Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn Biển Đông bằng mô hình MDEC3D "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

99
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Để đáp ứng mục tiêu dự báo ngắn hạn trường các yếu tố thủy văn biển, vấn đề dự báo các trường hải dương được xem là trọng tâm. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành các bước chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình MDEC3D đến chuẩn hóa các trường ban đầu, hiện 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 hạn ngắn các trường thủy văn biển trên khu...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn Biển Đông bằng mô hình MDEC3D "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn Biển Đông bằng mô hình MDEC3D Hà Thanh Hương* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Để đáp ứng mục tiêu dự báo ngắn hạn trường các yếu tố thủy văn biển, vấn đề dự báo các trường hải dương được xem là trọng tâm. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành các bước chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình MDEC3D đến chuẩn hóa các trường ban đầu, hiện n ay 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 hạn ngắn các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu. Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho thử nghiệm dự báo hạn ngắn các trường nhiệt đ ộ, dòng chảy thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình dự báo khí tượng. 1. Đặt vấn đề1 năng dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối trên các khu vực phức tạp và có nhiều biên hở, Bài toán dự báo các trường thủy văn biển đã với lưới tính có độ phân giải lựa chọn khác và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi nhau tùy thuộc yêu cầu của các bài toán thủy tính ứng dụng thiết thực của các trường này động lực học. trong các ngành công nghiệp biển. Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng Do yêu cầu của vấn đề đặt ra chúng tôi chú hệ các phương trình thuỷ nhiệt động học trọng trước hết đến các trường nhiệt độ, độ nguyên thuỷ: muối và dòng chảy, trong đó mô hình thủy nhiệt động lực 3D đã được kiểm chứng nhiều (1) . v 0 lần thông qua các đề tài KHCN06-02, u u ~ (2) v. u fe 3 u q KC09.23… Trong bài báo này tập chung chủ h t xi xi yếu tới dự báo các trường nhiệt độ, dòng chảy thông qua việc sử dụng các kết quả dự báo các ~T T T (3) v. T mô hình khí tượng. t xi x i ~S S S (4) v. S 2. Hệ thống mô hình t xi x i Mô hình 3D thuỷ động lực học của Trung 2 ~ ~ u (5) tâm Động lực học Thủy khí Môi trường có khả ~b ~k k b k v. k t x3 xi x x3 _______ i * ĐT: 84-4-38584945 E-mail: huonght@vnu.edu.vn 126
127 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 2 - Trường ban đầu 2D mực nước ~ u ~ ~b (6) b ~ - Trường ban đầu 3D vận tốc u,v v. (1 ) 2 3 t k x3 xi x x3 i - Trường ban đầu 3D động năng rối trong đó: Các tác động : e1 e2 e3 ; - Trường khí áp (3D theo thời gian) x1 x2 x3 - Trường thông lượng nhiệt (3D theo thời gian) e1 e2 h x1 x2 Trường gió trên mặt biển(gió 10m) (3D v u u3 e3 ; theo thời gian) b(T , S ) ; Các tham số được tiến hành hiệu chỉnh cho 0 b g phù hợp với vùng nghiên cứu [1]. 0 p ; ; k1 2 q gx3 Một số đặc điểm của trường ban đầu: kk ~ 0 16 - Trường nhiệt độ và độ muối được xây ở đây, f=2 cos - tần số coriolis, - các hệ số dựng ban đầu từ số liệu tầng mặt theo profile i ~ chuẩn khí hậu. khuếch tán, v - nhớt rối, i - các hệ số không - Trường vận tốc ban đầu u, v được thiết lập thứ nguyên o(1), - thế của lực tạo triều, - theo phương pháp tách mod mật độ nước biển ( 0 - giá trị gốc). Việc xác định các trường khí áp, thông Đối với những vùng biển có các khu vực có lượng nhiệt, thông lượng ẩm, gió mặt biển ban độ sâu lớn như Biển Đông, việc ứng dụng đầu được cập nhật từ các kết quả của mô hình phương pháp số giải bài toán 3D luôn phức tạp dự báo khí tượng của đề tài KC09.16 và được do bài toán liên quan đến địa hình thực tế. nội suy cho phù hợp với lưới tính của mô hình. Trong khi phát triển các phương pháp số triển khai các mô hình đại dương và khí quyển, việc 2.2. Các điều kiện biên áp dụng trong mô hình sử dụng hệ tọa độ cong đã và đang được sử dự báo dụng rộng rãi. - Tại đáy biển sử dụng điều kiện không trao Trong thực tiễn mô hình hóa hệ thống biển, đổi vật chất qua biên đối với nhiệt độ và độ phương pháp chuyển đổi sang hệ tọa độ z (x3) muối. tựa cong theo đã được nghiên cứu và sử - Tại biên đất sử dụng điều kiện không thấm dụng trong mô hình MDEC3D. Có thể đưa ra đối với nhiệt độ và độ muối. mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ thường sang hệ tọa độ cong như sau: - Đối với động lượng rối, điều kiện liên túc ˆ ˆ của thông lượng được áp dụng. tt X2 X2 ˆ ˆ - Tại biên hở biển và cửa sông sử dụng các X1 X1 X X 3 (t , X 1 , X 2 , X 3 ) 3 điều kiện biên tương ứng cho các biến 2D và 2.1. Các số liệu đầu vào được áp dụng trong 3D. mô hình MDEC3D bao gồm: - Tại biên cửa sông sử dụng số liệu chuỗi phân tích hoặc số liệu thực đo với nguồn số liệu - Trường ban đầu 3D nhiệt độ thuỷ văn. - Trường ban đầu 3D muối ban đầu
128 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 2.3. Các điều kiện trong triển khai mô hình Với z là khoảng cách tính từ đáy. Hệ số cho ta dạng phân bố của hệ số rối, đảm bảo điều Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu kiện liên tục của quãng đường xáo trộn l tăng từ quả cho dự báo hạn ngắn khu vực Biển Đông đáy đến giá trị cực đại Lmax. Đối với mô hình nhất thiết phải sử dụng điều kiện biên lỏng thực này Lmax được lấy bằng 20m tương ứng giá trị tế trong đó không thể bỏ qua trao đổi nước với được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu biển và các biển kề cận [2]. Mặt khác các điều kiện ban đại dương, giá trị được lấy bằng 0.5 tương đầu và điều kiện biên trên mặt biển cũng phải ứng phân bố phổ biến của hệ số rối trong các đáp ứng được nguyên tắc về trường tức thời cho vùng biển nông ( Delher E và G. Martin, 1992). dự báo hạn ngắn. Trong mô hình số khi bước lưới theo Đối với cơ sở dữ liệu nhiệt- muối, có thể phương thẳng đứng lớn hơn độ dày lớp biên nói rằng các số liệu từ các trạm biển sâu dạng logarit, hệ số ma sát đáy được rút ra từ kết quả trên Biển Đông đã được tập hợp khá đầy đủ mô hình hóa thủy triều Biển Đông, CD=2,5.10-3. trong World Ocean Atlas 2001 (Woa2001) do Các trường điều kiện ban đầu thường có NODC- NOAA (Mỹ) và được cập nhập bổ sung dạng 3D đối với các biến nhiệt độ, độ muối, thường xuyên. Từ cơ sở dữ liệu này chúng tôi mực nước, các thành phần của vận tốc và động xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn khí năng rối. hậu. Trường 3D nhiệt độ làm điều kiện ban đầu kết hợp với cơ sở dữ liệu nhiệt độ tầng mặt cập Các trường điều kiện biên trên mặt phân nhật hàng ngày được tính toán xây dựng nên cách biển – khí quyển bao gồm các trường áp trường 3D nhiệt muối làm cơ sở xây dựng các suất khí quyển, gió và các thông lượng nhiệt, trường ban đầu cho mô hình [3]. thông lượng ẩm, năng lượng trao đổi qua mặt phân cách biển và khí quyển, được cập nhật liên Những tham số vật lý của mô hình được tục theo ốp 4 giờ từ kết quả của mô hình dự báo đưa vào thông qua các sơ đồ tham số hóa các khí tượng của đề tài KC09.16/06-10. Các quá trình và hiện tượng thủy nhiệt động lực trường điều kiện biên này được áp đặt liên tục biển và phụ thuộc nhiều vào quy mô các quá lên lớp nước trên cùng của biển. trình cần mô phỏng. Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên Các hệ số trao đổi rối ngang thường được biển hở ở các cửa sông, tuy nhiên do không có lấy theo một giá trị không đổi cho toàn vùng chuỗi số liệu đo đạc thực tế chúng tôi sử dụng biển và khác nhau đối với trao đổi động lượng trường giá trị không đổi tương ứng với tháng và nhiệt. Hệ số trao đổi rối thẳng đứng được của thời điểm chạy dự báo. tính theo công thức phụ thuộc vào hệ số tản mát năng lượng rối. Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình hệ số 3. Kết quả thử nghiệm dự báo hạn ngắn trao đổi rối ngang được lựa chọn là 10+3 m2/s. Hệ số rối thẳng đứng được xác định theo lý 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên thuyết rối biển trong công thức bán thực Biển Đông nghiệm trong đó ln 3 cần được xác định theo - Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông biểu thức: Nằm trên khu vực đông – nam Châu Á một ln kZ 1 (Z / H trong những trung tâm hoạt động mạnh mẽ nhất 3 của gió mùa. Sự phức tạp của điều kiện địa hình
129 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 biển và bờ đã tạo nên sự đa dạng và biến động suất khí quyển, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí lớn của phân bố không gian và thời gian các biến động rất lớn. trường khí tượng, thủy văn và động lực Biển Đặc điểm cơ bản của trường áp khu vực này Đông. là vai trò ảnh hưởng trực tiếp của các trung tâm Trên tổng số gần 4 triệu km2 diện tích bề khí áp cơ bản bắc bán cầu như cao áp Xiberi mặt, gần một nửa là các vịnh, eo biển và thềm trong mùa đông, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp lục địa với độ sâu dưới 100 m kéo dài dọc bờ vùng áp thấp Vân nam- Bắc Đông dương trong tây biển từ 50S đến 250N. Vùng biển nông được mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái nối với biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa. và biển Java qua eo Malaca. Khu vực biển sâu 3.2. Các kết quả thử nghiệm dự báo. chiếm toàn bộ phần trung tâm và đông bắc biển với hai eo biển sâu Bashi – Luzon sâu trên 5000 Kết quả tính toán dự báo trường nhiệt độ 3 m và Midoro sâu trên 2000 m nối với Thái Bình ngày bắt đầu từ 0h ngày 17 tháng 11 năm 2010 Dương và biển Sulu. Sự phân bố đó cũng kèm cho thấy xu thế chung của phân bố trường nhiệt theo các dạng địa hình bờ biển phức tạp như độ trên Biển Đông về định tính giống với trung dốc lớn tại các bờ biển sâu như miền trung Việt bình nhiều năm nhưng về định lượng thì cao Nam, tây Philippines, Kalimantan. hơn hẳn trung bình nhiều năm, thể hiện rõ ràng Tuy là một biển ven đại dương nhưng Biển nhất ở khu vực phía Bắc và giữa Biển Đông. Đông có thể được xem như một thủy vực biển Điều này hoàn toàn thực tế do nền nhiệt biển gần như kín. Do các vùng biển sâu nằm tập tháng 11 năm 2010 cao hơn hẳn trung bình trung tại khu vực trung tâm biển kết nối với các nhiều năm. Từ bản đồ phân bố nhiệt độ tầng eo biển sâu như Bashi, Midoro nên ảnh hưởng mặt ngày 17/11/2010 (hình 1b) và dự báo từ mô của trao đổi nước lên các vùng biển nông trong hình (hình 1c) cho thấy cả về định tính và định các vịnh rất hạn chế. Với điều kiện địa hình đó lượng đều tương đối giống nhau. Khả năng dự chế độ nhiệt, muối và dòng chảy toàn Biển báo của mô hình khá sát với thực tế. Đông chịu ảnh hưởng rất lớn của điều kiện khí Đã thấy xuất hiện trở lại dòng nước lạnh ở tượng- thủy văn cục bộ. vùng biển nam Trung Quốc chảy men theo đảo - Các điều kiện khí tượng khu vực Biển Hải Nam xuống dưới kéo theo nền nhiệt toàn Đông miền giảm hẳn. Tháng 11 các front nhiệt đã phát triển mạnh trở lại nền nhiệt độ đã bị chia Nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió cắt thành 2 miền rõ rệt, lạnh ở phía bắc và ấm ở mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp phía nam.
130 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 23 26 20 25.5 26.5 15 26.5 5 2 7. 29 28.5 10 28 5 100 1 05 11 0 11 5 1 20 Hình 1(a). Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm. Hình 1(b). Phân bố nhiệt độ nước mặt trung bình ngày 17 tháng 11 năm 2010 theo số liệu viễn thám .
131 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 24 24 20 20 25 25 15 15 26.5 26.5 27.5 27.5 .5 .5 28 28 28.5 28.5 10 10 5 5 10 0 1 05 110 11 5 120 10 0 1 05 110 11 5 120 Hình 1(c). Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010. 23.5 23.5 20 20 25 25 15 15 26.5 26.5 27.5 27.5 28.5 29 28.5 28.5 10 10 5 5 10 0 1 05 110 11 5 120 10 0 1 05 110 11 5 120 Hình 2. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6 h (trái) và 18h (phải) ngày 18/11/2010. Nhiệt độ giảm mạnh ở các vùng nước nông thông lượng nhiệt tổng cộng trao đổi giữa biển ven bờ do sự phân hóa trường gió, áp điều này và khí quyển. Sự phân hóa trường nhiệt độ sau phù hợp và phản ánh được những đặc điểm cơ 3 ngày cho thấy sự thu hẹp ảnh hưởng của các bản của cấu trúc vật lý thuỷ văn biển trong điều front nhiệt ra xa giữa Biển Đông. kiện hoạt động thường xuyên của gió mùa và
132 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 23.5 23.5 20 20 25 25 15 15 26.5 26.5 27.5 27.5 28.5 28.5 28.5 28.5 10 10 5 5 10 0 1 05 110 11 5 120 10 0 1 05 110 11 5 120 Hình 3. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 19/11/2010. 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 1 00 10 2 104 10 6 10 8 1 10 112 1 14 11 6 1 18 12 0 Hình (4a): Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm. Tháng 11 trường gió chuyển hướng đông Đông dòng chảy vẫn tồn tại các xoáy nghịch bắc, hoàn lưu hình thành nên các xoáy cục bộ, ở theo hướng của dòng nhiệt muối, đây là thời kỳ các vùng ven bờ biển Đông trường dòng chảy quá độ chuyển từ hè sang đông cũng là thời kỳ có hướng đông bắc, ở phần nước sâu giữa biển khó dự báo nhất.
133 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 1 m/s 1 m/s 20 20 4 -0. -0.4 15 15 -0.4 0 -0.4 -0.2 0 0 10 10 5 5 100 105 110 1 15 1 20 100 105 110 1 15 1 20 Hình 4 (b). Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010 . Do sự phân hóa của trường gió cập nhật eo Đài Loan và eo Luzon kéo dài đến tận vỹ theo ốp 4h nên trường dòng chảy tầng mặt có tuyến 7 N-8 N. sự thay đổi khá đáng kể ở vùng nước nông ven Xoáy thuận lớn này thường bị thu hẹp do sự bờ, tuy nhiên xu thế chung vẫn tuân theo dòng hiện diện của các xoáy nghịch quy mô vừa ở chảy trung bình tháng 11. Vẫn thấy sự hiện diện phía đông với vị trí trung bình dịch chuyển theo của một xoáy thuận lớn trên phạm vy toàn bộ hướng đông-tây. Sự xuất hiện của xoáy nghịch biển tuân theo quy luật dòng chảy mùa đông, này có thể do nguyên nhân uốn dòng như ở phía chủ yếu là các vùng nước sâu bị giới hạn bởi đông Hoàng Sa, nhưng cũng có thể do nguyên đường đẳng độ sâu 100 mét. Sự tăng cường của nhân nhiệt xuất phát từ vùng nước ấm tại trung dòng chảy dọc bờ tây Biển Đông xuất phát từ tâm Biển Đông vẫn tồn tại mạnh trong tháng 11. 1 m/s 1 m/s 20 20 -0.4 -0.4 15 15 0 0.2 0.2 0 0 0 10 10 5 5 100 105 110 1 15 1 20 100 105 110 1 15 1 20 Hình 5. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010.
134 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 1 m/s 1 m/s 20 20 -0.4 -0.4 15 15 -0.2 0.2 0.2 0 0 0 10 10 5 5 100 105 110 1 15 1 20 100 105 110 1 15 1 20 Hình 6. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010. Kết luận Tài liệu tham khảo [1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Hệ thống mô hình MDEC3D cho phép tính Lam, Development of system of Hydrodynamic - toán và dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy environmental models for coastal area (Case study văn biển. in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences, T. XXIII, No.1 (2007) Việc triển khai thử nghiệm mô hình dự báo 59. hạn ngắn đối với khu vực Biển Đông trong các [2] Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, monitoring and prediction system for Vietnamese thuỷ văn, hải văn phức tạp mở ra cho ta hướng Sea Waters, The 4th Seminar on Environmental hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp Science and Technology issues related to the Sustainable development for urban and coastal dụng cho các vùng biển nhỏ hơn có tầm chiến area, The 7th General Seminar of CUP between lược kinh tế. JSPS and VAST, Danang, 148. [3] Hà Thanh Hương, Chuẩn bị số liệu và triển khai Lời cảm ơn dự báo điều kiện môi trường theo mô hìn h 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông–xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ, Journal of Những kết quả thu được có sự hỗ trợ kinh Science, T. XXI, No.3AP, (2005) 54. phí của đề tài KC09.16/06-10 và đề tài KC09.23/06-10. Tác giả chân thành cảm ơn.
135 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 26-135 Experimental study on short - term forecast for Bien Dong Sea hydrological fields by MDEC3D model Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Forecasting the oceanological fields is one of the central goals in the problem of short -term forecasting of the ocean-hydrological fields. In the recent years, after carrying out necessary steps to improve our MDEC3D model and normalize the initial fields, we can use the 3D hydro -thermal dynamical model of the system of primary equations to compute and short -term predict of the oceano- hydrological fields in the studied region. In this paper, we concentrate on the experiment of short-term forecasting of the temperature, salty, current fields by using the result of our meteorological forecasting model.