRÊN TRƯỜNG ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN .................73
CHƯƠNG 7 - DỰ BÁO DÒNG CHẢY................................................................................................................................................75
7.1. NHỮNG TƯƠNG QUAN THỰC NGHIỆM GIỮA TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY VÀ GIÓ .........................................................76
7.2. TÍNH TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY THEO TRƯỜNG MẬT ĐỘ NƯỚC VÀ TRƯỜNG KHÍ ÁP................................................79
7.3. DỰ BÁO DÒNG CHẢY Ở BIỂN KHƠI THEO TRƯỜNG KHÍ ÁP......................................................................................80
CHƯƠNG 8 - DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ NƯỚC BIỂN ..............................................................................................................................81
8.1. NHỮNG NGUYÊN NHÂN GÂY NÊN BIẾN ĐỔI NHIỆT ĐỘ NƯỚC ................................................................................81
8.2. DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ NƯỚC LỚP MẶT THEO GIÓ.............................................................................................................82
8.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ NƯỚC DỰA TRÊN TÍNH TOÁN CÂN BẰNG NHIỆT ...............................82
8.4. PHƯƠNG PHÁP CỦA MILEIKO...........................................................................................................................................83
8.5. PHƯƠNG PHÁP CỦA SCRIPTUNOVA ................................................................................................................................84
CHƯƠNG 9 - DỰ BÁO DÀI HẠN CÁC YẾU TỐ THỦY VĂN BIỂN ..............................................................................................86
9.1. NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN DÀI HẠN .....................................................................................86
9.2. TỔNG QUAN NHỮNG PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO DÀI HẠN NHIỆT ĐỘ VÀ CẤU TRÚC NHIỆT LỚP GẦN MẶT Ở
ĐẠI DƯƠNG ..................................................................................................................................................................................87
9.2.1. Các phương pháp thuỷ động lực học ...............................................................................................................................87
9.2.2. Các phương pháp thống kê vật lý ....................................................................................................................................88

9.3. PHƯƠNG PHÁP NGOẠI SUY TỐI ƯU ÁP DỤNG VÀO DỰ BÁO DÀI HẠN CÁC QUÁ TRÌNH THỦY VĂN ..............88
9.4. NHỮNG GIẢ THIẾT CƠ BẢN LÀM CƠ SỞ CỦA DỰ BÁO SIÊU HẠN............................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................................................................................94

3


LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Dự báo thủy văn biển” nhằm cung cấp cho sinh viên hải dương học những khái
niệm và nguyên lý cơ bản xây dựng những dự báo về những đặc trưng chế độ thủy văn các biển và
đại dương.
Phần mở đầu và chương 1 nêu lên những nhiệm vụ và tầm quan trọng của các dịch vụ thông
tin thủy văn cho các hoạt động kinh tế, khái quát các nguồn dữ liệu mà nhà hải dương học có thể
thu thập khi hình thành các tài liệu phục vụ thông tin và làm dự báo. Ở đây cũng mô tả về nội dung
và những đặc điểm của mỗi dạng dữ liệu theo nghĩa lợi dụng nó khi xây dựng các phương pháp dự
báo.
Chương 2 giới thiệu những nguyên lý vật lý và những phương pháp chung nhất để xây dựng
các mô hình dự báo. Thủ tục phân tích hồi quy với tư cách là công cụ chủ yếu để nhận các phương
trình dự báo được xét chi tiết. Phần còn lại của chương 2 mô tả những cách đánh giá chất lượng các
phương pháp dự báo.
Vì phần lớn các sơ đồ dự báo những tham số thủy văn biển dựa trên tương tác đại dương khí
quyển, các chương 3 và 4 mô tả những phương pháp tính tới hoàn lưu khí quyển, đặc điểm của các
trường khí áp, trường gió và các hợp phần cân bằng nhiệt, trong đó chú trọng những phương pháp
thể hiện giải tích các trường khí tượng và hải văn.
Các chương từ 5 đến 8 giành tổng quan những phương pháp cụ thể được dùng rộng rãi để dự
báo từng tham số động lực và nhiệt độ nước đại dương.
Một số ví dụ về dự báo dài hạn và những giả thiết, những phát hiện của các nhà khoa học nổi
tiếng về những biến động dao động chung của hệ thống khí quyển − đại dương như là cơ sở của dự
báo siêu hạn được giới thiệu trong chương 9.

Cuốn sách này được viết dựa theo cuốn sách giáo khoa cùng tên của các tác giả K. I.
Kyđriavaia, E. I. Seriakov và L. I. Scriptunova, xuất bản năm 1974 và cuốn cẩm nang “Hướng dẫn
về dự báo thủy văn biển” năm 1994 của Viện Nghiên cứu Khoa học Khí tượng Thủy văn Liên bang
Nga.

4


MỞ ĐẦU

1. NHỮNG NHIỆM VỤ VÀ Ý NGHĨA PHỤC VỤ THỦY VĂN CHO CÁC CƠ SỞ KINH TẾ

Phục vụ khí tượng thủy văn cho các lĩnh vực có liên quan đến biển của kinh tế
là nhiệm vụ cơ bản của công tác phục vụ dự báo biển mà lịch sử phát triển của nó
luôn luôn gắn liền với những hoạt động của con người. Với sự phát triển của hàng
hải, xây dựng thủy công trình ở biển, những đòi hỏi về phục vụ thủy văn cho các
cơ sở kinh tế như các tài liệu tổng quan, những thông tin và dự báo thủy văn càng
ngày càng tăng và thay đổi về nội dung, chất lượng và hình thức.
Thông thường người phân loại tài liệu tổng quan gồm những kiến thức về
trạng thái của biển ở những thời gian đã qua, thông tin là trạng thái của biển trong
thời gian hiện tại, còn dự báo là những thông tin, những nhận định có cơ sở khoa
học về trạng thái của biển trong tương lai. Tất cả các dạng phục vụ thủy văn này
đều có ý nghĩa to lớn đối với hàng hải, ngành đánh bắt hải sản, xây dựng thủy công
trình và phòng thủ đất nước.
Đối với một nước có ngành giao thông đường biển và đội tàu đánh cá phát
triển, có nhiều hải cảng... thì dĩ nhiên những đòi hỏi phục vụ thủy văn biển càng
nhiều và công tác nghiên cứu chế độ thủy văn của các biển và đại dương càng mở
rộng.
Mỗi ngành kinh tế, mỗi hoạt động của con người trên biển đòi hỏi những dạng
tài liệu khác nhau về biển. Nếu như để thiết kế các công trình kỹ thuật trên biển và

ven bờ biển người ta cần những tài liệu về chế độ nhiều năm (các giá trị trung
bình, cực đại, cực tiểu của các yếu tố khí tượng, vật lý thủy văn, tần số lặp lại của
chúng), thì đối với hàng hải, dẫn dắt tàu, lắp đặt các hệ thống kỹ thuật trong biển,
người ta cần cả những thông tin "thời tiết" đang có của biển lẫn những dự báo về
các yếu tố thủy văn biển như sóng, dòng chảy... và những dự báo này thường có ý
nghĩa lớn hơn.
Ngày nay, bên cạnh việc đảm bảo an toàn chạy tàu trên biển, người ta còn
quan tâm tới hiệu quả cao nhất của mỗi chuyến chạy tàu. Tại các nước có ngành
kinh tế giao thông biển phát triển như Anh, Mỹ, Nga... ngành phục vụ thủy văn còn
đảm nhận cả dịch vụ đảm bảo những đường bơi tối ưu cho các tàu viễn dương. Đây
là một hình thức phục vụ thủy văn mới và hứa hẹn, đang phát triển mạnh mẽ. Đồng
thời hình thức phục vụ này lại đề ra những yêu cầu lớn hơn đối với các dự báo gió,
dòng chảy, sóng, độ đóng băng... trên những vùng rộng lớn của đại dương.
Ngành cá biển và công nghiệp khai thác khoáng sản và dầu khí trên biển cũng
5


cần nhiều thông tin về trạng thái của biển. Những tháp khoan, những cầu nối,
đường ống được thiết kế, xây dựng ở vùng thềm lục địa để khai thác dầu, khí và
các khoáng sản khác cũng cần được phục vụ thủy văn một cách toàn diện. Trong
xây dựng các công trình kỹ thuật và khai thác cá ở miền bờ, những dự báo về sóng,
dòng chảy, dao động mực nước và các hiện tượng băng (đối với các nước ở vùng vĩ
độ cao) vô cùng quan trọng.
Phục vụ thủy văn biển thâm nhập cả vào các hoạt động của hải quân. Ở đây
cần thiết những dự báo dao động mực nước biển, dòng chảy, thời gian xuất hiện
những hiện tượng băng. Lịch sử biết đến nhiều cuộc dự báo trôi mìn đã ngăn chặn
nguy hiểm cho bao nhiêu sinh mạng con người và tàu thuyền, những dự báo điều
kiện thủy văn và động lực biển cho các cuộc đổ bộ quân đội. Gần đây, do phát
triển của hạm tàu ngầm hoạt động trong biển và đại dương, người ta đặc biệt quan
tâm đến vai trò của những dự báo đặc thù như dự báo về phân bố theo phương

thẳng đứng của nhiệt độ nước đại dương, diễn biến của các lớp đột biến nhiệt độ,
mật độ ở các vùng biển khác nhau.
Ở nhiều nước, việc thông báo kịp thời cho các cơ sở sản xuất, các cơ quan nhà
nước về những hiện tượng thủy văn nguy hiểm và đặc biệt nguy hiểm như các vụ
nước dâng, nước dạt lớn, sóng thần, đóng phủ băng đối với tàu thuyền... có ý nghĩa
hết sức quan trọng.
Như vậy, ngành phục vụ khí tượng thủy văn đã và đang thực hiện những
nhiệm vụ đa dạng. Hiệu quả của sự phục vụ, dĩ nhiên, càng ngày càng tăng và quy
định một mặt bởi các hoạt động sản xuất, kinh tế và các lĩnh vực khác của con
người ngày càng phát triển rộng và sâu, yêu cầu dung lượng khoa học kỹ thuật cao
hơn, mặt khác bởi trình độ các phương pháp nghiên cứu và dự báo biển ngày một
hoàn thiện. Hai mặt đó quan hệ hữu cơ với nhau và luôn thúc đẩy nhau phát triển.
2. CÁC KHÁI NIỆM THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN VÀ DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN

Các thông tin thủy văn biển là các tài liệu quan trắc, kết quả xử lý tài liệu
quan trắc về thủy văn biển và đại dương, tập hợp những công trình nghiên cứu của
các cơ quan phục vụ dự báo biển nhằm đảm bảo cho hoạt động kinh tế, kỹ thuật,
những tư liệu về trạng thái của biển trong ngày qua và trong một thời kỳ ngắn đã
qua (đến 10 ngày). Những tư liệu này giúp đánh giá hoàn cảnh, tình huống thủy
văn trên biển (như sóng, hải lưu, nhiệt độ, phân bố băng...). Nếu không quán xuyến
được trạng thái của biển ở thời điểm hiện tại thì cũng không thể lập được dự báo
hoàn cảnh thủy văn biển trong tương lai.
Dự báo thủy văn biển là đoán trước, tính trước một cách có cơ sở khoa học
những thay đổi của các đặc trưng thủy văn, một hiện tượng nhất định hay một yếu
tố của chế độ thủy văn dựa trên những sự hiểu biết về các quy luật vật lý thủy
quyển và khí quyển có tính đến các điều kiện địa lý, tự nhiên địa phương. Trong
các dự báo phải phản ánh được đặc trưng định lượng và định tính của hiện tượng
dự báo và thời gian xuất hiện của nó trong một vùng hay một địa điểm cụ thể.
Lập và đưa ra các dự báo là giai đoạn quan trọng và đầy trách nhiệm trong
6

công việc của cơ quan phục vụ dự báo. Yêu cầu và đòi hỏi của các cơ sở kinh tế
trong lĩnh vực dự báo biển rất lớn và ngày càng gia tăng.

7


CHƯƠNG 1 - THÔNG TIN THỦY VĂN BIỂN

1.1. MẠNG LƯỚI THÔNG TIN

Nguồn để nhận thông tin có hệ thống về trạng thái hiện tại của biển là những
quan trắc của các trạm khí tượng thủy văn trên bờ và trên tàu khảo sát, nghiên cứu,
các tàu thời tiết, các trạm phao hoạt động độc lập, những quan trắc hải dương học
từ máy bay và vệ tinh.
Tổ chức thực hiện mạng lưới thông tin hải dương học thường rất tốn kém và
phức tạp. Mạng lưới thông tin được tổ chức sao cho số trạm thông tin càng ít càng
tốt, song vẫn đảm bảo được công tác phục vụ bình thường. Muốn vậy phải tuân thủ
những yêu cầu sau đây:
1) Phải đáp ứng được những đòi hỏi của các cơ sở kinh tế;
2) Phải đảm bảo tính đặc trưng của các dữ liệu thu được;
3) Phân bố các lưới thông tin phải phù hợp với sự cần thiết tìm hiểu đặc điểm
thủy văn, phù hợp kích thước của biển, vịnh, eo biển...
4) Phải có các phương tiện liên lạc đảm bảo truyền thông tin an toàn và kịp
thời.
Những đài, trạm khí tượng thủy văn ven bờ cung cấp những số liệu, tin tức
đặc trưng cho chế độ khí tượng thủy văn ở vùng gần bờ và có thể một phần vùng
biển lân cận. Nguồn thông tin này từ lâu vẫn là nguồn cơ bản trong công tác của
các cơ quan dự báo biển. Đặc điểm quý giá nhất của nguồn dữ liệu này là nó cung

cấp những dữ liệu đầy đủ, liên tục và chính xác nhất. Những thông tin do nguồn
này cung cấp thường được dùng trong những nghiên cứu khoa học, trong khi xây
dựng và kiểm nghiệm các phương pháp dự báo.
Các trạm khí tượng thủy văn trên tàu được tổ chức trên những tàu hàng hải,
tàu đánh cá và các tàu nghiên cứu khoa học. Nhìn chung cho đến ngày nay số trạm
kiểu này trên thế giới đã tương đối nhiều. Tuy nhiên chúng phân bố không đều trên
đại dương và các biển, phân bố không đều về thời gian hoạt động và thành phần
các quan trắc. Thông thường phần lớn các tàu hoạt động trên đại dương và biển
cung cấp những số liệu quan trắc tối thiểu về các yếu tố khí tượng biển, một vài
yếu tố thủy văn mặt biển. Chỉ có những tàu khoa học chuyên dụng mới thực hiện
quan trắc đầy đủ các yếu tố, trong đó có những trạm hải văn nước sâu, trạm hải
văn liên tục là dạng dữ liệu phục vụ những mục đích nghiên cứu chuyên sâu.
Những tàu khoa học thực hiện một tập hợp đầy đủ những quan trắc và nghiên cứu
theo một chương trình được cân nhắc trước theo những mục tiêu, nhiệm vụ chuyên
8


môn. Những số liệu thu được có giá trị đặc biệt quan trọng khi xây dựng các
phương pháp dự báo, hoàn thiện những mô hình về các quá trình, tham số hoá các
quá trình...
Bắt đầu từ những năm hai mươi người ta tổ chức mạng lưới các tàu khoa học
gọi là "tàu thời tiết" ở đại dương nhằm mục đích nghiên cứu toàn diện các quá
trình khí quyển trên đại dương và các quá trình vật lý trong nước biển để hoàn
chỉnh các dự báo thời tiết. Tài liệu quan trắc trên các tàu này được nhiều trung tâm
khí tượng học và hải dương học sử dụng trong công tác dự báo, phục vụ. Chương
trình hoạt động và quan trắc gồm:
a) Các quan trắc khí tượng, cao không, hải dương học, địa vật lý tiêu chuẩn
và chuyên dụng tại một số vùng xác định của đại dương;
b) Thu thập từ các trung tâm của thế giới và từ các vệ tinh những thông tin
còn thiếu để dùng vào công tác thực dụng ngay trên tàu và truyền tới các cơ quan

phục vụ khí tượng thủy văn trên lục địa;
c) Phục vụ cho hàng hải, đánh cá, hàng không tại vùng hoạt động của tàu thời
tiết bằng những bản tin về trạng thái đã qua của khí quyển và đại dương, bằng các
bản dự báo, các thông báo về bão, những chỉ dẫn...
Để nghiên cứu chế độ thủy văn, khí tượng vùng Bắc Băng Dương người ta đã
sử dụng nhiều trạm khí tượng vô tuyến tự động và các hải đăng vô tuyến.
Nhằm tiếp tục hoàn thiện các phương pháp dự báo thủy văn biển cần có những
chu trình quan trắc dài ở đại dương theo một mạng lưới đủ dày các điểm quan trắc.
Vì không thể thực hiện công việc đó trên những khoảng không gian rộng do những
nguyên nhân kỹ thuật, người ta buộc phải thực hiện nghiên cứu trong phạm vi một
bãi thử nghiệm nào đó gọi là poligôn: kết hợp hoạt động của một số tàu khảo sát
với nhiều trạm phao có trang bị những máy tự ghi để khảo sát và nghiên cứu sâu
sắc, toàn diện một vùng dự định.
Thông tin từ các trạm phao đại dương được truyền vào bờ tới các trung tâm
nghiên cứu bằng vô tuyến hoặc chuyển tiếp thông qua các vệ tinh.
Theo quyết định của Uỷ ban Hải dương học Quốc tế (IOC) của UNESCO và
Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) một chương trình hợp tác khoa học quốc tế đã
được thành lập, đó là Hệ thống các trạm đại dương toàn cầu liên hợp (Global
Ocean Observing System - GOOS), gồm 26 nước tham gia [12]. Từ năm 1972 các
nước đã bắt đầu trao đổi thông tin về trạng thái đại dương (dữ liệu về phân bố
thẳng đứng của nhiệt độ nước nhận từ các tàu nghiên cứu khoa học, tàu thời tiết ở
Bắc Đại Tây Dương). Nhờ một hệ thống liên lạc vô tuyến toàn cầu do Tổ chức Khí
tượng Thế giới tổ chức, mỗi một nước đều nhận được thông tin về trạng thái đại
dương.
Vào những năm gần đây bắt đầu mở mang việc sử dụng hàng không để tiến
hành quan trắc hải văn. Sử dụng máy bay để quan trắc băng tạo ra khả năng chụp
ảnh nhanh được bức tranh trạng thái, phân bố băng ở các biển. Bắt đầu từ năm
1965 ở Liên Xô đã thực hiện chụp ảnh từ máy bay trường nhiệt độ nước mặt biển
9

bằng nhiệt kế bức xạ. Chụp ảnh máy bay trường nhiệt độ nước mặt biển có ý nghĩa
quan trọng trực tiếp phục vụ các cơ quan đánh cá trên biển khơi. Bằng ảnh máy
bay cũng thu được các trường dòng chảy biển trên những vùng không gian rộng
lớn, điều rất quan trọng khi thiết lập đầu vào của các mô hình dự báo.
Thông tin quan trọng nhất có thể nhận được nhờ quan trắc từ vệ tinh. Đã từ
lâu nay, khi lập thông tin thủy văn biển người ta sử dụng rộng rãi những dữ liệu
nhận từ các vệ tinh khí tượng. Dựa theo những ảnh vệ tinh thu được, các nhà khí
tượng nghiên cứu sự biến đổi của các dòng không khí, phát hiện những tâm xoáy
thuận, tìm ra những front khí quyển, phân bố lượng và dạng mây trên vùng không
gian lớn. Nhờ có vệ tinh dễ nhận ra những miền hoạt động dông, miền giáng thủy
và nhiều yếu tố khác quan trọng đối với các nhà khí tượng. Cũng dựa theo những
tài liệu này có thể rút ra những dẫn liệu cho các nhà hải dương học. Thí dụ, dựa
theo những tấm ảnh vệ tinh, nếu mây không che khuất thì có thể nhận rõ đường bờ
biển hay đại dương, vị trí miền băng, biên giới băng với mật độ khác nhau, đường
viền những khoảng nước thoáng lớn, hình dạng và kích thước những cánh đồng
băng, những kênh nước thoáng giữa các cánh đồng băng trôi.
Với việc thành lập những vệ tinh hải dương học chuyên dụng, rõ ràng sẽ trở
thành hiện thực khả năng nghiên cứu không những trạng thái băng biển mà tập hợp
được đầy đủ các hiện tượng xảy ra trong biển: các dòng biển nóng, dòng biển lạnh,
dao động mực nước, các hiện tượng triều, sự thành tạo và phát triển sóng, sự thay
đổi cân bằng nhiệt và các quá trình sinh học, địa chất học khác. Người ta đã dựa
theo những ảnh vệ tinh mà thiết lập mối liên hệ giữa các xoáy mây với các vùng
sóng bão ở Bắc Đại Tây Dương, biên giới, kích thước, đường di chuyển và phát
triển của chúng. Và những dữ liệu này rất quý giá khi xây dựng các dự báo và
thông báo bão cho những tàu biển, lập đường bơi tối ưu cho tàu... Nguồn thông tin
từ vệ tinh và chụp ảnh máy bay ngày nay là nguồn dữ liệu xuất phát chính cho các
mô hình dụ báo thời tiết, khí hậu và hải văn.
1.2. NỘI DUNG VÀ THỨ TỰ THU THẬP CÁC DỮ LIỆU VỀ TRẠNG THÁI BIỂN

Để đảm bảo tính so sánh được và tính đồng nhất của tất cả các quan trắc thủy
văn biển, người ta phải thực hiện chúng theo những tài liệu chỉ dẫn. Khi đã thực
hiện một khối lượng định trước các quan trắc và chỉnh lý các kết quả quan trắc,
người quan trắc truyền chúng về các cơ quan phục vụ dự báo biển dưới dạng mã
theo các đường liên lạc khác nhau.
Nội dung của các dữ liệu thông tin về trạng thái biển và đại dương được xác
định bằng các bảng mã tồn tại dùng để truyền thông tin.
1) Điện báo thông tin truyền từ mạng lưới các trạm khí tượng thủy văn ven bờ
chứa các dữ liệu về:
•

Ký hiệu trạm, ngày và thời hạn quan trắc;

•

Hướng và tốc độ gió;

•

Tầm nhìn xa về phía biển;
10


•

Nhiệt độ nước và không khí;

•

Trạng thái mực nước biển;

•

Sóng biển và sóng vỗ bờ;

•

Trạng thái phủ băng (đối với các biển có băng).

2) Điện báo từ những trạm khí tượng thủy văn trên tàu chứa những dữ liệu về:
•

Tọa độ tàu, ngày và thời hạn quan trắc;

•

Hướng và tốc độ gió;

•

Tầm nhìn xa ngang;

•

Thời tiết vào hạn quan trắc và giữa các hạn;

•

Áp suất khí quyển và nhiệt độ không khí;

•

Lượng mây;

•

Độ dịch chuyển của tàu;

•

Nhiệt độ nước mặt biển;

•

Sóng gió và sóng lừng;

•

Trạng thái phủ băng mặt biển (nếu có).

3) Điện từ các tàu nghiên cứu khoa học thực hiện quan trắc hải văn nước sâu
có bổ sung thêm những dữ liệu sau:
•

Tọa độ và thời gian quan trắc;

•

Độ sâu của biển và các tầng quan trắc;

•

Nhiệt độ, độ muối và dòng chảy ở các tầng.

Càng ngày càng có nhiều phương pháp mới được đưa vào hệ thống quan trắc,
thu thập và truyền tin khí tượng thủy văn. Tại nhiều nước công tác quan trắc, xử lý
và giải thích thông tin khí tượng thủy văn đã ở trình độ tự động hoá rất cao. Ngoài
ra người ta còn phát triển những phương pháp, những phần mềm để cập nhật và hoà
trộn các thông tin linh hoạt mới nhận được với những thông tin có sẵn, suy dẫn các
dữ liệu về hệ thống lưới chuyên dụng của các phần mềm của mô hình tính toán
chẩn đoán và mô hình dự báo...
1.3. ĐẢM BẢO DỮ LIỆU THỦY VĂN CHO CÁC NGÀNH KINH TẾ

Việc đảm bảo khí tượng thủy văn cho các ngành kinh tế nhằm mục đích thoả
mãn những yêu cầu về trạng thái biển và thời tiết của các cơ sở sản xuất như trong
các ngành hàng hải, đánh cá, xây dựng trên biển, nông nghiệp và quốc phòng. Các
cơ quan nghiên cứu của ngành khí tượng thủy văn cùng với những cơ sở sản xuất
tiến hành lập trước những kế hoạch phục vụ, trong đó chỉ rõ cơ sở được phục vụ
cần những thông tin khí tượng thủy văn nào và thời hạn cụ thể ra sao.
Tập hợp những công việc của các cơ quan dự báo biển để thoả mãn kịp thời,
11


đầy đủ những tài liệu thủy văn cho các cơ sở kinh tế gọi là đảm bảo thủy văn. Về
phương diện này, các tài liệu thủy văn biển được chia ra làm hai loại: tài liệu phục
vụ linh hoạt và tài liệu chế độ.
Những tài liệu phục vụ linh hoạt nêu rõ trạng thái đã qua và sắp tới của các
điều kiện thuỷ văn. Những tài liệu chế độ trình bày về những đặc trưng của các
yếu tố qua một thời kỳ nhất định, tính biến động của chúng, tần suất và độ bảo
đảm.

Các tài liệu thuỷ văn phục vụ linh hoạt bao gồm:
1) Thông tin về các điều kiện thuỷ văn đã và đang diễn ra;
2) Các dự báo những yếu tố thuỷ văn trong tương lai với những thời hạn khác
nhau;
3) Báo trước về sự xuất hiện và phát triển của các hiện tượng đặc biệt nguy
hiểm và nguy hiểm;
4) Những chỉ dẫn về cách đánh giá đúng nhất và về cách thức sử dụng các tài
liệu phục vụ linh hoạt trong hoạt động sản xuất của các cơ quan được phục vụ.
Những tài liệu sau đây thuộc về tài liệu chế độ:
1) Các cẩm nang khoa học - kỹ thuật và các văn bản tiêu chuẩn;
2) Các niên lịch khí tượng thủy văn và lịch tháng;
3) Các atlas và các bản đồ phân bố những yếu tố thuỷ văn cơ bản;
4) Các công báo thuỷ văn cơ bản và các bảng biểu.
Phục vụ thuỷ văn được tiến hành bằng các cách sau:
a) Các báo cáo của nhân viên phục vụ khí tượng thủy văn cho lãnh đạo các cơ
quan được phục vụ về các điều kiện thuỷ văn đã diễn ra và sắp tới;
b) Cung cấp các tài liệu thuỷ văn (các dự báo, các thông báo trước về bão
biển);
c) Sự tham gia của các chuyên viên phục vụ khí tượng thuỷ văn tại các hội
nghị;
Các tài liệu thuỷ văn có thể được truyền đi theo rađio, các đường liên lạc trực
tiếp, điện thoại, điện tín; vô tuyến truyền hình, bưu điện hay chuyển trực tiếp.
Với sự phát triển nền kinh tế và xã hội và sự trưởng thành của khoa học sẽ
ngày càng phát sinh thêm những nhu cầu về thông tin hải văn và những hình thức
cung cấp thông tin hải văn.
1.4. CHỈ DẪN SỬ DỤNG CÁC TÀI LIỆU THUỶ VĂN

Trong các chỉ dẫn những người công tác khí tượng thủy văn đề đạt với các cơ
sở sản xuất những cách thức sử dụng hữu ích nhất những điều kiện khí tượng thủy
văn sắp xảy ra trong việc đặt kế hoạch và xúc tiến những hoạt động sản xuất hay

12


những bước ngăn đe làm giảm tác hại của các hiện tượng thủy văn đến hoạt động
của các ngành kinh tế.
Để xây dựng những bản chỉ dẫn thì nhà dự báo cần phải: 1) có dự báo thủy
văn khá tin cậy; 2) thông hiểu các đặc điểm hoạt động sản xuất của cơ quan được
phục vụ; 3) biết các đặc điểm về mùa của chế độ thủy văn ở lãnh thổ phục vụ và
các dị thường của nó có thể xảy ra.
Yêu cầu đối với các chỉ dẫn là ngắn gọn, rõ ràng, cụ thể và dễ hiểu cho người
dùng.
Những bản chỉ dẫn có thể được lập ra do yêu cầu của các cơ quan sản xuất
được phục vụ hay cũng có thể do sáng kiến của các cơ quan phục vụ khí tượng
thủy văn.

13


CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO THỦY
VĂN BIỂN

2.1. NHỮNG CƠ SỞ VẬT LÝ CỦA CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN

Dự báo thủy văn biển là tính trước một hiện tượng thủy văn nào đó dựa trên
sự hiểu biết các quy luật phát triển của hiện tượng đó trong những điều kiện cụ thể
của biển. Cơ sở chung của những dự báo thủy văn biển là phương pháp phân tích
vật lý về các quá trình quyết định chế độ biển mà mục đích cuối cùng là nhận được
những biểu thức định lượng đặc trưng cho mối liên hệ lẫn nhau giữa hiện tượng dự
báo và các yếu tố gây nên hiện tượng đó.
Sự xuất hiện của các hiện tượng vật lý trong biển hay đại dương, thí dụ sóng

biển, dòng chảy, dao động mực nước, nhiệt độ... và sự phát triển của chúng phụ
thuộc vào một tập hợp các yếu tố thủy văn và khí tượng. Trong số những yếu tố
khác nhau ấy có một số yếu tố có tính chất quyết định trong sự phát triển của hiện
tượng, gọi là những yếu tố chính, còn một số các yếu tố khác có ý nghĩa thứ yếu.
Nhiệm vụ của người xây dựng phương pháp dự báo là phân biệt và tách riêng ra
được các yếu tố chính khỏi các yếu tố thứ yếu.
Trong khi phân tích hiện tượng cần nhớ rằng trong quá trình phát triển của
cùng một hiện tượng nhưng ở những điều kiện địa lý khác nhau, ở những vùng biển
khác nhau có thể các yếu tố chính cũng thay đổi. Thí dụ, tại một vùng biển nào đó
yếu tố chính làm thay đổi nhiệt độ nước biển là dòng nhiệt từ khí quyển đi qua mặt
biển, nhưng ở nơi khác có thể nguyên nhân gây nên những dao động, biến đổi lớn
của nhiệt độ nước biển lại là dòng nhiệt do các dòng hải lưu vận chuyển đến nơi
đang xét. Dao động dâng rút gây bởi gió và bão phụ thuộc rất nhiều vào hình dạng
đường bờ và địa hình vùng biển bao quanh cảng hoặc địa điểm được dự báo mực
nước...
Một số các đặc trưng vật lý biển và khí quyển không thể xác định trực tiếp
được trong quá trình quan trắc. Trong trường hợp đó người ta phải hoặc là xác
định chúng bằng con đường tính toán, hoặc biểu thị gián tiếp chúng thông qua các
yếu tố khác. Thí dụ, trong dự báo biển người ta thường biểu thị trữ lượng nhiệt của
nước qua nhiệt độ nước với một hệ số tương ứng, đặc trưng cho độ sâu biển. Nhiệt
độ nước càng cao và độ dày lớp nước càng lớn thì trữ lượng nhiệt của lớp nước
trong thủy vực đang xét càng lớn. Để biểu thị dòng nhiệt mang vào một vùng biển
người ta có thể chỉ cần xét biến thiên nhiệt độ trung bình của một mặt cắt qua cửa
thông biển đó với đại dương hoặc biển khác lân cận.
Trước khi tiến tới xây dựng phương pháp dự báo hay tính toán một hiện tượng
14


vật lý trong biển hay trong đại dương người dự báo phải thực hiện phân tích toàn
diện và sâu sắc các quá trình xảy ra, phát hiện những nguyên nhân cơ bản thúc đẩy

sự phát triển của hiện tượng trên cơ sở những dữ liệu quan trắc đã có gần đây và
trong lịch sử. Sự phân tích này phải dựa trên các quy luật vật lý biển và khí quyển,
có chú ý đến các điều kiện địa lý địa phương.
Thông thường, đầu tiên người ta tiến hành phân tích định tính những dữ liệu
xuất phát, thiết lập những nét cơ bản của hiện tượng nghiên cứu và đi tới một giả
thiết thực dụng nào đó, tức là định ra một con đường để giải quyết nhiệm vụ. Tính
đúng đắn của giả thiết đã chọn sẽ được kiểm tra sau đó, trên cơ sở xử lý các dữ
liệu quan trắc đầy đủ về hiện tượng.
Trong quá trình phân tích cần phát hiện những yếu tố mà liên hệ của chúng
với hiện tượng dự báo rõ rệt nhất, thậm chí trong một số trường hợp mối liên hệ ấy
đã hiển nhiên theo quan điểm vật lý hay theo các quy luật trong tiến trình của hiện
tượng.
Để thấy trước được tiến trình tiếp sau của các hiện tượng chỉ nghiên cứu
chúng ở một địa điểm thì chưa đủ. Những quan trắc ở những điểm riêng lẻ không
cho một khái niệm đầy đủ về các nguyên nhân, về bản chất của quá trình. Vì vậy, ở
giai đoạn hiện nay các quá trình trong biển được nghiên cứu và phân tích trong
một phạm vi rộng về không gian và thời gian.
Khi phân tích những biến đổi theo thời gian và không gian của các hiện tượng
vật lý cần tính tới một điều là đại dương và khí quyển nằm trong một sự tương tác
nhiệt học và động lực học liên tục mà nguyên nhân đầu tiên là năng lượng từ mặt
trời. Vì vậy nghiên cứu các quá trình vật lý trong biển không thể tách rời với việc
nghiên cứu các quá trình xảy ra trong khí quyển. Trong khi đó cần chú ý đến
những đặc điểm của các môi trường tương tác. Thí dụ, trong tương tác nhiệt học
thì đại dương mang tính tích cực hơn vì nó có dự trữ nhiệt lớn hơn so với khí
quyển, nhưng khí quyển lại tích cực hơn, quyết định hơn trong tương tác động lực
vì nó là môi trường tương đối biến động hơn. Để hiểu sâu hơn về các đặc điểm của
các quá trình cần phải tính đến các tính chất vật lý của các môi trường: khả năng
hấp thụ, khả năng phản xạ và phát xạ nhiệt, độ dẫn nhiệt, nhiệt dung, mật độ của
chúng.
Sự thống nhất và tương tác của các quá trình trong đại dương và khí quyển

bắt buộc trong khi giải quyết các bài toán dự báo biển phải đánh giá cân bằng năng
lượng của hệ thống tương tác, cân bằng nhiệt, cân bằng nước. Mọi thay đổi, dao
động của những yếu tố vật lý là hậu quả của sự thay đổi cân bằng nhiệt và cân
bằng nước. Nếu phân tích sự đóng góp của từng thành phần riêng biệt của cân bằng
nhiệt và cân bằng nước, thì có thể tìm ra được bản chất vật lý của hiện tượng xảy
ra trong biển, đánh giá được vai trò của nó trong quá trình chung và phát hiện các
nguyên nhân, yếu tố chủ yếu quyết định chế độ thủy văn biển. Sự sử dụng các
phương pháp "cân bằng" trong hải dương học đã là hướng chủ yếu trong nghiên
cứu nhiều hiện tượng ở biển, tạo ra bước nhảy vọt về chất lượng phương pháp
nghiên cứu dự báo.

15


Việc nghiên cứu và dự báo các hiện tượng vật lý trong biển chỉ có thể tiến
hành được khi được cung cấp những tài liệu, dữ liệu quan trắc về các hiện tượng
đó. Độ tin cậy của phương pháp dự báo và khả năng sử dụng nó trong công tác
thực tiễn phụ thuộc nhiều vào chất và lượng của dữ liệu quan trắc. Những người dự
báo thường thấy thiếu những chuỗi quan trắc đủ dài. Đặc biệt điều này hay nghiệm
thấy khi xây dựng các phương pháp dự báo dài hạn. Đáng tiếc, sự thiếu thốn các
chuỗi quan trắc đủ dài hay quan trắc không đồng bộ ngay cả hiện nay vẫn còn là
chỗ yếu nhất trong dự báo.
Những quan trắc hải dương học, đặc biệt là những quan trắc nước sâu, cho
đến nay được thực hiện trong những phạm vi nhỏ, chưa có hệ thống và chưa cho
phép theo dõi được sự biến thiên thời gian của các trường vật lý trong nước biển.
Vì vậy, trong nhiệm vụ của nghiên cứu dự báo cũng bao gồm cả việc định ra những
chương trình đúng đắn để tiến hành những quan trắc cần thiết. Những quan trắc
thủy văn khí tượng biển cần phải đáp ứng các yêu cầu hiện đại của khoa học và kỹ
thuật.
2.2. PHÂN LOẠI CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN

Chưa có một hệ thống phân loại riêng cho các dự báo thủy văn biển. Dự báo
thủy văn biển còn là lĩnh vực mới, đang phát triển của hải dương học thực dụng,
liên quan chặt chẽ với yêu cầu của thực tiễn. Thực tiễn đặt ra trước người làm dự
báo những nhiệm vụ ngày một mới. Điều đó đòi hỏi những tìm tòi liên tục để hoàn
thiện các phương pháp dự báo, thay đổi cả nội dung và các hình thức đưa ra dự
báo...
Các dự báo biển được phân biệt theo nội dung, thời hạn dự báo, đối tượng địa
lý, phương pháp lập dự báo, đặc điểm lập dự báo và hình thức đưa ra dự báo.
Theo nội dung tất cả các dự báo được chia thành hai nhóm: các dự báo những
hiện tượng thủy văn đặc trưng cho các quá trình động lực trong biển và các dự báo
những quá trình thủy văn đặc trưng cho các quá trình nhiệt trong biển. Các dự báo
sóng, dòng chảy, dao động dâng rút mực nước thuộc nhóm thứ nhất. Nhóm thứ hai
bao gồm các dự báo nhiệt độ nước biển và các hiện tượng băng.
Theo thời hạn, các dự báo biển được phân chia thành các dự báo ngắn hạn, dự
báo dài hạn và dự báo siêu dài hạn. Thời hạn của dự báo là khoảng thời gian kể từ
ngày giờ đưa ra dự báo đến ngày giờ hiện tượng xảy ra. Thông thường, các dự báo
ngắn hạn được xây dựng cho thời hạn từ vài giờ đến 15 ngày, dự báo dài hạn − từ
15 ngày đến bốn tháng, dự báo siêu dài hạn − bốn tháng và lâu hơn.
Đối với một số các hiện tượng thủy văn chỉ xây dựng các dự báo ngắn hạn, thí
dụ các dự báo sóng, dự báo dao động dâng rút nước, những hiện tượng nguy hiểm
và đặc biệt nguy hiểm như sóng thần..., ngược lại đối với một số các hiện tượng
khác thì chỉ có thể xây dựng các dự báo dài hạn mới có ý nghĩa.
Tất cả các dự báo có thể được lập cho những đối tượng địa lý khác nhau: cho
những vùng bờ nào đó, cho khu vực các hải cảng, cho những vùng riêng biệt hay
cho toàn biển. Trong những năm gần đây người ta đã lập các dự báo sóng và nhiệt
16


độ nước mặt đại dương của toàn bộ vùng Bắc Đại Tây Dương và Thái Bình Dương.

Theo đặc điểm lập dự báo thì các dự báo phân thành dự báo theo kế hoạch và
dự báo đặc biệt.
Những hình thức đưa ra dự báo rất khác nhau. Các dự báo có thể được trình
bày thành văn bản, bằng các biểu bảng, bản đồ hoặc đồ thị...
2.3. NHỮNG PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN XÂY DỰNG CÁC DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN

2.3.1. Phương pháp trung bình khí hậu
Đây là một phương pháp dự báo khá đơn giản, nhưng cũng rất thô sơ. Trung
bình khí hậu là giá trị ổn định nhất, vì vậy có thể dùng nó trong các dự báo dài
hạn. Khi sử dụng cách dự báo này thì các hiện tượng dị thường không được xét
đến.
Điều kiện áp dụng của phương pháp trung bình khí hậu là khi không có
phương pháp dự báo khác và tham số được dự báo có chế độ ổn định, khi hoàn
cảnh chung của các quá trình khí tượng thủy văn diễn ra gần với chuẩn khí hậu của
chúng. Nếu phân bố độ lặp lại là bất đối xứng thì người ta có thể lấy số đông (mốt)
làm giá trị dự báo. Trong trường hợp này gọi là dự báo xác suất. Rõ ràng độ tin
cậy của các dự báo loại này không cao.
2.3.2. Phương pháp ngoại suy
Ngoại suy là một phương pháp dự báo trong đó các điều kiện đang diễn ra
được phổ biến trong tương lai tuân theo quy luật của của biến trình đã quan sát
được của hiện tượng. Phương pháp ngoại suy thường được sử dụng khi xây dựng
những công thức tính toán dựa theo dữ liệu quan trắc hạn chế. Nếu ở một khoảng
thời gian nào đó đặc điểm của mối phụ thuộc thể hiện rõ nét thì mối phụ thuộc đó
được tiếp tục chấp nhận nếu tính đến xu hướng diễn biến của quá trình (đường
cong). Dự báo theo phương pháp ngoại suy đảm bảo tin cậy nếu thời hạn dự báo
ngắn và trong khoảng thời gian đó không chờ đợi những lực kích động đáng kể từ
bên ngoài. Thí dụ, nếu lúc đầu của cơn bão người ta thấy có sự mạnh dần của gió
thì có thể dùng xu hướng này để dự báo cho một khoảng thời gian không lớn tiếp
sau đó.
2.3.3. Sử dụng quán tính

Quan tính là tính chất của hiện tượng thủy văn giữ các đặc trưng của mình
một thời gian nào đó. Quán tính là tính ổn định của quá trình theo thời gian. Thí
dụ, nếu trong biển đã ổn định một chế độ dòng chảy nhất định và trong thời gian
sắp tới không thấy có khả năng xuất hiện gió mạnh thì có thể giả thiết rằng chế độ
dòng chảy nói trên sẽ không đổi ít nhất trong vòng vài chục giờ sau.
Tính chất này có thể được dùng trực tiếp để dự báo hay được coi là một trong
các yếu tố gây nên hiện tượng. Thí dụ, nếu dị thường nhiệt độ vào tháng 5 mang
dấu dương và cao hơn chuẩn 20% thì khi dự báo cho tháng 6 có thể cho rằng dị
thường nhiệt độ cũng dương và cao hơn chuẩn 20%.
17


Các quá trình khí tượng và thủy văn có biểu lộ quán tính rõ rệt, trong đó các
quá trình thủy văn ở biển có quán tính lớn hơn.
Mức độ quán tính của quá trình thường được đánh giá bằng hàm tự tương
quan của nó. Được biết hàm tự tương quan đặc trưng cho sự liên hệ giữa các giá trị
của hiện tượng nghiên cứu trong những thời điểm khác nhau được tính theo công
thức
n

rl =

 (x
i =1

i

− x )( x i −l − x )
nσ x2

,

trong đó x − giá trị chuẩn của hiện tượng; xi và xi −l là các giá trị tại những thời
khoảng i cách nhau một bước trễ l trong tổng số n giá trị quan trắc về hiện tượng.
Khi đã tính được các hệ số tương quan r với các bước trễ khác nhau có thể
xây dựng đồ thị tương quan (hình 2.1) để khảo sát một cách tường minh về thời
gian quán tính tiện lợi nhất cho dự báo.

Hình 2.1. Đồ thị tương quan của yếu tố thuỷ văn

Quán tính của các quá trình khí thượng và thủy văn có thể biểu lộ khác nhau
trong các thời gian, các mùa. Ý tưởng về các thời kỳ duy trì sự ổn định của điều
kiện thủy văn và thời kỳ xáo động, bước ngoặt, đã được Timonov V. V. và
Kuđriavaia K. I. đưa ra thông qua thí dụ khảo sát các hệ số tương quan của độ
băng giữa các tháng liên tiếp nhau của mùa băng trên biển Bạch Hải. Các tác giả
này đã nhận được hệ số tương quan giữa tháng hai và tháng giêng bằng 0,58, tháng
ba và tháng hai: 0,36, tháng tư và tháng ba: 0,80, tháng năm và tháng tư: 0,80.
Thấy rằng cuối mùa đông với những biến động mạnh của hệ thống hoàn lưu khí
quyển, điều kiện nhiệt ở biển thường diễn ra những biến động mạnh, quán tính của
độ băng nhỏ, ngược lại thời kỳ những tháng mùa xuân, các điều kiện khí tượng và
thủy văn trong biển duy trì sự ổn định cao. Dự báo quán tính đối với thời kỳ này sẽ
tin cậy hơn.
Dự báo theo quán tính cũng còn được dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá các dự
báo thủy văn bằng các phương pháp khác.
2.3.4. Dự báo dựa trên sự phân loại

Phương pháp phân loại là một phương pháp dự báo dựa trên tính chất ổn định
18

và tính kế tục trong sự phát triển của các quá trình thủy văn và khí tượng. Phân
loại hoá được áp dụng vào để phân chia các quá trình thủy văn biển theo những
dấu hiệu nào đó. Điển hình của ý tưởng nghiên cứu phân loại là công trình của
Vangengheim G. Ia. nghiên cứu các điều kiện khí tượng thủy văn ở các biển thuộc
thủy vực Bắc Băng Dương, đã lấy hướng di chuyển của không khí làm dấu hiệu cơ
bản để phân loại hoàn lưu khí quyển, xác lập được ba kiểu di chuyển chính: di
chuyển từ phía tây − kiểu W , di chuyển từ phía đông − kiểu E và di chuyển theo
kinh tuyến (kinh hướng) − kiểu C và một số kiểu hỗn hợp. Những qui luật chuyển
hoá giữa những kiểu hoàn lưu của ông, thí dụ chuỗi kế tục sau [12]:
Ho àn lưu hỗn h ợp

Ho àn lưu

W

( th áng 1−2)



W +C

( th áng 3−4)

Ho àn lưu


E

( th áng 5)

là chuỗi kế tục khá ổn định và đã từng được sử dụng phổ biến để lập các dự báo
khí tượng và thủy văn cho lãnh thổ châu Âu của nước Nga.
Vì các quá trình thủy văn liên quan chặt chẽ với các quá trình khí quyển nên
phân loại các quá trình thủy văn chủ yếu dựa trên phân loại các quá trình khí
quyển.
Trên cơ sở phân loại các quá trình khí quyển theo các mùa trong năm, nếu
phát hiện thấy tính kế tục trong sự phát triển của các quá trình từ mùa này sang
mùa kia, thì theo đặc điểm của năm vừa qua có thể xếp năm ấy vào loại quá trình
nào. Sau đó lập dự báo cho các mùa tiếp sau.
Thiếu sót của phương pháp phân loại là ở chỗ kết quả rất phụ thuộc vào sự
đúng đắn trong việc lựa chọn dấu hiệu phân loại, tức là có một yếu tố chủ quan nào
đó của người nghiên cứu. Không phải đơn giản xếp một hoàn cảnh đã đang xảy ra
vào một kiểu này hay kiểu kia do sự phức tạp của các điều kiện tự nhiên. Ngày nay
với sự hoàn thiện của các phương tiện quản lý dữ liệu tự động hoá có thể đưa thêm
nhiều dấu hiệu phân loại làm cho kết quả phân loại khách quan hơn, do đó ứng
dụng dự báo hiệu quả hơn.
2.3.5. Sử dụng nguyên tắc loại suy

Phương pháp loại suy dựa trên nguyên lý các nguyên nhân giống nhau thì cho
những hệ quả gống nhau. Vì vậy nhiệm vụ của người dự báo là tìm các loại suy
(đồng dạng) nguyên nhân. Thí dụ, nếu chúng ta muốn dự báo dị thường nhiệt nước
mặt biển mùa xuân năm nay và giả thiết rằng nhiệt độ nước mặt biển mùa xuân phụ
thuộc vào trường áp suất khí quyển mùa trước đó, thì chúng ta phải tìm trong dữ
liệu lưu trữ xem năm nào có trường áp suất khí quyển giống (tương tự) với trường
áp suất khí quyển mùa đông năm nay. Sau khi đã chọn được năm tương tự thì dị
thường nhiệt độ nước mặt biển của năm tương tự được xem là dự báo, tức là gán nó
làm dị thường của năm nay.
Như vậy trước hết phải giải quyết vấn đề: trong khi chọn loại suy phải tính
đến những nhân tố nào và bao nhiêu nhân tố (dấu hiệu). Sau đó chọn các tương tự
19

theo từng dấu hiệu theo một tiêu chuẩn nào đó.
Nhược điểm của phương pháp là các tương tự thường được chọn theo những
dấu hiệu giống nhau bề ngoài, giả thiết rằng các quá trình giống nhau trong thời
điểm hiện tại cũng phải giống nhau trong các thời kỳ sau. Muốn khắc phục nhược
điểm này phải tiến tới: a) chọn theo các tiêu chuẩn phát sinh quyết định bản chất
của quá trình; b) phải phân tích các dữ liệu, các bản đồ không những trong khoảng
thời gian hiện tại mà cả trong những khoảng thời gian dài trước đó, thấy được sự
biến đổi của quá trình để nhận định về những tái xắp xếp có thể xảy ra trong tương
lai.
Ngày nay có nhiều công trình hoàn thiện phương pháp lựa chọn loại suy áp
dụng cho việc lựa chọn các trường (các bản đồ) nhờ máy tính. Bản đồ khí tượng và
thủy văn được biểu thị thành dãy số liệu bằng cách ghi lấy những giá trị của
trường tại các nút của một lưới đều đặn theo một tuần tự nhất định. Những số liệu
bằng số này ghi thành bảng và tính các đặc trưng cần để chọn loại suy: trị số trung
bình (x ) , độ lệch bình phương trung bình (σ ) và các hệ số tương quan cặp (± r ) .
Phân tích các đặc trưng này cho thấy rằng nếu hệ số tương quan giữa hai dãy so
sánh càng cao thì sự giống nhau về hình dạng của các đường đẳng trị trên hai bản
đồ càng lớn. Độ lệch bình phương trung bình đặc trưng cho độ dày đặc của các
đường đẳng trị trên bản đồ, tức nó là đặc trưng građien của trường.
Mức độ tương tự của hai trường được hiểu là mức độ đồng dạng hình học của
chúng: hai trường hoàn toàn tương tự nếu khi đem chồng lên nhau chúng trùng
khớp nhau ở tất cả các điểm. Ngoài ra cũng cần sự trùng nhau về giá trị tuyệt đối
của các yếu tố. Như vậy để đánh giá mức độ tương tự các trường cần hai tiêu
chuẩn đặc trưng cho trường về hình dạng và về cường độ. Vì vậy người ta có thể
dùng biểu thức sau đây để đánh giá mức độ tương tự theo cường độ:

P = 1−

δ
δ max

,

trong đó P − chỉ số tương tự theo cường độ; δ − trị số bình phương trung bình của

Δ2 


hiệu hai trường δ =
; δ max − trị số phương sai trung bình cực đại của hai

n 


trường theo dãy quan trắc dài nhất đã xét.
Hệ số tương quan r của hai trường so sánh có thể được dùng làm chỉ số tương
tự về hình dạng. Nếu hai trường hoàn toàn giống nhau, hệ số tương quan bằng một,
ngược lại, nếu hai trường hoàn toàn khác nhau, hệ số tương quan bằng không.
Chỉ số tương tự chung sẽ có dạng

δ
r + 1 −
 δ max
A=
2




.

Thể hiện mức độ tương tự bằng số như vậy rất giảm nhẹ việc phân tích các

20


bản đồ.
2.3.6. Sử dụng tính chất tuần hoàn

Với mục đích dự báo dài hạn đối với các yếu tố thời tiết và các quá trình thủy
văn, các nhà khí tượng học và hải dương học luôn chú trọng tìm tính chu kỳ hay
tính tuần hoàn trong biến trình của các quá trình khí tượng và thủy văn. Nếu xác
định được tính chu kỳ thể hiện rõ rệt, thì nhiệm vụ giải quyết vấn đề dự báo dài
hạn sẽ giảm nhẹ rất nhiều. Việc giải quyết vấn đề về tính chu kỳ gặp nhiều khó
khăn do thiếu những chuỗi quan trắc đủ dài và đáng tin cậy. Trong một số trường
hợp riêng lẻ đã phát hiện được tính chu kỳ của một vài quá trình trong vòng nhiều
năm. Điều đó đã làm các nhà dự báo hy vọng. Tuy nhiên với thời gian, tính chu kỳ
xác lập được tỏ ra không ổn định. Vì vậy, ngày nay người ta có xu hướng cho rằng
ngoài các chu kỳ ngày và năm, tính chu kỳ không đủ bền vững để có thể dùng nó
vào dự báo.
Đã có những ý đồ tìm sự liên hệ của những dao động thời tiết và các hiện
tượng thủy văn với tính hoạt động của mặt trời, cụ thể là số vết mặt trời mà người
ta đã phát hiện rằng nó có tính tuần hoàn với chu kỳ 11 năm. Đã cố gắng tìm kiếm
mối liên quan giữa dao động này của số vết mặt trời và các dị thường thời tiết trên
trái đất, tuy nhiên cũng không phát hiện được những mối liên hệ chặt chẽ có thể
dùng trong dự báo.
2.3.7. Sử dụng các định luật bảo toàn vật chất và năng lượng

Khi giải phương trình cân bằng nước, cân bằng nhiệt và cân bằng năng lượng,

người ta nhận được các công thức lý thuyết hoặc thực nghiệm biểu thị sự phụ
thuộc của yếu tố được dự báo với các yếu tố khác ảnh hưởng tới nó.
Thí dụ, khi giải phương trình cân bằng năng lượng sóng gió, người ta đã nhận
được các công thức đơn giản tính các yếu tố sóng theo tốc độ gió, thời gian tác
dụng của gió và đà gió (đà sóng). Phương pháp cân bằng nhiệt được dùng rộng rãi
để tính và dự báo trạng thái nhiệt của biển.
Việc sử dụng các phương trình cân bằng ngày nay đang trở thành một trong
những hướng cơ bản trong dự báo ngắn hạn. Trong dự báo dài hạn việc sử dụng các
phương pháp cân bằng còn gặp khó khăn vì thiếu các dự báo khí tượng dài hạn đủ
tin cậy.
2.3.8. Sử dụng các phương pháp số trị

Tính toán dự báo các hiện tượng vật lý trong khí quyển hay trong đại dương
dựa trên việc giải bằng số các phương trình thủy động lực học gọi là dự báo thủy
động lực học hay dự báo số trị. Các phương trình thủy nhiệt động lực học khép
kín, có kèm theo những điều kiện ban đầu, điều kiện biên, những phép tham số hoá
đảm bảo mô tả đúng về quá trình, giải được bằng phương pháp số, gọi là mô hình
thuỷ động lực học của quá trình đang xét. Vì dự báo các trường thủy văn, khí
tượng bằng phương pháp số kèm theo một khối lượng tính toán lớn, nên phương
pháp này chỉ phát triển mạnh từ khi xuất hiện những máy tính công suất lớn.
Các phương trình thủy nhiệt động lực học thể hiện chính xác được những quy
21


luật định lượng của vật lý biển, khí quyển và cho phép tính được sự biến đổi của
các đặc trưng thủy văn, khí tượng theo không gian và thời gian. Vì các phương
trình thủy nhiệt động lực học ở dạng tổng quát thường phức tạp và rất khó giải,
nên người ta dẫn chúng tới những dạng thuận lợi để giải trên máy tính bằng cách
đưa ra những giả thiết, những phép đơn giản hoá.
Để giải các bài toán dự báo bằng các phương pháp số (tích phân số), người ta

chuyển các phương trình của mô hình toán điều khiển quá trình dưới dạng vi phân
tới dạng các tương tự sai phân ứng với từng nút lưới của lưới không gian − thời
gian bao phủ toàn miền tính. Khoảng cách giữa hai điểm nút liên tiếp trong không
gian được gọi là bước lưới và được ký hiệu bằng Δx hoặc h , còn ký hiệu Δt được
dùng để chỉ bước theo thời gian. Điểm nút tại đó các đại lượng cần được xác định,
trong trường hợp bài toán hai chiều được đánh số bằng các chỉ số (i, j ) (hình 2.2).

H ình 2 .2. Sơ đồ lư ới sai ph ân củ a miề n tính

Người ta thường lấy trường phân bố của các yếu tố ở một thời hạn quan trắc
nhất định làm là các điều kiện ban đầu. Tại thời hạn đầu giá trị của tất cả các đại
lượng cần được cho trước. Chọn các điều kiện biên là nhiệm vụ khó khăn nhất và
tuỳ thuộc vào cách đặt bài toán cụ thể. Do tính chất biến đổi mạnh trong không
gian và thời gian của các quá trình trong biển mà phương pháp số trị thủy động
mới chỉ đảm bảo dự báo chính xác cho một thời hạn ngắn, cỡ một vài giờ.
2.4. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TƯƠNG QUAN TUYẾN TÍNH GIỮA CÁC BIẾN

Những mối phụ thuộc dự báo giữa các hiện tượng cần dự báo và những nhân
tố quyết định có thể nhận được bằng những phương pháp khác nhau. Thông thường
người ta tìm những mối phụ thuộc đó bằng cách dựng và phân tích các đồ thị dựa
trên số liệu quan trắc. Những biểu thức liên hệ nhận được sẽ được biểu thị dưới
dạng những phương trình tương ứng. Những phương trình kiểu như vậy đã từng
được nhiều tác giả nghiên cứu để dự báo nhiệt độ nước biển, nhiệt độ không khí,
lượng mưa, độ dày băng, dao động mực nước biển và nhiều yếu tố thủy văn biển
khác.
Sau khi đã phân tích bước đầu những dữ liệu quan trắc, tức trên cơ sở phân
tích định tính những đặc điểm của hiện tượng được nghiên cứu và những hiểu biết
22

về các quy luật chung của nó đã thiết lập được các yếu tố chính quyết định sự biến
đổi của hiện tượng, người ta tiến tới nghiên cứu mối liên hệ định lượng giữa hiện
tượng và các yếu tố: xác định dạng của mối liên hệ đó và tìm biểu thức giải tích
mà sau này dùng làm biểu thức để tính toán dự báo.
Muốn vậy người ta lập các chuỗi số liệu quan trắc về hiện tượng dự báo và
các yếu tố mà nó phụ thuộc. Hiện tượng dự báo sẽ được coi là biến số phụ thuộc,
gọi là hàm, còn các yếu tố sẽ là biến độc lập, gọi là các đối số.
Khi xây dựng các mối liên hệ dự báo độ dài chuỗi quan trắc có ý nghĩa quan
trọng. Trong thống kê toán học đã xác nhận rằng khi tìm mối liên hệ giữa hai biến
thì độ dài chuỗi quan trắc cần phải chứa không ít hơn 100 quan trắc. Nếu như số
biến tăng lên thì độ dài chuỗi cũng phải tăng. Tuy nhiên, trong thực hành những
chuỗi số liệu có độ dài đáp ứng đòi hỏi thường thiếu. Dĩ nhiên những mối liên hệ
được xây dựng theo những chuỗi quan trắc ngắn sẽ kém tin cậy hơn so với nhứng
chuỗi chuỗi dài. Đặc biệt điều này hay sảy ra đối với dự báo dài hạn. Vì vậy trong
thực hành dự báo khi các chuỗi quan trắc được tích luỹ dần thêm thì các mối phụ
thuộc dự báo cũng được xây dựng lại cho chính xác hơn.
Dạng đơn giản nhất của mối liên hệ giữa các đại lượng là mối phụ thuộc hàm,
khi mà mỗi trị số của đại lượng x ứng với một trị số hoàn toàn xác định của một
đại lượng y khác. Tuy nhiên, khi nghiên cứu các mối liên hệ giữa các hiện tượng
trong tự nhiên chúng ta ít gặp các mối phụ thuộc hàm mà thường là các mối phụ
thuộc tương quan. Ở đây mỗi giá trị của một đại lượng lại tương ứng với một tập
hợp các giá trị có thể có của đại lượng khác. Sự phân tán của các giá trị có thể có
ấy mang tính chất ngẫu nhiên và được giải thích một mặt do sai số của các quan
trắc, mặt khác do ảnh hưởng của một số lớn các yếu tố thứ yếu chưa được kể đến
khi xây dựng mối phụ thuộc.
Để trực quan đánh giá đặc điểm của mối liên hệ giữa các đại lượng x và y ,
người ta thường dựng đồ thị tương quan, trên đó theo trục tung đặt các trị số của
biến phụ thuộc y , còn trục hoành đặt các trị số của biến x . Theo từng cặp trị số
của x và y tương ứng nhận được trong một quan trắc người ta thu được một tập
hợp các điểm quan trắc. Đặc điểm phân bố của các điểm trên mặt phẳng đồ thị sẽ

chỉ ra dạng của mối liên hệ cũng như mức độ (tính chặt chẽ) của mối phụ thuộc.
Trong nhiều trường hợp chỉ cần xem các điểm quan trắc phân bố như thế nào trên
đồ thị người ta đã có thể đánh giá trước được khả năng hiệu quả của mối phụ thuộc
trong mục đích dự báo.
Khi trên đồ thị có một số lượng lớn các điểm quan trắc, muốn vẽ đường liên
hệ có thể chia tất cả các điểm ra thành những nhóm và trong mỗi nhóm tìm điểm
trung bình (tìm ngay trên đồ thị hoặc tính các giá trị trung bình của x và y ). Sau
đó vẽ đường liên hệ theo các điểm trung bình. Độ chính xác của đường liên hệ dự
báo tìm được có thể đánh giá bằng cách so sánh các giá trị của đại lượng y tính
theo mối liên hệ này với các giá trị quan trắc của y . Việc này thực hiện bằng cách
dựng một đồ thị trên đó theo trục tung đặt các các số liệu quan trắc thực tế, còn
theo trục hoành − các giá trị tính được từ mối liên hệ dự báo. Nếu đường nhận
23


được là một đường thảng đi qua gốc tọa độ, nghiêng một góc khoảng 45° với trục
tọa độ, thì đồ thị dự báo được dựng đúng, trong trường hợp ngược lại cần phải xem
xét và chỉnh lại. Thông thường sự kiểm tra các mối phụ thuộc dự báo không thực
hiện theo chính chuỗi số liệu quan trắc mà từ đó mối phụ thuộc dự báo được xây
dựng, mà theo một chuỗi số liệu độc lập khác. Vì vậy khi xây dựng các mố phụ
thuộc dự báo nếu chuỗi số liệu quan trắc ta có khá dài, thì nên bớt lại một phần để
dùng vào việc kiểm tra dự báo.
Nếu
chẽ. Nếu
thêm các
xây dựng

như các điểm tập trung gần một đường thẳng thì mối liên hệ là tốt, chặt
như mối liên hệ nhận được không đủ chặt chẽ, thì người ta dần dần đưa
đối số khác, ít quan trọng hơn so với đối số thứ nhất, vào mối liên hệ và

các đồ thị liên hệ mới.

Khi mối phụ thuộc nhận được thoả mãn yêu cầu về mọi mặt, người ta tiến tới
tìm biểu thức định lượng (hay biểu thức giải tích) của mối phụ thuộc đó, xác định
các đặc trưng của mối liên hệ như hệ số tương quan, phương trình tương quan. Vì
đặc điểm tản mạn của các điểm quan trắc trên đồ thị tương quan thường khác nhau
và theo hình dạng bên ngoài khó đánh giá mức độ chặt chẽ của mối liên hệ, nên
trong thực hành dự báo đã thảo ra các tiêu chuẩn đặc biệt để đánh giá những liên
hệ dự báo.
Như trên đã nêu, nếu mối liên hệ giữa các đại lượng rất chặt chẽ, tức các điểm
quan trắc tập trung ở gần đường thẳng, thì đồ thị này có thể dùng được ngay để dự
báo. Muốn vậy chỉ cần theo mỗi giá trị cho trước của đối số x trên đồ thị này ta
xác định giá trị tương ứng của đại lượng dự báo y .
Để biểu diễn định lượng những mối phụ thuộc dự báo người ta thường sử
dụng phương pháp tính toán tương quan, phương pháp này cho phép nhận được đặc
trưng định lượng của mối liên hệ giữa các đại lượng, xác định độ tin cậy của mối
liên hệ và chỉ ra mức độ ảnh hưởng của từng nhân tố đối số. Tuy nhiên cần nhớ
rằng việc sử dụng tương quan chỉ bắt đầu khi nào bản chất vật lý của mối liên hệ
giữa các biến và hiện tượng dự báo đã được xác định. Phương pháp tương quan chỉ
được xem như cách thể hiện số của mối phụ thuộc đã tìm được và có cơ sở vật lý.
Giả sử đặc trưng thủy văn cần dự báo y bị tác động bởi một đặc trưng khí
tượng hay thủy văn khác x được quan trắc tại thời kỳ trước hoặc đồng thời với đặc
trưng y . Cần phải tìm phương trình liên hệ giữa hai đại lượng này dưới dạng

y = f (x) ± σ

(2.1)

trong đó chỉ ra độ chính xác của phương trình (±σ ) . Ước lượng độ chính xác của
phương trình (2.1) trong một số trường hợp có thể lấy bằng ± 0,8σ ; ± 0,6σ hoặc

± 1 5 A ( σ − độ lệch bình phương trung bình của yếu tố dự báo; A − biên độ dao động
của yếu tố dự báo).
Trong trường hợp liên hệ tuyến tính của hai biến, người ta lập bảng các chuỗi
quan trắc của các đại lượng y và x và tính toán các tham số cơ bản: x , y , σ x , σ y

và rxy (bảng 2.1).
24