Nghiên cứu ứng dụng mô hình POM tính dòng chảy gió trong biển đông

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH POM TÍNH DÒNG CHẢY nội dung nghiên quan BIẾN trọng ĐÔNG hầu hết đề GIÓcún TRONG tài Chương trình nghiên cứu biến Việt Nam tù’ trước đến Trong số công trình nghiên cứu dòng chảy Biển Đông, đáng ý công trình Wyrtky (1961), tác giả đưa đồ dòng chảy tầng mặt theoI mùa trênQUAN toàn Biển Đông biển kế cận, đưa đặc TÓNG trưng biến động dòng chảy theo mùa Cơ sở đế xây dựng đồ chủ yếu số liệu khảo sát nhiệt độ theo độ sâu, nhiệt-muối-độ sâu, nhiệt-độ dẫn điện-độ sâu, trưng vị trívật tàulý,vàđộng phaolực trôitrong Biến mặt biển thậpthiên tổng hợp Các đặc Đôngđược có sựthubiến lớn theo cho đếngian hết thập niêngian 50 XX Đây công trìnhđược có tính bao dòng quát lớn không thời Việckỷnghiên cứu,làmô trường chảyvàvới sử dụng cho nhiều đíchthiết nghiên cứu khoa học tế, độ xác cao yêu mục cầu cần đế giải ứng toándụng thủy cho thạchkinh động quân vàtrong kiểmbiển soát phục môi trường lực học vụ cácBiến yêuĐông cầu phát triển kinh tế xã hội, quốc phòngan ninh quản lý thống biển hải đảo Biến Đông nằm tuyến hàng hải quốc tế lớn thứ hai giới nối liền trung tâm kinh tế lớn giới, tuyến đường hàng hải châu Ầu - Trung Đông qua kênh đào Xuy ê, qua Biến Đông đến khu vục Đông Bắc Á, với hai cảng lớn Hồng Kông Singapore Khối lượng hàng hoá vận chuyển qua tuyến đường lớn Do vậy, việc nghiên cứu khía cạnh thủy thạch động lực nói chung dòng chảy biển nói riêng Biển Đông quan tâm nghiên cứu từ sớm Từ năm 1930 viện Hải dưong học Đông Dương thức thành lập, việc điều tra nghiên cứu Biến Đông Việt Nam tiến hành cách có hệ thống Trong thời gian chiến tranh giới thứ 2, với gia tăng mạnh mẽ hoạt động hàng hải quân sự, việc nghiên cứu, quan trắc hoàn lưu Biến Đông tiến hành rộng khắp cho phép mô tả số đặc trung hoàn lưu liên quan tới hoạt động gió mùa biến Sơ đồ hoàn lưu Biến Đông công bố lần vào năm 1945 Atlas hải quân Mỹ (US Navy, 1945) Các véc-tơ đặc trung cho dòng chảy mặt biến hai mùa với hướng gió thịnh hành, qua hoa gió cho vùng biển, cho thấy đặc điểm chúng tượng đổi hướng mạnh theo luân phiên gió mùa Trên sơ đồ dòng chảy thấy diện số xoáy quy mô vừa nhỏ hoàn lưu mặt biển Trong thập niên tiếp theo, nhiều chuyến điều tra khảo sát Biển Đông tiến hành với hợp tác với sổ nước như: Trung Quốc, Liên Xô, có thamtrình gia cứu nhà khoa công học Việt Nam chưa có Cácsựcông nghiên bổ sau Tuy nhiều tác giả cứu động học từbiển, songnhiệt trongđộphần lớnmuối làtrình hoànriêng lưu nghiên địa chuyển xâylực dựng trường độ chương chủ yếu chuyến (Xu khảo 1982, sát trênSiripong, biến, hoàn1984, lưu vàĐe cáctài yếu48B tố thuỷ động1990, lực khác đượcvàxem nnk, 01-01, Bogdanov Moroz, 1994, Đ.v Ưu Brankart, 1997) Trường dòng chảy địa chuyến thu dựa sở trường nhiệt muối theo kết phân tích số liệu lịch sử, số liệu số chuyến khảo sát định Các tác giả Brankart Đinh Văn Ưu tính toán trường dòng chảy địa chuyến cho hai mùa sở kết phân tích trường nhiệt-muối theo phương pháp biến phân đảo (VIM) cho ô lưới 0,25x0,25 độ kinh vĩ thu với nhiều đặc trưng chi tiết Từ đầu năm 60 kỷ 20, nhà nghiên cứu biển Việt Nam quốc tế sử dụng phương pháp mô hình hóa đổi với toàn biến tùng khu vực dựa nguồn số liệu thu thập nhằm đánh giá nhân tố hình thành chế độ hoàn lưu biển Các mô hình chẩn đoán xuất giai đoạn như: mô hình hóa tính toán dòng chảy gió Nguyễn Đức Lưu (1969), dòng chảy tổng hợp Hoàng Xuân Nhuận (1983), Pohlman T (1987), Ping-Tung Shaw and Shenn-Yu Chao (1994), Shenn-Yu Chao nnk (1998), đề tài KHCN 06-02, đề tài KC 09-02, v.v Những kết thu góp phần quan trọng việc lý giải chế hình thành cấu trúc hoàn lun Biến Đông Trong năm gần đây, phương pháp mô hình hoá theo hướng hệ thống, phát triến giới, phương pháp ứng dụng đế nghiên cứu hoàn lưu Biến Đông Bên cạnh công trình triến khai nước Metzger E.J and H.E Hurlburt (1996), Lê Ngọc Lý and Phu Luong (1997), V.V , đề tài KHCN 06-02: Nghiên cứu cấu trúc ba chiều thuỷ động lực học Biến Đông thuộc Chương trình Nghiên cứu biển giai đoạn 1996-2000 triến khai Những kết thu thông qua ứng dụng mô hình toán học tiên tiến phương tiện tính toán đại cho phép mô chi tiết đặc trưng phân bố không gian hoàn lưu biến động chúng chế độ gió mùa Hình Bản đồ dòng chảy mùa đông (phải) mùa hè (trái) mặt Biển Đông (theo Đồ tài KC 09-02, 2005) II co SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM Giói thiệu mô hình POM Mô hình POM mô hình đại dương đại, mã nguồn mở sử dụng rộng rãi giới Một số đặc điếm nối bật, quan trọng mô hình POM có thê kê sau: - Chứa mô hình khép kín rối bậc hai, cung cấp hệ sổ xáo trộn thắng đứng Mô hình khép kín rối mô hình POM Mellor xây dựng (Mellor, 1973) phát triến đáng kế cộng tác Mellor với Tetsuji Yamada (Mellor Yamada, 1974; Mellor Yamada, 1982) Mô hình dựa giả thuyết rối Rotta Kolmogorov mở rộng cho trường hợp dòng chảy phân tầng Mô hình khép kín rối bậc sử dụng kết hợp với phương trình tiên lượng rối quy mô lớn Nhìn chung, mô hình rối mô tốt trình động lực xáo trộn - Theo phương thẳng đứng, mô hình POM sử dụng toạ độ sigma, điều giúp cho mô hình mô tốt trường hợp địa hình biến đối mạnh khu vực cửa sông hay thềm lục địa đứt gãy, độ dốc lớn Hệ tọa độ sigma với mô hình khép kín rối làm thực hóa lớp biên đáy, mô hình có khả mô tốt khu vực ven biến, cửa sông có ảnh hưởng thủy triều Theo phương ngang, mô hình sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn so le (sơ đồ Akarawa C) lưới cong trực giao - Sai phân theo phương ngang sai phân ẩn theo phương thẳng đứng Điều cho phép sử dụng độ phân giải mịn theo phương thẳng đứng lớp biên đáy lóp biên mặt - Mô hình sử dụng lớp biên mặt tự bố sung đầy đủ thành phần thủy nhiệt động lực - Mô hình POM viết ngôn ngữ FORTRAN 77 cung cấp mã nguồn miễn phí Người dùng can thiệp trực tiếp vào mã nguồn đế phát triển, bố sung ứng dụng cho toán, khu VỊTC cụ Cơ sở lý thuyết mô hình POM 2.1 Hệ phương trình CO’ Mô hình POM mô hình hoàn lưu đại dương ven biến chiều, mã nguồn mở, sử dụng hệ phương trình nguyên thủy, phụ thuộc thời gian, hệ tọa độ sigma dơ D dơ (5a) d tìx ỏy ịiHr„,, ÔDƯhìnhÔDV deo dĩ] bề mặt tự’ POM có chứa mô khép kín rối giúp thực hóa (2) lớp n —— + ——+ —+ —= , Ekman mặt (5b) đáy dx ôy dơ õí Các phương trình đế lập thành lập mô hình hoàn lưu phương đó,trình D =môH tả+ ĩ]\ trường u, V vận phần mặt vậnnước, tốc ngang; tốc Trong thắng tốc,thành dao động nhiệt độCủvàlàđộvận muối d „ À (õư ÕV) r -2A zdụng hai (6 a,b,c) mô hình sử xấp xỉ xấp xỉ thủy tĩnh xấp xỉ Boussinesq đứng hệ toạ độ sigma (vuông góc với mặt sigma) + Theo phương dx) " õy’ thẳng đứng, mô hình POM sử dụng hệ tọa độ sigma, tọa Các phương trình chuyến Reynolds dạng: độ sigma động thay đối theo độcósâu nước JVD + gD ÔDƯ ÔƯ D ÕƯVD ÕƯCO Hệ toạ độ sigmaõtđược mô õx tả hình õy sau: dơ dx (3) Po õp' Ờ ÔD õp dơ õx D õx dơ D dơ _d_ dDV dUVD dV D dVcủ „dĩ] —+ ——- - -b— -b— b fưD + gD— + dt gD1 Po dx dy dp' Ờ dD dp dơ + F dy ( 4) + F„ dy D dy dơ /là tham số Coriolis; g gia tốc trọng trường; Po mật độ nước biến vị; p mật độ in situ; KM hệ sổ nhớt động học thang đứng; Fx, Fy thành phần khuếch tán nhớt rối theo phương ngang F 2.1 Hệ toạ độ sigma Hình Công thức đối biến từ tọa độ Đe sang hệ tọa độ sigma: /=x, ỳ=y, ơ= z~11 , t*=t, (la,b,c,d) H + TỊ đó: đó: Ả, X, y, z, t\ làÕU toạ độ thời hệ toạ độ Đe các; X*, y*, ơ, t\ tọa độ thời gian hệ tọa độ sigma H(x,y)\ độ sâu trung bình đáy biên; T] (x,y,t): mực nước biển; có phạm vi từ = z = // tới = -1 z = H a) Các phưomg trình thủy nhiệt động lực học Xét hệ tọa độ, theo sử dụng hệ tọa độ Đe theo phương thành phần khuếch tán nhớt rối theo phương ngang nhiệt độ độ muối õ(TTi ÕT} HAH ÕT\ — + — HA H — dx ) dy ^ õy J ạì+|;U„#ì õx ) dy õy) với AH hệ số khuếch tán nhiệt theo phương ngang Trong số hạng khuếch tán ngang trên, hệ sổ khuếch tán AM AH CÓ tác dụng làm giảm nhiễu tính toán lưới, hệ sổ thường giữ không đối Các hệ số khuếch tán chọn cho không trơn đặc trưng thực mức Khi độ phân giải lưới tính theo phương thẳng đứng nhỏ cần giảm hệ số khuếch tán ngang trình bình lưu ngang kèm theo xáo trộn thắng đứng có tác động tương tự khuếch tán ngang Trong mô hình này, mối quan hệ hệ số khuếch tán ngang với quy mô lưới giải theo công thức Smagorinsky sau: AM=CAxAyị\VV + (VV)T\ (10) Trong đó, 'ĩĩV + (VV)T\ = \sulSxỴ +(dvlSx + õulẼy) l2 + (dvlẼy)2Ỵ' ■, c có phạm vi , đến , bước lưới đủ nhỏ b) Khép kín rối Các phương trình chứa số hạng thông lượng ứng suất Reynolds tham số hóa, số hạng khuếch tán rối động lượng, nhiệt độ độ muối Việc tham số hóa rối mô hình dựa theo cách làm Mellor Yamada (1974) Các hệ số xáo trộn thẳng đứng KM Với AM hệ số nhớt động học theo phương ngang Các số hạng F Fy KH thu phương pháp khép kín rối bậc hai (Mellor Yamada, x 1982), bất biến phép quay trục tọa độ mô rối phương trình động rối quãng đường xáo trộn: Các phương trình bảo toàn nhiệt độ độ muối có dạng: dTD dTƯD dTVD ÕTCỚ õ K^d_T_ 1dq — P dưq P dVq P dcoq —— dtõtôx dy õx dơ dơ dơ õy 2 2 dSD dSƯD dSVD dSco _ dt õx dy dơ dư dơ Uơ(ẼT\ d dơ (7) + Fj — D dơ_ổ_p dơ K„ dS dp Pq K,D dơ ÕR (11 (8)) + F, BJ õơ Po ẽơ đó, T nhiệt độ vị s độ muối; Kfỉ hệ số khuếch tán rối 2p + theo phương thắng đứng; R thông lượng phát xạ sóng ngắn; Fj, Fs F V / / / ■ / / ' £ ' / / / A / / s*-** V / / / ề 100 105 110 Longitude Hình 3.6 Trường gió tháng Biển Đông 115 120 100 \ / / / M \ * k t I r I/ I / ! ! ! / ? ! / / / / 7/ /// // [...]... phía bắc Biển Đông ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc còn khá mạnh, cùng với ảnh hưởng của dòng chảy từ eo Đài Loan tốc độ dòng chảy khu vực địa hình dốc phía bắc Biến Đông cũng đạt 0,8 - 1 m/s Tháng 4 là giai đoạn chuyển tiếp giữa mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam, ảnh hưởng của gió mùa đông bắc trên Biển Đông còn rất yếu, dòng chảy phía bắc Biển Đông chủ yếu do từ eo Đài Loan chảy vào Dòng chảy phía... đó chảy dọc ven biến xuống phía nam Tốc độ dòng chảy ven biển này khá lớn, xấp xỉ lm/s Khu vực giữa Biển Đông, dòng chảy chủ yếu theo hướng gió, vận tốc dòng chảy nhỏ, khoảng 0,1 - 0,2m/s Phía nam Biển Đông tồn tại một xoáy thuận, tốc độ dòng chảy khoảng 0,5 m/s Vào tháng 7, dưới tác dụng của gió tây nam dòng chảy gió chỉ khu vực phía nam Biển Đông có độ lớn đáng kể Phía tây bắc đảo Borneo tồn tại dòng. .. Longitude 115 Hình 3.9 Trường gió tháng 8 trên Biến Đông Hình 3.8 Trường gió tháng 7 trên Biến Đông 25 Trung Ouoc Velocity: 10m/s 20 - xỹsỵ s V vs.«v' XVWWWN\NV ,\ \ \\\\\\\»\w>ỵ\ 100 105 110 Longitude 115 Hình 3.10 Trường gió tháng 9 trên Biến Đông 120 110 Longitude Hình 3.11 Trường gió tháng 10 trên Biến Đông 120 2) Ket quả tính dòng chảy gió trên Biến Đông bằng mô hình POM Phương pháp sử dụng mô hình số... Longitude Hình 3.20 Truông dòng chảy tầng mặt Hình 3.21 Trường dòng chảy tầng mặt tháng 6 trên Biến Đông tháng 8 trên Biến Đông Trong tháng 6 , ảnh hưởng của gió mùa tây nam đến Biến Đông mạnh hơn tháng 5, cùng với nó thì dòng chảy biển cũng mạnh lên đáng kể Phía nam Biển Đông, dòng chảy có hướng chảy vào từ eo Malaca, sau đó chảy theo hướng đông bắc với tốc độ khoảng 0,6 - 0,8 m/s Dòng chảy ven đảo... Đông cũng khá nhỏ ngoại trù’ dòng chảy ven đảo Bomeo còn khá lớn, khoảng 0,6 - 0,8 m/s Hình 3.19 cho thấy, vào tháng 5 gió mùa tây nam đã ảnh hưởng đáng kế đến chế độ dòng chảy trong Biến Đông Dưới tác dụng của gió mùa tây nam, dòng chảy phía nam Biển Đông đạt 0,4 - 0,6 m/s Tuy nhiên, ảnh hưởng của gió mùa tây nam đến khu vực phía bắc Biển Đông vẫn chưa đáng kế, vẫn tồn tại dòng chảy tù’ phía bắc chảy. .. Longitude Hình 3.18 Trường dòng chảy tầng mặt tháng 4 trên Biến Đông Longitude Hình 3.17 Trường dòng chảy tầng mặt tháng 3 trên Biến Đông Longitude Hình 3.19 Trường dòng chảy tầng mặt tháng 5 trên Biến Đông Các hình vẽ từ 3.16 đến 3.19 thế hiện trường dòng chảy trung bình tầng mặt tù' tháng 2 đến tháng 5 trên Biến Đông Ket quả tính toán cho thấy, vào tháng 2 dòng chảy gió trong Biến Đông tương đối lớn, dọc... trên Biến Đông tù’ trước đến nay cũng như các nghiên cứu trước đây Do đó, mô hình POM hoàn toàn có thế sử dụng đế tính toán mô phỏng dòng chảy gió trên Biến Đông TÀI LI0UTHAM KH0O 1 Chương trình KHCN06 (2004), Biển Đông, Tập II, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội 2 Đinh Văn Ưu (2003), Cơ sở phương pháp mô hình hoá trong hải dương học, NXBĐHQGHN, Hà Nội 3 Đinh Văn Ưu (2005), Mô hình hoàn lưu biển và... quả tính toán cũng cho thấy, trong mùa gió đông bắc và mùa gió tây nam luôn tồn tại một xoáy thuận trong vịnh Bắc Bộ, trong khi đó vịnh Thái Lan tồn tại xoáy nghịch vào mùa gió đông bắc và xoáy thuận vào mùa gió tây nam Truông dòng chảy trung bình tầng mặt các tháng còn lại trong năm được thế hiện dưới các hình dưới đây: Longitude Hình 3.16 Trường dòng chảy tầng mặt tháng 2 trên Biển Đông Longitude Hình. .. đối lớn, dọc theo sườn dốc địa hình ven biến miền Trung Việt Nam, phía nam Trung Hoa và ven đảo Borneo, tốc độ dòng chảy xấp xỉ lm/s Tốc độ dòng chảy phía nam Biến Đông và dòng chảy đi ra eo Malaca cũng đạt 0,5 - 0,6 m/s Trong tháng 3, tác động của gió mùa đông bắc tới phía nam Biển Đông suy giảm đáng kể, điều này thể hiện rõ trong hình 3.6, dòng chảy gió phía nam Biển Đông giảm đáng kế so với tháng... 0,8 m/s Dọc ven biển miền trung Việt Nam tồn tại dòng chảy hướng bắc với tốc độ 0,6 - 0,8 m/s Dòng chảy tiếp tục chảy dọc theo ven biến phía nam Trung Hoa rồi đi ra eo Đài Loan Tốc độ dòng chảy phía bắc Biển Đông khoảng 0,3 - 0,4 m/s Sang tháng 8 , về cơ bản trường dòng chảy trong Biến Đông không khác nhiều so với tháng 6 , chỉ có tốc độ dòng chảy phía bắc Biển Đông có giảm một chút, nằm trong khoảng ... THUYẾT MÔ HÌNH POM Giói thiệu mô hình POM Mô hình POM mô hình đại dương đại, mã nguồn mở sử dụng rộng rãi giới Một số đặc điếm nối bật, quan trọng mô hình POM có thê kê sau: - Chứa mô hình khép... nước biển, BC lưu lượng dòng chảy qua biên, $ véc tơ vận tốc dòng chảy, # véc tơ pháp tuyến biên cứng + Số liệu gió Trường gió sử dụng tính toán dòng chảy gió trung bình tháng Biển Đông tính. .. 115 Hình 3.10 Trường gió tháng Biến Đông 120 110 Longitude Hình 3.11 Trường gió tháng 10 Biến Đông 120 2) Ket tính dòng chảy gió Biến Đông mô hình POM Phương pháp sử dụng mô hình số trị có ưu điểm