Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI ỨNG DỤNG BỘ MÔ HÌNH KẾT NỐI NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC BỀ MẶT (SST) KHU VỰC BỜ TÂY BIỂN ĐÔNG Lê Quốc Huy(1), Trần Thục(1), Đinh Văn Ưu(2) (1) Viện Khoa học Khí tượng Thủy Văn Môi trường. (2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Trong nghiên cứu này, mô hình kết nối COAWST, với hai mô hình kết nối ROMS WRF ứng dụng để tính toán biến động trường nhiệt độ bề mặt biển (SST) Biển Đông năm 1997. Kết tính toán sau phân tích phương pháp Wavelet để xác định xuất chu kỳ biến động có quy mô từ ngày đến tháng. Kết tính toán phân tích cho thấy có biến động rõ rệt theo mùa SST Biển Đông. Qua phân tích wavelet thấy tồn dao động chu kỳ tháng rõ rệt thể điểm Hòn Dáu Nha Trang. Ngoài thấy xuất chu kỳ biến động có quy mô từ 10 đến 20 ngày tháng điểm Nha Trang . 1. Giới thiệu Biển Đông biển ven đại dương xem gần khép kín. Do tính phức tạp điều kiện địa hình bờ Biển Đông tạo nên đa dạng biến động lớn yếu tố tác động lên bề mặt nước biển trường khí tượng, tương tác biển khí quyển, tương tác đất biển từ gây phức tạp tương ứng trường hải văn [Đinh Văn Ưu, 2010]. Sự biến động theo thời gian chúng chịu tác động chủ yếu chế độ gió mùa. Sự biến động theo không gian lại ảnh hưởng yếu tố địa hình, đường bờ hoàn lưu khí quy mô lớn. Trường nhiệt độ bề mặt biển (SST) yếu tố hải văn đặc trưng cho biến động Biển Đông. Sự biến động yếu tố có vai trò quan trọng tác động đến chế độ khí tượng cục vùng ven biển chế độ hoàn lưu nhiệt-muối Biển Đông. Nghiên cứu mô tiến tới dự báo biến động yếu tố (đặc biệt biến động quy mô vừa nhỏ) góp phần nâng cao hiệu dự báo khí tượng, thủy văn biển phục vụ cho số lĩnh vực kinh tế, quốc phòng hoạt động Biển Đông, ngành đánh bắt hải sản. Biến động tượng xem xảy hệ thống tương tác đại dương - khí - lục địa. Sự tương tác thể qua trao đổi thông lượng môi trường qua bề mặt tiếp giáp chúng. Để nâng cao khả mô hình hóa ngày sát với thực tế hơn, mô hình kết nối (couple model) nghiên cứu ứng dụng giới. Các mô hình có kết nối song song mô hình khí tượng, hải dương sóng mô đồng thời trường khí tượng, hải dương tương tác qua lại trình qua bề mặt phân cách. Do mô hình kết hợp phương pháp số hiệu để nghiên cứu biến động trường khí tượng, hải văn. 2. Phương pháp liệu Nghiên cứu sử dụng mô hình kết nối COAWST (Coupled Ocean Atmosphere Wave Sediment Transport) để mô trường SST Biển Đông. Mô hình có mô hình thành phần mô hình khí tượng WRF, mô hình hải dương ROMS mô hình sóng SWAN. Tuy nhiên nghiên cứu ứng dụng hai mô hình WRF ROMS. Cơ sở lý thuyết chế kết nối song song mô hình trình bày chi 250 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI tiết [Lê Quốc Huy, 2013]. Trong khuôn khổ báo trình bày thiết lập mô hình thành phần mô hình kết nối. a) Mô hình WRF Miền tính, lưới tính Miền tính có 161 x 161 điểm lưới, khoảng oS- 35oN, 90oE-130oE độ phân giải ngang 28km. Hệ tọa độ thẳng đứng η sinh theo biến đổi địa hình. Thử nghiệm lựa chọn 27 mực thẳng phân bố không từ mặt đất đến mực xấp xỉ 100mb (η ~ 0). Điều kiện biên, điều kiện ban đầu Số liệu trường tái phân tích, sản phẩm dự án NCEP/DOE Reanalysis II (R2), sử dụng. Độ phân giải ngang R2 T62 (209km) 28 mực sigma. Số liệu cập nhật 6h lần. Số liệu viết dạng WMO GRID1 NCEP cung cấp miễn phí địa chỉ: http://rda.ucar.edu/datasets/ds091.0/index.html b) Mô hình ROMS Miền tính, lưới tính, địa hình Miền tính nằm khoảng 99 oE-121oE 0-23oN. Lưới tính lưới vuông có độ phân giải 1/6 độ với 131 nút lưới theo kinh hướng, 141 nút lưới theo vĩ hướng 16 lớp theo độ sâu hệ tọa độ sigma. Miền tính mô hình có biên lỏng: phía Bắc eo Đài Loan, phía Đông eo Bashi, phía Nam eo Malacca. Địa hình sử dụng mô hình số liệu Etopo2 có độ phân giải phút. Địa hình làm trơn với tham số r = 0,2 (Đây tham số phù hợp với điều kiện địa hình Biển Đông, đặc biệt dạng bờ dốc đứng ven bờ biển miền Trung Việt Nam theo nghiên cứu Dương Hồng Sơn, 2004). Độ sâu nhỏ lựa chọn mô hình 10m. Điều kiện biên, điều kiện ban đầu Điều kiện biên biên lỏng trích xuất từ nguồn số liệu ECCO có độ phân giải 1/4o x 1/4o (Gary Egbert Lana Erofeeva). Điều kiện ban đầu trích xuất từ nguồn số liệu WOA-2009 với phương pháp nội suy ‘cubic’ để nội suy cho điểm liệu từ điểm xung quanh bán kính 300km theo phương ngang phương thẳng đứng. Các tham số sóng thủy triều K1, O1, P1, Q1, M2, N2, K2, S2 đưa vào biên lỏng mô hình. Các liệu thủy triều lấy từ nguồn số liệu TPXO7. Điều kiện biên mặt (điều kiện biên forcing) trích xuất từ số liệu COADS gồm số liệu tác động lên bề mặt biển. Phương pháp phân tích wavelet áp dụng phân tích chuỗi số liệu số vị trí có biến động cao trường SST để xác định chu kỳ dao động thời điểm xuất hiện. 3. Kết thảo luận Nghiên cứu thực chạy mô hình mô trường thủy động lực Biển Đông năm 1997 chế độ khí hậu với số liệu đầu vào dạng trung bình khí hậu. Kết mô cho thấy biến động theo không gian thời gian SST Biển Đông có hai hình đặc trưng mùa đông mùa hè. Trong mùa đông, Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 251 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI tác động gió mùa đông bắc chiếm ưu thế, trường SST có phân hóa rõ rệt theo không gian giá trị SST thấp phần biển phía bắc giá trị SST cao phần biển phía nam. Ngoài dòng chảy ven bờ tây Biển Đông tạo nên xâm nhập lưỡi nước lạnh có nhiệt độ thấp xuống sâu phía nam (Hình 1). Kết tính toán cho thấy lưỡi nước lạnh xuất hoạt động từ tháng 11 đến tháng mùa đông. Nếu lấy đường đẳng trị 26 làm dấu hiệu lưỡi nước lạnh thấy xâm nhập xuống khoảng vĩ độ 8. Trong mùa hè, gió mùa tây nam chiếm ưu thế, SST có giá trị đồng phần lớn vùng biển (28-30oC) ngoại trừ SST vùng biển Nam Trung thấp xuất hoạt động nước trồi mang khối nước có nhiệt độ thấp tầng sâu lên (Hình 2). Nước trồi xuất gió mùa tây nam bắt đầu thổi ổn định, ứng suất gió kết hợp với hướng đường bờ gây nên dòng chảy mặt có hướng từ bờ khơi hình thành đối lưu thẳng đứng vùng nước ven bờ. Thời gian tồn nước trồi khoảng từ tháng đến tháng 9, nhiên tùy năm mà khoảng thời gian cho thể co dãn khác nhau. Dựa đường biến trình SST điểm 110.5oE-12oN (ngoài khơi Nha Trang) thấy năm 1997 nước trồi tồn khoảng thời gian với khoảng thời gian SST có gía trị khoảng 27-28oC (Hình 5a). Như phân tích trên, trường SST bờ tây Biển Đông có biến động rõ rệt theo chu kỳ mùa. Nhưng theo nhiều nghiên cứu khác, khu vực nghiên cứu toàn Biển Đông có xuất dao động có chu kỳ mùa hay nội mùa (từ 10 ngày đến tháng). Trong khu vực nghiên cứu, biến động trường SST nhận thấy qua tiến triển các tâm dị thường theo thời gian không gian hoạt động hai đặc trưng lưỡi nước lạnh khối nước trồi. Từ tuần thứ 10 đến tuần thứ 30 xuất dịch chuyển ngược tâm dị thường dương âm dị thường dương dịch chuyển lên phía bắc dị thương âm dịch chuyển xuống phía nam (Hình 3). Từ tuần thứ 20 đến tuần thứ 35 (khoảng tháng đến tháng 9) xuất dịch chuyển sang phía đông theo vĩ tuyến 12 tâm dị thường âm. Còn từ tuần thứ 35 đến 50 tâm dị thường âm chuyển thành tâm dị thường dương dịch chuyển phía tây (Hình 4). Đây biến động tâm nước trồi năm. (oC) (a) (b) Hình 1. Trường nhiệt độ trung bình mặt Biển Đông tháng năm 1997 (a) Số liệu AVHRR SST, (b) mô hình kết nối 252 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI (oC) (a) (b) Hình 2. Trường nhiệt độ trung bình mặt Biển Đông tháng năm 1997 (a) Số liệu AVHRR SST, (b) mô hình kết nối Chuỗi số liệu năm SST trích từ kết mô điểm gần hai trạm Hòn Dáu Nha Trang. Phương pháp wavelet (CWT-Morlet) áp dụng để phân tích dao động chu kỳ khác nhau. Trước phân tích wavelet, chuỗi số liệu hai điểm lọc loại bỏ nhiễu chu kỳ khác. Kết phân tích điểm Hòn Dáu cho thấy có xuất dao động SST theo chu kỳ từ 20 đến 30 ngày (Hình 5b) chu kỳ từ đến 20 ngày (Hình 5c). Ở điểm Nha Trang có chu kỳ (Hình 6b, 6c) xuất chu kỳ tháng rõ rệt (Hình 6d). Hình 3. Biến động dị thường SST theo Hình 4. Biến động dị thường SST theo vĩ độ thời gian (tuần) kinh độ kinh độ thời gian (tuần) vĩ độ 12N 110.5E Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 253 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI a) b) c) Hình 5. Kết phân tích wavelet chuỗi số liệu năm tính toán trạm Hòn Dáu a): Biến trình SST năm 1997; b) c): Phân tích wavelet chu kỳ tần số cao a) c) b) d) Hình 6. Kết phân tích wavelet chuỗi số liệu năm tính toán điểm a): Biến trình SST năm 1997; b) c): Phân tích wavelet chu kỳ tần số cao d): Phân tích wavelet chu kỳ tần số thấp 254 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Kết luận Biến động trường SST khu vực bờ tây Biển Đông mô mô hình kết nối. Kết mô cho thấy có tương đồng cao mô hình số liệu vệ tinh. Biến động mùa trường SST khu vực nghiên cứu thể rõ ràng hai mùa đông, hè với xuất hai đặc trưng lưỡi nước lạnh khối nước trồi. Sự biến động thể qua tiến triển tâm dị thường SST theo thời gian kinh tuyến 110.5 vĩ tuyến 12. Sự tiến triển tâm dị thường rõ trình hoạt động tâm nước trồi. Ngoài phân tích wavelet chuỗi số liệu tính toán hai điểm Hòn Dáu Nha Trang làm sáng tỏ xuất chu kỳ dao động khoảng thời gian 10-20 ngày, 20-30 ngày tháng. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đinh Văn Ưu (2010), Hải dương học khu vực Biển Đông, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội. 2. Đinh Văn Ưu nnk (2005), Biến động mùa nhiều năm trường nhiệt độ nước mặt biểnvà hoạt động bão khu vực Biển Đông, Tạp chí KH ĐHQG, XXI, 3PT, 127-136,2005 3. Dương Hồng Sơn (2004). Chuyên đề Dự báo ngắn hạn trường dòng chảy nhiệt độ Biển Đông, Đề tài KC. 09.04. 4. John C. Warnera, Christopher R. Sherwooda, Richard P. Signella, Courtney K. Harrisb, Hernan G. Arangoc (2008), Development of a three-dimensional, regional, coupled wave current, and sediment-transport model. Computers & Geosciences 34 (2008) 1284–1306. 5. Lê Quốc Huy (2013), Báo cáo đề tài cấp sở năm 2012: “Bước đầu nghiên cứu ứng dụng công cụ kết nối song song mô hình khí tượng hải dương”. Thư viện Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Môi trường. 6. Trần Anh Tú, Nguyễn Chí Công, Nguyễn Ngọc Tiến, Phạm Thế Truyền, Nguyễn Viết Quỳnh, Đinh Văn Ưu. (2011). Quá trình hình thành biến động khu vực nước lạnh ven bờ tây Biển Đông. Hội nghị Khoa học Công nghệ Biển toàn quốc lần thứ 5. Quyển 2: Khí tượng Thủy văn Động lực học biển, Hà Nội tháng 10 – 2011, tr. 249-256. APPLICATION COUPLED MODEL TO INVESTIGATE INTRASEASONAL VARIATION OF SEA SURFACE TEMPERATURE ON THE WEST OF THE EAST SEA Le Quoc Huy(1), Tran Thuc(1), Dinh Van Uu(2) (1) Viet Nam Institude of Meteorology Hydrology and Environment (2) University of Natural Sciences, Hanoi National University This study applied parallel coupled model– COAWST, and the two components are ROMS and WRF model. This model simulated variations of SST fields in the west of East Sea in 1997. Then, the simulation results were analyzed using Wavelet method to estimate Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 255 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI variation of different periods. The most of significant variation is intraseasonal variation, include of 10-20 days, 20-30 days periods variations and 3month period variation. The meteorological and ocenographic fields in the East Sea variations in both space and time. The interaction between the atmosphere, ocean and continent also play a major role creating the phenomenon of local. This study applied the couple model- COAWST with two components models are ROMS and WRF. Simulation of the SST variations in the East Sea in 1997. Then the model results were analyzed using the wavelet method to determine the presence of cyclical fluctuations scale from days to months. Calculation results and analysis showed a significant seasonal variation of SST in the East Sea. Through analysis of existing wavelet can see month cycle oscillation is shown most clearly in both the Hon Dau and Nha Trang. Also see the cycle of fluctuation scale from 10 to 20 days and months in the Nha Trang. Key word: Variation, COAWST, coupled model. 256 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường . văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 250 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường ỨNG DỤNG BỘ MÔ HÌNH KẾT NỐI NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ NƯỚC BỀ MẶT (SST) KHU VỰC. nghiên cứu này, mô hình kết nối COAWST, với hai mô hình được kết nối là ROMS và WRF được ứng dụng để tính toán sự biến động của trường nhiệt độ bề mặt biển (SST) trên Biển Đông trong năm 1997. Kết. để mô phỏng trường SST trên Biển Đông. Mô hình có 3 mô hình thành phần là mô hình khí tượng WRF, mô hình hải dương ROMS và mô hình sóng SWAN. Tuy nhiên nghiên cứu này chỉ ứng dụng hai mô hình