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) 126-135 126 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 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 vực nghiên cứu. Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho thử nghiệm dự báo hạn ngắn các trường nhiệt độ, dòng chảy thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình dự báo khí tượng. 1. Đặt vấn đề1 Bài toán dự báo các trường thủy văn biển đã và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực của các trường này trong các ngành công nghiệp biển. Do yêu cầu của vấn đề đặt ra chúng tôi chú trọng trước hết đến các trường nhiệt độ, độ muối và dòng chảy, trong đó mô hình thủy nhiệt động lực 3D đã được kiểm chứng nhiều lần thông qua các đề tài KHCN06-02, KC09.23… Trong bài báo này tập chung chủ yếu tới dự báo các trường nhiệt độ, dòng chảy thông qua việc sử dụng các kết quả dự báo các mô hình khí tượng. 2. Hệ thống mô hình Mô hình 3D thuỷ động lực học của Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường có khả _______ * ĐT: 84-4-38584945 E-mail: huonght@vnu.edu.vn năng dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối trên các khu vực phức tạp và có nhiều biên hở, với lưới tính có độ phân giải lựa chọn khác nhau tùy thuộc yêu cầu của các bài toán thủy động lực học. Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng hệ các phương trình thuỷ nhiệt động học nguyên thuỷ: 0. v (1) ii h x u x qufeuv t u ~ 3. (2) i x T x Tv t T T i ~ . (3) i x S x Sv t S S i ~ . (4) i x k xx b kv t k k i b x u ~ 3 ~ 2~ 3 ~ . (5) H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 127 i xxx b k v t i b x u ~ 3 3 ~ 2 2~ ) 3 ~ 1 (. (6) trong đó: ; 3 3 2 2 1 1 x e x e x e 2 2 1 1 x e x eh 33euuv ; ),( 0 0 STbgb ; 3 0 gx p q ; 16 2~ kk ; k 1 ở đây, f=2 cos - tần số coriolis, i - các hệ số khuếch tán, ~ v - nhớt rối, i - các hệ số không thứ nguyên o(1), - thế của lực tạo triều, - mật độ nước biển ( 0 - giá trị gốc). Đối với những vùng biển có các khu vực có độ sâu lớn như Biển Đông, việc ứng dụng phương pháp số giải bài toán 3D luôn phức tạp do bài toán liên quan đến địa hình thực tế. Trong khi phát triển các phương pháp số triển khai các mô hình đại dương và khí quyển, việc sử dụng hệ tọa độ cong đã và đang được sử dụng rộng rãi. Trong thực tiễn mô hình hóa hệ thống biển, phương pháp chuyển đổi sang hệ tọa độ z (x3) tựa cong theo đã được nghiên cứu và sử dụng trong mô hình MDEC3D. Có thể đưa ra mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ thường sang hệ tọa độ cong như sau: 11 ˆ ˆ XX tt ),,,(ˆ ˆ 32133 22 XXXtXX XX 2.1. Các số liệu đầu vào được áp dụng trong mô hình MDEC3D bao gồm: - Trường ban đầu 3D nhiệt độ - Trường ban đầu 3D muối ban đầu - Trường ban đầu 2D mực nước - Trường ban đầu 3D vận tốc u,v - Trường ban đầu 3D động năng rối Các tác động : - Trường khí áp (3D theo thời gian) - Trường thông lượng nhiệt (3D theo thời gian) Trường gió trên mặt biển(gió 10m) (3D theo thời gian) Các tham số được tiến hành hiệu chỉnh cho phù hợp với vùng nghiên cứu [1]. Một số đặc điểm của trường ban đầu: - Trường nhiệt độ và độ muối được xây dựng ban đầu từ số liệu tầng mặt theo profile chuẩn khí hậu. - Trường vận tốc ban đầu u, v được thiết lập theo phương pháp tách mod Việc xác định các trường khí áp, thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, gió mặt biển ban đầu được cập nhật từ các kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16 và được nội suy cho phù hợp với lưới tính của mô hình. 2.2. Các điều kiện biên áp dụng trong mô hình dự báo - Tại đáy biển sử dụng điều kiện không trao đổi vật chất qua biên đối với nhiệt độ và độ muối. - Tại biên đất sử dụng điều kiện không thấm đối với nhiệt độ và độ muối. - Đối với động lượng rối, điều kiện liên túc của thông lượng được áp dụng. - Tại biên hở biển và cửa sông sử dụng các điều kiện biên tương ứng cho các biến 2D và 3D. - Tại biên cửa sông sử dụng số liệu chuỗi phân tích hoặc số liệu thực đo với nguồn số liệu thuỷ văn. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 128 2.3. Các điều kiện trong triển khai mô hình Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu quả cho dự báo hạn ngắn khu vực Biển Đông nhất thiết phải sử dụng điều kiện biên lỏng thực tế trong đó không thể bỏ qua trao đổi nước với các biển kề cận [2]. Mặt khác các điều kiện ban đầu và điều kiện biên trên mặt biển cũng phải đáp ứng được nguyên tắc về trường tức thời cho dự báo hạn ngắn. Đối với cơ sở dữ liệu nhiệt- muối, có thể nói rằng các số liệu từ các trạm biển sâu dạng trên Biển Đông đã được tập hợp khá đầy đủ trong World Ocean Atlas 2001 (Woa2001) do NODC- NOAA (Mỹ) và được cập nhập bổ sung thường xuyên. Từ cơ sở dữ liệu này chúng tôi xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn khí hậu. Trường 3D nhiệt độ làm điều kiện ban đầu kết hợp với cơ sở dữ liệu nhiệt độ tầng mặt cập nhật hàng ngày được tính toán xây dựng nên trường 3D nhiệt muối làm cơ sở xây dựng các trường ban đầu cho mô hình [3]. Những tham số vật lý của mô hình được đưa vào thông qua các sơ đồ tham số hóa các quá trình và hiện tượng thủy nhiệt động lực biển và phụ thuộc nhiều vào quy mô các quá trình cần mô phỏng. Các hệ số trao đổi rối ngang thường được lấy theo một giá trị không đổi cho toàn vùng biển và khác nhau đối với trao đổi động lượng và nhiệt. Hệ số trao đổi rối thẳng đứng được tính theo công thức phụ thuộc vào hệ số tản mát năng lượng rối. Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình hệ số trao đổi rối ngang được lựa chọn là 10+3 m2/s. Hệ số rối thẳng đứng được xác định theo lý thuyết rối biển trong công thức bán thực nghiệm trong đó 3nl cần được xác định theo biểu thức: 3 1 ( /nl kZ Z H Với z là khoảng cách tính từ đáy. Hệ số cho ta dạng phân bố của hệ số rối, đảm bảo điều kiện liên tục của quãng đường xáo trộn l tăng từ đáy đến giá trị cực đại Lmax. Đối với mô hình này Lmax được lấy bằng 20m tương ứng giá trị được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu biển và đại dương, giá trị được lấy bằng 0.5 tương ứng phân bố phổ biến của hệ số rối trong các vùng biển nông ( Delher E và G. Martin, 1992). Trong mô hình số khi bước lưới theo phương thẳng đứng lớn hơn độ dày lớp biên logarit, hệ số ma sát đáy được rút ra từ kết quả mô hình hóa thủy triều Biển Đông, CD=2,5.10-3. Các trường điều kiện ban đầu thường có dạng 3D đối với các biến nhiệt độ, độ muối, mực nước, các thành phần của vận tốc và động năng rối. Các trường điều kiện biên trên mặt phân cách biển – khí quyển bao gồm các trường áp suất khí quyển, gió và các thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, năng lượng trao đổi qua mặt phân cách biển và khí quyển, được cập nhật liên tục theo ốp 4 giờ từ kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16/06-10. Các trường điều kiện biên này được áp đặt liên tục lên lớp nước trên cùng của biển. Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên biển hở ở các cửa sông, tuy nhiên do không có chuỗi số liệu đo đạc thực tế chúng tôi sử dụng trường giá trị không đổi tương ứng với tháng của thời điểm chạy dự báo. 3. Kết quả thử nghiệm dự báo hạn ngắn 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Biển Đông - Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông Nằm trên khu vực đông – nam Châu Á một trong những trung tâm hoạt động mạnh mẽ nhất của gió mùa. Sự phức tạp của điều kiện địa hình H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 129 biển và bờ đã tạo nên sự đa dạng và biến động lớn của phân bố không gian và thời gian các trường khí tượng, thủy văn và động lực Biển Đông. Trên tổng số gần 4 triệu km2 diện tích bề mặt, gần một nửa là các vịnh, eo biển và thềm lục địa với độ sâu dưới 100 m kéo dài dọc bờ tây biển từ 50S đến 250N. Vùng biển nông được nối với biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan và biển Java qua eo Malaca. Khu vực biển sâu chiếm toàn bộ phần trung tâm và đông bắc biển với hai eo biển sâu Bashi – Luzon sâu trên 5000 m và Midoro sâu trên 2000 m nối với Thái Bình Dương và biển Sulu. Sự phân bố đó cũng kèm theo các dạng địa hình bờ biển phức tạp như độ dốc lớn tại các bờ biển sâu như miền trung Việt Nam, tây Philippines, Kalimantan. Tuy là một biển ven đại dương nhưng Biển Đông có thể được xem như một thủy vực biển gần như kín. Do các vùng biển sâu nằm tập trung tại khu vực trung tâm biển kết nối với các eo biển sâu như Bashi, Midoro nên ảnh hưởng của trao đổi nước lên các vùng biển nông trong các vịnh rất hạn chế. Với điều kiện địa hình đó chế độ nhiệt, muối và dòng chảy toàn Biển Đông chịu ảnh hưởng rất lớn của điều kiện khí tượng- thủy văn cục bộ. - Các điều kiện khí tượng khu vực Biển Đông Nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp suất khí quyển, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí biến động rất lớn. Đặc điểm cơ bản của trường áp khu vực này là vai trò ảnh hưởng trực tiếp của các trung tâm khí áp cơ bản bắc bán cầu như cao áp Xiberi trong mùa đông, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp vùng áp thấp Vân nam- Bắc Đông dương trong mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa. 3.2. Các kết quả thử nghiệm dự báo. Kết quả tính toán dự báo trường nhiệt độ 3 ngày bắt đầu từ 0h ngày 17 tháng 11 năm 2010 cho thấy xu thế chung của phân bố trường nhiệt trên Biển Đông về định tính giống với trung bình nhiều năm nhưng về định lượng thì cao hơn hẳn trung bình nhiều năm, thể hiện rõ ràng nhất ở khu vực phía Bắc và giữa Biển Đông. Điều này hoàn toàn thực tế do nền nhiệt biển tháng 11 năm 2010 cao hơn hẳn trung bình nhiều năm. Từ bản đồ phân bố nhiệt độ tầng mặt ngày 17/11/2010 (hình 1b) và dự báo từ mô hình (hình 1c) cho thấy cả về định tính và định lượng đều tương đối giống nhau. Khả năng dự báo của mô hình khá sát với thực tế. Đã thấy xuất hiện trở lại dòng nước lạnh ở vùng biển nam Trung Quốc chảy men theo đảo Hải Nam xuống dưới kéo theo nền nhiệt toàn miền giảm hẳn. Tháng 11 các front nhiệt đã phát triển mạnh trở lại nền nhiệt độ đã bị chia cắt thành 2 miền rõ rệt, lạnh ở phía bắc và ấm ở phía nam. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 130 29 26.5 26 28.5 26.5 2 7 .5 28 23 25.5 100 105 110 115 120 5 10 15 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. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 131 28 .5 25 24 28.5 26.5 27.5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 28 .5 2 5 24 28.5 26.5 27.5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 Hình 1(c). Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010. 28.5 25 23.5 28.5 26.5 27.5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 29 2 5 23.5 28.5 26.5 27.5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 Hình 2. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 18/11/2010. Nhiệt độ giảm mạnh ở các vùng nước nông ven bờ do sự phân hóa trường gió, áp điều này phù hợp và phản ánh được những đặc điểm cơ bản của cấu trúc vật lý thuỷ văn biển trong điều kiện hoạt động thường xuyên của gió mùa và thông lượng nhiệt tổng cộng trao đổi giữa biển và khí quyển. Sự phân hóa trường nhiệt độ sau 3 ngày cho thấy sự thu hẹp ảnh hưởng của các front nhiệt ra xa giữa Biển Đông. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 132 28.5 25 23.5 28.5 26.5 2 7 .5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 28.5 25 23.5 28.5 26.5 2 7 .5 100 105 110 115 120 5 10 15 20 Hình 3. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 19/11/2010. 100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 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 bắc, hoàn lưu hình thành nên các xoáy cục bộ, ở các vùng ven bờ biển Đông trường dòng chảy có hướng đông bắc, ở phần nước sâu giữa biển Đông dòng chảy vẫn tồn tại các xoáy nghịch theo hướng của dòng nhiệt muối, đây là thời kỳ quá độ chuyển từ hè sang đông cũng là thời kỳ khó dự báo nhất. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 133 -0.2 0 0 -0.4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s -0.4 0 -0.4 -0. 4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s 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 theo ốp 4h nên trường dòng chảy tầng mặt có sự thay đổi khá đáng kể ở vùng nước nông ven bờ, tuy nhiên xu thế chung vẫn tuân theo dòng chảy trung bình tháng 11. Vẫn thấy sự hiện diện của một xoáy thuận lớn trên phạm vy toàn bộ biển tuân theo quy luật dòng chảy mùa đông, chủ yếu là các vùng nước sâu bị giới hạn bởi đường đẳng độ sâu 100 mét. Sự tăng cường của dòng chảy dọc bờ tây Biển Đông xuất phát từ eo Đài Loan và eo Luzon kéo dài đến tận vỹ tuyến 7 N-8 N. Xoáy thuận lớn này thường bị thu hẹp do sự hiện diện của các xoáy nghịch quy mô vừa ở phía đông với vị trí trung bình dịch chuyển theo hướng đông-tây. Sự xuất hiện của xoáy nghịch này có thể do nguyên nhân uốn dòng như ở phía đông Hoàng Sa, nhưng cũng có thể do nguyên nhân nhiệt xuất phát từ vùng nước ấm tại trung tâm Biển Đông vẫn tồn tại mạnh trong tháng 11. 0.2 0 0 -0.4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s 0 0 0.2 -0.4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s Hình 5. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 134 0 0 0.2 -0.4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s 0.2 0 -0.2 -0.4 100 105 110 115 120 5 10 15 20 1m/s Hình 6. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010. Kết luận Hệ thống mô hình MDEC3D cho phép tính toán và dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy văn biển. Việc triển khai thử nghiệm mô hình dự báo hạn ngắn đối với khu vực Biển Đông trong các điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng, thuỷ văn, hải văn phức tạp mở ra cho ta hướng hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp dụng cho các vùng biển nhỏ hơn có tầm chiến lược kinh tế. Lời cảm ơn Những kết quả thu được có sự hỗ trợ kinh phí của đề tài KC09.16/06-10 và đề tài KC09.23/06-10. Tác giả chân thành cảm ơn. Tài liệu tham khảo [1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang Lam, Development of system of Hydrodynamic- environmental models for coastal area (Case study in Quangninh-Haiphong region), Journal of Science, Earth Sciences, T. XXIII, No.1 (2007) 59. [2] Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean monitoring and prediction system for Vietnamese Sea Waters, The 4th Seminar on Environmental Science and Technology issues related to the Sustainable development for urban and coastal area, The 7th General Seminar of CUP between JSPS and VAST, Danang, 148. [3] Hà Thanh Hương, Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trường theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông–xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ, Journal of Science, T. XXI, No.3AP, (2005) 54. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135 135 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.