Luận văn nghiên cứu và phát triển mô hình POM để tính toán hoàn lưu biển dưới tác dụng tổng hợp của các yếu tố thủy triều và gió

Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu và phát triển mô hình POM đểtính toán hoàn lưu biển dưới tác dụng tổng hợp của các yếu tố thủy triều vàgió, đồng thời nghiên cứu và phát triển phươ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 7

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 11

2.1 Hệ phương trình cơ bản 11

2.2.1 Các phương trình thủy nhiệt động lực học 12

2.2.2 Khép kín rối 14

2.2.3 Điều kiện biên 15

2.2 Phương pháp số 16

2.3 Chương trình pom2k và các thủ tục con 18

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 21

3.1 Nghiên cứu mô hình POM tính thủy triều trong Biển Đông 21

3.1.1 Khái quát về những nghiên cứu thủy triều trong Biển Đông 21

3.1.2 Kết quả tính thủy triều Biển Đông bằng mô hình POM 23

3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ 34

3.2.1 Khái quát những nghiên cứu về dòng chảy trong Biển Đông và vịnh Bắc Bộ 34

3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy gió trong vịnh Bắc Bộ 38

3.2.3 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy tổng hợp 3D trong vịnh Bắc Bộ trong điều kiện gió mùa 48

3.2.4 Áp dụng mô hình POM tính dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ trong điều kiện bão 55

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tác giả đãnhận được nhiều sự giúp đỡ, động viên từ các thầy giáo,gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, đặc biệt là sự dìu dắt,chỉ bảo tận tình của thầy giáo – PGS.TS Nguyễn ThọSáo trong suốt quá trình làm luận văn

Qua luận văn, tác giả xin gửi lời cảm ơn chânthành và sâu sắc đến thầy Nguyễn Thọ Sáo và các thầygiáo trong bộ môn Hải dương học – Khoa Khí tượngThủy văn Hải dương học

Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp,bạn bè và gia đình đã có những giúp đỡ động viên tác giảhoàn thành tốt luân văn này

MỞ ĐẦU

Mô hình POM là mô hình đại dương hiện đại, mã nguồn mở được pháttriển bởi Blumberg và Mellor vào cuối những năm 1970 POM là mô hình đạidương hệ tọa độ sigma, bề mặt tự do, phương trình nguyên thủy và chứa môhình con khép kín rối Đây là một trong những mô hình đại dương đầu tiêncung cấp miễn phí mã nguồn cho người sử dụng với cộng đồng người dùngtrên 3000 người ở 70 quốc gia Tuy nhiên, mã nguồn của mô hình được cungcấp miễn phí cho người dùng mới chỉ viết sẵn cho trường hợp tính dòng chảycho một thủy vực kín, hình chữ nhật, có đáy phẳng và trường gió không đổitheo thời gian Vì vậy, người dùng phải tự nghiên cứu, bổ sung và phát triển

mô hình theo các hướng nghiên cứu riêng

Hiện nay, POM đã được phát triển và ứng dụng để nghiên cứu các bàibài toán ở nhiều quy mô khác nhau ở nhiều nơi trên thế giới như: vịnhMexico (Blumberg và Herring, 1983), vịnh Delaware (B.Galparil), Bắc BăngDương (L.Kantha, S.Hakkinen) POM vẫn tiếp tục được nhiều nhà khoa họcphát triển và ứng dụng theo nhiều hướng khác nhau như: xây dựng hệ thống

dự báo biển (Aikman, Chen), nghiên cứu khí hậu đại dương của Đại TâyDương, nghiên cứu dòng chảy Gulf Stream và đồng hóa dữ liệu (T.Ezer)

Mô hình POM là một trong những công cụ tiên phong trong nghiên cứu

và mô hình hóa đại dương do liên tục được cải tiến, sáng tạo và phát triển mớikhông ngừng bởi người sử dụng trên khắp thế giới

Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu và phát triển mô hình POM đểtính toán hoàn lưu biển dưới tác dụng tổng hợp của các yếu tố thủy triều vàgió, đồng thời nghiên cứu và phát triển phương pháp lưới lồng để liên kết tínhtoán giữa khu vực ngoài khơi và khu vực ven bờ Kết quả tính thủy triều tạicác trạm hải văn ven bờ dọc ven biển nước ta đều cho độ chính xác khá cao

Trường dòng chảy trong Biển Đông và trong vịnh Bắc Bộ tính toán theo môhình POM hoàn toàn phù hợp với những kết quả quan trắc và những nghiêncứu về dòng chảy đã được công bố trước đây như: bản đồ dòng chảy củaWyrtki (1961), sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ theo chương trình hợp tác Việt –Trung điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnhBắc Bộ, 1964) hay kết quả quan trắc bằng các phao nổi (drifter) trong “TheGlobal Drifter Program” của JCOMM Những kết quả tính dòng chảy và nướcdâng bão cho cơn bão Damrey năm 2005 cũng cho kết quả phù hợp vớinhững quan trắc hiện trường.

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả khả quan trong nghiên cứu và pháttriển mô hình POM tính dòng chảy 3 chiều trong Biển Đông, vẫn cần thiếtphải có những nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện, nâng cao độ chính xác dựbáo dòng chảy, thủy triều, nước dâng trong vịnh Bắc Bộ cũng như trong BiểnĐông Ngoài ra, có thể nghiên cứu, phát triển mô hình POM theo các hướngkhác như: tính vận chuyển bùn cát, kết hợp với các mô hình sóng, khí tượng

để có bộ mô hình số trị dự báo liên hoàn khí tượng – hải văn, v.v

Tác giả rất mong được những nhận xét góp ý, bổ sung của các nhà khoahọc, bạn bè và đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện hơn nữa, nhằm đưa mô hìnhPOM trở thành công cụ hữu hiệu để dự báo các trường thủy động lực họctrong Biển Đông cũng như trong vịnh Bắc Bộ

Xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lược quan trọng đối với nước ta cả về kinh

tế lẫn quốc phòng, an ninh, là cửa ngõ ra biển, đầu mối giao thương của cảBắc Bộ Trong vịnh có nhiều hải cảng quan trọng như cảng Hải Phòng, cảngCái Lân, có nhiều ngư trường lớn cung cấp nguồn hải sản quan trọng cho đờisống người dân ven biển nước ta Ngoài ra, trong vịnh còn chứa đựng nhiềutài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là hải sản và dầu khí Các hoạt động kinh tếbiển ngày càng mang lại những lợi ích kinh tế to lớn, thu nhập từ các hoạtđộng giao thông, du lịch, đánh bắt thủy hải sản chiếm tỷ trọng ngày càng lớntrong tổng thu nhập quốc gia Do đó, phát triển kinh tế biển đang được coi làquốc sách hàng đầu của đất nước

Nhận thức được tầm quan trọng của phát triển kinh tế biển, Đảng vàNhà nước ta đã có những bước đi quan trọng nhằm đưa nước ta trở thành mộtnước mạnh về biển Hội nghị lần thứ tư ban Chấp hành Trung ương Đảng(khoá X) đã thông qua Nghị quyết số 09-NQ/TW ngày 9/2/2007 “Về chiếnlược biển Việt Nam đến năm 2020”, trong đó nhấn mạnh "Thế kỷ XXI đượcthế giới xem là thế kỷ của đại dương” Mục tiêu đến năm 2020, phấn đấu đưanước ta trở thành quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển, góp phần quantrọng trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước

Để thực hiện mục tiêu đưa đất nước ta thành đất nước mạnh về biển,những nghiên cứu khoa học về biển phải là những nhân tố được ưu tiên hàngđầu Chỉ khi con người nắm được các quy luật tự nhiên của biển, hiểu đượcbiển thì mới thể làm giàu từ biển Trong các yếu tố cần nghiên cứu về biển thìthủy động lực học biển là những yếu tố cơ bản và quan trọng Các yếu tố này

là nguyên nhân, là môi trường tác động lên các quá trình khác trong biển vàđại dương Do vậy, nghiên cứu để nắm được các đặc trưng thủy hải văn của

Vịnh Bắc Bộ là hết sức cần thiết, là một nhiệm vụ khoa học, chính trị quantrọng.

Trong những yếu tố thủy động lực học biển, dòng chảy biển đóng mộtvai trò quan trọng Dòng chảy là một nhân tố chính đối với nhiều quá trình vật

lý, hóa học, sinh học trong biển như: bồi xói, vận chuyển bùn cát, bình lưukhuếch tán vật chất, sự di cư của các loài cá, v.v Dòng chảy biển trong vịnhBắc Bộ đã được nhiều nhà khoa học trong nước cũng như nước ngoài quantâm nghiên cứu và đã thu được những kết quả quan trọng, đã phát hiện đượcnhiều đặc trưng, quy luật về dòng chảy trong vịnh Tuy nhiên, vẫn còn nhiềuvấn đề về dòng chảy biển cần phải nghiên cứu Cho đến nay, việc lập bản đồhoàn lưu nền cho Biển Đông nói chung và vịnh Bắc Bộ nói riêng vẫn đangtrong giai đoạn hoàn thiện Bản đồ dòng chảy tầng mặt trong Atlas quốc gia(1995) vẫn được lấy làm cơ sở cho chế độ hoàn lưu trên mặt Biển Đông Cácbản đồ này đã được các tác giả tổng hợp từ bản đồ được xây dựng căn cứ vàocác số liệu khảo sát của chương trình NAGA (Wyrtki, 1961) và sơ đồ dòngchảy vịnh Bắc Bộ theo chương trình hợp tác Việt – Trung điều tra tổng hợpvịnh Bắc Bộ (Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1964) AtlasQuốc gia cũng đưa ra các bản đồ dòng chảy địa chuyển tính theo các trườngnhiệt muối phân tích trên các chuỗi số liệu có tại Viện Hải dương trước năm

1990 (Đề tài 48 B 01-01, 1990)

Để nghiên cứu dòng chảy biển người ta thường sử dụng phương phápđiều tra, khảo sát thu thập số liệu để phân tích, đánh giá và phương pháp môhình hóa Tuy nhiên, các số liệu điều tra khảo sát chủ yếu mang tính chất tứcthời, không có được số liệu đồng bộ theo không gian và mức độ chi tiết hạnchế Phương pháp mô hình hóa có thể khắc phục được những hạn chế nêutrên, phương pháp này là một công cụ hiện đại góp phần giải thích các nguyênnhân hình thành và biến động của hệ thống hoàn lưu, cho phép xác định các

cấu trúc không gian của chúng, kể cả ở những khu vực rất ít số liệu quan trắctrực tiếp cũng như tại các tầng sâu của biển

Nghiên cứu dòng chảy biển bằng mô hình số trị được phát triển mạnh

mẽ trong một vài thập kỷ gần đây, đặc biệt trong giai đoạn hiện nay khi côngnghệ tính toán và máy tính phát triển mạnh mẽ Hiện nay, có rất nhiều môhình khác nhau để tính toán dòng chảy biển bao gồm cả mô hình thương mạilẫn mô hình mã nguồn mở Các mô hình thương mại có ưu điểm là chạy ổnđịnh do đã được hiệu chỉnh, kiểm nghiệm kỹ lưỡng tuy nhiên giá thành củanhững mô hình này khá cao, người dùng không thể cập nhật những kết quảnghiên cứu mới vào mô hình, không thể phát triển ứng dụng theo hướng riêngcũng như khó khăn trong việc liên kết với các mô hình thủy động lực khác.Các mô hình mã nguồn mở thường được miễn phí, người dùng có thể liên tụccải tiến mô hình theo hướng nghiên cứu của mình và dễ dàng liên kết với các

mô hình thủy động lực khác

Mô hình POM là một mô hình đại dương hiện đại, mã nguồn mở vàđang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Một số đặc điểm nổi bật, quan trọngcủa mô hình POM có thể kể ra như sau:

- Chứa mô hình con khép kín rối bậc hai, cung cấp các hệ số xáo trộnthẳng đứng

Mô hình con khép kín rối trong mô hình POM do Mellor xây dựng(Mellor, 1973) và được phát triển đáng kể trong sự cộng tác giữa Mellor vớiTetsuji Yamada (Mellor và Yamada, 1974; Mellor và Yamada, 1982) Môhình này dựa trên giả thuyết rối của Rotta và Kolmogorov được mở rộng chotrường hợp dòng chảy phân tầng Mô hình khép kín rối bậc 2 được sử dụngkết hợp với phương trình tiên lượng đối với rối quy mô lớn Nhìn chung, môhình rối mô phỏng khá tốt các quá trình động lực và xáo trộn

- Theo phương thẳng đứng, mô hình POM sử dụng toạ độ sigma, điều

đó giúp cho mô hình mô phỏng tốt trong cả những trường hợp địa hình biếnđổi mạnh như khu vực cửa sông hay thềm lục địa đứt gãy, độ dốc lớn Hệ tọa

độ sigma cùng với mô hình con khép kín rối làm hiện thực hóa lớp biên đáy,

do đó mô hình có khả năng mô phỏng tốt khu vực ven biển, cửa sông có ảnhhưởng của thủy triều Theo phương ngang, mô hình sử dụng phương pháp saiphân hữu hạn so le (sơ đồ Akarawa C) trên lưới cong trực giao

- Sai phân hiện theo phương ngang và sai phân ẩn theo phương thẳngđứng Điều này cho phép sử dụng độ phân giải mịn hơn theo phương thẳngđứng tại lớp biên đáy và lớp biên trên mặt

- Mô hình có lớp biên mặt tự do và bổ sung đầy đủ các thành phần thủynhiệt động lực

- Mô hình POM được viết trên ngôn ngữ FORTRAN 77 và cung cấp

mã nguồn miễn phí Người dùng có thể can thiệp trực tiếp vào mã nguồn đểphát triển, bổ sung và ứng dụng cho từng bài toán cụ thể, từng khu vực cụ thể

Trong luận văn, tác giả đã nghiên cứu và phát triển mô hình POM đểtính toán trường dòng chảy 3 chiều trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợpcủa thủy triều và gió Để tính toán, mô phỏng tốt trường dòng chảy tổng hợp,

mô hình phải mô tính toán tốt dòng chảy triều và dòng chảy gió trong vịnhBắc Bộ Do đó, các nghiên cứu chính được thực hiện trong luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu mô hình POM để tính toán thủy triều trong Biển Đông vàtrong vịnh Bắc Bộ

- Nghiên cứu, ứng dụng mô hình POM tính dòng chảy gió trong vịnh

Bắc Bộ

- Nghiên cứu, ứng dụng mô hình POM tính trường dòng chảy tổng hợp(triều + gió) trong vịnh Bắc Bộ trong điều kiện gió mùa và trong điều kiệnbão

CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 2.1 Hệ phương trình cơ bản

Mô hình POM là mô hình hoàn lưu đại dương ven biển 3 chiều, mãnguồn mở, sử dụng hệ phương trình nguyên thủy, phụ thuộc thời gian, hệ tọa

độ sigma và bề mặt tự do POM có chứa mô hình con khép kín rối giúp hiệnthực hóa lớp Ekman trên mặt và dưới đáy

Các phương trình cơ bản để lập thành lập mô hình hoàn lưu là cácphương trình mô tả các trường vận tốc, dao động mặt nước, nhiệt độ và độmuối Trong mô hình sử dụng hai xấp xỉ cơ bản là xấp xỉ thủy tĩnh và xấp xỉBoussinesq Theo phương thẳng đứng, mô hình POM sử dụng hệ tọa độsigma, trong đó tọa độ sigma có thể thay đổi theo độ sâu nước

Hệ toạ độ sigma được mô tả trong hình sau:

Hình 2.1 Hệtoạ độ sigmaCôngthức đổi biến từtọa độ Đề cácsang hệ tọa độsigma:

, (1a,b,c,d)trong đó:

t

t H

z y

y x

x, y, z, t: là toạ độ và thời trong hệ toạ độ Đề các;

x * , y * , σ, t *: là tọa độ và thời gian trong hệ tọa độ sigma

H(x,y): độ sâu trung bình đáy biển;

(x,y,t):

mực nước biển;

có phạm vi từ = 0 tại z = tới = -1 tại z = H.

2.2.1 Các phương trình thủy nhiệt động

lực học

Xét một hệ tọa độ, trong đó theo sử dụng hệ tọa độ Đề các theo phươngngang với trục x hướng về phía đông, trục y hướng về phía bắc, phương thẳngđứng sử dụng tọa độ sigma hướng lên trên Phương trình liên tục có dạng:

trong đó, D

= H + η; U,

V là cácthành phần

ngang; làvận tốc thẳngđứng trong

hệ toạ độsigma

(vuông gócvới mặt sigma)

Các phương trình chuyển động Reynolds có dạng:

DV x







(3)

(4)

trong đó f là tham số Coriolis; g là gia tốc trọng trường; ρ 0 là mật độ

nước biển thế vị; ρ là mật độ in situ; K M là hệ số nhớt động học thẳng đứng;

F x , F y là các thành phần khuếch tán và nhớt rối theo phương ngang

, (5a)

x M

o

F

U D

K d

x

D D

x gD

x

gD fVD

U y

UVD x

D

U t

' '

o

F

V D

K d

y

D D

y gD

y

gD fUD

V y

D

V x

UVD t

' '

, (5b)trong đó:

, (6a,b,c)

Với A M là hệ số nhớt động học theo phương ngang Các số hạng F x và

F y bất biến trong phép quay trục tọa độ

Các phương trình bảo toàn nhiệt độ và độ muối có dạng:

(7)

(8)

trong đó, T là nhiệt độ thế vị và S là độ muối; K H là hệ số khuếch tán rối

theo phương thẳng đứng; R là thông lượng phát xạ sóng ngắn; F T , F S là các

) (

x

V y

U A

T D

K

T y

TVD x

TUD t

K

S y

SVD x

SUD t

thành phần khuếch tán và nhớt rối theo phương ngang đối với nhiệt độ và độmuối.

(9a)

(9b)

với A H là hệ số khuếch tán nhiệt theo phương ngang Trong các số hạng

khuếch tán ngang ở trên, các hệ số khuếch tán A M và A H có tác dụng làm giảmnhiễu tính toán dưới lưới, các hệ số này thường được giữ không đổi Các hệ

số khuếch tán được chọn sao cho không là trơn các đặc trưng thực quá mức.Khi độ phân giải của lưới tính theo phương thẳng đứng nhỏ cần giảm hệ sốkhuếch tán ngang vì khi đó quá trình bình lưu ngang kèm theo xáo trộn thẳngđứng có tác động tương tự như khuếch tán ngang Trong mô hình này, mốiquan hệ giữa các hệ số khuếch tán ngang với quy mô lưới đã được giải quyếttheo công thức Smagorinsky như sau:

(10)

cách làm của Mellor và Yamada (1974) Các hệ số xáo trộn thẳng đứng K M và

K H thu được bằng phương pháp khép kín rối bậc hai (Mellor và Yamada,

T HA x

S HA x

/ x v x u y v y u

1982), trong đó mô phỏng rối bằng các phương trình động năng rối và quãngđường xáo trộn:

(11)

(12)trong

đó, q 2 là hai

lần động năng rối; l là quãng đường xáo trộn; B 1 , E 1 là các hằng số kinh

nghiệm; F q và F l là số hạng xáo trộn ngang và được tham số hóa tương tựnhiệt độ và độ muối:

(13a)

(13b)

Vận tốc thẳng đứng trong hệ tọa độ Đề các được tính như sau:

q H

M

q

F l

B

Dq K

g V

U D

K

q D

K

q y

D

Vq x

D

Uq t

2 2

2 2

2

2

~ 2

M

q

F W B

Dq K

g V

U D

K l E

l q D

K l

q y

lD Vq x

lD Uq t

lD q

0

2 2

1

2 2

2 2

q HA x

F q H H

2 2

l q HA x

F l H H

2 2

,(14) Cáchàm gần biêncứng đượctính theo cáccông thức: ,với ; với làvận tốc âm

thanh E 2 làhằng số kinhnghiệm

Theocác kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm (Mellor và Yamada, 1982) thì

các hằng số kinh nghiệm nhận các giá trị như sau: B 1 = 16,6, E 1 = 1,8 và E 2 =1,33

2.2.3 Điều kiện biên

Điều kiện biên thẳng đứng đối với phương trình (2) là:

t t

D y

y

D V

x x

D U

( 1

  0      1  0



0 ) 0 ( 

K

z M

, /

1

2

z H

, (17c,d)Điều kiện biên đối với phương trình (11) và (12) là:

là vận tốc

ma sát tạiđỉnh hoặcđáy Do độ

1 ,

dài xáo trộn không tiến đến không tại bề mặt có sóng gió, vì vậy gây sai số ởlớp nước mặt có độ dày tương đương chiều cao sóng Do đó, đây vẫn là khuvực cần cải thiện hơn nữa.

Do đó, vận tốc tính trong thức nội phải điều chỉnh theo vận tốc trung bìnhtrong thức ngoại

Thức ngoại sử dụng phương pháp sai phân nhảy cóc (leap frogs) với

bước thời gian ngắn, dte Bước thời gian tính toán của thức ngoại được tính

theo điều kiện ổn định Courant-Fridrichs-Levy (CFL):

, (19)

2 / 1 2 2

1 1

t

t E





trong đó: ; là vận tốc lớnnhất;,là bước lưới theo phương ngang

Việc tính toán các biến 3 chiều trong thức nội được chia ra bước thờigian khuếch tán thẳng đứng và bước thời gian bình lưu có bổ sung khuếch tánngang Theo phương thẳng đứng sử dụng phương pháp sai phân ẩn để thíchhợp với bước không gian thẳng đứng nhỏ gần bề mặt, trong khi đó theophương ngang sử dụng phương pháp sai phân hiện

Bước thời gian tính toán của thức nội phải thỏa mãn tiêu chuẩn ổn địnhCFL:

(20)

trong đó, ; CT là tốc độ

sóng trọng lực nội, khoảng 2m/s; U max là tốc độ bình lưu cực đại

Đối với điều kiện đại dương ven biển điển hình, tỷ số giữa các bước

thời gian isplit = Δtt I /ΔtΔtt E nằm trong khoảng 30 – 80

Các giới hạn bổ sung được quy định bởi các thành phần khuếch tánđộng lượng hoặc vô hướng theo phương ngang như sau:

(21)

trong đó, A = A H hoặc A = A M

Giới hạn quy định bởi sự quay của trái đất là:

(22)

trong đó, Ω là vận tốc góc của trái đất; Φ là vĩ độ.

  max 2

/ 1

2 gH U

C t  U  maxy x 

2 / 1 2 2

1 1

t

T I

1 1 4

1 1

f

t I

2.3 Chương trình pom2k và các thủ tục con

Chương trình chính pom2k: bao gồm phần xác định giá trị ban đầu và

thức nội với bước thời gian theo chỉ số iint Các thủ tục con của thức nội (3 chiều) bao gồm: advq, profq, advu, profu, advv, profv, advt, proft và dens Các thủ tục con được gọi sau mỗi bước thời gian iint = 1 đến iint = iend Chứa đựng trong vòng lặp iint là vòng lặp iext của thức ngoại với isplit vòng lặp (isplit = dti/Δtdte) Thức ngoại tính vận tốc trung bình độ sâu và mực nước

dựa trên các số hạng mật độ, sự phân tán và ứng suất đáy tính theo thức nội,các số hạng này được giữ không đổi trong các bước thời gian của thức ngoại.Các số hạng bình lưu và khuếch tán ngang của thức ngoại được tính toán bằngcách tích phân thẳng đứng các số hạng tương ứng trong thức nội

Thủ tục con advave: tính các số hạng bình lưu và khuếch tán ngang cho

thức ngoại Nếu tính toán 2 chiều, thủ tục này cũng tính ma sát đáy từ phươngtrình kéo theo bậc 2; ngược lại, trong tính toán 3 chiều ma sát đáy được tínhtrong các thủ tục profu và profv

Thủ tục con advt: tính toán thành phần bình lưu và khuếch tán ngang

của nhiệt độ và độ muối (hoặc đại lượng vô hướng khác)

Thủ tục con proft: tính thành phần khuếch tán thẳng đứng của nhiệt độ

và độ muối sử dụng phương pháp của Richmeyer và Morton (1967) Thủ tụcnày cũng có thể sử dụng để tính cho các thành phần địa hóa khác ngoài nhiệt

độ và độ muối

Thủ tục con baropg: tính hiệu ứng nghiêng áp, tích phân thẳng đứng

của mật độ trong phương trình (3) và (4) sau khi các phương trình này đượcviết dưới dạng thể tích hữu hạn

Thủ tục con adcvt, advu và advv: thủ tục adcvt tính bình lưu ngang và

các thành phần khuếch tán trong phương trình (3) và (4) Các thành phần nàyđược sử dụng trong tính toán của thức ngoại sau khi đã lấy trung bình tích

phân theo độ sâu Thủ tục advu và advv tính bình lưu ngang và thẳng đứng

của động lượng cho thức nội, bao gồm các số hạng Coriolis, độ dốc mặt nước

và thành phần nghiêng áp

Thủ tục con profu và profv: Tính khuếch tán động lượng theo phương

thẳng đứng theo phương pháp Richmeyer và Morton

Thủ tục con advq: Tính bình lưu, khuếch tán ngang và bình lưu thẳng

đứng đối với các thành phần rối

Thủ tục con profq: Tính thành phần thẳng đứng của động năng rối,

quãng đường xáo trộn, độ nhớt động học và khuếch tán động năng sử dụngphương pháp khép kín rối của Mellor và Yamada (1982)

Thủ tục con proft: Tính khuếch tán thẳng đứng của nhiệt độ và độ muối

sử dụng phương pháp Richmyer và Morton

Thủ tục con dens: Giải phương trình trạng thái của UNESCO đã được

hiệu chỉnh bởi Mellor (1991) Mật độ in situ được xem như là một hàm của

độ muối, nhiệt độ thế vị và áp suất, trong đó áp suất được tính theo xấp xỉthủy tĩnh và mật độ không đổi

Thủ tục con slpmin: Kiểm tra địa hình và điều chỉnh độ sâu sao cho

hiệu độ sâu giữa 2 điểm lưới cạnh nhau với tổng độ sâu nhỏ hơn hoặc bằng

tham số slpmin cho trước.

Hình 2.2 Sơ đồ khối tính toán của mô hình POM

8000 IEXT=1, ISPLIT

Adjust integral

of U, V to match

UT, VT

VERTVL BCOND(5)

ADVT(T) ADVT(S) PROFT(T) PROFT(S) BCOND(4)

ADVU ADVV) PROFU PROFV BCOND(3)

BCOND(2)

8000

ADVQ(Q2) ADVQ(Q2L) PROFQ BCOND(6)

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Nghiên cứu mô hình POM tính thủy triều trong Biển Đông

3.1.1 Khái quát về những nghiên cứu thủy triều trong Biển Đông

Địa hình đáy biển của Biển Đông biến đổi rất phức tạp, trong biển cónhiều đảo lớn nhỏ, đường bờ biển quanh co phức tạp làm cho chế độ thủyđộng lực nói chung và thủy triều nói riêng có những đặc thù riêng biệt khácvới các biển khác trên thế giới Thủy triều Biển Đông được chú ý và nghiêncứu từ rất sớm Ở nước ta, những nhận xét đầu tiên về đặc điểm chế độ thủytriều trong các vùng biển đã được ghi lại trong Dư địa chí của Nguyễn Trãi(thế kỷ 15), Vân Đài loại ngữ và Phủ biên tạp lục của Lê Quý Đôn (thế kỷ18) Tuy nhiên, phải đến tận thế kỷ 20 mới có những nghiên cứu mang tính hệthống và khoa học với các công trình của Darwin (1905), Poincare (1910) Từ

đó đến nay, việc điều tra nghiên cứu thủy triều trong Biển Đông ngày càngđược phát triển và hoàn thiện Việc nghiên cứu thủy triều Biển Đông chủ yếutheo 2 hướng chính:

- Nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian qua tài liệu thực đo tại các trạmven bờ và nội ngoại suy để tìm sự phân bố theo không gian;

- Nghiên cứu sự phân bố trong không gian của các đặc trưng thủy triềubằng cách giải hệ phương trình thủy động lực 2 chiều

Hướng nghiên cứu thứ nhất dựa trên các chuỗi số liệu quan trắc tại cáctrạm để tiến hành phân tích, tính toán các tham số đặc trưng cho chế độ thủytriều như: mực nước trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, thờigian triều rút, các hằng số điều hòa thủy triều, Bảng thủy triều cho cáccảng chính dọc ven biển Việt Nam được xây dựng dựa trên phương pháp này.Phân bố không gian của dao động thủy triều thu được theo phương pháp nộingoại suy Những tác giả nghiên cứu theo hướng này có thể kể đến là Dietrich

(1944), Villain (1950), Wyrtki (1961), Nguyễn Ngọc Thuỵ (1962), Bogdanov(1963), Du Mộ Canh (1984), Pariwono (1985), Fang (1986), Huang và cáccộng sự (1994).

Hướng nghiên cứu thứ hai bắt đầu muộn hơn hướng thứ nhất nhưng làhướng nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ do những tiến bộ của khoa họctính toán và công nghệ máy tính Hai phương pháp thông dụng theo hướngnghiên cứu này là phương pháp giải tích và phương pháp mô hình số trị.Phương pháp giải tích có ưu điểm cho nghiệm đúng của bài toán, tuy nhiênlớp các bài toán sử dụng được phương pháp này lại rất hạn chế như yêu cầumiền nghiên cứu có dạng đơn giản với độ sâu đồng nhất hoặc biến đổi tuyếntính Vì vậy, phương pháp này không thể áp dụng tính toán thủy triều BiểnĐông - nơi có địa hình biến đổi rất phức tạp Phương pháp được phát triểnmạnh mẽ nhất hiện nay để giải các bài toán thủy động lực học là phương pháp

mô hình số trị Những công trình đầu tiên nghiên cứu thủy triều Biển Đôngtheo phương pháp này là của Sergeev (1964), tiếp đến là Nguyễn Ngọc Thụy(1969) và Đặng Công Minh (1975) đã sử dụng phương pháp giá trị biên củaHanxen để tính phân bố biên độ và pha của bốn sóng triều chính trong BiểnĐông Các phát triển tiếp theo của nghiên cứu thủy triều theo của phươngpháp này là dựa trên hệ phương trình thủy động lực học triều phi tuyến vớiđiều kiện biên hỗn hợp Phương pháp này đã được rất nhiều nhà khoa họctrong nước cũng như nước ngoài sử dụng để tính toán thủy triều cho BiểnĐông Có thể kể đến các trình của các tác giả: Ye và Robinxon (1983), Li vàChen (1987), nhóm mô hình triều thuộc đề tài nhà nước KT.03.03 (1991-1995) (gồm Đỗ Ngọc Quỳnh, Đặng Công Minh, Bùi Hồng Long, Lê TrọngĐào, Nguyễn Thọ Sáo), Fang, Kwork, Yu và Zhu (1999)…v.v Tác giả ĐinhVăn Mạnh đã bước đầu xây dựng mô hình 3 chiều cho chuyển động thủy triềutrong vịnh Bắc Bộ Một số tác giả đã nghiên cứu các chu kỳ dao động riêng

của biển và đánh giá tác động trực tiếp của lực tạo triều trong phạm vi BiểnĐông như: Đỗ Ngọc Quỳnh (1983, 1991), Phạm Văn Huấn (1987), Phạm VănNinh và Trần Thị Ngọc Duyệt (1997), Đỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh,Nguyễn Thị Việt Liên và Trần Thị Ngọc Duyệt (1998).

Bài toán thủy triều trong Biển Đông đã được rất nhiều các nhà khoahọc quan tâm nghiên cứu và thu được nhiều kết quả quan trọng, tuy nhiên,vẫn còn nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển Những tính toánthủy triều trước đây bằng phương pháp mô hình số trị chủ yếu dựa trên việcgiải hệ phương trình nước nông 2 chiều, nhưng để tìm hiểu sâu hơn về cơ chếlan truyền, biến đổi của thủy triều trong Biển Đông và nghiên cứu ảnh hưởngcủa lớp biên đáy lên quá trình hình thành, lan truyền thủy triều cần sử dụng

mô hình thủy động lực học 3 chiều Trong luận văn này, tác giả đã nghiên cứuphát triển mô hình POM với điều kiện biên thủy triều, đây là một phần trongmục tiêu phát triển mô hình POM để tính dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ dướitác dụng tổng hợp của gió và thủy triều Mô hình đã được hiệu chỉnh, kiểmnghiệm với kết quả tính thủy triều theo các hằng số điều hòa tại các trạm hảivăn ven biển nước ta Nghiên cứu cũng hướng đến mục tiêu nâng cao độchính xác mô phỏng thủy triều trên Biển Đông bằng mô hình thủy động lựchọc 3 chiều

3.1.2 Kết quả tính thủy triều Biển Đông bằng mô hình POM

a Điều kiện tính toán

Trong các nghiên cứu về thủy triều bằng mô hình số trị trước đây, cáctác giả thường lấy biên miền tính cắt ngang các eo nối Biển Đông với các đạidương: eo Đài Loan, eo Luzon, eo Malaca Cách làm này có ưu điểm là sốđiểm trên biên lỏng ít, tuy nhiên, chế độ thủy động lực tại các eo biển này rấtphức tạp, có tính phi tuyến rất cao Tại eo Luzon tồn tại hai dãy núi ngầmtheo hướng bắc-nam, hơn nữa địa hình đáy ở đây phức tạp và biến đổi đột

ngột Thủy triều truyền vào Biển Đông qua eo Luzon tương tác với hai dãynúi ngầm tạo ra thủy triều nghiêng áp truyền vào cả Biển Đông và Thái BìnhDương Quá trình dẫn đến tiêu tán năng lượng thủy triều, chuyển thành nănglượng rối và nhiệt Tại eo Luzon, tốc độ tiêu tán động năng rối trung bình làO(10-7) W/kg và khuếch tán rối là O(10-3) lớn gấp 100 lần so với trung bìnhtrong đại dương (Sen Jan và nnk, 2008) Tốc độ biến đổi năng lượng từ thủytriều chính áp sang thủy triều nghiêng áp đạt 30% đối với sóng nhật triều và20% đối với sóng bán nhật triều Dòng triều tại các eo Đài Loan và eo Luzonkhá lớn, tốc độ trung bình của dòng triều tại Đài Loan là 0,46m/s, lớn nhất đạt0,8m/s và nhỏ nhất là 0,2m/s (Y.H Wang, 2002), tốc độ dòng triều tại eoLuzon nằm trong khoảng 0,05 – 0,3 m/s (Sen Jan và nnk, 2008) Năng lượngthủy triều nghiêng áp bán nhật truyền vào Biển Đông tương tự như nguồnnăng lượng đối với sóng nội phi tuyến biên độ lớn Tốc độ tiêu tán nănglượng của sóng M2 tại eo Đài Loan cũng đáng kể (Tingting Zu và nnk, 2007)

Các bài toán tính lan truyền thủy triều, điều kiện biên thường là mựcnước hoặc điều kiện phát xạ đối với mực nước (triều chính áp), bỏ qua thànhphần triều nghiêng áp Do đó, biên tính toán thủy triều cần đặt ở vị trí có triềunghiêng áp nhỏ để giảm sai số đầu vào cho mô hình Tại các eo Luzon và ĐàiLoan, tốc độ chuyển hóa năng lượng triều chính áp sang triều nghiêng áp lớnnên chọn làm biên miền tính sẽ không phù hợp Hơn nữa, tốc độ tiêu tán nănglượng thủy triều tại các eo này lớn, tính phi tuyến thể hiện rất cao, việc sửdụng hằng số điều hòa tại một số điểm trên eo để tính mực nước và nội suycho các điểm còn lại trên biên để làm điều kiện biên tính toán trong mô hình

là không phù hợp

Trong nghiên cứu này, tác giả đã mở rộng biên miền tính ra phía TháiBình Dương, xa các eo biển để giảm ảnh hưởng của các quá trình phi tuyếnlên trên biên Tại khu vực này sóng triều khu vực có thể coi là tuyến tính, tốc

dòng triều tại biên nhỏ Sự biến đổi năng lượng từ triều chính áp sang triềunghiêng áp, tiêu tán năng lượng do động năng rối tại các eo biển được tínhđến ở trong mô hình, do đó sẽ làm tăng độ chính xác của mô phỏng thủy triềutrong Biển Đông.

Giới hạn miền tính: 98,75E – 125E; -3N – 27N; độ phân giải của lướitính là 5 phút Phương ngang sử dụng hệ tọa độ cầu, theo phương thẳng đứng

sử dụng tọa độ sigma 20 tầng Các tầng sigma trên mặt và dưới đáy được chiatheo thang logarit, các tầng giữa chia tuyến tính

Địa hình đáy biển thu thập từ dự án “Xây dựng hệ thống bản đồ nguy

cơ sóng thần cho các vùng ven biển Việt Nam”, theo đó địa hình Biển Đôngđược kết hợp giữa số liệu đo đạc của Bộ Tư lệnh Hải quân (bản đồ tỷ lệ1:25.000, 1:50.000, 1:200:000, 1:500.000, 1:1000.000 tùy từng khu vực) vàETOPO 5 Tất cả số liệu địa hình đã được quy chuẩn về mực nước biển trungbình

Hình 3.1 Địa hình Biển ĐôngĐiều kiện biên trong tính toán mô phỏng thủy triều:

- Biên cứng: điều kiện biên không thấm: ,

- Biên lỏng: điều kiện biên mực nước: η = BC,

trong đó, là mực nước biển; BC là mực nước tại biên; là véc tơ

vận tốc dòng chảy; là véc tơ pháp tuyến của biên cứng

Kết quả tính toán lan truyền thủy triều trong Biển Đông được so sánhvới số liệu mực nước theo phân tích điều hòa tại 9 trạm hải văn dọc ven biểnnước ta

Bảng 3.1: Tọa độ các trạm nghiệm triều

TT Tên trạm Kinh độ (E) Vĩ độ (N)

b) Kết quả tính thủy triều trong Biển Đông

Để tính dao động mực nước tại các biên, tác giả đã tích hợp vào môhình POM module tính mực nước theo các hằng số điều hòa trích từ bảnghằng số điều hòa toàn cầu độ phân giải 0,25 độ (đối với 8 sóng: M2, S2, O1,K1, N2, K2, P1, Q1) Mực nước tại các điểm biên không có số liệu hằng sốđiều hòa được nội suy tuyến tính từ mực nước của các điểm lân cận Mựcnước tại biên được cập nhật vào mô hình sau mỗi bước thời gian tính toán của

tính của các nghiên cứu trước đây (99E – 121E; 1N – 25N) và tính theo miềntính đã được mở rộng trong nghiên cứu này:

Tác giả đã đưa ra so sánh dao động mực nước tại 4 trạm hải văn đạidiện cho các vùng ven biển Việt Nam tính trong 2 trường hợp giới hạn miềntính khác nhau Trong các hình vẽ, đường nét đứt, màu xanh (kí hiệu TH1) làdao động mực nước trong trường hợp miền tính có đường biên cắt qua các eobiển; đường liền nét, màu đỏ (kí hiệu TH2) là dao động mực nước trongtrường hợp biên miền tính đã được mở rộng hơn về phía Thái Bình Dương.

Kết quả tính toán cho thấy giới hạn miền tính toán có ảnh hưởng lớnđến kết quả mô phỏng thủy triều trong Biển Đông Biên độ thủy triều trongBiển Đông suy giảm đáng kể nếu biên miền tính cắt qua các eo biển Sai sốtương đối nhận được giữa 2 phương pháp chọn miền tính tại trạm Hòn Dấu là29,5%; trạm Thuận An là 18%; trạm Quy Nhơn là 19,7% và trạm Vũng Tàu

là 18,2% Các sai số này tương ứng với phần năng lượng thủy triều chính áp

đã chuyển thành thủy triều nghiêng áp tại các eo biển như đã trình bày ở trên

Như vậy, việc mở rộng biên miền tính ra xa các eo biển là cần thiết để tăng độchính xác mô phỏng thủy triều trong Biển Đông.

Mực nước tại các trạm hải văn ven biển tính bằng mô hình POM được

so sánh với mực nước tính theo các hằng số điều hòa tại các trạm Trong cáchình vẽ dưới đây, đường nét đứt màu xanh thể hiện biến trình mực nước tạicác trạm hải văn tính theo các hằng số điều hòa (kí hiệu: PTDH); đường nétliền màu đỏ là mực nước tại các trạm hải văn tính theo mô hình POM (kíhiệu: POM) Thời gian tính thủy triều: từ 1/10/1998 – 31/10/1998:

Mực nước Quy Nhơn

Mực nước Côn Đảo

Kết quả tính toán cho thấy, tại hầu hết các trạm hải văn ven biển nước

ta, dao động mực nước tính theo mô hình POM hoàn toàn phù hợp với daođộng mực nước tính theo các hằng số điều hòa tại các trạm cả về pha và độlớn Mặc dù tại một số thời điểm, tại một số trạm, sai số dao động mực nướcgiữa hai phương pháp khá lớn, nhưng xét trên toàn bộ chuỗi số liệu tính toánthì sai số này hoàn toàn chấp nhận được Sai số tương đối trung bình của cáctrạm là 7,56%, trạm Vũng Tàu có sai số tương đối nhỏ nhất (5,28%) và trạmThổ Chu có sai số tương đối lớn nhất (12,9%) Hệ số tương quan mực nướctính theo hai phương pháp cũng khá cao, lớn nhất là trạm Thuận An (0,96) vàtrạm Vũng Tàu (0,96), nhỏ nhất là trạm Sơn Trà (0,84)

Bảng 3.2 Hệ số tương quan mực nước tính toán và thực đo