CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HOÁ TRONG HẢI DƯƠNG HỌC

CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HỐ TRONG HẢI DƯƠNG HỌC Đinh Văn Ưu NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 2006 Từ khố: Hồn lưu, đại dương, nhiệt động lực học, áp, tà áp, địa vị, dịng địa chuyển, mơ hình hai chiều, mơ hình3D Tài liệu Thư viện điện tử Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác không chấp thuận nhà xuất tác giả ĐINH VĂN ƯU CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HỐ TRONG HẢI DƯƠNG HỌC NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG TỰ NHIÊN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH TỐN HỌC 1.1 PHÂN TÍCH VÀ THỂ HIỆN HỆ THỐNG TỰ NHIÊN 1.2 GIẢM BỚT KÍCH THƯỚC CỦA HỆ THỐNG 1.3 LIÊN KẾT VÀ TRAO ĐỔI CỦA HỆ THỐNG VỚI MƠI TRƯỜNG BÊN NGỒI 1.4 CÁC BIẾN TRẠNG THÁI 10 1.5 CÁC THAM SỐ ĐIỀU KHIỂN 12 1.6 CÁC NGUN LÍ VÀ TÁC ĐỘNG CỦA Q TRÌNH TIẾN TRIỂN 14 CHƯƠNG CƠ HỌC CHẤT LỎNG ĐỊA VẬT LÍ VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH TIẾN TRIỂN 18 2.1 ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN KHỐI LƯỢNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH KHUYẾCH TÁN VẬT CHẤT 18 2.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC TỔNG QUÁT 21 2.3 CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG HỌC TỔNG QUÁT 23 2.4 PHƯƠNG TRÌNH TIẾN TRIỂN CỦA ĐỘ NỔI 27 CHƯƠNG RỐI BIỂN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG KHUYẾCH TÁN RỐI 34 3.1 CÁC ĐẠI LƯỢNG TRUNG BÌNH VÀ NHIỄU ĐỘNG 34 3.2 PHƯƠNG TRÌNH KHUYẾCH TÁN RỐI BIỂN 35 3.3 TẢN MÁT NĂNG LƯỢNG RỐI 39 3.4 PHỔ NĂNG LƯỢNG RỐI 42 3.5 Ý NGHĨA CỦA ĐẠI LƯỢNG TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG NĂNG LƯỢNG RỐI BIỂN 44 CHƯƠNG XÁO TRỘN VÀ CÁC CẤU TRÚC RỐI 51 4.1 ĐỘ ỔN ĐỊNH TRỌNG LỰC 51 4.2 TÁC ĐỘNG CỦA PHÂN TẦNG TRONG LỚP BIÊN 54 4.3 NÊM NHIỆT NGÀY ĐÊM 56 4.4 TÍNH ĐỒNG NHẤT NGANG VÀ TỰA DỪNG CỦA RỐI BIỂN 57 4.5 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA RỐI DỪNG ĐỒNG NHẤT NGANG 58 4.6 CẤU TRÚC TỚI HẠN CỦA CÁC HÀM ĐẶC TRƯNG RỐI DỪNG VÀ ĐỒNG NHẤT NGANG 67 CHƯƠNG THAM SỐ HỐ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH KHUYẾCH TÁN 74 5.1 PHƯƠNG HƯỚNG TRIỂN KHAI MƠ HÌNH 74 5.2 THAM SỐ HOÁ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH CÁC THAM SỐ KHUYẾCH TÁN RỐI THUẦN THUẦN TÚY 75 5.3 THAM SỐ HOÁ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH THEO XẤP XỈ THUỶ TĨNH 76 5.4 THAM SỐ HOÁ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH THEO HIỆU ỨNG QUÁN TÍNH 79 5.5 VẬN CHUYỂN NGANG VÀ KHUYẾCH TÁN SIÊU RỐI 81 5.6 VẬN CHUYỂN NGANG VÀ KHUYẾCH TÁN TỰA RỐI 83 CHƯƠNG MƠ HÌNH KHUYẾCH TÁN CÁC CHẤT TỰA BỀN VỮNG 90 6.1 KHÁI NIỆM CHUNG 90 6.2 MƠ HÌNH TÍCH PHÂN THEO ĐỘ SÂU 92 6.3 THAM SỐ HOÁ HIỆU ỨNG PHÂN LỚP 94 6.4 CÁC MƠ HÌNH SƠNG VÀ CỬA SƠNG TÍCH PHÂN THEO MẶT CẮT NGANG 97 CHƯƠNG HIỆN TRẠNG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH HỐ BIỂN 100 7.1 XU THẾ PHÁT TRIỂN 100 7.2 CÁC MÔ HÌNH CHẨN ĐỐN 101 7.3 CÁC MƠ HÌNH DỰ BÁO BIỂN 102 7.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ Lý ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU CHO MƠ HÌNH DỰ BÁO BIỂN 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 MỞ ĐẦU Trong việc mô tả hệ tự nhiên, diện nhiều biến độc lập ln gặp khó khăn lý thuyết lẫn thực hành Thông thường, việc thu thập đơn số liệu xử lí chúng vất vả nên nhà nghiên cứu quan tâm mức tới yêu cầu khác vấn đề đặt có mơ hình hố Tuy nhiên, trạng thái đáng lo ngại mơi trường sinh thái địi hỏi kiến thức sâu với kiểm tra chặt chẽ hơn, hợp lí mơi trường Kiểm sốt, kiểm tra quản lí thể tiến hành biến lựa chọn đặc trưng đó, người ta dự đốn tiến triển Đồng thời, vào mối liên kết tác động tương ứng, xác định phương pháp tối ưu nhượng cần thiết bên phát triển cơng nghiệp hố với xã hội đầy đủ bên khác yêu cầu cần bảo vệ tài nguyên không thay thiên nhiên Nhằm mục đích dự tính tiến triển biến lựa chọn, người ta cần đến ý tưởng, mơ hình cấu trúc chúng Trong thực tiễn nghiên cứu, người ta sử dụng nhiều loại mơ hình khác Trước hết mơ hình tương đương, ví dụ mơ hình khớp nối cho phép mơ tả vận động chân tay, có loại mơ hình kích thước nhỏ mơ hình máy bay mà người ta sử dụng phịng thí nghiệm, có loại mơ hình kỹ hơn, mơ hình vật lí cho phép mơ tượng xa lạ lại có cấu trúc hồn tồn tương tự (analog) dịng điện tái trình tương tác sinh thái hay chuyển động viên đạn Những mơ hình gọi mơ hình ảnh chúng thể hình ảnh cụ thể tượng Chúng thường có ích cho việc nghiên cứu sơ tượng đơn giản (người ta xây dựng mơ hình thu nhỏ thuỷ vực để nghiên cứu sóng mơ khơng thể sử dụng để nghiên cứu q trình nhiễm hoá học thuỷ vực hệ sinh thái Ngược lại, mơ hình tốn học lại thể hình ảnh tượng trưng tượng, hệ thống kí hiệu phương trình thích ứng cho xử lí số máy tính Mơ hình tốn học có khả lớn cho phép chứa đựng tất mơ hình ảnh cụ thể mà tượng có Thực vậy, q trình vật lí khác sử dụng để mơ tả tượng, thực chất, chúng mô tả phương trình tốn học giống phương trình (trong điều kiện ban đầu điều kiện biên nhau) cho lời giải Trong cách tiếp cận này, người ta quan tâm đến ý nghĩa kí hiệu: điện trường, hàm dòng, nhiệt độ, … THIẾT KẾ MƠ HÌNH Hệ thống Phân tích hệ thống xác định nguồn vào, (liên quan với môi trường bên ngồi) Mơ hình tốn học - Xác định biến trạng thái tham số mô tả tốn học hệ thống - Các phương trình nguyên lý tiến triển - Các tác động - Các điều kiện ban đầu điều kiện biên Mô hình số Phát triển mơ hình gần tương đương phục vụ tính tốn phương tiện khác quy trình (algorit) tương ứng Triển khai mơ hình số Thử nghiệm đánh giá mơ hình để kiểm tra khả mơ hợp lí động lực học hệ thống thực Bổ sung hiệu chỉnh mơ hình theo mức độ xác mong muốn ĐÁNH GIÁ, THỬ NGHIỆM Các kết BỔ SUNG Hình 1.1 Ngun lí mơ hình tốn học Mơ hình tốn học xây dựng thích ứng cho tính tốn số trị mơ tả hình 1.1 Trong giáo trình chúng tơi trình bày nội dung hợp phần phân tích hệ thống, xây dựng mơ hình tốn học cuối mơ hình số Trong chương giới thiệu khái niệm ản hệ thống biển, loại mơ hình, phương pháp xây dựng hợp phần mơ hình tốn học hệ thống biển CHƯƠNG PHÂN TÍCH CÁC HỆ THỐNG TỰ NHIÊN VÀ THIẾT KẾ MƠ HÌNH TỐN HỌC 1.1 PHÂN TÍCH VÀ THỂ HIỆN HỆ THỐNG TỰ NHIÊN Vấn đề để thiết lập mơ hình tốn học hệ thống việc phân tích, mơ tả thể Người ta cần xác định cấu phần hệ thống cấu phần mơi trường bên ngồi, đồng thời cần xác định tác động bên lên thành phần bên lên biên hệ thống Để mô tả hệ thống, trước hế cần xác định hệ quy chiếu nó, nghĩa giới hạn khơng gian thời gian đặc trưng giới hạn Chúng ta lấy ví dụ yêu cầu thiết lập mơ hình thơng gió cho khu phịng Hệ thống xác định cách đầy đủ giới hạn cho phịng Chúng ta cần xác định yêu cầu nghiên cứu chế độ mùa đông, mùa hè bao quát chu kỳ năm hay điều kiện ban đầu cụ thể tiếp diễn dừng lại trạng thái mong muốn Như việc xác định hệ thống đòi hỏi số yêu cầu cụ thể hoá giới hạn thời gian Tuy nhiên điều chưa đủ người ta quan tâm tới vấn đề nhất, ví dụ lưu thơng khí phịng xem hệ thuỷ động lực học đặc trưng Đương nhiên hệ tự nhiên phức tạp, u cầu có mơ hình cần thiết Mơ hình này, trước hết, cần xác định tính chất hệ tự nhiên, tính chất tính chất nhất, phụ thuộc vào mục tiêu cụ thể mơ hình, cần xác định có số đủ, để cung cấp mơ hợp lí (và đơn giản nhất) hệ thống Nói cách khác, mơ hình cần xác định hệ thống theo đòi hỏi cụ thể cụ thể hố biến cần đủ để mơ tả trạng thái hệ với độ xác định Việc mô tả hệ thống tương ứng việc xác định giới hạn theo không gian X – t (quy chiếu hệ) mức độ thể không gian biến trạng thái Hiện trạng mơ tả hình 1.2 hệ thống giả định ứng dụng cho hệ thống biển; quy chiếu hệ (phần gạch) trường hợp thể cho cửa sơng, vịnh, biển hay thềm lục địa, khoảng thời gian định, phụ thuộc vào mục tiêu cụ thể mơ hình Dinh dưỡng Sinh khối Ơ nhiễm Không gian biến BOD Thể trạng thái Quy chiếu Dịng chảy, Rối Khơng gian vật lí x-t Hình 1.2 Phân tích hệ thống tự nhiên Những thể hệ lại phụ thuộc vào yêu cầu vấn đề đặt Thông thường người ta chia hệ tự nhiên thành ba phân hệ: vật lí, hố học sinh học Trước đây, phần lớn mơ hình thuộc vào ba phân hệ nêu Trong thực tế nay, đặc biệt nói đến vấn đề liên quan đến ô nhiễm, mô hình trở nên hạn chế xuất u cầu nghiên cứu thực đa chun mơn Tính chất đa chun mơn mơ hình làm cho trở nên lớn Tuy nhiên, tương ứng với khơng gian vật lí, mơ hình cần giới hạn mức thể số biến định đáp ứng yêu cầu mô tả cấu trúc sở mục tiêu đặt Như vậy, hệ thống tự nhiên, thể qua nhiều hệ mơ hình, mơ hình thường có chiếu lại khác thể dẫn đến loại mơ hình toán học khác phụ thuộc vào thiết kế riêng biệt Các mơ hình cần xem xét tập hợp mơ hình vạn quản lí, theo việc xây dựng cần tiếp tục nhằm giữ lại dấu ấn tất khía cạnh bị loại bỏ nhằm nhanh chóng đạt kết riêng, chúng lại thừa nhận 1.2 GIẢM BỚT KÍCH THƯỚC CỦA HỆ THỐNG Trong nhiều trường hợp, người ta không quan tâm đến động lực học hệ thống, mà quan tâm đến cấu trúc trung bình hay tổng thể theo nghĩa Các giá trị trung bình thể không gian biến trạng thái khơng gian vật lí Ví dụ, có nhiều mơ hình sơng giới hạn mức độ quan tâm đến tiến triển theo thời gian theo hướng dịng sơng đặc trung trung bình theo độ sâu theo bề rộng Điều làm giảm quy chiếu tới mức tối thiểu: biến thời gian biến không gian Trong giai đoạn ban đầu, mơ hình thuỷ văn cho phép mơ tả độ muối độ đục xác định thông qua nồng độ tổng phần tử hoà tan lơ lửng Trong bước tiếp theo, mơ hình cải tiến nhằm bao gồm yếu tố hoá học (dinh dưỡng, nhiễm, …) hồ tan lơ lửng tiến tới bao gồm thêm chu trình sinh học, xét đến tổng thể hay chia thành nhiều nhóm thành phần (thực vật nổi, động vật nổi, sinh vật đáy, …) Trong thí dụ sau cho ta thấy giảm bớt thể hệ thống Một miền mô tả giá trị trung bình tính chất tổng thể chúng gọi hộp không gian vật lí phận khơng gian trạng thái Trong thí dụ nêu trên, mặt cắt ngang sông xét hộp; phần tử hòa tan, lơ lửng, hợp phần xích chuyển hố sinh học xem phận Ngoài ra, phụ thuộc vào mục tiêu cụ thể mơ hình, mức độ mơ tả hệ thống kĩ hay khơng kĩ Điều thể cách chung thông qua: - xác định quy chiếu, nghĩa giới hạn hệ thống miền địa lí định khoảng thời gian định, đối tượng nghiên cứu; - xác định thể hiện, nghĩa cần xác định cụ thể biến trạng thái toán đặt ra; - giảm bớt quy chiếu, nghĩa tích phân theo hay nhiều biến khơng gian thời gian; - giảm bớt thể hiện, nghĩa giới hạn tính chất chung phận khơng gian trạng thái Ngồi tính chất trung bình phận, người ta trọng đến thành phần hố học hay lồi sinh vật đặc trưng có khả thể cấu trúc mơ cho tồn hệ thống Các biến trạng thái bổ sung đưa thêm nhằm mơ tả vết tích đặc trưng 1.3 LIÊN KẾT VÀ TRAO ĐỔI CỦA HỆ THỐNG VỚI MƠI TRƯỜNG BÊN NGỒI Các mối tương tác hệ thống với giới bên thể thông qua quan hệ nguồn nhập xuất hệ thống Việc xác định tất nguồn nhập xuất vấn đề xây dựng mơ hình tốn học Vấn đề phân định giới hạn địa lí hệ thống làm xuất biên giới (giới hạn – bờ, bãi, biên biển hở, …) thường xẩy q trình trao đổi với bên ngồi Những trao đổi hình thành nên nguồn xuất - nhập qua biên Các q trình tương tác xem hồn tồn tương tự biển sơng, biển khí hay biển trầm tích đáy Bên cạnh mối tương tác biên, giới bên cịn gây tác động lên hệ thống thông qua lực, nguồn lỗ hổng “thể tích” (lực trọng trường tạo triều, xạ mặt trời, đổ thải biển, đánh bắt cá, …) Trạng thái thể hình 1.3 thí dụ hệ thống biển.Giới hạn thể hệ thống dẫn đến dạng phân tách hệ thống bên ngồi thơng qua trao đổi thể nguồn xuất-nhập Cần phân tích rõ thêm vấn đề người ta hay tìm cách kết hợp quan niệm “trong” “ngồi” vào việc mơ tả khía cạnh vật lí hệ thống quan niệm sai cho phận bên hệ thống chế liên quan không gian thời gian nằm quy chiếu hệ thống Tuy nhiện, triển khai mơ hình hố, hệ thống xác định thể quy chiếu tất phần tử không thuộc không gian biến trạng thái cần xem xét thành phần bên ngoài, chúng tương đồng khơng gian vật lí Ví dụ, hệ thống biển, suất sinh học sơ cấp thường mô tả thông qua mối tương tác nồng độ tổng cộng chất dinh dưỡng sinh khối thực vật phù du động vật phù du Một số mơ hình bao gồm vi khuẩn vào biến trạng thái, số mơ hình khác lại khơng làm Vi khuẩn sống vùng biển nghiên cứu phận hệ thống thực chúng không thuộc vào hệ thống tốn học dạng thứ mơ hình Trong mơ hình loại hai, vi khuẩn rõ ràng phận giới bên ngồi ảnh hưởng động lực học hệ cần xem xét nguồn nhập từ bên ngồi Λ khoảng cách đặc trưng cho biến động ngang Do Λ >> H, nên thành phần ln nhỏ bỏ qua so sánh với F, thay S vào công thức 6.22 Kết hợp 6.22 6.32 ta thu được: ⎡ H2 r r ⎤ ∂c r −1 + u ∇c = F + H ∇.⎢γ u (u ∇c )⎥ ∂t ⎢⎣ u ⎥⎦ (6.35) Chúng ta thấy ảnh hưởng phân lớp dẫn đến khuyếch tán theo hướngvận tốc tắc thời với hệ số khuyếch tán có bậc vào khoảng u H Khuyếch tán tổng cộng có giá trị lớn nhiều theo hướng dịng thống trị (trục triều hay trục sơng), điều giải thích tính bất đối xứng vệt loang với dấu hiệu kéo dài theo hướng vận tốc cực đại Để minh hoạ, xem xét thí dụ đổ chất thải khơng hồ tan phía nam Bắc Hải Tại vùng biển nơng (H ~ 20 m) nơi dịng triều đạt đến m/s, xáo trộn thẳng đứng mạnh Trong trường hợp khơng có xáo trộn rối, phân bố thẳng đứng vật liệu lơ lửng biến đổi lớn, nồng độ zero mặt tăng nhanh gần đáy Trong chế độ rối, trạng thái hoàn toàn khác Tồn đáy lớp biên mỏng, nơi rối yếu cho phép xẩy tượng lắng đọng trầm tích theo chế độ tựa lamina với gradient lớn nồng độ theo phương thẳng đứng Trong phần lại cột nước, xáo trộng mạnh nên nồng độ gần đồng Thỉnh thoảng dòng chảy trở nên mạnh nhất, rối gần đáy trở nên phát triển phá huỷ lớp biên làm cho trầm tích đáy vừa lắng đọng quay trở trạng thái lơ lửng Nếu ứng suất đáy không thật lớn, tồn lớp biên tựa lamina gần đáy Thông lượng chất lưo lửng giảm chuyển sang dòng lắng đọng Khi ứng suất đáy vượt qua giá trị tới hạn, lớp biên đáy bị khuấy động rối làm cho trầm tích chuyển động Đối với ứng suất Reynolds vừa phải vượt qua giá trị tới hạn khoảng thời gian định chu kì triều nhỏ ứng suất tới hạn xói trầm tích liên kết đáy, chấp nhận phép xấp xỉ bậc cho F tỷ với hiệu ứng suất thực ứng suất tới hạn ứng suất đáy thể qua vận tốc khoảng cách từ đáy (ví dụ 1m) cách đưa hệ số ma sát Nếu biết phân bố thẳng đứng vận tốc, vùng đổ chất thải, ta lấy ứng suất đáy hàm vận tốc trung bình xác định vận tốc trung bình tới hạn tường ứng ứng suất tới hạn Trong trường hợp đó, ta cho F dạng sau đây: 96 F~− mc u2 (1 − ) H uc (6.36) Thành phần dấu ngoặc đánh giá phần trầm tích khơng lớp biên hấp thụ xuất phát từ việc bất ổn định lớp biên (hay xuất vận tốc trung bình lớn) cho phép rối mang vật liệu vào dạng lơ lửng, vận tốc lớn vận tốc tới hạn, làm cho q trình ngược hướng trầm tích từ đáy cung cấp cho cột nước Cho C mật độ bồi lắng (khối lượng tổng lớp biên đơn vị diện tích đáy), ta kết hợp với phương trình tiến triển bồi lắng ∂C = − FH ∂t (6.37) Trong ví dụ vừa nêu dịng chảy chủ yếu dòng triều Việc đánh giá tốt thu chủ yếu từ mơ hình tốn học triều nước dâng atlas dòng chảy ven bờ Vận tốc xói tới hạn khu vực 0,8 m/s bị vượt qua phần chu kì triều Phân bố thẳng đứng vận tốc khu vực có dạng logarit + parabolic (phân bố logarit đến độ cao định tính từ đáy đến mặt theo phân bố parabol Đối với dạng phân bố này, ta có gamma ~ 0,45 Vận tốc lắng đọng trầm tích nguồn thải kể m ~10 - m/s Các kết tính tốn đo đạc cho thấy số đặc điểm sau : 1) Sự giảm nhanh chóng tổng lượng vật liệu lơ lửng, dòng lơ lửng vẫ thường xun tăng cường, điều thấy thơng qua nhiễu 2) Khuyếch tán xẩy không đối xứng với việc trải dài dọc theo trục dịng triều 3) Các đường đẳng đồng mức nồng độ có hình tựa elip, 4) Có xu chuyển dịch phân tán dòng dư gây nên 6.4 CÁC MƠ HÌNH SƠNG VÀ CỬA SƠNG TÍCH PHÂN THEO MẶT CẮT NGANG Trong sông hay cửa sông, tượng khuyếch tán theo phương thẳng đứng theo phương ngang cho phép đảm bảo đồng theo mặt cắt ngang Chúng ta quan tâm nhiều đến q trình khuyếch tán dọc theo sơng, cửa sơng nồng độ r trung bình ếu cho v vận tốc trung bình theo mặt cắt v’ độ lệch khỏi giá trị trung bình đó, ta viết r r r ∂c + ∇.(v c) + ∇.(v ' c) = ∇.ω ∂t (6.38) 97 r ⎡ ω = ⎢mc + κ~ ⎣ ∂c ⎤ r ⎥ e3 ∂x3 ⎦ (6.39) r Cho Ω thể tích vận chuyển dịng trung bình v với đáy A độ dày Δx theo hướng chuyển động.Tích phân theo thể tích đó, theo định nghĩa ta có: ⎛ ∂c r ⎞ d d ∫ ⎜⎝ ∂t + ∇.(v c) ⎟⎠dΩ = dt ∫ cdΩ = dt (Δx ∫ cdA) Ω Ω d d dΔx ~ (Δxc A) = Δx (c A) + c A dt dt dt (6.40) cho Δx chọn nhỏ, c biến đổi không đáng kêt quảng đường đó, nồng độ trung bình lấy theo mặt cắt Với Σ diện tích bao quanh thể tích nêu r rr ∫ ∇.ωdΩ = ∫ ω.e dΣ = φ n Ω n Σ + Δφ Δx Δx (6.41) r φn thơng lượng véc tơ ω qua mặt ngang Δφ hiệu thông lượng qua mặt cắt tai x x + Δx Tương tự ta thu được: r r r ∫ ∇.(−v ' c)dΩ = ∫ (v ' c).e dΣ = ψ Ω n Σ n + Δψ Δx Δx (6.42) Tích phân (6.39), với công thức 6.40, 6.41 6.42 ta thu Δx d dΔx Δφ Δψ (c A) + c A = φn + ψ n + Δx + Δx dt dt Δx Δx Δx nhỏ ta có dΔx ∂φ Δx, ~ ∂x dt Δφ ∂φ ~ , Δx ∂x Δψ ∂ψ = Δx ∂x mặt khác theo định nghĩa d ∂ r ∂ ∂ = + v ∇ = + v dt ∂t ∂t ∂x 98 (6.43) r Chia 6.43 cho Δx, ta có biểu thức sau đây, với ω theo phương thẳng đứng : ∂ ∂ ∂ψ (c A) + (vc A) = F + ∂t ∂x ∂x (6.44) F thơng lượng ngang (trên đơn vị chiều dài) véc tơ ∂c − v' c + mce3 + κ~ e3 ∂x3 ψ = ∫ (−v' c' )dA A Thành phần ∂ψ xuất vế phải 6.42 tương tự thành phần hiệu ứng phân lớp ∂x mơ hình tích phân theo độ sâu Để kết thúc phần trình bày kiến thức sở phương pháp mơ hình hố hải dương học, xem xét số ví dụ mơ hình hồn lưu, qua cho thấy phương hướng phát triển mơ hình hố hệ thống biển giới Việt Nam 99 CHƯƠNG HIỆN TRẠNG PHÁT TRIỂN MƠ HÌNH HỐ BIỂN 7.1 XU THẾ PHÁT TRIỂN Hiện nhiều mô hình sử dụng phận hệ thống dự báo biển Trong tương lai, mơ hình phức tạp khí quyển, đại dương, lục địa kết hợp nhằm đưa mơ hình tồn diện Bản thân mơ hình tự kết hợp để trở thành phận mơ hình khí hậu tồn cầu Xu tất yếu mơ hình vật lí ngày bao quát thêm trình sinh học, nhằm mục đích hiểu rõ sinh thái biển nhu cầu quản lí bãi cá Mục tiêu gián tiếp nghiên cứu triển khai mơ hình số tìm hiểu mối tương quan khác tác động gây ảnh hưởng tới biển Những tác động bao gồm dòng động lượng, nhiệt ẩm trao đổi qua mặt biển, lưu lượng sơng gây ảnh hưởng đến hồn lưu đại dương quy mơ lớn Mỗi mơ hình khẳng định, thơng qua so sánh với quan trắc với lời giải giải tích, mơ hình sử dụng công cụ kết nối với vấn đề mơi trường Ví dụ, mơ hình sử dụng để dự báo diễn biến vết dầu loang, hay cung cấp thơng tin vị trí tối ưu cho việc đổ chất thải biển Những vấn đề đòi hỏi kiến thức hồn lưu mơi trường biển, thường cung cấp mơ hình phân giải cao Nhiều ứng dụng biển ven (ví dụ vệt dầu loang) có quy mơ thời gian từ vài ngày đến hàng tuần cần đến kiến thức kể dự báo biến động xẩy biển ven với quy mô năm thập kỷ Ví dụ, người ta biết rõ bãi cod bãi ngầm gần Newfounđland có biến động với chu kỳ nhiều năm Các kiến thức điều kiện tương lai thềm lục địa cho phép nhà khoa học phần giải thích tượng suy giảm nghề cá gần Các nghiên cứu theo hướng yêu cầu kết hợp với hệ thống dự báo khí hậu tồn cầu Các mơ hình biển nhiều mức độ khác Trước hết mơ hình chẩn đoán Người ta sử dụng trường nhiệt độ độ muối có sẵn, rút từ số liệu quan trắc, để tìm cách tái trường hồn lưu Các mơ hình chẩn đốn cơng cụ cung cấp kết phân tích đảm bảo hồn lưu thềm lục địa theo quy mơ lớn bán kính biến dạng nội Rossby Tiếp đến mơ hình dự báo, trường nhiệt độ độ muối đánh phận thủ tục giải vấn đề Chính mơ hình dạng tạo nên sở cho hệ thống dự báo biển Hồn lưu chẩn đốn thường sử dụng điều kiện ban đầu điều kiện biên ngang mơ hình dự báo Cả hai nhóm mơ hình có tính phức tạp khác Các mơ hình dự báo biến đổi từ hai chiều, tích phân theo độ sâu đến hoàn lưu ba chiều đầy đủ 100 Lịch sử phát triển mơ hình số mơ hình chẩn đốn, sau chuyển sang mơ hình dự báo 7.2 CÁC MƠ HÌNH CHẨN ĐỐN Lịch sử mơ hình chẩn đốn bắt đầu xuất mơn Vật lí biển (có nghĩa từ thời Sandstrom Helland-Hansen, 1903) Tại điểm xuất phát, người ta cho dòng chảy địa chuyển thuỷ tĩnh Các phương trình gió nhiệt sử dụng để tính tốn trường vận tốc biết giá trị mực quy chiếu Thơng thường ngời ta chọn mực quy chiếu có vận tốc vận tốc tính giá trị tương đối so với độ sâu Vấn đề nẩy sinh độ sâu biển trở nên nhỏ độ sâu quy chiếu này, điều thường xuyên xẩy vùng biển ven bờ Trong trường hợp mặt cắt thuỷ văn hai chiều, HellandHansen vào năm 1934 giải cách ngoại suy đường đẳng thể nằm ngang phía đáy biển xuất phát từ điểm cắt với đáy dốc Điều đảm bảo vận tốc địa chuyển đáy mực quy chiếu nằm đáy biển (chúng ta cho vận tốc dòng địa chuyển đáy bị triệt tiêu ma sát đáy) Phương pháp Montgomery Csanadyhoàn toàn tương đương với phương pháp Helland-Hansen, phương pháp lấy điểm xuất phát cho vận tốc dòng chảy địa chuyển đáy bị triệt tiêu Mực nước mặt biển tính theo phương pháp thường xem mực biển tĩnh Gây đây, Sheng Thompson đưa bổ sung cho phương pháp Helland-Hansen Thay việc sử dụng mặt cắt thẳng đứng, phương pháp họ ứng dụng cho vùng thềm lục địa chiều Bước cần tiến hành tìm kiếm mối tương quan hàm tốt thể mối liên hệ mật độ đáy độ sâu biển Mật độ đáy biển thay tương quan hàm Tuy điều khơng đảm bảo vận tốc dịng địa chuyển đáy phải 0, mực nước mặt biển tính theo phương pháp mở rộng thành trường hai chiều Đáng tiếc giả thiết mực khơng có chuyển động thường không xác minh Tại nhiều miền đại dương khác dịng chảy quan trắc có hướng vận tốc khơng đổi tồn lớp nước từ mặt đến đáy Như vấn đề chủ yếu mơ hình chẩn đốn việc xác định vận tốc mực quy chiếu phục vụ tính tốn dịng địa chuyển u cầu tính tốn khơng dừng lại phạm vy cục mà yêu cầu giải tốn eliptic tồn miền (nếu ma sát cho triệt tiêu tốn trở nên hyperbolic, tương tự mơ hình Mellor ctv) Bài toán với hiệu ứng JEBAR (ảnh hưởng tương hỗ hiệu ứng tà áp địa hình) tạo nên nhiễu mạnh tác động mật độ đưa vào địa hình đáy Để vượt qua trở ngại này, Mellor ctv yêu cầu biến đổi toạ độ nhằm thay việc giải hàm dòng thể tích vận chuyển biến bao gồm hàm dịng thể tích vận chuyển lẫn cột nước Nếu mơ hình triển khai với với giá trị khơng đổi không gian tham số Coriolis (trên mặt phảng f) khơng cần thiết phải tính tốn biến động thành phần JEBAR Một cách tiếp cận khác Rattray đưa ra, theo vấn đề dẫn đến thành phần áp suất đáy, khác với hàm dòng khối lượng vận chuyển Gần đây, deYoung, Greatbatch Forward mở rộng phương pháp Mellor c.t.v nhằm ma sát đáy, xáo trộn thẳng đứng động lượng cho phép tồn khu vực đường bao khép kín f/H miền tính (ở f tham số Coriolis H độ sâu biển) 101 Yêu cầu quan trọng mơ hỡnh chẩn đốn trường nhiệt độ độ muối Thông thường, mô hỡnh Mellor ctv hay de Young ctv, cỏc trường nhiệt độ độ muối cần dẫn kích thước tương ứng Mặt khác, trường dẫn theo cách độc lập so với trường động lực nên trường cần thiết lại khơng tương thích động lực so với trường vận tốc tính tốn Các nghiên cứu tiếp cần theo hướng đưa thông tin động lực học vào thủ tục phân tích nhằm thu trường nhiệt độ độ muối mang tính tổng hợp Các phương pháp phức tạp tương tự kỹ thuật xử lý bổ trợ (phú) làm xuất cỏc khú khăn thực tế Tziperman ctv phản ảnh viết mỡnh (Cú thể sâu phương pháp phân tích biến thể đảo – VIM Brasseur, 1992, Brankart ctv phát triển sau Có thể nói yêu cầu đặt phải xây dựng phương pháp đơn giản đưa thông tin động lực vào phân tích Các mơ hỡnh chẩn đốn cũn phương tiện quan trọng để rút thông tin từ trường nhiệt độ độ muối, đồng thời chúng lại cung cấp điều kiện ban đầu cho mô hỡnh dự bỏo trỡnh bày mục 7.3 CÁC MƠ HÌNH DỰ BÁO BIỂN Những bàn luận tập trung cho cỏc mụ hỡnh số chiều đại dương cho phép mô tả biến động trường nhiệt độ độ muối Chóng ta xác định đặc trưng mô hỡnh mụ tả cỏc mụ hỡnh phương diện phân tích đặc trưng Các đặc trưng tập hợp theo mơ hỡnh toạ độ thẳng đứng, tham số hố xáo trộn thẳng đứng xáo trộn ngang xử lý điều kiện trờn mặt biển Phân loại theo toạ độ thẳng đứng lưới z (z-C) lưới toạ độ sigma (σ-C) lưới đẳng thể (ρ-C) Hình 7.1 Các sơ đồ lưới toạ độ thẳng đứng Hỡnh 7.1 cho ta sơ đồ hệ toạ độ thẳng đứng khác Hệ thứ gọi hệ toạ độ z với trục toạ độ tuyến tính theo hướng thẳng đứng Ưu điểm hệ toạ độ gắn trực tiếp với trường nhiệt độ, độ muối mật độ nước biển Hệ thứ hai gọi hệ toạ độ sigma, (x*, y*, s) với x*=x, y*=y s = z − h ( x, y ) , H(x,y) độ sâu địa hỡnh h(x,y) mực biển (h=0 tương ứng H ( x, y ) − h ( x, y ) cho mặt biển cố định Các phương trỡnh biến đổi thu thường không phức tạp Hệ toạ 102 độ sigma có ưu điểm trước hết gắn với dũng trờn thềm lục địa địa hỡnh cú biến đổi lớn (tại nhiều nơi) Hệ toạ độ cho phép thể sơ đồ số lớp biên đáy biển Tuy nhiên có sai số định xuất đánh giá gradient ngang, đặc biệt quan trọng lực gradient áp suất hệ toạ độ sigma Hệ thứ ba toạ độ đẳng thể tích, thay cho toạ độ (x,y,z) người ta sử dụng toạ độ x,y mật độ vị, r (hoặc sigma-t tương øng) Tính ưu việt hệ toạ độ khả cho phép nâng cao mức chi tiết nơi có gradient mật độ lớn Tương tự mức chi tiết lớp xáo trộn mạnh trở nên thô hơn.Vấn đề phức tạp xuất gắn liền với yêu cầu tương thích mặt đẳng thể tích với mặt biển đáy biển Phân loại theo toạ độ ngang Hỡnh 7.2 cho ta thấy tính đa dạng hệ toạ độ ngang Trước hết hệ toạ độ trực giao đề cầu (cả hai hệ toạ độ thể qua mặt có hai toạ độ ngang khơng đổi) Hệ thứ hai hệ toạ độ cong trực giao tổng quát, có hệ toạ độ đề toạ độ cầu Tính chất tự hệ toạ độ cong cho phép đưa đường toạ độ gần với đường bờ hơn, tăng độ phân giải giảm số lượng điểm đất tránh tính kỳ dỵ toạ độ cầu gần với địa cực Tính tự chúng đạt qua lưới không trực giao, nhiều gọi hệ thể tích hữu hạn, có nghĩa phép tính vi phân triển khai thơng qua sử dụng phương trỡnh biến đổi tích phân lưới thể tích lưới thẳng hay cầu (RS) Lưới trực giao cong (CO) Lưới không trực giao cong (NO) Hình 7.2 Sơ đồ dạng lưới tính Một đặc điểm khác cho phép phân biệt mô hỡnh cách thức xử lớ cỏc biến mụ hỡnh theo hướng ngang Điều phân loại thành sơ đồ Arakawa A, B, C Trong sơ đồ lưới, nhiệt độ độ muối cho nút lưới với áp suất, khác xẩy thành phần vận tốc ngang Tính ưu việt sơ đồ A B thể qua việc cho hai thành phần vận tốc ngang điểm nút lưới cho phép xử lí thành phần lực Coriolis theo hướng tiến Sơ đồ C có ưu điểm cho phép sai phân tiến vận chuyển vô hướng Đối với phương trỡnh nước nông không quay, sơ đồ A gặp bất lợi tương ứng sơ đồ C độc lập loại Đối với quy mơ lưới, dạng sóng khác sóng trọng lực, sóng Kelvin, sóng địa hỡnh, v.v cú thể phụ thuộc vào sơ đồ lưới, điều đề cập cỏc bỏo Mesinger Arakawa, Hsich, Davey Wajowicz Foreman Dietrich mụ tả phương pháp xử lí thành phần lực Coriolis sơ đồ C cho phép loại trừ hầu hết nhược 103 điểm sơ đồ trường hợp độ phân giải thô Tác giả yờu cầu sử dụng kỹ thuật nội suy nhằm loại trừ phát sinh gắn liền với sơ dồ A Trong lưới RS NO hướng vận tốc cố định Dựa vào hình dáng lưới vị trí gắn biến biến đổi RS CO thể sơ đồ Arakawa C vận tốc thể hình; mật độ tính chất vô hướng khác gán cho điểm trung tâm Lưới NO theo sơ đồ A B, thành phần vận tốc điểm; sơ đồ A mật độ gắn điểm vận tốc; sơ đồ B, mật độ gắn điểm trung tâm ô lưới Phân loại theo sơ đồ xáo trộn thẳng đứng Xáo trộn đặc điểm quan trọng trỡnh đại dương biển ven độ sâu nhỏ dẫn đến ma sát trượt lớn (gắn liền với triều) với xáo trộn mạnh theo phương thẳng đứng Chúng ta trao đổi số phép tham số hoá sử dụng xáo trộn thẳng đứng Thông thường người ta ý đến lớp mặt biển hay lớp xáo trộn đồng thời xác định hai loại mô hỡnh: mụ hỡnh cục mụ hỡnh tớch phõn Cỏc mụ hỡnh cục mụ tả nhớt khuyếch tỏn xoỏy rối (chỳng ta tạm thời không ý đến mô hỡnh giải đồng thời thành phần ứng suất Reynolds tens¬ thơng lượng) đầu phân bố nhiệt độ, độ muối vận tốc Từ thơng tin đó, nhớt khuyếch tán rối phụ thuộc vào số Richardson xác định giới hạn miền xáo trộn mạnh độ dày lớp xáo trộn xác định theo phương pháp chẩn đốn Các mơ hỡnh tớch phõn xem lớp xỏo trộn hiển nhiờn chấp nhận tớnh đồng tổng thể, mô hỡnh giải đặc trưng lớp xáo trộn theo quy luật bảo tồn dạng tích phân (Niiler Kraus, 1977) Bảng 1a cho ta đặc điểm cách tham số hoá nêu Bảng 1a Các phép tham số hoá xáo trộn theo phương thẳng đững Phộp tham số hoỏ ký hiệu Độ nhớt không đổi CVD Số Richardson làm biến đổi nhớt RND Khộp kớn rối TC Mụ hỡnh lớp xỏo trộn tớch phõn BML Nếu cho khuyếch tán động lượng nhiệt độ có tính tương đương (như số liệu phũng thớ nghiệm yờu cầu) thu được: dT Q dT biến đổi nhiệt độ 〉〉 dV c p t theo độ sâu qua lớp nước mặt biển; dV biến đổi vận tốc; cp nhiệt dung, t Q ứng suất gió thông lượng nhiệt qua mặt biển Như giá trị thường gặp, Q = 50 W m-2 t = dyn cm-2, ta thu o dT C 〉〉 0,1 −1 Từ số liệu quan trắc hay từ kết mụ hỡnh dV ms hoỏ, cú thể thấy dV >> 10 cm s-1 , dT >> 0,01 ºC Như biến đổi nhiệt độ 104 lớp nước mặt thường nhỏ đem so sánh với biến đổi quy mô đại dương người ta nói đến “xáo trộn mnh bin i tc lại khụng bị xáo trộn ë møc tương ứng Một số đặc trưng khác, dyoxit bon, tương tự vận tốc thể biến đổi đáng kể lớp nước mặt biển Các mô hỡnh cục mơ hỡnh với khộp kớn rối cho phộp tính tốn biến đổi Cùng với phát triển phương tiện tính tốn, độ phân giải theo độ sâu ngày tăng lên vượt 25 tầng lớp mặt cú thể chia chi tiết đến tầng Phân loại theo sơ đồ xỏo trộn ngang Bảng 1b Danh mục phép tham số hoá xáo trộn rối ngang Phộp tham số hoỏ ký hiệu Khuếch tỏn/ nhớt triệt tiờu ND Khuếch tán/ nhớt không đổi NHD Khuếch tỏn/ nhớt theo Smagorinsky Smag Toán tử làm trơn biharmonic BiH Bộ lọc FLT Nếu tiến hành phõn tớch bậc đại lượng phương trỡnh thuỷ động lực bản, số hạng thức bỏ qua giá trị biến đổi không gian theo hướng ngang không đáng kể so với hướng thẳng đứng Điều dẫn đến xấp xỉ thuỷ động lực tương ứng loại bỏ cỏc hạng thức xỏo trộn rối ngang Nếu độ phân giải không gian theo chiều ngang đáp ứng thỡ thành phần cú thể bỏ qua Như đưa thêm phương án khuếch tán/nhớt (ND) vào bảng 1b Tuy nhiên, phần nhiều ứng dụng với độ phân giải không đáp ứng xáo trộn ngang lại trở nên cần thiết nhằm hạn chế nhiễu số trị không muốn để mô hỡnh trở nờn hỗn loạn Như cần kể đến phương pháp dập tắt nhiễu bảng 1b, nghĩa sử dụng hệ số khuyếch tán/rối ngang không đổi (CHD, đồng nghĩa với laplace làm trơn) phụ thuộc vào gradient vận tốc, cách đề xuất Smagorinsky xem công cụ hỗ trợ vật lý hữu hiệu Hằng số thực nghiệm công thức khuếch tán Smagorinsky cho không thứ ngun tỷ lệ với diện tích lưới độ phân giải đáp ứng yêu cầu đặt Toán tử làm trơn biharmonic loại bỏ cách chọn lọc quy mô nhỏ Một cách tiếp cận khác lọc trường tính tốn sau bước tính lọc, vớ dụ lọc Shapiro 7.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ Lý ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU CHO MÔ HÌNH DỰ BÁO BIỂN Sơ đồ xử lý mặt biển Cỏc mụ hỡnh phân biệt theo cách thức xử lý mặt biển Các mô hình sử dụng xấp xỉ “bề mặt cứng” (Gill, 1982) cho vận tốc theo phương thẳng đứng độ 105 cao mực biển trung bình Độ cao mực biển xác định cách chẩn đốn từ mặt áp suất, đến lượt mặt áp suất lại chẩn đốn theo phương trình động lượng ngang Phép xấp xỉ “bề mặt cứng” thường xem thoả mãn quy mô thời gian vài ngày lớn quy mô không gian nhỏ bán kính biến dạng áp Điều có ưu loại trừ sóng trọng lực sóng Kelvin cho phép sử dụng bước thời gian lớn so với thông thường Điều không chấp nhận ứng dụng có sóng triều nước dâng, sóng tà áp Kelvin có vai trị áp đảo Phép xấp xỉ bề mặt cứng không thuận lợi kết hợp số liệu đo triều hay độ cao mực biển với mơ hình Phương pháp đắn để xác định độ cao mực biển sử dụng điều kiện biên động học mặt biển tính mực biển theo hướng dự báo Các mơ hình tính tốn mực biển theo kiểu gọi mơ hình “mặt tự do” Bảng dẫn liệt kê mơ hình đại dương có Chúng ta trọng mơ hình ba chiều với đầy đủ thành phần thuỷ nhiệt động học Có thể có cách hiểu khác nhau, mơ hình nhiều người sử dụng song với số trình đặc trưng định Phần lớn ký hiệu dẫn bảng 1a,b hình Từ “mặt”, “tự do” gắn liền với mặt tự do, từ “cứng” gắn liền với xấp xỉ bề mặt cứng A, B, C phần lưới ngang lưới theo Arakawa A, B, C CPN DieCAST gắn với việc sử dụng tham số hố số Peclet khơng đổi xáo trộn thẳng đứng Mơ hình số đại dương ký hiệu BCS mơ hình Brayn-Cox, Semtner chứng minh thí nghiệm số trị gọi mơ hình Brayn-CoxSemtner Gần Dukowicz Smith mở rộng thí nghiệm số mơ hình cách thay hàm dịng dịng trung bình theo phương thẳng đứng thủ tục tính tốn mặt áp suất Đây chắn mơ hình đơn giản với ưu sử dụng hệ toạ độ thông thường z toạ độ cầu Mơ hình nhà mơ hình hố đại dương quy mơ lớn sử dụng nhiều Mơ hình đại dượng Princenton Blumberg Mellor mơ tả, ban đầu xây dựng cho cửa sông ven đại dương song sử dụng nhiều cho đại dương Đối với khu vực cửa sông hệ toạ độ sigma sử dụng kết hợp với bề mặt tự mơ hình khép kín rối cho lớp biên đáy với chuyển đổi lượng triều vào rối xáo trộn; so sánh với số liệu quan trắc dòng chảy, mực nước xâm nhập mặn vào cửa sơng cho kết thích hợp Lưới ngang mơ hình lưới cong trực giao với việc mở rộng hệ toạ độ cầu toạ độ khác số trường hợp riêng Hệ thống dự báo bờ đơng Bắc Mỹ bao gồm mơ hình POM phát triển kết hợp với Trung tâm Khí tượng Quốc gia thuộc NOAA Cục đại dương quốc gia với Đại học Princenton Các phiên GFDL, MOM mơ hình BCS có phương án sử dụng sơ đồ khuyếch tán thẳng đứng TC Những biến đổi mơ hình sử dụng toạ độ sigma bàn luận mơ hình phương trình nguyên thuỷ phổ (SPEM) có số điểm tương tự POM ngoại trừ đặc điểm mặt cứng khác biến toạ độ sigma Phát triển gần 106 ứng dụng cho hệ toạ độ hybrid, tương tự toạ độ sigma chuẩn hoá gần đáy toạ độ z lớp mặt Bảng Liệt kê mơ hình ba chiều hệ phương trình nguyên thuỷ đề cập đến Tác giả Ký hiệu viết tắt Lưới đứng thẳng Lưới ngang Khuyếch tán rối Bề mặt thẳng đứng ngang Brayn-CoxSemtner BCS z-C RS/B RND CHD Cứng Blumberg-Mellor POM s-C CO/C TC hay CVD Smag CHD Tự Haidvogel SPEM s-C/Spect CO/C BLM, CVD BiH, CHD Cứng Bleck- Boudra MIAMI r-C CO/B BML Smag Tự Dietrich DieCAST z-C RS/C.A CPN TC CHD Cứng tự Backhaus HB z-C RS/C TC CHD Tự James POL s-C RS/B CVD TC CHD Tự Nihoul- Beckers GHER s-C RS/C TC CHD Tự GreatbatchGoulding GG s-C RS/B CVD RND CHD Cứng Một mơ hình toạ độ đẳng mật độ dễ hiểu mơ hình Bleck Boudra phát triển đại học Miami Mơ hình Miami mơ hình ẩn Ưu điểm toạ độ đẳng mật độ việc tự động tăng độ phân giải khu vực có gradient mật độ lớn Nhược điểm mơ hình lại mức độ hội tụ; kết xác khu vực hội tụ nơi nước tầng đáy hình thành thềm lục địa mùa đơng Chương trình phức tạp kết nối độ dày lớp đẳng mật độ gần mặt gần đáy Cách thức tránh gặp vấn đề liên quan đến tượng lớp đẳng mật độ cắt bề mặt biển đề xuất cho lớp mặt xem xáo trộn phần, với nhiệt độ độ muối cho phép biến đổi tồn lớp Mơ hình dạng ứng dụng để tính tốn hồn lưu Baie des Chaleurs nằm phía đơng Canada DieCAST mơ hình sử dụng toạ độ z theo chiều thẳng đứng có phương án đưa thêm mơ hình lớp biên sát đáy Mơ hình có hướng sử dụng sơ đồ lưới A C Trong phương án sơ đồ lưới C, việc xử lý thành phần Coriolis đặc biệt quan tâm nhằm loại trừ phân tán số liên quan tới hai thành phần vận tốc ngang lấy hai điểm lưới khác Mơ hình đưa thành phần áp cách giải mặt áp HB mơ hình phát triển Institut fur Meereskunde thuộc Đại học Hamburg, Đức Jan Backhaus cộng tác viên Mơ hình sở mô tả báo Backhaus Hainbucher Pohlman ứng dụng mơ hình cho Bắc Hải POL Phịng thí nghiệm Hải dương học Proudman, Anh Quốc, mơ hình mang tên POL James phát triển Trong mơ hình sử dụng sơ đồ lưới Arakawa B biến mơ hình toạ độ sigma chuẩn theo hướng thẳng đứng, đồng thời kết hợp sơ đồ ghép bình 107 lưu cho phép tránh phân tán số liên quan đến phép sai phân leap-frog theo thời gian trung tâm theo khơng gian GHER mơ hình phát triển Phịng thí nghiệm Địa-Thuỷ động lực Mơi trường thuộc ĐH Liege, Bỉ Mơ hình sử dụng sơ đồ lưới Arakawa C theo hướng ngang sơ đồ bình lưu ghép James Đặc điểm mơ hình cố gắng tham số hố xáo trộn quy mơ vừa thơng qua lý thuyết khép kín rối k-e Như mô tả báo Nihoul et al., mơ hình xây dựng nhằm mơ hồn lưu quy mơ thời gian dài (mùa) biển ven Beckers mở rộng tham số hoá bao gồm xáo trộn đối lưu ứng dụng mơ hình nhằm mơ tả hồn lưu tháng phía tây Địa Trung Hải Nihoul et al mơ tả kết ứng dụng mơ hình cho biển Bering, Đinh Văn Ưu, phát triển ứng dụng mơ hình GHER cho Biển Đơng GG mơ hình quy mô thời gian lớn, phân tầng mật độ thềm lục địa Greatbatch Goulding Mơ hình khẳng định kết mơ hình lý tưởng hồn lưu vùng thềm lục địa Mơ hình giải phương trình ma sát địa chuyển hành tinh (các số hạng liên quan đến đạo hàm cục theo thời gian bình lưu phi tuyến phương trình động lượng loại bỏ, xáo trộn thẳng đứng động lượng lại giữ lại), có khả thích ứng biến động quy mơ dài (lớn nhiều tuần lễ) thềm lục địa Mô hình khả lựa chọn tính tốn rẻ tiền mơ hình có phương trình dự báo động lượng Toạ độ độ sâu chuẩn sử dụng (mặc dầu điều đặc trưng bắt buộc mơ hình) Các mơ hình biển ven bao gồm mơ hình băng, khơng thơng dụng, song có phát triển đáng kể Các lực tác động mơ hình điều kiện biên Một cách lý tưởng, mơ hình biển ven cần chạy mod kết hợp đồng thời với mơ hình khí Mơ hình khí cung cấp thông lượng mặt, bao gồm động lượng (ứng suất gió mặt biển), nhiệt nước nước ngọt, cần thiết cho mơ hình biển Việc mơ hình hố kết hợp đại dương-khí chưa đạt kết đáng kể, trước hết yêu cầu tính tốn lớn, nhiên thu tiến lĩnh vực mơ hình hố khí hậu tồn cầu Do chưa có mơ hình kết hợp đại dương-khí đầy đủ, nên thơng lượng sử dụng cho mơ hình biển thường lấy từ quan trắc Trên biên bờ, điều kiện biên không trượt áp dụng với thơng lượng nhiệt độ muối Mơ hình vùng biển ven thường bị phức tạp hoá yêu cầu cung cấp điều kiện biên mép miền tính, khơng phải biên đới bờ (đó vấn đề điều kiện biên hở) Một cách giải vấn đề ỵăt lồng mơ hình biển ven có phân giải cao vào mơ hình khí hậu tồn cầu phân giải thô Thông thường, điều kiện biên hở lại phụ thuộc dòng chảy vào khỏi miền tính mơ hình Tại nơi dịng vào miền mơ hình, nhiệt độ độ muối lấy theo khí hậu; nơi dịng khỏi miền, đặc trưng mơ hình xem đơn giản bình lưu 108 Thành phần pháp tuyến vận tốc ngang xác định nơi có dịng vào Thơng thường cấu trúc thẳng đứng dịng vận tốc cần lựa chọn cho có tương ứng với dịng chảy nhiệt (địa chuyển) trường nhiệt độ độ muối gây nên thành phần trung bình theo phương thẳng đứng của vận tốc pháp tuyến cần cố định theo hoàn lưu chẩn đốn; ví dụ, sử dụng kết chẩn đốn hồn lưu bắc Đại Tây Dương Mellor et al Một cách lựa chọn khác thể trung bình vận tốc theo độ sâu cho giá trị mực nước biên Đôi khi, toán triều, điều kiện phát tán sử dụng Điều kiện trượt tự áp dụng thành phần tiếp tuyến vận tốc biên Việc xử lý điều kiện biên hở vấn đề khó triển khai mơ hình biển ven khu vực, đặc biệt khơng có đủ số liệu biên Nhiều vấn đề nẩy sinh từ Ví dụ, với sóng ven (trong trường hợp sóng tà áp Kelvin) lan truyền ảnh hưởng khơng mong muốn khỏi biên hở gây tác động lên lời giải phía miền tính Điều xẩy chí trường hợp có cảm giác điều kiện biên sử dụng hợp lý (ví dụ điều kiện phát xạ) Một cách lý tưởng, số liệu quan trắc đầy đủ theo thời gian biên cần thiết mơ hình Triển khai mơ hình dự báo theo mod chẩn đốn: điều kiện ban đầu Một cách tạo khởi đầu cho mô hình dự báo lấy nhiệt độ độ muối từ liệu khí hậu Một số mơ hình sử dụng cơng cụ chẩn đốn thơng qua triển khai mơ hình với nhiệt độ độ muối lấy cố định từ khí hậu Tính tốn chẩn đốn thu sử dụng làm điều kiện ban đầu cho tính tốn dự báo Các triển khai với thời gian ngắn cho phép thu thông tin bổ sung lấy trực tiếp từ hồn lưu chẩn đốn thuỷ vực gần bờ Có thể thấy mơ hình biển có vai trị quan trọng quản lý môi trường biển tất mức độ khác nhau, bao gồm kiểm sốt nhiễm, quản lý hải sản cơng trình xa bờ Các mơ hình dự báo biển cần thiết việc đánh giá trạng thái biển dự đoán xu tương lai Một phận quan trọng hệ thống dự báo biển mơ hình phân tích số liệu sử dụng nhằm mục đích tổng hợp loại số liệu có (có nghĩa tính tốn trạng thái tại) cung cấp số liệu ban đầu cho mơ hình dự báo phục vụ triển khai hiệu chỉnh hệ thống 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nihoul J.C.J., Systemes physques Modeles mathematiques, Ele, Liege, 1980 Nihoul J.C.J., Modeles mathematiques et Dynamiques de l’environment, Ele, Liege, 1977 Mooers C.N.K., (editor), Coastal Ocean Prediction, AGU, Washington, 1999 Stewart R., 2002 Introduction to Physical Oceanography, Texas A&M University Tomczak M and J.S Godfrey 1994 Regional Oceanography: An Introduction London: Pergamon Đinh Văn Ưu, Nguyễn Minh Huấn, Vật lýý biển, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2003, 188 trg 110 ... biển hay lớp nghịch nhiệt khí mơ hình hai lớp, tốc độ phản ứng hố học cần xác định độc lập theo thí nghiệm phịng hay theo lí thuyết phân tử triển khai song song với mơ hình, hệ số tương tác sinh... trung bình Trong trính lấy trung bình cần tn thủ u cầu sau đây: - T cần đủ lớn so với chu kỳ trình riêng biệt - T phải đủ nhỏ so với thời gian mà đại lượng trung bình chịu biến đổi Trong trường... với dao động mạnh Trong điều kiện đó, ta cho thành phần chuyển động khác chia thành hai nhóm: nhóm có thời gian đặc trưng lớn nhiều so với ϑ nhóm có thời gian 44 đặc trưng nhỏ (Trong trường hợp