Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn Biển Đông bằng mô hình MDEC3D " doc

Trong thời gian qua, sau khi tiến hành các bước chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình MDEC3D đến chuẩn hóa các trường ban đầu, hiện nay đã có thể sử dụng mô hình thủy nhiệt động lực 3 chiều hệ

126

Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn

Biển Đông bằng mô hình MDEC3D

Hà Thanh Hương*

Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,

334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam

Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011

Tóm tắt Để đáp ứng mục tiêu dự báo ngắn hạn trường các yếu tố thủy văn biển, vấn đề dự báo

các trường hải dương được xem là trọng tâm Trong thời gian qua, sau khi tiến hành các bước chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình MDEC3D đến chuẩn hóa các trường ban đầu, hiện nay đã có thể

sử dụng mô hình thủy nhiệt động lực 3 chiều hệ các phương trình nguyên thủy để tính toán và dự báo hạn ngắn các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu

Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho thử nghiệm dự báo hạn ngắn các trường nhiệt độ, dòng chảy thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình dự báo khí tượng

Bài toán dự báo các trường thủy văn biển đã

và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi

tính ứng dụng thiết thực của các trường này

trong các ngành công nghiệp biển

Do yêu cầu của vấn đề đặt ra chúng tôi chú

trọng trước hết đến các trường nhiệt độ, độ

muối và dòng chảy, trong đó mô hình thủy

nhiệt động lực 3D đã được kiểm chứng nhiều

lần thông qua các đề tài KHCN06-02,

KC09.23… Trong bài báo này tập chung chủ

yếu tới dự báo các trường nhiệt độ, dòng chảy

thông qua việc sử dụng các kết quả dự báo các

mô hình khí tượng

2 Hệ thống mô hình

Mô hình 3D thuỷ động lực học của Trung

tâm Động lực học Thủy khí Môi trường có khả

_

* ĐT: 84-4-38584945

E-mail: huonght@vnu.edu.vn

năng dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối trên các khu vực phức tạp và có nhiều biên hở, với lưới tính có độ phân giải lựa chọn khác nhau tùy thuộc yêu cầu của các bài toán thủy động lực học

Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng

hệ các phương trình thuỷ nhiệt động học nguyên thuỷ:

0 v (1)

i i

u x q u

fe u v t

3

i x T x

T v t

i

~

i x S x

S v t

i

~

i x k x x

b k

v t

i b

x

3

~ 2

~

3

~

i x x x

b k

v

b

x

3 3

~ 2 2

~

) 3

~

1

(

trong đó:

; 3 3 2 2 1

1

x e x e

x

e

2 2 1

1

x e

x

e

h

3

3e

u

u

v ;

) , (

0

3

0

gx

p

16

2

~ k k ; k 1

ở đây, f=2 cos - tần số coriolis, i - các hệ số

khuếch tán, v~ - nhớt rối, i - các hệ số không

thứ nguyên o(1), - thế của lực tạo triều, -

mật độ nước biển ( 0 - giá trị gốc)

Đối với những vùng biển có các khu vực có

độ sâu lớn như Biển Đông, việc ứng dụng

phương pháp số giải bài toán 3D luôn phức tạp

do bài toán liên quan đến địa hình thực tế

Trong khi phát triển các phương pháp số triển

khai các mô hình đại dương và khí quyển, việc

sử dụng hệ tọa độ cong đã và đang được sử

dụng rộng rãi

Trong thực tiễn mô hình hóa hệ thống biển,

phương pháp chuyển đổi sang hệ tọa độ z (x3)

tựa cong theo đã được nghiên cứu và sử

dụng trong mô hình MDEC3D Có thể đưa ra

mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ

thường sang hệ tọa độ cong như sau:

1

1

ˆ

ˆ

X

X

t

t

) , , , ( ˆ

ˆ

3 2 1 3 3 2 2

X X X t X X X X

2.1 Các số liệu đầu vào được áp dụng trong

mô hình MDEC3D bao gồm:

- Trường ban đầu 3D nhiệt độ

- Trường ban đầu 3D muối ban đầu

- Trường ban đầu 2D mực nước

- Trường ban đầu 3D vận tốc u,v

- Trường ban đầu 3D động năng rối Các tác động :

- Trường khí áp (3D theo thời gian)

- Trường thông lượng nhiệt (3D theo thời gian)

Trường gió trên mặt biển(gió 10m) (3D theo thời gian)

Các tham số được tiến hành hiệu chỉnh cho phù hợp với vùng nghiên cứu [1]

Một số đặc điểm của trường ban đầu:

- Trường nhiệt độ và độ muối được xây dựng ban đầu từ số liệu tầng mặt theo profile chuẩn khí hậu

- Trường vận tốc ban đầu u, v được thiết lập theo phương pháp tách mod

Việc xác định các trường khí áp, thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, gió mặt biển ban đầu được cập nhật từ các kết quả của mô hình

dự báo khí tượng của đề tài KC09.16 và được nội suy cho phù hợp với lưới tính của mô hình

2.2 Các điều kiện biên áp dụng trong mô hình

dự báo

- Tại đáy biển sử dụng điều kiện không trao đổi vật chất qua biên đối với nhiệt độ và độ muối

- Tại biên đất sử dụng điều kiện không thấm đối với nhiệt độ và độ muối

- Đối với động lượng rối, điều kiện liên túc của thông lượng được áp dụng

- Tại biên hở biển và cửa sông sử dụng các điều kiện biên tương ứng cho các biến 2D và 3D

- Tại biên cửa sông sử dụng số liệu chuỗi phân tích hoặc số liệu thực đo với nguồn số liệu thuỷ văn

2.3 Các điều kiện trong triển khai mô hình

Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu

quả cho dự báo hạn ngắn khu vực Biển Đông

nhất thiết phải sử dụng điều kiện biên lỏng thực

tế trong đó không thể bỏ qua trao đổi nước với

các biển kề cận [2] Mặt khác các điều kiện ban

đầu và điều kiện biên trên mặt biển cũng phải

đáp ứng được nguyên tắc về trường tức thời cho

dự báo hạn ngắn

Đối với cơ sở dữ liệu nhiệt- muối, có thể

nói rằng các số liệu từ các trạm biển sâu dạng

trên Biển Đông đã được tập hợp khá đầy đủ

trong World Ocean Atlas 2001 (Woa2001) do

NODC- NOAA (Mỹ) và được cập nhập bổ sung

thường xuyên Từ cơ sở dữ liệu này chúng tôi

xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn khí

hậu Trường 3D nhiệt độ làm điều kiện ban đầu

kết hợp với cơ sở dữ liệu nhiệt độ tầng mặt cập

nhật hàng ngày được tính toán xây dựng nên

trường 3D nhiệt muối làm cơ sở xây dựng các

trường ban đầu cho mô hình [3]

Những tham số vật lý của mô hình được

đưa vào thông qua các sơ đồ tham số hóa các

quá trình và hiện tượng thủy nhiệt động lực

biển và phụ thuộc nhiều vào quy mô các quá

trình cần mô phỏng

Các hệ số trao đổi rối ngang thường được

lấy theo một giá trị không đổi cho toàn vùng

biển và khác nhau đối với trao đổi động lượng

và nhiệt Hệ số trao đổi rối thẳng đứng được

tính theo công thức phụ thuộc vào hệ số tản mát

năng lượng rối

Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình hệ số

trao đổi rối ngang được lựa chọn là 10+3 m2/s

Hệ số rối thẳng đứng được xác định theo lý

thuyết rối biển trong công thức bán thực

nghiệm trong đó l n 3 cần được xác định theo

biểu thức:

n

Với z là khoảng cách tính từ đáy Hệ số cho ta dạng phân bố của hệ số rối, đảm bảo điều kiện liên tục của quãng đường xáo trộn l tăng từ đáy đến giá trị cực đại Lmax Đối với mô hình này Lmax được lấy bằng 20m tương ứng giá trị được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu biển và đại dương, giá trị được lấy bằng 0.5 tương ứng phân bố phổ biến của hệ số rối trong các vùng biển nông ( Delher E và G Martin, 1992)

Trong mô hình số khi bước lưới theo phương thẳng đứng lớn hơn độ dày lớp biên logarit, hệ số ma sát đáy được rút ra từ kết quả

mô hình hóa thủy triều Biển Đông, CD=2,5.10-3

Các trường điều kiện ban đầu thường có dạng 3D đối với các biến nhiệt độ, độ muối, mực nước, các thành phần của vận tốc và động năng rối

Các trường điều kiện biên trên mặt phân cách biển – khí quyển bao gồm các trường áp suất khí quyển, gió và các thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, năng lượng trao đổi qua mặt phân cách biển và khí quyển, được cập nhật liên tục theo ốp 4 giờ từ kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16/06-10 Các trường điều kiện biên này được áp đặt liên tục lên lớp nước trên cùng của biển

Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên biển hở ở các cửa sông, tuy nhiên do không có chuỗi số liệu đo đạc thực tế chúng tôi sử dụng trường giá trị không đổi tương ứng với tháng của thời điểm chạy dự báo

3 Kết quả thử nghiệm dự báo hạn ngắn

3.1 Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Biển Đông

- Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông

Nằm trên khu vực đông – nam Châu Á một trong những trung tâm hoạt động mạnh mẽ nhất của gió mùa Sự phức tạp của điều kiện địa hình

biển và bờ đã tạo nên sự đa dạng và biến động

lớn của phân bố không gian và thời gian các

trường khí tượng, thủy văn và động lực Biển

Đông

Trên tổng số gần 4 triệu km2 diện tích bề

mặt, gần một nửa là các vịnh, eo biển và thềm

lục địa với độ sâu dưới 100 m kéo dài dọc bờ

tây biển từ 50S đến 250N Vùng biển nông được

nối với biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan

và biển Java qua eo Malaca Khu vực biển sâu

chiếm toàn bộ phần trung tâm và đông bắc biển

với hai eo biển sâu Bashi – Luzon sâu trên 5000

m và Midoro sâu trên 2000 m nối với Thái Bình

Dương và biển Sulu Sự phân bố đó cũng kèm

theo các dạng địa hình bờ biển phức tạp như độ

dốc lớn tại các bờ biển sâu như miền trung Việt

Nam, tây Philippines, Kalimantan

Tuy là một biển ven đại dương nhưng Biển

Đông có thể được xem như một thủy vực biển

gần như kín Do các vùng biển sâu nằm tập

trung tại khu vực trung tâm biển kết nối với các

eo biển sâu như Bashi, Midoro nên ảnh hưởng

của trao đổi nước lên các vùng biển nông trong

các vịnh rất hạn chế Với điều kiện địa hình đó

chế độ nhiệt, muối và dòng chảy toàn Biển

Đông chịu ảnh hưởng rất lớn của điều kiện khí

tượng- thủy văn cục bộ

- Các điều kiện khí tượng khu vực Biển

Đông

Nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió

mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp

suất khí quyển, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí biến động rất lớn

Đặc điểm cơ bản của trường áp khu vực này

là vai trò ảnh hưởng trực tiếp của các trung tâm khí áp cơ bản bắc bán cầu như cao áp Xiberi trong mùa đông, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp vùng áp thấp Vân nam- Bắc Đông dương trong mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa

3.2 Các kết quả thử nghiệm dự báo

Kết quả tính toán dự báo trường nhiệt độ 3 ngày bắt đầu từ 0h ngày 17 tháng 11 năm 2010 cho thấy xu thế chung của phân bố trường nhiệt trên Biển Đông về định tính giống với trung bình nhiều năm nhưng về định lượng thì cao hơn hẳn trung bình nhiều năm, thể hiện rõ ràng nhất ở khu vực phía Bắc và giữa Biển Đông Điều này hoàn toàn thực tế do nền nhiệt biển tháng 11 năm 2010 cao hơn hẳn trung bình nhiều năm Từ bản đồ phân bố nhiệt độ tầng mặt ngày 17/11/2010 (hình 1b) và dự báo từ mô hình (hình 1c) cho thấy cả về định tính và định lượng đều tương đối giống nhau Khả năng dự báo của mô hình khá sát với thực tế

Đã thấy xuất hiện trở lại dòng nước lạnh ở vùng biển nam Trung Quốc chảy men theo đảo Hải Nam xuống dưới kéo theo nền nhiệt toàn miền giảm hẳn Tháng 11 các front nhiệt đã phát triển mạnh trở lại nền nhiệt độ đã bị chia cắt thành 2 miền rõ rệt, lạnh ở phía bắc và ấm ở phía nam

29 26.5

26

28.5

26.5

27.5

28

23

25.5

5 10 15 20

Hình 1(a) Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm

Hình 1(b) Phân bố nhiệt độ nước mặt trung bình ngày 17 tháng 11 năm 2010 theo số liệu viễn thám

28.5 25

24

28.5

26.5

27.5

5

10

15

20

28.5

25

24

28.5

26.5

27.5

5 10 15 20

Hình 1(c) Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010

28.5 25

23.5

28.5

26.5

27.5

5

10

15

20

29

25

23.5

28.5

26.5 27.5

5 10 15 20

Hình 2 Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 18/11/2010

Nhiệt độ giảm mạnh ở các vùng nước nông

ven bờ do sự phân hóa trường gió, áp điều này

phù hợp và phản ánh được những đặc điểm cơ

bản của cấu trúc vật lý thuỷ văn biển trong điều

kiện hoạt động thường xuyên của gió mùa và

thông lượng nhiệt tổng cộng trao đổi giữa biển

và khí quyển Sự phân hóa trường nhiệt độ sau

3 ngày cho thấy sự thu hẹp ảnh hưởng của các front nhiệt ra xa giữa Biển Đông

25

23.5

28.5

26.5

5

10

15

20

28.5

25

23.5

28.5

26.5

5 10 15 20

Hình 3 Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 19/11/2010.

100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 2

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Hình (4a): Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm

Tháng 11 trường gió chuyển hướng đông

bắc, hoàn lưu hình thành nên các xoáy cục bộ, ở

các vùng ven bờ biển Đông trường dòng chảy

có hướng đông bắc, ở phần nước sâu giữa biển

Đông dòng chảy vẫn tồn tại các xoáy nghịch theo hướng của dòng nhiệt muối, đây là thời kỳ quá độ chuyển từ hè sang đông cũng là thời kỳ khó dự báo nhất

0

0 -0.4

5

10

15

20

1m/s

-0.4 0

-0.4

-0 4

5 10 15 20

1m/s

Hình 4 (b) Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010

Do sự phân hóa của trường gió cập nhật

theo ốp 4h nên trường dòng chảy tầng mặt có

sự thay đổi khá đáng kể ở vùng nước nông ven

bờ, tuy nhiên xu thế chung vẫn tuân theo dòng

chảy trung bình tháng 11 Vẫn thấy sự hiện diện

của một xoáy thuận lớn trên phạm vy toàn bộ

biển tuân theo quy luật dòng chảy mùa đông,

chủ yếu là các vùng nước sâu bị giới hạn bởi

đường đẳng độ sâu 100 mét Sự tăng cường của

dòng chảy dọc bờ tây Biển Đông xuất phát từ

eo Đài Loan và eo Luzon kéo dài đến tận vỹ tuyến 7 N-8 N

Xoáy thuận lớn này thường bị thu hẹp do sự hiện diện của các xoáy nghịch quy mô vừa ở phía đông với vị trí trung bình dịch chuyển theo hướng đông-tây Sự xuất hiện của xoáy nghịch này có thể do nguyên nhân uốn dòng như ở phía đông Hoàng Sa, nhưng cũng có thể do nguyên nhân nhiệt xuất phát từ vùng nước ấm tại trung tâm Biển Đông vẫn tồn tại mạnh trong tháng 11

0.2 0

0

-0.4

5

10

15

20

1m/s

0

0

0.2

-0.4

5 10 15 20

1m/s

Hình 5 Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010

0 0

0.2 -0.4

5

10

15

20

1m/s

0.2 0

-0.2 -0.4

5 10 15 20

1m/s

Hình 6 Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010

Kết luận

Hệ thống mô hình MDEC3D cho phép tính

toán và dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy

văn biển

Việc triển khai thử nghiệm mô hình dự báo

hạn ngắn đối với khu vực Biển Đông trong các

điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng,

thuỷ văn, hải văn phức tạp mở ra cho ta hướng

hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp

dụng cho các vùng biển nhỏ hơn có tầm chiến

lược kinh tế

Lời cảm ơn

Những kết quả thu được có sự hỗ trợ kinh

phí của đề tài KC09.16/06-10 và đề tài

KC09.23/06-10 Tác giả chân thành cảm ơn

Tài liệu tham khảo

[1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam, Development of system of Hydrodynamic-environmental models for coastal area (Case study

in Quangninh-Haiphong region), Journal of

Science, Earth Sciences, T XXIII, No.1 (2007)

59

[2] Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean monitoring and prediction system for Vietnamese Sea Waters, The 4th Seminar on Environmental Science and Technology issues related to the Sustainable development for urban and coastal area, The 7th General Seminar of CUP between JSPS and VAST, Danang, 148

[3] Hà Thanh Hương, 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, Journal of

Science, T XXI, No.3AP, (2005) 54

Experimental study on short - term forecast for Bien Dong Sea

hydrological fields by MDEC3D model

Ha Thanh Huong

Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU,

334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam

Forecasting the oceanological fields is one of the central goals in the problem of short-term forecasting of the ocean-hydrological fields In the recent years, after carrying out necessary steps to improve our MDEC3D model and normalize the initial fields, we can use the 3D hydro-thermal dynamical model of the system of primary equations to compute and short-term predict of the oceano-hydrological fields in the studied region

In this paper, we concentrate on the experiment of short-term forecasting of the temperature, salty, current fields by using the result of our meteorological forecasting model