III. CHẾ ĐỘ NHIỆT - MUỐI BIỂN ĐÔNG
2. Cấu trúc khối nước Biển Đông
Khi đánh giá trạng thái tự nhiên, các quá trình động lực của đại dương đã chỉ ra rằng không thể xem xét một cách riêng lẻ các đặc trưng hoá học, vật lý của nước biển mà phải có sự tổ hợp các đặc trưng và các quá trình đó trong một không gian xác định. Cách tiếp cận nghiên cứu như vậy đã được ứng dụng rộng rãi đối với khí tượng Synốp, trong đó đã thừa nhận khái niệm khối khí như tổ hợp các đặc trưng cho trạng thái tự nhiên của một thể tích không khí đủ lớn và đồng nhất về các giá trị vật lý chủ yếu như nhiệt độ, độ ẩm,...
Tương tự như vậy trong hải dương học có khái niệm khối nước, ở đây khối nước được hiểu theo khái niệm rộng tự nó phải mang cho mình những chỉ số vật lý và các đặc trưng quan trọng về nguồn gốc của nước cho phép chúng ta phân tích sự phân bố và trạng thái động lực của chúng. Vì vậy nhiều học giả đã định nghĩa khối nước như sau: Khối nước là một thể tích nước đủ lớn đã được hình thành trong một khoảng thời gian xác định và ở trong một vùng biển xác định với các đặc trưng hoá - lý tiêu biểu. (Êgôrốp. N. I. 1966). Các đặc trưng vật lý quan trọng để phân chia các khối nước là nhiệt độ và độ muối, ngoài ra có thể tham khảo thêm các yếu tố khác như,
hàm lượng các chất khí hoà tan, độ kiềm, các tính chất quang học, các đặc trưng sinh học,... Việc xác định khối nước là bài toán phức tạp nhiều chiều, đã có những nghiên cứu giải thử bài toán phức tạp này bằng phương pháp phân tích theo các hàm trực giao tự nhiên, song vẫn không đủ điều kiện giải vì quá phức tạp và thiếu số liệu thực đo. Các nhà nghiên cứu từ những thực tế của mình đã chọn hai chỉ tiêu cơ bản nhiệt độ và độ muối của nước biển. Cách lựa chọn này xuất phát từ lý thuyết, nhiệt và độ muối giữ vai trò quyết định trong các quá trình nhiệt động học của nước biển. Từ đó Stocman, sau này là Mamaiep đã đề xuất phương pháp phân tích các khối nước bằng đường cong nhiệt muối và đã được ứng dụng rộng rãi cho đến ngày nay. Tiếp theo, để có thể nhận xét về sự phân bố và sự biến động của các khối nước, những phương pháp nói trên đã được ứng dụng để xác định độ ổn định của các lớp nước trong đại dương và phương pháp động lực để tính dòng chảy địa chuyển. Ngày nay những phương pháp xác định các khối nước đã được hoàn thiện bằng tổ hợp các quy trình bao gồm các phương pháp chủ yếu sau đây phương pháp giản đồ nhiệt muối, phương pháp phân chia khối nước theo gradien của các đặc trưng thủy văn và phương pháp phân tích các đường đẳng mật độ nước.
Tư tưởng chủ yếu của phương pháp giản đồ nhiệt muối là các đặc trưng nhiệt độ và độ muối của các khối nước biển có cùng nguồn gốc khá thống nhất về giản đồ nhiệt muối. Công tác phân tích khối nước còn được tiến hành trên cơ sở xây dựng các mặt cắt thủy văn, các bản đồ phân bố địa lý nhiệt độ, độ muối và các tính chất hoá lý khác của nước biển như pH, O2,... Các khối nước có thể phân bố kế tiếp nhau theo phương ngang, giữa chúng là những miền front thủy văn mà tại đó gradien các đặc trưng lý hoá nước biển có giá trị biến đổi lớn. Còn giới hạn dưới là những lớp nước có gradien các đặc trưng vật lý nước biển theo phương thẳng đứng khá lớn.
Áp dụng các phương pháp nghiên cứu khối nước vào điều kiện Biển Đông, Võ Văn Lành đã xây dựng đường cong nhiệt muối của nước trung tâm Biển Đông và vùng biển Philippines trên nền mật độ quy ước δT (hình 21). Từ hình 21 chúng ta nhận thấy muối cực đại của khối nước cận mặt nằm ở mặt đẳng mật độ khoảng δ = 25,25, và nhân của khối nước trung gian độ muối thấp nằm ở mặt đẳng mật độ δ = 26,75.
Hình 21: Biểu đồ nhiệt độ - độ muối của nước vùng Biển Đông (z) và biển Philippin (|) trên nền mật độ quy ước σ1
Wyrtki đã có những nhận xét bước đầu về tính chất và nguồn gốc của ba khối nước cơ bản của Biển Đông theo các đặc trưng nhiệt độ, độ muối và oxy hoà tan từ những năm 1961. Khối nước cận mặt độ muối cao, khối nước trung gian độ muối thấp hơn và khối nước sâu cực tiểu oxy. Đó là những khối nước có nguồn gốc từ Thái Bình Dương xâm nhập vào Biển Đông qua eo biển Luzon, Đài Loan, Mindora, Barabac gọi là cấu trúc nhiệt đới. Nhiều học giả khác bằng những cách tiếp cận khác nhau đều khẳng định trong Biển Đông tồn tại 4 khối nước của cấu trúc này là khối nước mặt luôn luôn chịu tác động của các quá trình khí hậu gió mùa, tiếp theo là khối nước cận mặt độ muối cực đại có thể đạt đến 34,8‰ ở khu vực đông bắc Biển Đông vào thời kỳ gió mùa đông bắc, dưới độ sâu 300m là khối nước trung gian độ muối thấp hơn, cuối cùng là khối nước tầng sâu (trên 800m) khá ổn định. Đại diện cho các tác giả Xô Viết trong các chương trình hợp tác điều tra nghiên cứu Biển Đông từ 1980-1990 Bogdanop đã đưa thêm một khái niệm về 3 loại cấu trúc nước, cấu trúc nhiệt đới, cấu trúc nhiệt đới biến tính và cấu trúc nhiệt đới - xích đạo đặc trưng cho sự biến động theo thời gian và không gian của cấu trúc nhiệt đới và mức độ ảnh hưởng của các khối nước bên ngoài Biển Đông xâm nhập vào
dưới tác động của chế độ gió mùa (hình 22). Trong bảng 14 tổng hợp các đặc trưng nhiệt độ, độ muối của bốn khối nước cơ bản thuộc cấu trúc nước nhiệt đới của Biển Đông và sự biến động của chúng theo các mùa trong năm.
Để dễ nhận biết về sự biến động của các khối nước Biển Đông trên các vùng địa lý khác nhau trong bài viết này chúng tôi quy ước khối nước và các loại nước như sau. Các khối nước chủ yếu của Biển Đông được xem xét theo cấu trúc thẳng đứng từ mặt biển xuống đến đáy bao gồm khối nước mặt, khối nước cận mặt có độ muối cao, khối nước trung gian có độ muối giảm, cuối cùng là khối nước tầng sâu có độ muối ổn định. Sự biến động của các đặc trưng nhiệt độ, độ muối, độ dầy của khối nước có liên quan đến tính chất của địa phương của các vùng địa lý chúng tôi qui ước là các loại nước như đã chỉ ra trong bảng 14 như sau loại nước nhiệt đới (thuộc vùng đông bắc Biển Đông), loại nước nhiệt đới biến tính (thuộc vùng biển chịu ảnh hưởng của lục địa bán đảo Đông Dương), loại nước nhiệt đới xích đạo (thuộc vùng cực Nam và đông nam của Biển Đông.
Trong thời kỳ mùa đông, gió mùa đông bắc ổn định đã chi phối mạnh chế độ thủy văn lớp nước mặt toàn Biển Đông, đặc biệt vùng biển Đông Bắc. Theo số liệu khảo sát trong những năm tám mươi dưới tác động của gió đông bắc ổn định với tốc độ 6-10m/s một loại nước có cấu trúc nhiệt đới xâm nhập vào Biển Đông qua eo Luzon và một phần từ eo Đài Loan có nguồn gốc từ các biển Philippin và tây bắc Thái Bình Dương. Loại nước này được lan truyền đến tận ven bờ Việt Nam khoảng vĩ tuyến 14-150N dưới dạng dòng nước ổn định mùa đông với tốc độ trung bình 20-30cm/s khi tiếp cận vào thềm lục địa Việt Nam có thể đạt đến 50-80cm/s do được tăng cường bởi dòng nước bắc nam ven bờ và yếu tố địa hình. Phân tích phân bố thẳng đứng các đặc trưng nhiệt muối chúng ta gặp lại 4 khối nước cơ bản của cấu trúc nhiệt đới như trong bảng 14. Khối nước mặt (0-70m) là lớp nước đồng nhất về nhiệt độ 24-250C và độ muối 34,20‰ do quá trình xáo trộn mạnh bởi gió mùa đông bắc. Biên dưới của khối nước đồng nhất này là lớp nước mà tại đó nhiệt độ và độ muối biến động mạnh với gradien thẳng đứng rất lớn (0,20C/m và 0,023‰/m) ở độ sâu 70-100m. Sau lớp nước này là khối nước cận mặt độ muối cao, cực đại có thể đạt 34,80‰ ở độ sâu 150m và nhiệt độ thấp 170C. Tiếp theo là khối nước có độ muối giảm, cực tiểu có thể xuống 34,55‰ ở độ sâu 450m và nhiệt độ thấp 90C, gọi là khối nước trung gian. Cuối cùng là khối nước sâu khá ổn định phân
bố ở độ sâu lớn hơn 800m, nhiệt độ rất thấp 30C và độ muối 34,70‰
cao hơn khối nước trung gian và khối nước mặt. Cấu trúc nhiệt đới đặc trưng cho nước Biển Đông, song cũng chịu tác động của các quá trình tương tác biển khí quyển và biển lục địa theo chu kỳ mùa, từ đó hình thành các loại nước biến tính ở các khu vực khác nhau.
Mùa đông
•Cấu trúc nhiệt đới; U Cấu trúc nhiệt đới biến tính;
² Cấu trúc nhiệt đới xích đạo
Mùa hè Hình 22a: Đường cong nhiệt muối
để phân chia các loại nước trong thời kỳ gió mùa đông bắc
(theo Bogdanop)
Hình 22b: Hoàn lưu tầng mặt vào mùa đông và mùa hè
Cấu trúc của nước nhiệt đới biến tính xuất hiện ở vùng biển ven bờ Việt Nam và trung tâm Biển Đông trong thời kỳ mùa đông. Đó là kết quả của các quá trình xáo trộn dưới tác động của gió mùa đông bắc và quá trình tương tác với nước lục địa ven bờ Việt Nam đã làm mất đi bản chất ban đầu của cấu trúc nước nhiệt đới. Ở vùng trung tâm của Biển Đông thuộc vĩ độ thấp hơn 14-150N nước nhiệt đới biến tính có nhiều biến động (bảng 14). Nhiệt độ của khối nước mặt tăng lên, độ
muối giảm và độ dày lớp đồng nhất cũng giảm chỉ còn 0-30m. Khối nước cận mặt độ muối cao bị nâng lên 50-200m và độ muối cực đại giảm chỉ còn 34,65‰ ở lớp nhân 130-150m. Mức độ biến động của khối nước trung gian ít hơn và các đặc trưng của khối nước tầng sâu gần như không thay đổi. Khi so sánh nước nhiệt đới biến tính với nước nhiệt đới chúng ta thấy rất rõ trong loại nước biến tính độ dày của khối nước mặt đồng nhất giảm rất nhiều, chỉ còn 0-30m và càng hướng vào trung tâm của biển độ dày của lớp nước này càng giảm và mất hoàn toàn, có nghĩa là biên dưới của khối nước này đã thoát lên mặt biển. Ở khu vực trung tâm của biển các đường đẳng trị nhiệt độ và độ muối ở lớp nước 200-300m bị nâng lên gần giống hình vòm dưới dạng parapol đỉnh quay lên, còn ở vùng ven bờ tây của biển các đường đẳng trị lại hạ xuống (Bogdanop K. 1996).
Bảng 14: Các đặc trưng nhiệt muối và độ sâu phân bố của các khối nước Biển Đông (Theo Bogdanop)
Mùa đông Mùa Xuân Mùa hè
Loại
nước Các khối nước
T0C S‰ Độ dày khối nước H(m)
T0C S‰ Độ dày khối nước H(m)
T0
C S‰ Độ dày khối nước H(m) Nước mặt 24-25 34,2 0-70 26-27 33,80 0-50 29 34,00 0-30 Nước cận
mặt có độ muối cao
17 34,80 (max)
100-300 nhân 150
18 34,70 75-200 25 34,70 50-250
Nước trung gian
độ muối giảm
9 34,55 (min)
300-800 nhân
140
10 34,40 (min)
200-800 nhân 450
8 34,40 (min)
300-300 nhân
500 Nước
nhiệt đới
Nước tầng
sâu 3 34,70 > 800 4 34,60 >800 4-
5 34,60 >800 Nước mặt 25-26 33,50 0-30 28 33,60 0-30 30 33,50 - Nước cận
mặt có độ muối cao
17 34,65 (max)
50-200 nhân
140
18 34,60 50-200
Khối nước trung gian độ muối
giảm
9 34,50 (min)
200- 1000 nhân 500
10 34,40 (min)
200- 1000 nhân 500
Thực tế bị biến mất Nước
nhiệt đới biến tính
Nước sâu 3 34,06 >1000 4-5 34,60 >1000 4-5 34,90
Nước mặt 26-27 34,00 0-65 27-28 33,60 0-30 30 34,00 0-30 Nước cận
mặt có độ muối cao
17 34,75 (max)
100-300 nhân
150
12,8 34,60 75-250 nhân
150 25
- 26
34,80 (max)
75-200 nhân
100 Nước
trung gian độ muối
giảm
9 34,5 (min)
300-800 nhân
500
10 34,50 (min)
250-800 nhân
450
8 34,70 (min)
250-800 nhân
500 Nước
nhiệt đới xích đạo
Nước tầng
sâu 3 34,60 >800 4-5 34,60 >800 4-
5 34,90 >800
Do ảnh hưởng của gió mùa đông bắc ở vùng nước ven bờ Việt Nam xuất hiện nước dâng và độ muối giảm, khi lắng xuống đến độ sâu 200-300m khối nước này làm cho cực đại muối của khối nước cận mặt bị biến mất hoàn toàn. Trong khi đó ở vùng biển sâu trung tâm nước nhạt ven bờ đã gây ảnh hưởng đến khối nước trung gian làm cho cực tiểu độ muối giảm xuống còn 34,5‰ và độ dày của khối nước này tăng lên đến 800m (200-1.000m) lớn hơn chính nó khi còn là cấu trúc nhiệt đới (bảng 14).
Ở phần phía nam của Biển Đông nước có cấu trúc nhiệt đới không chỉ bị biến dạng mà còn chịu sự tương tác với nước xích đạo từ biển Java và Sulu xâm nhập vào qua eo biển nông Karimata và Mindoro sâu 450m và eo biển Balabac sâu 100m. Kết quả là ở khu vực đông nam (giữa 100N và 150N) hình thành một loại nước có cấu trúc hỗn hợp nhiệt đới xích đạo. Trong đó khối nước mặt nhiệt độ cao gần 270C và độ muối không cao lắm 34‰. Các đặc trưng của khối nước cận mặt độ muối cao ở độ sâu 100-300m không mấy thay đổi và gần với cấu trúc nhiệt đới ở vùng biển phía bắc (độ muối cực đại 34,7‰ - 34,75‰ ở độ sâu 150m và nhiệt độ là 170C). Khối nước trung gian và khối nước sâu hầu như không thay đổi so với cấu trúc nhiệt đới. Như vậy sự ảnh hưởng của gió mùa đông bắc đến cấu trúc khối nước Biển Đông chủ yếu diễn ra ở khối nước mặt, và giảm dần về mức độ từ bắc xuống nam và từ ven bờ phía tây sang phía đông, đồng thời cũng khẳng định vai trò quyết định trao đổi nước qua các lạch lớn Luzon, Đài Loan thuộc tây Thái Bình Dương với Biển Đông.
Thời kỳ chuyển tiếp từ đông sang hè có thể bắt đầu từ tháng 4 khi gió mùa đông bắc đã suy yếu hoặc đã ngừng hoạt động. Bắt đầu hình thành hoàn lưu khí quyển mùa hè, gió mùa tây nam và gió nam chiếm ưu thế, đã tác động đến quá trình trao đổi nước với biển Java có nguồn gốc từ xích đạo qua các eo biển nông Karimata và Malacca. Khi gió mùa đông bắc suy yếu nước có cấu trúc nhiệt đới ở phía bắc Biển Đông thu hẹp ảnh hưởng và các đặc trưng của các khối nước thành phần cũng biến đổi theo (bảng 14). Nhiệt độ của khối nước mặt tăng 1- 20C đối với cấu trúc nhiệt đới và cấu trúc nhiệt đới biến tính, tăng 2- 30C đối với khối nước mặt của cấu trúc nhiệt đới xích đạo, độ dày của lớp nước mặt đồng nhất cũng giảm do qúa trình xáo trộn của gió mùa đông bắc giảm. Trong thời kỳ chuyển tiếp loại nước của cấu trúc nhiệt đới biến tính có nhiều biến đổi. Giá trị cực đại của khối nước cận mặt giảm và giá trị cực tiểu muối của khối nước trung gian cũng giảm
khoảng 0,1‰ do ảnh hưởng rộng của nước ven bờ có nguồn gốc lục địa. Trong khi đó các đặc trưng nhiệt muối của các khối nước sâu hơn 800m hầu như không thay đổi.
Khi gió mùa tây nam ổn định, quá trình trao đổi nước qua các eo biển nông phía nam đạt đỉnh điểm. Loại nước có cấu trúc hỗn hợp nhiệt đới - xích đạo hình thành ở vùng biển đông nam với các đặc trưng nhiệt muối có nhiều biến động theo xu thế tăng. Ở vùng biển phía tây thuộc thềm lục địa Việt Nam trong thời kỳ gió tây nam các quá trình động lực diễn ra mạnh mẽ và phức tạp. Như hiện tượng nước trồi, ảnh hưởng của các dòng nước có nguồn gốc lục địa. Kết quả đã hình thành loại nước có cấu trúc nhiệt đới biến tính mùa hè ở đây với cấu trúc thẳng đứng rất đơn điệu. Lúc này phạm vi phân bố của loại nước nhiệt đới có nguồn gốc Thái Bình Dương thu hẹp, do cường độ trao đổi nước qua các eo biển Luzon, Đài Loan bị hạn chế. Bản chất cấu trúc nhiệt đới của các khối nước đều có thay đổi song không lớn trong xu thế giảm, riêng nhiệt độ tăng.
Kết quả phân tích sự biến động cấu trúc khối nước Biển Đông theo mùa và theo các vùng biển khác nhau cho thấy sự biến đổi chu kỳ mùa trong năm chỉ xẩy ra ở các khối nước lớp trên, còn các khối nước sâu và đáy hầu như không có ảnh hưởng của các quá trình khí quyển.