Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh Bắc Bộ Hà Thanh Hương* Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng năm 2016 Ch nh s a ngày 26 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Vịnh Bắc Bộ khu vực có cấu trúc nhiệt độ phức tạp vùng chịu tác động sơng, phân hóa trường gió chế độ nhiệt mặt biển thay đổi lớn Trong thời gian qua ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số (LOWESS) xây dựng mặt cong trơn thể phân hóa cấu trúc nhiệt độ theo trường bề mặt theo độ sâu áp dụng cho khu vực Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định cấu trúc nhiệt độ gần làm trường ban đầu cho mơ hình nghiên cứu trường thủy văn biển khu vực nghiên cứu Trong báo áp dụng phương pháp xây dựng mặt cong trơn biến thiên nhiệt độ theo độ sâu thông qua s dụng số liệu khảo sát đo đạc thu thập để xác định cấu trúc chiều nhiệt độ khu vực Vịnh Bắc Bộ Từ khóa: Vịnh Bắc Bộ, cấu trúc nhiệt độ Đặt vấn đề theo độ sâu nhằm phục vụ mơ hình nghiên cứu biển Xác định cấu trúc nhiệt độ đáng tin cậy làm đầu vào cho mơ hình nhà khoa học quan tâm [1] tính ứng dụng thiết thực trường ngành công nghiệp biển Vịnh Bắc Bộ khu vực phát triển kinh tế du lịch chiến lược nước ta, việc xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh có ý nghĩa vơ quan trọng để giải tốn hồn lưu, sinh thái mơi trường bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội mà hoạt động kinh tế người gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho vùng Vịnh [2] Áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số (LOWESS) xác định cấu trúc chiều nhiệt độ từ trường nhiệt bề mặt Cơ sở liệu phương pháp xây dựng cấu trúc nhiệt muối theo độ sâu 2.1 Cơ sở liệu - Trường số liệu đồng hóa từ ảnh viễn thám nhiệt độ nước mặt biển (SST) cập nhật theo hệ thống MODAS phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa kỳ (NRC) - Các phân bố nhiệt độ, độ muối theo phương thẳng đứng theo số liệu Atlat đại dương giới (WOA2001, WOA 2005, WOA 2009) - Các số liệu đo đạc khảo sát đề tài lưu trữ Viện nghiên cứu Hải sản, số liệu dự án hợp tác Việt- Xô, Việt -Trung _ ĐT.: 84-912726027 Email: huonghat@yahoo.com 109 110 H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Đặc điểm số liệu đo đạc khảo sát theo độ sâu: - Số liệu CTD: + Đo đạc trạm không liên tục không đồng cập nhật từ tháng 1/2006 đến tháng 5/2013 + Các trạm đo dày phía bờ Tây Vịnh Số liệu chuyến khảo sát dự án Việt – Xô, Việt -Trung có giá trị cao nằm phần bờ Đơng Vịnh Số liệu WOA có tập trung chủ yếu vùng c a Vịnh 2.2 Phương pháp LOWESS xây dựng cấu trúc nhiệt độ theo độ sâu Tác giả xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu theo nhiệt độ bề mặt phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) từ xác định cấu trúc chiều nhiệt độ Việc xây dựng mặt cong nhiệt độ cho khu vực Vịnh Bắc Bộ khả thi [3]: - Tận dụng triệt để vị trí điểm đo (thể phân hóa nhiệt độ theo phương ngang) không đồng không gian thời gian liệu - Tận dụng nguồn số liệu đồng hóa từ ảnh viễn thám để xây dựng trường 3D nhiệt độ theo độ sâu - Mô tương đối khu vực số liệu Phương pháp LOWESS Phương pháp LOWESS (locally weighted scatter plot smooth) phương pháp hồi quy tuyến tính có trọng số địa phương dùng để xấp x tập liệu rời rạc mặt trơn Trong phương pháp để xác định giá trị xấp x hàm số điểm x ta dùng lân cận điểm quanh x với số lượng cố định gán cho điểm trọng số, trọng số giảm dần điểm cách xa x Sau áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số để tìm giá trị xấp x x Quá trình lặp lại cho điểm x thuộc tập liệu Các bước thực hiện: Giả s tập liệu gồm n giá trị đo đạc zij điểm mặt phẳng pij ( xij , yij ) Ta cần xây dựng hàm z f ( x, y) xấp x cho tập điểm Cố định giá trị q quanh điểm pij ( xij , yij ) ta chọn lân cận gồm qn điểm dung để xấp x giá trị hàm 2 Giá trị q lớn hàm nhận trơn, khả mơ tả xác tập liệu giảm Gọi d ij khoảng cách từ điểm xa lân cận đến điểm pij xét Khi trọng số wkl điểm pkl lân cận xác định sau: | p pkl wkl T ij dij | (1) đó: | pij pkl | ( xij xkl )2 ( yij ykl )2 (2) hàm trọng T xác định bởi: (1 | u |3 )3 | u | T (u ) (3) | u | 0 Như trọng số điểm pij xét gán 1, trọng số điểm pkl lân cận giảm dần điểm cách xa pij có trọng số Để tính giá trị xấp x f ( xij , yij ) ta dùng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số Ta đặt H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 (4) cestimate z aestimate x bestimate y Trong x, y, z trung bình theo trọng số: w x x w kl kl k ,l kl k ,l w y y w kl , k ,l kl w z z w kl kl , kl k ,l kl k ,l k ,l (5) Ta nhận giá trị xấp x pij : f ( xij , yij ) aestimate xij bestimate yij cestimate (6) Các kết ứng dụng phương pháp LOWESS xây dựng mặt cong nhiệt độ cấu trúc chiều nhiệt độ theo độ sâu Trên sở lý thuyết phương pháp LOWESS ta tiến hành xác định mặt nhiệt độ việc xác định giá trị z f ( x, y) z biến nhiệt độ, x biến nhiệt độ bề mặt lấy từ liệu nhiệt độ bề mặt đồng hóa ảnh vệ tinh sở liệu MODAS, y biến theo độ sâu, hàm f xác định từ sở liệu đo đạc thu thập S dụng tham số q để hiệu ch nh Tồn chương trình tính tốn viết phần mềm Matlab thực hiện: - Xây dựng mặt cong nhiệt độ biến đổi theo độ sâu theo nhiệt độ bề mặt - Với giá trị kinh độ vỹ độ nhiệt độ bề mặt ta đưa profile theo độ sâu tương ứng nằm mặt cong lát cắt giá trị bề mặt Hình cho ta mặt cong biến thiên nhiệt độ theo độ sâu theo phân hóa nhiệt độ bề mặt vùng giới hạn 107-108oE 18-19oN (khu vực Vịnh Bắc Bộ) tháng tháng nhiều năm, điểm sáng hình thể giá trị đo đạc, khảo sát theo độ sâu khu vực Có thể thấy chuỗi nhiệt độ đo đạc theo độ sâu khu vực giới hạn có nhiệt độ bề mặt biến thiên từ 19.2 -24 độ tháng từ 28.6-31 độ tháng nằm rải rác toàn vùng đo đạc không đồng vào ngày khác tháng nhiều năm Mặt cong xây dựng theo phương pháp LOWESS phân bố nhiệt độ theo độ sâu thể tốt biến thiên Sự phân hóa trường nhiệt độ bề mặt cho ta cấu trúc chiều tương ứng vị trí thể profile vị trí có nhiệt độ bề mặt khác khác (hình 2, 4) Bien thien nhiet thang tai 10718 26 Nhiet 24 22 20 18 16 -20 24 23 -40 22 -60 21 -80 Do sau 111 20 Nhiet be mat Hình Mặt cong nhiệt độ tháng theo độ sâu theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt khu vực 107-108oE 18-19oN Vịnh Bắc Bộ H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 112 Bien thien nhiet voi nhiet be mat 23do Bien thien nhiet voi nhiet be mat 21do Bien thien nhiet voi nhiet be mat 19do 0 -10 -10 -10 -20 -20 -20 -30 -30 -30 -40 Do sau -50 -40 Do sau -50 -40 Do sau -50 -60 -60 -60 -70 -70 -70 -80 -80 -80 -90 -90 -90 -100 21.5 22 22.5 Nhiet 23 -100 19 23.5 19.5 20 20.5 Nhiet 21 -100 16 21.5 16.5 17 17.5 18 Nhiet 18.5 19 19.5 Hình Profile nhiệt độ tháng khu vực 107-108o E 18-19o N theo lát cắt với nhiệt độ bề mặt tương ứng 23 độ,21 độ 19 độ Bien thien nhiet thang tai 10718 Nhiet 35 30 25 20 -20 -40 -60 -80 Do sau 28.6 29 28.8 29.2 29.6 29.4 29.8 30 Nhiet be mat Hình Mặt cong nhiệt độ tháng theo độ sâu theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt khu vực 107-108oE 18-19oN Vịnh Bắc Bộ Bien thien nhiet độ voi nhiet be mat 29 Bien thien nhiet voi nhiet be mat 30 Bien thien nhiet voi nhiet be mat 30.5 -10 -10 -10 -20 -20 -20 -30 -30 -30 -40 Do sau -50 -40 Do sau -50 -40 Do sau -50 -60 -60 -60 -70 -70 -70 -80 -80 -80 -90 -90 -90 -100 20 22 24 26 Nhiet 28 30 -100 20 22 24 26 28 Nhiet 30 32 -100 18 20 22 24 26 Nhiet 28 30 32 Hình Profile nhiệt độ tháng khu vực 107-108o E 18-19o N theo lát cắt với nhiệt độ bề mặt tương ứng 29, 30 30.5 độ H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Profile nhiệt độ tháng 107.65o E 20.99oN với nhiệt mặt 26.0 độ 113 Profile nhiệt độ tháng 108.5oE 20oN với nhiệt mặt 30.3 độ Hình Kết so sánh tính tốn theo LOWESS thực đo Ưu điểm phương pháp LOWESS thể tốt phân bố theo độ sâu vùng nước nông ven bờ vùng nước sâu vào tháng mùa hè tháng chuyển tiếp (hình 5) Như vậy, với phương pháp xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu cho ta kết tốt, thể phân hóa mạnh mẽ nhiệt độ khu vực Vịnh Bắc Bộ Với phương pháp hồn tồn xây dựng cấu trúc chiều nhiệt độ, độ muối tồn Vịnh có trường bề mặt ban đầu Xây dựng trường nhiệt muối 21 tang mat tang 30m 21 tang 50m 17 21 chiều tin cậy phục vụ đầu vào cho mơ hình chiều, khẳng định tính hiệu phương pháp xây dựng mặt cong cấu trúc nhiệt độ nghiên cứu biển Áp dụng phương pháp LOWESS cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ta xây dựng trường nhiệt độ phân bố theo độ sâu theo tháng cụ thể, kết xác định cấu trúc chiều nhiệt độ theo tháng đại diện mùa trung bình nhiều năm 18 20 20 20 19 20 20.5 19 19 22 21.5 22 19 23 17 106 107 108 23 106 107 23.5 18 17 105 105 23.5 18 23.5 18 108 109 23 17 105 106 107 108 109 109 Hình Nhiệt độ trung bình tháng nhiều năm bề mặt, tầng 30m tầng 50m theo LOWESS H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 114 Dựa vào cấu trúc nhiệt độ ta thấy xu độ dày lớp đồng nhiệt phát triển xuống tầng nước sâu vào mùa đông (40-50m), nhiệt độ tầng sâu 21 tang mat 21.5 20 tang 30m 21 20.5 tháng có đồng theo độ sâu phân hóa mạnh theo mặt rộng tăng dần từ bờ khơi 20 19 20 19 19 24 23.5 24.5 18 24.5 106 107 108 23 23.5 18 17 105 tang 50m 21 23.5 17 109 105 106 107 22.5 18 108 23 17 109 105 106 107 108 109 Hình Nhiệt độ trung bình tháng nhiều năm bề mặt, tầng 30m tầng 50m theo LOWESS Cấu trúc nhiệt độ tháng cho thấy lớp đồng nhiệt giảm xuống nhỏ 30m thấy rõ phân hóa nhiệt độ theo mặt rộng theo độ sâu 29.5 21 tang mat 21 tang 10m tang 30m 21 28 29 20 19 19 19 24 18 18 27.5 28 25.5 18 105 106 107 108 22 17 105 105 23 25.5 17 27 17 27.5 17 19 25 27 27.5 18 27 20 20 28.5 20 tang 50m 21 106 107 108 106 107 108 109 109 109 105 106 107 108 109 Hình Nhiệt độ trung bình tháng nhiều năm bề mặt, tầng 10m, tầng 30m tầng 50m theo LOWESS 21 tang mat 21 tang 30m 21 tang 50m 28.5 26 26.5 27 20 20 20 19 19 19 26 27 27.5 18 18 18 27.5 27 17 26.5 17 106 107 108 106 107 108 25.5 17 105 105 105 23.5 25.5 106 107 108 109 109 109 Hình Nhiệt độ trung bình tháng nhiều năm bề mặt tầng 30m tầng 50m theo LOWESS H.T Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Vào mùa hè lớp đồng nhiệt độ toàn Vịnh mỏng nhỏ 10m, tồn lưỡi nước lạnh từ c a Vịnh lan truyền vào vùng nước sâu làm xuất vùng nước trồi yếu khu vực ven bờ đèo Ngang Mùa hè cấu trúc nhiệt độ phức tạp biến động lớn theo độ sâu khu vực nước sâu Vịnh Kết luận Việc kết hợp xác định cấu trúc chiều nhiệt độ với phương pháp xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu cho ta kết tốt, thể phân hóa mạnh nhiệt độ khu vực Vịnh Bắc Bộ Các trường nhiệt độ chiều đủ tin cậy phục vụ cho mơ hình dự báo biển, khẳng định tính hiệu 115 phương pháp xây dựng mặt cong cấu trúc nhiệt muối nghiên cứu biển Tài liệu tham khảo [1] Pham Hoang Lam, Ha Thanh Huong, Pham Van Huan, 2007, Computing vertical profile of temperature in Eastern Sea using cubic spline functions Vietnam National University, Hanoi, Journal of Science, Earth Sciences, Volume 23, No 2, pp 122-125 [2] Đinh Văn Ưu, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN 0602 ”Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động lực học biển Đông ứng dụng chúng” năm 2000 [3] Hà Thanh Hương, Đinh Văn Ưu, Đinh Văn Mạnh, 2014 Ứng dụng phương pháp LOWESS nghiên cứu cấu trúc nhiệt muối Vịnh Bắc Bộ Tạp chí Khí tượng Thủy văn số 647, tr 38 – 44 Determine the Temperature Structure of the Tonkin Gulf Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: Tonkin Gulf is the area with the temperature structure complicated by the region under the impact of the river, the wind divergence and sea surface temperature regime on major changes In recent years we have applied the least squares method of weight (LOWESS) to build curved surfaces show structural differentiation under the surface temperature with depth and apply to the Tonkin Gulf area to determine the temperature structure as the initial field approximated the original models of the hydrological study on the marine research area In this paper applies the method to build curved surfaces of temperature variation with depth through the use of surveys and measurement data collected to determine the 3-dimensional structure temperature Gulf region Keywords: Tonkin Gulf, temperature structure ... cong nhiệt độ cấu trúc chiều nhiệt độ theo độ sâu Trên sở lý thuyết phương pháp LOWESS ta tiến hành xác định mặt nhiệt độ việc xác định giá trị z f ( x, y) z biến nhiệt độ, x biến nhiệt độ bề... phương (LOWESS) từ xác định cấu trúc chiều nhiệt độ Việc xây dựng mặt cong nhiệt độ cho khu vực Vịnh Bắc Bộ khả thi [3]: - Tận dụng triệt để vị trí điểm đo (thể phân hóa nhiệt độ theo phương ngang)... theo độ sâu khu vực nước sâu Vịnh Kết luận Việc kết hợp xác định cấu trúc chiều nhiệt độ với phương pháp xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu cho ta kết tốt, thể phân hóa mạnh nhiệt độ