67 tương ứng về xác suất chuyển tiếp sẽ được theo dõi trong điều kiện sử dụng các thủ tục ước lượng Bayes (xem mục 4.2), cho chúng ta khái niệm về sự biến thiên tính khả báo cục bộ của những cấu trúc riêng biệt của quá trình. Còn về sự biến thiên tính khả báo chung, thì những dao động tính khả báo loại 1 có thể ước lượng qua hệ số tương quan hạng của Spirmen. Chương 5 - NHỮNG KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN THỐNG KÊ CÁC QUÁ TRÌNH HẢI DƯƠNG HỌC Trong những chương trước đã xét một số vấn đề cụ thể khảo sát hải dương học ứng dụng, giải quyết bằng cách sử dụng một phương pháp thống kê đa biến duy nhất nào đó. Khi tiến tới những bài toán tổng quát hơn về chẩn đoán các quá trình hải dương, như đã thấy ở chương 4, ta phải áp dụng một số phương pháp phân tích thống k ê đa biến. Dưới đây sẽ dẫn những thí dụ minh hoạ về những khả năng hiện thực và tiềm năng ứng dụng phương pháp luận chẩn đoán này trong ba bài toán điển hình của hải dương học ứng dụng: 1) Mô tả biến động không gian − thời gian của nhiệt độ mặt đại dương; 2) Mô tả cấu trúc ba chiều của nước theo một tập hợp đặc trưng thủy vật lý; 3) Mô tả các khối nước. Ta sẽ dần dần dẫn ra những kết quả tính toán kèm theo sự đánh giá độ tin cậy của những đặc trưng thống kê nhận được và lý giải vật lý về chúng, điều này cho thấy tính công hiệu của phương pháp luận chẩn đoán thống kê. Những đối tượng địa lý được nghiên cứu là các vùng thuộc Bắc Đại Tây Dương, biển Na Uy và biển Bellinshauzen; đối với những vùng này việc giải quyết những bài toán vừa nêu có ý nghĩa ứng dụng độc lập. Đặc thù điều kiện hải dương trong những vùng địa lý chọn trên đây sẽ cho phép: trong khuôn khổ giải quyết các bài toán, còn có thể nhấn mạnh một số vấn đề phương pháp luận, trong số đó có vấn đề: chọn và đánh giá những biến mang thông tin, sự liên hệ qua lại giữa những mô hình chẩn đoán tổng quát và đặc thù (cục bộ về không gian và thời gian), xác định về mặt thống kê các vùng tích cực về năng lượng và các front. 68 5.1. CHẨN ĐOÁN CÁC TRƯỜNG NHIỆT Ở BẮC ĐẠI TÂY DƯƠNG Bài toán chẩn đoán các trường nhiệt lớp trên đại dương là bài toán truyền thống để nghiên cứu các quá trình hải dương quy mô lớn. Những đặc trưng chế độ nhiệt trong khi nghiên cứu thường gồm: nhiệt độ mặt đại dương hay entalpy (dung lượng nhiệt) của lớp nước mặt; những đại lượng này được xem là những tham số năng lượng quan trọng nhất của bản thân đại dương và của cường độ tương tác nhiệt động lực giữa nó với khí quyển [100, 187, 256]. Bài toán thường được giải quyết trên cơ sở phân tích vật lý thống kê những mảng số liệu quan trắc lớn, sự chọn lựa các phương pháp và thứ tự áp dụng chúng là do nội dung vật lý của kết quả quy định. Mục tiêu chính của việc chẩn đoán các trường nhiệt Bắc Đại Tây Dương là làm sao từ kết quả xử lý toàn diện những mảng số liệu quan trắc hiện có rút ra những đặc trưng định lượng tin cậy về những đặc điểm không gian và thời gian hình thành chế độ nhiệt thủy vực. Ở đây tách ra hai bài toán liên quan lẫn nhau mô tả thống kê những đặc điểm biến trình mùa khí hậu và biến thiên nhiều năm của các trường nhiệt. Với tư c ách là những số liệu xuất phát, đã sử dụng vốn lưu trữ các trường nhiệt độ mặt đại dương trung bình tháng thời kỳ 1978 −1987 do Trường Đại học Khí tượng Thủy văn Lêningrat xây dựng trên cơ sở dữ liệu của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Liên Xô. Vùng nước nghiên cứu trải rộng từ xích đạo tới 70 °N. Phân bố nhiệt độ được cho bằng những chuỗi thời gian tại 162 điểm nút trong miền chia lưới ô vuông cạnh 5 ° kinh vĩ. Phép phân tích thống kê đầu tiên cho thấy những chuỗi thời gian này có những đặc trưng biến động rất khác nhau. Tính bất đồng nhất được nhận thấy theo các trị số trung bình, theo phương sai chuỗi, theo các đặc trưng của hàm phân bố thực nghiệm. Trên hình 5.1 minh hoạ những đường cong tổ chức đồ điển hình nhất, chúng cho thấy rằng trong các chuỗi nhiệt độ mặt đại dương và dị thường nhiệt độ mặt đại dương trung bình tháng có tiềm ẩn những khác biệt cấu trúc. Thấy rõ rằng, các hàm phân bố rất giống với luật phân bố chuẩn, nhưng tính bất đối xứng thể hiện mạnh, có những hàm "có đuôi dài", nhiều khi có cả những hàm đa mốt. P% 30 2 0 1 0 30 2 0 1 0 Δ t Hình 5.1. Các đường cong tổ chức đồ thực nghiệm của các chuỗi dị thường nhiệt độ mặt đại dương trung bình tháng ở Bắc Đại Tây Dương Ở những vùng đại dương có đới front khí quyển, đặc biệt vùng cực và cận cực, thì tính đa mốt trên các tổ chức đồ thể hiện rõ. Điều này có thể được giải thích là do sự biến động đặc thù của nhiệt độ mặt nước do các đới front dịch chuyển mạnh trong không gian gây ra, trong ô vuông 5 ° kinh vĩ đang xét có thể xuất hiện các khối nước với nhiệt độ thấp hơn hoặc cao hơn so với trị số trung bình. Tại đới xích đạo Đại Tây Dương thể hiện xu hướng ngược lại, các tổ chức đồ có độ nhọn bé hơn và trên thực tế khó có thể chỉ ra mốt đặc trưng một cách tin cậy. Tại các dải ven bờ của đại dương, nơi thường gặp những biến thiên nhanh của lưu lượng dòng lục địa, thì các tổ chức đồ có tính bất đối xứng mạnh, ở một số vùng đườn g cong phân bố có đuôi dài. Tất cả những đặc điểm l iệt kê trên đây không những chỉ ra tính phức 69 tạp của các quá trình hình thành nhiệt độ mặt đại dương, mà còn chứng tỏ tính có quy luật xác định trong phân bố không gian của các tham số cấu trúc xác suất. Giả thiết về tính chất chuẩn của các hàm phân bố thực nghiệm t hoả mãn với 39% số chuỗi xuất phát với xác suất 90%. Ngoài ra có 19% số chuỗi thoả mãn giả thiết luật phân bố thực nghiệm tuân theo phân bố Weibull. Cấu trúc xác suất của các chuỗi còn lại có thể mô tả hoặc bằng những luật lý thuyết đã nêu, nhưng với mức tin cậy thấp hơn, hoặc bằng cách kết hợp những p hân bố khác nhau. Việc ước lượng cấu trúc thống kê của các chuỗi thời gian bằng các phương pháp phân tích tương quan − phổ đã cho phép khái quát những nét khác biệt thống kê cơ bản trong biến động nhiệt độ mặt đại dương trên thủy vực Bắc Đại Tây Dương. Đã xác định được chắc chắn ba dải biến động với chu kỳ đặc trưng: 6 −9 tháng, 13−16 tháng, 2−3 năm và đương nhiên có thành phần biến trình năm, chu kỳ 12 tháng. Những dải chu kỳ này thể hiện trong biến động điều kiện nhiệt tại mọi nơi trên toàn vùng, do đó, tính bất đồng nhất của chúng là một yếu tố quan trọng nhất mô tả cấu trúc chế độ nhiệt trong trường hợp này. Đáng tiếc rằng, bằng các phương phá p thống kê đã sử dụng với những chuỗi ngắn như vậy, không thể xác định một cách tin cậy dải biến động với chu kỳ dài hơn. Trên các hàm phổ, dải này biểu hiện dưới dạng một thành phần xu thế, làm cho phần lớn các đồ thị phổ có phần "nhiễu đỏ" biểu lộ rõ. Những kết quả phân tích phổ nói chung phù hợp với những ước lượng định lượng của các công trình trước đây về Bắc Đại Tây Dương, trong đó đã sử dụng tài liệu quan trắc các năm 1957 −1974 [21, 31, 62, 119, 141]. Những khác biệt nào đó hoàn toàn có thể là do biến động tập mẫu. Tuy nhiên, những khác biệt không vượt quá phạm vi mức ý nghĩa 10%, vậy cho phép chúng ta nói về sự bảo tồn cấu trúc thống kê của những dao động chính của nhiệt độ mặt đại dương cho toàn vùng Bắc Đại Tây Dương nói chung trong những năm 1978 −1987. Việc áp dụng phương pháp thành phần chính nhằm mô tả những dao động đồng thời, chung nhất cho toàn thủy vực Bắc Đại Tây Dương. Theo ý tưởng của phương pháp, mỗi một thành phần chính phải bao gồm những đặc điểm tiêu biểu của các dao động không gian của nhiệt độ mặt đại dương. Khi đó các vectơ riêng sẽ mô tả quy luật biến động thời gian của những dao động đồng thời rõ nét nhất. Khai triển thành phần chính được thực hiện với ma trận số liệu xuất phát gồm 162 chuỗi dị thường nhiệt độ mặt đại dương trung bình tháng, mỗi chuỗi gồm 120 giá trị. Độ hội tụ chuỗi các giá trị riêng của m a trận tương quan khá cao − khoảng 40 số hạng khai triển đã đảm bảo mức 90% mô tả biến động của các trường nhiệt độ mặt đại dương. Đóng góp đáng kể nhất là bốn số hạng khai triển đầu tiên, tổng cộng làm thành gần 50% phương sai. Sau đó là ba số hạng khai triển, đóng góp 4 −7% phương sai. Mỗi số hạng còn lại chỉ bổ sung dưới 1% vào nhiệt độ mặt đại dương. Nhận thấy một sự bất đồng nhất rõ rệt về tốc độ hội tụ của các giá trị riêng; trên đồ thị thể hiện bằng kiểu cấu trúc bậc thang. Theo lý thuyết của phương pháp các thành phần chính, dễ ràng hiểu rằng mỗi bậc thang phản ánh một quy mô đặc trưng nào đó tron g biến động nhiệt độ mặt đại dương, mà những đặc trưng không gian và thời gian của nó phải xét theo những đặc điểm biến thiên của các vectơ riêng và các thành phần chính. Các đồ thị vectơ riêng trong trường hợp này rất dài, nên nếu phân tích bằng mắt thì ít hiệu quả. Vì vậy, phải sử dụng các phương pháp phân tích chuỗi thời gian và đánh giá sự biến động của các vectơ riêng dựa vào các hàm tự tương quan và phổ. Những đặc t rưng thống kê nhận được khẳng định rằng bốn vectơ riêng đầu tiên có biến động tuần hoàn rõ nét trên nền thành phần xu thế chu kỳ dài. Những dao động tuần hoàn đặc trưng có các chu kỳ 2 −3 và 5 −7 năm (không thể ước lượng chính xác hơn vì độ dài mẫu hạn chế). Ba vectơ tiếp theo trong khai triển có các dao động tuần hoàn với chu kỳ 6 −9 và 14 −18 tháng. Trong các số hạng còn lại thì không thấy rõ thành phần tuần hoàn như vậy. 70 Thông thường, những vectơ với số hiệu lớn hơn thì không có những đỉnh phổ đáng kể trong dải biến động nhiều năm. Cấu trúc thống kê của những dao động này gần như phổ nhiễu đỏ. Đồng thời phải nhận thấy một xu thế đáng kể có mặt trong phổ của vectơ riêng thứ nhất và nó có thể liên quan với biến thiên chu kỳ dài của điều kiện nhiệt nền có tính chất chung cho toàn thủy vực Bắc Đại Tây Dương. Đặc điểm này rất quan trọng đối với việc phân tích tiếp theo về khả năng mô tả hữu hiệu sự biến đổi nhiệt độ mặt nước ở Đại Tây Dương như một cơ chế toàn vẹn. Khai triển theo các thành phần chính cho thấy rằng những dao động đồng thời và chung cho toàn đại dương (hìn h 5.2) đóng góp 20% vào tổng biến động của nhiệt độ mặt nước. Vậy phép khai triển như trên phản ánh một cách hiện thực đến mức nào về những quá trình hình thành chế độ nhiệt lớp mặt Đại Tây Dương? Những nhược điểm mà chúng ta đã biết trong việc quan trắc nhiệt độ nước mặt đại dương và xây dựng các trường trung bình tháng nhiệt độ mặt đại dương có ảnh hưởng nhất định đến độ tin cậy của dữ liệu xuất phát và do đó, cũng ảnh hưởng tới độ tin cậy của các kết quả khai triển. Hình 5.2. Các trường thành phần chính thứ nhất (a) và thứ hai (b) n hiệt độ mặt nước ở Bắc Đại Tây Dương Ta có thể trả lời câu hỏi vừa đặt ra, nếu thử so sánh cấu trúc thống kê của khai triển nhiệt độ mặt nước với khai triển một đặc trưng tổng quát hơn và tin cậy hơn của lớp trên đại dương − đó là entalpy lớp trên đại dương. Là một trong những tham số nhiệt động lực cơ bản phản ánh trạng thái đại dương, entalpy liên hệ và khái quát về sự biến động của các điều kiện nhiệt muối bên trong thể tích nước biển đang xét [31, 87, 187]. Trong trường hợp này nên sử dụng các trường giá trị trung bình tháng nhiều năm của entalpy lớp nước 100m bên trên ở Bắc Đại Tây Dương trên vùng lưới 5 ° để tính toán cấu trúc thống kê. Hình 5.3. Các trường của ba thành phần c hính đầu tiên khai triển biến trình năm của entalpy lớp nước 0−100 m ở Bắc Đại Tây Dương Kết quả khai triển thành phần chính biểu diễn trên hình 5.3 dưới dạng ba thành phần chính đầu tiên, ba trường này đóng góp 74% phương 71 sai xuất phát [51, 52]. Phần đóng góp của thành phần chính thứ nhất bằng khoảng 40% tổng phương sai của biến trình năm, và như ta thấy trên các bản đồ, nó mô tả sự biến thiên nền của các điều kiện nhiệt trong thủy vực nghiên cứu. Thành phần này không đổi dấu trên toàn thuỷ vực Bắc Đại Tây Dương, ngoại trừ những vùng cục bộ ở biển Labrađo và gần bờ Tây Phi. Trong trường thành p hần chính thứ hai, chúng ta đã thấy có một loạt ổ đối dấu nhau, phần biến động của chúng bằng 23% và chúng liên quan trước hết tới những khác biệt về pha trong phân bố không gian của hài chu kỳ năm của entalpy. Cấu trúc kh ông gian của thành phần chính thứ hai của trường entalpy được đặc trưng bởi các vùng khép kín có dấu thay đổi từng cặp một. Nổi rõ nhất là các đới đổi dấu ngăn cách hai vùng tây nam và đông bắc ở Bắc Đại Tây Dương. Quy mô không gian của các vùng giữ nguyên dấu của thành phần chính thứ hai bằng khoảng 2000 km. Thành phần chính thứ b a có cấu trúc nhân phức tạp trong không gian, nó mô tả khoảng 11% phương sai các dao động tổng cộng. Đồng thời trong phân bố của thành phần này nổi lên một đới tương phản, đới này đi từ phía tây nam, cắt ngang qua xích đạo lên tới phía đông bắc và bao quanh gần hết toàn bộ đới lan truyền nước của hải lưu Bắc Đại Tây Dương từ 30 ° tới 60°N. Vectơ thứ nhất của các trường entalp y không đổi dấu theo thời gian và mô tả nền trung bình năm. Vectơ thứ hai đổi dấu một lần với những trị số cực tiểu vào tháng 3 và cực đại vào tháng 8. Vectơ thứ ba mô tả sóng nửa năm trong trường entalpy và đổi dấu hai lần. Nếu so sánh kết quả kha i triển theo trường entalpy lớp trên đại dương và theo trường nhiệt độ mặt nước, sẽ thấy rằng cấu trúc của phân bố không gian và thời gian các đặc trưng này có nhiều nét chung − về tốc độ hội tụ khai triển, về những quy luật biến trình mùa, những đặc điểm vị trí không gian của các ổ đồng dao động chủ yếu của nhiệt độ nước mặt và entalpy. Sự tương hợp giữa hai cá ch ước lượng cho phép khẳng định rằng: nhờ kết quả phân tích thành phần chính các trường nhiệt độ nước mặt đại dương, đã phát hiện những đặc điểm quan trọng nhất trong biến động chế độ nhiệt lớp nước phía trên mặt ở Bắc Đại Tây Dương. Mục đích của những tính t oán chẩn đoán tiếp theo là làm sao phân ra một cách tin cậy về mặt thống kê những vùng đồng nhất về tính biến động điều kiện nhiệt lớp mặt ở Bắc Đại Tây Dương. Một phương pháp xử lý số liệu sẽ được áp dụng − đó là phân loại tự động. Nhưng trong đó sẽ lần lượt sử dụng ba mảng số liệu xuất phát. Mỗi mảng sẽ đặc trưng chế độ nhiệt theo kiểu của mình. Nếu đối chiếu các kết quả của ba cách phân loại sẽ thực sự giúp phân vùng thủy vực này với độ tin cậy cao và cung cấp một lý giải trực quan về ý nghĩa của phân vùng. Trước hết, ta thực hiện phân loại tự động đối với số liệu phương sai nhiệt độ nước tại từng ô lưới 5 °. Ma trận phân loại gồm những trị số phương sai nhiệt độ mặt nước 12 tháng của từng chuỗi thời gian. Kết quả nhận được sự phân chia khá ổn định thành ba loại biến động nhiệt độ nước mặt: loại với phương sai cực đại ( >σ 1°C), loại với phương sai cực tiểu ( <σ 0,7°C) và loại trung gian (0,7−1,0°C). Việc chọn bi ên giữa các loại căn cứ vào sự phân nhóm tự nhiên trong biến động điều kiện nhiệt thể hiện trên các tổ chức đồ. Theo phân vùng không gian, thủy vực Bắc Đại Tây Dương chia thành 12 vùng đồng nhất, phương sai nhiệt độ mặt nước bên trong các vùng đồng nhất thống kê và tương ứng với những tiêu chí biên của các loại (hình 5.4). Sự phân loại nhận được mang tính chất sơ bộ, nhưng đã tách ra được một loạt vùng kế tiếp nhau trong khô ng gian thủy vực nghiên cứu, có biến động nhiệt độ nước mặt rất đáng kể. Đó là vùng biển Na Uy và phần tây bắc của đại dương, nơi các hải lưu mạnh nhất hoạt động và thể hiện rõ các đới giao tranh giữa các khối nước. Tiếp tục các tính toán chẩn đoán, cần tiến hành phân loại các đặc 72 trưng điều kiện nhiệt khác, trước hết là phân loại kết quả khai triển các trường nhiệt độ mặt đại dương và entalpy theo các thành phần chính. Phép phân loại này cho phép nhận được số lớp hơi nhiều hơn, ở đây các lớp đã được phân chia theo nguyên tắc mức độ hiệp đồng dao động nhiệt độ nước mặt đại dương được phản ánh ở sự phân hoá phương sai dao động nhiệt độ mặt nước và entalpy the o các thành phần. Phân vùng các lớp được dẫn trên hình 5.4. Nếu so sánh ba bức tranh phân l oại, dễ dàng nhận thấy sự giống nhau định tính giữa ba cách phân loại về sự phân hoá trong không gian, mặc dù những tham số trung bình của các lớp rất khác nhau. Phép phân vùng thứ nhất nhằm vào sự giống nhau của phương sai dao động nhiệt độ mặt nước, phép phân vùng thứ hai − sự hiệp đồng dao động nhiệt độ mặt nước về pha, cách thứ ba − sự hiệp đồng dao động các quá trình nhiệt muối ở lớp trên của đại dương. Cũng nhận t hấy rõ những khác biệt của các cách phân loại. Chúng tập trung ở phần trung tâm và phần phía nam của thủy vực Bắc Đại Tây Dương; tại các đới khí hậu ôn đới và cận nhiệt này, sự tương phản không gian của các trường nhiệt tương đối yếu. Theo dị thường phương sai nhiệt độ nước mặt chưa tách được một vùng đặc trưng kế cận bờ tây Châu Phi. Tính dị thường chế độ nh iệt ở đây được nhận ra trước hết theo sự dịch pha của sóng entalpy bán niên và nhịp biến thiên 2 −3 năm điển hình trong các chuỗi dị thường nhiệt độ mặt nước. Trường entalpy đã là trơn quá nhiều bức tranh chế độ nhiệt ở các vĩ độ trung bình (40 −55°N). Tại đây gần như biến mất ổ dao động đặc trưng của nhiệt độ nước mặt chu kỳ 9 −14 tháng. Nét chung trong ba cách phân loại thể hiện ở vị trí các đường biên giới của các lớp ở phần bắc và tây bắc Bắc Đại Tây Dương − trước hết là ở vùng hải lưu Bắc Đại Tây Dương, ở khoảng từ bán đảo Floriđa đến mũi Gatterat. Ở đây là nơi hải lưu Gơnstrim và nhánh phía nam của nó biến đổi mạnh và được nhận dạng cả theo phương sai, theo entalpy và theo đặc điểm tương quan của biến trình thời gian dị thường nhiệt độ nước mặt đại dương. a) b) c) d) Hình 5.4. Phân vùng Bắc Đại Tây Dương a) Theo phương sai biến trình năm nhiệt độ mặt nước; b) Theo đặc điểm b iến trình năm entalpy; c) Theo tính chất đồng biến động nhiệt độ mặt nước; d) Theo phân bố cá c khối nước mặt. Một vùng chung nữa nằm ở phía đông đảo Niuphơnlen, nơi đây quan trắc thấy dao động thăng giáng mạnh mẽ của các tham số chế độ 73 nhiệt trong đới tương tác giữa các hải lưu Bắc Đại Tây Dương và Labrađo. Ở đây quan trắc thấy phương sai nhiệt độ nước mặt đại dương tăng rất mạnh, tồn tại nhiều giá trị dị thường nhiệt độ trung bình tháng rất lớn so với chuẩn nhiều năm. Những dị thường ấy lớn đến mức tính đặc thù chế độ nhiệt tại vùng này được nhận rõ trong biến trình năm của entalpy lớp trên đại dương. Cuối cùng , sự hiện diện đều đặn khoảng 2−5 năm một lần của những dị thường nhiệt độ nước mặt đại dương là nguyên nhân tạo ra một lớp đặc thù tại vùng này và được phát hiện bằng cách xử lý thống kê các chuỗi thời gian nhiệt độ nước mặt. Vùng biển Na Uy và phần thủy vực Bắc Đại Tây Dương kế cận nó cũng là một đới có nhiều nét chung mà phép phân loại đã phát hiện được. Chẳng hạn, trong cấu trúc các trường nhiệt độ nước mặt, ta thấy vùng biển Na Uy được chia thành những miền ảnh hưởng của các đới khí hậu Đại Tây Dương và đới khí hậu cực: đó là các vùng đồng nhất ở phần đông nam và phần tây bắc biển. Theo kết quả phân loại phương sai nhiệt độ nước mặt và biến trình năm entalpy có thể xác định vị trí các biên giới các đới cấu trúc khí hậu đặc trưng bởi mức biến động cao trong chế độ nhiệt lớp nước mặt. Ngoài ra, ta cũng thấy rằng sắp xếp không gian của các biên giới các lớp làm cho vùng tích cực năng lượng đại dương biển Na Uy hình như tách riêng khỏi toàn thủy vực Bắc Đại Tây Dương. Vậy căn cứ vào đâu m à biển Na Uy được phân thành một lớp riêng biệt về biến động điều kiện nhiệt theo tất cả các đặc trưng xuất phát? Để trả lời câu hỏi này, cần quay trở lại giai đoạn chẩn đoán trước đó và thử đánh giá định lượng chung về sự giống nhau và sự khác biệt hình thành những điều kiện nhiệt nền ở biển Na Uy so với những vùng khác của Đại Tây Dương. Và chính ở đây, ta sẽ thấy phương pháp phân tích tương quan chuẩn hoá để phát hiện những khác biệt trong chế độ nhiệt tại những vùng tích cực năng lượng chủ yếu ở Bắc Đại Tây Dương là rất hiệu quả. Ma trận khối các dữ liệu xuất phát để ước lượng những biến chuẩn hoá gồm b a khối: đó là những chuỗi thời gian nhiệt độ nước mặt thuộc ba vùng tích cực năng lượng. Trong mỗi khối có những chuỗi tuần tự mô tả biến động điều kiện nhiệt ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy, Niuphơnlen, Gơnstrim. Kết quả tính toán (bảng 5.1) cho thấy rằng để đặc trưng các điều kiện nhiệt nền tron g vùng tích cực năng lượng cần sử dụng không ít hơn hai biến chuẩn hoá với phần đóng góp rất khác nhau. Bảng 5.1. Hiệu quả của phép khai triển chuẩn hoá các trường nhiệt độ nước mặt đại dương − phần đóng góp (%) vào phương sai c hung của biến chuẩn hoá Biến Vùng tích cực năng lượng 1 2 Na Uy 59 19 Niuphơnlen 94 2 Gơnstrim 94 3 Nét đặc trưng là sự hiệp đồng dao động cao của nhiệt độ mặt đại dương trong các vùng tích cực năng lượng Gơnstrim và Niuphơnlen dẫn tới sự tập trung độ biến động vào ngay số hạng khai triển thứ nhất phản ánh biến trình năm nền của điều kiện nhiệt. Ngược lại, trong vùng tích cực năng lượng biển Na Uy, thậm chí phải dùng tới hai biến chuẩn hoá cũng mới chỉ mô tả được khoảng 78% phương sai nhiệt độ nước mặt. Về cơ chế vật lý sinh ra sự khác biệt lớn như vậy trong trường nhiệt có thể suy xét theo kết quả phân tích phân bố không gian của hai vectơ đầu tiên của ma trận tương quan khối (hình 5.5). Từ hình nà y thấy rằng: vectơ đầu tiên đặc trưng cho biến thiên nền của nhiệt độ mặt đại dương trong tất cả các vùng tích cực năng lượng của Bắc Đại Tây Dương. Sự bảo tồn dấu của vectơ riêng đầu tiên bên trong các vùng tích cực năng lượng Gơnstrim và Niuphơnlen cho thấy tính đồng nhịp cao của biến trình mùa điều kiện nhiệt ở hai đới này, trong khi 74 ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy thấy độ biến động không gian của vectơ này cao gấp khoảng 10 lần so với các đới khác, điều đó chỉ ra tính bất đồng nhịp dao động nhiệt độ mặt đại dương tại đây. Đặc điểm n ày trở nên hoàn toàn rõ rệt từ cấu trúc của vectơ riêng thứ hai. Trong tất cả các vùng tích cực năng lượng được nghiên cứu, vectơ thứ hai đổi dấu, ngoài ra đường đẳng trị 0 nằm gần vị trí của các đới giao tranh khí hậu của front Gơnstrim, front cận cực và cực. Nếu chú ý rằng biến chuẩn hoá thứ hai có chu kỳ dao động biểu lộ khá rõ, bằng 6 tháng và 2 −3 năm, thì có thể kết luận về mức ý nghĩa cao của chính những dao động này trong sự hình thành phân bố nền của nhiệt độ mặt đại dương ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy. Mức ý nghĩa cao như vậy được quyết định không chỉ bởi biên độ tương đối cao của những dao động đó ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy, mà còn bởi độ dịch pha rõ rệt khi chuyển qua front cực trong biển Na Uy. Đặc điểm này suy ra từ sự đối lập không gian rõ rệt trong các trị số của vectơ thứ hai ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy. Những đặc điểm b iến thiên trường nhiệt độ phát hiện được trong tiến trình phân tích thống kê đa chiều buộc ta phải đặc biệt chú ý tới tính độc đáo trong động lực chế độ nhiệt quan sát thấy tại những ổ tập trung lớn nhất của các thành phần chính − trong vùng tích cực năng lượng biển Na Uy. Để khái quát chính xác hơn về những đặc điểm hình thành chế độ nhiệt vùng này, cần phải thay đổi các biên giới miền phân tích thống kê. Giảm diện tích vùng nghiên cứu sẽ giúp ta tập trung chủ yếu vào những đặc điểm địa phương hình thành nhiệt độ mặt đại dương. Vùng biển Na Uy nằm trong vùng tích cực năng lượng biển Na Uy có nét đáng quan tâm là ở đây, trên một diện tích không lớn lắm diễn ra sự tương tác mạnh mẽ giữa nước nguồn gốc vùng cực và nguồn gốc Đại Tây Dương. Nhiệt độ nước là chỉ tiêu tương tác quan trọng nhất giữa các khối nước nguồn gốc khác nhau trong lớp trên của vùng tích cực năng lượng biển Na Uy, vì sự tương phản các đặc trưng nhiệt quyết định nhiệt động lực học của quá trình trong toàn thủy vực. Hình 5.5. Các trường vectơ khai triển chuẩn nhiệt độ mặt nước trong những vùng tích cực năng lượng ở Bắc Đại Tây Dương 1− những đường đẳng trị vectơ thứ nhất 2 − những đường đẳng trị vectơ thứ hai Mục tiêu phâ n tích thống kê tiếp theo nhằm nhận được ước lượng tin cậy hơn về biến động không gian − thời gian nhiệt độ nước ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy và từ đó chính xác hoá những kết quả đã có. Muốn vậy, số liệu xuất phát về nhiệt độ mặt đại dương trung bình tháng được biểu diễn với độ gián đoạn nhỏ hơn: mỗi trường được lấy theo quan trắc tại các nút lưới cách nhau 2,5 ° kinh vĩ. Quá trình giải bài toán chẩn đoán thực tế không khác so với thuật toán chẩn đoán đối với Đại Tây Dương đã xét ở trên. Vì vậy, sau khi xem xét những kết luận của phép phân tích bước đầu, ta chuyển sang thảo luận những kết quả phân loại dữ liệu xuất phát trong không gian dấu hiệu các nhân tố chung. Thấy rằng có 5 lớp được phân chia, mỗi lớp liên quan tới ảnh hưởng cực đại của một trong những nhân tố chung độc lập. Việc phân vùng theo kết quả phân loại thực tế ít thay đổi số vùng đồng nhất − tất cả có 7 vùng. Phân bố các vùng được chỉ ra trên hình 5.6. Lớp 5 là một đặc trưng quan trọng về cấu trúc không gian của chế độ nhiệt vùng tích cực năng lượng biển Na Uy, lớp này dường như phân chia 75 thủy vực biển thành hai phần. Sự phân chia như vậy là do dải phân cách front cực đã khoanh vùng ảnh hưởng của các đới khí hậu cận Bắc Băng Dương và ôn đới. Phải nhận thấy tính tự nhiên của sự phân loại như vậy, vì trong vùng này những tổ chức đồ của các chuỗi dị thường nhiệt độ mặt đại dương (xem hình 5.1) có biểu hiện đa mốt rất đặc thù. Hình 5.6. Phân vùng vùng tích cực năng lượng biển Na Uy theo kết quả phân loại trường dị thường nhiệt độ mặt biển trung bình tháng Biên giới các vùng vẽ bằng đường gạch nối, tại mỗi vùng dẫn hàm phổ tiêu biểu của chuỗi nhiệt độ nước mặt biển Phân tích cấu trúc những dao động tuần hoàn nhiệt độ mặt đại dương cho thấy ở đây các biên độ dao động với chu kỳ 2 −3 năm, 9−11 tháng và 13 −14 tháng tăng lên. Ngoài ra, chính tại dải hẹp này diễn ra sự chậm pha đột biến của dao động bán niên trong biến trình nhiệt độ mặt biển. Như vậy, những kết luận sơ bộ về chế độ nhiệt biển Na Uy, nhận được từ kết quả phân tích những điều kiện nhiệt nền trên toàn bộ thủy vực Bắc Đại Tây Dương nói chung, đã được khẳng định. Bài toán tiếp theo được giải quyết trên cơ sở ứng dụng các phương pháp phân tích thống kê đa chiều là mô tả những hiện tượng biến thiên từ năm này sang năm khác của biến trình mùa nhiệt độ nước. Ước lượng thống kê về độ biến động giữa các năm của các tham số biến trình mùa được thực hiện bằng cách so sánh khai triển những tập quan trắc ngắn gồm 12 trị số về c ác dị thường trung bình tháng nhiệt độ mặt đại dương đối với mỗi năm. Các ma trận xuất phát có kích thước 12162 × . Trong phân bố phương sai của quá trình nghiên cứu theo các thành phần khai triển có những nét đặc thù rõ rệt. Ba thành phần đầu tiên, đặc trưng cho những dao động quy mô lớn nhất, mô tả từ 40 đến 60% phương sai tổng cộng. Những thành phần tiếp sau không làm tăng phương sai một cách đáng kể, mỗi thành phần thực tế chỉ góp thêm không quá 8%. Mức mô tả chính xác 90% chỉ đạt được cho đến khi tính tới 9 −10 thành phần khai triển, điều này chắc chắn là do vai trò của những quá trình địa phương hình thành điều kiện nhiệt đã tăng lên. Những đặc điểm khai triển được quy định bởi mức độ tương quan giữa các tháng của những trường dị thường nhiệt độ mặt đại dương đối với một năm cụ thể. Trong tập được khảo sát thể hiện rõ hai kiểu khai triển; chúng được biểu diễn trên hình 5.7 bằng các bản đồ những thành phần chính của các trường nhiệt độ mặt đại dương năm 1980 và 1985. Cấu trúc các trường thàn h phần chính tương tự như trường nhận được theo số liệu năm 1985, rất hay gặp trong tập nghiên cứu. Nó đặc trưng bởi tính địa đới của các đường đẳng trị phân bố không gian của thành phần thứ nhất với cấu trúc các ổ giá trị cực trị thể hiện rõ trong biển Na Uy, tại các vùng tích cực năng lượng Gơnstrim, phía bắc đảo Niuphơnlen, gần vùng bờ Tây Xahara. Trong biến trình thời gian của vectơ riêng tương ứng với thành phần chính này không hề thấy thể hiện một biến động có quy luật nào trong toàn năm. Thành phần t hứ hai mô tả biến động nhiệt độ mặt đại dương chủ yếu trong vùng hải lưu Bắc Đại Tây Dương, ở đoạn từ eo Floriđa đến mũi Gatterat, tại đây xuất hiện những ổ giá trị với dấu khác nhau. Ngoài ra, trong trường t hành phần này có vùng dị thường đặc trưng ở gần bờ Tây Phi. Trong biến trình thời gian của vectơ riêng tương ứng có mặt dao động nửa năm đặc trưng. Trong phân bố khô ng gian của những thành phần bậc cao hơn thể hiện rõ cấu trúc ổ và biến thiên dấu nhiều lần. Nói chung, những ổ phân 76 bố chính của các thành phần thứ ba và thứ tư trùng hợp với những đặc điểm đã mô tả ở trên. Tuy nhiên, cần đặc biệt lưu ý rằng cả bốn thành phần chính đều khoanh định rõ vùng biển Na Uy bằng một số đường đẳng trị khép kín với dấu thường là không trùng với dấu của trường ở phần trung tâm Đại Tây Dương. Hình 5.7. Các trườn g vectơ riêng khai triển dị thường nhiệt độ mặt nước Bắc Đại Tây Dương trong các năm 1985 (a) và 1980 (b) Một cấu trúc khác, khá điển hình đối với tập mẫu khai triển trực giao được quan sát thấy vào năm 1980 (xem hình 5.7). Nét quan trọng nhất ở đây là sự định hướng chung dọc kinh tuyến của những thành phần chính đầu tiên, ngoài ra giữ nguyên dấu của các thành phần thứ nhất và thứ hai trong vùng biển Na Uy và trung phần Bắc Đại Tây Dương. Những trị số âm của thành phần thứ nhất tập trung ở trung tâm Đại Tây Dương, trong vùng tích cực năng lượng Gơnstrim và phần trung tâm biển Na Uy, cũng như ở bờ Tây Phi. Kích thước các ổ khép kín bảo tồn dấu của các thành phần chính lớn hơn rõ rệt so với trường hợp năm 1985 (xét theo cả thành phần thứ nhất lẫn thành phần thứ hai) và cho thấy sự phổ cập các dao động nền của điều kiện nhiệt trên thủy vực Bắc Đại Tây Dương nói chung. Vì quá trình chẩn đoán là một quá trình lâu dài, nhiều bước và liên tục đòi hỏi xây dựng những mô hình địa phương, nên ngay bên trong những thủ tục phân tích các tác giả đã cố gắng tổng hợp những kết quả trong các mô hình địa phương. Hiện nay đã có thể lý giải khái quát tất cả những kết quả nhận được và xây dựng một mô hình vật lý thống kê thống nhất về sự hình thành những điều kiện nhiệt ở Bắc Đại Tây Dương. Mô hình vật l ý thống kê về cấu trúc chế độ nhiệt lớp nước phía trên ở Bắc Đại Tây Dương có thể hình thành trên cơ sở tính tới những dao động không gian − thời gian đồng bộ của nhiệt độ mặt nước, vì kết quả phân tích đã chứng tỏ những kết quả chẩn đoán nhiệt độ nước mặt và entalpy lớp trên 100m khá phù hợp nhau. Những dao động đồng bộ điều kiện nhiệt tập trung trong một số vùng khép kín của thủy vực và phân bố nền của nhiệt độ mặt nước có thể được khôi phục bằng cách cộng tuyến tính đơn giản các dao động điển hình đã phát hiện được bên trong các vùng đồng nhất. Việc lý giải nội hàm những yếu tố mô hình có thể thực hiện theo hai quan điểm: quan điểm các khối nước và các vùng giao tranh, hoặc quan điểm các vùng tích cực năng lượng của đại dương. Theo quan điểm các vùng tích cực năng lượng, động lực biến động các ổ xuất hiện dị thường nhiệt độ mặt đại dương có thể được mô tả bằng diễn biến của nhiệt độ mặt đại dương bên trong ba đới cơ bản: Na Uy, [...]... bờ vào mô hình thống kê chung về cấu trúc nước trong biển Bellinshauzen Sự hàm súc và tính tin cậy vật lý của những kết quả chẩn đoán thống kê đảm bảo hiệu quả không chỉ của mô hình đã nhận được, mà còn cho thấy triển vọng vận dụng quan điểm tiếp cận này để nghiên cứu cấu trúc nước ở những vùng khác của đại dương vùng Nam Cực Chương 6 - NHỮNG KẾT QUẢ DỰ BÁO THỐNG KÊ CÁC QUÁ TRÌNH HẢI DƯƠNG HỌC Nhiều... phương pháp luận dự báo những tham số tổng quát của các quá trình hải dương cho phép tiến tới lập căn cứ phương pháp luận chẩn đoán và dự báo như là một bài toán thống nhất Những thí dụ dẫn dưới đây hiện thực hoá một ý tưởng đơn giản − sử dụng các mô hình thống kê một chiều để dự báo các tham số tổng quát của quá trình Ý tưởng này là cơ sở dự báo nhiệt độ nước lớp mặt Bắc Đại Tây Dương, lượng băng biển... 5. 5 Các đặc trưng ngược lại T − S của các vùng đồng nhất Mùa đông Lớp T Nước Đại Tây Dương S Mùa xuân T 6,9 35, 2 7,2 Mùa hè Mùa thu S T S T S 35, 2 8,2 35, 2 8,6 35, 2 −0,3 34,8 −0,1 34,8 0,3 34,8 0,4 34,8 Nước xáo trộn 2,8 34,9 2,9 34,9 3,2 34,9 3,1 34,9 Đới front vùng cực 3,2 35, 0 6,0 34,9 4,3 34,9 3,7 34,9 Front Fare − Aixơlen − − 5, 9 34,6 5, 7 34,2 4,2 33,8 Front ven bờ 4,7 35, 1 5, 0 35, 0 5, 7 35, 0 5, 6... ra ba bài toán chính: − Phân tích thống kê sơ bộ; − Khai triển tập hợp biến theo các thành phân chính; − Phân loại các khối nước trong tọa độ các thành phần đầu tiên 5. 3 CHẨN ĐOÁN CẤU TRÚC CÁC KHỐI NƯỚC Ở BIỂN BELLINSHAUZEN Những đối tượng nghiên cứu trong các thí dụ xét ở các mục 5. 1 và 5. 2 là những thủy vực đã được nghiên cứu khá kỹ trong những năm gần đây Hơn nữa, những nghiên cứu đã được thực hiện... lớp từ mặt tới biên dưới của các dòng nước Đại Tây Dương (600 m) − Đánh giá những khả năng phương pháp luận ứng dụng phân tích thống kê đối với những vùng ít được nghiên cứu của vùng châu Nam Cực Khi đặt bài toán, các tác giả dựa vào những kết quả trong một công trình trước đây về vùng này [162] Trong quá trình tính toán, tuân thủ phương pháp luận chung của phân tích thống kê, có thể phân chia ra ba... 35, 0 5, 6 35, 0 Nước cực Hình 5. 12 Phân vùng vùng tích cực năng lượng biển Na Uy theo kết quả phân loại các đặc trưng thuỷ lý lớp trên a) mùa đông, b) mùa xuân, c) mùa hè, d) mùa thu Do việc chẩn đoán thống kê về cấu trúc trung bình năm cho kết quả khích lệ như vậy, chúng tôi tiếp tục vận dụng cách tiếp cận này đối với các trường thủy vật lý trung bình mùa trong lớp mặt 200 m Việc xử lý thống kê đối với... Phân tích thống kê cho thấy biến trình mùa của cấu trúc không gian các trường trong vùng tích cực năng lượng biển Na Uy bị quy định bởi sự biến đổi các mối liên hệ giữa tất cả những tham số thủy vật lý Điều này được theo dõi theo kết quả phân tích nhân tố tám biến − nhiệt độ, độ muối, mật độ, hàm lượng ôxy và các građien của những đặc trưng đó (bảng 5. 6) Thấy rằng cấu trúc mô hình thống kê tổng quát thay... làm các dấu hiệu Đã phân chia một cách tối ưu thủy vực thành sáu vùng đồng nhất với các tham số thống kê dẫn trong bảng 5. 3, còn vị trí không gian − trên hình 5. 10 Phân tích các ước lượng định lượng nhận được cho phép phân định các vùng như sau: 1 − vùng do nước cực ngự trị; 2 − vùng nước Đại Tây Dương ngự trị; 3 − nước Đại Tây Dương biến tính (nước trong hải lưu Na Uy); 5 − vùng nước Đại Tây Dương. .. chung S % ΓT  C / 100km ΓS %  / 100km của tập hợp các trường 1 −0,7 34,2 1,8 ⋅ 10 −1 1,1 ⋅ 10 −4 thủy vật lý lớp mặt vùng 2 2,1 34,9 4 ,5 ⋅ 10 −1 1,6 ⋅ 10 −4 tích cực năng lượng biển 3 8,6 35, 2 4,1 ⋅ 10 −1 2,0 ⋅ 10 −4 4 5, 2 35, 1 3,6 ⋅ 10 0 2,1 ⋅ 10 −3 5 3,9 35, 1 5, 2 ⋅ 10 −1 6,4 ⋅ 10 5 6 5, 3 34,2 2,4 ⋅ 10 0 6,7 ⋅ 10 −3 Na Uy Theo kết quả xử lý thống kê số liệu xuất phát, toàn bộ thủy vực vùng tích cực... lấy trung bình theo mùa, hoàn toàn tương tự như xử lý các trường trung bình năm.Vì vậy, không nhắc lại những chi tiết phân tích thống kê, chúng ta sẽ chuyển ngay sang pha chẩn đoán cuối cùng và sẽ xét những kết quả chính về xây dựng mô hình vật lý thống kê hình thành biến trình mùa của các trường thủy văn ở vùng tích cực năng lượng biển Na Uy Hình 5. 13 Vận chuyển nhiệt kinh hướng bởi dòng địa chuyển . thì những dao động tính khả báo loại 1 có thể ước lượng qua hệ số tương quan hạng của Spirmen. Chương 5 - NHỮNG KẾT QUẢ CHẨN ĐOÁN THỐNG KÊ CÁC QUÁ TRÌNH. tiến tới những bài toán tổng quát hơn về chẩn đoán các quá trình hải dương, như đã thấy ở chương 4, ta phải áp dụng một số phương pháp phân tích thống k ê đa biến. Dưới đây sẽ dẫn những thí. định về mặt thống kê các vùng tích cực về năng lượng và các front. 68 5. 1. CHẨN ĐOÁN CÁC TRƯỜNG NHIỆT Ở BẮC ĐẠI TÂY DƯƠNG Bài toán chẩn đoán các trường nhiệt lớp trên đại dương là bài