Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí tới quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ tây vịnh bắc bộ

Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí tới quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ Tây vịnh Bắc Bộ Nguyễn Minh Hải Trường Đại học Khoa học T

Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suất không khí tới quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ Tây

vịnh Bắc Bộ Nguyễn Minh Hải

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Luận văn Thạc sĩ ngành: Hải dương học; Mã số: 60 44 97

Người hướng dẫn: TS Trần Hồng Lam

Năm bảo vệ: 2012

Abstract: Tổng quan các yếu tố ảnh hưởng dao động dâng, rút mực nước biển: Khái

niệm dao động dâng, rút của mực nước biển; Tình hình nghiên cứu mực nước biển trong và ngoài nước Trình bày cơ sở lý thuyết và các phương pháp nghiên cứu bao gồm phương pháp thống kê và phương pháp mô hình Đưa ra kết quả tính toán: Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường gió đến chế độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM; Tính toán ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến độ dâng, rút mực nước phi điều hòa bằng phương pháp thống kê; Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường bão đến chế độ dâng rút nước phi tuần

hoàn tại bờ tây Vịnh bắc bộ bằng mô hình Mike21 FM

Keywords: Hải dương học; Trường gió; Áp suất không khí; Dao động dâng; Vịnh

Bắc bộ

Content

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG DAO ĐỘNG

DÂNG, RÚT MỰC NƯỚC BIỂN

Khái niệm dao động dâng, rút của mực nước biển

Dao đô ̣ng dâng rút của mực nước biển là các dao đô ̣ng dâng , rút mực nước dưới tác động của trường gió ổn định và biến động của gió và áp suất khí quyển trong bão, dòng nước sông dao động mực nước biển là tổ hợp dao động của thủy triều và các dao động dâng, rút mực nước do các nhiễu động khí quyển và các quá trình khác Vì vậy, để có được bức tranh tổng thể, chi tiết về dao động của mực nước biển phục vụ cho các nhu cầu kinh tế

khác nhau còn cần phải tìm hiểu , nghiên cứu kỹ lưỡng các thành phần dao động phi tuần hoàn

- nước dâng, nước rút

Dao động dâng rút của mực n ước biển là do các hoạt động của khí quyển và bức xạ

mă ̣t trời có tính chất không tuần hoàn gây nên Các hoạt động đa dạng , muôn hình muôn vẻ của khí quyển dẫn đến sự đa dạng của mực nước biển Tuy nhiên , có thể kể ra các nguyên nhân chính sau đây gây nên các dao đô ̣ng dâng rút mực nước biển :

- Dao động dâng rút xuất hiê ̣n dưới tác du ̣ng của ma sát tiếp tuyến giữa gió và mă ̣t nước giới ha ̣n bởi bờ biển Sự giảm áp suất khí quyển trên lu ̣c đi ̣a và tăng áp suất trên mă ̣t biển kết hợp với gió gây ra nước dâng ta ̣i vùng ven bờ và ngược la ̣i sự tăng áp suất khí quyển trên lu ̣c đi ̣a và giảm áp suất trên mă ̣t biển kết hợp với gió gây ra nước rút ;

- Dao động dâng rút do biến đổi áp suất khí quyển gây nên Áp suất khí quyển tăng lên

1 mbar thì mực nước biển giảm xuống 10 mm và ngược la ̣i khi áp suất khí quyển giảm xuống

1 mbar thì mực nước biển tăng lên 10 mm Tuy nhiên, đây là những biến đổi tĩnh ho ̣c chúng thường nhỏ hơn nhiều so với biến đổi đô ̣ng lực ho ̣c của gió và dòng chảy bờ ;

- Dao động dâng rút do sự bất đồng nhất của chu trình tuần hoàn nước (sự bốc hơi , giáng thủy, dòng chảy) liên quan đến sự biến đổi của lượng nước ta ̣i các khu vực khác nhau của biển Những dao đô ̣ng này có thể rất đáng kể ví du ̣ như có trâ ̣n mưa lớn lên tới hàng trăm

mm trong mô ̣t ngày có thể làm tăng mực nước đô ̣t ngô ̣t trong khoảng thời gian ng ắn;

- Dao động dâng rút do sự biến đổi của mâ ̣t đô ̣ nước gây ra Như đã biết mâ ̣t đô ̣ nước biển phu ̣ thuô ̣c vào nhiê ̣t đô ̣ và đô ̣ muối mà ta ̣i khu vực ven bờ nhiê ̣t đô ̣ và đô ̣ muối nước biển thường xuyên thay đổi do ảnh hưởng củ a nước lu ̣c đi ̣a và tương tác với đi ̣a quyển Sự di ̣ch chuyển của lượng nước mă ̣t nhe ̣ hơn vào vùng ven bờ sẽ làm cho mực nước biển dâng lên Ngược la ̣i khi có gió da ̣t nước nhe ̣ hơn bi ̣ mang ra ngoài khơi , nước nă ̣ng hơn ở dưới s âu do ̣c sườn lu ̣c đi ̣a dâng lên thay thế khi đó mực nước biển sẽ ha ̣ thấp do vùng ven bờ bi ̣ mất nước

và nước mặt nhẹ hơn được thay thế bằng nước sâu nặng hơn tại đây ;

- Dao động dâng rút do hiê ̣u ứng bơm Ekman Sự hô ̣i tu ̣ khối nước lớp Ekman do gió

đi ̣a phương đồng thời với sự chìm xuống của các khối nước từ dòng đi ̣a chuyển tải vào đẩy lớp nước ấm hơn lên cao dồn vào bờ bề mă ̣t biển vùng gần bờ bi ̣ dâng cao ;

- Dao động dâng rút mực nước biển do ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiê ̣t đới

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Phương pháp thống kê

Phương pháp phân tích điều hòa thủy triều

Độ cao mực nước thủy triều z tại thời gian bất kỳ t là tổng của các dao động triều

thành phần (gọi là các phân triều hay các sóng triều):

i i

( 0 những phần pha thiên văn của phân triều i biểu diễn các góc giờ của những tinh

tú giả định tại thời điểm t , g i  hằng số điều hòa về pha của phân triều i , r số lượng các phân triều f và i (V0 u)i phụ thuộc thời gian t Khi có n độ cao mực nước quan trắc z , t nhiệm vụ của phân tích thủy triều là xác định bộ gồm r cặp hằng số điều hòa không đổi H

và g cho từng phân triều của trạm nghiên cứu

Để thuận tiện áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất, người ta thường biến đổi phương trình (2.1) thành

A  cos ( 0  ) , B i  f i H ising i (V0u)i (2.3)

Biết mực nước tại n giờ, người ta có n phương trình đại số dạng (2.2) đối với các ẩn

số A và i B để giải bằng phương pháp bình phương nhỏ nhất Từ mỗi cặp ẩn i A và i B tìm i

i i i

f

B A H

t là nhớt rối thẳng đứng;

p a là áp suất khí quyển;

o là mật độ chuẩn;

S là độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn;

(u s ,v s) là vận tốc của dòng lưu lượng đi vào miền tính;

F u , F v là các số hạng ứng suất theo phương ngang

Phương trình tải cho nhiệt và muối

(2.8)

(2.9)

trong đó Dv là hệ số khuếch tán rối thẳng đứng; H

là số hạng nguồn do trao đổi nhiệt với khí quyển Ts và ss là nhiệt độ và độ muối của nguồn; FT và Fs là các số hạng khuếch tán theo phương ngang

Phương trình tải cho đại lượng vô hướng

Khoảng cách nhỏ nhất giữa các nút lưới: 2.5 km

Hình 2.1: Lưới tính, độ sâu và vị trí biên cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Điều kiện biên và điều kiện ban đầu:

Điều kiện biên lỏng: là giá trị mực nước được phân tích từ bộ hằng số điều hòa toàn

cầu độ phân giải 0.25 x 0.25 độ được tích hợp sẵn trong bộ Mike Điều kiện biên này được sử dụng cho 2 trường hợp tính mực nước triều và mực nước tổng cộng

Điều kiện biên bề mặt: Là giá trị gió áp bao phủ miền tính Điều kiện này được sử

dụng cho trường hợp tính mực nước tổng cộng với các kịch bản sau:

- Giá trị vận tốc, và hướng gió được đưa vào đối với các trường hợp tính mực nước tổng cộng dưới tác động của gió theo các hướng thịnh hành

- Giá trị gió áp được mô phỏng từ mô hình gió bão (công cụ: Cyclone Wind Generation) trong bộ phần mềm Mike đối với các trường hợp tính mực nước trong các cơn bão điển hình trong quá khứ

Điều kiện ban đầu:

Điều kiện ban đầu mô phỏng mực nước:

- Mực nước ban đầu bằng “0”

- Dòng chảy ban đầu bằng “0”

Chương 3 CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.1 Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường gió đến chế độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM

3.1.1 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình

Học viên đã tiến hành tính toán và so sánh biến trình của mực nước thực đo tại trạm Hòn Dáu và biến trình mực nước tính toán bằng mô hình MIKE 21 cùng thời điểm Kết quả như sau:

So sánh m ục nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Dáu

Các hướng có thể gây ra mực nước rút: SW,W, NW cho các tốc độ gió khác nhau từ

Cửa Ông

Hòn Dáu

Ba Lạt

Lạch Trường

Diễn Châu

Vũng Áng

Cửa Tùng

- Mũi Ngọc: phương trình tương quan là: h = 0.029v – 0.0874; hệ số tương quan R2 = 0.99; trong đó h là mực nước phi tuần hoàn (m), v là tốc độ gió (m/s) Trạm Mũi Ngọc thể hiện rõ sự tăng mực nước phi tuần hoàn dưới ảnh hưởng của gió hướng Đông Với tốc độ gió

từ 0-5m/s, quá trình tăng mực nước diễn ra khá chậm (khoảng 0,02 m) Từ 5m/s trở lên mực

nước tăng tuyến tính với tốc độ gió tăng dần (hình 3.3)

0.98 Diễn biến mực nước tại trạm Cửa Ông tương tự như trạm Mũi Ngọc Mực nước phi tuần hoàn tại đây tăng khá cao khi có gió mạnh (đến 1 m ) Độ cao nước dâng trung bình là 0,43 ;

lớn nhât là 1,04 m

- Hòn Dáu: phương trình tương quan là h = 0.0383v - 0.1334; hệ số tương quan là R2

= 0.98 Tại trạm Hòn Dáu cũng quan sát được mối tương quan rõ nét của tốc độ gió và mực nước phi tuần hoàn Từ 0-5m/s, mực nước tăng khá chậm, 5-10m/s có sự dâng rõ rệt mực nước, độ cao nước dâng trung bình là 0,28 m; lớn nhất là 0,88 m

0.98; trong đó h – mực nước phi tuần hoàn, v – tốc độ gió hướng Đông Tại trạm này, xu thế dâng lên của mực nước phi tuần hoàn vẫn chiếm ưu thế Độ cao nước dâng trung bình tại Ba

Lạt là 0,32 m; lớn nhất là 0,79 m (hình 3.6)

- Lạch Trường: phương trình tương quan là h = 0.0407v - 0.1489; hệ số tương quan

R2 = 0.97; trong đó h – mực nước phi tuần hoàn, v – tốc độ gió hướng Đông Tại trạm Lạch Trường, độ dâng trung bình là 0,38 m; lớn nhất là 0,94 m Có thể quan sát thấy xu thế dâng mực nước phi tuần hoàn khi tốc độ gió tăng lên

= 0.97

Mối tương quan giữa tốc độ gió và mực nước phi tuần hoàn thể hiện khá rõ rệt Độ cao nước dâng trung bình 0,43 m; lớn nhất là 1,09 m Cùng với Cửa Ông, đây là trạm có độ cao

nước dâng lớn nhất.(hình 3.8)

= 0.98 Tương tự như tại Diễn Châu, mực nước phi tuần hoàn tại Vũng Áng có xu hướng dâng cùng với sự tăng lên của tốc độ gió Độ cao nước dâng trung bình là 0,30 m; lớn nhất là 0,76

m (hình 3.9)

= 0.98

Độ cao nước dâng tại trạm Cửa Tùng là khá thấp, độ dâng trung bình là 0,19 m; lớn

nhất là 0,46 m (hình 3.10) Theo các tốc độ gió 5 m/s; 10 m/s; 15 m/s; 20 m/s; 25 m/s độ cao

nước dâng tương ứng là 0,01 m; 0,11 m; 0,21 m; 0,33 m; 0,46 m

Ba Lạt

Lạch Trường

Diễn Châu

Vũng Áng

Cửa Tùng

- Cửa Ông: phương trình tương quan là h = 0.0105v + 0.0017; hệ số tương quan là R2

= 0.94

0.99

- Lạch Trường: phương trình tương quan là h = 0.0114v - 0.0152; hệ số tương quan

là R2 = 0.97 Độ cao nước dâng trung bình 0,13 m; lớn nhất 0,25 m

- Diễn Châu: phương trình tương quan là h = 0.0326v - 0.1096; hệ số tương quan là

= 0.70)

* Hướng Đông Nam (SE):

Bảng 3.3: Tương quan giữa tốc độ gió và mực nước phi tuần hoàn tại một số điểm chiết xuất từ mô hình theo hướng Đông Nam

Hòn Dáu

Ba Lạt

Lạch Trường

Diễn Châu

Vũng Áng

Cửa Tùng

= 0.97; trong đó h là mực nước phi tuần hoàn (m), v là tốc độ gió (m/s)

- Cửa Ông: phương trình tương quan là h = 0.0558v - 0.2283; hệ số tương quan là R2

Nhìn chung, trường gió theo hướng Đông Nam gây nước dâng ở hầu hết các trạm tại

bờ Tây vịnh Bắc Bộ Độ dâng trung bình khá lớn (0,34 m), lớn nhất tại trạm Mũi Ngọc 1,19 m; nhỏ nhất trạm Cửa Tùng (0,19 m) Độ dâng có xu hướng giảm dần từ bắc xuống nam

Hòn Dáu

Ba Lạt

Lạch Trường

Diễn Châu

Vũng Áng

Cửa Tùng

1 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000 0.0000

- Mũi Ngọc: phương trình tương quan là h = -0.0302v + 0.0394; hệ số tương quan là

- Diễn Châu: phương trình tương quan là h = -0.0385v + 0.1; hệ số tương quan là R2

Lạch Trường

các trạm phía Bắc, điển hình là Vũng Áng (0,48 m), Cửa Tùng (0,20 m)

3.2 Tính toán ảnh hưởng của điều kiện khí tượng đến độ dâng, rút mực nước phi điều hòa bằng phương pháp thống kê

* Trường gió Hòn Dáu

Bảng 3.7: Tương quan giữa tốc độ gió và mực nước phi tuần hoàn tại Hòn Dáu

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

Trong đó: V – tốc độ gió; H – độ dâng rút mực nước phi điều hòa

Dấu “-“ thể hiện độ rút của mực nước phi tuần hoàn

Như vậy, đối với Hòn Dáu có thể quan sát khá rõ độ dâng của mực nước phi tuần hoàn khi xuất hiện gió theo các hướng E, NE, SE Hướng Đông, độ dâng cao nhất đến 0,52 m ứng với tốc độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,12 m ứng với tốc độ gió 5 m/s Độ dâng trung bình theo hướng này là 0,28 m Hướng Đông Bắc, độ dâng cao nhất đến 0,52 m ứng với tốc

độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,13 m ứng với tốc độ gió 5 m/s Hướng Đông Nam, độ dâng cao nhất đến 0,52 m ứng với tốc độ gió là 34 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,10 m ứng với tốc độ gió 5 m/s

Theo các hướng Tây, Tây Bắc, Tây Nam độ rút mực nước phi tuần hoàn được thể hiện khá rõ Hướng Tây, độ rút cao nhất đến 0,30 m ứng với tốc độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,18 m ứng với tốc độ gió 5 m/s Hướng Tây Bắc, độ rút cao nhất đến 0,30 m ứng với tốc độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,14 m ứng với tốc độ gió 5 m/s Hướng Tây Nam,

độ rút cao nhất đến 0,30 m ứng với tốc độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,11 m ứng với tốc độ gió 5 m/s Sự ảnh hưởng của trường gió đối với độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn

thể hiện qua các phương trình tương quan và hệ số tương quan đã được trình bày trên hình vẽ

* Trường khí áp Hòn Dáu

Dựa trên phương pháp thống kê, học viên đã thu được tập hợp các giá trị áp suất không khí và mực nước phi tuần hoàn cùng thời gian đo đạc

Hình 3.3: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa áp suất không khí và độ dâng, rút mực nước

phi tuần hoàn tại Hòn Dáu

Như vậy theo hình trên, mức độ ảnh hưởng của trường khí áp lên độ dâng, rút của mực nước phi tuần hoàn thể hiện chưa rõ ràng như đối với trường gió Học viên sẽ nghiên cứu sâu vấn đề này trong đề tài khác

* Trường gió Hòn Ngư

Bảng 3.8: Tương quan giữa tốc độ gió và mực nước phi tuần hoàn tại Hòn Ngư

V

(m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

V (m/s)

H (m)

Trong đó: V – tốc độ gió; H – độ dâng rút mực nước phi điều hòa

Dấu “-“ thể hiện độ rút của mực nước phi tuần hoàn

Đối với Hòn Ngư độ dâng của mực nước phi tuần hoàn khi xuất hiện gió theo các hướng E, NE, SE thể hiện rất rõ rệt Hướng Đông, độ dâng cao nhất đến 0,41 m ứng với tốc

độ gió là 14 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,21 m ứng với tốc độ gió 1 m/s Độ dâng trung bình theo hướng này là 0,29 m Hướng Đông Bắc, độ dâng cao nhất đến 0,30 m ứng với tốc độ gió

là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,20 m ứng với tốc độ gió 6 m/s Hướng Đông Nam, độ dâng

cao nhất đến 0,31 m ứng với tốc độ gió là 20 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,21 m ứng với tốc độ gió 2 m/s

Theo các hướng Tây, Tây Bắc, Tây Nam độ rút mực nước phi tuần hoàn được thể hiện khá rõ Hướng Tây, độ rút cao nhất đến 0,23 m ứng với tốc độ gió là 9 m/s; độ dâng thấp nhất

là 0,14 m ứng với tốc độ gió 1 m/s Hướng Tây Bắc, độ rút cao nhất đến 0,34 m ứng với tốc

độ gió là 23 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,14 m ứng với tốc độ gió 1 m/s Hướng Tây Nam, độ rút cao nhất đến 0,28 m ứng với tốc độ gió là 23 m/s; độ dâng thấp nhất là 0,14 m ứng với tốc

độ gió 2 m/s Sự ảnh hưởng của trường gió đối với độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn thể

hiện qua các phương trình tương quan và hệ số tương quan đã được trình bày trên hình vẽ

Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa áp suất không khí và độ dâng, rút mực nước

phi tuần hoàn tại Hòn Ngư

Tương tự Hòn Dáu, ở trạm Hòn Ngư không thấy rõ mối tương quan giữa áp suất không khí và độ dâng, rút mực nước phi tuần hoàn Sự phân bố các giá trị độ dâng, rút không theo quy luật nhất định nào Có thể thấy, tại Hòn Dáu và Hòn Ngư, yếu tố chủ yếu gây ra mực nước phi tuần hoàn là trường gió

3.3 Tính toán ảnh hưởng của điều kiện của trường bão đến chế độ dâng rút nước tại bờ tây Vịnh bắc bộ bằng mô hình Mike21 FM

Bảng 3.9: Các cơn bão đổ bộ vào khu vực từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa

Cấp bão