Luận văn thạc sĩ HUS tính toán trao đổi nước qua các biên ở biển đông dựa trên số liệu nhiệt muối

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lưu Quang Hải TÍNH TỐN TRAO ĐỔI NƯỚC QUA CÁC BIÊN Ở BIỂN ĐÔNG, DỰA TRÊN SỐ LIỆU NHIỆT MUỐI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lưu Quang Hải TÍNH TỐN TRAO ĐỔI NƯỚC QUA CÁC BIÊN Ở BIỂN ĐÔNG, DỰA TRÊN SỐ LIỆU NHIỆT MUỐI Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Phạm Văn Huấn Hà Nội - 2014 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2 Đặc điểm trường hải văn Biển Đông 1.2.1 Cấu trúc hồn lưu Biển Đơng 1.2.2 Chế độ nhiệt muối Biển Đông 15 1.2.3 Chế độ dịng chảy Biển Đơng 19 Chương 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn dịng chảy 22 2.1.1 Cơ sở lý thuyết trường mật độ nước biển 22 2.1.2 Cơ sở lý thuyết dòng chảy mật độ 24 2.1.3 Lý thuyết dòng chảy gradien biển đồng 28 2.2 Phương pháp động lực tính dịng chảy mật độ 29 2.2.1 Công thức sơ đồ tính tốn dịng chảy phương pháp động lực 29 2.2.2 Tính độ sâu (hay độ cao) động lực trạm hải văn dựng đồ động lực 31 2.2.3 Tính độ cao động lực trạm có độ sâu khác 32 2.3 Các bước thực tính tốn dịng chảy qua mặt cắt lựa chọn 33 2.3.1 Tính độ cao động lực trạm hải văn mặt cắt 33 2.3.2 Dựng đồ đẳng vận tốc qua mặt cắt 36 Chương 3: KẾT QUẢ TÍNH PHÂN BỐ DỊNG CHẢY MẬT ĐỘ TRUNG BÌNH THÁNG TẠI CÁC EO BIỂN 37 3.1 Cơ sở liệu phạm vi nghiên cứu 37 3.1.1 Tình hình số liệu phương pháp xử lý 37 3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 40 3.2 Phân bố nhiệt độ độ muối trung bình eo biển 41 3.3 Kết tính toán đặc trưng trao đổi nước qua biên lỏng 53 3.3.1 Eo Đài Loan 53 3.3.2 Eo Bashi 56 3.3.3 Eo Mindoro 58 3.3.4 Eo Balabac 61 3.3.5 Eo Singapore 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 CÁC HÌNH PHỤ LỤC 68 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com LỜI CÁM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, tơi gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Phạm Văn Huấn – môn Hải dương học – người định hướng, trực tiếp hướng dẫn tận tình giúp đỡ nhiều mặt Tôi xin chân thành cảm ơn thầy Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Phòng đạo tạo Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên; đồng nghiệp lãnh đạo Trung tâm Hải văn có dẫn giải đáp quý báu, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành khóa luận Trong q trình thực luận văn, chắn không tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận góp ý thầy cô bạn đồng nghiệp để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Các đặc trưng địa hình số eo biển chủ yếu biển Đông Trang 16 Bảng 2.1: Nhiệt độ tỷ trọng cực đại đóng băng phụ thuộc độ mặn 22 Bảng 2.2: Ví dụ thể tích riêng quy ước nước biển trạm hải văn 34 Bảng 2.3: Ví dụ tính độ cao động lực trạm hải văn 35 Bảng 3.1: Tình trạng số liệu 37 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Hồn lưu lớp nước mặt biển Đơng Trang 11 Hình 1.2: Phân bố nhiệt độ độ mặn trung bình tầng mặt biển Đơng mùa đơng 17 Hình 1.3: Phân bố nhiệt độ độ muối trung bình tầng mặt biển Đơng mùa hè 18 Hình 1.4: Hệ thống dịng chảy tầng mặt biển Đơng (Atlas Quốc gia) 19 Hình 2.1: Biểu đồ biểu thị phụ thuộc vào độ muối nhiệt độ tỷ trọng cực đại nhiệt độ đóng băng 23 Hình 2.2: Giải thích hình thành cân địa chuyển 25 Hình 2.3: Những đường đồng mức động lực mặt biển 27 Hình 2.4: Giải thích hình thành dịng chảy gradien 28 Hình 2.5: Hai trạm có độ sâu khác 32 Hình 3.1: Số liệu nhiệt độ - độ muối mặt cắt eo Bashi 39 Hình 3.2: Vị trí eo biển (biên lỏng) lựa chọn tính tốn 40 Hình 3.3: Phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua eo Đài Loan, dọc 23o15’N 42 Hình 3.4: Phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua eo Bashi, dọc 120o45’E 43 Hình 3.5: Phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua eo Mindoro, dọc 120o15’E 44 Hình 3.6: Phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua eo Balabac, dọc 117o45’E 45 Hình 3.7: Phân bố nhiệt độ mặt cắt ngang qua eo Singapore, dọc 2o15’N 46 Hình 3.8: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Đài Loan, dọc 23o15’N 48 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 3.9: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Bashi, dọc 120o45’E 49 Hình 3.10: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Mindoro, dọc 120o15’E 50 Hình 3.11: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Balabac, dọc 117o45’E 51 Hình 3.12: Phân bố độ muối mặt cắt ngang qua eo Singapore, dọc 2o15’N 52 Hình 3.13: Giá trị độ muối tháng – eo Đài Loan 54 Hình 3.14: Giá trị nhiệt độ tháng – eo Đài Loan 54 Hình 3.15: Mặt cắt dịng chảy eo Đài Loan vào mùa đơng mùa hè 55 Hình 3.16: Số liệu độ muối mặt cắt eo Bashi – tháng 56 Hình 3.17: Số liệu nhiệt độ mặt cắt eo Bashi – tháng 56 Hình 3.18: Mặt cắt dòng chảy eo Bashi vào mùa đơng mùa hè 57 Hình 3.19: Số liệu nhiệt độ mặt cắt eo Mindro – tháng 59 Hình 3.20: Số liệu độ muối mặt cắt eo Mindro – tháng 59 Hình 3.21: Mặt cắt dịng chảy eo Mindoro vào mùa đông mùa hè 60 Hình 3.22: Số liệu nhiệt độ eo Balabac – tháng 61 Hình 3.23: Số liệu độ muối eo Balabac – tháng 61 Hình 3.24: Mặt cắt dịng chảy eo Balabac vào mùa đơng mùa hè 62 Hình 3.25: Số liệu nhiệt độ eo Singapore – tháng 63 Hình 3.26: Số liệu độ muối eo Singapore – tháng 63 Hình 3.27: Mặt cắt dòng chảy eo Singapore vào mùa đông mùa hè 64 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỞ ĐẦU Sự phát triển nhanh chóng kinh tế biển hoạt động an ninh quốc phòng đảm bảo chủ quyền biển đặt vấn đề khoa học cấp thiết cần giải việc cung cấp thông tin dự báo trường yếu tố khí tượng thủy văn biển Trong điều kiện nước ta nay, để có thông tin dự báo hạn ngắn trường yếu tố khí tượng thủy văn biển tiến hành theo hai phương thức: - Xây dựng hệ thống thu nhận thơng tin trường khí tượng thủy văn dự báo nước giới khu vực; - Xây dựng, phát triển ứng dụng hệ thống mơ hình dự báo trường khí tượng – thủy văn biển Theo phương thức thứ hai có tính chủ động cao cơng tác dự báo, thông tin kết hệ thống dự báo nhận đầy đủ, chi tiết xác kịp thời đáp ứng yêu cầu hoạt động kinh tế, an ninh quốc phòng nghiên cứu Tuy nhiên thực tế thực mơ hình số trị nói chung, mơ hình dự báo biển nói riêng phụ thuộc lớn vào chất lượng trường ban đầu điều kiện biên Trong mơ hình dự báo biển, điều kiện biên hở lại phụ thuộc nhiều vào dòng chảy vào khỏi miền tính mơ hình Thơng thường cấu trúc thẳng đứng dịng vận tốc cần lựa chọn cho có tương ứng với dòng chảy nhiệt (địa chuyển) trường nhiệt độ độ muối gây nên Gần đây, số lượng quan trắc thông số vật lý nước như: nhiệt độ, độ mặn cho vùng biển Đông tăng nhanh kỹ thuật khác để phân tích liệu áp dụng để có lĩnh vực nội suy chi tiết thơng số cho khu vực biển; Dịng chảy trường mật độ biển liên quan lẫn nhau, khơng phụ thuộc vào ngun nhân, hệ Quy luật sở phương pháp động lực tính dịng chảy theo trường nhiệt độ độ muối Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng quy trình tính tốn trường dòng chảy qua LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mặt cắt (biên lỏng) dựa giá trị nhiệt độ độ muối Xây dựng mặt cắt thẳng đứng nhiệt độ, độ muối nước biển, khảo sát biến thiên theo không gian thời gian năm đặc trưng thủy văn, thủy hóa mối liên quan với trao đổi nước qua số mặt cắt lựa chọn biển Đơng: phía đơng bắc biển – eo Bashi, eo Đài Loan; phía đơng biển – eo Mindoro Verde; phía đơng nam biển – eo Balabac phía nam biển – eo Singgapo; Những số liệu dòng chảy nhận được, dùng làm liệu điều kiện biên cho mơ hình hồn lưu biển Đơng tính tốn ứng dụng khác LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục tiêu gián tiếp nghiên cứu triển khai mơ hình số tìm hiểu mối tương quan khác tác động gây ảnh huởng tới biển Những tác động bao gồm dòng động luợng, nhiệt ẩm trao đổi qua mặt biển, lưu luợng sông gây ảnh huởng đến hồn lưu đại dương quy mơ lớn Mỗi mơ hình đuợc khẳng định, thơng qua so sánh với quan trắc với lời giải giải thích, mơ hình sử dụng cơng cụ kết nối với vấn đề mơi truờng Ví dụ, mơ hình sử dụng để dự báo diễn biến vết dầu loang, hay cung cấp thông tin vị trí tối ưu cho việc đổ chất thải biển Những vấn đề đòi hỏi kiến thức hồn lưu mơi truờng biển, thuờng đuợc cung cấp mơ hình phân giải cao Nhiều ứng dụng biển ven (ví dụ vệt dầu loang) có quy mơ thời gian từ vài ngày đến hàng tuần Ở cần đến kiến thức kể dự báo biến động xẩy biển ven với quy mơ năm thập kỷ Ví dụ, nguời ta biết rõ bãi cod bãi ngầm gần Newfoundland có biến động với chu kỳ nhiều năm (Mayer et al., 1993) Các kiến thức điều kiện tương lai thềm lục địa cho phép nhà khoa học phần giải thích đuợc tuợng suy giảm nghề cá gần Các nghiên cứu theo hướng yêu cầu kết hợp với hệ thống dự báo khí hậu tồn cầu Các mơ hình biển ven nhiều mức dộ khác Trước hết mơ hình chuẩn đốn Nguời ta sử dụng trường nhiệt độ độ muối có sẵn, rút từ số liệu quan trắc, để tìm cách tái trường hồn lưu Các mơ hình chuẩn đốn cơng cụ cung cấp kết phân tích đảm bảo hồn lưu thềm lục địa theo quy mô lớn bán kính biến dạng nội Rossby Tiếp đến mơ hình dự báo, dó trường nhiệt độ độ muối đuợc đánh phận thủ tục giải vấn đề Chính mơ hình dạng tạo nên sở cho hệ thống dự báo biển Hồn lưu chuẩn đốn thường đuợc sử dụng điều kiện ban đầu điều kiện biên ngang mơ hình dự báo Cả hai nhóm mơ hình LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com có tính phức tạp khác Các mơ hình dự báo biến đổi từ hai chiều, tích phân theo độ sâu đến hồn lưu ba chiều đầy đủ Đối với tính tốn dịng chảy phương pháp động lực nhiều tác giả giới nghiên cứu đạt kết định Các nghiên cứu lý thuyết tính tốn thử nghiệm phương pháp quan tâm Tuy nhiên, đến thời điểm nước chưa có kết nghiên cứu cụ thể vấn đề việc cung cấp liệu đầu vào biên lỏng cho mơ hình số trị Trong số nghiên cứu trường động lực Biển Đơng mơ hình số trị đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác nghiệp khí tượng thủy văn biển (bao gồm sóng, dịng chảy nước dâng bão) vùng Biển Đông ven biển Việt Nam” TS Lê Trọng Đào làm chủ nhiệm có áp dụng mơ hình Delft 3D tính tốn dự báo trường dịng chảy tồn Biển Đơng Tuy nhiên điều kiện biên số điều hòa mực nước, khơng tính đến trao đổi nước theo độ sâu biên lỏng Đề tài: “Nghiên cứu phát triển ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn trường yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đông” TS Nguyễn Minh Huấn làm chủ nhiệm ứng dụng mơ hình ROMS tính tốn dự báo trường dịng chảy 3D tồn Biển Đơng Trong nghiên cứu số liệu biên lỏng mực nước, nhiệt độ độ mặn tầng mặt, chưa tính đến trao đổi nước theo độ sâu Trong nghiên cứu mơ trường động lực biển nói chung trường dịng chảy 3D nói riêng, việc đưa tối đa điều kiện biên vào tính tốn góp phần lớn nâng cao độ xác kết nghiên cứu, u cầu thực tiễn đề tài “Tính tốn trao đổi nước qua biên Biển Đông, dựa số liệu nhiệt muối” với mục tiêu tính tốn trao đổi nước biên lỏng Biển Đông làm liệu điều kiện biên cho mơ hình số nhằm nâng cao độ xác kết cho mơ hình số trị 1.2 Đặc điểm trường hải văn Biển Đơng [4, 8] 1.2.1 Cấu trúc hồn lưu Biển Đơng a) Các nhân tố ảnh hưởng đến hồn lưu Biển Đông LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 31: Mặt cắt dịng chảy qua eo Mindoro – tháng Hình 32: Mặt cắt dịng chảy qua eo Mindoro– tháng 84 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 33: Mặt cắt dịng chảy qua eo Mindoro – tháng Hình 34: Mặt cắt dòng chảy qua eo Mindoro – tháng 10 85 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 35: Mặt cắt dịng chảy qua eo Mindoro – tháng 11 Hình 36: Mặt cắt dòng chảy qua eo Mindoro – tháng 12 86 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 37: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng Hình 38: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng 87 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 39: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng Hình 40: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng 88 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 41: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng Hình 42: Mặt cắt dòng chảy qua eo Balabac – tháng 89 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 43: Mặt cắt dòng chảy qua eo Balabac – tháng Hình 44: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac– tháng 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 45: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng Hình 46: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng 10 91 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 47: Mặt cắt dịng chảy qua eo Balabac – tháng 11 Hình 48: Mặt cắt dòng chảy qua eo Balabac – tháng 12 92 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 49: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng Hình 50: Mặt cắt dòng chảy qua eo Singapore – tháng 93 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 51: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng Hình 52: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng 94 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 53: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng Hình 54: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng 95 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 55: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng Hình 56: Mặt cắt dòng chảy qua eo Singapore– tháng 96 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 57: Mặt cắt dòng chảy qua eo Singapore – tháng Hình 58: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng 10 97 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hình 59: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng 11 Hình 60: Mặt cắt dịng chảy qua eo Singapore – tháng 12 98 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lưu Quang Hải TÍNH TỐN TRAO ĐỔI NƯỚC QUA CÁC BIÊN Ở BIỂN ĐÔNG, DỰA TRÊN SỐ LIỆU NHIỆT MUỐI Chuyên ngành: Hải dương học Mã số: 60440228 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG... nước qua biên Biển Đông, dựa số liệu nhiệt muối? ?? với mục tiêu tính tốn trao đổi nước biên lỏng Biển Đông làm liệu điều kiện biên cho mơ hình số nhằm nâng cao độ xác kết cho mơ hình số trị 1.2 Đặc... Ghi Trao đổi trực tiếp với Đông Hải Thái Bình Dương Trao đổi với Thái Bình Dương Trao đổi nước trực tiếp với biển Philippin Trao đổi trực tiếp với biển GiaVa Trao đổi nước trực tiếp với biển