Tài liệu Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh bắc bộ.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Hà Thanh Hương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC HÀ NỘI - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------------- Hà Thanh Hương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 62440228 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. Đinh Văn Ưu PGS.TS. Đinh Văn Mạnh XÁC NHẬN NCS ĐÃ CHỈNH SỬA THEO QUYẾT NGHỊ CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN ÁN Người hướng dẫn khoa học Chủ tịch hội đồng đánh giá Luận án Tiến sĩ GS.TS. Đinh Văn Ưu PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn HÀ NỘI - 2017 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 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. 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 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 8 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG ........................ 12 1.1. Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông .....12 1.2. Các nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ .........................................................................20 1.3. Quy trình phân tích và mô phỏng cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ ...............................................................................................................26 Chương 2: MODUL PHÂN TÍCH SỐ LIỆU VÀ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU GHER .............................................................. 30 2.1. Modul phân tích số liệu ..................................................................................30 2.1.1. Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối ..............................................................30 2.1.2. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................36 2.1.3. Phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối..........................................................................42 2.2. Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER ...........................................................60 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình ...................................................................60 2.2.2. Phương pháp thể tích hữu hạn.................................................................67 2.2.3. Cài đặt mô hình .......................................................................................73 Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 3D NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG CÁC TRƯỜNG NHIỆT - MUỐI VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ ................ 78 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Vịnh Bắc Bộ ..............................78 3.1.1. Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ ...............................................78 3.1.2. Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc Bộ ......................................79 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..............................................................79 3.2.1. Các trường ban đầu thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ........................79 3.2.2. Các điều kiện biên và các tác động. ........................................................87 3.2.3. Các tham số của mô hình ........................................................................90 1 3.3. Kết quả kiểm tra mô hình ...............................................................................90 3.4. Các kết quả tính toán cấu trúc hoàn lưu và nhiệt muối Vịnh Bắc Bộ ............97 3.4.1. Hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ ............................................................................97 3.4.2. Cấu trúc nhiệt độ, độ muối Vịnh Bắc Bộ ............................................. 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................ 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 122 PHỤ LỤC 2 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 ................................................. 33 Bảng 2.2. Dạng lưu trữ của số liệu CTD tại một trạm đo ...................................... 34 Bảng 2.3. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 210±0.50N, 1070±0.50E tháng 1 ................................................................... 39 Bảng 2.4. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 17±0.5oN, 108±0.5oE tháng 1 ..................................................................... 39 Bảng 2.5. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 21±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 5 .................................................................... 40 Bảng 2.6. Hàm phân bố gia tăng độ muối ΔS và phân bố độ muối S vùng 20±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 1 .................................................................... 41 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. ................................................... 54 Bảng 3.1. Các giá trị phân tầng biển theo  sử dụng trong triển khai mô hình ....... 81 Bảng 3.4. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng mặt tại 4 điểm. .......................................................................................... 105 Bảng 3.5. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng 30m.......................................................................................................... 107 Bảng 3.6. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng 50m.......................................................................................................... 108 Bảng 3.7. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình các tháng theo độ sâu ....................................................................................................... 109 3 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) ..................................................................15 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]) ....................................................................................................15 Hình 1.3. Hoàn lưu theo mùa khu vực Biển Đông. ...................................................20 Hình 1.4. Theo quan niệm truyền thống hoàn lưu có xoáy nghịch vào mùa hè...............22 Hình 1.5. Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 năm 2007 của Gao và nnk (2013) ..........24 Hình 1.6. Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo Yang Ding (2013) (a)-có gió, b)- gió và triều).........................................................................................25 Hình 1.7. Sơ đồ quy trình tính toán ...........................................................................29 Hình 2.1. Phân bố nhiệt độ mặt tháng 2 trung bình nhiều năm theo MODAS ..........32 Hình 2.2. Vị trí các điểm đo trong tháng 1 của số liệu CTD .....................................35 Hình 2.3. Phân bố nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. .............................38 Hình 2.4. Phân bố độ muối tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. .............................38 Hình 2.5. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 21±0.5oN, 107±0.5oE ...................................39 Hình 2.6. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 17±0.5oN, 108±0.5oE ...................................40 Hình 2.7. Phân bố nhiệt độ tháng 5 tại 21±0.5oN, 107 ±0.5oE ..................................40 Hình 2.8. Phân bố độ muối tháng 1 tại 20±0.5oN, 107 ±0.5oE ..................................41 Hình 2.9. Xấp xỉ tuyến tính chuỗi số liệu rời rạc.......................................................43 Hình 2.10. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 2 chuỗi số liệu rời rạc.......................................43 Hình 2.11. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 5........................................................................44 Hình 2.12. Phân bố nhiệt độ mặt trung bình tháng 1 .................................................47 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 ........................................48 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 21oC .................................49 4 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 ......................................49 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 30.5oC ..............................50 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 ......................................50 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 ...................................51 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%o ...............................................51 Hình 2.20: Kết quả so sánh giữa các phương pháp tính toán và thực đo ..................52 Hình 2.21a: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo ....................52 Hình 2.21b: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo ....................55 Hình 2.21c: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo ....................56 Hình 2.21d: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo ....................57 Hình 2.21e: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo ....................58 Hình 2.21f: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo.....................59 Hình 2.22. Sơ đồ lưới 3D Akarawa- C ......................................................................69 Hình 2.23. Sơ đồ lùi sử dụng trong tính toán bình lưu ..............................................70 Hình 2.24. Sơ đồ tổng quát triển khai mô hình dự báo ..............................................74 Hình 3.1. Bản đồ địa hình Vịnh Bắc Bộ sử dụng trong mô hình ...............................80 Hình 3.2. Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 1 tại các tầng sâu ................................83 Hình 3.3. Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 7 tại các tầng sâu ................................84 Hình 3.4. Phân bố độ muối trung bình tháng 1 tại các tầng sâu ................................85 Hình 3.5. Phân bố độ muối trung bình tháng 7 tại các tầng sâu ................................86 Hình 3.6. Dòng chảy mặt tháng 1 ..............................................................................92 Hình 3.7. Dòng chảy mặt tháng 1 ..............................................................................92 Hình 3.8. Dòng chảy mặt mùa đông theo đề tài KC09.24 (2005) .............................92 Hình 3.9. Dòng chảy mặt tháng 7 ..............................................................................93 5 Hình 3.10. Dòng chảy mặt tháng 7 ............................................................................93 Hình 3.11. Dòng chảy mặt mùa hè theo đề tài KC09.24 (2005) ...............................93 Hình 3.12. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 trường ban đầu .................................94 Hình 3.13. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình .........................94 Hình 3.14. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 trường ban đầu .................................95 Hình 3.15. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình .........................95 Hình 3.16. Profile nhiệt độ tại vị trí 1080E, 180N tháng 1 giữa tính toán và trường ban đầu ...........................................................................................................95 Hình 3.17. Profile nhiệt độ tại vị trí 1080E, 180N tháng 7 giữa tính toán và trường ban đầu ...........................................................................................................95 Hình 3.18. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 trường ban đầu .................................96 Hình 3.19. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình .........................96 Hình 3.20. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 trường ban đầu .................................97 Hình 3.21. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình .........................97 Hình 3.22: Phân bố dòng chảy mặt tháng 1 và đường dòng qua eo Quỳnh Châu và cửa vịnh .................................................................................................................98 Hình 3.23: Phân bố dòng chảy mặt tháng 2 ...............................................................98 Hình 3.24: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 1 ......................................................99 Hình 3.25: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 1 ......................................................99 Hình 3.26: Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5 ................................................. 100 Hình 3.27: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 5 ................................................... 100 Hình 3.28: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 và đường dòng trong vịnh ................. 100 Hình 3.29: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 theo đề tài KC09.17........................... 100 Hình 3.30: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 ............................................................ 101 Hình 3.31: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo đề tài KC09.17........................... 101 Hình 3.32: So sánh dòng chảy mặt tháng 8 giữa tính toán và Yang Dinh.............. 102 Hình 3.33: So sánh dòng chảy mặt tháng 7 giữa tính toán và Gao. ........................ 102 Hình 3.34: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 7 ................................................... 104 Hình 3.35: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 7 ................................................... 104 6 Hình 3.36: Phân bố dòng chảy mặt tháng 9 ............................................................ 104 Hình 3.37: Phân bố dòng chảy mặt tháng 10 .......................................................... 104 Hình 3.38. Vị trí các điểm trích rút kết quả ............................................................ 106 Hình 3.39. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng mặt tại 4 điểm.. 106 Hình 3.40. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 30m tại điểm 3 và 4 .......................................................................................................................... 107 Hình 3.41. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 50m tại điểm 3 và 4 .......................................................................................................................... 108 Hình 3.42. Profile vận tốc các tháng tại điểm 3 và 4 .............................................. 110 Hình 3.43. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 20N ........................... 112 Hình 3.44. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ..................... 112 Hình 3.45. Phân bố nhiệt độ tháng 3 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N ........................... 112 Hình 3.46. Phân bố nhiệt độ tháng 4 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ..................... 112 Hình 3.47. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ..................... 113 Hình 3.48. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N ........................... 113 Hình 3.49. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N ........................... 113 Hình 3.50. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt kinh tuyến 107E ..................... 113 Hình 3.51. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 ........................................................ 114 Hình 3.52. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 2 ........................................................ 114 Hình 3.53. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 ........................................................ 115 Hình 3.55: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 ....................................................... 116 Hình 3.56: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 2 ....................................................... 116 Hình 3.57. Phân bố độ muối tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N ........................... 116 Hình 3.58. Phân bố độ muối tháng 2 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N ........................... 116 Hình 3.59: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 ....................................................... 117 Hình 3.60: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 8 ....................................................... 117 Hình 3.61. Phân bố độ muối tháng 7 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 .................. 117 7 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’- 110oE, 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 8 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. 9 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. 10 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. 11 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 121oE, 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 12 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 rõ hơn. Đáng chú ý nhất là: - Bản đồ về dòng chảy bề mặt được xuất bản bởi Cơ quan Thủy văn của Hải quân Hoa Kỳ (1945) [24]. - Dựa trên phân tích sự trôi của tàu thuyền, Dale (1956) [19] đã đưa ra nhiều sơ đồ dòng chảy bề mặt Biển Đông. - Công trình mang tính tổng hợp của Wyrtki K (1961) [65] đã đưa ra các đặc trưng cơ bản biến động mùa của dòng chảy bề mặt trên toàn Biển Đông và các biển lân cận. Đây là công trình có tính bao quát lớn và đã được 13 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. 14 b) a) 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 19211970. Các phân tích này chỉ ra cấu trúc hoàn lưu trung bình mùa trên toàn 15