Báo cáo nghiên cứu khoa học " Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trường theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông - xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ " pot

Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông - xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ Hà Thanh Hơng Trung tâm Động lực và Môi trờng biển Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tóm tắt: Để đáp ứng mục tiêu dự báo phục vụ đánh bắt xa bờ thì vấn đề dự báo các trờng hải dơng đợc xem là trọng tâm. Sau khi tiến hành các bớc chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình đến chuẩn bị các đầu vào, hiện nay đã có thể sử dụng mô hình thuỷ nhiệt động lực học hệ các phơng trình nguyên thuỷ để dự tính và dự báo các trờng hải dơng trên khu vực nghiên cứu. Yêu cầu đặt ra là dự báo các trờng thuỷ nhiệt động lực cho tháng sau, nên các trờng ban đầu phải là trờng trung bình cho tháng xuất phát vì vậy cần phải thiết lập đợc các trờng 3D nhiệt độ và độ muối trên toàn vùng biển. Trong bài báo này tôi đã sử dụng mô hình 3 chiều thuỷ nhiệt động lực học với các trờng nhiệt độ đợc thiết lập làm đầu vào để chạy dự báo từng tháng mùa đông- xuân 2003- 2004. 1. Mở đầu Bài toán thiết lập và dự báo các trờng hải dơng đã và đang đợc các nhà khoa học quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực của các trờng này trong ngành công nghiệp đánh bắt xa bờ. Để triển khai dự báo cho khu vực nghiên cứu (vùng biển miền trung), chúng tôi ứng dụng mô hình cho toàn vùng biển Đông, điều này sẽ góp phần hạn chế các sai số có thể có do các điều kiện biên hở sinh ra. Do yêu cầu của vấn đề đặt ra cũng nh khả năng kiểm chứng, chúng tôi chú trọng trớc hết đến các trờng nhiệt, những trờng mực biển, hoàn lu và độ muối cũng nh các yếu tố sinh thái liên quan sẽ đợc xem xét trong một số khía cạnh riêng. Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho việc dự báo và kiểm chứng trờng nhiệt thông qua nhiệt độ nớc mặt biển. 2. Phơng pháp và tài liệu Nh chúng ta đều biết các trờng ban đầu cho mô hình 3 chiều (3D) của Trung tâm động lực và Môi trờng biển là các trờng 3D đầy đủ các biến thuỷ nhiệt động lực biển: nhiệt độ, độ muối, vận tốc và hớng dòng chảy. Tuy nhiên, chúng ta không thể có đợc một trờng dòng chảy 3D tin cậy nào vào thời điểm dự báo, bài toán đặt ra là phải thiết lập đợc các trờng 3D nhiệt độ và độ muối trên toàn vùng biển. Với yêu cầu đặt ra là dự báo các trờng thuỷ nhiệt động lực cho tháng sau, nên các trờng ban đầu này phải là trờng trung bình cho tháng xuất phát. 54 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng 55 2.1. Các số liệu sử dụng để thiết lập trờng ban đầu Do không có đủ mạng lới các trạm đo nhiệt độ và độ muối của các tầng sâu trên toàn biển, nên chỉ có cách thiết lập các trờng 3D từ trờng nhiệt độ nớc mặt biển và các phân bố thẳng đứng chuẩn có hiệu chỉnh với số liệu đo nếu có. Trờng nhiệt độ nớc mặt biển đợc sử dụng là trờng viễn thám nhiệt đã đợc phân tích theo hệ thống MODAS của phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa kỳ (NRL) đợc phổ biến hàng ngày trên internet. Các phân bố nhiệt độ theo phơng thẳng đứng thu đợc bằng kết quả phân tích các số liệu nhiệt độ trong bộ Atlat đại dơng thế giới 2001 (WOA2001). Các trờng độ muối đợc xử lý theo nguồn số liệu trên bằng chơng trình thông dụng của Trung tâm Động lực và Môi trờng biển do Phạm Văn Huấn biên soạn. 2.2. Phơng pháp thiết lập trờng ban đầu của mô hình - Trờng nhiệt độ và độ muối đợc xây dựng từ bản đồ phân bố nhiệt độ nớc bề mặt phân tích kết hợp ảnh viễn thám và khí hậu của trung tâm Khí tợng Hải văn Hoa Kỳ, và profile thẳng đứng của nhiệt độ. - Trờng vận tốc ban đầu U, V đợc giả định là 0 đối với việc dự báo cho tháng đầu tiên, lần chạy tiếp theo đợc lấy theo kết quả của tháng vừa chạy. Các tác động lên biển gây biến đổi các trờng thuỷ nhiệt động lực theo mô hình 3D bao gồm: - Trờng áp suất khí quyển trên mặt biển, - Trờng ứng suất gió, - Trờng các thông lợng nhiệt trao đổi qua mặt biển, - Trờng cán cân nớc ngọt thông lợng nớc qua mặt biển thể hiện bằng hiệu suất giữa bốc hơi và ma trên biển. Thiết lập trờng 3D của tháng bất kỳ để dự báo cho tháng tiếp theo Thông thờng các số liệu từng tháng để chạy mô hình là số liệu nhiệt độ, độ muối, U, V và trờng khí áp. Để có đợc một trờng 3D thể hiện đầy đủ đợc sự phân bố theo độ sâu của địa hình thực ta tiến hành các bớc: - Số hoá bản đồ nhiệt độ tầng mặt bằng phơng pháp nhận dạng mã màu. - Xây dựng phân bố chuẩn thẳng đứng của nhiệt độ bằng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất. - Xây dựng trờng 3 chiều từ nhiệt độ tầng mặt và đờng phân bố chuẩn. - Nội suy trờng 3 chiều theo toạ độ thờng ( theo từng tầng) sang dạng toạ độ sigma kết hợp với file địa hình để loại bỏ những điểm đất. Tiến hành nội suy file 3D theo độ sâu thành các file 3 chiều có bớc lới nhỏ hơn phù hợp với yêu cầu cụ thể. Trong bài toán này ta nội suy trờng nhiệt, muối với bớc lới 1 độ kinh vỹ sang file 3D với bớc lới 1/5 độ kinh vỹ. Hà Thanh Hơng 56 Thiết lập trờng ban đầu và điều kiện biên cửa sông cho một tháng bất kỳ 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 4 0 0 8 0 0 1 6 0 0 1000 7 0 3 0 1 5 0 1 0 0 8 0 0 3 8 0 0 4 0 0 0 1 6 0 0 2 6 0 0 Hình 1. Bản đồ địa hình vùng biển Nam Trung bộ Việc chạy mô hình bắt đầu từ một tháng bất kỳ gây ra khó khăn là làm thế nào để xác định các điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Bài toán đặt ra là khi ta chạy mô hình bắt đầu từ tháng thứ n mà trờng số liệu là một năm thì các trờng ban đầu và điều kiện biên phải tơng ứng với tháng thứ n-1. Để thực hiện đợc điều này ta sử dụng chơng trình viết bằng ngôn ngữ fortran chuyển các trờng ban đầu và điều kiện biên cho phù hợp. Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Trong bài báo này khu vực nghiên cứu là vùng biển Đông giới hạn từ 6 o 17 o N, 107 o 115 o E với địa hình đã đợc làm trơn cho ô lới 1/5 o x 1/5 o đợc thể hiện trên hình 1. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Thiết lập trờng nhiệt ban đầu Theo kết quả phân tích nhiệt độ các ngày 1, 11 và 21 hàng tháng chúng tôi đã thiết lập đợc trờng nhiệt độ nớc tầng mặt trung bình tháng. Từ trờng nhiệt độ tầng mặt thu đợc và các đờng phân bố thẳng đứng chuẩn của nhiệt độ từng tháng tại 18 điểm đã tính toán trờng 3D nhiệt độ làm đầu vào cho mô hình. Trên hình 2 dẫn ra bản đồ nhiệt độ nớc tầng mặt thu đợc trong tháng 12-2003. So sánh với bản đồ trung bình nhiều năm của tháng 12 (hình 3), có thể thấy tháng này có nền nhiệt cao hơn trung bình nhiều năm. Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng 57 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 26 25.5 26.5 2 6 . 5 27 2 7 2 7 . 5 2 8 2 8 . 5 Hình 2. Nhiệt độ nớc mặt biển tháng 12 năm 2003 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Hình 3. Nhiệt độ nớc mặt biển trung bình nhiều năm Những trờng 3D khác, nh đã trình bày trên đây, là các trờng trung bình nhiều năm. 3.2. Trờng dự báo và trờng phân tích trong các tháng Đông Xuân 2004 So sánh bản đồ trờng nhiệt độ bề mặt tính toán tháng 1 từ mô hình 3D và trờng nhiệt độ bề mặt tháng 1 thu đợc từ kết quả phân tích viễn thám chúng ta nhận thấy rằng: Xu thế chung của của phân bố mặt rộng của nhiệt độ là gần nh nhau. Các đờng đẳng nhiệt phân bố tơng đối giống nhau về mặt định tính và định lợng, tuy nhiên, với trờng phân bố nhiệt độ tính toán cha thể hiện sự thay đổi đột biến tại một số điểm so với thực tế, điều này có thể do chơng trình tạo trờng 3D đã sử dụng phân bố nhiệt độ trong ô lới 1 0 ì1 0 kinh vĩ cha đủ chi tiết phản ảnh một trờng ban đầu thực tế hơn. Bằng cách tơng tự nh đã trình bày ở phần đầu mục 3.1, ta thiết lập trờng nhiệt độ ban đầu cho tháng 1. So sánh trờng nhiệt độ dự báo cho tháng 2 (hình 6 và 7) và trờng thực tế thấy rằng: Xu thế phân bố của trờng nhiệt hoàn toàn tơng đơng nhau, nền nhiệt dự báo và thực tế cũng nh nhau Hà Thanh Hơng 58 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 5 . 5 2 7 . 5 2 4 2 4 . 5 2 5 2 5 . 5 2 5 . 5 2 6 2 6 . 5 2 7 2 7 Hình 4. Dự báo nhiệt độ tháng 1 năm 2004 bằng mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 2 4 . 5 2 5 2 5 2 5 . 5 2 6 2 6 25 2 6 . 5 2 7 2 7 . 5 2 5 . 5 2 6 Hình 5. Nhiệt độ số hóa từ ảnh tháng 1 năm 2004 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 2 . 5 2 3 2 3 . 5 2 4 2 4 . 5 2 5 2 5 2 5 . 5 2 6 2 6 . 5 2 6 . 5 2 7 2 5 . 5 Hình 6. Dự báo nhiệt độ tháng 2 năm 2004 bằng mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 22.5 2 3 2 4 . 5 2 4 25 25.526 25.5 25 24.5 2 4 2 6 . 5 2 7 25 Hình 7. Nhiệt độ số hoá từ ảnh tháng 2 năm 2004 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng 59 So sánh phân bố trờng nhiệt độ tháng 3 (hình 8 và 9) ta cũng nhận thấy xu thế chung tơng đơng. Các đờng đẳng nhiệt độ phân bố phù hợp nhau. Nền nhiệt độ dự báo và phân tích cũng không có sự khác biệt nào đáng kể. 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 2 . 5 2 3 2 3 . 5 2 4 2 4 . 5 2 5 2 5 . 5 2 6 2 6 2 6 2 6 . 5 2 6 . 5 2 7 2 5 . 5 Hình 8. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 3 năm 2004 từ mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 2 3 . 5 2 3 24 25 2 5 . 5 26 2 5 2 5 . 5 26 2 6 2 5 26.5 27 26.5 2 7 . 5 27 26.5 26 Hình 9. Bản đồ số hoá nhiệt độ tháng 3 từ ảnh năm 2004 107 108 109 110 111 112 11 3 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 4 . 5 2 5 . 5 2 5 2 6 2 6 . 5 2 7 2 7 . 5 2 7 . 5 2 8 2 8 2 7 2 6 . 5 2 7 2 8 .5 Hình 10. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 4 năm 2004 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 2 5 2 6 2 6 2 6 . 5 2 7 2 6 . 5 2 7 . 5 2 7 . 5 2 8 2 8 . 5 2 8 . 5 2 9 2 8 2 7 Hình 11. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 5 năm 2004 Hà Thanh Hơng 60 Dựa vào bản đồ dự báo phân bố trờng nhi 10 và 11) nhận thấy rằng ở vùng biển ven bờ phía bắc khu vực nghiên cứu luôn tồn tại một v n thấy sự phân chia nhiệt độ thành hai vùng t quả xây dựng số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng theo mô xuân năm 2003-2004 đã cho ta thấy tính chất phức tạp và khó khăn h tính và định lợng khá phù hợp v một vài điểm trên phạm vi khu vực nghiên cứu trong những thời kỳ nhất định rờng theo mô hình 3D là khả thi và rất có ý nghĩa thực Tài liệu tham khảo 1. Beckers J- M., User manual of the GHER 3D primitive equation model, University of Liege, 1996 nhiệt muối biển Đông và các ứng dụng, Báo cáo tổng kết đề tài thuộc Chơng trình 3. ệt độ bề mặt tháng 4 và tháng 5 (hình ùng nớc lạnh, điều này cho thấy do ảnh hởng của dòng nớc lạnh từ bắc Biển Đông đi xuống vẫn có ảnh hởng đến đầu hè. Sang tháng năm nền nhiệt độ toàn miền nghiên cứu đã cao hơn hẳn tháng 4, các dòng nớc lạnh hơn có xu hớng ép sát bờ. Vẫ ở phía nam vùng biển nghiên cứu. Thời kỳ này là quá độ chuyển từ mùa đông sang mùa hè, các điều kiện khí tợng nhất là thông lợng nhiệt thay đổi mạnh và tăng đột biến, thời kỳ này cũng là thời kỳ khó dự báo nhất trong năm. Nhìn chung nhiệt độ các tháng 2, 3, 4 năm 2004 có xu thế lạnh hơn trung bình nhiều năm và lạnh hơn các tháng này của năm 2003. 4. Kết luận Các kế hình 3D cho mùa đông- của vấn đề đặt ra, đồng thời cũng cho thấy việc phân chia vùng biển nghiên cứu thành từng miền nhỏ để chọn các phân bố nhiệt muối chuẩn phục vụ xây dựng các trờng ban đầu cho dự báo là khả thi và hiệu quả nhất. Các kết quả ứng dụng dự báo trờng nhiệt muối mùa Đông-Xuân năm 2003- 2004 cho vùng biển Nam Trung bộ đã cho những kết quả địn ới thực tế và có thể làm căn cứ để dự báo các điều kiện môi trờng khác một cách hiệu quả. Những hạn chế về tính chất cục bộ cũng nh khả năng lý giải một số hiện tợng đột biến ở chỉ ra sự cần thiết phải cập nhật đợc các số liệu địa hình cũng nh các trờng nhiệt muối, các trờng khí tợng, hải văn tiến hành phân tích đồng bộ và đầy đủ và sử dụng chơng trình mô hình dự báo. Trong điều kiện thiếu sự đồng bộ và số liệu nh hiện nay thì việc chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi t tiễn, cần đợc đợc tập trung nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế trong thời gian tới. 2. Đề tài KHCN 06-02, 2000 ( Đinh Văn Ưu chủ trì), Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) hoàn lu và Biển KHCN 06, giai đoạn 1996- 2000 WOA (World Ocean Atlas) CD- rom Data Sets 2001, National Oceanographic Data Center, Ocean Climate Laboratory ChuÈn bÞ sè liÖu vµ triÓn khai dù b¸o ®iÒu kiÖn m«i tr−êng… 61 V U. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, nN 0 3AP., 2005 Data preparing and predicting environment ter-Spring season College of Science, VNU To fulfill the pr of predicting ocean fields is critical. After improvin he input data, we can use the ermo- hydrodynamic model of primitive equations to predict the ocean fields in the area. The application of predicting the winter-spring season 2003-2004 for the Middle- South conditions by 3D model in Win 2003-2004 in the central sea of vietnam Ha Thanh Huong Marine Environment and Dynamics Centre edicting job for off-shore fishery, the problem g the models, preparing t th In the condition of lacking the coherence and data, the preparing and predicting the environment conditions by 3D models have great application effect. sea gives the qualitative and quantitative results which agree with reality and can be use as a basic for effectively predicting environment conditions. . chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông - xuân 200 3-2 004. hai vùng t quả xây dựng số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng theo mô xuân năm 200 3-2 004 đã cho ta thấy tính chất phức tạp và khó khăn h tính và định lợng khá phù hợp v một vài. phát. 54 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trờng 55 2.1. Các số liệu sử dụng để thiết lập trờng ban đầu Do không có đủ mạng lới các trạm đo nhiệt độ và độ muối của các tầng