Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xây dựng quy trình dự báo hạn ngắn trường dòng chảy, nhiệt độ và độ muối bằng mô hình ROMS cho toàn bộ khu vực Biển Đông.. Trong điều kiện nước ta h
Trang 1362 _
Quy trình thử nghiệm dự báo trường dòng chảy, độ muối, nhiệt độ và mực nước tổng cộng cho khu vực Biển Đông
bằng mô hình ROMS
Nguyễn Minh Huấn1,*, Phạm Văn Sỹ2, Dương Hồng Sơn2
1Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
2Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường
Nhận ngày 11 tháng 8 năm 2010
Tóm tắt Sự phát triển nhanh chóng của kinh tế biển và các hoạt động an ninh quốc phòng đảm
bảo chủ quyền trên biển đã đặt ra những vấn đề khoa học cấp thiết cần giải quyết đối với việc cung cấp thông tin dự báo trường các yếu tố khí tượng thủy văn biển
Trên thực tế, các yếu tố hải văn biển như dòng chảy, nhiệt độ và độ muối và mực nước tổng cộng là những yếu tố quan trọng cần thiết đáp ứng yêu cầu của các hoạt động kinh tế, an ninh quốc phòng và nghiên cứu Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xây dựng quy trình dự báo hạn ngắn trường dòng chảy, nhiệt độ và độ muối bằng mô hình ROMS cho toàn bộ khu vực Biển Đông
Sự phát triển nhanh chóng của kinh tế biển
và các hoạt động an ninh quốc phòng đảm bảo
chủ quyền trên biển đã đặt ra những vấn đề
khoa học cấp thiết cần giải quyết đối với việc
cung cấp thông tin dự báo trường các yếu tố khí
tượng thủy văn biển Trong điều kiện nước ta
hiện nay, để có được các thông tin dự báo hạn
ngắn các trường yếu tố thủy văn biển có thể tiến
hành theo hai phương thức: Xây dựng hệ thống
thu nhận thông tin các trường khí tượng thủy
văn dự báo của các nước trên thế giới và khu
vực; Xây dựng, phát triển và ứng dụng hệ thống
các mô hình dự báo các trường khí tượng - thủy
văn biển Theo phương thức thứ hai chúng ta sẽ
có được tính chủ động cao trong công tác dự báo, các thông tin kết quả của hệ thống dự báo nhận được sẽ đầy đủ, chi tiết và chính xác kịp thời đáp ứng được yêu cầu của các hoạt động kinh tế, an ninh quốc phòng và nghiên cứu
∗ Tác giả liên hệ ĐT: 84-4-38584943
E-mail: huannm@vnu.edu.vn
Trong các thông tin dự báo về các yếu tố thủy văn biển trường dòng chảy, nhiệt độ và độ muối là các yếu tố quan trọng Thông tin về dòng chảy biển phục vụ trực tiếp cho công tác hàng hải, tìm kiếm cứu nạn cứu hộ, dự báo lan truyền ô nhiễm, thông tin về nhiệt độ và độ muối góp phần vào việc xác định, dự báo ngư trường đánh bắt cá Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả đã xây dựng quy trình dự báo hạn ngắn trường dòng chảy, nhiệt độ và độ muối bằng mô hình ROMS cho toàn bộ khu vực Biển Đông
Trang 21 Mô hình ROMS 3.0
ROMS là mô hình hoàn lưu đại dương, sử
dụng hệ phương trình nguyên thủy (primitive)
Là mô hình mã nguồn mở nên ROMS mang
tính cộng đồng rất cao, được rất nhiều các nhà
nghiên cứu sử dụng với nhiều qui mô không
gian và thời gian khác nhau: từ dải ven bờ tới
các đại dương thế giới; mô phỏng, dự báo cho
vài ngày, vài tháng và thậm chí tới hàng chục
năm ROMS được xây dựng trên cơ sở các
nghiên cứu số trị bậc cao cùng với kỹ thuật tiên
tiến cho phép triển khai một cách có hiệu quả
các tính toán có độ phân giải cao Mô hình giải
các phương trình thuỷ động lực thuỷ tĩnh và bề
mặt tự do cho các địa hình phức tạp trên hệ lưới
cong trực giao theo phương ngang và thích ứng
địa hình theo phương thẳng đứng [4]
1.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình theo phương
thẳng đứng
Hệ toạ độ thích ứng địa hình theo phương
thẳng đứng (lưới σ hoặc s) xấp xỉ địa hình đáy
biển và bề mặt tự do nhằm mục đích mô phỏng
các quá trình rối gần các bề mặt chất lỏng cũng
như các quá trình động lực vùng cửa sông ven
biển, mô phỏng trung thực hơn ảnh hưởng của
địa hình tới dòng chảy so với các mô hình sai
phân thông thường Tuy nhiên, hệ toạ độ này
cũng có một số nhược điểm nhất định, gây ra
sai số số học trong quá trình tính građien áp
suất tại các vị trí có độ dốc lớn, nhược điểm
này cũng đã được quan tâm trong nhiều năm
qua Mặc dù các sai số này không thể loại bỏ
được hoàn toàn, nhưng có thể được giảm tới
mức có thể chấp nhận được qua phương pháp
tái tạo parabolic của Shchepetkin và
McWiliams, 2005 [2]
Hệ toạ độ thích ứng địa hình tổng quát có
dạng:
( )⎟⎟⎞
⎜⎜
⎛
+
−
=
t y , x ) y , x ( H
t y , x z s s
ς
ς −1≤ s≤0 (1)
trong đó H là độ sâu, ζ là cao độ mực nước bề mặt Trong trường hợp s phụ thuộc tuyến tính vào z, phép chuyển toạ độ trên sẽ trở thành hệ toạ độ σ truyền thống Các phép chuyển hệ toạ
độ này sẽ tạo ra hệ thống lưới không trực giao, tuy nhiên tỷ số giữa kích thước lưới theo phương ngang và phương thẳng đứng thường được giả thiết là rất lớn do vậy có thể bỏ qua một số các số hạng liên quan tới hệ toạ độ cong
và phép chuyển toạ độ có thể được đơn giản hoá thành:
z x
z x
∂
∂
∂
−
∂
∂
=
∂
∂
σ σ
Mối phụ thuộc không tuyến tính (1) cho phép tăng cường độ phân giải của lưới tính vào những miền có tính bất đồng nhất mạnh Nhằm
mô phỏng tốt các quá trình động lực trong lớp xáo trộn cũng như lớp thermocline, mô hình ROMS sử dụng phép chuyển toạ độ dưới đây (Haidvogel và nnk, 2000):
(h h ) (sC s
h
z= s + − s ) (2) trong đó hs là độ sâu đặc trưng của lớp xáo trộn và:
( / 2)
tanh 2
2 / tanh 2 / 1 tanh sinh
sinh 1
θ θ θ
θ θ
θ
−
s
(3) trong đó θ, θb là các các tham số không thứ nguyên kiểm soát độ co giãn của lưới theo phương thẳng đứng: độ phân giải tại bề mặt tỉ lệ thuận với giá trị θ và tại đáy tăng lên khi θ b tiến dần đến 1 Ưu điểm của phép giãn trục toạ
độ (2) và (3) là cho phép tăng độ phân giải tuỳ
ý tại những nơi độ sâu lớn (tăng độ phân giải trong lớp nhảy vọt nhiệt độ, và lớp tà nhiệt) trong khi duy trì độ phân giải tương đối đều tại vùng nước nông
Trang 31.2 Hệ toạ độ cong trực giao theo phương
ngang
Hệ toạ độ tính toán ξ,η là vuông góc và các
biên của miền tính trùng với các đường đẳng
ξ,η Khi hàm ánh xạ được xác định thì các hệ
số đo cũng được xác định Các hệ số đo m và n
của hệ toạ độ cong trực giao liên kết các khoảng
cách sai phân theo hướng ξ,η với các cung thực
tế như sau:
( )
m
ξ =∂
( )
n
η
∂
=
do vậy, đoạn ds phải thoả mãn:
2 2
2
2 2
n m
ds =∂ξ +∂η
hay trong toạ độ Đề các:
η ξ η
ξ
η ξ η ξ η
η ξ
ξ
η ξ η
ξ
d d y y x x d
y x d
y
x
d y d y d x d x dy
dx
ds
+ +
+ +
+
=
+ + +
=
+
=
2
2 2 2 2
2
2
2 2
2
2
(6) Với thành phần cuối cùng ở phương trình
trên bằng 0 trong hệ toạ độ trực giao, phép thế
hai phương trình trên dẫn đến (Wilkin and
Hedstrom, 1998):
( 2 2)1 / 2
2 / 1 2 2
−
−
+
=
+
=
η η
ξ ξ
y x n
y x m
(7)
1.3 Hệ phương trình thuỷ động lực
Phương trình trạng thái ρ =ρ(S ,,T P) và
giả thiết thuỷ tĩnh z g
∂
∂
Phương trình chuyển động
(u u)
z z
z
z z z
z
D F mn H g z g P n H v H m u
n
v
mn
f
mn u H s m uv H n
u
H
mn
u
H
t
+ +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
∂
∂ +
∂
∂ +
∂
∂
−
⎭
⎫
⎩
⎧
⎟
⎜
∂
∂
−
⎟
⎜
∂
∂
+
⎟
⎜
−
⎟
⎜ Ω
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂ +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
∂
∂
+
⎟
⎜
∂
∂
ξ
ς ξ ρ
ρ ξ η
ξ
η ξ
0
2
1 1
(8)
(v v)
z z
z
z z z
z
D F mn H g z g P m H u H m u n v mn f
mn v H s m v H n uv H mn v H t
+ +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
∂
∂ +
∂
∂ +
∂
∂
−
⎭
⎫
⎩
⎧
⎟
⎜
∂
∂
−
⎟
⎜
∂
∂ +
⎟
⎜ +
⎟
⎜ Ω
∂
∂ +
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂
η
ς η ρ
ρ η η
ξ
η ξ
0
2
1 1
(9) Phương trình bảo toàn nhiệt độ và độ muối
( T T)
z z z
z
mn
H mn T H s m vT H n
uT H mn
T H
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂ +
⎟
⎜
∂
∂
η ξ
(10) ( S S)
z z z
z
mn
H mn S H s m vS H n
uS H mn
S H
t⎜ ⎟ +∂∂ ⎜ ⎟ +∂∂ ⎜ ⎟ +∂∂⎜ Ω⎟ = +
∂
∂
η ξ
(11)
trong đó D u , D v , D S , D T là các thành phần nhớt
và khuếch tán rối đối với các biến động lượng
và nhiệt muối; F u , F v , F S , F T là các thành phần ngoại lực và nguồn
∂
∂
−
∂
∂
−
∂
∂ +
−
=
∂
∂
= Ω
η ξ η
t
s s w H t
s t s
z
1 1 ,
, ,
(12)
ξ ξ
ς
∂ +
∂
∂ +
=
∂
η η
ς
∂ +
∂
∂ +
=
∂
s C s z
Với giả thiết áp suất thuỷ tĩnh cho phép tính được thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng từ phương trình liên tục do đó các mô hình loại này đôi khi còn được gọi là “tựa ba chiều”, để phân biệt với các mô hình sử dụng đầy đủ cả ba phương trình động lượng
1.4 Sai phân hoá Sai phân theo không gian
Sai phân trung tâm bậc hai trên lưới Arakawa C áp dụng cho phương ngang (ξ,η) với các điều kiện biên trượt tự do (toàn phần), trượt một phần, hoặc điều kiện dính Theo phương thẳng đứng (trục s) sử dụng sai phân xen kẽ bậc hai
Trang 4Cũng như các mô hình khác, tuy đã sử dụng
phương pháp giảm thiểu sai số gây ra bởi thành
phần gradient áp suất, ROMS sử dụng kỹ thuật
là trơn địa hình đáy để tăng độ ổn định của mô
hình như sau:
2 / 1 2 / 1
2 / 1 2 / 1
− +
+
−
=
∆
=
H H
h h
h
h
r
Vì độ dày của các lớp nước thường nhỏ hơn
rất nhiều so với bước tính theo phương ngang
nên bước thời gian thường bị giới hạn bởi điều
kiện ổn định theo phương thẳng đứng
(Vreugdenhill 1994), ∆ t < ∆ z 2 /4Nv, hơn là
theo phương nằm ngang (chỉ tiêu
Courant-Friedrichs-Levy)
Sai phân theo thời gian
Do vậy, có hai cách sử dụng mô hình,
phương pháp thứ nhất là giải phương trình
chuyển động để tính vận tốc ngang, sau đó tích
phân phương trình liên tục từ mặt tới đáy để
tính thành phần vận tốc thẳng đứng và áp dụng
điều kiện biên động học tại mặt nước để tính sự
thay đổi của mực nước Phương pháp thứ hai
hay kỹ thuật tách thời gian được sử dụng rộng
rãi trong các mô hình hoàn lưu đại dương nhằm
phân tách các sóng chính áp có tốc độ chuyển
động nhanh mà vẫn tiết kiệm thời gian tính:
Chế độ chính áp: giải hệ phương trình động
lượng hai chiều “trung bình theo độ sâu” với
bước thời gian ngắn, thoả mãn điều kiện
Courant-Friedrichs-Levy
Chế độ tà áp: giải hệ phương trình động
lượng ba chiều với bước thời gian tương đối
dài
Tuy nhiên, sai số khác nhau giữa hai hệ
phương trình này đòi hỏi các phương pháp điều
chỉnh sao cho chúng cùng thỏa mãn phương
trình liên tục và bảo toàn các đại lượng vô
hướng
2 Quy trình dự báo
Quy trình dự báo trường dòng chảy, nhiệt
độ, độ muối được viết trên mã nguồn mở (UNIX) kết hợp với ngôn ngữ lập trình MATLAB, cho phép thực hiện dự báo nghiệp
vụ tự động, đạt hiệu quả cao (Hình 1)
Quy trình dự báo được chia làm 3 giai đoạn:
1 Giai đoạn tiền xử lý:
Download số liệu khí tượng, điều kiện ban đầu và điều kiện biên… từ nguồn số liệu ECCO
dự báo đến 10 ngày
Nội suy các yếu tố về miền lưới tính toán Kiểm tra và xử lý lại kết quả đầu vào
2 Giai đoạn chạy mô hình Chạy mô hình ROMS với các thông số và
số liệu đã được ấn định
3 Giai đoạn xử lý kết quả Trích xuất các yếu tố (dòng chảy, nhiệt độ,
độ muối) để tạo thành các file có dung lượng nhỏ dạng netcdf
Thể hiện các trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối dưới dạng ảnh và định dạng kml (định dạng hiển thị trên google earth hay google map) Xuất các yếu tố (dạng file netcdf, dạng ảnh
và kml) lên bản tin dự báo biển
www.dubaobien.vn)
Hình 1 Sơ đồ quy trình dự báo dòng chảy, nhiệt
độ, độ muốivà mực nước tổng cộng bằng mô hình
ROMS cho khu vực Biển Đông
Trang 5Quy trình dự báo được thực hiện chạy tự
động thông một file script viết bằng trình thông
lệnh shell trên hệ điều hành Linux Một số công
đoạn của quy trình đã được cải tiến nhằm phù
hợp với các điều kiện của Việt Nam bởi Trung
tâm Nghiên cứu Môi trường, Viện Khoa học
Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường và Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên trong khuôn khổ
của đề tài cấp Nhà nước: “Nghiên cứu phát
triển và ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn
trường các yếu tố thủy văn biển khu vực Biển
Đông” mã số KC.09.16/06-10
Các kết quả đáng tin cậy của mô hình dự
báo đã được hoàn toàn khẳng định trong [1] nên
trong bài báo này không trình bày lại các phần
hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
3 Các điều kiện đầu vào của mô hình
3.1 Miền dự báo
Địa hình đáy biển được nội suy từ số liệu
địa hình đáy biển toàn cầu ETOPO-2 có độ
phân giải 2’ (khoảng 4km) Độ sâu lớn nhất của
miền tính khoảng 4500 m và độ sâu nhỏ nhất
được giới hạn bằng 10 m và được chia thành 12
lớp theo phưong thẳng đứng Độ sâu nhỏ nhất
được giới hạn bằng 10 m nhằm tăng bước thời
gian giới hạn bởi hiệu ứng khuyếch tán rối theo
phương thẳng đứng ∆ t < ∆ z 2 /4Nv, quá trình
này chủ yếu xảy ra ở vùng nước nông gần bờ
(Vreugdenhill 1994).Với kính thước bước lưới
như trên, bước thời gian cho chế độ barocline là
1800 giây, và barotrop là 60 giây (Hình 2)
3.2 Điều kiện ban đầu, điều kiện biên và ngoại
lực
Số liệu đầu vào dự báo 10 ngày được cung
cấp từ mô hình hoàn lưu toàn cầu và số liệu
quan trắc của ECCO (dự án “Dự báo Hoàn lưu
và Khí tượng Đại dương”) do cơ quan Nghiên
cứu Hải quân, Mỹ (ONR) cùng với rất nhiều
các tổ chức, cơ quan (NOAA, NASA…) đồng
thực hiện
Hình 2 Bản đồ địa hình khu vực Biển Đông
Hình 3 Phân bố theo phương ngang và thẳng đứng của trường nhiệt độ nước biển trên Biển Đông
Trang 6Lưu lượng của các sông lớn được lấy trung
bình cho hai mùa chính (mùa khô và mùa mưa):
Lưu lượng nước sông Mê Kông dao động
trong khoảng 37000 m3/s (tháng I) - 148000
m3/s (tháng VIII) và đổ ra biển tại hai cửa có toạ
độ (9.421oN;106.289oE) và (10.171oN;106.80oE)
Lưu lượng nước sông Hồng dao động trong
khoảng 3700 m3/s (tháng I) - 10000 m3/s (tháng
VIII) và đổ ra biển tại hai cửa có toạ độ
(20.385oN;106.643oE) và (20.654oN;106.914oE)
Trên cả hai hệ thống sông nhiệt độ dao
động trong khoảng 20oC-25oC và độ muối luôn
bằng 0 %0
Hình 4 Đẳng biên độ và đẳng pha sóng M2
Các tham số của 6 sóng thuỷ triều, M2, S2,
N2, K2, K1, O1, được đưa vào các biên lỏng
của miền nghiên cứu Các tham số này được lấy
từ mô hình thuỷ triều toàn cầu TPXO có độ
phân giải 1/4 độ kinh vĩ Mô hình này sử dụng
phương pháp bình phương tối thiểu để xấp xỉ
phương trình thuỷ triều Laplace với số liệu cao
độ bề mặt biển thu được dọc theo 324 quỹ đạo
của vệ tinh TOPEX/Poseidon
4 Xuất bản tin dự báo
4.1 File dữ liệu
Để thuận tiện cho người dùng khi download
số liệu cũng như làm giảm dung lượng của file,
các file đầu ra được trích xuất cho riêng các yếu
tố: dòng chảy, nhiệt độ và độ muối trong khu
vực tính toán dưới định dạng netcdf (Hình 5)
Số liệu sau khi dowload, có thể sử dụng các phần mềm hỗ trợ như ncbrowser để chuyển đổi sang định dạng ASCII theo khu vực phù hợp với yêu cầu của người sử dụng
Hình 5 Giao diện download số liệu dự báo của các yếu tố dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và mực nước
tổng cộng khu vực Biển Đông
4.2 Định dạng ảnh
Hình ảnh bản đồ phân bố các yếu tố: dòng chảy, nhiệt độ và độ muối cho toàn khu vực Biển Đông được chia thành 9 vùng nhỏ Người truy cập có thể phóng to các vùng bằng cách kích con trỏ chuột lên từng khu vực (Hình 6)
Trang 7Hình 6 Bản đồ dự báo phân bố trường vectơ dòng
chảy trên nền trường độ muối định dạng ảnh khu
vực Biển Đông và các vùng lựa chọn
4.3 Định dạng kml – Google earth
Kết quả cũng có thể được thể hiện trên
Google earth và Google map bằng các file định
dạng klm để người dùng có thể sử dụng khả
năng có sẵn của Google earth và Google map
phóng to, thu nhỏ tuỳ ý các khu vực quan tâm
Hình 7 Bản đồ dự báo phân bố trường dòng chảy trên nền trường độ muối với định dạng kml khu vực
Biển Đông
Kết luận
Quy trình dự báo trường dòng chảy, nhiệt
độ, độ muối và mực nước tổng cộng được xây dựng trên cơ sở kế thừa các kết quả của cơ quan Nghiên cứu Hải quân Mỹ (ONR) kết hợp với các tổ chức, cơ quan khác như NOAA, NASA…, là một quy trình khép kín được thực thi tự động với nhiều các công đoạn phức tạp: download số liệu dự báo toàn cầu, xử lý số liệu, thực hiện chạy mô hình dự báo, xử lý kết quả
và xuất bản tin dự báo
Kết quả của quy trình cho phép nhận được thông tin dự báo toàn cảnh chi tiết trước nhiều ngày về trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và mực nước tổng cộng cho khu vực Biển Đông, các thông tin của hệ thống dự báo sẽ được cung cấp đầy đủ, chi tiết và chính xác kịp thời đáp ứng được yêu cầu của các hoạt động kinh tế, hàng hải, tìm kiếm cứu nạn cứu hộ, an ninh quốc phòng và nghiên cứu
Trang 8Tài liệu tham khảo
[1] Dương Hồng Sơn, Nguyễn Tài Hợi, “Dự báo
hạn ngắn trường dòng chảy và nhiệt độ Biển
Đông”, Đề tài Xây dựng mô hình dự báo các
trường khí tượng thuỷ văn vùng Biển Đông –
KC.09.04
[2] A.F Shchepetkin, J.C McWiliams, The regional oceanic modeling system (ROMS): a split-explicit, free-surface,
topography-following-coordinate oceanic model Ocean Model 9
(2005) 347-404
[3] http://ecco.jpl.nasa.gov/
[4] http://www.myroms.org/index.php
Experimental forecast system for current, salinity, temperature
and water level fields in the South China Sea
Nguyen Minh Huan1, Pham Van Sy2, Duong Hong Son2
1Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU,
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam
2Institute of Hydrology Meteorology and Environment
The rapid development of marine economy and national defense and security activities to ensure maritime sovereignty posed scientific problem solving urgent need for providing forecast meteorological and oceanographical information in the sea In the country's current conditions, to obtain the short-term forecasts of oceanographical factors in the sea can proceed in two ways: first approach is build a system receiving information of meteorology and oceanography forecast from countries and regions worldwide, second one is development and application of system models to forecast the marine weather and hydrodynamics By the second approach, we would have highly sense
in initiative in the marine forecast, the forecasting system will give full and accurate information and timely to meet the requirements of economic , security, defense and research activities
In the fact, oceanographical factors in sea such as currents, temperature, salinity and water level are important ones, information about flows, water level and waves directly serve for high seas navigation, the maritime search and rescue works, spreading pollution forecasting, information about temperature and salinity contribute to the identification, forecasting fishing grounds In this study, the authors developed a short-term forecasting system for flows field, temperature, salinity and water level
by Regional Ocean Model System (ROMS) for the South China Sea
