Xác định phân bố không gian của các hằng số điều hòa thủy triều tại vùng biển vịnh Bắc Bộ

Transcription

1 Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Xác định phân bố không gian của các hằng số điều hòa thủy triều tại vùng biển vịnh Bắc Bộ Nguyễn Minh Huấn* 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 25 tháng 11 năm 2009 Tóm tắt. Thủy triều là một hiện tượng tự nhiên phổ biến, nghiên cứu chế độ thủy động lực nói chung và thủy triều nói riêng vừa có ý nghĩa khoa học vừa có ý nghĩa phục vụ thiết thực cho các hoạt động về hàng hải, khai thác nguồn lợi, xây dựng và bảo vệ các công trình bờ. Mô hình ADCIRC 2DDI (Advanced Circulation Model) được áp dụng để tính toán mực nước thủy triều tại vùng biển vịnh Bắc Bộ, phân tích xác định các giá trị của các hằng số điều hoà đối với 8 sóng triều (O 1, K 1, P 1,Q 1, M 2, N 2, K 2, S 2 ) trên không gian của vùng biển và trích xuất các giá trị biên độ và pha của các sóng triều trên lưới với độ phân giải 1/30 độ kinh vĩ (3,7km x 3,7km) phục vụ việc xây dựng cơ sở dữ liệu hằng số điều hòa thủy triều. Mở đầu Từ nhiều năm nay dọc theo bờ biển nước ta đã thiết lập một hệ thống các trạm khí tượng thủy văn ven bờ trong đó có trạm đo mực nước thủy triều với các số liệu đo đạc liên tục dao động mực nước biển theo các khỏang thời gian kéo dài từ nhiều tháng đến nhiều năm. Trên cơ sở các chuỗi số liệu này nhiều tác giả đã tiến hành phân tích, tính tóan các đặc trưng của chế độ thủy triều như mực nước trung bình, mực nước cực trị, thời gian triều dâng, triều rút, các hằng số điều hòa thủy triều... cho từng trạm đo đạc. Một trong những ứng dụng quan trọng trong việc xử lý các số liệu mực nước đo đạc là việc ĐT: huannm@vnu.edu.vn 439 lập ra các bảng thủy triều hàng năm cho các cảng chính ven bờ và một số giá trị nội suy cho các điểm phụ ở ven biển và hạ lưu các sông. Việc dự tính thủy triều dọc ven bờ biển nước ta được thực hiện bằng phương pháp dùng hằng số điều hòa (HSĐH) tại các trạm cố định (14 trạm). Các trạm này ở những khoảng cách khá xa nhau (50-100km). Một số trạm phụ đuợc tính toán qua hệ số tương quan so với các trạm chính nhưng cũng rất thưa và độ chính xác không cao (khoảng cách 20-50km). Trong giai đoạn hiện nay, việc dự tính thuỷ triều chỉ cho các trạm ven bờ và sự thưa thớt của các trạm chưa đáp ứng được đầy đủ nhu cầu nghiên cứu ứng dụng trong phát triển kinh tế xã hội. Hướng nghiên cứu sử dụng mô hình số trị giải hệ phương trình thủy động lực hai chiều được phát triển mạnh mẽ đặc biệt trong những năm gần đây do sự tiến bộ của toán học tính

2 440 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) toán và năng lực máy tính. Để giải bài toán phân bố không gian của thủy triều phương pháp số trị được sử dụng dựa trên hệ phương trình thủy động lực phi tuyến hypecbolic với điều kiện biên hỗn hợp: dao động mực nước trên biên lỏng và điều kiện không thấm ở biên cứng. Hiện nay ở trên thế giới đã phát triển áp dụng những phần mềm số trị thủy động lực hiện đại và tiên tiến để tính toán và dự báo mực nước triều cho vùng không gian rộng lớn. Từ trước đến nay ở nước ta đã có một số cơ quan và tác giả nghiên cứu việc dự tính thuỷ triều bằng mô hình số [1, 2], những kết quả đạt được khá khả quan. Tuy nhiên cho đến nay, cơ sở dữ liệu và bản đồ số của các hằng số điều hòa thủy triều phân bố trong không gian cả vùng ven bờ và ngoài khơi cho các khu vực trong Biển Đông thuộc lãnh hải nước ta và các nước lân cận trong đó có vịnh Bắc Bộ chưa được xây dựng. Mô hình ADCIRC 2DDI [3] được áp dụng trong nghiên cứu này để tính toán lan truyền sóng triều tại vùng biển vịnh Bắc Bộ và phân tích xác định các giá trị của các hằng số điều hoà đối với 8 sóng triều (O1, K1, P1,Q1, M2, N2, K2,S2 ) trên không gian của vùng biển vịnh Bắc Bộ và trích xuất các giá trị biên độ và pha của các sóng triều trên lưới với độ phân giải 1/30 độ kinh vĩ (3,7km x 3,7km) phục vụ việc xây dựng cơ sở dữ liệu hằng số điều hòa thủy triều sử dụng trong tính toán dự tính thủy triều cho toàn bộ vịnh Bắc Bộ theo điểm hoặc trích xuất số liệu hằng số điều hòa thủy triều phục vụ cho các mô hình toán ở quy mô địa phương. Mô hình ADCIRC Giới thiệu chung ADCIRC là mô hình số trị được phát triển để giải hệ phương trình chuyển động của chất lỏng trên trái đất quay, các phương trình này sử dụng xấp xỉ thủy tĩnh và xấp xỉ Boussinesq và được rời rạc hóa trong không gian sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, rời rạc hóa theo thời gian sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn. Mô hình có thể tính toán trong hệ tọa độ Đề các hoặc tọa độ cầu dưới dạng hai chiều tích phân theo độ sâu (2DDI) và ba chiều (3D), trong các trường hợp cao độ mực nước được xác định bằng nghiệm của phương trình liên tục tích phân theo độ sâu dưới dạng phương trình liên tục sóng tổng quát (GWCE), vận tốc được xác định bằng nghiệm của các phương trình động lượng 2DDI hoặc 3D. Hệ phương trình cơ bản trong hệ tọa độ Đề các bao gồm phương trình liên tục UH VH 0 (1) t x y và phương trình động lượng (2) trong đó: (x, y, t) cao độ bề mặt nước so với bề mặt geoid; U(x, y, t), V(x, y, t) vận tốc tích phân theo độ sâu trên hướng x và y; H(x, y, t) = h + - độ dày cột nước tổng cộng; f = 2 sin - tham số Coriolis; áp suất khí quyển trên bề mặt thoáng; g gia tốc trọng trường; sx, sy - (3) ứng suất bề mặt trên hướng x, y; bx, by - ứng suất đáy trên hướng x, y; ρ o mật độ quy chiếu của nước; D x, D y thành phần động lượng khuếch tán 2DDI ; B x, B y thành phần građien ứng suất baroclin 2DDI.

3 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Điều kiện biên của mô hình có thể là các dạng sau: Mực nước (mực nước biến đổi theo thời gian hoặc các hằng số điều hòa thủy triều) Dòng chảy vuông góc với biên (biến đổi theo thời gian hoặc các hằng số điều hòa) Dòng chảy vuông góc với biên bằng không Điều kiện trượt hoặc không trượt đối với vận tốc Ứng suất bề mặt (gió và/hoặc ứng suất phát xạ sóng) Áp suất khí quyển Ứng dụng mô hình ADCIRC tính toán lan truyền sóng triều và phân tích HSĐH Vịnh Bắc Bộ là một trong những vịnh lớn của Biển Đông, có chiều rộng lớn nhất khoảng 320km, kéo dài từ kinh tuyến o E đến 110 o E, chiều dài khoảng 600km kéo dài từ vĩ tuyến 16 o N đến 22 o N, vịnh có độ sâu trung bình khoảng 45m, khu vực cửa vịnh là khu vực nước có độ sâu hơn 100m. Trong vịnh có hơn 2000 hòn đảo, có nhiều đảo khá lớn tập trung chủ yếu ở khu vực tây bắc vịnh, các sông đổ vào vịnh hầu hết tập trung ở bờ tây của vịnh, có những sông lớn như sông Hồng với lưu lượng trung bình năm khoảng 120km 3, sông Lam với lưu lượng năm khoảng 19km 3 và sông Mã khoảng 17km 3. Dao động thủy triều trong vịnh chủ yếu phụ thuộc vào sự lan truyền của sóng triều từ Biển Đông thông qua eo biển Quỳnh Châu và thông qua cửa vịnh trong đó cửa vịnh đóng vai trò chính. Mô hình ADCIRC 2DDI được áp dụng trong nghiên cứu này, để thiết lập độ sâu miền tính, đã thu thập các hải đồ với các tỉ lệ 1: , 1: , 1: và 1:10.000, số liệu độ sâu so với mực 0 hải đồ được chuyển đổi quy về mực nước trung bình, trường độ sâu miền tính được thể hiện trên hình vẽ 1 và lưới phần tử tam giác được xây dựng theo thuật toán Scalar paving density với phần tử có kích thước cạnh nhỏ nhất là 3000m và độ lớn của phần tử biến đổi tỉ lệ với vận tốc lan truyền sóng trọng lực, lưới tính của khu vực vịnh Bắc Bộ được xây dựng với hai biên lỏng tại eo Hải Nam và tại điểm nối giữa mũi Chân Mây Đông khu vực Thừa Thiên Huế với mũi Du Lâm đảo Hải Nam, Trung Quốc, biên lỏng cửa vịnh được chọn lựa nằm phía ngoài của đường phân định địa giới vịnh Bắc Bộ là đường nối đảo Cồn Cỏ Việt Nam và mũi Oanh Ca, Hải Nam Trung Quốc. Một phần trích của lưới tính được thể hiện trên hình vẽ 2 Hình 1. Trường độ sâu của khu vực vịnh Bắc Bộ trong giới hạn miền tính. Các hằng số điều hòa thủy triều của các sóng chính (O 1, K 1, P 1,Q 1, M 2, N 2, K 2, S 2 ) của các trạm hải văn đo đạc thủy triều dọc bờ của vịnh Bắc Bộ được thu thập từ các bảng thủy

4 442 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) triều Admiralty, kết quả đề tài Nhà nước KT ( )[4], cơ sở dữ liệu hằng số điều hòa Leprovost [2], DHI. Các số liệu này được tổng hợp, xử lý để thiết lập điều kiện biên lỏng các hằng số điều hòa của dao động sóng thủy triều trên hai biên lỏng là biên eo Quỳnh Châu phía đông bắc và biên cửa vịnh ở phía nam. Các kết quả sau khi xử lý được thể hiện trên bảng 1. Mô hình ADCIRC được chạy với thời gian mô phỏng từ 0:00 ngày 1 tháng 1 năm 2007 đến 24:00 ngày 31 tháng 12 năm 2007 với các tham số được lựa chọn như sau: Model type: 2DDI; Cold start; Coriolis option variable; Finite amplitude terms; Wetting/drying; Advective terms; Time derivative terms; Solver type Iterative JCG;Wave continuity: 0.01; Lateral viscosity: 6.8 m 2 /s; friction coefficient: Các tham số được lựa chọn này là kết quả của các tính toán hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mô hình và giá trị mực nước tại các trạm hải văn ven bờ và ngoài khơi trong thời gian 30 ngày. Hình 2. Lưới tính khu vực vịnh Bắc Bộ (trích vùng ven bờ Hải Phòng).

5 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Bảng 1. Các hằng số điều hòa của sóng triều tại các biên lỏng Quỳnh Châu và cửa vịnh Lat Long o1 k1 p1 q1 m2 s2 n2 k2 h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] h [m] g [o] Biên cửa vịnh Biên eo Quỳnh Châu

6 444 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Sử dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất phân tích chuỗi số liệu mực nước 365 ngày đã được tính toán trên toàn bộ lưới tính của vịnh Bắc Bộ xác định các giá trị của các hằng số điều hoà đối với 8 sóng triều (O 1, K 1, P 1,Q 1, M 2, N 2, K 2, S 2 ), các kết quả được thể hiện qua bản đồ đẳng biên độ và đẳng pha của 8 sóng triều cho toàn bộ vịnh Bắc Bộ được trình bày trên các hình vẽ 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 và 10. Các kết quả tính toán cho thấy sự phù hợp về phân bố tính chất và độ lớn của thủy triều vùng vịnh Bắc Bộ với tính chất nhật triều chiếm ưu thế, các sóng O1 có biên độ lớn đạt tới giá trị 0.921m và sóng K1 có biên độ đạt tới 0.86m tại khu vực đỉnh vịnh, cũng tại vùng phía bắc vịnh biên độ tăng nhanh trong không gian, ngược lại ở phía nam vịnh cho thấy sự tồn tại rõ nét của các vùng vô triều, các vùng này nằm lệch sang bờ phía tây của vịnh. Ngoài các kết quả được thể hiện trong không gian thông qua các bản đồ, số liệu các hằng số điều hòa còn được trích xuất tại các tọa độ tương ứng với các vị trí của các trạm hải văn có các hằng số điều hòa nhằm đánh giá độ chính xác của các kết quả tính toán, số liệu so sánh đối chứng của các điểm được chọn lựa rải rác trong vịnh Bắc Bộ được thể hiện trên bảng 2. Kết quả so sánh đối chứng cho thấy rằng trong đa số các trường hợp độ chênh lệch về biên độ của các sóng triều chủ yếu không vượt quá ± 6 cm và ± 15 o về góc pha. Để phục vụ việc xây dựng cơ sở dữ liệu, các giá trị biên độ và pha của các sóng triều được trích xuất trên lưới với độ phân giải 1/30 độ kinh vĩ (3,7km x 3,7km) với định dạng tọa độ kinh vĩ và giá trị biên độ, pha (*.XYZ). Hình 3. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng O1.

7 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Hình 4. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng K1. Hình 5. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng P1.

8 446 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Hình 6. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng Q1. Hình 7. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng M2.

9 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Hình 8. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng N2. Hình 9. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng S2.

10 448 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Hình 10. Bản đồ đẳng biên độ [m] và đẳng pha [độ _GMT) của sóng K2. Bảng 2. Số liệu hằng số điều hòa so sánh đối chứng của các điểm lựa chọn trong vịnh Bắc Bộ Station Lat Lon hm2(cm) hs2(cm) hk1(cm) ho1(cm) thuc do tinhtoan thuc do tinhtoan thuc do tinhtoan thuc do tinhtoan Thuan An 16,34 107,38 17, , , , Cua Tung 17,01 107,06 16, , , , Cua Gianh 17,42 106,28 23, , , , Hon Ngu 18,48 105, Hon Ne 19,55 105, Bach Long Vi 20,08 107,43 8, , , , Long Chau 20,38 107, Hon Dau 20,4 106,49 6, , , , Cat Ba 20,43 107,03 4, Co To 20,58 107,46 20, , , , Kết luận Các kết quả tính toán phân bố không gian của các hằng số điều hòa thủy triều cho thấy sự phù hợp về phân bố tính chất và độ lớn của thủy triều vùng vịnh Bắc Bộ, với những kết quả này cho phép xây dựng cơ sở dữ liệu các hằng số điều hòa thủy triều với độ phân giải cao phục vụ nghiên cứu khoa học và các tính toán trong thực tế phục vụ kinh tế, hàng hải, giảm thiểu tác động thiên tai và bảo vệ bờ.

11 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) Lời cảm ơn Tác giả cảm ơn các đề tài QG và KC.09.16/06-10 đã hỗ trợ để hoàn thành nội dung nghiên cứu này. Tài liệu tham khảo [1] R.A. Luettich, JR and J.J. Westerink. A (Parallel) Advanced Circulation Model for Oceanic, Coastal and Estuaries Waters, University of Notre Dame, [2] C. Le Provost, M.L. Genco, F. Lyard, P.Vincent, P.Cenceill, Spectroscopy of the world ocean tides from a hydrodynamic finite element model, Journal of Geophysical Research 99(C12), 24,777-24,797(1994). [3] DHI, Tidal Analysis and Prediction - Scientific Documentation, DHI, [4] Đỗ Ngọc Quỳnh, Thuỷ triều, dòng triều vịnh Bắc Bộ, Báo cáo tổng kết Đề tài cấp Nhà nước KT.03.03, Building Spatial Distribution of tidal constituents harmonics for Tonkin Gulf Nguyen Minh Huan Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Tide is a distinctive natural phenomenon, researching the hydrodynamics regime and especially tide levels takes the initiative in science and practical senses for marine affairs, marine resources exploitation and coastal engineering. ADCIRC 2DDI (Advanced Circulation Model) was applied in Tonkin Gulf to calculate tide level and computed 8 harmonic constituents (O 1, K 1, P 1,Q 1, M 2, N 2, K 2, S 2 ) for elevation using least squares analysis routine. Gridded harmonic constituents were extracted with high resolution 1/30 longitude latitude degree to Build Spatial Database of tidal constituents harmonics for Tonkin Gulf.