Luận án Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh Bắc Bộ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------------------------------
Hà Thanh Hương
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN
VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 62440228
LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. Đinh Văn Ưu
PGS.TS. Đinh Văn Mạnh
HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết
quả viết chung với các tác giả khác đã được các đồng tác giả cho phép khi đưa
vào luận án. Các kết quả của luận án là mới và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả
Hà Thanh Hương
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy GS.TS. Đinh Văn Ưu. Thầy đã
dạy tôi những bài học đầu tiên về Hải dương học hướng dẫn tôi từ khi tôi tiếp
cận những khái niệm về khoa học biển. Luận án này không thể hoàn thành
nếu không có sự hướng dẫn kiên trì, tận tâm của Thầy. Đối với tôi, Thầy như
người cha luôn mong mỏi đứa con trưởng thành trong khoa học và trong cuộc
sống. Một lần nữa tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy và gia đình.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Đinh Văn Mạnh.
Thầy là người luôn đưa ra những góp ý giúp tôi tiến bộ trong suốt quá trình
học tập cũng như trong lúc làm luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô đã và đang công tác tại Bộ
môn Khoa học và Công nghệ Biển và các nghiên cứu sinh đã có nhiều giúp
đỡ, chia sẻ với tôi trong khoa học cũng như trong cuộc sống.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, phòng
Sau đại học, các phòng ban chức năng, đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá
trình học tập, nghiên cứu sinh.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng- Thủy văn- Hải dương học
đã tạo điều kiện cho tôi trong công tác để tôi có thời gian học tập, nghiên cứu
và hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia
đình, bố, mẹ, chồng và con gái đã chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian
học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này.
CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
WOA:
World Ocean Atlas
MODAS: Modular Ocean Data Assimilation System
LOWESS: Locally Weighted Scatter plot Smooth
T/P:
TOPEX/ POSEIDON
3D:
3 chiều
CTD :
STD:
SST:
SSS:
Conductivity Temperature Depth profiler
Salinity Temperature Depth profiler
Sea Surface Temperature
Sea Surface Salinity
DOM:
GHER:
Dissolved Organic Matter
Geo-Hydrodynamic Environment Research
CODAS: Common Ocean Data Access System
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 9
1.2. Các nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ .........................................................................21
Vịnh Bắc Bộ...............................................................................................................27
2.1. Modul phân tích số liệu ..................................................................................31
2.1.1. Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối..............................................................31
2.1.2. Phương pháp phân tích số liệu................................................................37
xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối..........................................................................43
2.2. Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER...........................................................61
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình ...................................................................61
2.2.2. Phương pháp thể tích hữu hạn.................................................................68
2.2.3. Cài đặt mô hình .......................................................................................74
mô hình thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ..............................................................80
3.2.2. Các điều kiện biên và các tác động.........................................................88
1
3.2.3. Các tham số của mô hình ........................................................................91
3.3. Kết quả kiểm tra mô hình ...............................................................................91
3.4.1. Hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ............................................................................98
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 123
PHỤ LỤC
2
DANH MỤC BẢNG
trong chương trình hợp tác Việt-Xô tại một vị trí................................................. 34
vùng 210±0.50N, 1070±0.50E tháng 1................................................................... 40
vùng 17±0.5oN, 108±0.5oE tháng 1 ..................................................................... 40
vùng 21±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 5 .................................................................... 41
vùng 20±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 1 .................................................................... 42
tại 4 điểm......................................................................................................... 106
tầng 30m.......................................................................................................... 108
tầng 50m.......................................................................................................... 109
theo độ sâu....................................................................................................... 110
3
DANH MỤC HÌNH VẼ
(a)-có gió, b)- gió và triều) .............................................................................. 26
Hình 1.7. Sơ đồ quy trình tính toán ................................................................. 30
Hình 2.11. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 5 ............................................................. 45
4
5
Hình 3.6. Dòng chảy mặt tháng 1.................................................................... 93
Hình 3.7. Dòng chảy mặt tháng 1.................................................................... 93
Hình 3.9. Dòng chảy mặt tháng 7.................................................................... 94
Hình 3.10. Dòng chảy mặt tháng 7.................................................................. 94
trường ban đầu ................................................................................................. 96
trường ban đầu ................................................................................................. 96
Quỳnh Châu và cửa vịnh ................................................................................. 99
6
tại 4 điểm........................................................................................................ 107
3 và 4.............................................................................................................. 108
3 và 4.............................................................................................................. 109
7
8
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vịnh Bắc Bộ là vùng biển đặc thù có ý nghĩa khoa học, kinh tế, chính
trị đối với Việt Nam. Việc nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ đã được triển khai sớm,
đặc biệt sau những năm đầu lập lại hòa bình ở miền Bắc với sự hợp tác của
Trung Quốc (những năm 60), Liên Xô (cho đến những năm 90). Nhiều đợt
khảo sát chuyên đề nghề cá, địa chất và điều tra tổng hợp do các nhà khoa học
Việt Nam triển khai trong thời gian gần đây đã thu nhận được các trường vật
lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong Vịnh Bắc Bộ. Đây là những đặc
trưng quan trọng nhất của môi trường biển, thường được chú ý nghiên cứu
nhiều nhất trong hải dương học. Chính vì lý do đó mà các dữ liệu cũng như
công trình nghiên cứu về nhiệt độ, độ muối, dòng chảy biển cũng thuộc loại
phong phú và đầy đủ nhất so với các đặc trưng môi trường biển khác. Tuy
nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa có được một chuyên khảo nào công bố đầy
đủ về chế độ thủy văn và thủy động lực Vịnh Bắc Bộ, chỉ mới dừng lại ở mức
các công trình, báo cáo chuyên đề về thủy triều, phân bố nhiệt độ bề mặt, v.v…
Vịnh Bắc Bộ giới hạn từ 17o- 21o30’N, 105o40’- 110oE, diện tích
khoảng 126.250 km², có địa hình tương đối phức tạp, trên ba nghìn đảo lớn
200 km. Những đặc điểm đó góp phần tạo nên quy luật hình thành và biến
động rất phức tạp của hệ thống các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước
trong vịnh, mà hiện tại vẫn chưa được mô tả một cách đầy đủ.
Khí hậu Vịnh Bắc Bộ có mùa đông lạnh trên nền chung của khí hậu
nóng ẩm do tác động của chế độ gió mùa. Sự phân hóa không gian của trường
gió đã góp phần làm cho chế độ thủy văn và hoàn lưu khu vực vịnh biến đổi
9
và phân hóa đa dạng. Mặt khác, Vịnh Bắc Bộ tương đối nông (độ sâu trung
bình chưa tới 60m) và chịu các tác động phức tạp của: lưu lượng các sông lớn
biến đổi theo mùa, chế độ nhật triều và nhật triều không đều. Điều đó đã làm
cho quá trình tương tác biển- khí quyển- lục địa ở khu vực Vịnh Bắc Bộ diễn
ra liên tục, mạnh mẽ gây ra sự biến động mạnh của trường nhiệt- muối và
hoàn lưu trong vịnh.
Cho đến nay mô hình số được coi là công cụ hiệu quả nhất để mô
phỏng các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu chung của các thủy vực. Đối
với Biển Đông do đặc thù tác động của gió mùa nên các trường thủy văn và
hoàn lưu biển có sự biến động lớn giữa các tháng trong năm và theo mùa, việc
mô phỏng bức tranh hoàn lưu và cấu trúc nhiệt độ, độ muối của biển chi tiết
và chính xác bằng việc sử dụng mô hình là cần thiết.
Phương pháp mô hình hóa sử dụng hệ các phương trình nguyên thủy
dạng GHER [5] có tính đến tác động của các quá trình quy mô vừa và nhỏ, cho
phép mô phỏng quy luật biến động của các cấu trúc thủy văn - thủy động lực.
Để có được quy luật hình thành và biến đổi của các trường vật lý thủy
văn và hoàn lưu nước biển trong vịnh, chúng ta cần triển khai đồng thời các
modul phân tích số liệu nhằm cung cấp các trường ban đầu cho mô hình 3D
thủy động lực .
2. Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp modul phân tích
số liệu và mô hình 3D thủy nhiệt động lực biển cho phép mô phỏng quy luật
hình thành và biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu nước Vịnh Bắc Bộ.
Hệ thống mô hình này là cơ sở quan trọng trong xác lập các đặc trưng chế độ
của các trường nhiệt, muối, hoàn lưu, tạo cơ sở cho việc phát triển hệ thống
nghiệp vụ giám sát và dự báo môi trường biển.
10
3. Nội dung nghiên cứu:
Nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật phân tích số liệu vật lý hải dương
Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định đặc trưng chế độ các trường nhiệt độ, độ muối,
dòng chảy quy mô mùa.
Phát triển và hoàn thiện mô hình thủy động lực 3D thủy nhiệt động lực
đáp ứng yêu cầu mô phỏng các đặc trưng chế độ các trường thủy văn có tính
đến vai trò của các tác động quy mô vừa như triều, sóng, lưu lượng sông, v.v…
Phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp kỹ thuật phân tích và mô
phỏng các đặc trưng chế độ thủy văn và dòng chảy Vịnh Bắc Bộ, góp phần
làm rõ hơn những cấu trúc của các trường này và hoàn thiện đầu vào cho hệ
thống mô hình dự báo hải dương học nghiệp vụ.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp phân tích số liệu: trong phân tích chi tiết cấu trúc 3D
nhiệt độ, độ muối theo số liệu lịch sử và cập nhật, đã hoàn thiện kỹ thuật mới
xây dựng mặt cong biến thiên của nhiệt độ, độ muối theo phương pháp bình
phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Kết quả ứng dụng quy
trình tính toán cho phép đưa ra các đặc trưng cấu trúc nhiệt độ và độ muối.
Phương pháp mô hình: mô hình 3D thủy nhiệt động lực GHER quy mô
vừa cho phép giải bài toán tiến triển về nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu, có tính
đến các hiệu ứng của các quy mô dưới lưới thông qua các thông lượng bề mặt
như ứng suất gió, ứng suất triều, v.v...
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình phân tích và tính toán
xác định cấu trúc 3 chiều (3D) nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ.
Quy trình tính toán này có thể được tiếp tục phát triển và áp dụng trong
nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát và dự báo biển quy mô khu vực.
11
Những kết quả của luận án cho ta hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành và
biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ. Kết quả này có thể
ứng dụng trong các nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát, dự báo và cảnh
báo môi trường biển.
6. Những đóng góp mới của luận án
Đã phát triển và ứng dụng quy trình tính toán các trường 3D thủy văn
và động lực biển thông qua triển khai kỹ thuật phân tích số liệu dựa trên
phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Kết
quả cho thấy kỹ thuật LOWESS đã chứng tỏ khả năng tích hợp tốt trong xây
dựng các trường chế độ 3D nhiệt độ, độ muối có độ tin cậy cao làm đầu vào
cho mô hình GHER tính toán hoàn lưu cho Vịnh Bắc Bộ.
Thông qua kết quả triển khai mô hình đã phát hiện và lý giải được một
cách có cơ sở và logic về một số cấu trúc nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu biển
quy mô tháng đặc thù ở các khu vực khác nhau trong vịnh, như sự phân hóa
dòng chảy, các xoáy địa phương, cấu trúc nhiệt độ, độ muối đặc trưng. Đây là
điều mà các nghiên cứu trước đây chưa có sự thống nhất do quan điểm và
cách tiếp cận khác nhau.
7. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn
lưu khu vực Vịnh Bắc Bộ và Biển Đông.
Chương 2. Modul phân tích số liệu và mô hình thủy động lực 3 chiều
GHER.
Chương 3. Ứng dụng mô hình 3 chiều nghiên cứu biến động các trường
nhiệt - muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ.
12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU
VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC
VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG
Biển Đông là một vùng biển nửa khép kín ở Tây Thái Bình Dương có
độ sâu lớn nhất hơn 5000m, trải rộng trên diện tích khoảng 3,5 triệu km2 từ
3oS đến 25oN và từ 99oE đến 121oE, nối liền với Thái Bình Dương qua eo
biển Luzon, Sulu và eo Đài Loan. Biển Đông là một khu vực chịu ảnh hưởng
của khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, ảnh hưởng mạnh nhất bởi trường gió
Đông Bắc hằng năm với vận tốc trung bình lên đến 9 m/s trong mùa đông,
trường gió mùa Tây Nam trên phần lớn Biển Đông yếu hơn với vận tốc trung
bình khoảng 6 m/s và có phần nghiêng về hướng Nam ở phía Bắc Biển Đông
về mùa hè. Chính sự biến đổi hoàn lưu khí quyển theo mùa trong đó mùa hạ
và mùa thu là mùa bão, mùa đông và mùa xuân là thời kỳ gió mùa Đông Bắc
dẫn đến các đặc trưng vật lý, động lực Biển Đông cũng có sự biến động rất
lớn theo không gian và thời gian. Tính chất phức tạp này gây nhiều khó khăn
trong tính toán, dự báo hoàn lưu biển phục vụ các bài toán khí tượng hải văn,
lan truyền ô nhiễm, kiểm soát môi trường, v.v...
1.1 Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông
Đã có rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc hoàn lưu của Biển Đông và các
vùng biển lân cận được công bố, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên:
- Dữ liệu chế độ thủy văn và một số quan trắc thủy văn cụ thể;
- Các đo đạc, quan sát bằng vệ tinh về mực nước, sóng, dòng chảy ;
- Các mô hình số.
Cùng với sự gia tăng của các hoạt động hàng hải và quân sự trên khu
vực Biển Đông đặc biệt trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ II, các quan
trắc hoàn lưu trên toàn khu vực đã được tiến hành tương đối rộng khắp cho
13
phép mô tả một số đặc trưng cơ bản nhất của hoàn lưu liên quan tới hoạt động
của gió mùa trên biển. Các sơ đồ về hoàn lưu Biển Đông đã được công bố lần
đầu tiên trong Atlas của Hải quân Mỹ năm 1945 [24] cho thấy đặc điểm cơ
bản nhất của dòng chảy trên mặt là hiện tượng đổi hướng rõ rệt theo sự luân
phiên của gió mùa. Trên các sơ đồ dòng chảy cũng đã thấy được sự hiện diện
của một số xoáy quy mô vừa và nhỏ.
Trong những thập niên tiếp theo nhiều chuyến khảo sát biển tổng hợp
đã được tiến hành thông qua các hợp tác quốc tế và khu vực sử dụng các tàu
khảo sát khoa học của Hà Lan, Mỹ, Nhật Bản, Liên Xô, Trung Quốc, v.v... Sự
tham gia của các nhà khoa học Việt Nam cũng từng bước được tăng cường và
chủ động hơn, đặc biệt sau khi triển khai Chương trình nghiên cứu biển quốc
gia, bắt đầu từ năm 1978. Trong phần lớn các chuyến khảo sát trên biển, hoàn
lưu và các yếu tố thủy động lực khác luôn được xem là một trong những nội
dung nghiên cứu quan trọng của hầu hết các đề tài trong những chương trình
nghiên cứu biển Việt Nam.
Những kết quả phân tích tổng hợp số liệu thu thập được trong và ngoài
nước được công bố trong một số công trình nghiên cứu về Biển Đông trong
đó chế độ thủy động lực và hoàn lưu biển ngày càng được bổ sung và thể hiện
rõ hơn. Đáng chú ý nhất là:
- Bản đồ về dòng chảy bề mặt được xuất bản bởi Cơ quan Thủy văn của
Hải quân Hoa Kỳ (1945) [24].
- Dựa trên phân tích sự trôi của tàu thuyền, Dale (1956) [19] đã đưa ra
nhiều sơ đồ dòng chảy bề mặt Biển Đông.
- Công trình mang tính tổng hợp của Wyrtki K (1961) [65] đã đưa ra
các đặc trưng cơ bản biến động mùa của dòng chảy bề mặt trên toàn Biển
Đông và các biển lân cận. Đây là công trình có tính bao quát lớn và đã được
14
sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu khoa học và ứng dụng cho kinh tế,
quân sự và kiểm soát môi trường Biển Đông trong suốt hơn 50 năm qua.
Cơ sở để xây dựng các bản đồ này chủ yếu là các số liệu khảo sát nhiệt
độ theo độ sâu (BT, XT), nhiệt - muối - độ sâu (STD), nhiệt - độ dẫn điện - độ
sâu (CTD), vị trí tàu và phao trôi trên mặt biển được thu thập và tổng hợp cho
đến hết thập niên 50 của thế kỷ 20 [2].
Trong hơn 20 năm trở lại đây nhiều công trình nghiên cứu về các cấu
trúc thủy văn và động lực Biển Đông đã được công bố trong đó phải nói đến
trước hết là Báo cáo tổng kết đề tài 48B.01.01 thuộc chương trình biển
48B/86-90 do Võ Văn Lành làm chủ nhiệm (2001) [1]. Đề tài này có những
kết quả nghiên cứu về cấu trúc các trường nhiệt độ, độ muối, tốc độ truyền
âm, ô xi hòa tan của 4 mùa ở một số tầng sâu: tầng mặt, 10m, 50m, 100m,
200m, 500m, 1000m, 1500m. Trong đề tài này cũng đã đưa ra tập bản đồ
dòng chảy trung bình mùa hè và mùa đông ở tầng mặt, 50m và 100m nhưng
mới chỉ dừng lại ở độ phân giải 1 độ kinh vĩ. Luận án tiến sỹ của Đinh Văn
Ưu (1983) đã mô phỏng chế độ nhiệt muối Biển Đông dựa vào hàm phân bố
vạn năng. Công trình của Đinh Văn Ưu và J.M. Brankart (1997) [54] mô
phỏng biến đổi mùa của trường nhiệt độ, độ muối và khối nước trong Biển
Đông và đề tài KHCN 06-02 (2000) [5] do Đinh Văn Ưu chủ trì nghiên cứu
về cấu trúc 3 chiều thủy nhiệt động lực học Biển Đông với lưới tính 1/4 độ
kinh vĩ đã chi tiết hơn nhiều.
Những công trình về thủy triều có đề tài KT03.03/91-95 của Nguyễn
Ngọc Thụy, trong đó có các nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thọ Sáo, Đỗ
Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Lê Trọng Đào, Bùi Hồng Long, Đặng
Công Minh, Trần Hồng Lam nghiên cứu về các mô hình thủy triều và năng
lượng triều ở Biển Đông [2]. Hiện nay các mô hình thủy triều đã tương đối
hoàn thiện.
15
b)
a)
Hình 1.1. Phân bố dòng chảy và độ muối bề mặt Biển Đông.
Mũi tên chỉ hướng dòng chảy ( a)- tháng tám, b)- tháng hai)
Dựa vào kết quả của Wyrtki (1961) [65], Tomczak và Godfrey (1994)
[52] tổng kết cấu trúc hoàn lưu bề mặt Biển Đông như ở hình 1.1.
Hình 1.2. Độ cao động lực (0/1200 db, dyn·m) và trường dòng địa chuyển
bề mặt ở Biển Đông. Các xoáy Aw, Bw, Bs và Cs ( (a) mùa đông và
(b) mùa hè theo Xu và nnk (1982) [68])
Xu và nnk (1982) [68] đã có những phân tích sâu hơn về hoàn lưu theo
mùa ở Biển Đông dựa trên các dữ liệu quan sát lịch sử trong giai đoạn 1921-
1970. Các phân tích này chỉ ra cấu trúc hoàn lưu trung bình mùa trên toàn
16
Tải về để xem bản đầy đủ
135 trang
20380
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh Bắc Bộ", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_mo_phong_che_do_thuy_van_va_hoan_luu_vinh.pdf
