Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)

MỤ Ụ

MỞ ẦU 6

HƯƠNG 1 - TỔNG QU N 8

HƯƠNG 2 - Ơ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 12

2.1 Hệ phương trình cơ bản 12

2.2.1 ác phương trình thủy nhiệt động lực học 13

2.2.2 Khép kín rối 15

2.2.3 iều kiện biên 16

2.2 Phương pháp số 17

2.3 hương trình pom2k và các thủ tục con 19

HƯƠNG 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN ỨU 22

3.1 Nghiên cứu mô hình POM tính thủy triều trong Biển ông 22

3.1.1 Khái quát về những nghiên cứu thủy triều trong Biển ông 22

3.1.2 Kết quả tính thủy triều Biển ông bằng mô hình POM 24

3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ 35

3.2.1 Khái quát những nghiên cứu về dòng chảy trong Biển ông và vịnh Bắc Bộ 35

3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy gió trong vịnh Bắc Bộ 39

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 49

3.2.4 Áp dụng mô hình POM tính dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ trong điều kiện bão 56

KẾT LUẬN 68

T I LIỆU TH M KHẢO 70

ẢM Ơ

Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tác giả đã nhận 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 Thọ Sáo trong suốt quá trình làm luận văn

Qua luận văn, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Nguyễn Thọ Sáo và các thầy giáo trong bộ môn Hải dương học – Khoa Khí tượng Thủy 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 giả hoàn thành tốt luân văn này

Hà Nội, ngày tháng năm 2010

MỞ ẦU

Mô hình POM là mô hình đại dương hiện đại, mã nguồn mở được phát triển bởi Blumberg và Mellor vào cuối những năm 1970 POM là mô hình đại dương hệ tọa độ sigma, bề mặt tự do, phương trình nguyên thủy và chứa mô hình con khép kín rối ây là một trong những mô hình đại dương đầu tiên cung cấp miễn phí mã nguồn cho người sử dụng với cộng đồng người dùng trên 3000 người ở 70 quốc gia Tuy nhiên, mã nguồn của mô hình được cung cấp miễn phí cho người dùng mới chỉ viết sẵn cho trường hợp tính dòng chảy cho một thủy vực kín, hình chữ nhật, có đáy phẳng và trường gió không đổi theo 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 bài bài toán ở nhiều quy mô khác nhau ở nhiều nơi trên thế giới như: vịnh Mexico (Blumberg và Herring, 1983), vịnh Delaware (B.Galparil), Bắc Băng Dương (L.Kantha, S.Hakkinen) POM vẫn tiếp tục được nhiều nhà khoa học phát triển và ứng dụng theo nhiều hướng khác nhau như: xây dựng hệ thống

dự báo biển ( ikman, hen), nghiên cứu khí hậu đại dương của ại Tây Dương, 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 mới không ngừng bởi người sử dụng trên khắp thế giới

Trong luận văn này, tác giả 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, đồng thời nghiên cứu và phát triển phương pháp lưới lồng để liên kết tính toán giữa khu vực ngoài khơi và khu vực ven bờ Kết quả tính thủy triều tại các trạm hải văn ven bờ dọc ven biển nước ta đều cho độ chính xác khá cao

Trường dòng chảy trong Biển ông và trong vịnh Bắc Bộ tính toán theo mô hình POM hoàn toàn phù hợp với những kết quả quan trắc và những nghiên cứu về dòng chảy đã được công bố trước đây như: bản đồ dòng chảy của Wyrtki (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 vịnh Bắc Bộ, 1964) hay kết quả quan trắc bằng các phao nổi (drifter) trong “The Global Drifter Program” của J OMM Những kết quả tính dòng chảy và nước dâng bão cho cơn bão Damrey năm 2005 cũng cho kết quả phù hợp với những quan trắc hiện trường

Mặc dù đã đạt được nhiều kết quả khả quan trong nghiên cứu và phát triển mô hình POM tính dòng chảy 3 chiều trong Biển ông, vẫn cần thiết phải có những nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện, nâng cao độ chính xác dự báo dòng chảy, thủy triều, nước dâng trong vịnh Bắc Bộ cũng như trong Biển ông Ngoài ra, có thể nghiên cứu, phát triển mô hình POM theo các hướng khác 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 khoa học, bạn bè và đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện hơn nữa, nhằm đưa mô hình POM trở thành công cụ hữu hiệu để dự báo các trường thủy động lực học trong Biển ông cũng như trong vịnh Bắc Bộ

Xin chân thành cảm ơn!

ƯƠ 1 - TỔ QU

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 cả Bắc Bộ Trong vịnh có nhiều hải cảng quan trọng như cảng Hải Phòng, cảng Cái Lân, có nhiều ngư trường lớn cung cấp nguồn hải sản quan trọng cho đời sống người dân ven biển nước ta Ngoài ra, trong vịnh còn chứa đựng nhiều tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là hải sản và dầu khí ác hoạt động kinh tế biển ngày càng mang lại những lợi ích kinh tế to lớn, thu nhập từ các hoạt động giao thông, du lịch, đánh bắt thủy hải sản chiếm tỷ trọng ngày càng lớn trong tổng thu nhập quốc gia Do đó, phát triển kinh tế biển đang được coi là quốc sách hàng đầu của đất nước

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

ể 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 hàng đầu hỉ khi con người nắm được các quy luật tự nhiên của biển, hiểu được biển thì mới thể làm giàu từ biển Trong các yếu tố cần nghiên cứu về biển thì thủy động lực học biển là những yếu tố cơ bản và quan trọng ác yếu tố này

là nguyên nhân, là môi trường tác động lên các quá trình khác trong biển và đại 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 quan trọng

Trong những yếu tố thủy động lực học biển, dòng chảy biển đóng một vai 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 lưu khuếch tán vật chất, sự di cư của các loài cá, v.v Dòng chảy biển trong vịnh Bắc Bộ đã được nhiều nhà khoa học trong nước cũng như nước ngoài quan tâm nghiên cứu và đã thu được những kết quả quan trọng, đã phát hiện được nhiều đặc trưng, quy luật về dòng chảy trong vịnh Tuy nhiên, vẫn còn nhiều vấn đề về dòng chảy biển cần phải nghiên cứu ho đến nay, việc lập bản đồ hoàn lưu nền cho Biển ông nói chung và vịnh Bắc Bộ nói riêng vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện Bản đồ dòng chảy tầng mặt trong tlas quốc gia (1995) vẫn được lấy làm cơ sở cho chế độ hoàn lưu trên mặt Biển ông Các bản đồ này đã được các tác giả tổng hợp từ bản đồ được xây dựng căn cứ vào các số liệu khảo sát của chương trình N G (Wyrtki, 1961) và 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 vịnh Bắc Bộ, 1964) Atlas Quốc gia cũng đưa ra các bản đồ dòng chảy địa chuyển tính theo các trường nhiệt muối phân tích trên các chuỗi số liệu có tại Viện Hải dương trước năm

1990 ( ề tài 48 B 01-01, 1990)

ể nghiên cứu dòng chảy biển người ta thường sử dụng phương pháp điều tra, khảo sát thu thập số liệu để phân tích, đánh giá và phương pháp mô hình hóa Tuy nhiên, các số liệu điều tra khảo sát chủ yếu mang tính chất tức thời, không có được số liệu đồng bộ theo không gian và mức độ chi tiết hạn chế Phương pháp mô hình hóa có thể khắc phục được những hạn chế nêu trên, phương pháp này là một công cụ hiện đại góp phần giải thích các nguyên nhân 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 trắc trực 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 công nghệ tính toán và máy tính phát triển mạnh mẽ Hiện nay, có rất nhiều mô hình khác nhau để tính toán dòng chảy biển bao gồm cả mô hình thương mại lẫn mô hình mã nguồn mở ác mô hình thương mại có ưu điểm là chạy ổn định do đã được hiệu chỉnh, kiểm nghiệm kỹ lưỡng tuy nhiên giá thành của những mô hình này khá cao, người dùng không thể cập nhật những kết quả nghiên cứu mới vào mô hình, không thể phát triển ứng dụng theo hướng riêng cũng như khó khăn trong việc liên kết với các mô hình thủy động lực khác

ác mô hình mã nguồn mở thường được miễn phí, người dùng có thể liên tục cải 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 và đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Một số đặc điểm nổi bật, quan trọng của mô hình POM có thể kể ra như sau:

- hứa mô hình con khép kín rối bậc hai, cung cấp các hệ số xáo trộn thẳng 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 với Tetsuji Yamada (Mellor và Yamada, 1974; Mellor và Yamada, 1982) Mô hình này dựa trên giả thuyết rối của Rotta và Kolmogorov được mở rộng cho trường hợp dòng chảy phân tầng Mô hình khép kín rối bậc 2 được sử dụng kết hợp với phương trình tiên lượng đối với rối quy mô lớn Nhìn chung, mô hình 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 biến đổi 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 ảnh hưởng của thủy triều Theo phương ngang, mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn so le (sơ đồ karawa ) trên lưới cong trực giao

- Sai phân hiện theo phương ngang và sai phân ẩn theo phương thẳng đứng iều này cho phép sử dụng độ phân giải mịn hơn theo phương thẳng đứng 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 thủy nhiệt động lực

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

mã nguồn miễn phí Người dùng có thể can thiệp trực tiếp vào mã nguồn để phát 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 để tính toán trường dòng chảy 3 chiều trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợp của thủy triều và gió ể 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 vịnh Bắc 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 ông và

ƢƠ 2 - Ơ SỞ Ý T UYẾT MÔ Ì P M

Hệ toạ độ sigma đƣợc mô tả trong hình sau:

Hình 2.1 Hệ toạ độ sigma ông thức đổi biến từ tọa độ ề các sang hệ tọa độ sigma:

t t H

z y

y x

,





 , (1a,b,c,d) trong đó:

x, y, z, t: là toạ độ và thời trong hệ toạ độ ề 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 ác phương trình thủy nhiệt động lực học

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

DV x

ác phương trình chuyển động Reynolds có dạng:

x M

o

F U D

K d

x

D D x gD

x gD fVD U

y

UVD x

D U t

' '

, 0

2

2

(3)

y M

o

F V D

K d

y

D D y gD

y gD fUD V

y

D V x

UVD t

' '

, 0

y

H x

y

H x

V y

U A x

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

F y bất biến trong phép quay trục tọa độ

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

Z

R F T D

K T

y

TVD x

TUD t

TD

T H

F S D

K S

y

SVD x

SUD t

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

T HA x

S HA x

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 giảm nhiễu tính toán dưới lưới, các hệ số này thường được giữ không đổi ác 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 số khuếch tán ngang vì khi đó quá trình bình lưu ngang kèm theo xáo trộn thẳng đứng có tác động tương tự như khuếch tán ngang Trong mô hình này, mối quan hệ giữa các hệ số khuếch tán ngang với quy mô lưới đã được giải quyết theo công thức Smagorinsky như sau:

u V

phạm vi 0,10 đến 0,20 và có thể bằng 0 nếu bước lưới đủ nhỏ

2.2.2 hép kín rối

ác phương trình cơ bản chứa các số hạng thông lượng và ứng suất Reynolds đã tham số hóa, các số hạng này thể hiện khuếch tán rối của động lượng, nhiệt độ và độ muối Việc tham số hóa rối trong mô hình này dựa theo

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

K H thu được bằng phương pháp khép kín rối bậc hai (Mellor và Yamada, 1982), trong đó mô phỏng rối bằng các phương trình động năng rối và quãng đường xáo trộn:

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

D q

2 2

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

2 2

1

2 2

2 2

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 tự nhiệt độ và độ muối:

q HA x

2 2

l q HA x

2 2

(13b) Vận tốc thẳng đứng trong hệ tọa độ ề các được tính như sau:

t t

D y

y

D V x x

D U W

1 1

1

) ( )

  z  Hz

/ /

Theo các 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 iều kiện biên

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

 0    1  0

Nếu có thông lượng nước qua bề mặt thì  ( 0 )  0

iều kiện biên mặt đối với phương trình (3) và (4) là:

2

z H MAX

C

kb z





, (16e)

4

K H

, (17a,b)

1 ,

K H

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

Do đó, vận tốc tính trong thức nội phải điều chỉnh theo vận tốc trung bình trong 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):

2 / 1 2 2

1 1

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

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

2 / 1 2 2

1 1

t

T

trong đó, C T  2CUmax; C T là tốc độ sóng trọng lực nội, khoảng 2m/s;

U max là tốc độ bình lưu cực đại

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

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

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

1 2 2

1 1 4

1 1

f

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

2.3 hương 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 ác thủ tục con của thức nội (3 chiều) bao gồm: advq, profq, advu, profu, advv, profv, advt, proft và dens

ác thủ tục con được gọi sau mỗi bước thời gian iint = 1 đến iint = iend hứa đựng trong vòng lặp iint là vòng lặp iext của thức ngoại với isplit vòng lặp (isplit = dti/dte) 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 ác

số hạng bình lưu và khuếch tán ngang của thức ngoại được tính toán bằng cách 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 phương trình kéo theo bậc 2; ngược lại, trong tính toán 3 chiều ma sát đáy được tính trong 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 tục này 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 được viết 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) ác thành phần này được 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 oriolis, 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 dụng phương 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 UNES O 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 xỉ thủy 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)

ƯƠ 3 - ẾT QUẢ ỨU 3.1 Nghiên cứu mô hình P M tính thủy triều trong Biển ông

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

ịa hình đáy biển của Biển ông biến đổi rất phức tạp, trong biển có nhiều đảo lớn nhỏ, đường bờ biển quanh co phức tạp làm cho chế độ thủy động lực nói chung và thủy triều nói riêng có những đặc thù riêng biệt khác với các biển khác trên thế giới Thủy triều Biển ông được chú ý và nghiên cứu từ rất sớm Ở nước ta, những nhận xét đầu tiên về đặc điểm chế độ thủy triều trong các vùng biển đã được ghi lại trong Dư địa chí của Nguyễn Trãi (thế kỷ 15), Vân ài loại ngữ và Phủ biên tạp lục của Lê Quý ôn (thế kỷ 18) Tuy nhiên, phải đến tận thế kỷ 20 mới có những nghiên cứu mang tính hệ thống 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 ông ngày càng được phát triển và hoàn thiện Việc nghiên cứu thủy triều Biển ông chủ yếu theo 2 hướng chính:

- Nghiên cứu sự biến đổi theo thời gian qua tài liệu thực đo tại các trạm ven 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 triều bằng cách giải hệ phương trình thủy động lực 2 chiều

Hướng nghiên cứu thứ nhất dựa trên các chuỗi số liệu quan trắc tại các trạm để tiến hành phân tích, tính toán các tham số đặc trưng cho chế độ thủy triều như: mực nước trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, thời gian triều rút, các hằng số điều hòa thủy triều, Bảng thủy triều cho các cảng 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 nội ngoại 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 anh (1984), Pariwono (1985), Fang (1986), Huang và các cộng sự (1994)

Hướng nghiên cứu thứ hai bắt đầu muộn hơn hướng thứ nhất nhưng là hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh mẽ do những tiến bộ của khoa học tính toán và công nghệ máy tính Hai phương pháp thông dụng theo hướng nghiên 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 nhiên lớp các bài toán sử dụng được phương pháp này lại rất hạn chế như yêu cầu miền nghiên cứu có dạng đơn giản với độ sâu đồng nhất hoặc biến đổi tuyến tính Vì vậy, phương pháp này không thể áp dụng tính toán thủy triều Biển ông - nơi có địa hình biến đổi rất phức tạp Phương pháp được phát triển mạnh 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 ông theo phương pháp này là của Sergeev (1964), tiếp đến là Nguyễn Ngọc Thụy (1969) và ặng ông Minh (1975) đã sử dụng phương pháp giá trị biên của Hanxen để tính phân bố biên độ và pha của bốn sóng triều chính trong Biển ông ác phát triển tiếp theo của nghiên cứu thủy triều theo của phương pháp này là dựa trên hệ phương trình thủy động lực học triều phi tuyến với điều kiện biên hỗn hợp Phương pháp này đã được rất nhiều nhà khoa học trong nước cũng như nước ngoài sử dụng để tính toán thủy triều cho Biển ông ó thể kể đến các trình của các tác giả: Ye và Robinxon (1983), Li và hen (1987), nhóm mô hình triều thuộc đề tài nhà nước KT.03.03 (1991-1995) (gồm ỗ Ngọc Quỳnh, ặng ông Minh, Bùi Hồng Long, Lê Trọng

ào, Nguyễn Thọ Sáo), Fang, Kwork, Yu và Zhu (1999)…v.v Tác giả inh Văn Mạnh đã bước đầu xây dựng mô hình 3 chiều cho chuyển động thủy triều trong 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 Biển ông như: ỗ Ngọc Quỳnh (1983, 1991), Phạm Văn Huấn (1987), Phạm Văn Ninh và Trần Thị Ngọc Duyệt (1997), ỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh, Nguyễn Thị Việt Liên và Trần Thị Ngọc Duyệt (1998)

Bài toán thủy triều trong Biển ông đã được rất nhiều các nhà khoa học 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 toán thủy triều trước đây bằng phương pháp mô hình số trị chủ yếu dựa trên việc giải hệ phương trình nước nông 2 chiều, nhưng để tìm hiểu sâu hơn về cơ chế lan truyền, biến đổi của thủy triều trong Biển ông và nghiên cứu ảnh hưởng của 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 cứu phát triển mô hình POM với điều kiện biên thủy triều, đây là một phần trong mục tiêu phát triển mô hình POM để tính dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợp của gió và thủy triều Mô hình đã được hiệu chỉnh, kiểm nghiệm với kết quả tính thủy triều theo các hằng số điều hòa tại các trạm hải văn ven biển nước ta Nghiên cứu cũng hướng đến mục tiêu nâng cao độ chính xác mô phỏng thủy triều trên Biển ông bằng mô hình thủy động lực học 3 chiều

3.1.2 ết quả tính thủy triều Biển ông bằng mô hình P M

a iều kiện tính toán

Trong các nghiên cứu về thủy triều bằng mô hình số trị trước đây, các tác giả thường lấy biên miền tính cắt ngang các eo nối Biển ông với các đại dương: eo ài Loan, eo Luzon, eo Malaca ách làm này có ưu điểm là số điểm trên biên lỏng ít, tuy nhiên, chế độ thủy động lực tại các eo biển này rất phức tạp, có tính phi tuyến rất cao Tại eo Luzon tồn tại hai dãy núi ngầm

ngột Thủy triều truyền vào Biển ông qua eo Luzon tương tác với hai dãy núi ngầm tạo ra thủy triều nghiêng áp truyền vào cả Biển ông và Thái Bình Dương Quá trình dẫn đến tiêu tán năng lượng thủy triều, chuyển thành năng lượng rối và nhiệt Tại eo Luzon, tốc độ tiêu tán động năng rối trung bình là O(10-7) W/kg và khuếch tán rối là O(10-3) lớn gấp 100 lần so với trung bình trong đại dương (Sen Jan và nnk, 2008) Tốc độ biến đổi năng lượng từ thủy triều chính áp sang thủy triều nghiêng áp đạt 30% đối với sóng nhật triều và 20% đối với sóng bán nhật triều Dòng triều tại các eo ài Loan và eo Luzon khá lớn, tốc độ trung bình của dòng triều tại ài Loan là 0,46m/s, lớn nhất đạt 0,8m/s và nhỏ nhất là 0,2m/s (Y.H Wang, 2002), tốc độ dòng triều tại eo Luzon nằm trong khoảng 0,05 – 0,3 m/s (Sen Jan và nnk, 2008) Năng lượng thủy triều nghiêng áp bán nhật truyền vào Biển ông tương tự như nguồn năng lượng đối với sóng nội phi tuyến biên độ lớn Tốc độ tiêu tán năng lượng của sóng M2 tại eo ài Loan cũng đáng kể (Tingting Zu và nnk, 2007)

Các bài toán tính lan truyền thủy triều, điều kiện biên thường là mực nước hoặc điều kiện phát xạ đối với mực nước (triều chính áp), bỏ qua thành phần triều nghiêng áp Do đó, biên tính toán thủy triều cần đặt ở vị trí có triều nghiêng áp nhỏ để giảm sai số đầu vào cho mô hình Tại các eo Luzon và ài Loan, tốc độ chuyển hóa năng lượng triều chính áp sang triều nghiêng áp lớn nên chọn làm biên miền tính sẽ không phù hợp Hơn nữa, tốc độ tiêu tán năng lượng thủy triều tại các eo này lớn, tính phi tuyến thể hiện rất cao, việc sử dụng hằng số điều hòa tại một số điểm trên eo để tính mực nước và nội suy cho 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 Thái Bình Dương, xa các eo biển để giảm ảnh hưởng của các quá trình phi tuyến lên 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 triều nghiêng áp, tiêu tán năng lượng do động năng rối tại các eo biển được tính đến ở trong mô hình, do đó sẽ làm tăng độ chính xác của mô phỏng thủy triều trong Biển ông

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

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

ịa 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 ông được kết hợp giữa số liệu đo đạc của Bộ Tư lệnh Hải quân (bản đồ tỷ lệ 1:25.000, 1:50.000, 1:200:000, 1:500.000, 1:1000.000 tùy từng khu vực) và ETOPO 5 Tất cả số liệu địa hình đã được quy chuẩn về mực nước biển trung bình

Hình 3.1 ịa hình Biển ông

iều kiện biên trong tính toán mô phỏng thủy triều:

- Biên cứng: điều kiện biên không thấm: 0

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

trong đó,  là mực nước biển; BC là mực nước tại biên; V

là véc tơ vận tốc dòng chảy; n

là véc tơ pháp tuyến của biên cứng

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

Bảng 3.1: Tọa độ các trạm nghiệm triều

TT Tên trạm inh độ (E) Vĩ độ (N)

b) ết quả tính thủy triều trong Biển ông

ể tính dao động mực nước tại các biên, tác giả đã tích hợp vào mô hình POM module tính mực nước theo các hằng số điều hòa trích từ bảng hằng 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 số điều hòa được nội suy tuyến tính từ mực nước của các điểm lân cận Mực

nước tại biên được cập nhật vào mô hình sau mỗi bước thời gian tính toán của

thức nội, dte

Hình vẽ dưới đây thể hiện dao động mực nước tại trạm một số trạm hải văn trong tháng 10 năm 1998 đối với hai trường hợp tính toán: tính theo miền tính của các nghiên cứu trước đây (99E – 121E; 1N – 25N) và tính theo miền tính đã được mở rộng trong nghiên cứu này:

Tác giả đã đưa ra so sánh dao động mực nước tại 4 trạm hải văn đại diện cho các vùng ven biển Việt Nam tính trong 2 trường hợp giới hạn miền tính khác nhau Trong các hình vẽ, đường nét đứt, màu xanh (kí hiệu TH1) là dao động mực nước trong trường hợp miền tính có đường biên cắt qua các eo biển; đường liền nét, màu đỏ (kí hiệu TH2) là dao động mực nước trong trường 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 lớn đến kết quả mô phỏng thủy triều trong Biển ông Biên độ thủy triều trong Biển ông suy giảm đáng kể nếu biên miền tính cắt qua các eo biển Sai số tương đối nhận được giữa 2 phương pháp chọn miền tính tại trạm Hòn Dấu là 29,5%; trạm Thuận n 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 độ chính xác mô phỏng thủy triều trong Biển ông

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

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 dao động mực nước tính theo các hằng số điều hòa tại các trạm cả về pha và độ lớn Mặc dù tại một số thời điểm, tại một số trạm, sai số dao động mực nước giữa hai phương pháp khá lớn, nhưng xét trên toàn bộ chuỗi số liệu tính toán thì sai số này hoàn toàn chấp nhận được Sai số tương đối trung bình của các trạm là 7,56%, trạm Vũng Tàu có sai số tương đối nhỏ nhất (5,28%) và trạm Thổ hu có sai số tương đối lớn nhất (12,9%) Hệ số tương quan mực nước tính theo hai phương pháp cũng khá cao, lớn nhất là trạm Thuận n (0,96) và trạm 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

TT Tên trạm

Biên độ triều (m)

ệ số tương quan (R)

ộ lệch chuẩn (m)

Sai số tuyệt đối trung bình (m)

Sai số tương đối trung bình (%)

Biển ông cần nâng cao độ chính xác của địa hình đáy biển tại eo biển này Việc mở rộng biên miền tính thủy triều ra xa Thái Bình Dương để mô hình có thể tính được phần năng lượng triều chính áp sang triều nghiêng áp cũng có ý nghĩa quan trọng để nâng cao độ chính xác mô phỏng thủy triều trong Biển ông

c) Dòng triều trong Biển ông

Hình 3.2 Phân bố tốc độ dòng triều cực đại tầng 5m trong Biển ông Dòng triều là nguồn năng lượng đáng kể cho xáo trộn trong đại dương, năng lượng tiêu tán của dòng triều chiếm tới 1/2 năng lượng cơ học cần thiết

để duy trì hoàn lưu nhiệt muối toàn cầu (Munk và Wunsch, 1998) Dòng chảy triều ở khu vực thềm lục địa khá mạnh và phức tạp, ngược lại dòng chảy triều khá yếu ở khu vực biển sâu Nâng cao độ chính xác dự báo dòng chảy triều đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu dòng chảy tổng hợp, đặc biệt ở khu vực thềm lục địa, địa hình đáy biển nông như Vịnh Bắc Bộ

Hình 3.2 cho thấy phân bố tốc độ dòng triều cực đại trong Biển ông Kết quả cho thấy dòng triều chảy qua eo ài Loan khá lớn, tốc độ dòng triều cực đại lớn nhất ở phía đông bắc và đông nam của eo, trên 0,8m/s, tốc độ

dòng triều cực đại nhỏ nhất ở giữa eo, khoảng 0,2m/s Tốc độ dòng triều cực đại qua eo Luzon, khoảng 0,2 – 0,3m/s Kết quả này hoàn toàn phù hợp với kết quả quan trắc bằng D P (Y.H Yang và nnk, 2002) hay tính toán đã công bố (Sen Jan và nnk, 2008) Tốc độ dòng triều qua eo Malaca cũng khá lớn, khoảng 0,4m/s, ngược lại, ở những khu vực địa hình đáy biển lớn như giữa Biển ông, tốc độ dòng triều rất nhỏ, chỉ khoảng 0,03 - 0,04m/s

Tốc độ dòng triều khá mạnh tại khu vực thềm lục địa phía tây nam và tây bắc Biển ông, trung bình 0,4 – 0,5m/s, có chỗ 0,6 – 0,8m/s Trong vịnh Bắc Bộ, dòng chảy triều khá lớn, tốc độ dòng triều lớn nhất ở phía tây đảo Hải Nam, khoảng 0,7 – 0,8m/s, tốc độ dòng triều giảm từ phía đông sang phía tây của vịnh Khu vực giữa vịnh tốc độ dòng triều cực đại 0,5 – 0,6m/s, trong khi đó, tốc độ dòng triều cực đại khu vực ven biển nước ta trong vịnh Bắc Bộ chỉ khoảng 0,3 – 0,4m/s

Mặc dù tốc độ dòng triều tại một số khu vực trong Biển ông khá lớn,

có tác động mạnh đến hoàn lưu tổng hợp tại một thời điểm cụ thể Tuy nhiên, nếu xét trong một chu kỳ dài thì tác động của dòng triều lên hoàn lưu chung của Biển ông lại không đáng kể, các tác động tần số thấp như thông lượng nhiệt, ứng suất gió mới là các tác động chiếm ưu thế

Hình 3.3 thể hiện phân bố độ lớn của véc tơ dòng triều trung bình trong thời gian tính thủy triều (dòng triều dư) là 30 ngày Kết quả cho thấy các khu vực: thềm lục địa phía tây bắc và tây nam Biển ông, thềm lục địa nam Trung Quốc và khu vực gần eo ài Loan và eo Luzon tồn tại dòng triều dư, các khu vực còn lại dòng triều dư gần như bằng không Phía bắc vịnh Bắc Bộ

là nơi có tốc độ dòng triều dư lớn nhất, khoảng 0,03m/s Tốc độ dòng triều dư trong vịnh Bắc Bộ có xu hướng giảm từ bắc xuống nam, tốc độ dòng triều tại cửa vịnh chỉ còn 0,01m/s Dòng triều dư trong vịnh Thái Lan khoảng 0,01 - 0,02m/s, các khu vực còn lại trong Biển ông dòng triều dư không đáng kể

Hình 3.3 Tốc độ dòng triều dư trong Biển ông Nhìn chung, kết quả tính toán bằng mô hình POM phù hợp các quan trắc và tính toán về dòng triều, vì vậy, có thể sử dụng mô hình này để nghiên cứu dòng chảy tổng hợp trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợp của thủy triều và gió

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

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

Dòng chảy trong Biển ông bắt đầu được quan tâm và nghiên cứu vào khoảng thời gian thế chiến 2, sơ đồ hoàn lưu Biển ông được công bố lần đầu tiên vào năm 1945 trong tlas của hải quân Mỹ (US Navy, 1945) Nhiều chuyến điều tra khảo sát Biển ông đã được tiến hành với sự hợp tác với một

số nước như: Trung Quốc, Liên Xô, có sự tham gia của các nhà khoa học Việt Nam Trong số các công trình nghiên cứu về dòng chảy trong Biển ông, đáng chú ý là công trình của Wyrtky (1961), tác giả đã đưa ra bản đồ

dòng chảy tầng mặt theo mùa trên toàn Biển ông Bản đồ này đã thể hiện được về cơ bản chế độ dòng chảy trong Biển ông theo các đặc trưng mùa

Hình 3.4 Bản đồ dòng chảy mùa đông (phải) và mùa hè (trái) trên mặt

Biển ông (theo Wyrtky, 1961)

Hình 3.5 Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ mùa đông (trái) và mùa hè (phải) theo

Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (1964) Trong vịnh Bắc Bộ, kết quả của hương trình hợp tác Việt - Trung vào đầu thập niên 1960 đã đưa ra các bản đồ xu thế dòng chảy được trình bày