Luận án Tiến sỹ Hải dương học: Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh bắc bộ

Nội dung của luận án là nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật phân tích số liệu vật lý hải dương Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định đặc trưng chế độ các trường nhiệt độ, độ muối, dòng chảy quy mô mùa.

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS Đinh Văn Ưu PGS.TS Đinh Văn Mạnh

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Những kết quả viết chung với các tác giả khác đã được các đồng tác giả cho phép khi đưa vào luận án Các kết quả của luận án là mới và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả

Hà Thanh Hương

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy GS.TS Đinh Văn Ưu Thầy đã dạy tôi những bài học đầu tiên về Hải dương học hướng dẫn tôi từ khi tôi tiếp cận những khái niệm về khoa học biển Luận án này không thể hoàn thành nếu không có sự hướng dẫn kiên trì, tận tâm của Thầy Đối với tôi, Thầy như người cha luôn mong mỏi đứa con trưởng thành trong khoa học và trong cuộc sống Một lần nữa tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy và gia đình

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Đinh Văn Mạnh Thầy là người luôn đưa ra những góp ý giúp tôi tiến bộ trong suốt quá trình học tập cũng như trong lúc làm luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô đã và đang công tác tại Bộ môn Khoa học và Công nghệ Biển và các nghiên cứu sinh đã có nhiều giúp

đỡ, chia sẻ với tôi trong khoa học cũng như trong cuộc sống

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, phòng Sau đại học, các phòng ban chức năng, đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu sinh

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng- Thủy văn- Hải dương học

đã tạo điều kiện cho tôi trong công tác để tôi có thời gian học tập, nghiên cứu

và hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bố, mẹ, chồng và con gái đã chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này

Trang 4

CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

WOA: World Ocean Atlas

MODAS: Modular Ocean Data Assimilation System LOWESS: Locally Weighted Scatter plot Smooth T/P: TOPEX/ POSEIDON

3D: 3 chiều

CTD : Conductivity Temperature Depth profiler STD: Salinity Temperature Depth profiler

SST: Sea Surface Temperature

SSS: Sea Surface Salinity

DOM: Dissolved Organic Matter

GHER: Geo-Hydrodynamic Environment Research CODAS: Common Ocean Data Access System

Trang 5

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 9

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG 13

1.1 Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông 13

1.2 Các nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ 21

1.3 Quy trình phân tích và mô phỏng cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ 27

Chương 2: MODUL PHÂN TÍCH SỐ LIỆU VÀ MÔ HÌNH

THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU GHER 31

2.1 Modul phân tích số liệu 31

2.1.1 Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối 31

2.1.2 Phương pháp phân tích số liệu 37

2.1.3 Phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối 43

2.2 Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER 61

2.2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình 61

2.2.2 Phương pháp thể tích hữu hạn 68

2.2.3 Cài đặt mô hình 74

Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 3D NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG

CÁC TRƯỜNG NHIỆT - MUỐI VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ 79

3.1 Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Vịnh Bắc Bộ 79

3.1.1 Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ 79

3.1.2 Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc Bộ 80

3.2 Các trường ban đầu, điều kiện biên, các tác động và các tham số của

mô hình thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ 80

3.2.1 Các trường ban đầu thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ 80

3.2.2 Các điều kiện biên và các tác động .88

Trang 6

3.2.3 Các tham số của mô hình 91

3.3 Kết quả kiểm tra mô hình 91

3.4 Các kết quả tính toán cấu trúc hoàn lưu và nhiệt muối Vịnh Bắc Bộ 98

3.4.1 Hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ 98

3.4.2 Cấu trúc nhiệt độ, độ muối Vịnh Bắc Bộ 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 120

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

PHỤ LỤC

Trang 7

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các đặc trưng số liệu đo đạc được ghi theo chuyến khảo sát

trong chương trình hợp tác Việt-Xô tại một vị trí 34

Bảng 2.2 Dạng lưu trữ của số liệu CTD tại một trạm đo 35

Bảng 2.3 Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T

vùng 21 0 ±0.5 0 N, 1070±0.5 0 E tháng 1 40

vùng 17±0.5 o N, 108±0.5 o E tháng 1 40

vùng 21±0.5 o N, 107 ±0.5 o E tháng 5 41

Bảng 2.6 Hàm phân bố gia tăng độ muối ΔS và phân bố độ muối S

vùng 20±0.5 o N, 107 ±0.5 o E tháng 1 42

Bảng 2.7 Kết quả tính sai số giữa thực đo và tính toán theo LOWESS

của nhiệt độ và độ muối khu vực Vịnh Bắc Bộ. 55

Bảng 3.1 Các giá trị phân tầng biển theo  sử dụng trong triển khai mô hình 82

Bảng 3.4 Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng mặt tại 4 điểm. 106

Bảng 3.5 Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng

tầng 30m 108

Bảng 3.6 Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng

tầng 50m 109

Bảng 3.7 Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình các tháng

theo độ sâu 110

Trang 8

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Phân bố dòng chảy và độ muối bề mặt Biển Đông

Mũi tên chỉ hướng dòng chảy ( a)- tháng tám, b)- tháng hai) 16

Hình 1.2 Độ cao động lực (0/1200 db, dyn·m) và trường dòng địa chuyển

bề mặt ở Biển Đông Các xoáy Aw, Bw, Bs và Cs ( (a) mùa đông và

(b) mùa hè theo Xu và nnk (1982) [68]) 16

Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông 20

Hình 1.3 Hoàn lưu theo mùa khu vực Biển Đông 21

Hình 1.4 Theo quan niệm truyền thống hoàn lưu có xoáy nghịch vào mùa hè 23

Hình 1.5 Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 năm 2007 của Gao và nnk (2013) 25 Hình 1.6 Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo Yang Ding (2013) 26

(a)-có gió, b)- gió và triều) 26

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình tính toán 30

Hình 2.1 Phân bố nhiệt độ mặt tháng 2 trung bình nhiều năm theo MODAS 33 Hình 2.2 Vị trí các điểm đo trong tháng 1 của số liệu CTD 36

Hình 2.3 Phân bố nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu tại 107o E, 20oN 39

Hình 2.4 Phân bố độ muối tháng 1 theo độ sâu tại 107o E, 20oN 39

Hình 2.5 Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 21±0.5oN, 107±0.5o E 40

Hình 2.6 Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 17±0.5oN, 108±0.5o E 41

Hình 2.7 Phân bố nhiệt độ tháng 5 tại 21±0.5oN, 107 ±0.5o E 41

Hình 2.8 Phân bố độ muối tháng 1 tại 20±0.5oN, 107 ±0.5o E 42

Hình 2.9 Xấp xỉ tuyến tính chuỗi số liệu rời rạc 44

Hình 2.10 Xấp xỉ dạng đa thức bậc 2 chuỗi số liệu rời rạc 44

Hình 2.11 Xấp xỉ dạng đa thức bậc 5 45

Hình 2.12 Phân bố nhiệt độ mặt trung bình tháng 1 48

Hình 2.13 Mặt cong nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o-108oE, 19o-20oN Vịnh Bắc Bộ 49

Trang 9

Hình 2.14 Profile nhiệt độ tháng 1 khu vực giữa vịnh (107o

-108oE, 19o-20oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 23oC, 22oC và 21o

C 50

Hình 2.15 Mặt cong nhiệt độ tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ 50

Hình 2.16 Profile nhiệt độ tháng 7 khu vực giữa vịnh (107o -108oE, 18o-19oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 29oC, 30oC và 30.5o C 51

Hình 2.17 Mặt cong độ muối tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ 51

Hình 2.18 Mặt cong độ muối tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE và 17o -18oN Vịnh Bắc Bộ 52

Hình 2.19 Profile độ muối tháng 7 khu vực Vịnh Bắc Bộ

(107o-108oE, 17o-18oN) với độ muối bề mặt tương ứng là 33.2%o và 33.8%o52 Hình 2.20: Kết quả so sánh giữa các phương pháp tính toán và thực đo 53

Hình 2.21a: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 53

Hình 2.21b: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 56

Hình 2.21c: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 57

Hình 2.21d: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 58

Hình 2.21e: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 59

Hình 2.21f: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 60

Hình 2.22 Sơ đồ lưới 3D Akarawa- C 70

Hình 2.23 Sơ đồ lùi sử dụng trong tính toán bình lưu 71

Hình 2.24 Sơ đồ tổng quát triển khai mô hình dự báo 75

Hình 3.1 Bản đồ địa hình Vịnh Bắc Bộ sử dụng trong mô hình 81

Hình 3.2 Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 1 tại các tầng sâu 84

Hình 3.3 Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 7 tại các tầng sâu 85

Hình 3.4 Phân bố độ muối trung bình tháng 1 tại các tầng sâu 86

Hình 3.5 Phân bố độ muối trung bình tháng 7 tại các tầng sâu 87

Trang 10

Hình 3.6 Dòng chảy mặt tháng 1 93

Hình 3.8 Dòng chảy mặt mùa đông theo đề tài KC09.24 (2005) 93

Hình 3.11 Dòng chảy mặt mùa hè theo đề tài KC09.24 (2005) 94

Hình 3.12 Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 trường ban đầu 95

Hình 3.13 Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình 95

Hình 3.14 Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 trường ban đầu 96

Hình 3.15 Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình 96

Hình 3.16 Profile nhiệt độ tại vị trí 1080 E, 180N tháng 1 giữa tính toán và trường ban đầu 96

Hình 3.17 Profile nhiệt độ tại vị trí 1080 E, 180N tháng 7 giữa tính toán và trường ban đầu 96

Hình 3.18 Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 trường ban đầu 97

Hình 3.19 Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình 97

Hình 3.20 Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 trường ban đầu 98

Hình 3.21 Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình 98

Hình 3.22: Phân bố dòng chảy mặt tháng 1 và đường dòng qua eo

Quỳnh Châu và cửa vịnh 99

Hình 3.23: Phân bố dòng chảy mặt tháng 2 99

Hình 3.24: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 1 100

Hình 3.26: Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5 101

Hình 3.28: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 và đường dòng trong vịnh 101

Hình 3.29: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 theo đề tài KC09.17 101

Trang 11

Hình 3.31: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo đề tài KC09.17 102

Hình 3.32: So sánh dòng chảy mặt tháng 8 giữa tính toán và Yang Dinh 103

Hình 3.33: So sánh dòng chảy mặt tháng 7 giữa tính toán và Gao 103

Hình 3.38 Vị trí các điểm trích rút kết quả 107

Hình 3.39 Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng mặt

tại 4 điểm 107

Hình 3.40 Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 30m tại điểm 3 và 4 108

Hình 3.41 Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 50m tại điểm 3 và 4 109

Hình 3.42 Profile vận tốc các tháng tại điểm 3 và 4 111

Hình 3.43 Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 20N 113

Hình 3.44 Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt kinh tuyến 108E 113

Hình 3.51 Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 115

Trang 12

Hình 3.55: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 117

Hình 3.57 Phân bố độ muối tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N 117

Hình 3.62 Phân bố độ muối tháng 8 trên mặt cắt kinh tuyến 106.5E 118

Trang 13

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Vịnh Bắc Bộ là vùng biển đặc thù có ý nghĩa khoa học, kinh tế, chính trị đối với Việt Nam Việc nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ đã được triển khai sớm, đặc biệt sau những năm đầu lập lại hòa bình ở miền Bắc với sự hợp tác của Trung Quốc (những năm 60), Liên Xô (cho đến những năm 90) Nhiều đợt khảo sát chuyên đề nghề cá, địa chất và điều tra tổng hợp do các nhà khoa học Việt Nam triển khai trong thời gian gần đây đã thu nhận được các trường vật

lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong Vịnh Bắc Bộ Đây là những đặc trưng quan trọng nhất của môi trường biển, thường được chú ý nghiên cứu nhiều nhất trong hải dương học Chính vì lý do đó mà các dữ liệu cũng như công trình nghiên cứu về nhiệt độ, độ muối, dòng chảy biển cũng thuộc loại phong phú và đầy đủ nhất so với các đặc trưng môi trường biển khác Tuy nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa có được một chuyên khảo nào công bố đầy

đủ về chế độ thủy văn và thủy động lực Vịnh Bắc Bộ, chỉ mới dừng lại ở mức các công trình, báo cáo chuyên đề về thủy triều, phân bố nhiệt độ bề mặt, v.v…

Vịnh Bắc Bộ giới hạn từ 17o- 21o30’N, 105o40’- 110o

E, diện tích khoảng 126.250 km², có địa hình tương đối phức tạp, trên ba nghìn đảo lớn nhỏ và có hai cửa: eo biển Quỳnh Châu rộng 35,2 km và cửa chính từ đảo Cồn Cỏ, tỉnh Quảng Trị tới mũi Oanh Ca, Hải Nam, Trung Quốc rộng khoảng

200 km Những đặc điểm đó góp phần tạo nên quy luật hình thành và biến động rất phức tạp của hệ thống các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước trong vịnh, mà hiện tại vẫn chưa được mô tả một cách đầy đủ

Khí hậu Vịnh Bắc Bộ có mùa đông lạnh trên nền chung của khí hậu nóng ẩm do tác động của chế độ gió mùa Sự phân hóa không gian của trường gió đã góp phần làm cho chế độ thủy văn và hoàn lưu khu vực vịnh biến đổi

Trang 14

và phân hóa đa dạng Mặt khác, Vịnh Bắc Bộ tương đối nông (độ sâu trung bình chưa tới 60m) và chịu các tác động phức tạp của: lưu lượng các sông lớn biến đổi theo mùa, chế độ nhật triều và nhật triều không đều Điều đó đã làm cho quá trình tương tác biển- khí quyển- lục địa ở khu vực Vịnh Bắc Bộ diễn

ra liên tục, mạnh mẽ gây ra sự biến động mạnh của trường nhiệt- muối và hoàn lưu trong vịnh

Cho đến nay mô hình số được coi là công cụ hiệu quả nhất để mô phỏng các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu chung của các thủy vực Đối với Biển Đông do đặc thù tác động của gió mùa nên các trường thủy văn và hoàn lưu biển có sự biến động lớn giữa các tháng trong năm và theo mùa, việc

mô phỏng bức tranh hoàn lưu và cấu trúc nhiệt độ, độ muối của biển chi tiết

và chính xác bằng việc sử dụng mô hình là cần thiết

Phương pháp mô hình hóa sử dụng hệ các phương trình nguyên thủy dạng GHER [5] có tính đến tác động của các quá trình quy mô vừa và nhỏ, cho phép mô phỏng quy luật biến động của các cấu trúc thủy văn - thủy động lực

Để có được quy luật hình thành và biến đổi của các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong vịnh, chúng ta cần triển khai đồng thời các modul phân tích số liệu nhằm cung cấp các trường ban đầu cho mô hình 3D thủy động lực

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp modul phân tích

số liệu và mô hình 3D thủy nhiệt động lực biển cho phép mô phỏng quy luật hình thành và biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu nước Vịnh Bắc Bộ

Hệ thống mô hình này là cơ sở quan trọng trong xác lập các đặc trưng chế độ của các trường nhiệt, muối, hoàn lưu, tạo cơ sở cho việc phát triển hệ thống nghiệp vụ giám sát và dự báo môi trường biển

Trang 15

3 Nội dung nghiên cứu:

Nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật phân tích số liệu vật lý hải dương Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định đặc trưng chế độ các trường nhiệt độ, độ muối, dòng chảy quy mô mùa

Phát triển và hoàn thiện mô hình thủy động lực 3D thủy nhiệt động lực đáp ứng yêu cầu mô phỏng các đặc trưng chế độ các trường thủy văn có tính đến vai trò của các tác động quy mô vừa như triều, sóng, lưu lượng sông, v.v…

Phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp kỹ thuật phân tích và mô phỏng các đặc trưng chế độ thủy văn và dòng chảy Vịnh Bắc Bộ, góp phần làm rõ hơn những cấu trúc của các trường này và hoàn thiện đầu vào cho hệ thống mô hình dự báo hải dương học nghiệp vụ

4 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp phân tích số liệu: trong phân tích chi tiết cấu trúc 3D nhiệt độ, độ muối theo số liệu lịch sử và cập nhật, đã hoàn thiện kỹ thuật mới xây dựng mặt cong biến thiên của nhiệt độ, độ muối theo phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) Kết quả ứng dụng quy trình tính toán cho phép đưa ra các đặc trưng cấu trúc nhiệt độ và độ muối

Phương pháp mô hình: mô hình 3D thủy nhiệt động lực GHER quy mô vừa cho phép giải bài toán tiến triển về nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu, có tính đến các hiệu ứng của các quy mô dưới lưới thông qua các thông lượng bề mặt như ứng suất gió, ứng suất triều, v.v

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình phân tích và tính toán xác định cấu trúc 3 chiều (3D) nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Quy trình tính toán này có thể được tiếp tục phát triển và áp dụng trong nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát và dự báo biển quy mô khu vực

Trang 16

Những kết quả của luận án cho ta hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành và biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Kết quả này có thể ứng dụng trong các nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát, dự báo và cảnh báo môi trường biển

6 Những đóng góp mới của luận án

Đã phát triển và ứng dụng quy trình tính toán các trường 3D thủy văn

và động lực biển thông qua triển khai kỹ thuật phân tích số liệu dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) Kết quả cho thấy kỹ thuật LOWESS đã chứng tỏ khả năng tích hợp tốt trong xây dựng các trường chế độ 3D nhiệt độ, độ muối có độ tin cậy cao làm đầu vào cho mô hình GHER tính toán hoàn lưu cho Vịnh Bắc Bộ

Thông qua kết quả triển khai mô hình đã phát hiện và lý giải được một cách có cơ sở và logic về một số cấu trúc nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu biển quy mô tháng đặc thù ở các khu vực khác nhau trong vịnh, như sự phân hóa dòng chảy, các xoáy địa phương, cấu trúc nhiệt độ, độ muối đặc trưng Đây là điều mà các nghiên cứu trước đây chưa có sự thống nhất do quan điểm và cách tiếp cận khác nhau

7 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày trong 3 chương: Chương 1 Tổng quan các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Vịnh Bắc Bộ và Biển Đông

Chương 2 Modul phân tích số liệu và mô hình thủy động lực 3 chiều GHER

Chương 3 Ứng dụng mô hình 3 chiều nghiên cứu biến động các trường nhiệt - muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ

Trang 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU

VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC

VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG

Biển Đông là một vùng biển nửa khép kín ở Tây Thái Bình Dương có

độ sâu lớn nhất hơn 5000m, trải rộng trên diện tích khoảng 3,5 triệu km2

từ

3oS đến 25oN và từ 99oE đến 121o

E, nối liền với Thái Bình Dương qua eo biển Luzon, Sulu và eo Đài Loan Biển Đông là một khu vực chịu ảnh hưởng

của khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, ảnh hưởng mạnh nhất bởi trường gió

Đông Bắc hằng năm với vận tốc trung bình lên đến 9 m/s trong mùa đông,

trường gió mùa Tây Nam trên phần lớn Biển Đông yếu hơn với vận tốc trung

bình khoảng 6 m/s và có phần nghiêng về hướng Nam ở phía Bắc Biển Đông

về mùa hè Chính sự biến đổi hoàn lưu khí quyển theo mùa trong đó mùa hạ

và mùa thu là mùa bão, mùa đông và mùa xuân là thời kỳ gió mùa Đông Bắc

dẫn đến các đặc trưng vật lý, động lực Biển Đông cũng có sự biến động rất

lớn theo không gian và thời gian Tính chất phức tạp này gây nhiều khó khăn

trong tính toán, dự báo hoàn lưu biển phục vụ các bài toán khí tượng hải văn,

lan truyền ô nhiễm, kiểm soát môi trường, v.v

1.1 Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông

Đã có rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc hoàn lưu của Biển Đông và các

vùng biển lân cận được công bố, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên:

- Dữ liệu chế độ thủy văn và một số quan trắc thủy văn cụ thể;

- Các đo đạc, quan sát bằng vệ tinh về mực nước, sóng, dòng chảy ;

- Các mô hình số

Cùng với sự gia tăng của các hoạt động hàng hải và quân sự trên khu

vực Biển Đông đặc biệt trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ II, các quan

trắc hoàn lưu trên toàn khu vực đã được tiến hành tương đối rộng khắp cho

Trang 18

phép mô tả một số đặc trưng cơ bản nhất của hoàn lưu liên quan tới hoạt động của gió mùa trên biển Các sơ đồ về hoàn lưu Biển Đông đã được công bố lần đầu tiên trong Atlas của Hải quân Mỹ năm 1945 [24] cho thấy đặc điểm cơ bản nhất của dòng chảy trên mặt là hiện tượng đổi hướng rõ rệt theo sự luân phiên của gió mùa Trên các sơ đồ dòng chảy cũng đã thấy được sự hiện diện của một số xoáy quy mô vừa và nhỏ

Trong những thập niên tiếp theo nhiều chuyến khảo sát biển tổng hợp

đã được tiến hành thông qua các hợp tác quốc tế và khu vực sử dụng các tàu khảo sát khoa học của Hà Lan, Mỹ, Nhật Bản, Liên Xô, Trung Quốc, v.v Sự tham gia của các nhà khoa học Việt Nam cũng từng bước được tăng cường và chủ động hơn, đặc biệt sau khi triển khai Chương trình nghiên cứu biển quốc gia, bắt đầu từ năm 1978 Trong phần lớn các chuyến khảo sát trên biển, hoàn lưu và các yếu tố thủy động lực khác luôn được xem là một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng của hầu hết các đề tài trong những chương trình nghiên cứu biển Việt Nam

Những kết quả phân tích tổng hợp số liệu thu thập được trong và ngoài nước được công bố trong một số công trình nghiên cứu về Biển Đông trong

đó chế độ thủy động lực và hoàn lưu biển ngày càng được bổ sung và thể hiện

Trang 19

sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu khoa học và ứng dụng cho kinh tế, quân sự và kiểm soát môi trường Biển Đông trong suốt hơn 50 năm qua

Cơ sở để xây dựng các bản đồ này chủ yếu là các số liệu khảo sát nhiệt

độ theo độ sâu (BT, XT), nhiệt - muối - độ sâu (STD), nhiệt - độ dẫn điện - độ sâu (CTD), vị trí tàu và phao trôi trên mặt biển được thu thập và tổng hợp cho đến hết thập niên 50 của thế kỷ 20 [2]

Trong hơn 20 năm trở lại đây nhiều công trình nghiên cứu về các cấu trúc thủy văn và động lực Biển Đông đã được công bố trong đó phải nói đến trước hết là Báo cáo tổng kết đề tài 48B.01.01 thuộc chương trình biển 48B/86-90 do Võ Văn Lành làm chủ nhiệm (2001) [1] Đề tài này có những kết quả nghiên cứu về cấu trúc các trường nhiệt độ, độ muối, tốc độ truyền

âm, ô xi hòa tan của 4 mùa ở một số tầng sâu: tầng mặt, 10m, 50m, 100m, 200m, 500m, 1000m, 1500m Trong đề tài này cũng đã đưa ra tập bản đồ dòng chảy trung bình mùa hè và mùa đông ở tầng mặt, 50m và 100m nhưng mới chỉ dừng lại ở độ phân giải 1 độ kinh vĩ Luận án tiến sỹ của Đinh Văn

Ưu (1983) đã mô phỏng chế độ nhiệt muối Biển Đông dựa vào hàm phân bố vạn năng Công trình của Đinh Văn Ưu và J.M Brankart (1997) [54] mô phỏng biến đổi mùa của trường nhiệt độ, độ muối và khối nước trong Biển Đông và đề tài KHCN 06-02 (2000) [5] do Đinh Văn Ưu chủ trì nghiên cứu

về cấu trúc 3 chiều thủy nhiệt động lực học Biển Đông với lưới tính 1/4 độ kinh vĩ đã chi tiết hơn nhiều

Những công trình về thủy triều có đề tài KT03.03/91-95 của Nguyễn Ngọc Thụy, trong đó có các nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thọ Sáo, Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Lê Trọng Đào, Bùi Hồng Long, Đặng Công Minh, Trần Hồng Lam nghiên cứu về các mô hình thủy triều và năng lượng triều ở Biển Đông [2] Hiện nay các mô hình thủy triều đã tương đối hoàn thiện

Trang 20

Hình 1.1 Phân bố dòng chảy và độ muối bề mặt Biển Đông Mũi tên chỉ hướng dòng chảy ( a)- tháng tám, b)- tháng hai)

Dựa vào kết quả của Wyrtki (1961) [65], Tomczak và Godfrey (1994)

[52] tổng kết cấu trúc hoàn lưu bề mặt Biển Đông như ở hình 1.1

Hình 1.2 Độ cao động lực (0/1200 db, dyn·m) và trường dòng địa chuyển

bề mặt ở Biển Đông Các xoáy Aw, Bw, Bs và Cs ( (a) mùa đông và

(b) mùa hè theo Xu và nnk (1982) [68])

Xu và nnk (1982) [68] đã có những phân tích sâu hơn về hoàn lưu theo

mùa ở Biển Đông dựa trên các dữ liệu quan sát lịch sử trong giai đoạn

1921-1970 Các phân tích này chỉ ra cấu trúc hoàn lưu trung bình mùa trên toàn

Trang 21

Biển Đông, còn được gọi là cấu trúc hoàn lưu tiêu biểu Điểm mới trong nghiên cứu này là chỉ ra sự xuất hiện các xoáy trên Biển Đông (hình 1.2) Vào mùa đông có hai xoáy thuận gần bờ Tây của đảo Luzon (Aw) và ở Đông Nam bán đảo Đông Dương (Bw) Vào mùa hè có hai xoáy nghịch xuất hiện ở Đông Nam bán đảo Đông Dương (Bs) và giữa quần đảo Hoàng Sa và bãi Macclesfield Trong khi đó có một xoáy thuận xuất hiện ở phía Đông Việt Nam (Cs) làm cho hoàn lưu chính trở nên uốn khúc hơn

Xu và nnk (1982) [68] kết luận rằng hoàn lưu bề mặt trên Biển Đông nói chung là xoáy thuận trong mùa đông và xoáy nghịch vào mùa hè Yu và Liu (1993) [73], sau đó Rong (1994) [44] cũng chỉ ra cấu trúc hoàn lưu tương

tự, đặc biệt họ đã xác nhận sự xuất hiện của xoáy thông qua các nghiên cứu trường dòng địa chuyển bề mặt Zhou và nnk (1995) [81] cũng khẳng định những cấu trúc hoàn lưu này và các xoáy chính

Cũng có các nghiên cứu chỉ tập trung vào phía Bắc hoặc Nam Biển Đông Chẳng hạn như đầu thập niên 70, Williamson (1970) [61], Chan (1970) [13], Watts (1971, 1973) [59, 60], và Uda và Nakao (1974) [53] cho rằng hoàn lưu bề mặt Bắc Biển Đông chủ yếu là dòng gây bởi gió và dòng hướng Đông Bắc là chủ yếu trong giai đoạn gió mùa Tây Nam, trong khi dòng Tây Nam lại nổi trội trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc Xu và nnk (1982) [68] đã thực hiện thêm các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc hoàn lưu Bắc Biển Đông Cấu trúc hoàn lưu nam biển Đông ít được nghiên cứu hơn Fang (1997) [20]

mô tả cấu trúc không gian của hoàn lưu Nam Biển Đông trong mùa hè dựa theo phân bố của sự khác thường về thế năng trái đất nhận được từ các dữ liệu CTD vào tháng 9/1994 và chỉ ra rằng tồn tại một hoàn lưu xoáy nghịch gây bởi gió quy mô lớn ở tầng trên (0-150m) Sau đó Fang thống kê có bốn dòng chính ở tầng trên (0-400m) ở Nam Biển Đông: dòng bờ Tây Trường Sa, dòng

bờ Đông Trường Sa, dòng Bắc Trường Sa và dòng ngược gió Trường Sa

Trang 22

Ngoài ra cũng có các công trình tập trung nghiên cứu dòng chảy vùng ven bờ Bắc và Nam Trung Bộ Việt Nam như các công trình của Lê Đình Mầu (2017) [4], Đinh Văn Ưu (2015) [7]

Cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại thì các quan sát từ vệ tinh cho phép thực hiện các nghiên cứu về cấu trúc nhiệt độ và hoàn lưu cụ thể chi tiết hơn Chen (1983) [15] sử dụng một số ảnh vệ tinh nhiệt độ bề mặt biển không bị mây che phủ để nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt và dòng ngoài khơi ở bắc Biển Đông Các công trình của Yanagi và nnk (1997) [70], Li và nnk (1999) [28] dùng các dữ liệu từ vệ tinh để loại bỏ các sai số từ các đo đạc Soong và nnk (1995) [48] đã phát hiện một xoáy lớn có lõi lạnh ở Bắc Biển Đông vào tháng 1 năm 1994 thông qua dữ liệu từ vệ tinh TOPEX/ POSEIDON (T/P) Xoáy hoàn lưu này cũng giống như xoáy Aw được Xu và nnk (1982) [68] chỉ ra trước đây Sự hiện diện của nó sau này được khẳng định thêm bởi các quan sát thủy văn và mô phỏng số (Shaw và nnk , 1996) [46] Mao và nnk (1999) [38] đã phân tích dòng địa chuyển ở Biển Đông từ các quan trắc của vệ tinh Geosat Shaw và nnk (1999) [47] cũng nghiên cứu

độ cao của mặt mực biển bề mặt ở Biển Đông bằng các dữ liệu của vệ tinh T/P từ 1992 đến 1995 và kết luận rằng xoáy ứng suất gió là động lực chính của hoàn lưu trong khu vực sâu của Biển Đông trừ vùng gần eo biển Luzon

Wu và nnk (1999) [63], Wang D X và nnk (2000) [57] đã đồng hóa các dữ liệu từ vệ tinh T/P vào các mô hình số Biển Đông và nhận được các kết quả tương đồng với các kết quả của Soong (1995) [48] trước đó Morimoto và nnk (2000) [40] cũng phát hiện các biến đổi không gian và thời gian của hoàn lưu

bề mặt bằng các dữ liệu từ vệ tinh T/P trong thời gian 12/1992 đến 10/1997

Qi Quan và nnk (2016) [43] đã sử dụng bộ dữ liệu tái phân tích mới của Biển Đông kết hợp với dữ liệu tại chỗ và viễn thám để nghiên cứu các đặc trưng và

Trang 23

sự thay đổi của dòng biên bờ Tây Biển Đông từ 1992 đến năm 2011, nghiên cứu chứng minh rằng tác động của gió mùa đến Biển Đông, sự biến đổi liên tục có liên quan chặt chẽ với các hiện tượng El Nino đã đóng một vai trò quan trọng trong sự biến đổi giữa các năm của dòng biên bờ Tây Biển Đông, và ảnh hưởng từ việc vận chuyển qua eo biển Luzon ở tầng trên là thứ yếu

Trong thời gian gần đây, nhiều các mô hình số đã được phát triển để

mô phỏng trường hoàn lưu trung bình tháng và trung bình mùa ở Biển Đông Wang (1985) [58] đã phát triển một mô hình số mô phỏng trạng thái dừng của trường dòng bề mặt Biển Đông Zeng và nnk (1989, 1992) [75, 76], Su và Liu (1992) [49], Li và nnk (1992a, 1992b, 1994) [29, 30, 31], Liu và Su (1993) [32] dùng các mô hình số hai chiều để tính hoàn lưu trung bình tháng và trung bình mùa và nhận được các kết quả thỏa đáng về hoàn lưu trung bình độ sâu Chẳng hạn Li và nnk (1992) [29] dùng mô hình chính áp đại dương hai chiều

để tính hoàn lưu trung bình tháng ở tầng trên (0~200 m) và kết luận rằng nước

ở Thái Bình Dương chảy vào Biển Đông qua eo Luzon vào tháng 1 và vẫn có thể giữ được một vận tốc trung bình chiều sâu nhỏ hơn vào tháng 7 Li cũng khẳng định rằng cả hai xoáy Aw và Bw là xoáy thuận vào tháng 1 nhưng xoáy

Bs là xoáy nghịch và xoáy Cs là xoáy thuận vào tháng 7

Một số mô hình số ba chiều hoàn lưu Biển Đông đã được phát triển vào những năm 80 Pohlmann (1987) [41] ứng dụng mô hình dự báo nghiêng áp ba chiều nghiên cứu bởi Backhaus (1985) [8] để mô phỏng hoàn lưu Biển Đông trong thời kỳ gió mùa mùa đông và mùa hè Mao và nnk (1992) [37] cũng dùng chính mô hình này để mô phỏng hoàn lưu trung bình mùa ở Biển Đông, tuy nhiên với các trường độ muối, nhiệt độ ban đầu và điều kiện biên khác với Pohlmann (1987) [41] Zhang và nnk (1994) [77] phát triển mô hình dự báo phi tuyến ba chiều để mô phỏng trường dòng chảy

Trang 24

mùa ở vùng biển sâu hơn 200m Shaw and Chao (1994) [45], Zhang, M Y

và nnk (1995) [78] cũng phát triển các mô hình ba chiều hoàn lưu Biển Đông Trong những năm sau đó Chao và nnk (1996) [14], Wang và nnk (1996, 1997) [55, 56], Camerlengo và Demmler (1997) [11], Takano và nnk (1998) [51], Wu và nnk (1998) [62], Cai và Wang (1999) [10], Qian và nnk (1999) [42], Zhang và Qian (1999) [79], Ly và Luong (1997, 1999) [34, 35], Chu và nnk (1999a, b) [17, 18] và Yang và nnk (2000) [72] cũng thực hiện các nghiên cứu mô hình số về hoàn lưu Biển Đông và cho những hiểu biết sâu hơn về cấu trúc hoàn lưu

Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa hè

Bản đồ dòng chảy tầng 50 mét mùa đông Bản đồ dòng chảy tầng 50 mét mùa hè

Trang 25

Bản đồ dòng chảy tầng 150 mét mùa đông Bản đồ dòng chảy tầng 150 mét mùa hè

Hình 1.3 Hoàn lưu theo mùa khu vực Biển Đông

Trong những năm gần đây có rất nhiều đề tài nghiên cứu hợp tác Việt- Pháp, Việt- Mỹ và các đề tài thuộc chương trình nghiên cứu biển đã nghiên cứu về hoàn lưu Biển Đông như Đinh Văn Ưu (2015) [6] nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên trường dòng chảy lớp mặt Biển Đông, đề tài KC09.24 (2005) đã xuất bản tập bản đồ Biển Việt Nam đưa ra cấu trúc hoàn lưu Biển Đông trên lưới tính 0.25 độ kinh vĩ tại bề mặt và các độ sâu 50m, 150m khá chi tiết và có tính ứng dụng cao (hình 1.3)

Trang 26

đến những năm 1990 cũng chỉ mới được công bố trong dạng các báo cáo điều tra và trong các cơ sở dữ liệu lưu trữ tại các cơ quan hợp tác điều tra như Viện Hải dương học, Trung tâm Hải Văn, Viện Nghiên cứu Hải sản, v.v…

Các nghiên cứu về Vịnh Bắc Bộ trong các thập kỷ trước chủ yếu nhận được như các sản phẩm từ các nghiên cứu về Biển Đông như:

Các kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ trong khuôn khổ hợp tác Việt Trung (1964) và Việt Xô dưới dạng các báo cáo điều tra và các công bố của Wyrtki (1961) [64] đều chỉ ra rằng dòng chảy ở vịnh Bắc Bộ chảy về hướng Nam trong mùa thu và mùa đông và bảo toàn hướng trong mùa hè và mùa xuân Trong Atlas đại dương thế giới (WOA) đã đưa ra các trường nhiệt muối chi tiết với độ phân giải 1 độ cho toàn bộ Biển Đông và Vịnh Bắc Bộ nhưng riêng Vịnh Bắc Bộ chưa có chi tiết cỡ nhỏ hơn 1/12 độ mà đề tài KHCN.06.02 và KC09.17 đã triển khai thực hiện

Đã có nhiều mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió mùa đến hoàn lưu trong vòng hai thập kỷ gần đây:

Các nghiên cứu của Shaw và Chao (1994) [45], Wu và nnk (1998) [62], Chu và nnk (1999) [17], Xue và nnk (2004) [69], Gan và nnk (2006) [22], Chern và nnk (2010) [16]), Yang (2013) [71], Gao (2013) [26], Trần Văn Chung (2015) [3] sử dụng trường gió trung bình tháng nghiên cứu hoàn lưu trong vịnh Shaw và Chao (1994) [45] khám phá ra các dòng tại độ sâu 2,5m

có hướng Đông Nam vào tháng 8 và Tây Nam vào tháng 12 ở vịnh Trong nghiên cứu tiếp theo, Wu và nnk (1998) [62] chỉ ra sự biến đổi hoàn lưu theo mùa và giữa các năm Cũng bằng cách dùng gió khí hậu trung bình tháng, Xue và nnk (2004) [69] nhận thấy sự biến đổi hàng năm của hoàn lưu Biển Đông, trong đó với độ phân giải ngang khoảng 10km ở thềm phía Bắc, dòng chảy trung bình độ sâu trong Vịnh Bắc Bộ biến đổi từ hoàn lưu xoáy thuận

mở trong mùa thu và mùa đông thành hoàn lưu xoáy nghịch mở từ cuối mùa xuân đến mùa hè

Trang 27

Các nghiên cứu về hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ đều cho thấy gió Đông Bắc trong mùa đông tạo ra một dòng chảy về hướng Nam ở tầng trên dọc theo bờ biển Việt Nam bù trừ với dòng chảy về hướng Bắc ở phía Đông vịnh dọc theo Hải Nam, tạo nên một xoáy thuận trên toàn bộ vịnh (Xu và nnk (1980) [67]; Zhuang và nnk (1981) [80]; Yu and Liu (1993) [73]; Yuan and Deng (1999) [74]) Hoàn lưu mùa hè thường yếu hơn mùa đông, vì vậy sẽ khó hơn để tách được dòng địa chuyển từ triều và dòng Ekman, đặc biệt trong vùng nước nông Hình 1.4 [67] mô tả quan niệm truyền thống về cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ

Tuy nhiên, các nghiên cứu nêu trên cũng chưa nêu được chi tiết các đặc tính hoàn lưu của Vịnh Bắc Bộ Nghiên cứu tổng quan có hệ thống đầu tiên về Vịnh Bắc Bộ là chương trình hợp tác giữa Trung Quốc và Việt Nam trong những năm 60 chỉ ra những hoàn lưu không khép kín có xoáy nghịch vào mùa

hè và xoáy thuận vào mùa đông

Hình 1.4 Theo quan niệm truyền thống hoàn lưu có xoáy nghịch vào mùa hè

Trang 28

Nghiên cứu về thủy triều:

Phải từ những năm 80 mới có thêm nhiều công trình nghiên cứu về triều và dòng triều Vịnh Bắc Bộ Nguyễn Ngọc Thụy có công trình công bố thuộc đề tài KT03.03/91-95 về thủy triều Biển Đông trong có có Vịnh Bắc

Bộ Phạm Văn Huấn có các công trình công bố thuộc đề tài ĐHQG QG08.11 (2010) về hằng số điều hòa thủy triều khu vực Vịnh Bắc Bộ Nguyễn Nguyệt Minh (2014) [39] có các nghiên cứu về các đặc trưng thủy triều Vịnh Bắc Bộ Các nghiên cứu của Cao và Fang (1990) [12], Liu và Zhang (1997) [33], Hu

và nnk (2003) [23] về triều kết luận là thành phần nhật triều O1 và K1 có ảnh hưởng lớn hơn cả ở vịnh, thành phần M2 đóng vai trò thứ yếu Hơn nữa, các dòng triều mạnh được tìm thấy ở eo biển Quỳnh Châu bờ Tây đảo Hải Nam

Li (1987) [27], Cao và Fang (1990) [12] nghiên cứu dòng dư cảm sinh bởi triều và độ lớn đo được là khoảng 5cm/s

Như vậy, cấu trúc hoàn lưu mùa hè ở Vịnh Bắc Bộ trong các nghiên cứu được công bố vẫn còn chưa thống nhất, trong đó:

* Về sự tồn tại xoáy nghịch trong mùa hè:

Sun và nnk (2001) [50] cho thấy hoàn lưu là xoáy nghịch mở trong mùa hè và gió chính là yếu tố quan trọng nhất trong vùng vịnh Các ảnh hưởng của gió cũng đã được xác nhận trong công trình của Đ.V.Mạnh và Yanagi (2000) [36], trong đó các tác giả chỉ ra rằng dòng dư ở tầng trên cơ bản có hướng Đông hoặc Đông Bắc trong mùa hè và đổi ngược chiều trong mùa đông Wu và nnk (2008) [64] chỉ ra rằng hoàn lưu mùa hè có xoáy nghịch do xoáy nước mạnh đổ từ eo biển Quỳnh Châu vào vịnh

Theo nghiên cứu của Gao và nnk (2013) [26] sử dụng mô hình 3 chiều POM tính toán hoàn lưu trong vịnh và đưa ra hoàn lưu mùa hè có sự phân hóa

do trường gió và hình thành xoáy nghịch ở phía Nam Vịnh (hình1.5)

Trang 29

Hình 1.5 Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 năm 2007 của Gao và nnk (2013) Ngoài ra trong khuôn khổ đề tài KC09.17 của Nguyễn Thế Tưởng, Đinh Văn Ưu (2004) và cộng sự đã chủ trì chuyên đề về nghiên cứu cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ với lưới tính 1/12 độ kinh vĩ cũng chỉ ra tồn tại xoáy nghịch trong mùa hè

* Về sự tồn tại xoáy thuận trong mùa hè:

Dựa theo mô hình dự báo, Xu và nnk (1980) [67], Zhuang và nnk (1981) [80], Bao và nnk (2005) [9] cho rằng cấu trúc hoàn lưu giữ nguyên xoáy thuận trong mùa hè

Xia và nnk (1997) [65] chỉ ra hoàn lưu trong Vịnh Bắc Bộ có xoáy thuận trong cả năm Mặt khác Xia và nnk (1997) [66] và Zu (2005) kết luận rằng hoàn lưu có xoáy thuận về mùa hè cơ bản là do dòng mật độ Yang Ding (2013) [71] quan trắc dòng chảy trong 1 năm 1988-1989 kết hợp với mô hình FVCOM để đánh giá mức độ ảnh hưởng của hoàn lưu do gió đến Vịnh Bắc

Bộ, cũng chỉ ra sự hiện diện của xoáy thuận về mùa hè từ vĩ tuyến 19oN lên phía Bắc vịnh (hình 1.6)

Trang 30

Hình 1.6 Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo Yang Ding (2013)

(a)-có gió, b)- gió và triều) Qua các nghiên cứu kể trên, có thể thấy các cấu trúc hoàn lưu mùa hè ở Vịnh Bắc Bộ vẫn còn chưa được đánh giá thống nhất mặc dù hầu hết các nghiên cứu đều nghiêng về xoáy thuận trong mùa đông Do Vịnh Bắc Bộ được nối với các vùng biển lân cận thông qua cửa rộng phía Nam và eo biển Quỳnh Châu ở phía Đông, vịnh cũng nhận một lưu lượng lớn nước từ nhiều dòng sông đáng kể nhất là hệ thống sông Hồng- Thái Bình, sông Mã, sông Cả nên việc các thông lượng vào-ra này ảnh hưởng đến cấu trúc hoàn lưu thế nào cần được nghiên cứu, và vấn đề biến động theo mùa của cấu trúc nhiệt độ, độ muối các khối nước khổng lồ trong vịnh cũng cần được nghiên cứu

Vì vậy, để nghiên cứu quy luật hình thành và biến đổi các đặc trưng vật

lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong vịnh, chúng ta cần phân tích đánh giá các nhân tố gây biến động và lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp Một trong những yếu tố gây biến động mạnh hoàn lưu trong vịnh là các cấu trúc của nhiệt độ, độ muối vì vậy cần phải sử dụng mô hình 3 chiều trên cơ sở phân tích cấu trúc nhiệt độ, độ muối làm trường ban đầu có độ tin cậy cao cho

mô hình để nghiên cứu biến động các đặc trưng thủy nhiệt động lực Vịnh Bắc

Bộ Sau đây là quy trình phân tích và tính toán cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và dòng chảy

Trang 31

1.3 Quy trình phân tích và mô phỏng cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ

Quy trình phân tích và mô phỏng cấu trúc 3 chiều nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ được bắt đầu từ phân tích cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối sẵn có xác lập cấu trúc nhiệt độ và độ muối Các trường nhiệt muối này được kết hợp với mô hình 3 chiều hoàn lưu biển mô phỏng quá trình hình thành và biến động của chế độ thủy văn, động lực học Vịnh Bắc Bộ

Với kỹ thuật phân tích số liệu nhiệt muối, mô hình 3 chiều hoàn lưu biển cho phép tính toán và đánh giá độ tin cậy của các trường ban đầu của các yếu tố thủy văn và động lực của mô hình 3D Quy trình phân tích tái thiết lập

số liệu đầu vào của mô hình đã được trình bày ở chương 2 và 3

Trước khi triển khai áp dụng hệ thống các mô hình phân tích và tính toán các cấu trúc thủy văn- động lực cho Vịnh Bắc bộ, chúng ta tiến hành xây dựng quy trình tính toán chung (hình 3.1)

Việc tính toán được triển khai theo hướng kết nối thuận nghịch hai modul sau:

- Modul phân tích đặc trưng phân bố các trường thủy văn (nhiệt, muối) và

- Modul mô phỏng hoàn lưu sử dụng hệ các phương trình nguyên thủy (mô hình 3 chiều GHER)

- Quá trình thuận: sử dụng modul phân tích các đặc trưng phân bố trường nhiệt, muối để xây dựng trường ban đầu cho modul mô phỏng hoàn lưu (mô hình GHER) Kết quả tính toán của quá trình này là các trường chế

độ thủy văn và hoàn lưu

- Quá trình nghịch: các kết quả tính toán trung gian các trường 3D nhiệt, muối, dòng chảy từ mô hình GHER được so sánh với trường ban đầu được

Trang 32

thiết lập trong quá trình thuận Nếu có khác biệt lớn hơn 0.50C đối với nhiệt độ, 0.2%0 đối với độ muối và 5 cm/s đối với dòng chảy thì các kết quả trung gian

sẽ được trộn vào cơ sở dữ liệu cập nhật quay trở về quy trình thuận

Modul phân tích: các trường chế độ thủy văn thu được từ phân tích tối

ưu các trường nhiệt độ (T) và độ muối (S) Các đặc điểm phân bố khí hậu của những đặc trưng này là phân bố ba chiều (3D) theo thời gian và không gian, bao gồm các trường mặt rộng và đường phân bố chuẩn theo độ sâu (profile)

Kỹ thuật tính toán đã được phát triển cho phép phân tích và so sánh với các nguồn số liệu cập nhật trên mặt biển (số liệu viễn thám SST, SSS) cùng với kết quả từ modul hoàn lưu GHER Quy trình thuận nghịch phân tích và mô hình hóa trong dạng thuận nghịch này cho phép cung cấp đầu vào liên tục tương tự

kỹ thuật đồng hóa số liệu trong các mô hình nghiệp vụ dự báo biển

Modul hoàn lưu: hệ các phương trình nguyên thủy của mô hình

GHER đã được ứng dụng thành công cho Biển Đông trong khuôn khổ đề tài KHCN 06.02 [5] cho lưới tính ¼ độ Mô hình này cũng đã được phát triển thành mô hình dự báo các trường hải văn trên biển khơi cũng như dải ven

bờ Trong khuôn khổ luận án, mô hình GHER được triển khai theo hai phương án nhằm kiểm tra khả năng ứng dụng của mô hình Theo phương án thứ nhất, việc tính toán triển khai cho nhiều năm, việc triển khai này nhằm đánh giá độ ổn định và tin cậy của mô hình Kết quả thu được cho thấy sự biến đổi theo chu kỳ năm đã được tái hiện thông qua các trường nhiệt, muối

và hoàn lưu, so sánh giá trị giữa tháng tương ứng trong hai trường hợp tính toán rút ra từ mô hình cũng như từ modul phân tích Phương án thứ hai triển khai lặp cho từng tháng trong năm sao cho các kết quả tính toán khi so sánh với trường ban đầu nếu không phù hợp thì các kết quả này được cập nhật thêm vào cơ sở dữ liệu để xây dựng lại cấu trúc nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu mới làm trường ban đầu chạy lại cho mô hình GHER Việc cập nhật

Trang 33

thêm các kết quả tính toán từ mô hình vào cơ sở dữ liệu nhằm cung cấp thêm

số liệu tại các khu vực có ít và thưa số liệu đo đạc Quy trình thuận ngịch này được thực hiện đến khi thu được kết quả phù hợp với các trường ban đầu tương ứng Việc triển khai quy trình thuận nghịch này cho thấy khả năng ứng dụng hợp lý của quy trình hình thành mô hình dự báo mùa các trường nhiệt muối và hoàn lưu Trên cơ sở các kết quả này, có thể kết nối mô hình GHER với các mô hình dự báo môi trường 3D khác phục vụ mục đích giám sát và dự báo biến động môi trường biển

Trong chương 2 sẽ trình bày các bước triển khai từng modul riêng rẽ và các mối liên kết giữa các modul theo quy trình vừa trình bày trên

Trang 34

Hình 1.7 Sơ đồ quy trình tính toán

Trang 35

CHƯƠNG 2: MODUL PHÂN TÍCH SỐ LIỆU VÀ MÔ HÌNH

THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU GHER 2.1 Modul phân tích số liệu

2.1.1 Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối

Với mục đích tập hợp, xử lý và phân tích các số liệu lịch sử và cập nhật

về nhiệt độ, độ muối, để đưa ra được một cấu trúc nhiệt độ, độ muối đầy đủ

và đáng tin cậy nhất ứng dụng vào mô hình 3D thủy động lực để xác định quy luật hình thành và biến động quy mô vừa của các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu nước Vịnh Bắc Bộ, tác giả sử dụng các số liệu như sau:

 Trường nhiệt độ nước mặt biển (SST) mà chúng tôi sử dụng là trường số liệu hàng ngày được phân tích theo hệ thống MODAS (Modular Ocean Data Assimilation System) của phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa kỳ (NRC) được phổ biến trên internet đã được cập nhật đến ngày 4/10/2013 và được số hóa với độ phân giải chi tiết đến 1/8 độ kinh vĩ

Các đường phân bố nhiệt độ, độ muối theo phương thẳng đứng được căn cứ theo:

 Các số liệu nhiệt độ, độ muối trong bộ Atlas đại dương thế giới cập nhật theo các năm (WOA2001, WOA 2005, WOA 2009) đã đưa ra chi tiết đến 1 độ cho toàn bộ Biển Đông trong đó có Vịnh Bắc Bộ Đồng thời đã sử dụng kết quả phân tích nhiệt độ, độ muối Biển Đông theo phần mềm đồng hóa

số liệu diva

 Các số liệu đo đạc khảo sát của các đề tài, số liệu đo đạc CTD từ năm 2006 đến nay được lưu trữ tại cơ sở dữ liệu của trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường

 Số liệu đo đạc của các tàu của dự án hợp tác Việt- Trung, Việt- Xô

từ năm 1961

Trang 36

a) Số liệu MODAS

Cơ sở dữ liệu MODAS được phát triển bởi phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân Hoa Kỳ Cơ quan này đã nghiên cứu, phát triển MODAS như

là một chuỗi chuyển đổi thời gian thực của những quan trắc vệ tinh AVHRR

về dạng lưới nhiệt độ độ phân giải cao nhằm đáp ứng nhu cầu cung cấp nhanh chóng các điều kiện biển hiện tại thường là trong các tình huống có ít hoặc không có dữ liệu sẵn có tại chỗ MODAS thu các dữ liệu vệ tinh AVHRR và sử dụng thuật toán nội suy tối ưu (OI-Optimal Interpolation) để phục hồi các giá trị nhiệt độ ở những nơi bị mây che phủ Bên cạnh đó, MODAS còn sử dụng các giá trị thực đo bằng phao từ 3 nguồn: Hệ thống Đại dương - Khí quyển nhiệt đới (The Tropical Atmosphere- Ocean (TAO) array), hệ thống phao nghiên cứu hàng hải (The Pilot Research Moored Array (PIRATA)) và Trung tâm Dữ liệu Đại dương Quốc Gia (The National Oceanic Data Center -NODC)

MODAS đã sử dụng số liệu khí hậu học bắt nguồn từ tất cả các dữ liệu lịch sử có sẵn hoặc thực hiện các phép đo đạc sử dụng các công cụ như máy

đo nhiệt áp (bathythermographs) Trong quá trình xử lý, các nhà khoa học đã kết hợp số liệu đo tại các điểm kết hợp với số liệu khí hậu học và ảnh vệ tinh

đo nhiệt độ bề mặt nước biển và độ cao bất thường mực biển Sự kết hợp giữa

đo tại chỗ và viễn thám nhiệt độ và độ cao tạo thành một tập phức tạp Mục tiêu của Modas là kết hợp các loại dữ liệu khác nhau và các số liệu khảo sát

để tạo thành một phân tích tổng hợp duy nhất của nhiệt độ và độ muối trên một mạng lưới thường xuyên

Cơ sở dữ liệu MODAS được trích xuất từ ảnh vệ tinh với độ phân giải không gian 1/8o

x1/8o và độ phân giải thời gian là một ngày lấy từ internet tùy theo mục đích của người sử dụng Trong khuôn khổ luận án số liệu nhiệt độ

Trang 37

MODAS được lấy là trường số liệu bề mặt từng tháng theo trung bình tháng nhiều năm từ 1993 đến 2013 của khu vực Biển Đông (hình 2.1) trích xuất cho khu vực Vịnh Bắc Bộ từ 16- 220N và 105- 1100

E

Hình 2.1 Phân bố nhiệt độ mặt tháng 2 trung bình nhiều năm theo MODAS

b) Số liệu nhiệt độ, độ muối phân bố theo độ sâu

Các số liệu phân bố theo độ sâu gồm:

- Các số liệu nhiệt độ, độ muối trong bộ Atlas đại dương thế giới (WOA) cập nhật vào cơ sở dữ liệu của quy trình ở hình 1.7 chi tiết đến 1 độ cho Vịnh Bắc Bộ

- Các số liệu thu thập được theo các chuyến khảo sát của các chương trình hợp tác Việt- Trung, Việt – Xô, các số liệu này không liên tục trong nhiều năm mà gián đoạn thành nhiều đợt Các số liệu Việt- Xô được trích rút

Trang 38

cho khu vực Vịnh Bắc Bộ từ 16-220N, 105- 1100E bao gồm 7160 điểm đo theo các tầng sâu từ năm 1989 đến năm 1995 được ghi lại theo dạng bảng 2.1

Số liệu đo đạc của chương trình hợp tác Việt- Trung và Việt- Xô đặc biệt quý

vì hầu hết nằm ở phần phía Đông vịnh Đặc điểm của số liệu này là số tầng đo khá thưa, ở các vùng nước nông dưới 100m các tầng đo cách nhau từ 10m đến 15m, các vùng nước sâu hơn thì càng xuống sâu khoảng cách giữa các tầng đo càng gia tăng

Bảng 2.1 Các đặc trưng số liệu đo đạc được ghi theo chuyến khảo sát

trong chương trình hợp tác Việt-Xô tại một vị trí

Kinh

độ (oE)

Độ sâu (m)

Số hiệu điểm

Tầng

đo (m)

Nhiệt

độ nước (oC)

Độ muối (%0)

là 1m theo độ sâu, rất nhiều các số liệu được đo đạc tại cùng một vị trí theo

Trang 39

các năm khác nhau và theo các tháng khác nhau nên khá đồng bộ về không gian Một ưu điểm nữa của số liệu này là các trạm đo tập trung khá dày ở phía

bờ Tây vịnh (hình 2.2)

Bảng 2.2 Dạng lưu trữ của số liệu CTD tại một trạm đo

Năm Tháng Trạm Ngày Giờ Kinh độ

(oE)

Vĩ độ (oN)

Độ sâu

đo

Nhiệt

độ (0C)

Độ muối (%o)

Trang 40

Hình 2.2 Vị trí các điểm đo trong tháng 1 của số liệu CTD

Tiêu đề	Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh bắc bộ
Tác giả	Hà Thanh Hương
Người hướng dẫn	GS.TS. Đinh Văn Ưu, PGS.TS. Đinh Văn Mạnh
Trường học	Đại học Quốc gia Hà Nội - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
Chuyên ngành	Hải dương học
Thể loại	Luận án
Năm xuất bản	2017
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	10,14 MB