Trong tháng các tháng mùa đông: tháng 12, tháng 1 và tháng 2 (hình 26, 27, 28), dịng chảy trung bình tầng mặt vùng biển Vịnh Bắc Bộ có đặt điểm sau: dịng chảy phía nam đảo Hải Nam men theo bờ tây của đảo này đi vào trong vịnh và ngược lên phía bắc vịnh kết hợp với một lượng nhỏ đi từ eo Quỳnh Châu đi vào rồi
vòng sang phía đơng của bờ biển Việt Nam, hoàn lưu này lượn theo địa hình của đường bờ Vịnh Bắc Bộ rồi chảy xuống phía nam. Trong những tháng này, khu vực trung tâm vịnh tồn tại một xốy thuận với vận tốc trung bình khoảng 10 – 15 cm/s. Khu vực biển phía nam Thanh Hóa và bắc Quảng Bình có vận tốc lớn hơn đạt 25 – 30 cm/s. Phía bắc vịnh bắc bộ tồn tại một xốy nghịch với quy mơ nhỏ, đường kính của xốy nghịch này khoảng 50 – 70 km với vận tốc trung bình khoảng 5 – 8 cm/s.
Hình 28: Dịng chảy trung bình tháng 2
Trong các tháng mùa xuân (tháng 3, 4, 5) cấu trúc hồn lưu trung bình tầng mặt Vịnh Bắc Bộ có sự thay đổi nhỏ so với thời gian mùa đơng (hình 29, 30, 31). Tại trung tâm vịnh vẫn tồn tại một xoáy thuận với lượng nước được đưa qua cửa vịnh từ phía bờ tây của đảo Hải Nam với vận tốc trung bình khoảng 8 – 12 cm, dịng chảy khu vực biển phía nam Thanh Hóa và bắc Quảng Bình vẫn duy trì vận tốc lớn, đạt 18 – 25 cm/s. Xốy nghịch phía bắc của vịnh có xu hướng mở rộng ra và dịch chuyển dần xuống phía nam nhưng đến tháng 5 thì xốy nghịch này bị phá vỡ (hình 31).
Hình 29: Dịng chảy trung bình tháng 3
Hình 31: Dịng chảy trung bình tháng 5
Những tháng mùa hè hoàn lưu vùng biển Vịnh Bắc bộ có sự thay đổi khá lớn. Trong tháng 6, khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ hình thành một hồn lưu nghịch. Vận tốc của hồn lưu này khơng lớn, trung bình khoảng 8 – 12 cm/s. Nước duy trì hồn lưu này được đưa lên từ vùng biển trung bộ đi lên. Phía bắc vịnh tồn tại một xốy thuận có quy mơ nhỏ. Hồn lưu này tồn tại đến hết tháng 8 (hình 32 đến hình 34).
Hình 32: Dịng chảy trung bình tháng 6
Hình 34: Dịng chảy trung bình tháng 8
Đối với các tháng mùa thu (tháng 9, 10 và 11), hồn lưu xốy thuận khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ được thiết lập lại. Vận tốc trung bình của hồn lưu này khá lớn, khoảng 15 – 20 cm, trong đó vùng biển phía nam Thanh Hóa và bắc Quảng Bình vận tốc trung bình tầng mặt đạt 30 – 40 cm/s có những điểm đến 45 cm/s. Phía bắc vịnh luôn tồn tại 2 xốy có quy mơ nhỏ, xốy thuận phía trên đỉnh vịnh và xoáy nghịch bên dưới sát với nó. Quy mơ của hai xốy này khoảng 70 -90 km với vận tốc trung bình khoảng 8 – 10 cm/s.
Hình 35: Dịng chảy trung bình tháng 9
Hình 37: Dịng chảy trung bình tháng 11
Một số nhận xét đánh giá
Với các kết quả tính tốn chế độ dịng chảy tầng mặt vùng biển Vịnh Bắc Bộ từ số liệu quan trắc bằng Radar biển cho thấy. Chế độ dòng chảy theo mùa được thể hiện có những nét chính tương đồng với các kết quả nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, theo số kết quả phân tích này thì một số hồn lưu nhỏ phía trên Vịnh Bắc Bộ hoạt động theo chu kỳ mùa được thể hiện khá rõ mà trong các nghiên cứu trước không thể hiện được như cặp hồn lưu thuận nghịch có quy mơ nhỏ phía bắc vịnh tồn tại song song với nhau trong các tháng mùa thu từ tháng 9 đến tháng 11, xoáy nghịch trong các tháng mùa xuân và mùa đơng, xốy thuận trong các tháng mùa hè.
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO THỬ NGHIỆM QUỸ ĐẠO VẬT THỂ TRÔI
4.1. Nghiên cứu thử nghiệm
Việc nghiên cứu thử nghiệm dự báo quỹ đạo vật thể được thực hiện bằng phần mềm Codar leeway dựa trên phương pháp Lagrange. Số liệu đầu vào bao gồm: Vị trí ban đầu của vật thể (kinh độ, vỹ độ), số liệu dòng chảy tổng hợp trong thời gian phân tích, hệ số dịng chảy Cc (hệ số được lấy bằng 0.787 theo Abascal et al. (2009) [5]), kích thước vật thể. Hiện tại phần mềm chưa có khả năng tính đến ảnh hưởng của gió và sóng đến quỹ đạo trôi của vật thể mà chỉ tính đến tác động của dòng chảy. Để dự báo quỹ đạo trôi của vật thể sát với thực tế cần thiết phải đưa trường gió và sóng dự báo từ mơ hình số trị vào, đây cũng là hướng và dự kiến nghiên cứu tiếp theo của tác giả.
4.2. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy trung bình tháng Radar biển
Để xây dựng sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi đặc trưng theo tháng, tác giả đã sử dụng số liệu trường dịng chảy trung bình của tháng 1 đại diện cho mùa đông và tháng 8 đại diện cho mùa hè để mô phỏng quỹ đạo vật thể trôi cho hai mùa đặc trưng khu vực biển Vịnh Bắc Bộ.
Các thông số đầu vào như sau:
- Trường dịng chảy trung bình tháng 1 (áp dụng cho mùa đơng) và tháng 08 áp dụng cho mùa hè;
- Vị trí vật thể trơi được xây dựng cho 2 kịch bản: kịch bản một, vật thể trơi tập trung tại 3 vị trí (giữa vịnh), Vùng biển Hải Phòng và vùng biển Nghệ An; kịch bản thứ 2 là vật thể nằm rải rác trên toàn vùng biển Vịnh Bắc Bộ;
- Kích thước vật thể (rộng: 5 mét, dài: 20 mét) tương đương một chiếc thuyền đánh cá phổ biến tại Việt Nam;
Hình 38: Quỹ đạo vật thể trơi kịch một theo số liệu dịng chảy trung bình mùa đơng
Theo sơ đồ hình 38 ta thấy, trong mùa đơng, quỹ đạo của các vật thể có vị trí ban đầu ở khu vực giữa Vịnh Bắc bộ và vùng biển có xu hướng trơi xuống phía nam. Các vật thể ở khu vực biển Nghệ An trôi song song với đường bờ vùng biển này theo hướng đơng nam và có xu thế ngày càng sát với bờ. Các vật thể ở giữa Vịnh Bắc Bộ ban đầu trơi theo hướng tây nam về phía vùng biển Thanh Hóa sau đó chuyển hướng nam tây nam và nam có xu hướng song song và tiếp cận dần về phía bờ biển của tỉnh Đồng Hới.
Trong khi đó các vật thể ở khu vực biển Hải Phịng hầu như ít di chuyển và hướng di chuyển là bắc và tây tây bắc.
Hình 39: Quỹ đạo vật thể trôi kịch hai theo số liệu dịng chảy trung bình mùa đơng
Đối với kịch bản hai, vật thể nằm rải rác trên toàn vùng biển Vịnh Bắc bộ trong mùa đông nhận thấy rằng quỹ đạo các vật thể trơi theo hồn lưu của trường dịng chảy trung bình trong mùa đơng, cụ thể: Các vật thể ở khu vực giữa và phía tây vịnh có xu hướng chảy về phía bờ và tiếp cận dần với đường bờ xi về phía nam, các vật thể ở phía tây nam đảo Hải Nam có xu hướng đi vào trong vịnh, tại khu vực phía bắc vịnh các vật thể trơi theo quỹ đạo trùng với hoàn lưu nghịch của trường dịng chảy.
Hình 40: Quỹ đạo vật thể trơi kịch một theo số liệu dịng chảy trung bình mùa hè hè
Theo sơ đồ hình 40 ta thấy, trong mùa hè, quỹ đạo của các vật thể có vị trí ban đầu ở khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ di chuyển chậm theo hướng tây bắc vì tại khu vực này là gần với gần tâm của xoáy nghịch. Các vật thể ở vùng biển Nghệ An di chuyển rất nhanh. Lúc đầu vật thể trôi theo hướng đông nam song song với đường bờ tỉnh Nghệ An và Thanh Hóa sau đó chuyển sang hướng đơng về phía giữa vịnh. Các vật thể ở khu vực biển Hải Phịng cũng trơi mạnh về phía đơng và đơng đơng bắc. Đây là phu vực thuộc rìa phía bắc của hoàn lưu nghịch trung tâm vịnh trong những tháng mùa hè.
Hình 41: Quỹ đạo vật thể trơi kịch hai theo số liệu dịng chảy trung bình mùa hè
Đối với kịch bản hai, trong những tháng mùa hè nhận thấy rằng quỹ đạo các vật thể nằm rải rác trên toàn vùng biển Vịnh Bắc Bộ theo hồn lưu của trường dịng chảy trung bình trong mùa hè, cụ thể: Các vật thể ở khu vực giữa trôi theo quỹ đạo cùng chiều kim đồng hồ tương ứng với sự tồn tại một xoáy nghịch ở đây, tại khu vực phía bắc vịnh các vật thể trôi theo quỹ đạo trùng với hồn lưu nghịch của trường dịng chảy.
4.3. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy thời gian thực từ radar biển
Dự báo quỹ đạo vật thể trôi theo thời gian thực được thực hiện với trường dịng chảy được dự báo bằng mơ hình dự báo ngắn hạn theo O ’Donnell J (2005) [8]
(STPS) mơ hình này được xây dựng dựa trên cơ sử dự báo dịng triều theo phương pháp bình phương tối thiểu tại các điểm lưới với bộ hằng số hằng số điều hịa phân tích theo chuỗi số liệu quan trắc trong quá khứ. Bộ hằng số điều hòa tại các điểm lưới này liên tục được cập nhật bằng các phân tích chuỗi dịng chảy được cập nhật theo một khoảng thời gian xác định. Vì vậy, kết quả của mơ hình dự báo STPS này thuần túy là trường dịng chảy triều nó chỉ chính xác với bộ hằng số điều hịa được phân tích với thời gian đủ dài và nơi ít ảnh hưởng của dịng chảy gió. Đối với khu vực Vịnh Bắc Bộ, dịng triều là dịng chủ đạo bên cạnh đó thời gian quan trắc của hệ thống radar ở đây được trên 3 năm. Vì vậy, luận văn đã áp dụng kết quả dự báo trường dịng chảy của mơ hình này là đầu vào của mơ hình dự báo quỹ đạo vật thể trôi theo thời gian thực.
Phương pháp dự báo dịng chảy bằng mơ hình STPS
Các thành phần của dòng chảy triều được sử dụng trên hệ tọa độ vng góc với các biến thành phần. Như vậy dòng chảy được phân theo hai thành phần (hướng kinh độ và hướng vỹ độ) tương ứng với hướng x và y. Giả sử cả hai thành phần theo x và y được tạo thành bở tập hợp bởi các thành tuần hoàn với tần số wj thì dịng chảy triều có thể được ký hiệu là Z (t) được biểu diễn như sau:
M j j j j M j j j j t i Y t Y t X t X t Z 1 0 1 0( ) cos( ) ( ) cos( ) ) (
Trong đó mỗi thành phần j trong tổng Z(t) được đưa ra là: ) exp( ) exp( ) ( ) ( ) (t Z t Z t a i i t a i i t Zj j j j j j j j j Trong đó:
Thời điểm hiện tại
Quá khứ Tương lai
Trục thời gian Dữ liệu quan trắc bằng Radar STPS
2 / 1 2 2 2 2 j j j j j SX CY SY CX a ; 2 / 1 2 2 2 2 j j j j j SX CY SY CX a j j j j j SX CY SX CY ; j j j j j SX CY SX CY
Với: CXj Xj cos(j); SXj Xj sin(j); CYj Yjcos(j); SYj Yjsin(j) Các tham số a+, a-, +, - được tính tốn bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Sau khi tính tốn các tham số thiên văn và g dịng chảy tổng hợp được mơ tả như sau:
Z(t) = f(t0)a+ exp[i(V(t0) + u(t0) – g + + 2t)] + f(t0)a- exp[i(g-V(t0) - u(t0) + - 2t)]
= f(t0)exp(i)[ (a+ + a- ) cos (V(t0) + u(t0) + 2t – g) + i(a+ - a- ) sin (V(t0) + u(t0) + 2t – g)]
Đặt (t, t0)= V(t0) + u(t0) + 2t – g ta có :
Z(t) = f(t0)[ (a+ + a- ) cos () cos (t, t0) - (a+ - a- ) sin () sin (t, t0) + if(t0)[ (a+ + a- ) sin () cos (t, t0) - (a+ - a- ) cos () sin (t, t0) Dựa trên các tham số thiên văn đã biết có thể dự báo được dịng chảy triều theo thời gian cho trước.
Các thông số đầu vào như sau:
- Trường dòng chảy dự báo 7 ngày trong tháng 7 và tháng 11 năm 2014, bước thời gian phân tích 1 giờ.
- Vị trí vật thể ltại 04 vị trí tại vùng biển ngồi khơi tỉnh Nghệ An.
- Kích thước vật thể (rộng: 5 mét, dài 20 mét) tương đương một chiếc thuyền.
Hình 42: Trường dịng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 01 tháng 07 năm 2014 bằng mơ hình STPS (thời điểm bắt đầu dự báo)
Hình 43: Trường dòng chảy dự báo lúc 01 giờ ngày 08 tháng 07 năm 2014 bằng mơ hình STPS (thời điểm kết thúc dự báo)
Hình 44: Phân tích quỹ đạo trơi của vật thể sau 7 ngày trong tháng 7 năm 2014 Theo hình 44 về kết quả dự báo quỹ đạo trôi của vật thể trong 7 ngày từ ngày 01 đến 08 tháng 7 năm 2014 ta các vật thể di chuyển chủ yếu theo hướng bắc, Sau 7 ngày các vật thể này trơi trung bình được quãng đường dài 40 km, với tốc độ trung bình là 0.2 km/giờ.
Hình 45: Trường dịng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 01 tháng 11 năm 2014 bằng mơ hình STPS (thời điểm bắt đầu dự báo)
Hình 46: Trường dịng chảy dự báo lúc 00 giờ ngày 08 tháng 11 năm 2014 bằng mơ hình STPS (thời điểm kết thúc dự báo)
Hình 47: Phân tích quỹ đạo trôi của vật thể sau 7 ngày trong tháng 11 năm 2014
Kết quả dự báo quỹ đạo trôi của vật thể trong 7 ngày từ ngày 01 đến 08 tháng 11 năm 2014 ta các vật thể di chuyển chủ yếu theo hướng tây nam, tốc độ di chuyển của vật thể lớn hơn so với tháng 7 và đạt khoảng 0.67 km/giờ. Sau 7 ngày các vật thể này trơi trung bình được qng đường dài 125 km trên vùng biển Thanh Hóa.
KẾT LUẬN
1. Luận văn này đã trình bày những ứng dụng số liệu dòng chảy tầng mặt quan trắc bằng radar biển trong việc phân tích chế độ dịng chảy và dự báo quỹ đạo vật thể trôi vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Các kết quả thu được không những phù hợp với một số đặc trưng chế độ đã được cơng bố mà cịn đưa ra được các đặc điểm chi tiết của dòng chảy với độ phân giải cao.
2. Dòng chảy tầng mặt vùng biển Vịnh Bắc Bộ có chế độ thay đổi theo mùa gắn với chế độ của gió tại đây, cụ thể:
Trong tháng các tháng mùa đông, khu vực trung tâm vịnh tồn tại một xoáy thuận với vận tốc trung bình khoảng 10 – 15 cm/s. Khu vực biển phía nam Thanh Hóa và bắc Quảng Bình có vận tốc lớn hơn đạt 25 – 30 cm/s. Phía bắc Vịnh Bắc Bộ tồn tại một xốy nghịch với quy mơ nhỏ, đường kính của xốy nghịch này khoảng 50 – 70 km với vận tốc trung bình khoảng 5 – 8 cm/s;
Trong mùa xn, hồn lưu trung bình tầng mặt Vịnh Bắc Bộ có sự thay đổi nhỏ so với thời gian mùa đông. Tại trung tâm vịnh vẫn tồn tại một xoáy thuận với lượng nước được đưa qua cửa vịnh từ phía bờ tây của đảo Hải Nam với vận tốc trung bình khoảng 8 – 12 cm/s, dòng chảy khu vực biển phía nam Thanh Hóa và bắc Quảng Bình vẫn duy trì vận tốc lớn đạt 18 – 25 cm/s. Xốy nghịch phía bắc của vịnh có xu hướng mở rộng ra và dịch chuyển dần xuống phía nam nhưng đến tháng 5 thì xốy nghịch này bị phá vỡ;
Mùa hè hoàn lưu vùng biển Vịnh Bắc bộ có sự thay đổi khá lớn so với các mùa khác. Khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ hình thành một hồn lưu nghịch. Vận tốc của hồn lưu này khơng lớn, trung bình khoảng 8 – 12 cm/s. Nước duy trì hồn lưu này được đưa lên từ vùng biển phía trung bộ đi lên. Phía bắc vịnh tồn tại một xốy thuận có quy mơ nhỏ, cấu trúc này tồn tại đến hết tháng 8.
Mùa thu, hồn lưu xốy thuận khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ được thiết lập lại.