Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)

Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)Nghiên cứu trường dòng chảy 3D trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình POM (luận văn thạc sĩ)

IH TRƢ QU GI H N I Ọ Ọ T - UYỄ TÂ ỨU TRƢ U DÒ BẰ MÔ V ƢỢ ẢY 3D TR Ì P M T S ăm 2016 VỊ Ọ BẮ BỘ MỤ Ụ MỞ ẦU HƢƠNG - TỔNG QU N HƢƠNG - Ơ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH POM 12 2.1 Hệ phƣơng trình 12 2.2.1 ác phƣơng trình thủy nhiệt động lực học 13 2.2.2 Khép kín rối 15 2.2.3 iều kiện biên 16 2.2 Phƣơng pháp số 17 2.3 hƣơng trình pom2k thủ tục 19 HƢƠNG - KẾT QUẢ NGHIÊN ỨU 22 3.1 Nghiên cứu mô hình POM tính thủy triều Biển ông 22 3.1.1 Khái quát nghiên cứu thủy triều Biển ông 22 3.1.2 Kết tính thủy triều Biển ông mô hình POM 24 3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trƣờng dòng chảy 3D vịnh Bắc Bộ 35 3.2.1 Khái quát nghiên cứu dòng chảy Biển ông vịnh Bắc Bộ 35 3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trƣờng dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ 39 3.2.3 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trƣờng dòng chảy tổng hợp 3D vịnh Bắc Bộ điều kiện gió mùa 49 3.2.4 Áp dụng mô hình POM tính dòng chảy vịnh Bắc Bộ điều kiện bão 56 KẾT LUẬN 68 T I LIỆU TH M KHẢO 70 ẢM Ơ Trong thời gian làm luận văn tốt nghiệp, tác giả nhận đƣợc 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 dƣơng học – Khoa Khí tƣợng Thủy văn Hải dƣơng 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 ẦU Mô hình POM mô hình đại dƣơng đại, mã nguồn mở đƣợc phát triển Blumberg Mellor vào cuối năm 1970 POM mô hình đại dƣơng hệ tọa độ sigma, bề mặt tự do, phƣơng trình nguyên thủy chứa mô hình khép kín rối ây mô hình đại dƣơng cung cấp miễn phí mã nguồn cho ngƣời sử dụng với cộng đồng ngƣời dùng 3000 ngƣời 70 quốc gia Tuy nhiên, mã nguồn mô hình đƣợc cung cấp miễn phí cho ngƣời dùng viết sẵn cho trƣờng hợp tính dòng chảy cho thủy vực kín, hình chữ nhật, có đáy phẳng trƣờng gió không đổi theo thời gian Vì vậy, ngƣời dùng phải tự nghiên cứu, bổ sung phát triển mô hình theo hƣớng nghiên cứu riêng Hiện nay, POM đƣợc phát triển ứng dụng để nghiên cứu bài toán nhiều quy mô khác nhiều nơi giới nhƣ: vịnh Mexico (Blumberg Herring, 1983), vịnh Delaware (B.Galparil), Bắc Băng Dƣơng (L.Kantha, S.Hakkinen) POM tiếp tục đƣợc nhiều nhà khoa học phát triển ứng dụng theo nhiều hƣớng khác nhƣ: xây dựng hệ thống dự báo biển ( ikman, hen), nghiên cứu khí hậu đại dƣơng ại Tây Dƣơng, nghiên cứu dòng chảy Gulf Stream đồng hóa liệu (T.Ezer) Mô hình POM công cụ tiên phong nghiên cứu mô hình hóa đại dƣơng liên tục đƣợc cải tiến, sáng tạo phát triển không ngừng ngƣời sử dụng khắp giới Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu phát triển mô hình POM để tính toán hoàn lƣu biển dƣới tác dụng tổng hợp yếu tố thủy triều gió, đồng thời nghiên cứu phát triển phƣơng pháp lƣới 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 nƣớc ta cho độ xác cao Trƣờng dòng chảy Biển ông vịnh Bắc Bộ tính toán theo mô hình POM hoàn toàn phù hợp với kết quan trắc nghiên cứu dòng chảy đƣợc công bố trƣớc nhƣ: đồ dòng chảy Wyrtki (1961), sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ theo chƣơng 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” J OMM Những kết tính dòng chảy nƣớc dâng bão cho bão Damrey năm 2005 cho kết phù hợp với quan trắc trƣờng Mặc dù đạt đƣợc nhiều kết khả quan nghiên cứu phát triển mô hình POM tính dòng chảy chiều Biển ông, cần thiết phải có nghiên cứu để hoàn thiện, nâng cao độ xác dự báo dòng chảy, thủy triều, nƣớc dâng vịnh Bắc Bộ nhƣ Biển ông Ngoài ra, nghiên cứu, phát triển mô hình POM theo hƣớng khác nhƣ: tính vận chuyển bùn cát, kết hợp với mô hình sóng, khí tƣợng để có mô hình số trị dự báo liên hoàn khí tƣợng – hải văn, v.v Tác giả mong đƣợc nhận xét góp ý, bổ sung nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp để tác giả hoàn thiện nữa, nhằm đƣa mô hình POM trở thành công cụ hữu hiệu để dự báo trƣờng thủy động lực học Biển ông nhƣ vịnh Bắc Bộ Xin chân thành cảm ơn! ƢƠ - TỔ QU Vịnh Bắc Bộ có vị trí chiến lƣợc quan trọng nƣớc ta kinh tế lẫn quốc phòng, an ninh, cửa ngõ biển, đầu mối giao thƣơng Bắc Bộ Trong vịnh có nhiều hải cảng quan trọng nhƣ cảng Hải Phòng, cảng Cái Lân, có nhiều ngƣ trƣờng lớn cung cấp nguồn hải sản quan trọng cho đời sống ngƣời dân ven biển nƣớc ta Ngoài ra, vịnh chứa đựng nhiều tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt hải sản dầu khí ác 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 đƣợc coi quốc sách hàng đầu đất nƣớc Nhận thức đƣợc tầm quan trọng phát triển kinh tế biển, ảng Nhà nƣớc ta có bƣớc quan trọng nhằm đƣa nƣớc ta trở thành nƣớc mạnh biển Hội nghị lần thứ tƣ ban hấp hành Trung ƣơng ảng (khoá X) thông qua Nghị số 09-NQ/TW ngày 9/2/2007 “Về chiến lƣợc biển Việt Nam đến năm 2020”, nhấn mạnh "Thế kỷ XXI đƣợc giới xem kỷ đại dƣơng” Mục tiêu đến năm 2020, phấn đấu đƣa nƣớc ta trở thành quốc gia mạnh biển, làm giàu từ biển, góp phần quan trọng nghiệp công nghiệp hoá, đại hoá đất nƣớc ể thực mục tiêu đƣa đất nƣớc ta thành đất nƣớc mạnh biển, nghiên cứu khoa học biển phải nhân tố đƣợc ƣu tiên hàng đầu hỉ ngƣời nắm đƣợc quy luật tự nhiên biển, hiểu đƣợc biển thể làm giàu từ biển Trong yếu tố cần nghiên cứu biển thủy động lực học biển yếu tố quan trọng ác yếu tố nguyên nhân, môi trƣờng tác động lên trình khác biển đại dƣơng Do vậy, nghiên cứu để nắm đƣợc đặc trƣng 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 nhƣ: bồi xói, vận chuyển bùn cát, bình lƣu khuếch tán vật chất, di cƣ loài cá, v.v Dòng chảy biển vịnh Bắc Bộ đƣợc nhiều nhà khoa học nƣớc nhƣ nƣớc quan tâm nghiên cứu thu đƣợc kết quan trọng, phát đƣợc nhiều đặc trƣng, quy luật dòng chảy vịnh Tuy nhiên, nhiều vấn đề dòng chảy biển cần phải nghiên cứu ho đến nay, việc lập đồ hoàn lƣu cho Biển ông nói chung vịnh Bắc Bộ nói riêng giai đoạn hoàn thiện Bản đồ dòng chảy tầng mặt tlas quốc gia (1995) đƣợc lấy làm sở cho chế độ hoàn lƣu mặt Biển ông Các đồ đƣợc tác giả tổng hợp từ đồ đƣợc xây dựng vào số liệu khảo sát chƣơng trình N G (Wyrtki, 1961) sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ theo chƣơng 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 đƣa đồ dòng chảy địa chuyển tính theo trƣờng nhiệt muối phân tích chuỗi số liệu có Viện Hải dƣơng trƣớc năm 1990 ( ề tài 48 B 01-01, 1990) ể nghiên cứu dòng chảy biển ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp điều tra, khảo sát thu thập số liệu để phân tích, đánh giá phƣơng pháp mô hình hóa Tuy nhiên, số liệu điều tra khảo sát chủ yếu mang tính chất tức thời, đƣợc số liệu đồng theo không gian mức độ chi tiết hạn chế Phƣơng pháp mô hình hóa khắc phục đƣợc hạn chế nêu trên, phƣơng pháp công cụ đại góp phần giải thích nguyên nhân hình thành biến động hệ thống hoàn lƣu, cho phép xác định cấu trúc không gian chúng, kể khu vực số liệu quan trắc trực tiếp nhƣ tầng sâu biển Nghiên cứu dòng chảy biển mô hình số trị đƣợc 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 thƣơng mại lẫn mô hình mã nguồn mở ác mô hình thƣơng mại có ƣu điểm chạy ổn định đƣợc hiệu chỉnh, kiểm nghiệm kỹ lƣỡng nhiên giá thành mô hình cao, ngƣời dùng cập nhật kết nghiên cứu vào mô hình, phát triển ứng dụng theo hƣớng riêng nhƣ khó khăn việc liên kết với mô hình thủy động lực khác ác mô hình mã nguồn mở thƣờng đƣợc miễn phí, ngƣời dùng liên tục cải tiến mô hình theo hƣớng nghiên cứu dễ dàng liên kết với mô hình thủy động lực khác Mô hình POM mô hình đại dƣơng đại, mã nguồn mở đƣợc sử dụng rộng rãi giới Một số đặc điểm bật, quan trọng mô hình POM kể nhƣ sau: - hứa 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) đƣợc phát triển đáng kể cộng tác Mellor với Tetsuji Yamada (Mellor Yamada, 1974; Mellor Yamada, 1982) Mô hình dựa giả thuyết rối Rotta Kolmogorov đƣợc mở rộng cho trƣờng hợp dòng chảy phân tầng Mô hình khép kín rối bậc đƣợc sử dụng kết hợp với phƣơng trình tiên lƣợng rối quy mô lớn Nhìn chung, mô hình rối mô tốt trình động lực xáo trộn 10 - Theo phƣơng thẳng đứng, mô hình POM sử dụng toạ độ sigma, điều giúp cho mô hình mô tốt trƣờng hợp địa hình biến đổi mạnh nhƣ 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 hƣởng thủy triều Theo phƣơng ngang, mô hình sử dụng phƣơng pháp sai phân hữu hạn so le (sơ đồ karawa ) lƣới cong trực giao - Sai phân theo phƣơng ngang sai phân ẩn theo phƣơng thẳng đứng iều cho phép sử dụng độ phân giải mịn theo phƣơng 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 đƣợc viết ngôn ngữ FORTR N 77 cung cấp mã nguồn miễn phí Ngƣời 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 trƣờng dòng chảy chiều vịnh Bắc Bộ dƣới tác dụng tổng hợp thủy triều gió ể tính toán, mô tốt trƣờng dòng chảy tổng hợp, mô hình phải mô tính toán tốt dòng chảy triều dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ Do đó, nghiên cứu đƣợc thực luận văn bao gồm: - Nghiên cứu mô hình POM để tính toán thủy triều Biển ông 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 trƣờng dòng chảy tổng hợp (triều + gió) vịnh Bắc Bộ điều kiện gió mùa điều kiện bão 11 ƢƠ 2.1 - Ơ SỞ Ý T UYẾT MÔ Ì P M ệ phƣơng trình Mô hình POM mô hình hoàn lƣu đại dƣơng ven biển chiều, mã nguồn mở, sử dụng hệ phƣơng 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 dƣới đáy ác phƣơng trình để lập thành lập mô hình hoàn lƣu phƣơng trình mô tả trƣờng vận tốc, dao động mặt nƣớc, nhiệt độ độ muối Trong mô hình sử dụng hai xấp xỉ xấp xỉ thủy tĩnh xấp xỉ Boussinesq Theo phƣơng thẳng đứng, mô hình POM sử dụng hệ tọa độ sigma, tọa độ sigma thay đổi theo độ sâu nƣớc Hệ toạ độ sigma đƣợc mô tả hình sau: Hình 2.1 Hệ toạ độ sigma ông thức đổi biến từ tọa độ x*  x, y *  y, ề sang hệ tọa độ sigma:  z  , H  t*  t , đó: x, y, z, t: toạ độ thời hệ toạ độ ề các; x*, y*, σ, t*: tọa độ thời gian hệ tọa độ sigma H(x,y): độ sâu trung bình đáy biển; 12 (1a,b,c,d) 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 Dƣơng bên Philippin từ ngày 21/09/2005, di chuyển chậm từ Thái Bình Dƣơng vào Biển ông Quỹ đạo bão di chuyển Biển ông theo đƣờng zích zắc, hƣớng chủ đạo hƣớng 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 iều kiện tính toán ể tính toán dòng chảy Vịnh Bắc Bộ điều kiện bão tác giả sử dụng phƣơng pháp lƣới lồng nhƣ tính dòng chảy tổng hợp gió mùa + Trường gió bão: Trƣờng gió bão Damrey đƣợc tính phục hồi từ tham số bão theo công thức Isozaki (1970) Tác giả Isozaki đƣa giả định: 57 ác đƣờng 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 , y0 ) đƣợc tính theo công thức: Pr  P  a [1  (r / R) ]0.5 (23) đó: P áp suất rìa bão; a  P  Pr , PC áp suất tâm bão; R bán kính gió cực đại r  ( x  x0 )  ( y  y0 ) 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: Wđ  (C / 3.6) *V * exp( r / 500) (24) C số, V vận tốc di chuyển bão Thành phần gió Wg gradient: Wg  *Wm [ z /(1  z )] (25) 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 00    300 độ so với tiếp tuyến đƣờng đẳng áp điểm tính Bảng 3.7: ác tham số bão Damrey 2005 (cơn bão số 7) inh 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 gày/giờ 58 Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) inh 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 gày/giờ 59 Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) inh 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 gày/giờ Pmin (mb) Vmax (m/s) Rmax (km) Trƣờng gió bão đƣợc 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 đƣợc nội suy tuyến tính sau bƣớc thời gian Ứng suất gió đƣợc tính theo công thức sau: τx = ρaCdS10U10 τy = ρaCdS10V10 (26a,b) đó, (τx,τy) thành phần ứng suất gió theo phƣơng x phƣơng 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 đƣợc 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 iều kiện biên: 60  V  0, - Biên cứng: điều kiện biên không thấm: n - Biên lỏng: điều kiện biên mực nƣớc: η = BC,  đó,  mực nƣớc biển; BC mực nƣớc biên; V véc tơ  vận tốc dòng chảy; n véc tơ pháp tuyến biên cứng Mực nƣớc biên miền tính dòng chảy toàn Biển ông đƣợc tính từ số điều hòa trích từ bảng số điều hòa toàn cầu ết tính dòng chảy, nƣớc dâng bão Vịnh Bắc Bộ b + Kết tính nước dâng bão Kết tính nƣớc dâng bão Damrey đƣợc tác giả trích điểm dọc theo ven biển nƣớc ta Tọa độ trạm đƣợc đƣa bảng sau: Bảng 3.8: Tọa độ điểm tính nƣớc dâng Hòn Dấu inh độ (E) 106,82 Nam ịnh 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 nƣớc nƣớc dâng điểm nghiên cứu bão Damrey đƣợc thể dƣới 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 nƣớc Hòn Dấu bão Damrey 61 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 Nƣớc 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 nƣớc 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 Nƣớc 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 nƣớc Nam ịnh bão Damrey 62 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 Hình 3.33 Nƣớc dâng bão Damrey Nam ịnh m 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 nƣớc 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 Nƣớc dâng bão Damrey Thanh Hóa Kết tính toán cho thấy, trƣớc thời gian bão đổ vào đất liền, mực nƣớc khu vực ven biển nƣớc ta rút mạnh, thời gian nƣớc rút dài, khoảng 40 tiếng trƣớc bão đổ Tại Thanh Hóa, nƣớc rút mạnh nhất, khoảng -2,3m, Nam ịnh -1,8m, Thái Bình -1,5m Hòn Dấu -1,7m Nguyên nhân nƣớc rút trƣớc bão đổ bộ, dòng chảy khu vực ven biển nƣớc ta mạnh, tốc độ dòng chảy gần 1m/s Khi bão đổ vào khu vực ven biển lại gây nƣớc dâng, ngập lụt phạm vi rộng Theo kết tính toán, Hòn 63 Dấu, nƣớc dâng sau thủy triều đạt đỉnh, nƣớc dâng bão khoảng 0,5m, độ cao nƣớc dâng bão Hòn Dấu lớn 0,9m Tại Thái Bình, nƣớc dâng bão lớn 0,85m, Nam ịnh 1,05m Thanh Hóa 1,4m Thời gian nƣớc dâng kéo dài khoảng 15 – 20 Kết đo đạc trạm Hòn Dấu, nƣớc rút -0,72 cm, dâng 0,91 cm Nhƣ vậy, nƣớc dâng tính đúng, nƣớc rút mắc sai số lớn Nguyên nhân trƣờng gió sử dụng mô hình trƣờng gió thực, tốc độ gió đƣợc phục hồi theo công thức Isozaki (1970), chƣa công thức có độ xác cao để tính hệ số kéo điều kiện bão gió bão mạnh Do đó, để thu đƣợc kết tốt hơn, cần có số liệu gió phân tích từ mô hình khí tƣợng, 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 + ết 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, trƣờng hợp không bão Bộ tầng 5m, trƣờng hợp có bão lúc lúc 18h ngày 26/9/2005 18h ngày 26/9/2005 Hình vẽ 3.36 3.37 thể trƣờng dòng chảy tầng 5m vịnh Bắc Bộ lúc 18h ngày 26/9/2005 hai trƣờng hợp: có tính bão không 64 tính bão Kết cho thấy, trƣờng hợp không tính bão, dòng chảy dọc ven biển nƣớc ta tƣơng 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, trƣờng hợp có tính bão, dòng chảy khu vực ven biển nƣớc 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 đƣợc tăng cƣờng đáng kể, đó, dòng chảy phía đông vịnh Bắc Bộ lại bị suy giảm ảnh hƣởng 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 ngƣợc hƣớng 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 hƣởng 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 65 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 nƣớc ta, tốc độ dòng chảy tầng mặt lên tới gần 1m/s nhƣng tầng 30m, tốc độ dòng chảy khoảng 0,3 – 0,4m/s Ở tầng 50m, ảnh hƣởng bão đến dòng chảy vịnh Bắc Bộ nhỏ, dòng chảy tầng chủ yếu chịu ảnh hƣởng dòng triều Khu vực phía nam vịnh chịu ảnh hƣởng bão nên dòng chảy biển đổi theo độ sâu Nhìn chung, dòng chảy tổng hợp bão không giống nhƣ trƣờng 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 lƣợng tƣơng đƣơng với tốc độ dòng triều, đó, trƣờng 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 nƣớc rút khu vực ven bờ Tại khu vực gió bão lớn, trƣờng dòng chảy chịu chi phối trƣờng gió, ảnh hƣởng bão lên dòng chảy suy giảm nhanh theo độ sâu àng xa tâm bão, ảnh hƣởng dòng triều lên dòng tổng hợp lớn, suy giảm tốc độ dòng chảy theo độ sâu giảm Dòng 66 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 nƣớc ta lúc dòng triều bắt đầu rút khỏi Vịnh, nhiên tốc độ dòng triều rút khu vực ven biển nƣớc 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 nƣớc ta lớn gây tác hại nặng phƣơng tiện công trình biển Vì vậy, việc dự báo đƣợc yếu tố dòng chảy, nƣớc dâng bão với độ xác cao có ý nghĩa to lớn Kết nghiên cứu cho thấy, mô hình POM tính toán tốt trƣờng dòng chảy nƣớc dâng bão vịnh Bắc Bộ Do đó, đƣợc tiếp tục đầu tƣ nghiên cứu phát triển, mô hình POM hứa hẹn công cụ hữa hiệu, có độ xác cao dự báo trƣờng thủy động lực Biển nhƣ vịnh Bắc Bộ 67 ông ẾT U Trong luận văn này, tác giả nghiên cứu phát triển đƣợc mô hình POM để dự báo dòng chảy chiều vịnh Bắc Bộ dƣới tác động tổng hợp thủy triều gió ể nghiên cứu chi tiết dòng chảy vịnh Bắc Bộ tác giả phát triển phƣơng pháp lƣới lồng cho mô hình POM Kết tính toán cho thấy dòng chảy tính theo phƣơng pháp hoàn toàn phù hợp với kết tính toàn Biển ông, dó, sử dụng để nghiên cứu chi tiết dòng chảy vịnh Bắc Bộ ối 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 nƣớc theo số điều hòa trích từ bảng số điều hòa toàn cầu Kết tính toán thủy triều Biển ông đƣợc kiểm nghiệm trạm hải văn dọc ven biển nƣớc ta cho kết tốt Mực nƣớc triều số trạm hải văn nhƣ Phú Quốc, Thổ hu từ trƣớc đến đƣợc 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 ài Loan Luzon phía Thái Bình Dƣơng kết mô thủy triều tốt Tác giả nghiên cứu tích hợp module nội suy trƣờng 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 iều giúp cho việc tính toán dòng chảy gió thuận tiện giảm bƣớc 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 hƣởng gió mặt đến độ sâu 30m Khu vực biển có độ 68 sâu biển cảng nhỏ tốc độ suy giảm vận tốc dòng chảy lớn Dòng chảy gió có xu hƣớng chảy dọc ven theo khu vực sƣờn địa hình dốc Dòng triều vịnh Bắc Bộ lớn, hƣớng 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 hƣớng giảm từ phía đông sang phía tây vịnh Bắc Bộ Trong điều kiện thời tiết bình thƣờng, 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 trƣờng hợp bão, tốc độ dòng chảy gió lớn, tƣơng đƣơng 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 ƣu 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 hƣởng 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 đƣa đƣợc đặc trƣng cấu trúc chiều dòng chảy vịnh Bắc Bộ dƣới tác dụng tổng hợp thủy triều gió Mô hình POM đƣợc tác giả bổ sung phát triển có độ xác tính ứng dụng cao, hoàn toàn áp dụng để nghiên cứu tính toán thủy triều, nƣớc dâng bão, dòng chảy gió dòng chảy tổng hợp chiều nhiều quy mô khác nhau, từ ven biển cửa sông đến đại dƣơng Tác giả mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp quý báu thầy cô, nhà khoa học, bạn bè đồng nghiệp Xin chân thành cảm ơn! 69 TÀ ỆU T M Ả hƣơng trình KH N06 (2004), Biển Đông, Tập II, NXB ại học Quốc Gia Hà Nội, Hà Nội Lê Trọng (2002), "Mô hình số trị tính thủy triều Biển ông vùng biển Việt Nam", Tuyển tập báo cáo khoa học khí tượng thủy văn biển, trang 58-64 Nguyễn Thế Tƣởng (2000), Sổ tay tra cứu đặc trưng KTTV vùng thềm lục địa Việt Nam, Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội inh Văn Ƣu (2003), Cơ sở phương pháp mô hình hoá hải dương học, NXB HQGHN, Hà Nội inh Văn Ƣu (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 ại 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 70 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 71 ... ông mô hình POM 24 3.2 Nghiên cứu mô hình POM để tính trƣờng dòng chảy 3D vịnh Bắc Bộ 35 3.2.1 Khái quát nghiên cứu dòng chảy Biển ông vịnh Bắc Bộ 35 3.2.2 Nghiên cứu. .. mô hình phải mô tính toán tốt dòng chảy triều dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ Do đó, nghiên cứu đƣợc thực luận văn bao gồm: - Nghiên cứu mô hình POM để tính toán thủy triều Biển ông vịnh Bắc Bộ - Nghiên. .. 35 3.2.2 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trƣờng dòng chảy gió vịnh Bắc Bộ 39 3.2.3 Nghiên cứu mô hình POM tính toán trƣờng dòng chảy tổng hợp 3D vịnh Bắc Bộ điều kiện gió mùa