Phụ trách: TS. Phạm Xuân Dương; Email duongpx63@yahoo.com 
Thành viên kế cận: ThS. Nguyễn Văn Tuân; Email : nguyenvantuanion@gmail.com 
Thành viên : Nguyễn Trương Thanh Hội; Email: thanhhoi.io@gmail.com 
Trong Hải dương học việc nghiên cứu dòng chảy biển là phức tạp. Dòng chảy được tạo nên bởi rất nhiều nguyên nhân, do gió, do sóng, do triều, dòng Gradient, dòng mật độ v.v… Các nghiên cứu lý thuyết về dòng chảy biển và Đại Dương người ta thường đưa ra những giả thuyết chủ yếu để bài toán dòng chảy trở nên đơn giản dễ hiểu hơn nhưng vẫn đáp ứng được các cơ chế tính chất của nó ví dụ các giả thuyết đó là :
- Chuyển động rối kích thước rất bé
- Chuyển động thẳng đứng có kích thước rất lớn
- Các phương pháp nghiên cứu dòng chảy biển là dùng phương pháp cơ học chất lỏng hay phương pháp thuỷ động lực học.
- Bài toán riêng của thuỷ động lực học, đưa ra phương trình vi phân, các điều kiện ban đầu, điều kiện biên dùng thuần tuý toán học giải bài toán. Phương trình vi phân là phương trình vi phân phi tuyến rất phức tạp vì vậy người ta thường dùng phương pháp tổng quát rút gọn các phương trình này, đánh giá tìm ra phương trình đơn giản nhưng đáp ứng được cơ chế để tính toán dòng chảy biển. Năm 1905, V.W Ekman đã giải 2 bài toán là dòng chảy trôi thuần tuý và dòng Gradient (độ nghiêng bề mặt) thuần tuý. Năm 1923 V.W Ekman đã xác định được dòng chảy gió ổn định trong biển đồng nhất, dòng chảy trôi – gradient (dòng tổng cộng ), lần đầu tiên đưa bài toán về dạng phương trình đạo hàm riêng và giải bài toán như là bài toán biên, bài toán bờ của phương trình Vật lý – Toán. Khi đó tính toán dòng chảy tại một điểm cần các điều kiện như là Trường gió, lực Coriolis, bờ và đáy biển. Ông đã giải cho 5 vùng của đại dương đó là :
1. Dòng chảy trôi, biển sâu vô hạn.
2. Dòng chảy trôi, biển sâu hữu hạn.
3. Dòng chảy gradient (do độ nghiêng mặt biển).
4. Sự tổng hợp của dòng chảy trôi và dòng gradient trong dải ven bờ.
5. Sự tổng hợp của dòng chảy trôi và dòng gradient cho vùng khơi.
Lý thuyết dòng chảy gió của V.W Ekman cho biển không đồng nhất là kém hiệu quả và các điều kiện biên của lý thuyết V.W Ekman phức tạp không cho phép ứng dụng các phương trình ứng dụng vào biển giới nội. Để tổng quá hóa và tránh khó khăn này VB.Stockman (1946), đề nghị xem xét sự chuyển vận tích phân (sự chuyển vận tổng cộng của khối nước), gọi là dòng toàn phần hay là thông lượng toàn phần từ mặt biển xuống đáy biển, hoặc đến độ sâu nào đó mà dòng bằng không (nó gọi là giới hạn dưới của lớp nghiêng áp). Ý tưởng của ông là bằng phương trình vi phân sau đó biến đổi đi để được phương trình vi phân đối với dòng toàn phần. Các điều kiện biên đơn giản đặc biệt là không chứa (,Az). Phương trình vi phân của phương trình này liên hệ và biểu thị bằng hàm toàn phần với độ xoáy Rot và hệ số rối . Phương pháp dòng toàn phần tỏ ra sáng tạo, được ứng dụng rộng rãi trong Hải Dương động lực học.
Nhận thấy nét nổi bật của hoàn lưu nằm ngang kích thước lớn ở bề mặt phần bắc Đại Tây Dương có tính chất bất đối xứng đông – tây. Mặc dù trường gió trung bình là dải rộng tác động lên toàn bộ đại dương nhưng dòng chảy dọc theo bờ Tây Đại dương rất hẹp và mạnh (Gulf Stream). H. Stommel, 1948, đã giải thích hiện tượng này bằng sự biến thiên theo vĩ độ của tham số Coriolis và sự quay không đều đặn của Trái Đất.
Để giải quyết bài toán H. Stommel đã xem xét một đại dương hình chữa nhật ( x = 0, x = a, y = 0, y = b ) và đưa ra một số giả thiết như là, ở trạng thái đứng yên độ sâu của Đại dương là không đổi.
Các thành phần lực ma sát rối theo phương x, y bằng -Ru, Rv. Xét chuyển động là ổn định, bỏ qua các số hạng phi tuyến, phương trình cơ bản H. Stommel đã giải quyết được bài toán trên.
Cho tới nay thì nghiên cứu lý thuyết hoàn lưu gió trong đại dương nổi tiếng nhất vẫn là lý thuyết hoàn lưu gió đại dương của Munk (1950). Lý thuyết này giải thích được nhiều đặc điểm của hoàn lưu đại dương từ trường gió. Đồng thời lý thuyết của ông bao gồm hiệu ứng thay đổi ứng suất gió, theo hướng nghiên cứu một cách định lượng dòng chảy gió trong đại dương. Lý thuyết của Munk tương đối toàn diện khi xem xét đến hoàn lưu gió đại dương có tính đến tính không đều đặn của mật độ, xét đến hiệu ứng ma sát rối bên và sự thay đổi của tham số Coriolis. Ông giả thiết là bề mặt đại dương ở trạng thái đứng yên là mặt phẳng nằm ngang, các trục toạ độ , chọn x hướng về hướng đông, y hướng về hướng bắc, z thẳng đứng lên trên, gốc toạ độ O trùng với mặt biển không nhiễu động. Hệ phương trình của Munk bỏ qua các số hạng phi tuyến, nó miêu tả chuyển động ổn định của nước biển theo phương nằm ngang.
Dưới tác động của khí quyển thì bề mặt của biển gây nên chuyển động tịnh tiến của nước và dẫn đến sự xuất hiện của các hệ thống hoàn lưu. Các dòng chảy này sẽ bị tắt dần hay phát triển trong dải ven bờ nước nông phụ thuộc vào đường bờ và địa hình đáy biển. Như vậy tùy thuộc vào đặc trưng địa mạo của đáy và vào khoảng cách từ bờ ra mà có sự thay đổi cường độ ảnh hưởng hoàn lưu kích thước lớn của nước lên quá trình chuyển vận tổng cộng của nước trong dải ven bờ.
Về dòng chảy trong biển nghiêng áp, Lineikin (1955 ) đã xem xét bài toán dòng chảy gió không có các gradient nằm ngang của nhiệt độ và độ muối. Các dòng chảy được giả thiết như vậy chính là dòng chảy không ổn định. Bài toán tương đối tổng quát và bài toán này được gọi là bài toán chủ yếu của động lực học các dòng chảy trong biển nghiêng áp (Lineikin, 1955). Nhưng hạn chế của nó là chỉ tính được trong kênh hẹp, ông đã tìm được độ sâu dưới của lớp nghiêng áp nhưng không phải là biển bất kỳ mà là trong một kênh hẹp. Lý thuyết dòng chảy nhiệt muối được phát triển sau này tính được dòng chảy ở độ sâu lớp giới hạn dưới của biển nghiêng áp, lớp nhảy vọt nhiệt độ, lớp này trùng với các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học Mỹ và Canada, họ tìm được dòng chảy tầng sâu rất mạnh và tổng kết được điều này chính là H. Stomel (1960). Sau đó A.S Sarkisian đưa ra một loạt công trình tính dòng chảy xích đạo, dòng chảy nhiệt muối v.v. . Xét bài toán kích thước lớn và đại dương là nghiêng áp, nhiệt độ và độ mặn thay đổi theo không gian và thời gian, Sarkisian đưa ra lý thuyết nhiệt muối và sau này ứng dụng rất rộng rãi để giải bài toán 3 chiều.
Hoàn lưu Synop Biển Đông
Phân tích khả năng xuất hiện các xoáy hoàn lưu sy nốp ở Biển Đông
Biển Đông ngăn cách với Thái Bình Dương bởi những chuỗi đảo lớn nhỏ của quần đảo Philipin, đảo Đài Loan và các đảo khác. Biển Đông cũng là một trong những biển có khá nhiều đảo và quần đảo, trên biển có thể thấy những đảo có kích thước lớn như Calimantan có diện tích 734000 km2 lớn thứ 3 trên thế giới cho đến các đảo rất nhỏ với kích thước chỉ vài chục mét vuông.
Biển Đông trải dài 25 vĩ độ, với điều kiện khí hậu và thời tiết của vùng nhiệt đới là chính, có gió mùa và giáp xích đạo lại ở ngay khu vực phát sinh và hoạt động mạnh của một trong năm ổ bão nhiệt đới của thế giới. Theo nhiều nhà nghiên cứu Hải Dương Học của Trung Quốc thì Biển Đông có xuất hiện các xoáy Synôp (Việt Nam vì lý do tài chính, phương tiện, kỹ thuật nên chưa có ai hoặc cơ quan nào nghiên cứu về xoáy Sunôp ở Biển Đông................. ).
Xoáy Synôp đóng góp phần rất lớn vào cân bằng năng lượng cũng như cân bằng độ xoáy của hoàn lưu kích thước lớn, chính nó là điều kiện quan trọng cho việc nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm của các quá trình hình thành thành tạo xoáy kích thước Synôp, từ đó khởi thảo ra các phương pháp dự báo xuất hiện biến hoá, dịch chuyển, biến mất của các xoáy.
Các kết quả thực nghiệm cho đến nay cho phép ta phân biệt được các đặc trưng của các nhiễu động xoáy theo sự đa dạng, sự không đồng đều của chúng trong đại dương mà đặc trưng của chúng là năng lượng, kích thước, mật độ, cấu trúc thẳng đứng. Các xoáy Synôp chia thành hai loại, loại các xoáy kích thước vừa của đại dương khơi, xoáy đại dương khơi, các xoáy thường xem xuất hiện tính bất ổn định của các dòng kích thước lớn mà nó hình thành, thứ hai là các xoáy Front, các xoáy Front là các thành tạo xoáy đơn lẻ (khoảng cách các xoáy Front là rất lớn so với các kích thước đặc trưng). Đặc trưng xoáy Front là sự tương phản về nhiệt, muối giữa phần bên trong và phần nước bên ngoài, các vành đai có tâm lạnh và vành đai ấm (vành đai thuận).
Các chuyển động có kích thước Synôp trong đại dương có thể miêu tả được nếu ta sử dụng hệ đóng kín các phương trình thuỷ động lực, nhưng hệ như vậy nó không những diễn tả các quá trìng Synôp mà còn diễn tả các phổ rộng rãi trong Đại dương có kích thước milimet đến kích thước toàn cầu, thời gian từ vài giây đến hàng ngàn năm. Hệ như thế miêu tả được các quá trình vật lý rất khác nhau trong đại dương bao gồm các sóng mặt, sóng nội, triều, dòng chảy, các quá trình đối lưu.
1. Một cách hợp lý để khảo sát một quá trình vật lý cụ thể nào đó cứ nhất thiết phải giải hệ phương trình đầy đủ như thế không ?. Câu hỏi đặt ra liệu có thể bỏ bớt những số hạng bé nào đó ?, hay là biến đổi hệ sao cho hệ mới nhận được thì nó miêu tả được với độ chính xác cần thiết nào đó cho quá trình vật lý mà ta chọn.
2. Đủ để đơn giản ta có thể giải được, câu trả lời là được, tức là nếu phương trình liên tục được viết cho chất lỏng không nén được thì một cách tự động sóng âm sẽ bị lọc ra và không còn được xét nữa. Nếu trên bề mặt đại dương ta sử dụng điều kiện mái nhà rắn thì các sóng hấp dẫn trên bề mặt cũng bị lọc ra. Nếu các quá trình được nghiên cứu ở đây, ví dụ hoàn lưu toàn cầu của đại dương thì các sóng âm và các sóng hấp dẫn bề mặt chúng ta xem là không quan trọng vì vậy chỉ cần xét hai trường hợp ở trên thì đã lọc nhiều thành phần bé, vậy bằng cách nào để rút gọn các phương trình phức tạp nhưng không làm sai lệch các chuyển động Synôp, do vậy các phép gần đúng như thế được gọi là phép gần đúng tựa địa chuyển mà chúng ta sẽ xây dựng nó như sau:
Đưa vào các kích thước đặc trưng cho các nhiễu động Synôp tương ứng với thời gian, vận tốc và chiều dài. Khi đó hệ phương trình đầy đủ xuất phát dẫn về dạng không thứ nguyên. Đối với các chuyển động đang được xem xét chúng ta sẽ quan sát được sự cân bằng của các lực mà nó gần với cân bằng địa chuyển, tức là ở đây có lực Coriolis cân bằng với lực Gradient áp suất. Điều đó biểu thị rằng các các phương trình chuyển động theo phương nằm ngang viết dưới dạng không thứ nguyên, tức là đưa về dạng tỉ lệ với tham số không thứ nguyên cỡ đơn vị, trong khi đó các số hạng khác còn lại sẽ tỉ lệ với các tham số bé. Chú ý thiết lập mối liên hệ giữa các tham số bé này sau khi mối lên hệ này được chấp nhận thì chúng ta sẽ khai triển hệ phương trình theo các tham số bé này do vậy phép gần đúng bậc không tất nhiên sẽ là cân bằng địa chuyển, nhưng nếu chỉ có phép gần đúng bậc không thì hệ chưa đóng kín vì vậy muốn xác định các tham số của nó cần lấy thêm các phép gần đúng bậc cao hơn (bậc nhất).
Các xoáy tích luỹ năng lượng từ đâu ?, hiệu ứng nào là chủ yếu ?, để giả thích ta xét hai hiệu ứng rất quan trọng để giải thích
1. Đặc trưng là tính không trật tự trong sự xuất hiện của chúng, thời gian sống. Không quan sát được tính chu kỳ chặt chẽ vì vậy khi giải thích chúng là khó khăn, do vậy chấp nhận tính quy luật sau của động lực học các xoáy Synôp, do kết quả tác động của khí quyển như gió, do dòng thu nhiệt từ mặt trời thì trong đại dương xuất hiện hoàn lưu đều đặn, hoàn lưu trung bình nào đó. Hoàn lưu này này có một vài nhiễu động, những nhiễu động nhờ tương hỗ của dòng trung bình có khả năng mạnh lên hoặc tắt dần, người ta thấy sự tăng lên của các biên độ nhiễu động thì chỉ có khả năng dòng này không ổn định (không bền vững).
2. Quá trình không ổn định, quá trình truyền năng lượng từ dòng chảy chính sang các thăng giáng có tính quy luật trong động lực học Synôp, có thể biến đổi để đưa về dạng toán học bao hàm động năng nhiễu động các lớp, năng lượng thế nhập vào, độ bất ổn định đồng áp, độ bất ổn định nghiêng áp. Như vậy có cả dòng thu nhiệt từ dòng trung bình rồi có dòng tiêu tán năng lượng nhờ tính nhớt và ma sát đáy v.v
Trên cơ sở lý thuyết và trên cơ sở đặc điểm điều kiện khí hậu và thời tiết, địa hình của biển Đông có thể đánh giá biển Đông có các xoáy Synôp và đặc trưng, kích thước, tính chất của nó như thế nào thì phải có những nghiên cứu công phu và những đợt khảo sát dài ngày với quy mô lớn lúc đó mới trả lời rõ ràng chính xác được.
Hoàn lưu dòng thẳng đứng
Mặc dù với những giá trị nhỏ của vận tốc thẳng đứng là khoảng 10-4 cm/s => 10-3 cm/s, nhưng hoàn lưu thẳng đứng của nước trong đại dương lại đóng vai trò quan trọng trong các quá trình trong đại dương, các khối nước chuyển động đi lên hay đi xuống thực hiện các các trao đổi động lượng, nhiệt lượng, lượng muối và các yếu tố , vật chất, sinh vật nói chung phát sinh giữa các lớp sâu và lớp bề mặt vì vậy trong các vùng nước trồi xảy ra sự cung cấp cho bề mặt các yếu tố dinh dưỡng sinh vật, như Phốt phát, Ni tơ rát trong lớp phạm vi quang hợp phía trên. Các yếu tố động lực phía trên tạo cho sức sinh sản sinh vật cao. Ngày nay người ta tìm được mối liên hệ sinh sản sơ cấp ở tầng trên và tầng sâu. Việc tách ra trong đại dương các vùng nước trồi, nghiên cứu cấu trúc, nghiên cứu cường độ và tính biến thiên của chúng tuỳ thuộc vào điều kiện khí tượng, thuỷ văn, động lực học rất được quan tâm trong thực tiễn.
Tính bé của vận tốc chuyển động thẳng đứng gây cho chúng ta nhiều ngộ nhận, nếu xem chiều sâu của đại dương là 1 km và vận tốc thẳng đứng trung bình là 10-3 cm/s, như vậy hạt nước đi từ đáy lên bề mặt nó phải mất 3 năm. Từ đây, sau này liên quan đến một khuynh hướng dù không cho phép người ta vẫn nhấn chìm, chôn các sản phẩm phân huỷ phóng xạ (chất thải phóng xạ) xuống biển sâu. Vì vậy nghiên cứu hoàn lưu thẳng đứng có ý nghĩa hết sức to lớn là ngăn chặn thải chất phóng xạ xuống biển sâu.
Tính bé của vận tốc chuyển động thẳng nó khử bỏ hầu như các khả năng nghiên cứu bằng thực nghiệm của chuyển động thẳng đứng bằng phép đo trực tiếp bằng máy móc dụng cụ vì vậy quan niệm về chuyển động thẳng đứng hoặc hoàn lưu thẳng đứng nước trong đại dương ít được chú ý đến. Do vậy nghiên cứu hoàn lưu thẳng đứng hiện tại chỉ còn con đường nghiên cứu bằng lý thuyết mà thôi.
Có hai cách tiếp cận đối với nghiên cứu vấn đề này:
1. Coi như đây là một phần của những vấn đề chung của dòng chảy ba chiều với bất kỳ cách đặt bài toán nào. Khi đó trường chuển động thẳng đứng tìm được trên cơ sở phương trình liên tục và các điều kiện biên tương ứng.
2. Xem nó như đây là bài toán độc lập trong đó chuyển động thảng đứng được đánh giá không cần xác địng sơ bộ dòng chảy nằm ngang, cho phép có quan niệm hợp lý về bản chất vật lý của chuyển động thẳng đứng và nhận được sự phụ thuộc trực tiếp giữa chuyển động thẳng đứng và trường gió, trường mật độ.
Hướng xem chuyển động thảng đứng như một bài toán độc lập dưa trên nghiên cứu sự khuyếch tán các hợp chất khác nhau để miêu tả chuyển động thẳng đứng trong biển được TS. Phạm Xuân Dương - duongpx63@yahoo.com nghiên cứu và áp dụng trong vịnh liên vịnh Bình Cang – Nha Trang khi sử dụng nguồn số liệu nhiệt-muối đo đạc trong các chuyến khảo sát sau đây:
- Chuyến khảo sát của dự án Đài Trạm vào tháng 9-10/2007 (đại diện cho thời kỳ chuyển mùa gió), bao gồm 24 trạm mặt rộng và một trạm liên tục. Tại mỗi trạm, cấu trúc nhiệt-muối thẳng đứng được đo đạc liên tục 6 lần, mỗi lần cách nhau khoảng 5 đến 10 phút.
- Chuyến khảo sát của dự án NUFU vào tháng 6-7/2008 (đại diện cho thời kỳ gió mùa Tây Nam), bao gồm 17 trạm mặt rộng, trong đó tại các trạm: NT3, NT5, NT6, NT8, NT10, NT12, NT12, NT16, NT17, đã tiến hành đo đạc liên tục cấu trúc thẳng đứng của nhiệt-muối với chế độ đo giống như chuyến khảo sát vào tháng 6, 7.
Tương tác biển khí quyển
Gió mùa trên Biển Đông
Hệ thống gió mùa châu Á là một hệ thống thời tiết rất phức tạp và tương đối điển hình của một khu vực trên thế giới. Quá trình hình thành, phát triển, quy mô hoạt động, phạm vi hoạt động và hệ quả của nó gây ra đối với kinh tế, xã hội của các nước trong khu vực châu Á là rất to lớn. Do đó, các nhà khoa học quan tâm rất nhiều đến cơ chế hoạt động, phát triển, đặc biệt là dự báo về hoạt động gió mùa châu Á. Để làm được việc đó, thường người ta tổ chức những đợt nghiên cứu, khảo sát, thực nghiệm gió mùa. Đợt thực nghiệm lần đầu tiên được thực hiện từ 1995 – 2005.
Sau khi kết thúc đợt thực nghiệm này, các nhà khoa học nhận thấy những hiểu biết về cơ chế gió mùa châu Á vẫn chưa rõ ràng, đặc biệt là còn thiếu cơ sở khoa học để xây dựng mô hình dự báo gió mùa một cách chính xác, dự báo 2 – 3 ngày thì có thể thực hiện được nhưng dự báo mùa (6 tháng) còn chưa có cơ sở khoa học chắc chắn, chưa làm được, độ chính xác chưa cao. Do đó, các nhà khoa học kiến nghị phải tiếp tục thực nghiệm về gió mùa châu Á giai đoạn 2, từ 2005 – 2015. Việt Nam tham gia vào chương trình khu vực Đông nam châu Á với tên gọi Chương trình dự báo nghiên cứu thủy khí quyển gió mùa châu Á (MAHASRI).