Nghiên cứu chi tiết dòng chảy trong vịnh bắc bộ tác giả đã phát triển phương pháp lưới lồng cho mô hình POM

MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 11 2.1 Hệ phương trình 11 2.2.1 Các phương trình thủy nhiệt động lực học 12 2.2.2 Khép kín rối 14 2.2.3 Điều kiện biên 15 2.2 Phương pháp số 16 2.3 Chương trình pom2k thủ tục 18 CHƯƠNG - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 21 3.1 Nghiên cứu mô hình POM tính thủy triều Biển Đông 21 3.1.1 Khái quát nghiên cứu thủy triều Biển Đông 21 3.1.2 Kết tính thủy triều Biển Đông mô hình POM 23 3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trường dòng chảy 3D vịnh Bắc Bộ 34 3.2.1 Khái quát nghiên cứu dòng chảy Biển Đông vịnh Bắc Bộ 34 3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ 38 3.2.3 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy tổng hợp 3D vịnh Bắc Bộ điều kiện gió mùa 48 3.2.4 Áp dụng mô hình POM tính dòng chảy vịnh Bắc Bộ điều kiện bão 55 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tác giả nhận nhiều giúp đỡ, động viên từ thầy giáo, gia đình, bạn bè đồng nghiệp, đặc biệt dìu dắt, bảo tận tình thầy giáo – PGS.TS Nguyễn Thọ Sáo suốt trình làm luận văn Qua luận văn, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến thầy Nguyễn Thọ Sáo thầy giáo môn Hải dương học – Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp, bạn bè gia đình có giúp đỡ động viên tác giả hoàn thành tốt luân văn Hà Nội, ngày tháng năm 2010 MỞ ĐẦU Mô hình POM mô hình đại dương đại, mã nguồn mở phát triển Blumberg Mellor vào cuối năm 1970 POM mô hình đại dương hệ tọa độ sigma, bề mặt tự do, phương trình nguyên thủy chứa mô hình khép kín rối Đây mô hình đại dương cung cấp miễn phí mã nguồn cho người sử dụng với cộng đồng người dùng 3000 người 70 quốc gia Tuy nhiên, mã nguồn mô hình cung cấp miễn phí cho người dùng viết sẵn cho trường hợp tính dòng chảy cho thủy vực kín, hình chữ nhật, có đáy phẳng trường gió không đổi theo thời gian Vì vậy, người dùng phải tự nghiên cứu, bổ sung phát triển mô hình theo hướng nghiên cứu riêng Hiện nay, POM phát triển ứng dụng để nghiên cứu bài toán nhiều quy mô khác nhiều nơi giới như: vịnh Mexico (Blumberg Herring, 1983), vịnh Delaware (B.Galparil), Bắc Băng Dương (L.Kantha, S.Hakkinen) POM tiếp tục nhiều nhà khoa học phát triển ứng dụng theo nhiều hướng khác như: xây dựng hệ thống dự báo biển (Aikman, Chen), nghiên cứu khí hậu đại dương Đại Tây Dương, nghiên cứu dòng chảy Gulf Stream đồng hóa liệu (T.Ezer) Mô hình POM công cụ tiên phong nghiên cứu mô hình hóa đại dương liên tục cải tiến, sáng tạo phát triển không ngừng người sử dụng khắp giới Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu phát triển mô hình POM để tính toán hoàn lưu biển tác dụng tổng hợp yếu tố thủy triều gió, đồng thời nghiên cứu phát triển phương pháp lưới lồng để liên kết tính toán khu vực khơi khu vực ven bờ Kết tính thủy triều trạm hải văn ven bờ dọc ven biển nước ta cho độ xác cao Trường dòng chảy Biển Đông vịnh Bắc Bộ tính toán theo mô hình POM hoàn toàn phù hợp với kết quan trắc nghiên cứu dòng chảy công bố trước như: đồ dòng chảy Wyrtki (1961), sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ theo chương trình hợp tác Việt – Trung điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (Báo cáo kết điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1964) hay kết quan trắc phao (drifter) “The Global Drifter Program” JCOMM Những kết tính dòng chảy nước dâng bão cho bão Damrey năm 2005 cho kết phù hợp với quan trắc trường Mặc dù đạt nhiều kết khả quan nghiên cứu phát triển mô hình POM tính dòng chảy chiều Biển Đông, cần thiết phải có nghiên cứu để hoàn thiện, nâng cao độ xác dự báo dòng chảy, thủy triều, nước dâng vịnh Bắc Bộ Biển Đông Ngoài ra, nghiên cứu, phát triển mô hình POM theo hướng khác như: tính vận chuyển bùn cát, kết hợp với mô hình sóng, khí tượng để có mô hình số trị dự báo liên hoàn khí tượng – hải văn, v.v Tác giả mong nhận xét góp ý, bổ sung nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện nữa, nhằm đưa mô hình POM trở thành công cụ hữu hiệu để dự báo trường thủy động lực học Biển Đông vịnh Bắc Bộ Xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG - TỔNG QUAN Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lược quan trọng nước ta kinh tế lẫn quốc phòng, an ninh, cửa ngõ biển, đầu mối giao thương Bắc Bộ Trong vịnh có nhiều hải cảng quan trọng cảng Hải Phòng, cảng Cái Lân, có nhiều ngư trường lớn cung cấp nguồn hải sản quan trọng cho đời sống người dân ven biển nước ta Ngoài ra, vịnh chứa đựng nhiều tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt hải sản dầu khí Các hoạt động kinh tế biển ngày mang lại lợi ích kinh tế to lớn, thu nhập từ hoạt động giao thông, du lịch, đánh bắt thủy hải sản chiếm tỷ trọng ngày lớn tổng thu nhập quốc gia Do đó, phát triển kinh tế biển coi quốc sách hàng đầu đất nước Nhận thức tầm quan trọng phát triển kinh tế biển, Đảng Nhà nước ta có bước quan trọng nhằm đưa nước ta trở thành nước mạnh biển Hội nghị lần thứ tư ban Chấp hành Trung ương Đảng (khoá X) thông qua Nghị số 09-NQ/TW ngày 9/2/2007 “Về chiến lược biển Việt Nam đến năm 2020”, nhấn mạnh "Thế kỷ XXI giới xem kỷ đại dương” Mục tiêu đến năm 2020, phấn đấu đưa nước ta trở thành quốc gia mạnh biển, làm giàu từ biển, góp phần quan trọng nghiệp công nghiệp hoá, đại hoá đất nước Để thực mục tiêu đưa đất nước ta thành đất nước mạnh biển, nghiên cứu khoa học biển phải nhân tố ưu tiên hàng đầu Chỉ người nắm quy luật tự nhiên biển, hiểu biển thể làm giàu từ biển Trong yếu tố cần nghiên cứu biển thủy động lực học biển yếu tố quan trọng Các yếu tố nguyên nhân, môi trường tác động lên trình khác biển đại dương Do vậy, nghiên cứu để nắm đặc trưng thủy hải văn Vịnh Bắc Bộ cần thiết, nhiệm vụ khoa học, trị quan trọng Trong yếu tố thủy động lực học biển, dòng chảy biển đóng vai trò quan trọng Dòng chảy nhân tố nhiều trình vật lý, hóa học, sinh học biển như: bồi xói, vận chuyển bùn cát, bình lưu khuếch tán vật chất, di cư loài cá, v.v Dòng chảy biển vịnh Bắc Bộ nhiều nhà khoa học nước nước quan tâm nghiên cứu thu kết quan trọng, phát nhiều đặc trưng, quy luật dòng chảy vịnh Tuy nhiên, nhiều vấn đề dòng chảy biển cần phải nghiên cứu Cho đến nay, việc lập đồ hoàn lưu cho Biển Đông nói chung vịnh Bắc Bộ nói riêng giai đoạn hoàn thiện Bản đồ dòng chảy tầng mặt Atlas quốc gia (1995) lấy làm sở cho chế độ hoàn lưu mặt Biển Đông Các đồ tác giả tổng hợp từ đồ xây dựng vào số liệu khảo sát chương trình NAGA (Wyrtki, 1961) sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ theo chương trình hợp tác Việt – Trung điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (Báo cáo kết điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1964) Atlas Quốc gia đưa đồ dòng chảy địa chuyển tính theo trường nhiệt muối phân tích chuỗi số liệu có Viện Hải dương trước năm 1990 (Đề tài 48 B 01-01, 1990) Để nghiên cứu dòng chảy biển người ta thường sử dụng phương pháp điều tra, khảo sát thu thập số liệu để phân tích, đánh giá phương pháp mô hình hóa Tuy nhiên, số liệu điều tra khảo sát chủ yếu mang tính chất tức thời, số liệu đồng theo không gian mức độ chi tiết hạn chế Phương pháp mô hình hóa khắc phục hạn chế nêu trên, phương pháp công cụ đại góp phần giải thích nguyên nhân hình thành biến động hệ thống hoàn lưu, cho phép xác định cấu trúc không gian chúng, kể khu vực số liệu quan trắc trực tiếp tầng sâu biển Nghiên cứu dòng chảy biển mô hình số trị phát triển mạnh mẽ vài thập kỷ gần đây, đặc biệt giai đoạn công nghệ tính toán máy tính phát triển mạnh mẽ Hiện nay, có nhiều mô hình khác để tính toán dòng chảy biển bao gồm mô hình thương mại lẫn mô hình mã nguồn mở Các mô hình thương mại có ưu điểm chạy ổn định hiệu chỉnh, kiểm nghiệm kỹ lưỡng nhiên giá thành mô hình cao, người dùng cập nhật kết nghiên cứu vào mô hình, phát triển ứng dụng theo hướng riêng khó khăn việc liên kết với mô hình thủy động lực khác Các mô hình mã nguồn mở thường miễn phí, người dùng liên tục cải tiến mô hình theo hướng nghiên cứu dễ dàng liên kết với mô hình thủy động lực khác Mô hình POM mô hình đại dương đại, mã nguồn mở sử dụng rộng rãi giới Một số đặc điểm bật, quan trọng mô hình POM kể sau: - Chứa mô hình khép kín rối bậc hai, cung cấp hệ số xáo trộn thẳng đứng Mô hình khép kín rối mô hình POM Mellor xây dựng (Mellor, 1973) phát triển đáng kể 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 đổi 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 biển, 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 lớp biên mặt - Mô hình có lớp biên mặt tự bổ 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 để phát triển, bổ sung ứng dụng cho toán cụ thể, khu vực cụ thể Trong luận văn, tác giả nghiên cứu phát triển mô hình POM để tính toán trường dòng chảy chiều vịnh Bắc Bộ tác dụng tổng hợp thủy triều gió Để tính toán, mô tốt trường dòng chảy tổng hợp, mô hình phải mô tính toán tốt dòng chảy triều dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ Do đó, nghiên cứu thực luận văn bao gồm: - Nghiên cứu mô hình POM để tính toán thủy triều Biển Đông vịnh Bắc Bộ - Nghiên cứu, ứng dụng mô hình POM tính dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ - Nghiên cứu, ứng dụng mô hình POM tính trường dòng chảy tổng hợp (triều + gió) vịnh Bắc Bộ điều kiện gió mùa điều kiện bão 10 CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 2.1 Hệ phương trình Mô hình POM mô hình hoàn lưu đại dương ven biển chiều, mã nguồn mở, sử dụng hệ phương trình nguyên thủy, phụ thuộc thời gian, hệ tọa độ sigma bề mặt tự POM có chứa mô hình khép kín rối giúp thực hóa lớp Ekman mặt đáy Các phương trình để lập thành lập mô hình hoàn lưu phương trình mô tả trường vận tốc, dao động mặt nước, nhiệt độ độ muối Trong mô hình sử dụng hai xấp xỉ xấp xỉ thủy tĩnh xấp xỉ Boussinesq Theo phương thẳng đứng, mô hình POM sử dụng hệ tọa độ sigma, tọa độ sigma thay đổi theo độ sâu nước Hệ toạ độ sigma mô tả hình sau: Hình 2.1 Hệ toạ độ sigma Công thức đổi biến từ tọa độ Đề sang hệ tọa độ sigma: x * = x, y * = y, σ= z −η , H +η t* = t , đó: x, y, z, t: toạ độ thời hệ toạ độ Đề các; x*, y*, σ, t*: tọa độ thời gian hệ tọa độ sigma H(x,y): độ sâu trung bình đáy biển; 11 (1a,b,c,d) η (x,y,t): mực nước biển; σ có phạm vi từ σ = z = η tới σ = -1 z = H 2.2.1 Các phương trình thủy nhiệt động lực học Xét hệ tọa độ, theo sử dụng hệ tọa độ Đề theo phương ngang với trục x hướng phía đông, trục y hướng phía bắc, phương thẳng đứng sử dụng tọa độ sigma hướng lên Phương trình liên tục có dạng: ∂DU ∂DV ∂ω ∂η + + + =0, ∂x ∂y ∂σ ∂t (2) đó, D = H + η; U, V thành phần vận tốc ngang; ω vận tốc thẳng đứng hệ toạ độ sigma (vuông góc với mặt sigma) Các phương trình chuyển động Reynolds có dạng: ∂DU ∂U D ∂UVD ∂Uω ∂η + + + − fVD + gD + ∂t ∂x ∂y ∂σ ∂x o gD  ∂ρ , σ ' ∂D ∂ρ '  , ∂  K M ∂U  − dσ = + Fx  ' ∫ ρ σ  ∂x D ∂x ∂σ  ∂σ  D ∂σ  ∂DV ∂UVD ∂V D ∂Vω ∂η + + + + fUD + gD + ∂t ∂x ∂y ∂σ ∂y o gD  ∂ρ , σ ' ∂D ∂ρ '  , ∂ − dσ =  ' ∫ ρ σ  ∂y D ∂y ∂σ  ∂σ (3) (4)  K M ∂V   D ∂σ  + Fy f tham số Coriolis; g gia tốc trọng trường; ρ0 mật độ nước biển vị; ρ mật độ in situ; KM hệ số nhớt động học thẳng đứng; Fx, Fy thành phần khuếch tán nhớt rối theo phương ngang Fx ≡ ∂ ∂ ( Hτ xx ) + ( Hτ xy ) , ∂x ∂y (5a) Fy ≡ ∂ ∂ ( Hτ xy ) + ( Hτ yy ) , ∂y ∂x (5b) đó: τ xx = AM ∂U , ∂x  ∂U ∂V  , +  ∂y ∂x  τ xy = τ yx = AM  12 τ yy = AM ∂V , ∂y (6a,b,c) phần giảm thiểu tác hại bão đến đời sống kinh tế xã hội giúp cho việc quản lý, xây dựng công trình biển cách an toàn, hợp lý Bão Damrey xuất phía tây Thái Bình Dương bên Philippin từ ngày 21/09/2005, di chuyển chậm từ Thái Bình Dương vào Biển Đông Quỹ đạo bão di chuyển Biển Đông theo đường zích zắc, hướng chủ đạo hướng Tây đổ đất liền vị trí 106,30E 19,60N (bắc Thanh Hoá) vào khoảng lúc ngày 27/09/2005 Khi vào vịnh Bắc Bộ, tốc độ gió cực đại lên tới 42 m/s, độ giảm áp tâm xuống tới 955mb Hình 3.27 Quỹ đạo di chuyển bão Damrey a Điều kiện tính toán Để tính toán dòng chảy Vịnh Bắc Bộ điều kiện bão tác giả sử dụng phương pháp lưới lồng tính dòng chảy tổng hợp gió mùa + Trường gió bão: Trường gió bão Damrey tính phục hồi từ tham số bão theo công thức Isozaki (1970) Tác giả Isozaki đưa giả định: Các 56 đường đẳng áp đồng tâm, có tâm trùng tâm bão bão áp gió đối xứng qua tâm Áp suất điểm ( x, y ) cách tâm bão ( x0 , y ) tính theo công thức: (23) Pr = P∞ − a [1 + (r / R) ]0.5 đó: P∞ áp suất rìa bão; a = P − Pr , PC áp suất tâm bão; R bán kính gió cực đại r = ( x − x0 ) + ( y − y ) khoảng cách từ tâm bão tới điểm tính Vận tốc gió gồm hai thành phần: W = Wđ + Wg thành phần Wđ tâm bão di chuyển: (24) Wđ = (C / 3.6) *V * exp(−r / 500) C số, V vận tốc di chuyển bão Thành phần gió Wg gradient: (25) Wg = *Wm [ z /(1 + z )] đó: Wm = K * (a ) 0.5 vận tốc gió cực đại, với K số; z = r / R Véc tơ W nghiêng vào tâm bão góc 0 < α < 30 độ so với tiếp tuyến đường đẳng áp điểm tính Bảng 3.7: Các tham số bão Damrey 2005 (cơn bão số 7) Kinh độ (E) Vĩ độ (N) 21/09/05 00:00 122,8 18 996 18 180 21/09/05 06:00 122,2 18,7 992 20 180 21/09/05 12:00 121,5 18,9 990 23 180 21/09/05 18:00 121,2 19,3 990 23 180 Ngày/giờ 57 Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) Kinh độ (E) Vĩ độ (N) 22/09/05 00:00 121 19,8 990 23 180 22/09/05 06:00 120,4 20,2 990 23 180 22/09/05 12:00 119,6 20 990 23 180 22/09/05 18:00 118,8 19,8 990 23 180 23/09/05 00:00 118 20 990 23 180 23/09/05 06:00 116,8 20,5 990 23 180 23/09/05 12:00 116,7 20,5 990 23 180 23/09/05 18:00 116,1 20,3 985 25 180 24/09/05 00:00 115,4 20 980 28 180 24/09/05 06:00 114,8 19,7 975 30 180 24/09/05 12:00 114 19,3 970 33 190 24/09/05 18:00 113,4 18,9 970 33 200 25/09/05 00:00 113,1 18,8 960 38 220 25/09/05 06:00 112,4 19,1 955 40 220 25/09/05 12:00 111,8 19,2 955 40 220 25/09/05 18:00 110,7 19,1 955 40 210 26/09/05 00:00 109,9 18,5 965 35 200 26/09/05 06:00 108,9 18,8 970 33 200 26/09/05 12:00 108,1 19,4 975 30 170 26/09/05 18:00 107,5 19,5 975 30 140 Ngày/giờ 58 Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) Kinh độ (E) Vĩ độ (N) 27/09/05 00:00 106,3 19,6 980 30 120 27/09/05 06:00 105 19,7 990 25 100 27/09/05 12:00 103,8 19,3 996 18 60 Ngày/giờ Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) Trường gió bão tính toán theo công thức trên, thời gian để đọc số liệu bão vào mô hình đọc lần Trong khoảng thời gian lần đọc số liệu gió, ứng suất gió nội suy tuyến tính sau bước thời gian Ứng suất gió tính theo công thức sau: τx = ρaCdS10U10 τy = ρaCdS10V10 (26a,b) đó, (τx,τy) thành phần ứng suất gió theo phương x phương y; ρa mật độ không khí; Cd hệ số kéo; S10 = (U2 + V2)1/2 module vận tốc gió độ cao 10m; (U10,V10) thành phần véc tơ vận tốc gió độ cao 10m Hệ số kéo Cd tính theo công thức (Black nnk, 2007) Tốc độ gió S10 (m/s) Cd ( x 103) – 11 1,2 11 – 15 (0,49 + 0,065S10) 15 – 20 1,46 20 – 22 1,7 22 – 25 1,8 25 – 30 1,6 >= 30 1,5 Điều kiện biên: 59 r ∂V = 0, - Biên cứng: điều kiện biên không thấm: ∂n - Biên lỏng: điều kiện biên mực nước: η = BC, r đó, η mực nước biển; BC mực nước biên; V véc tơ r vận tốc dòng chảy; n véc tơ pháp tuyến biên cứng Mực nước biên miền tính dòng chảy toàn Biển Đông tính từ số điều hòa trích từ bảng số điều hòa toàn cầu b Kết tính dòng chảy, nước dâng bão Vịnh Bắc Bộ + Kết tính nước dâng bão Kết tính nước dâng bão Damrey tác giả trích điểm dọc theo ven biển nước ta Tọa độ trạm đưa bảng sau: Bảng 3.8: Tọa độ điểm tính nước dâng Hòn Dấu Kinh độ (E) 106,82 Nam Định 106,34 19,98 Thái Bình 106,70 20,36 Thanh Hóa 106,00 19,66 TT Tên điểm quan trắc Vĩ độ (N) 20,67 Kết tính biến trình mực nước nước dâng điểm nghiên cứu bão Damrey thể hình sau đây: m Biến thiên mực nước trạm Hòn Dấu 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 21 41 mực nước tổng cộng 61 81 mực nước thủy triều Hình 3.28 Biến thiên mực nước Hòn Dấu bão Damrey 60 m Nước dâng bão điểm Hòn Dấu 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 m Hình 3.29 Nước dâng bão Damrey Hòn Dấu Biến thiên mực nước Thái Bình 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 21 41 mực nước tổng cộng 61 81 mực nước thủy triều Hình 3.30 Biến thiên mực nước Thái Bình bão Damrey m Nước dâng bão điểm Thái Bình 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 3.31 Nước dâng bão Damrey Thái Bình m Biến thiên mực nước Nam Định 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 21 41 mực nước tổng cộng 61 81 mực nước thủy triều Hình 3.32 Biến thiên mực nước Nam Định bão Damrey 61 m Nước dâng bão điểm Nam Định 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 m Hình 3.33 Nước dâng bão Damrey Nam Định Biến thiên mực nước Thanh Hóa -1 -2 -3 21 41 mực nước tổng cộng 61 81 mực nước thủy triều Hình 3.34 Biến thiên mực nước Thanh Hóa bão Damrey m Nước dâng bão điểm Thanh Hóa -1 -2 -3 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hình 3.35 Nước dâng bão Damrey Thanh Hóa Kết tính toán cho thấy, trước thời gian bão đổ vào đất liền, mực nước khu vực ven biển nước ta rút mạnh, thời gian nước rút dài, khoảng 40 tiếng trước bão đổ Tại Thanh Hóa, nước rút mạnh nhất, khoảng -2,3m, Nam Định -1,8m, Thái Bình -1,5m Hòn Dấu -1,7m Nguyên nhân nước rút trước bão đổ bộ, dòng chảy khu vực ven biển nước ta mạnh, tốc độ dòng chảy gần 1m/s Khi bão đổ vào khu vực ven biển lại gây nước dâng, ngập lụt phạm vi rộng Theo kết tính toán, Hòn 62 Dấu, nước dâng sau thủy triều đạt đỉnh, nước dâng bão khoảng 0,5m, độ cao nước dâng bão Hòn Dấu lớn 0,9m Tại Thái Bình, nước dâng bão lớn 0,85m, Nam Định 1,05m Thanh Hóa 1,4m Thời gian nước dâng kéo dài khoảng 15 – 20 Kết đo đạc trạm Hòn Dấu, nước rút -0,72 cm, dâng 0,91 cm Như vậy, nước dâng tính đúng, nước rút mắc sai số lớn Nguyên nhân trường gió sử dụng mô hình trường gió thực, tốc độ gió phục hồi theo công thức Isozaki (1970), chưa công thức có độ xác cao để tính hệ số kéo điều kiện bão gió bão mạnh Do đó, để thu kết tốt hơn, cần có số liệu gió phân tích từ mô hình khí tượng, hệ số kéo cần xác định lại để tính ứng suất gió phù hợp Ngoài ra, cần tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện mô hình POM để nâng cao độ xác tính toán, dự báo + Kết tính dòng chảy vịnh Bắc Bộ bão Damrey Hình 3.36 Dòng chảy Vịnh Bắc Hình 3.37 Dòng chảy Vịnh Bắc Bộ tầng 5m, trường hợp không bão Bộ tầng 5m, trường hợp có bão lúc lúc 18h ngày 26/9/2005 18h ngày 26/9/2005 Hình vẽ 3.36 3.37 thể trường dòng chảy tầng 5m vịnh Bắc Bộ lúc 18h ngày 26/9/2005 hai trường hợp: có tính bão không 63 tính bão Kết cho thấy, trường hợp không tính bão, dòng chảy dọc ven biển nước ta tương đối nhỏ, khoảng 0,2m/s Thời gian thủy triều vừa đạt đỉnh dòng triều bắt đầu rút khỏi vịnh Dòng chảy cửa vịnh lớn, khoảng 0,4 m/s Phía tây nam đáo Hải Nam, tốc độ dòng chảy lên tới 0,7 – 0,8m/s Tuy nhiên, trường hợp có tính bão, dòng chảy khu vực ven biển nước ta mạnh, tốc độ dòng chảy lên tới 0,8 – 0,9m/s, có nơi đến 1m/s Dòng chảy cửa vịnh, phía tây vịnh tăng cường đáng kể, đó, dòng chảy phía đông vịnh Bắc Bộ lại bị suy giảm ảnh hưởng dòng chảy bão Tốc độ dòng chảy phía tây nam đảo Hải Nam giảm xuống 0,5 – 0,6m/s Dòng chảy phía tây bắc đảo Hải Nam chảy ngược hướng so với dòng triều tồn xoáy thuận gần tâm bão Tốc độ dòng chảy gần tâm bão nhỏ, không đáng kể Kết cho thấy, dòng chảy bão ảnh hưởng tới toàn độ sâu vịnh Bắc Bộ, tầng sâu 30m thấy tồn xoáy thuận gần tâm bão Tuy nhiên, tốc độ dòng chảy bão giảm nhanh theo độ sâu Hình 3.38 Dòng chảy vịnh Bắc Hình 3.39 Dòng chảy vịnh Bắc Bộ tầng 10m lúc 18h ngày 26/9/2005 Bộ tầng 20m lúc 18h ngày 26/9/2005 64 Hình 3.40 Dòng chảy vịnh Bắc Hình 3.41 Dòng chảy vịnh Bắc Bộ tầng 30m lúc 18h ngày 26/9/2005 Bộ tầng 50m lúc 18h ngày 26/9/2005 Tại khu vực ven biển nước ta, tốc độ dòng chảy tầng mặt lên tới gần 1m/s tầng 30m, tốc độ dòng chảy khoảng 0,3 – 0,4m/s Ở tầng 50m, ảnh hưởng bão đến dòng chảy vịnh Bắc Bộ nhỏ, dòng chảy tầng chủ yếu chịu ảnh hưởng dòng triều Khu vực phía nam vịnh chịu ảnh hưởng bão nên dòng chảy biển đổi theo độ sâu Nhìn chung, dòng chảy tổng hợp bão không giống trường hợp gió mùa tốc độ dòng chảy gió nhỏ, dòng chảy tổng hợp vịnh Bắc Bộ chịu chi phối chủ yếu dòng triều, dòng chảy gió điều kiện bão lớn, có bậc đại lượng tương đương với tốc độ dòng triều, đó, trường dòng chảy tổng hợp chịu quy định đồng thời hai yếu tố dòng triều dòng chảy gió Tại khu vực khơi, tốc độ dòng chảy lớn vị trí bán kính gió cực đại, bão vào gần ven bờ, dòng chảy dọc ven biển mạnh gây nước rút khu vực ven bờ Tại khu vực gió bão lớn, trường dòng chảy chịu chi phối trường gió, ảnh hưởng bão lên dòng chảy suy giảm nhanh theo độ sâu Càng xa tâm bão, ảnh hưởng dòng triều lên dòng tổng hợp lớn, suy giảm tốc độ dòng chảy theo độ sâu giảm Dòng 65 chảy tổng hợp vịnh kết hợp phức tạp dòng chảy triều dòng chảy gió Bức tranh dòng chảy vịnh tùy thuộc vào tốc độ gió bão thời gian bão đổ vào Bão Damrey đổ vào ven biển nước ta lúc dòng triều bắt đầu rút khỏi Vịnh, nhiên tốc độ dòng triều rút khu vực ven biển nước ta nhỏ, khoảng 0,2m/s, tốc độ dòng chảy tổng hợp khoảng 1m/s Nếu bão đổ vào giai đoạn triều rút mạnh tốc độ dòng chảy ven biển nước ta lớn gây tác hại nặng phương tiện công trình biển Vì vậy, việc dự báo yếu tố dòng chảy, nước dâng bão với độ xác cao có ý nghĩa to lớn Kết nghiên cứu cho thấy, mô hình POM tính toán tốt trường dòng chảy nước dâng bão vịnh Bắc Bộ Do đó, tiếp tục đầu tư nghiên cứu phát triển, mô hình POM hứa hẹn công cụ hữa hiệu, có độ xác cao dự báo trường thủy động lực Biển Đông vịnh Bắc Bộ 66 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu phát triển mô hình POM để dự báo dòng chảy chiều vịnh Bắc Bộ tác động tổng hợp thủy triều gió Để nghiên cứu chi tiết dòng chảy vịnh Bắc Bộ tác giả phát triển phương pháp lưới lồng cho mô hình POM Kết tính toán cho thấy dòng chảy tính theo phương pháp hoàn toàn phù hợp với kết tính toàn Biển Đông, dó, sử dụng để nghiên cứu chi tiết dòng chảy vịnh Bắc Bộ Đối với toán tính dòng chảy với điều kiện biên thủy triều, tác giả bổ sung vào mã nguồn mô hình POM module tính toán nội suy mực nước theo số điều hòa trích từ bảng số điều hòa toàn cầu Kết tính toán thủy triều Biển Đông kiểm nghiệm trạm hải văn dọc ven biển nước ta cho kết tốt Mực nước triều số trạm hải văn Phú Quốc, Thổ Chu từ trước đến cho khó tính xác kết tính theo mô hình POM cho độ xác cao Kết nghiên cứu cho thấy, mở rộng biên miền tính xa eo biển Đài Loan Luzon phía Thái Bình Dương kết mô thủy triều tốt Tác giả nghiên cứu tích hợp module nội suy trường gió theo không gian, thời gian tính ứng suất gió vào mô hình POM để tính dòng chảy điều kiện gió mặt biển biến thiên liên tục theo thời gian Điều giúp cho việc tính toán dòng chảy gió thuận tiện giảm bước chuẩn bị liệu đầu vào cho mô hình Theo kết tính toán mô hình POM, dòng chảy gió mùa đông bắc vịnh Bắc Bộ khoảng 0,2 – 0,3 m/s, dòng chảy gió mùa gió tây nam nhỏ, khoảng 0,05 – 0,1 m/s Dòng chảy gió giảm nhanh theo độ sâu, ảnh hưởng gió mặt đến độ sâu 30m Khu vực biển có độ 67 sâu biển cảng nhỏ tốc độ suy giảm vận tốc dòng chảy lớn Dòng chảy gió có xu hướng chảy dọc ven theo khu vực sườn địa hình dốc Dòng triều vịnh Bắc Bộ lớn, hướng tốc độ dòng triều biến đổi liên tục theo thời gian Tốc độ dòng cực đại trung bình 0,7 – 0,8m/s, khu vực phía tây đảo Hải Nam lên tới 1m/s Tốc độ dòng triều cực đại có xu hướng giảm từ phía đông sang phía tây vịnh Bắc Bộ Trong điều kiện thời tiết bình thường, dòng chảy tổng hợp vịnh Bắc Bộ chịu chi phối dòng triều Dòng chảy gió có vai trò đáng kể đến dòng chảy tổng hợp dòng chảy triều nhỏ (triều đứng, triều kém) Tốc độ dòng chảy tổng hợp suy giảm theo độ sâu Tốc độ suy giảm khu vực biển nông lớn nhiều khu vực có độ sâu đay biển lớn Trong trường hợp bão, tốc độ dòng chảy gió lớn, tương đương lớn dòng triều Dòng chảy vịnh Bắc Bộ tổng hợp phức tạp dòng chảy triều dòng chảy gió Dòng chảy gió hay dòng chảy triều chiếm ưu phụ thuộc vào hoàn cảnh cụ thể Tốc độ dòng chảy bão giảm nhanh theo độ sâu Tuy nhiên, độ sâu biển vịnh Bắc Bộ nhỏ nên bão ảnh hưởng đến toàn tầng sâu vịnh Nhìn chung, tác giả thành công việc nghiên cứu phát triển mô hình POM để nghiên cứu dòng chảy chiều vịnh Bắc Bộ Kết nghiên cứu đưa đặc trưng cấu trúc chiều dòng chảy vịnh Bắc Bộ tác dụng tổng hợp thủy triều gió Mô hình POM tác giả bổ sung phát triển có độ xác tính ứng dụng cao, hoàn toàn áp dụng để nghiên cứu tính toán thủy triều, nước dâng bão, dòng chảy gió dòng chảy tổng hợp chiều nhiều quy mô khác nhau, từ ven biển cửa sông đến đại dương Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy cô, nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương trình KHCN06 (2004), Biển Đông, Tập II, NXB Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Lê Trọng Đào (2002), "Mô hình số trị tính thủy triều Biển Đông vùng biển Việt Nam", Tuyển tập báo cáo khoa học khí tượng thủy văn biển, trang 58-64 Nguyễn Thế Tưởng (2000), Sổ tay tra cứu đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam, Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội Đinh Văn Ưu (2003), Cơ sở phương pháp mô hình hoá hải dương học, NXB ĐHQGHN, Hà Nội Đinh Văn Ưu (2005), Mô hình hoàn lưu biển đại dương, Nhà xuất Nông Nghiệp, Hà Nội Phạm Văn Vỵ (2005), Động lực học biển phần II, Nhà xuất Đại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Black et al (2007), "Air-sea exchange in hurricanes: Synthesis of observations from the coupled boundary air-sea transfer experiment", Bull Am Meteorol Soc., 88(3), 357 – 374 Blumberg, A.F., and G.L Mellor, "A description of a three-dimensional coastal ocean circulation model", Three-Dimension Coastal Ocean Model, Vol 4, edited by N.Heaps, pp.208, American Geophysical Union, Washington, D.C., 1987 George L Mellor (June 2004), Users guide for a three-dimensional, primitive equation, numerical ocean model 10 S E Zedler, P.P Niiler, D Stammer, E Terrill and J Morzel (April, 2009), "Ocean's response to Hurricane Frances and its implications for drag 69 coefficient parameterization at high wind speed", Jounal of geophysical research, Vol 114 11 Sen Jan, Ren-Chieh Lien and Chi-Hoa Ting (2008), “Numerical study of baroclinic tides in Luzon Strait”, Jounal of Oceanography, Vol 64 70 [...]... bằng mô hình POM phù hợp các quan trắc và tính toán về dòng triều, vì vậy, có thể sử dụng mô hình này để nghiên cứu dòng chảy tổng hợp trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợp của thủy triều và gió 3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ 3.2.1 Khái quát những nghiên cứu về dòng chảy trong Biển Đông và vịnh Bắc Bộ Dòng chảy trong Biển Đông bắt đầu được quan tâm và nghiên. .. Tác giả đã phát triển khả năng tính dòng chảy theo phương pháp lưới lồng cho mô hình POM Phương pháp này giúp cho việc nghiên cứu dòng chảy gió trong Vịnh Bắc Bộ được chi tiết hơn đồng thời tiết kiệm thời gian tính toán a) Điều kiện tính toán Miền tính dòng chảy gió trong Biển Đông có giới hạn: 98,75E – 125E, -3N – 27N Phương ngang sử dụng hệ tọa độ cầu với lưới tính có độ phân giải 5 phút Phương thẳng... 3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trường dòng chảy gió trong vịnh Bắc Bộ Để nghiên cứu dòng chảy gió, tác giả đã tích hợp module tính toán và nội suy trường gió vào mô hình POM, đồng thời nghiên cứu bổ sung mã nguồn để mô hình có thể tính dòng chảy với điều kiện trường gió biến thiên theo không gian và thời gian Các điều kiện biên cũng được nghiên cứu, lựa chọn phù hợp để tính dòng chảy gió Tác giả. .. trong Biển Đông và nghiên cứu ảnh hưởng của lớp biên đáy lên quá trình hình thành, lan truyền thủy triều cần sử dụng mô hình thủy động lực học 3 chi u Trong luận văn này, tác giả đã nghiên cứu phát triển mô hình POM với điều kiện biên thủy triều, đây là một phần trong mục tiêu phát triển mô hình POM để tính dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ dưới tác dụng tổng hợp của gió và thủy triều Mô hình đã được hiệu chỉnh,... đó, đây vẫn là khu vực cần cải thiện hơn nữa 2.2 Phương pháp số Hệ phương trình cơ bản được trình bày ở trên không thể giải được bằng phương pháp giải tích mà phải sử dụng phương pháp số giải các phương trình đã rời rạc hóa trên một lưới Mô hình POM đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải hệ phương trình cơ bản đã đưa về dạng thông lượng Mô hình POM được tính toán theo 2 thức: thức nội (internal... nhiều đặc trưng chi tiết Trong những năm gần đây, dưới sự phát triển mạnh mẽ của khoa học tính toán và công nghệ máy tính, phương pháp mô hình hóa trở thành công cụ mạnh, hiệu quả để nghiên cứu dòng chảy trong Biển Đông cũng như trong vịnh Bắc Bộ Những công trình theo hướng nghiên cứu này có thể kể đến như: mô hình hóa tính toán dòng chảy gió của Nguyễn Đức Lưu (1969), dòng chảy tổng hợp của Hoàng Xuân... vực còn lại dòng triều dư gần như bằng không Phía bắc vịnh Bắc Bộ là nơi có tốc độ dòng triều dư lớn nhất, khoảng 0,03m/s Tốc độ dòng triều dư trong vịnh Bắc Bộ có xu hướng giảm từ bắc xuống nam, tốc độ dòng triều tại cửa vịnh chỉ còn 0,01m/s Dòng triều dư trong vịnh Thái Lan khoảng 0,01 0,02m/s, các khu vực còn lại trong Biển Đông dòng triều dư không đáng kể 33 Hình 3.3 Tốc độ dòng triều dư trong Biển... toán và công nghệ máy tính Hai phương pháp thông dụng theo hướng nghiên cứu này là phương pháp giải tích và phương pháp mô hình số trị Phương pháp giải tích có ưu điểm cho nghiệm đúng của bài toán, tuy nhiên lớp các bài toán sử dụng được phương pháp này lại rất hạn chế như yêu cầu miền nghiên cứu có dạng đơn giản với độ sâu đồng nhất hoặc biến đổi tuyến tính Vì vậy, phương pháp này không thể áp dụng tính... 1998) Dòng chảy triều ở khu vực thềm lục địa khá mạnh và phức tạp, ngược lại dòng chảy triều khá yếu ở khu vực biển sâu Nâng cao độ chính xác dự báo dòng chảy triều đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu dòng chảy tổng hợp, đặc biệt ở khu vực thềm lục địa, địa hình đáy biển nông như Vịnh Bắc Bộ Hình 3.2 cho thấy phân bố tốc độ dòng triều cực đại trong Biển Đông Kết quả cho thấy dòng triều chảy. .. (1961), tác giả đã đưa ra bản đồ 34 dòng chảy tầng mặt theo mùa trên toàn Biển Đông Bản đồ này đã thể hiện được về cơ bản chế độ dòng chảy trong Biển Đông theo các đặc trưng mùa Hình 3.4 Bản đồ dòng chảy mùa đông (phải) và mùa hè (trái) trên mặt Biển Đông (theo Wyrtky, 1961) Hình 3.5 Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ mùa đông (trái) và mùa hè (phải) theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (1964) Trong