Thủy triều lớn xuất hiện vào những ngày nào trong tháng?

Thủy triều lớn xuất hiện định kỳ hai lần mỗi tháng âm lịch vào các ngày sóc (trăng non, mùng 1) và ngày vọng (trăng tròn, ngày rằm), khi Mặt Trời, Mặt Trăng và Trái Đất nằm thẳng hàng.

Thủy triều lớn khác biệt thế nào so với triều kém?

Thủy triều lớn có biên độ triều cực đại do lực hấp dẫn của Mặt Trời và Mặt Trăng cộng hưởng cùng hướng, trong khi triều kém có biên độ nhỏ nhất do lực hấp dẫn của hai thiên thể tác động vuông góc và triệt tiêu một phần lẫn nhau.

Tại sao lực tạo triều của Mặt Trời lại nhỏ hơn lực tạo triều của Mặt Trăng?

Lực tạo triều tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách. Dù khối lượng Mặt Trời rất lớn, khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất quá xa khiến lực tạo triều của Mặt Trời chỉ bằng khoảng 46% lực tạo triều của Mặt Trăng.

Tại sao cần tính đến tương tác phi tuyến giữa triều và nước dâng do bão?

Trong vùng nước nông, tương tác phi tuyến giữa triều thiên văn và nước dâng làm dời pha sóng và tiêu tán năng lượng ma sát đáy. Theo Arns và cs. (2020), nếu bỏ qua tương tác phi tuyến mà cộng tuyến tính đơn thuần, mực nước cực trị có thể bị ước tính thừa tới 30% (khoảng 70 cm), làm sai lệch chi phí thiệt hại ngập lụt ven biển toàn cầu khoảng 16%.

Thủy triều lớn (spring tide) là gì?

Thủy triều lớn, hay triều cường, là hiện tượng dao động mực nước biển có biên độ triều đạt giá trị cực đại trong chu kỳ triều thiên văn bán tháng. Hiện tượng này phát sinh khi lực hấp dẫn từ Mặt Trăng và Mặt Trời tác động cùng một trục thẳng hàng lên các khối nước trên Trái Đất, làm gia tăng tối đa sự chênh lệch độ cao giữa mực nước đỉnh triều và mực nước chân triều. Bài viết phân tích cơ sở vật lý thiên văn của lực tạo triều, mô hình sóng và giải tích điều hòa các sóng thành phần, đặc điểm phân bố không gian dọc bờ biển Việt Nam, các tương tác động lực phi tuyến với nước dâng khí tượng cùng các hạn chế trong công tác dự báo thủy văn ven bờ.

Cơ sở vật lý thiên văn và lực tạo triều

Hiện tượng thủy triều trên các đại dương là kết quả của sự mất cân bằng cục bộ giữa lực hấp dẫn từ các thiên thể lân cận và lực quán tính ly tâm sinh ra do chuyển động quay của hệ Trái Đất quanh khối tâm chung. Lực tạo triều vi sai tác dụng lên một đơn vị khối lượng chất lỏng tại bề mặt Trái Đất tỷ lệ thuận với khối lượng của thiên thể gây triều và tỷ lệ nghịch với lũy thừa bậc ba của khoảng cách từ Trái Đất đến thiên thể đó.

Do khoảng cách từ Mặt Trăng đến Trái Đất gần hơn rất nhiều so với khoảng cách từ Mặt Trời đến Trái Đất, Mặt Trăng đóng vai trò là tác nhân chính chi phối hoàn lưu triều toàn cầu. Theo phân tích cơ học hải văn của Pugh và Woodworth (2014), tỷ số giữa lực tạo triều của Mặt Trời so với lực tạo triều của Mặt Trăng có giá trị xấp xỉ 0,46, tương đương 46%. Mặc dù khối lượng Mặt Trời vượt trội so với khối lượng Mặt Trăng, nhưng do khoảng cách từ Mặt Trời tới Trái Đất xa hơn rất nhiều khoảng cách Mặt Trăng - Trái Đất, sự suy giảm theo hàm mũ bậc ba đã làm cho lực tạo triều của Mặt Trời chỉ bằng chưa đầy một nửa lực tạo triều của Mặt Trăng.

Hiện tượng thủy triều lớn xảy ra khi ba thiên thể Trái Đất, Mặt Trăng và Mặt Trời cùng nằm trên một trục thẳng hàng hoặc gần thẳng hàng trong không gian vũ trụ. Trạng thái hình học này xuất hiện định kỳ tại hai vị trí quỹ đạo:

Kỳ sóc (trăng non): Mặt Trăng nằm ở vị trí giao hội giữa Trái Đất và Mặt Trời. Tại thời điểm này, lực hấp dẫn từ cả hai thiên thể tác động cùng hướng, kéo lớp nước đại dương phồng lên ở trục nối hai thiên thể.
Kỳ vọng (trăng tròn): Trái Đất nằm ở vị trí trung gian giữa Mặt Trăng và Mặt Trời. Lực hấp dẫn của một thiên thể kết hợp với lực ly tâm quán tính đối xứng do thiên thể kia tạo ra, tiếp tục làm biến dạng hình học khối nước đại dương theo cùng trục kéo dài.

Ngược lại hoàn toàn với trạng thái thẳng hàng là cấu hình góc phương vị vuông góc giữa Mặt Trời, Trái Đất và Mặt Trăng vào các ngày trăng khuyết đầu tháng và cuối tháng. Khi đó, trục hút của Mặt Trời vuông góc với trục hút của Mặt Trăng, khiến lực tạo triều của Mặt Trời triệt tiêu một phần đáng kể lực tạo triều của Mặt Trăng, dẫn tới hiện tượng triều kém với biên độ dao động nhỏ nhất trong tháng.

Mô hình sóng và giải tích điều hòa

Để mô tả định lượng sự biến đổi mực nước triều theo thời gian, lý thuyết triều động lực học áp dụng phương pháp phân tích điều hòa, phân rã dao động phức tạp của mực nước biển thành tổng của các sóng thành phần điều hòa hình sin độc lập. Hai thành phần sóng bán nhật triều quan trọng nhất trong các đại dương mở là sóng bán nhật triều Mặt Trăng chính và sóng bán nhật triều Mặt Trời chính.

Theo sách chuyên khảo của Pugh và Woodworth (2014), thành phần sóng bán nhật triều Mặt Trăng chính có chu kỳ dao động điều hòa danh định là 12,42 giờ, phản ánh thời gian giữa hai lần Mặt Trăng đi qua kinh tuyến trên và kinh tuyến dưới trong ngày mặt trăng. Trong khi đó, thành phần sóng bán nhật triều Mặt Trời chính có chu kỳ dao động đúng bằng 12,00 giờ, tương ứng với nửa ngày mặt trời trung bình.

Phương trình dao động mực nước triều tổng hợp tức thời do hai sóng thành phần bán nhật triều chính chi phối được thiết lập dưới dạng:

\eta(t) = A_{M2} \cos(\omega_{M2} t - \phi_{M2}) + A_{S2} \cos(\omega_{S2} t - \phi_{S2})

Trong công thức giải tích trên, các đại lượng được định nghĩa như sau:

$\eta(t)$ biểu thị mực nước triều tức thời tại thời điểm tính toán $t$ so với mực nước biển trung bình chuẩn tĩnh.
$A_{M2}$ và $A_{S2}$ lần lượt đại diện cho biên độ dao động đỉnh triều của sóng Mặt Trăng chính và sóng Mặt Trời chính tại trạm hải văn quan trắc.
$\omega_{M2}$ và $\omega_{S2}$ là tần số góc dao động tương ứng, được xác định qua chu kỳ của từng thành phần sóng.
$\phi_{M2}$ và $\phi_{S2}$ là góc trễ pha ban đầu của các sóng thành phần phụ thuộc vào vị trí địa lý của trạm quan trắc và hình thái thềm lục địa.

Sự chênh lệch tần số góc giữa hai thành phần sóng tạo nên hiện tượng giao thoa phách sóng trong chu kỳ tuần hoàn dài hơn. Chu kỳ phách của hiện tượng giao thoa được xác định theo hệ thức:

\frac{1}{T_{beat}} = \frac{1}{T_{S2}} - \frac{1}{T_{M2}}

Khi đưa các chu kỳ chuẩn 12,00 giờ và 12,42 giờ vào hệ thức phách, chu kỳ lặp lại giữa hai pha cùng hướng liên tiếp đạt giá trị xấp xỉ 14,77 ngày theo tính toán của Pugh và Woodworth (2014). Giá trị này tương ứng với nửa chu kỳ giao hội sóc vọng của hệ thống Mặt Trời - Trái Đất - Mặt Trăng. Tại thời điểm hai sóng thành phần trùng pha hoàn toàn, biên độ dao động cực đại đạt giá trị tổng đại số:

A_{max} = A_{M2} + A_{S2}

Giá trị $A_{max}$ phản ánh biên độ sóng triều cực đại danh định trong điều kiện thủy triều lớn lý tưởng trên các vùng biển mở.

So sánh đối chiếu giữa thủy triều lớn và triều kém

Bảng tổng hợp dưới đây đối chiếu các đặc trưng vật lý, thiên văn và thủy động lực học cơ bản giữa hai trạng thái cực trị của chu kỳ triều bán tháng:

Đặc trưng đối chiếu	Thủy triều lớn (Triều cường)	Triều kém (Triều tiểu)
Cấu hình thiên văn	Mặt Trời, Mặt Trăng và Trái Đất thẳng hàng	Mặt Trăng và Mặt Trời tạo góc vuông với Trái Đất
Thời điểm xuất hiện	Ngày sóc (trăng non) và ngày vọng (trăng tròn)	Ngày trăng khuyết góc vuông (pha huyền đầu tháng và cuối tháng)
Pha giao thoa sóng	Hai sóng thành phần giao thoa cùng pha tăng cường	Hai sóng thành phần giao thoa lệch pha triệt tiêu
Biên độ dao động mực nước	Đạt giá trị cực đại trong chu kỳ bán tháng	Đạt giá trị cực tiểu trong chu kỳ bán tháng
Mức nước đỉnh và chân triều	Nước lớn dâng rất cao, nước ròng rút rất sâu	Nước lớn dâng không cao, nước ròng rút không sâu
Vận tốc dòng chảy triều	Dòng chảy triều đạt lưu tốc lớn nhất qua luồng lạch	Lưu tốc dòng triều duy trì ở mức yếu nhất

Đặc điểm phân bố tại dải ven biển Việt Nam

Dải ven biển Việt Nam kéo dài trên ba nghìn kilômét với hình thái thềm lục địa thay đổi đột ngột từ các vùng biển nông vịnh Bắc Bộ qua dải biển sâu miền Trung tới vùng biển thoải thềm lục địa phía nam. Sự tương tác phức tạp giữa sóng triều truyền từ Thái Bình Dương qua các eo biển vào Biển Đông cùng địa hình đáy tạo nên các chế độ thủy triều phong phú bậc nhất khu vực Đông Nam Á.

Theo công trình nghiên cứu động lực học bờ biển Việt Nam của Trinh, Pattiaratchi và Bui (2020), trạm hải văn Hòn Dấu ở phía bắc vịnh Bắc Bộ và trạm Vũng Tàu ở thềm bờ biển phía nam ghi nhận biên độ triều cao nhất trên toàn bộ bờ biển Việt Nam, đạt giá trị đỉnh triều cực đại vào khoảng 4,0 m trong các kỳ thủy triều lớn.

Đặc trưng phân bố không gian thể hiện rõ các quy luật thủy văn quan trọng sau:

Khu vực vịnh Bắc Bộ và trạm Hòn Dấu: Do đặc điểm hình học vịnh nửa kín gây cộng hưởng dao động sóng triều, khu vực này xuất hiện chế độ nhật triều thuần túy điển hình. Trong các kỳ thủy triều lớn, mỗi ngày chỉ xuất hiện một lần nước lớn và một lần nước ròng với độ chênh lệch mực nước đạt tới xấp xỉ 4,0 m theo Trinh, Pattiaratchi và Bui (2020), tạo điều kiện thuận lợi cho công tác vận hành luồng tàu biển trọng tải lớn nhưng gây khó khăn cho việc thoát nước cửa sông.
Khu vực ven biển miền Trung và trạm Sơn Trà: Thềm lục địa tại khu vực này hẹp và dốc đứng, khiến năng lượng sóng triều không xảy ra hiện tượng khuếch đại địa phương. Ghi nhận từ nghiên cứu của Trinh, Pattiaratchi và Bui (2020) cho thấy biên độ dao động thủy triều tại Sơn Trà nhỏ hơn đáng kể, dao động trong khoảng từ 2,0 m đến 2,5 m. Chế độ triều tại đây mang tính chất bán nhật triều không đều hoặc nhật triều không đều tùy theo mùa gió mùa.
Khu vực Đông Nam Bộ và trạm Vũng Tàu: Thềm lục địa nông mở rộng kết hợp với hệ thống mạng lưới sông ngòi hạ lưu sông Sài Gòn - Đồng Nai và các nhánh sông Cửu Long tạo nên chế độ bán nhật triều không đều điển hình. Mỗi ngày xuất hiện hai lần nước lớn và hai lần nước ròng nhưng có sự chênh lệch rõ rệt về độ cao giữa hai đỉnh triều liên tiếp. Trong kỳ triều cường, biên độ triều tại Vũng Tàu đạt xấp xỉ 4,0 m, truyền sâu vào nội đồng qua các lòng dẫn sông lớn.

Tương tác phi tuyến với nước dâng khí tượng

Trong thực tiễn kỹ thuật công trình thủy và cảnh báo thiên tai ngập lụt, mực nước biển tổng cộng quan sát được ven bờ không đơn thuần là kết quả cộng gộp số học tuyến tính giữa mực nước triều thiên văn và thành phần nước dâng do bão. Khi sóng triều và nước dâng khí tượng cùng lan truyền vào các vùng nước nông ven bờ, sự biến đổi vận tốc truyền sóng và tiêu tán năng lượng ma sát đáy tạo nên tương tác phi tuyến mạnh mẽ.

Nghiên cứu quy mô toàn cầu của Arns và các cộng sự (2020) chứng minh rằng việc áp dụng phép cộng tuyến tính độc lập giữa triều thiên văn và nước dâng (bỏ qua tương tác phi tuyến) sẽ làm mực nước biển cực trị bị ước tính thừa tới 30%, tương đương với mức chênh lệch tuyệt đối lên đến 70 cm so với thực tế quan trắc. Hiện tượng tiêu tán năng lượng do ma sát đáy gia tăng và sự dịch chuyển pha khiến tương tác phi tuyến thực tế đóng vai trò điều hòa, làm suy giảm đỉnh triều cực trị trong nhiều điều kiện khí tượng ven bờ.

Cũng trong công trình này, Arns và các cộng sự (2020) chứng minh rằng việc áp dụng các mô hình tĩnh truyền thống bỏ qua tương tác phi tuyến đã khiến các đánh giá kinh tế toàn cầu về chi phí thiệt hại ngập lụt ven biển bị ước tính thừa khoảng 16%. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, việc tích hợp đầy đủ các phương trình thủy động lực học phi tuyến là yêu cầu cốt lõi để nâng cao độ chính xác của các bản đồ quy hoạch rủi ro ngập lụt ven bờ.

Điều kiện giới hạn và thách thức nghiên cứu

Mặc dù các quy luật chuyển động thiên văn của Mặt Trăng và Mặt Trời đã được làm sáng tỏ từ các lý thuyết cơ học thiên thể, công tác dự báo và kiểm soát ngập lụt do thủy triều lớn trong thực tế vẫn đối mặt với nhiều giới hạn khoa học và kỹ thuật phức tạp:

Biến động chu kỳ quỹ đạo dài hạn: Ngoài chu kỳ bán tháng 14,77 ngày, biên độ thủy triều lớn còn bị biến điệu theo chu kỳ tiến động điểm cận quỹ đạo Mặt Trăng và chu kỳ giao điểm quỹ đạo Mặt Trăng. Khi kỳ triều cường trùng với thời điểm Mặt Trăng ở điểm cận địa gần Trái Đất nhất trên quỹ đạo elip, hiện tượng triều cường điểm cận xuất hiện với mực nước đỉnh triều dâng cao vượt trội so với các đợt triều lớn thông thường.
Tác động cộng hưởng sụt lún mặt đất đô thị: Tại các đô thị hạ lưu châu thổ như lưu vực Thành phố Hồ Chí Minh và đồng bằng sông Cửu Long, quá trình khai thác nước ngầm quá mức và gia tải công trình hạ tầng đang gây hiện tượng lún sụt nền đất với tốc độ đáng kể. Hệ quả là tần suất và quy mô các đợt ngập lụt do thủy triều lớn gia tăng nghiêm trọng qua từng năm, ngay cả khi biên độ dao động triều thiên văn ngoài khơi không có xu thế biến đổi đột biến.
Ranh giới tính toán mô hình cửa sông nông: Các mô hình số trị thủy động lực học hai chiều và ba chiều thường gặp khó khăn trong việc mô phỏng chính xác độ nhám đáy thay đổi theo mùa bùn cát, hiện tượng bồi xói lòng dẫn cửa sông và sự biến dạng sóng triều khi truyền qua hệ thống cống đập ngăn triều nhân tạo. Sai số ma sát đáy trong vùng nước nông có thể dẫn tới sự sai lệch pha triều dự báo từ hàng chục phút đến vài giờ.