Báo cáo " Biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vịnh Bắc Bộ là khu vực nghiên cứu khá lý tưởng do vùng này chịu các tác động phức tạp của các sông, sự phân hóa trường gió và chế độ nhiệt trên mặt biển. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành hoàn thiện mô hình MDEC3D đến nay đã có thể sử dụng mô hình thủy nhiệt động lực 3 chiều hệ các phương trình nguyên thủy để tính toán và dự báo các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo " Biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 Biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Hà Thanh Hương* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013 Tóm tắt. Vịnh Bắc Bộ là khu vực nghiên cứu khá lý tưởng do vùng này chịu các tác động phức tạp của các sông, sự phân hóa trường gió và chế độ nhiệt trên mặt biển. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành hoàn thiện mô hình MDEC3D đến nay đã có thể sử dụng mô hình thủy nhiệt động lực 3 chiều hệ các phương trình nguyên thủy để tính toán và dự báo các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu. Trong bài báo này tập trung chủ yếu nghiên cứu biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình khí tượng. 1. Đặt vấn đề hoàn lưu thông qua việc sử dụng các kết quả của mô hình khí tượng. Bài toán xác định cấu trúc hoàn lưu biển đã và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực của trường này trong 2. Hệ thống mô hình các ngành công nghiệp biển. Vịnh Bắc Bộ là khu vực phát triển kinh tế Mô hình 3D thuỷ động lực học của Trung du lịch chiến lược của nước ta, vì vậy việc xác tâm Động lực học Thủy khí Môi trường có khả định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh có ý năng dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối nghĩa vô cùng quan trọng trong bối cảnh phát trên các khu vực phức tạp và có nhiều biên hở, triển kinh tế - xã hội hiện nay khi mà các hoạt với lưới tính có độ phân giải lựa chọn khác động kinh tế của con người gây ảnh hưởng nhau tùy thuộc yêu cầu của các bài toán thủy nghiêm trọng cho vùng Vịnh này. động lực học. Mô hình thủy nhiệt động lực 3D đã được Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng kiểm chứng nhiều lần thông qua các đề tài hệ các phương trình thuỷ nhiệt động học KHCN06-02, KC09.17, KC09.23… Trong bài nguyên thuỷ: báo này tập chung chủ yếu xác định cấu trúc .v   0 (1) u   ~ u   v.u  fe 3 u   h q    x   (2) t xi  i  _______  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-3////////////. E-mail: ////////////// 80
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 81 T   ~ T  mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ T   xi   x   v.T  (3) t thường sang hệ tọa độ cong như sau:  i ˆ t t S   ~ S S   xi   x   v.S  (4) ˆ X1  X1 t  i  ˆ 2 X X 2 2 ~ ˆ k ~ u ~ b b   k  ~ k (5) X 3  X 3 (t , X 1 , X 2 , X 3 )  v.k       x    t x3 x3 xi  i 2.1. Các số liệu đầu vào được áp dụng trong 2 ~ mô hình MDEC3D bao gồm:   ~ u ~ b b   ~   (6)   v.  ( 1 2    xi   x    3 )  t k x3 x3  i - Trường ban đầu 3D nhiệt độ - Trường ban đầu 3D muối ban đầu trong đó: - Trường ban đầu 2D mực nước      e1  e2  e3 ; - Trường ban đầu 3D vận tốc u,v x1 x2 x3 - Trường ban đầu 3D động năng rối    h  e1  e2 Các tác động : x1 x2 v  u  u3 e3 ; - Trường khí áp (3D theo thời gian)   0 - Trường thông lượng nhiệt (3D theo thời gian) b g  b(T , S ) ; 0 Trường gió trên mặt biển (gió 10m) (3D p theo thời gian) q  gx3   ; ~ k k 2 ; k 1 0  Các tham số được tiến hành hiệu chỉnh cho 16 phù hợp với vùng nghiên cứu. ở đây, f=2cos - tần số coriolis, i - các hệ số Một số đặc điểm của trường ban đầu: ~ khuếch tán, v - nhớt rối, i - các hệ số không - Trường nhiệt độ và độ muối được xây thứ nguyên o(1),  - thế của lực tạo triều,  - dựng ban đầu theo profile chuẩn. mật độ nước biển (0 - giá trị gốc). - Trường vận tốc ban đầu u, v được giả định Đối với những vùng biển có các khu vực có là 0. độ sâu lớn như biển đông, việc ứng dụng Việc xác định các trường khí áp, thông phương pháp số giải bài toán 3d luôn phức tạp lượng nhiệt, thông lượng ẩm, gió mặt biển ban do bài toán liên quan đến địa hình thực tế phức đầu được cập nhật từ các kết quả của mô hình tạp. trong khi phát triển các phương pháp số dự báo khí tượng của đề tài KC09.16 và được triển khai các mô hình đại dương và khí quyển, nội suy cho phù hợp với lưới tính của mô hình. việc sử dụng hệ tọa độ cong đã và đang được sử dụng rộng rãi. 2.2. Các điều kiện biên áp dụng trong mô hình Trong thực tiễn mô hình hóa hệ thống biển, dự báo phương pháp chuyển đổi sang hệ tọa độ z (x3) - Tại biên mặt và đáy biển sử dụng điều tựa cong theo  đã được nghiên cứu và sử kiện không trao đổi vật chất qua biên. dụng trong mô hình MDEC3D, có thể đưa ra
82 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 - Tại biên đất sử dụng điều kiện không suất khí quyển, gió và các thông lượng nhiệt, thấm. thông lượng ẩm, năng lượng trao đổi qua mặt - Tại biên biển sử dụng gradien theo hướng phân cách biển và khí quyển, được cập nhật từ pháp tuyến bằng 0. kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16/06-10. - Tại biên cửa sông sử dụng số liệu lưu lượng chuỗi phân tích trung bình từng tháng Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên trong năm cho toàn bộ hệ thống sông: sông Cả, biển hở ở các cửa sông với chuỗi số liệu thủy sông Mã, sông Hồng với nguồn số liệu thuỷ văn. văn. 2.3 Các điều kiện trong triển khai mô hình 3. Kết quả tính toán hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên quả cho xác định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ khu vực Vịnh Bắc Bộ nhất thiết phải sử dụng Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông điều kiện biên cửa sông thực tế. Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ Từ cơ sở dữ liệu WOA chúng tôi xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn kết hợp với cơ Nằm trên khu vực đông – nam Châu Á một sở dữ liệu của MODAS (trung tâm nghiên cứu trong những trung tâm hoạt động mạnh mẽ nhất của hải quân Mỹ) nhiệt độ tầng mặt cập nhật của gió mùa. Sự phức tạp của điều kiện địa hình hàng ngày để xây dựng nên trường 3D nhiệt khu vực vịnh với bờ biển khúc khuỷu tạo thành muối làm cơ sở xây dựng các trường ban đầu nhiều vũng, vịnh ở ven bờ. Vùng ven bờ phía cho mô hình. tây vịnh có khoảng 2.300 đảo, tập trung ở khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng, sự có mặt của Những tham số vật lý của mô hình được các hệ thống đảo làm cho địa hình đáy quanh đưa vào thông qua các sơ đồ tham số hóa các vịnh trở nên rất phức tạp đã tạo nên sự đa dạng quá trình và hiện tượng thủy nhiệt động lực và biến động lớn của phân bố không gian và biển và phụ thuộc nhiều vào quy mô các quá thời gian các trường khí tượng, thủy văn và trình cần mô phỏng. động lực vịnh Bắc Bộ. Các hệ số trao đổi rối ngang thường được Vịnh Bắc Bộ là một trong hai vịnh lớn nhất lấy theo một giá trị không đổi cho toàn vùng thuộc khu vực Biển Đông nằm ở phía tây bắc biển và khác nhau đối với trao đổi động lượng Biển Đông (trong khoảng 17000’N – 21030’N, và nhiệt, hệ số trao đổi rối thẳng đứng được tính 105040’E – 110000’E) là một vịnh nửa kín nước theo công thức phụ thuộc vào hệ số tản mát nông. Ba mặt vịnh được bao bọc bởi lục địa năng lượng rối. Việt Nam ở phía tây, Trung Quốc ở phía bắc và Các trường điều kiện ban đầu thường có bán đảo Lôi Châu, đảo Hải Nam ở phía đông. dạng 3D đối với các biến nhiệt độ, độ muối, Độ sâu vịnh Bắc Bộ không lớn, trung bình mực nước, các thành phần của vận tốc và động khoảng 45m chiếm tới 60% diện tích đáy, giữa năng rối. vịnh lệch về phía đông có một rãnh sâu (70 – 80 Các trường điều kiện biên trên mặt phân m) chạy kéo dài lên gần bắc vịnh. Sự trao đổi cách biển – khí quyển bao gồm các trường áp nước với Biển Đông thông qua rãnh này đã làm
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 83 cho nhiệt độ nước tầng đáy trong vịnh không (đảo Bạch Long Vĩ) đạt xấp xỉ 6,3 m/s trong xuống dưới 170C ở phần phía bắc và 23 – 240C mùa gió tây nam và 7,6m/s trong mùa gió đông ở phía nam. bắc, trong giông và bão tốc độ gió là rất lớn vào Trong nghiên cứu này sử dụng địa hình với khoảng 25 – 30 m/s. lưới tính 3 chiều (151,181,8) và bước lưới của Đặc điểm cơ bản của trường áp khu vực này địa hình 2 chiều là 2’ như hình dưới. là vai trò ảnh hưởng trực tiếp của các trung tâm 22 khí áp cơ bản bắc bán cầu như cao áp Xiberi trong mùa đông, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp 15 vùng áp thấp Vân nam- Bắc Đông Dương trong 21 mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa. 20 25 40 3.2. Các kết quả xác định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ y 19 Trước hết cần khẳng định rằng, hoàn lưu 70 trên mặt biển thu được trong tính toán này đảm 18 bảo độ chi tiết hơn các cấu trúc không gian nhưng cũng phản ánh đầy đủ các quy luật chủ 90 yếu như đã thu được trong các thử nghiệm của 0 17 20 đề tài KHCN 06-02 [1] và KC09.17/01-05 trước đây. Các kết quả này cũng đã được so sánh với các kết quả phân tích và cho thấy tính 16 105 106 107 108 109 110 x hợp lý của chúng. Địa hình khu vực vịnh Bắc Bộ sử dụng tính toán trong mô hình. Bên cạnh ảnh hưởng chính của trường gió tác động trên mặt biển, các trường dòng chảy Vịnh Bắc Bộ chịu sự chi phối lớn từ phía mùa đông vùng vịnh Bắc bộ đã thể hiện được lục địa, mật độ sông ngòi đổ ra biển thuộc loại đặc điểm của ảnh hưởng lưu lượng nước sông. khá cao trong đó có những sông lớn như sông Cùng với lưu lượng nước sông đổ ra tại các cửa Hồng, sông Cả, sông Mã,..Với điều kiện địa sông không lớn trong các tháng 1 và 2, kết hợp hình đó hoàn lưu Vịnh chịu ảnh hưởng rất lớn với hướng gió mùa này là gió đông bắc tạo ra của điều kiện khí tượng- thủy văn cục bộ. dòng chảy ven bờ tây có xu hướng chảy xuống Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc phía nam hình thành nên xoáy thuận lớn trên Bộ phần tây nam vịnh (các hình 1, 2). Ở phía đông bắc vịnh đã hình thành nên 1 xoáy nghịch nhỏ Nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió tạo nên dòng chảy dọc bờ tây Hải Nam. mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp suất khí quyển, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí Nét điển hình của hoàn lưu lớp mặt vịnh biến động rất lớn. Nhìn chung tốc độ gió trong Bắc bộ là ở nửa phía Nam vịnh luôn tồn tại mùa đông bắc mạnh hơn tốc độ gió trong mùa dòng chảy hướng xuống phía nam ra ngoài cửa vịnh và nhập vào hoàn lưu chung của Biển tây nam. Theo kết quả thống kê cho thấy, tốc độ gió trung bình nhiều năm ở khu vực giữa vịnh Đông, vị trí dòng chảy này thay đổi theo mùa.
84 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 1. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 1. Hình 2. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 2. 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 3. Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 1. Hình 4. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 1. Dòng này trong thời kỳ mùa đông có cường nước tầng dưới mặt đi vào vịnh trên phần nửa độ mạnh hơn so với mùa hè. phía đông nhưng cường độ giảm dần theo độ Trong các tháng mùa đông, hoàn lưu tại các sâu. Điều này có thể thấy được qua các bản đồ lớp nước sâu hơn vẫn giữ được xu thế như ở lớp hoàn lưu tầng 10 m và 30m (hình 3, 4) vào mặt, vẫn thấy rõ hiện tượng xâm nhập của khối tháng 1.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 85 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 5. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5. Hình 6. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 5. Kết quả mô hình cho thấy từ tháng 5 dòng phía nam, đông nam trên phần lớn nửa nam chảy tầng mặt mùa hè ven bờ phía tây vịnh Bắc vịnh. Dòng chảy ở tầng sâu hơn có chiều hướng bộ đi về hướng bắc (hình 5) tuy nhiên vẫn thấy ngược lại, trên phần phía đông của nửa Bắc sự hiện diện của một xoáy thuận ở phía bắc Vịnh dòng chảy lại ngược hướng với tầng mặt. vịnh dẫn đến sự hình thành dòng chảy đi về 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 7. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 7. Hình 8. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 8.
86 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 22 22 21 21 20 20 19 19 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 Hình 9. Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 của để tài Hình 10. Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 của để tài KC09.17 (Nguyễn Thế Tưởng chủ trì). KC09.17 (Nguyễn Thế Tưởng chủ trì). Tại khu vực cửa vịnh thường tồn tại xoáy m và 30m (hình 11,12) vào tháng 7. So sánh nhỏ, quy mô và vị trí tương đối của xoáy này trường dòng chảy các tầng sâu hơn với trường thay đổi theo mùa phụ thuộc vào ảnh hưởng của dòng chảy mặt ta thấy ảnh hưởng của lưu lượng hoàn lưu lớp mặt Biển Đông. Với hoàn lưu tầng nước sông không còn tồn tại đến tầng 30m, tại mặt mùa hè trong nghiên cứu này có thể xác tầng này đã xuất hiện hướng dòng chảy đi về định rõ sự hiện diện của một xoáy nghịch ở phía các cửa sông điều này thể hiện khác với phía nam vịnh và xoáy thuận ở phần bắc vịnh dòng chảy lớp mặt do lớp mặt chịu ảnh hưởng (hình 7, 8) so sánh với kết quả nghiên cứu mô của lưu lượng nước sông lớn vào mùa hè (hình hình trước đây chưa thể hiện được rõ phần xoáy 12). Phần trung tâm bờ tây vịnh nơi có các cửa nghịch ở phía nam Vịnh (hình 9, 10) [2]. sông lớn đổ ra hoàn lưu tầng sâu có xu thế trái Trong các tháng mùa hè, hoàn lưu tại các ngược hẳn so với tầng mặt ở khoảng cách xa bờ lớp nước sâu hơn có xu thế chảy hơi ngược so 30km đã không còn nhận thấy ảnh hưởng của với lớp mặt ở phần trung tâm vịnh. Điều này có lưu lượng sông đến hoàn lưu của vịnh. thể thấy được qua các bản đồ hoàn lưu tầng 10
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 87 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 11. Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 7. Hình 12. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 7. Sang tháng 9 đã thấy sự tranh chấp mạnh mùa hè nhưng phần trung tâm vịnh dòng chảy mẽ hướng dòng gió mùa đông bắc và gió mùa đã chuyển hướng dần sang xu thế mùa đông. tây nam, thấy rõ vùng ảnh hưởng lớn của lưu Sang tháng 10 vùng nước nông ven bờ tây Vịnh lượng nước sông làm cho cường độ dòng chảy dòng chảy đã tuân theo hướng dòng gió mùa giảm đáng kể và tạo nên các xoáy nhỏ cục bộ đông bắc, ở phần đông nam vịnh đã thấy sự chạy dọc từ cửa Ba Lạt đến cửa Cả ( hình 13). xâm nhập của dòng nước Biển Đông vào vịnh Ở phần Bắc Vịnh và phần lớn cửa nam vịnh (hình 14). dòng chảy vẫn có xu thế của trường dòng chảy 22 22 0.2 m/s 0.2 m/s 21 21 20 20 19 19 y y 18 18 17 17 16 16 105 106 107 108 109 110 105 106 107 108 109 110 x x Hình 13. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 9. Hình 14. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 10.
88 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 4. Kết luận Tài liệu tham khảo Như vậy, các kết quả tính toán biến động [1] Đinh Văn Ưu, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN 06- 02 “Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) thuỷ nhiệt cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ trên bước lưới động lực học biển Đông và ứng dụng của chúng” chi tiết hơn của mô hình MDEC đã cho thấy năm 2000. những phát triển mới trong quá trình lý giải [2] Nguyễn Thế Tưởng, Báo cáo tổng kết đề tài KC- trường hoàn lưu trong Vịnh, đã khẳng định tính 09-17 “Điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường vịnh Bắc Bộ”, hiệu quả của mô hình. Trên cơ sở này, chúng ta Trung tâm Thông tin-Tư liệu Quốc gia, Hà Nội, hoàn toàn có cơ sở khẳng định khả năng triển 2005. khai mô hình dự báo cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc bộ và các vùng biển cụ thể khác. Gulf of Tonkin circulation structure fluctuation Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Tonkin gulf is an ideal area for research as this region is under the complicated effects of the rivers, the differentiation of the wind field and thermal regime on the sea surface. In the recent year, after the improvement of the MDEC3D model, this model can be applied with the 3D hydro- thermodynamic of the primitive system of equations to compute and predict hydrological fields on the studied sea region. This paper concentrates mainly on the study of the variation of circulation structure in Tonkin gulf through the uses of results from meteorological models.