Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng số liệu radar biển vùng vịnh Bắc Bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Nguyễn Thanh Trang NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỐ LIỆU RADAR BIỂN VÙNG VỊNH BẮC BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN .................................... Nguyễn Thanh Trang NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG SỐ LIỆU RADAR BIỂN VÙNG VỊNH BẮC BỘ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS. Trần Hồng Lam HDP: TS. Nguyễn Kim Cương Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới TS. Trần Hồng Lam, Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam và TS. Nguyễn Kim Cương, khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự Nhiên Hà Nội đã định hướng và giúp đỡ em tận tình về nhiều mặt. Em cũng xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong bộ môn Hải dương học và trong khoa Khí tượng - Thủy văn và Hải dương học; các bạn học viên trong lớp; các đồng nghiệp đã chỉ dẫn và đóng góp những ý kiến, kinh nghiệm chuyên môn quý báu; Trung tâm Hải văn đã tạo điều kiện về thời gian, nguồn số liệu và công nghệ radar biển để em hoàn thành khóa học và luận văn. Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn này, chắc không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong những ý kiến đóng góp của các thầy và các đồng nghiệp để em hoàn thiện luận văn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 27 tháng 12 năm 2014 HỌC VIÊN Nguyễn Thanh Trang MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................2 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ SỐ LIỆU RADAR BIỂN .....6 1.1. Giới thiệu về hệ thống radar biển .................................................................6 1.2. Số liệu radar biển............................................................................................8 1.3. Một số ứng dụng của radar biển ...................................................................9 1.4. Các nghiên cứu chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ ..................11 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................................................................................................................................15 2.1. Phần mềm tổng hợp trường dòng chảy 2 chiều.........................................15 2.1.1. Tổng hợp dòng chảy 2 chiều từ dữ liệu dòng chảy hướng tâm............15 2.1.2. Phương pháp nội suy đường ranh giới..................................................21 2.2. Mô hình phân tích và dự báo vật thể trôi...................................................23 2.2.1. Giới thiệu chung .....................................................................................23 2.2.1. Mô hình quỹ đạo La-grăngian ...............................................................24 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ TỪ DỮ LIỆU RADAR BIỂN.................................................................27 3.1. Phân tích số liệu........................................................................................27 3.1.1. Đánh giá số liệu quan trắc dòng chảy bằng radar biển........................27 3.1.2. Xây dựng miền lưới tính và dữ liệu đầu vào .........................................30 3.1.3. Tính toán tổng hợp dòng chảy 2 chiều ..................................................32 3.2. Kết quả tính toán, phân tích dòng chảy trung bình tháng vùng Vịnh Bắc Bộ...........................................................................................................................34 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO THỬ NGHIỆM QUỸ ĐẠO VẬT THỂ TRÔI.........................................................................................................................43 4.1. Nghiên cứu thử nghiệm................................................................................43 4.2. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy trung bình tháng Radar biển ............................................................................................................43 4.3. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy thời gian thực từ radar biển .............................................................................................................47 KẾT LUẬN ..............................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................56 Tiếng Việt .................................................................................................................56 1 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1: Sơ đồ vị trí hệ thống trạm radar đã thực hiện giai đoạn I và dự kiến giai đoạn II....7 Hình 2: Số liệu quan trắc sóng trong tháng 3 năm 2011 tại vị trí cell thứ 3 (cách trạm 17.5 km) tại trạm Đồng Hới...........................................................................................................8 Hình 3: Trường dòng chảy hướng tâm quan trắc lúc 03 giờ ngày 03 tháng 12 năm 2014 tại trạm Nghi Xuân .....................................................................................................................9 Hình 4: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa đông theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] ................................................................................................12 Hình 5: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa hè theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] ................................................................................................13 Hình 6: Sơ đồ hoàn lưu mùa vùng Vịnh Bắc Bộ 1960 -1962 (theo Ding và nnk) [13].......14 Hình 7: Một lưới chữ nhật tiêu biểu qua diện tích vùng bao phủ của 3 trạm radar từ xa. Các điểm đường bờ được đánh dấu x .........................................................................................15 Hình 8: Vị trí 2 trạm radar tại 2 điểm A và B. Điểm lưới G được bao quanh bằng một vòng tròn vùng giao thoa chứa véc tơ hướng tâm và tại điểm này phương pháp bình phương tối thiểu được sử dụng để tính véc tơ tổng cộng. ......................................................................16 Hình 9: Để đảm bảo sự chính xác trong việc tính véc tơ dòng chảy tổng cộng tại các điểm lưới, ta phải áp dụng quy tắc với các góc và giữa các đường xuyên tâm từ điểm lưới đối với các trạm radar. .........................................................................................................17 Hình 10: Minh họa trường hợp khi đường ranh giới nằm ngoài vùng nước mở. Đường ranh giới giữa các vị trí trạm radar được xác định bằng đường gạch dọc. Hai đường vòng cung đại diện cho các đường biên của khu vực đường ranh giới. ................................................18 Hình 11: Minh họa trường hợp đường ranh giới gần với đường bờ. Đường ranh giới giữa vị trị các trạm radar được xác định là đường gạch dọc. Đường cung và đường bờ là các đường biên khu vực đường ranh giới..............................................................................................19 Hình 12: Một ví dụ về nội suy trong đường ranh giới khi đường ranh giới nằm ngoài khu vực xa bờ. Tại vùng phía trên của hình vùng đường ranh giới có để lại khoảng trống; tại vùng dưới của hình được lấp đầy bởi các véc tơ được nội suy. Các thông số đầu vào α, β được cho là 30° ....................................................................................................................20 Hình 13: Một ví dụ về nội suy đường ranh giới khi đường ranh giới gần với đường bờ. Phần trên của hình khu vực đường ranh giới tạo khoảng trống; phần dưới của hình được lấp đầy bởi các véc tơ nội suy. Các thông số đầu vào α, β được cho là 30°........................20 Hình 14: Vị trí 2 trạm trong sơ đồ tổng hợp véc tơ .............................................................21 Hình 15: Nội suy theo phương x..........................................................................................22 Hình 16: Tính phân tích theo hướng y.................................................................................22 Hình 17: Tổng hợp véc tơ tổng cộng ...................................................................................23 Hình 18: Phân bố mật độ số liệu quan trắc dòng chảy tại trạm radar Hòn Dáu. .................28 Hình 19: Phân bố mật độ số liệu quan trắc dòng chảy tại trạm radar Nghi Xuân ...............28 2 Hình 20: Phân bố mật độ số liệu tại trạm ............................................................................29 Hình 21: Phân bố mật độ số liệu giao thoa của 3 trạm Radar..............................................29 Hình 22: Phạm vi hoạt động của Radar và giới hạn miền phân tích dữ liệu .......................30 Hình 23: Sơ đồ lưới tính cho phần mềm tổng hợp dòng chảy 2 chiều ................................31 Hình 24: Sơ đồ dòng chảy hướng tâm tại các trạm quan trắc bằng Radar biển...................32 Hình 25: Dòng chảy tổng hợp được tính toán lúc 07 giờ ngày 01 tháng 12 năm 2013.......33 Hình 26: Dòng chảy trung bình tháng 12 ............................................................................34 Hình 27: Dòng chảy trung bình tháng 1 ..............................................................................35 Hình 28: Dòng chảy trung bình tháng 2 ..............................................................................36 Hình 29: Dòng chảy trung bình tháng 3 ..............................................................................37 Hình 30: Dòng chảy trung bình tháng 4 ..............................................................................37 Hình 31: Dòng chảy trung bình tháng 5 ..............................................................................38 Hình 32: Dòng chảy trung bình tháng 6 ..............................................................................39 Hình 33: Dòng chảy trung bình tháng 7 ..............................................................................39 Hình 34: Dòng chảy trung bình tháng 8 ..............................................................................40 Hình 35: Dòng chảy trung bình tháng 9 ..............................................................................41 Hình 36: Dòng chảy trung bình tháng 10 ............................................................................41 Hình 37: Dòng chảy trung bình tháng 11 ............................................................................42 Hình 38: Quỹ đạo vật thể trôi kịch một theo số liệu dòng chảy trung bình mùa đông........44 Hình 39: Quỹ đạo vật thể trôi kịch hai theo số liệu dòng chảy trung bình mùa đông .........45 Hình 40: Quỹ đạo vật thể trôi kịch một theo số liệu dòng chảy trung bình mùa hè ............46 Hình 41: Quỹ đạo vật thể trôi kịch hai theo số liệu dòng chảy trung bình mùa hè .............47 Hình 42: Trường dòng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 01 tháng 07 năm 2014 bằng mô hình STPS (thời điểm bắt đầu dự báo).........................................................................................50 Hình 43: Trường dòng chảy dự báo lúc 01 giờ ngày 08 tháng 07 năm 2014 bằng mô hình STPS (thời điểm kết thúc dự báo)........................................................................................50 Hình 44: Phân tích quỹ đạo trôi của vật thể sau 7 ngày trong tháng 7 năm 2014 ...............51 Hình 45: Trường dòng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 01 tháng 11 năm 2014 bằng mô hình STPS (thời điểm bắt đầu dự báo).........................................................................................52 Hình 46: Trường dòng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 08 tháng 11 năm 2014 bằng mô hình STPS (thời điểm kết thúc dự báo)........................................................................................52 Hình 47: Phân tích quỹ đạo trôi của vật thể sau 7 ngày trong tháng 11 năm 2014 .............53 3 MỞ ĐẦU Các lĩnh vực biển trong vòng vài thập kỷ trở lại đây đã và đang trở thành một trong những vấn đề được quan tâm và phát triển. Về kinh tế, biển đang trở thành mũi nhọn trong chiến lược phát triển của các quốc gia có ưu thế về biển. Đối với Việt Nam là một quốc gia ven biển, có nhiều tiềm năng và điều kiện thuận lợi trong việc phát triển đa dạng các ngành kinh tế biển thì việc tận dụng lợi thế đó nhằm đưa Việt Nam từng bước "trở thành một quốc gia mạnh về biển, giàu lên từ biển" ngày càng trở nên quan trọng. Để có những thông tin và hiểu biết nhất định giúp cho việc quản lý, khai thác và bảo vệ biển cần có những số liệu quan trắc thực tế, các nghiên cứu chuyên sâu. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các thiết bị quan trắc biển ngày càng hiện đại và tiện dụng. Một trong những công nghệ quan trắc biển hiện nay đang được nhiều quốc gia chú trọng đầu tư đó là quan trắc bằng công nghệ radar. Đối với Việt nam, Nhà nước đã và đang có chủ trương quan tâm và có kế hoạch xây dựng nhiều mạng lưới quan trắc, giám sát các quá trình động lực và môi trường biển, trong đó có hệ thống radar biển. Năm 2011, trạm radar biển đầu tiên ở Việt nam được xây dựng tại Đồng Hới, đánh dấu một bước tiến quan trọng trong quan trắc biển tại Việt Nam. Đến nay, sau khi kết thúc giai đoạn 1 của dự án với 4 trạm trong đó 3 trạm quan trắc và 1 trạm trung tâm. Các số liệu radar biển bao gồm số liệu về sóng và dòng chảy là những nguồn dữ liệu vô cùng quý giá trong các lĩnh vực nghiên cứu, ứng dụng, quản lý và khai thác biển. Đây là một nguồn dữ liệu mới đối với Việt Nam, vì vậy đến nay chưa có công trình nào công bố nghiên cứu về nguồn số liệu này. Các nghiên cứu ứng dụng của nguồn dữ liệu này rất rộng và phong phú, trong khuôn khổ đề tài luận văn này tác giả đưa ra hướng nghiên cứu ứng dụng số liệu quan trắc dòng chảy bề mặt biển bằng hệ thống radar trong việc tính toán đặc trưng dòng chảy trung bình tháng cho Vịnh Bắc Bộ và ứng dụng thử nghiệm dữ liệu dòng chảy này phân tích và dự báo quỹ đạo vật thể trôi dưới tác động của dòng chảy khu vực Vịnh Bắc Bộ. 4 Nội dung luận văn bao gổm 03 chương, phần kết luận và phần các bảng phụ lục: Chương 1: Tổng quan về hệ thống và số liệu radar biển Chương 2: Cơ sở và phương pháp nghiên cứu Chương 3: Nghiên cứu chế độ dòng chảy Vịnh bắc Bộ từ dữ liệu radar biển Chương 4: Nghiên cứu dự báo thử nghiệm quỹ đạo vật thể trôi Kết luận 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ SỐ LIỆU RADAR BIỂN 1.1. Giới thiệu về hệ thống radar biển Radar biển Seasonde là loại radar sử dụng tần số cao HF (4-50 MHz, bước sóng 6-75m) không bị giới hạn có thể lan truyền xa, dải hoạt động rộng hơn so với hệ thống radar sử dụng sóng micro. Ngoài ra các tín hiệu phản hồi của sóng HF (từ bề mặt biển) theo một quy luật biết trước (nguyên lý Bragg) nên cho phép có được thông tin về sóng, dòng chảy cũng như một số thông tin khác. Radar biển Seasonde hoạt động dựa trên nguyên lý Doppler, tương tự như sung bắn tốc độ của cảnh sát giao thông. Tín hiệu từ ăng ten phát của radar chạm vào bề mặt biển (sóng biển chuyển động) sau đó phản hồi lại và được thu bởi ăng ten thu. Trong quá trình thu sẽ có sự lệch pha tần số (Doppler shift) do sóng biển chuyển động. Sự lệch pha này tỉ lệ với tốc độ sóng/tốc độ dòng chảy biển, qua các phần mềm và thuật toán ta biết được tốc độ của dòng chảy biển. Quá trình thu tín hiệu radar và phân tích thành các đặc trưng của sóng và dòng chảy được chia thành 3 giai đoạn chính: phân tích vận tốc mục tiêu (tín hiệu radio thu được), khoảng cách đến mục tiêu và hướng của mục tiêu. Hệ thống radar biển Việt Nam được đầu tư xây dựng theo đề án: “Đầu tư xây dựng hệ thống radar biển tần số cao (HF) phục vụ phòng tránh, giảm nhẹ thiên tai, phát triển kinh tế biển và góp phần bảo đảm an ninh quốc phòng ở vùng biển Việt Nam” do Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam thực hiện, đã hoàn thành giai đoạn 1 bao gồm xây dựng 03 trạm quan trắc radar biển HF ở vịnh Bắc Bộ và 01 trạm thu số liệu quan trắc tại Hà Nội. Hệ thống radar biển HF đảm nhận vai trò cung cấp dữ liệu hải văn như sóng biển, dòng chảy biển,.. phục vụ dự báo vật thể trôi, lan truyền ô nhiễm, tràn dầu trên biển, cảnh báo sớm sóng thần, … góp phần tích cực vào phát triển kinh tế biển và an ninh quốc phòng biển một cách hữu hiệu, cơ bản cho đất nước. Hiện nay, 4 trạm đã đi vào hoạt động (2 trạm ven bờ, 1 trạm đảo và 1 trạm điều hành trung tâm) thuộc giai đoạn I của dự án, trong các giai đoạn II đang đề 6 xuất đầu tư xây dựng thêm 5 trạm radar biển trong đó 2 trạm thuộc khu vực Vịnh Bắc Bộ và 3 trạm vùng biển Nam Bộ (hình 1) trong toàn bộ hệ thống radar dự kiến 17 trạm trải đều dọc ven biển và đảo của Việt Nam nhằm đáp ứng của công tác quản lý nhà nước và hoạt động điều tra cơ bản về biển theo đúng chức năng, nhiệm vụ của Trung tâm Hải văn. Cụ thể là công tác điều tra cơ bản về trạng thái tự nhiên của mặt biển, bao gồm sóng và dòng chảy bề mặt biển. Hình 1: Sơ đồ vị trí hệ thống trạm radar đã thực hiện giai đoạn I và dự kiến giai đoạn II 7 Hệ thống radar biển đang vận hành ổn định với chế độ thu dữ liệu 1 giờ/ lần quan trắc. Phạm vi quan trắc dòng chảy lớn nhất là 300 km với bước lưới không gian là 5.825 km, tần số phát 4.65 Mhz. Phạm vi quan trắc sóng từ 11.65 km đến 58.25 km tính từ tâm là vị trí trạm radar. Các dữ liệu quan trắc từ hệ thống rada biển này bao gồm số liệu trường dòng chảy 2 chiều và số liệu quan trắc sóng trong phạm vi hoạt động của radar và được cập nhận tự động liên tục về trạm trung tâm thông qua đường truyền internet. 1.2. Số liệu radar biển Số liệu quan trắc sóng Số liệu quan trắc sóng hiện nay được thực hiện tại 3 trạm radar với các thông số bao gồm: Độ cao, hướng và chu kỳ sóng. Tính năng quan trắc sóng được thực hiện thông qua 1 trong hai lựa chọn: Quan trắc các tham số sóng trung bình cho từng cell (trung bình của mỗi cung cách vị trí trạm một khoảng là bội của 5.8 km) hoặc quan trắc các tham số sóng tại các vị trí trên tia trung truyến của góc quét ứng với từng cell. Tần suất quan trắc 1 giờ/lần. Hiện nay các trạm radar được cài đặt để đo sóng tại vị trí trên tia trung tuyến của góc quét từ cell thứ 01 đến cell thứ 10, tương ứng với các ô trên tia trung tuyến cách vị trí trạm lần lượt là: 5,8; 11,6; 17,5; 23,3; 29,2; 35,0; 40,8; 46,6 và 58,3 km. Hình 2: Số liệu quan trắc sóng trong tháng 3 năm 2011 tại vị trí cell thứ 3 (cách trạm 17.5 km) tại trạm Đồng Hới 8 Số liệu quan trắc dòng chảy Dòng chảy được quan trắc tại mỗi trạm radar là trường dòng chảy hướng tâm với phạm vi quan trắc tối đa là 300 km, tần suất quan trắc 1 giờ/lần. Các dữ liệu dòng chảy này được truyền về tạm trung tâm và xử lý để tổng hợp thành trường dòng chảy 2 chiều trong phạm vi quan trắc của hệ thống trạm radar. Hình 3: Trường dòng chảy hướng tâm quan trắc lúc 03 giờ ngày 03 tháng 12 năm 2014 tại trạm Nghi Xuân Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này chỉ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng số liệu dòng chảy từ quan trắc bằng radar. 1.3. Một số ứng dụng của radar biển Dự báo các điều kiện thời tiết trên biển: Số liệu radar HF có thể được sử dụng trong việc dự báo điều kiện thời tiết biển (kết hợp với dự báo thời tiết nói chung) cũng như nghiên cứu các điều kiện, 9 trạng thái bề mặt biển trong bão, điều mà trước đây với các thiết bị hải văn đã có rất nhiều khó khăn hoặc không thực hiện được. Phục vụ cho công tác đánh bắt thủy sản Trên cơ sở số liệu từ radar HF ta có được bản đồ hướng và tốc độ dòng chảy biển với những vùng nước xoáy. Kinh nghiệm cho thấy, tâm của những vùng nước xoáy này hội tụ rất nhiều cá và các loại hải sản khác. Vị trí của những tâm xoáy nước này được xác định bằng kinh độ và vĩ độ và sẽ được dự báo cho ngư dân trong việc đánh bắt hải sản. Tại Mỹ và một số nước đã thực hiện dự báo vùng tập trung cá cho thấy, đánh bắt cá tại tâm xoáy nước cho sản lượng nhiều gấp 7-8 lần so với những vùng nước lân cận. Phục vụ cho đánh giá ô nhiễm và lan truyền ô nhiễm biển Một ví dụ cho thấy tác dụng của radar HF trong việc cảnh báo ô nhiễm biển do chất thải ra biển. Năm 2003, thành phố Santa Rosa (Mỹ) dự kiến thải nước thải ra biển tại Vịnh Bodega. Các nhà khoa học đã sử dụng số liệu thu được từ 3 trạm radar HF trong một tuần để mô hình hóa sự lan truyền của chất thải ra biển. Từ mô hình chuyển động (lan truyền) của chất thải cho thấy, thay vì chất thải đi thẳng ra biển, nó lại di chuyển dọc theo bờ biển đến khu vực bảo tồn sinh thái biển, nơi có nhiều dải san hô và như vậy, sẽ có nguy cơ tàn phá khu vực sinh thái vùng biển này. Từ kết quả nghiên cứu trên, chính quyền thành phố đã cho đình chỉ dự án thải nước thải ra biển như ban đầu dự kiến. Mô hình này cũng được áp dụng để đánh giá sự lan truyền của dầu tràn trên biển. Ứng dụng trong cứu hộ cứu nạn trên biển Một ví dụ khác cho thấy, ứng dụng hữu hiệu của radar HF trong cứu hộ cứu nạn trên biển. Trên bản đồ hướng và dòng chảy biển của Radar HF đã xác định điểm một con thuyền bị tai nạn và phát tín hiệu cấp cứu. Sau 30 giờ con thuyền đã trôi đi một quãng xa so với vị trí ban đầu và cần phải xác định hiện tại thuyền đang ở vị trí nào để có thể cứu hộ. Như vậy, với số liệu dòng chảy và sóng thu được, tiến hành xác định hướng và dòng chảy bề mặt biển cùng với phần mềm của radar HF 10 (Codar Leeway) sẽ xác định được vị trí gần sát với thực tế di chuyển của con thuyền và việc cứu hộ cứu nạn trên biển dễ dàng hơn. Ứng dụng trong điều hành tầu thuyền qua lại eo biển, cảng Tại vùng Tokyo và vịnh Sagami, dòng chảy biển rất mạnh và thay đổi liên tục, trong khi có đến 90% tàu thuyền phải qua lại khu vực này. Nếu không có chỉ dẫn và điều hành hàng hải thì sẽ gây nguy hiểm cho tàu bè qua lại. Sử dụng 02 radar HF được lắp đặt tại đây, cung cấp số liệu thời gian thực (real-time) về tốc độ và hướng dòng chảy biển, từ đó có sự điều hành tàu bè qua lại đảm bảo an toàn và hiệu qủa cao nhất. Nhiều cảng biển và căn cứ hải quân trên thế giới sử dụng radar HF vào mục đích này. Ứng dụng trong phối hợp để tăng độ chính xác dự báo số trị Số liệu radar biển được sử dụng kết hợp mô hình số trị trong việc đồng hóa số liệu để tạo trường ban đầu cho các mô hình động lực. Các trường ban có độ chính xác cao góp phần tăng độ chính xác của các kết quả dự báo từ mô hình số trị. 1.4. Các nghiên cứu chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía tây của biển, rộng từ 105o36’E đến 109o55’E trải dài từ vĩ tuyến 17oN đến vĩ tuyến 21oN, diện tích khoảng 160.000 km2, chu vi khoảng 1.950 km, trong đó phía bờ Việt Nam là 740 km, chiều dài vịnh là 496 km, nơi rộng nhất là 314 km. Vịnh Bắc Bộ được bao bọc bởi bờ biển miền Bắc Việt Nam ở phía tây, bờ biển Nam Trung Hoa ở phía bắc trong đó có bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam. Bờ biển khúc khuỷu với khoảng hơn 2.300 hòn đảo lớn nhỏ, tập trung chủ yếu ở phía ven bờ Việt Nam. Đặc biệt đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm khoảng giữa vịnh với diện tích 2,5 km2 cách đảo Hòn Dấu, Hải Phòng khoảng 110 km. Khối nước của Vịnh Bắc Bộ chủ yếu giao lưu với Biển Đông qua cửa phía nam của vịnh rộng chừng 230 km và sâu hơn 100 m. Một phần nhỏ nước được trao đổi qua eo biển hẹp (18 km) và không sâu (20 m) Quỳnh Châu. Do độ sâu của biển không lớn nên hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái Lan được hình thành chủ yếu 11 do tác động của trường gió thịnh hành trên mặt biển. Tuy nhiên với sự liên kết tương đối chặt chẽ với Biển Đông, quá trình trao đổi nước qua cửa vịnh cũng gây nên tính đa dạng trong phân bố và biến động của hoàn lưu mùa trong các vịnh. Tính đa dạng này còn bị chi phối bởi sự khác biệt của quá trình tương tác biển khí, chủ yếu là tương tác nhiệt, trên các vịnh phụ thuộc vào vị trí địa lý của chúng. Đặc điểm quan trọng của hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ là sự tồn tại trong cả năm của dòng chảy ven bờ tây vịnh. Điều này đã được khẳng định không những bằng các kết quả phân tích số liệu khảo sát từ những năm 1960 (Hình 1, Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1965) [2] mà còn được mô phỏng bằng kết quả mô hình hoá 3D trong mộ số công trình thuộc các đề tài cấp bộ và cấp nhà nước. Bên cạnh hoàn lưu trong dạng xoáy thuận nêu trên, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô hình hoá đều cho thấy sự hiện diện của một xoáy nghịch trên vùng biển phía bắc vịnh trong mùa hè.. Hình 4: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa đông theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] 12 Hình 5: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa hè theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] Các bản đồ hoàn lưu vịnh Bắc Bộ được thể hiện trong Atlas Quốc gia Việt Nam (1999) [1], dựa trên cơ sở phân tích số liệu khảo sát nêu trên.. Nguyên nhân hình thành bức tranh hoàn lưu trong mùa hè trên vịnh Bắc Bộ được mô tả trên đây có thể lý giải bằng sự phân hoá về hướng gió trên vịnh do hoạt động kết hợp của áp thấp bắc Đông Dương và dải hội tụ nhiệt đới. Với hướng gió thịnh hành đông-nam từ Bạch Long Vỹ đến Hải Phòng, Quảng Ninh, sự hình thành hai xoáy đối lập dấu nằm hai phía bắc và nam hoàn toàn khẳng định vai trò của gió trong mùa hè. Trong mùa đông, sự xâm nhập của dòng chảy Biển Đông góp phần làm tăng cường dòng chảy đi về phía nam ven bờ phía tây vịnh. Trong nghiên cứu của Ding và nnk [13], hoàn lưu tầng mặt Vịnh Bắc Bộ 13 trong các tháng mùa xuân, mùa thu và mùa đông tương tự như nhau. Trong các mùa này nước từ phía phía nam đảo Hải Nam đi vào trong vịnh, men theo phía tây đảo Hải Nam đi ngược lên phía bắc vịnh rồi vòng lại theo bờ đông của các tỉnh bắc và bắc trung bộ thoát ra ngoài Vịnh Bắc bộ. Trong các tháng mùa hè hoàn lưu có hướng ngược lại với 3 mùa còn lại của năm. Trong nghiên cứu này, hoàn các xoáy thuận và xoáy nghịch ở trung tâm và phía bắc vịnh không được thể hiện rõ. Nguyên nhân dẫn đến sự thiếu vắng của các hoàn lưu này có thể do số liệu thu thập về dòng chảy chưa đủ để phân tích ra các đặc trưng quy mô nhỏ của hoàn lưu vùng biển này. Hình 6: Sơ đồ hoàn lưu mùa vùng Vịnh Bắc Bộ 1960 -1962 (theo Ding và nnk) [13] 14 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phần mềm tổng hợp trường dòng chảy 2 chiều 2.1.1. Tổng hợp dòng chảy 2 chiều từ dữ liệu dòng chảy hướng tâm Để tính toán véc tơ dòng chảy tổng cộng, sử dụng phần mềm Seasonde Combine Suite Release 7 [9] được cung cấp bởi hãng CODAR. Phần mềm Combine Suite tiêu chuẩn có thể tính được véc tơ dòng chảy tổng cộng từ 6 trạm radar, trong khi phiên bản nâng cấp hiện nay có thể tính được véc tơ dòng chảy từ 24 trạm radar với tốc độ tính toán nhanh gấp hai lần so với phiên bản tiêu chuẩn. Đây là phần mềm với giao diện thân thiện có thể tạo được các dạng fie đầu radar dạng từ các nguồn khác nhau. Phần mềm được thực hiện trên thuật toán như sau: Bước đầu tiên để xác định lưới bao trùm khu vực là sử dụng chương trình SDsetup để tạo file lưới đầu vào đối với phần mềm tạo véc tơ tổng cộng. Hình 7 minh họa một lưới hình chữ nhật tiêu biểu; tuy nhiên lưới tính để tổng hợp véc tơ tổng cộng có thể có dạng khác và các điểm đặc biệt (ví dụ như các vị trí phao) có thể được thêm vào. Các điểm đường bờ được chỉ ra trong hình 7 được đánh dấu X, được nhận dạng và lưu trong file lưới bằng một kí tự đánh dấu đặc biệt. Hình 7: Một lưới chữ nhật tiêu biểu qua diện tích vùng bao phủ của 3 trạm radar từ xa. Các điểm đường bờ được đánh dấu x 15 Hình 8: Vị trí 2 trạm radar tại 2 điểm A và B. Điểm lưới G được bao quanh bằng một vòng tròn vùng giao thoa chứa véc tơ hướng tâm và tại điểm này phương pháp bình phương tối thiểu được sử dụng để tính véc tơ tổng cộng. Trên hình là các véc tơ hướng tâm từ vị trí B. Tại mỗi điểm lưới, ta muốn tính toán thành phần U, V (thành phân theo vỹ hướng và kinh hướng) của véc vơ dòng chảy tổng cộng. Thông thường tại mỗi điểm lưới có thể có một véc tơ dòng chảy xuyên tâm từ mỗi trạm radar được sử dụng để tính U, V. Trên hình 8, các véc tơ xuyên tâm nằm dọc được xuyên tâm GA, GB. Trên thực tế, một vòng tròn vùng giao thoa với bán kính cụ thể được vẽ tại mỗi điểm lưới và các véc tơ xuyên tâm nằm trong vòng tròn được vẽ đó. Nếu góc giữa hai véc tơ xuyên tâm từ 2 trạm khác nhau nhỏ hơn 10 độ thì véc tơ xuyên tâm đó bị loại bỏ. Thành phần U, V trong véc tơ dòng chảy tổng cộng được tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu từ các véc tơ xuyên tâm trong vòng tròn vùng giao thoa. 16 Hình 9: Để đảm bảo sự chính xác trong việc tính véc tơ dòng chảy tổng cộng tại các điểm lưới, ta phải áp dụng quy tắc với các góc và giữa các đường xuyên tâm từ điểm lưới đối với các trạm radar. Phương pháp bình phương tối thiểu không đúng khi các véc tơ vận tốc xuyên tâm trong vòng tròn vùng giao thoa quá gần nhau hoặc song song. Với hai trạm radar điều này xảy ra khi điểm lưới gần với đường giới hạn giao thoa của hai khu vực (có thể gọi là vùng đường ranh giới) như điểm A trên hình 9 và vị trí xa so với trạm radar như điểm lưới B. Ta xác định giới hạn ổn định cho góc α, β (thông từ 20° đến 30°). Để tính một véc tơ dòng chảy tổng cộng tại một điểm lưới, ta cần ít nhất một cặp véc tơ xuyên tâm thỏa mãn lưới này thỏa mãn > β. Vùng đường ranh giới được xác định bởi những điểm < α. Vùng đường ranh giới có thể được để lại khoảng trống hoặc phép nội suy có thể được thực hiện hiện để lấp những khoảng trống này của véc tơ dòng chảy tổng cộng. 17