Như đã được trình bày trong phần trước, thủy triều bao gồm nhiều thành phần tác động tạo thành. Đã có rất nhiều nhà nghiên cứu, nhà khoa học tách các thành phần khác nhau từ tài liệu quan trắc thủy triều với mục đích hiểu rõ ảnh hưởng của mỗi nhân tố và các cơ chế chi phối giữa chúng. Thêm nữa khi đã hiểu được bản chất của thủy triều thì có thể tính toán cũng như dự báo được mực nước triều.
Một trong những phương pháp sớm nhất giải thích về thủy triều là phương pháp phân tích điều hòa. Phương pháp này được phát triển bởi Doodsun vào những năm 1930's.
Mực nước biển thay đổi do các thành phần thủy triều có thể coi là tổng hợp của các thành phần điều hòa mà mỗi thành phần ở một vị trí xác định, tại một thời điểm được đặc trưng bởi 3 yếu tố:
• Biên độ hj, đó là khoảng dao động thẳng đứng giữa mực nước cao nhất hoặc nhỏ nhất so với mực nước trung bình (m);
• Chu kỳ ωj, là khoảng thời gian cần thiết để ảnh hưởng của thành phần này quay trở lại (0/giờ). Trị số nghịch đảo của ωj gọi là chu kỳ;
• Độ lệch pha αi, là khoảng thời gian giữa chuyển động của thiên thể (mặt trăng hoặc mặt trời) đi qua thiên đỉnh của vị trí nghiên cứu và thời gian thực xảy ra (tính bằng độ).
• i là chỉ số của các thành phần
Ghi chú: Thời gian chậm pha giữa chân triều và đỉnh triều gọi là tuổi triều.
Bảng 5-1 là 4 thành phần chính, phản ánh ảnh hưởng của mặt trăng (M2) và mặt trời (S2), cũng như ảnh hưởng trục nghiêng của mặt trăng trên mặt phẳng hoàng đạo (K1) và độ nghiêng của trục trái đất so với quĩ đạo chuyển động của mặt trăng (O1). Chú ý rằng chỉ số 2 là ảnh hưởng của bán nhật triều, trong khi chỉ số 1 chỉ ảnh hưởng của nhật triều.
Bảng 5-1: Các thành phần chủ yếu Ký
hiệu Thành phần ωj
(0/giờ) T (giờ) (= 3600/ ωj)
M2 Triều chính mặt trăng 28.98410 12.42
S2 Triều chính mặt trời 30.00000 12.00
K1 Triều do độ nghiêng mặt trăng trên quĩ đạo mặt trời
15.04107 23.93 O1 Triều do độ nghiêng của mặt trăng 13.94303 25.82 Với 4 thành phần chính trên bằng phép phân tích điều hòa có thể tính toán được triều tổng hợp tại một vị trí. Tuy nhiên, theo tính toán có trên 200 thành phần ảnh hưởng
đến triều tổng hợp tại mọi vị trí trên trái đất, nhưng độ lớn của các thành phần này rất nhỏ so với 4 thành phần trên.
Ghi chú: Giá trị ωj và T là như nhau cho mọi vị trí trên trái đất, ở bất kỳ thời điểm nào. Giá trị hi và αilấy từ số liệu quan trắc.
Từ những giải thích ở trên, rõ ràng rằng ở một vị trí nhất định và tại một thời điểm nào đó nếu hM2, hS2, hK1, hO1, và αM2, αS2, αK1 and αO1 biết thì mực nước tổng hợp tính theo biểu thức sau:
) (
cos )
(
1
0 i i
N
i
i t
h h
t
h = +∑ ω −α
=
(5.2)
Trong đó:
ht mực nước triều tại thời điểm t (m);
ho Mực nước trung bình (là giá trị trung bình của chuỗi triều giờ quan trắc trong khoảng thời gian khá dài, m);
t Thời điểm tính toán (giờ);
(t = 0: thời điểm bắt đầu đo đạc để có các số liệu về hj và αj).
N Số thành phần tính toán
Hình 5-14 biểu diễn triều tại Hook of Holland (Hà Lan) tính bằng phương pháp điều hòa.
Hình 5-14: Tính toán thủy triều tại Hook of Holland (Hà Lan) ngày 30/4/68 Khi các giá trị hM2, hS2, hK1, và hO1 biết thì có thể xác định được loại triều theo biểu thức sau đây:
+h h
+h
= h
S M
O K
2 2
1
γ 1 (5.3)
Khi γ < 0.25 Bán nhật triều chiếm ưu thế;
0.25 < γ < 1.00 Triều hỗn hợp chiếm ưu thế và γ > 1.00 Nhật triều chiếm ưu thế.
Ví dụ hệ số γ tại Kampung Upang thuộc Sumatra (Indonesia) bằng:
2.9 0.16= + 0.28
0.51 + 0.76
Vì vậy nhật triều là dạng chủ yếu tại vị trí này.
Khi phân tích thủy triều (khi xác định hj và ϖj), thì chu kỳ 29 ngày có độ lớn triều bé nhất. Để loại bỏ ảnh hưởng của nước dâng, sóng và các sai số khác, chuỗi số liệu dài hạn là rất cần thiết.
Khi đo đạc ảnh hưởng của thủy triều trong sông, cần nhận biết rằng lưu lượng nước sông thay đổi dẫn tới mực nước không những thay đổi do triều mà còn do lưu lượng nước sông. Ví dụ mực nước triều phần cửa sông khác nhau đáng kể giữa mùa mưa và mùa khô do vậy cần phải có số liệu đo đạc dài để xác định được các ảnh hưởng này trong các tính toán.
Một nhà hải văn người Anh đã xây dựng được bảng triều cho các năm khác nhau.
Trong bảng thủy triều này, người ta có thể dự tính được thủy triều tại các địa điểm khác nhau, đặc biệt tại các cảng. Tại các địa điểm khác, có thể suy ra thủy triều khi biết tại các địa điểm chính.
(Trong thư viện của IHE, triều tại một số cảng chính trên Đại Tây dương và ân độ dương đã có đến năm 1981- số hiệu H3.2.61 và tại Thái Bình dương số hiệu H3.2.62.
Có thể dùng bảng triều này để dự tính triều)
Từ những diễn giải trên đây và bảng thủy triều từ 5-5 đến 5-7 ở cuối chương, có thể dự tính thủy triều tại thời điểm bất kỳ trong năm theo công thức dưới đây:
[f * H ( * t+(V +u)+ S* 24* -g )]
h +
h = j j j o j j
O
M o t
1
2
ω ω
∑ cos (5.4)
Trong đó:
fj = Hệ số hiệu chỉnh triều thuần nhất trong năm (lấy từ bảng) t = Số giờ lấy đến 0 giờ của ngày tính toán.
(Vo+u) = Các biến số triều thuần nhất trong năm (lấy từ bảng) S = Số ngày tính từ ngày 1/1 đến 0 giờ ngày tính toán gj = Hệ số sửa chữa kappa (lấy từ bảng)
Hình 5-15 biểu diễn thủy triều tại eo biển Surabaya (Indonesia), tính toán từ các thông tin trong bảng thủy triều.
Để tìm giá trị của gi, cần thiết phải cập nhật bảng thủy triều tới thời điểm tính toán.
Các thành phần của thủy triều cũng thay đổi trong năm, vì vậy nên sử dụng bảng thủy triều mới nhất. Để tiện lợi trong tính toán, hiện đã có chương trình TIDES do Ed Wallner xây dựng. Hầu hết các cảng lớn (chủ yếu là các cảng của Mỹ) các thành phần triều được lưu trữ trong ngân hàng số liệu. Tuy nhiên, bạn cũng có thể dễ dàng thành lập trạm mới trên cơ sở có các thành phần thủy triều.
Ví dụ: Dự báo mực nước triều tại Hook of Holland (Hà Lan) vào 12.00 ngày 23/4/1990.
Công thức tính toán là công thức 5-4. Để đơn giản, chỉ xem xét các thành phần triều chính với biên độ lớn hơn hoặc bằng 0.1m. Đó là các thành phần:
Ao Mực nước trung bình = 0.06 m tại Hook of Holland O1 Nhật triều do độ nghiêng của mặt trăng;
N2 Bán nhật triều ellip của mặt trăng;
M2 Bán nhật triều chính mặt trăng;
S2 Bán nhật triều chính mặt trời.
Hình 5-15: Thủy triều tại vịnh Surabaya (Indonesia) Bảng 5-2: Các thành phần triều tại Hook of Holland (Hà Lan)
Thành phần ωi (o/h) hi (m) gi (0) O1
N2
13.943 28.440
0.10 0.12
187 59
M2 S2
28.984 30.000
0.79 0.19
85 145
Bảng 5-3: Các số liệu cần thiết để dự báo triều tại Hook of Holland Thành phần fi 1 Jan 1990
0 h (vi+ui)
1 Apr 1990 0 h (vi+ui)
23 Apr 1990 0 h (vi+ui)
23 Apr 1990 12 h (vi+ui) O1
N2 M2 S2
1.128 0.977 0.977
1
240 324 259 0
236 229 325 0
161 256 183 0
167 341 347 360 Bảng 5-4: Tổng hợp số liệu bảng 5.2 và bảng 5.3 Thành phần fi hi cos [(ωit + (vi + ui) - gi]
O1 N2 M2 S2
1.128 0.977 0.977
1
10 12 79 19
cos (167 + 240 + 236 + 161 - 187) = - 0.22 cos (341 + 324 + 229 + 256 - 59) = + 0.98 cos (347 + 259 + 325 + 183 - 85) = + 0.62
cos (360 + 0 + 0 + 0 - 145) = - 0.81
Tổng hợp các thành phần tạo nên mực nước tại Hook of Holland (Hà Lan) vào 12.00 ngày 23/4/1990 :
Ao = + 0.060 m O1 = - 0.024 m N2 = + 0.114 m M2 = + 0.478 m S2 = - 0.153 m + 0.475 m
Nếu đưa vào thêm một số thành phần khác thì việc dự báo sẽ cho kết quả chính xác hơn.