Luận án Nghiên cứu mô phỏng chế độ thủy văn và hoàn lưu vịnh bắc bộ

phép khi đưa vào luận án. Các kết quả của luận án là mới và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Hà Thanh Hương LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy GS.TS. Đinh Văn Ưu. Thầy đã dạy tôi những bài học đầu tiên về Hải dương học hướng dẫn tôi từ khi tôi tiếp cận những khái niệm về khoa học biển. Luận án này không thể hoàn thành nếu không có sự hướng dẫn kiên trì, tận tâm của Thầy. Đối với tôi, Thầy như người cha luôn mong mỏi đứa con trưởng thành trong khoa học và trong cuộc sống. Một lần nữa tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến Thầy và gia đình. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy PGS.TS Đinh Văn Mạnh. Thầy là người luôn đưa ra những góp ý giúp tôi tiến bộ trong suốt quá trình học tập cũng như trong lúc làm luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô đã và đang công tác tại Bộ môn Khoa học và Công nghệ Biển và các nghiên cứu sinh đã có nhiều giúp đỡ, chia sẻ với tôi trong khoa học cũng như trong cuộc sống. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, phòng Sau đại học, các phòng ban chức năng, đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu sinh. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng- Thủy văn- Hải dương học đã tạo điều kiện cho tôi trong công tác để tôi có thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bố, mẹ, chồng và con gái đã chia sẻ, động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này. CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT WOA: World Ocean Atlas MODAS: Modular Ocean Data Assimilation System LOWESS: Locally Weighted Scatter plot Smooth T/P: TOPEX/ POSEIDON 3D: 3 chiều CTD : Conductivity Temperature Depth profiler STD: Salinity Temperature Depth profiler SST: Sea Surface Temperature SSS: Sea Surface Salinity DOM: Dissolved Organic Matter GHER: Geo-Hydrodynamic Environment Research CODAS: Common Ocean Data Access System 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 9 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG ........................ 13 1.1. Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông .....13 1.2. Các nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ .........................................................................21 1.3. Quy trình phân tích và mô phỏng cấu trúc 3 chiều nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ ...............................................................................................................27 Chương 2: MODUL PHÂN TÍCH SỐ LIỆU VÀ MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU GHER .............................................................. 31 2.1. Modul phân tích số liệu ..................................................................................31 2.1.1. Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối ..............................................................31 2.1.2. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................37 2.1.3. Phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối..........................................................................43 2.2. Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER ...........................................................61 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình ...................................................................61 2.2.2. Phương pháp thể tích hữu hạn .................................................................68 2.2.3. Cài đặt mô hình .......................................................................................74 Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 3D NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG CÁC TRƯỜNG NHIỆT - MUỐI VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ ................ 79 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Vịnh Bắc Bộ ..............................79 3.1.1. Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ ...............................................79 3.1.2. Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc Bộ ......................................80 3.2. Các trường ban đầu, điều kiện biên, các tác động và các tham số của mô hình thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ..............................................................80 3.2.1. Các trường ban đầu thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ........................80 3.2.2. Các điều kiện biên và các tác động. ........................................................88 2 3.2.3. Các tham số của mô hình ........................................................................91 3.3. Kết quả kiểm tra mô hình ...............................................................................91 3.4. Các kết quả tính toán cấu trúc hoàn lưu và nhiệt muối Vịnh Bắc Bộ ............98 3.4.1. Hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ ............................................................................98 3.4.2. Cấu trúc nhiệt độ, độ muối Vịnh Bắc Bộ ............................................. 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ........................................................................ 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 123 PHỤ LỤC 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các đặc trưng số liệu đo đạc được ghi theo chuyến khảo sát trong chương trình hợp tác Việt-Xô tại một vị trí ................................................. 34 Bảng 2.2. Dạng lưu trữ của số liệu CTD tại một trạm đo ...................................... 35 Bảng 2.3. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 210±0.50N, 1070±0.50E tháng 1 ................................................................... 40 Bảng 2.4. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 17±0.5oN, 108±0.5oE tháng 1 ..................................................................... 40 Bảng 2.5. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 21±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 5 .................................................................... 41 Bảng 2.6. Hàm phân bố gia tăng độ muối ΔS và phân bố độ muối S vùng 20±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 1 .................................................................... 42 Bảng 2.7. Kết quả tính sai số giữa thực đo và tính toán theo LOWESS của nhiệt độ và độ muối khu vực Vịnh Bắc Bộ. ................................................... 55 Bảng 3.1. Các giá trị phân tầng biển theo  sử dụng trong triển khai mô hình ....... 82 Bảng 3.4. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng mặt tại 4 điểm. ........................................................................................................ 106 Bảng 3.5. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng 30m .......................................................................................................... 108 Bảng 3.6. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng 50m .......................................................................................................... 109 Bảng 3.7. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình các tháng theo độ sâu ....................................................................................................... 110 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Phân bố dòng chảy và độ muối bề mặt Biển Đông. Mũi tên chỉ hướng dòng chảy ( a)- tháng tám, b)- tháng hai) ......................... 16 Hình 1.2. Độ cao động lực (0/1200 db, dyn·m) và trường dòng địa chuyển bề mặt ở Biển Đông. Các xoáy Aw, Bw, Bs và Cs ( (a) mùa đông và (b) mùa hè theo Xu và nnk (1982) [68]) .......................................................... 16 Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông............................................................. 20 Hình 1.3. Hoàn lưu theo mùa khu vực Biển Đông. ......................................... 21 Hình 1.4. Theo quan niệm truyền thống hoàn lưu có xoáy nghịch vào mùa hè .... 23 Hình 1.5. Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 năm 2007 của Gao và nnk (2013) 25 Hình 1.6. Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo Yang Ding (2013) ................ 26 (a)-có gió, b)- gió và triều) .............................................................................. 26 Hình 1.7. Sơ đồ quy trình tính toán ................................................................. 30 Hình 2.1. Phân bố nhiệt độ mặt tháng 2 trung bình nhiều năm theo MODAS 33 Hình 2.2. Vị trí các điểm đo trong tháng 1 của số liệu CTD ........................... 36 Hình 2.3. Phân bố nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. ................... 39 Hình 2.4. Phân bố độ muối tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. ................... 39 Hình 2.5. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 21±0.5oN, 107±0.5oE ......................... 40 Hình 2.6. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 17±0.5oN, 108±0.5oE ......................... 41 Hình 2.7. Phân bố nhiệt độ tháng 5 tại 21±0.5oN, 107 ±0.5oE ........................ 41 Hình 2.8. Phân bố độ muối tháng 1 tại 20±0.5oN, 107 ±0.5oE ........................ 42 Hình 2.9. Xấp xỉ tuyến tính chuỗi số liệu rời rạc .................................... 44 Hình 2.10. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 2 chuỗi số liệu rời rạc. ........................... 44 Hình 2.11. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 5 ............................................................. 45 Hình 2.12. Phân bố nhiệt độ mặt trung bình tháng 1 ....................................... 48 Hình 2.13. Mặt cong nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o-108oE, 19o-20oN Vịnh Bắc Bộ .............................. 49 5 Hình 2.14. Profile nhiệt độ tháng 1 khu vực giữa vịnh (107o-108oE, 19o-20oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 23oC, 22oC và 21oC ....................... 50 Hình 2.15. Mặt cong nhiệt độ tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ ............................ 50 Hình 2.16. Profile nhiệt độ tháng 7 khu vực giữa vịnh (107o-108oE, 18o-19oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 29oC, 30oC và 30.5oC .................... 51 Hình 2.17. Mặt cong độ muối tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ ............................ 51 Hình 2.18. Mặt cong độ muối tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE và 17o -18oN Vịnh Bắc Bộ ........................ 52 Hình 2.19. Profile độ muối tháng 7 khu vực Vịnh Bắc Bộ (107 o -108 o E, 17 o -18 o N) với độ muối bề mặt tương ứng là 33.2%o và 33.8%o52 Hình 2.20: Kết quả so sánh giữa các phương pháp tính toán và thực đo ........ 53 Hình 2.21a: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 53 Hình 2.21b: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 56 Hình 2.21c: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 57 Hình 2.21d: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 58 Hình 2.21e: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 59 Hình 2.21f: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 60 Hình 2.22. Sơ đồ lưới 3D Akarawa- C ............................................................ 70 Hình 2.23. Sơ đồ lùi sử dụng trong tính toán bình lưu .................................... 71 Hình 2.24. Sơ đồ tổng quát triển khai mô hình dự báo ................................... 75 Hình 3.1. Bản đồ địa hình Vịnh Bắc Bộ sử dụng trong mô hình .................... 81 Hình 3.2. Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 1 tại các tầng sâu ...................... 84 Hình 3.3. Phân bố nhiệt độ trung bình tháng 7 tại các tầng sâu ...................... 85 Hình 3.4. Phân bố độ muối trung bình tháng 1 tại các tầng sâu ...................... 86 Hình 3.5. Phân bố độ muối trung bình tháng 7 tại các tầng sâu ...................... 87 6 Hình 3.6. Dòng chảy mặt tháng 1 .................................................................... 93 Hình 3.7. Dòng chảy mặt tháng 1 .................................................................... 93 Hình 3.8. Dòng chảy mặt mùa đông theo đề tài KC09.24 (2005) ................... 93 Hình 3.9. Dòng chảy mặt tháng 7 .................................................................... 94 Hình 3.10. Dòng chảy mặt tháng 7 .................................................................. 94 Hình 3.11. Dòng chảy mặt mùa hè theo đề tài KC09.24 (2005) ..................... 94 Hình 3.12. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 trường ban đầu ....................... 95 Hình 3.13. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình ............... 95 Hình 3.14. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 trường ban đầu ....................... 96 Hình 3.15. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình ............... 96 Hình 3.16. Profile nhiệt độ tại vị trí 1080E, 180N tháng 1 giữa tính toán và trường ban đầu ................................................................................................. 96 Hình 3.17. Profile nhiệt độ tại vị trí 1080E, 180N tháng 7 giữa tính toán và trường ban đầu ................................................................................................. 96 Hình 3.18. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 trường ban đầu ....................... 97 Hình 3.19. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 tính toán từ mô hình .............. 97 Hình 3.20. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 trường ban đầu ....................... 98 Hình 3.21. Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 tính toán từ mô hình .............. 98 Hình 3.22: Phân bố dòng chảy mặt tháng 1 và đường dòng qua eo Quỳnh Châu và cửa vịnh ................................................................................. 99 Hình 3.23: Phân bố dòng chảy mặt tháng 2 ..................................................... 99 Hình 3.24: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 1 .............................. 100 Hình 3.25: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 1 ............................... 100 Hình 3.26: Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5 ........................................ 101 Hình 3.27: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 5 ................................ 101 Hình 3.28: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 và đường dòng trong vịnh ........ 101 Hình 3.29: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 theo đề tài KC09.17 ................. 101 7 Hình 3.30: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 ................................................... 102 Hình 3.31: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo đề tài KC09.17 ................. 102 Hình 3.32: So sánh dòng chảy mặt tháng 8 giữa tính toán và Yang Dinh. ... 103 Hình 3.33: So sánh dòng chảy mặt tháng 7 giữa tính toán và Gao. .............. 103 Hình 3.34: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 7 .......................................... 105 Hình 3.35: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 7 .......................................... 105 Hình 3.36: Phân bố dòng chảy mặt tháng 9 ................................................... 105 Hình 3.37: Phân bố dòng chảy mặt tháng 10 ................................................. 105 Hình 3.38. Vị trí các điểm trích rút kết quả ................................................... 107 Hình 3.39. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng mặt tại 4 điểm........................................................................................................ 107 Hình 3.40. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 30m tại điểm 3 và 4 .............................................................................................................. 108 Hình 3.41. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 50m tại điểm 3 và 4 .............................................................................................................. 109 Hình 3.42. Profile vận tốc các tháng tại điểm 3 và 4 ..................................... 111 Hình 3.43. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 20N .................. 113 Hình 3.44. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ............ 113 Hình 3.45. Phân bố nhiệt độ tháng 3 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N .................. 113 Hình 3.46. Phân bố nhiệt độ tháng 4 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ............ 113 Hình 3.47. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt kinh tuyến 108E ............ 114 Hình 3.48. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N .................. 114 Hình 3.49. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N .................. 114 Hình 3.50. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt kinh tuyến 107E ............ 114 Hình 3.51. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 .............................................. 115 Hình 3.52. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 2 .............................................. 115 Hình 3.53. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 .............................................. 116 8 Hình 3.55: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 .............................................. 117 Hình 3.56: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 2 .............................................. 117 Hình 3.57. Phân bố độ muối tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N .................. 117 Hình 3.58. Phân bố độ muối tháng 2 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N .................. 117 Hình 3.59: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 .............................................. 118 Hình 3.60: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 8 .............................................. 118 Hình 3.61. Phân bố độ muối tháng 7 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N .................. 118 Hình 3.62. Phân bố độ muối tháng 8 trên mặt cắt kinh tuyến 106.5E ......... 118 9 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vịnh Bắc Bộ là vùng biển đặc thù có ý nghĩa khoa học, kinh tế, chính trị đối với Việt Nam. Việc nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ đã được triển khai sớm, đặc biệt sau những năm đầu lập lại hòa bình ở miền Bắc với sự hợp tác của Trung Quốc (những năm 60), Liên Xô (cho đến những năm 90). Nhiều đợt khảo sát chuyên đề nghề cá, địa chất và điều tra tổng hợp do các nhà khoa học Việt Nam triển khai trong thời gian gần đây đã thu nhận được các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong Vịnh Bắc Bộ. Đây là những đặc trưng quan trọng nhất của môi trường biển, thường được chú ý nghiên cứu nhiều nhất trong hải dương học. Chính vì lý do đó mà các dữ liệu cũng như công trình nghiên cứu về nhiệt độ, độ muối, dòng chảy biển cũng thuộc loại phong phú và đầy đủ nhất so với các đặc trưng môi trường biển khác. Tuy nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa có được một chuyên khảo nào công bố đầy đủ về chế độ thủy văn và thủy động lực Vịnh Bắc Bộ, chỉ mới dừng lại ở mức các công trình, báo cáo chuyên đề về thủy triều, phân bố nhiệt độ bề mặt, v.v Vịnh Bắc Bộ giới hạn từ 17o- 21o30’N, 105o40’- 110oE, diện tích khoảng 126.250 km², có địa hình tương đối phức tạp, trên ba nghìn đảo lớn nhỏ và có hai cửa: eo biển Quỳnh Châu rộng 35,2 km và cửa chính từ đảo Cồn Cỏ, tỉnh Quảng Trị tới mũi Oanh Ca, Hải Nam, Trung Quốc rộng khoảng 200 km. Những đặc điểm đó góp phần tạo nên quy luật hình thành và biến động rất phức tạp của hệ thống các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước trong vịnh, mà hiện tại vẫn chưa được mô tả một cách đầy đủ. Khí hậu Vịnh Bắc Bộ có mùa đông lạnh trên nền chung của khí hậu nóng ẩm do tác động của chế độ gió mùa. Sự phân hóa không gian của trường gió đã góp phần làm cho chế độ thủy văn và hoàn lưu khu vực vịnh biến đổi 10 và phân hóa đa dạng. Mặt khác, Vịnh Bắc Bộ tương đối nông (độ sâu trung bình chưa tới 60m) và chịu các tác động phức tạp của: lưu lượng các sông lớn biến đổi theo mùa, chế độ nhật triều và nhật triều không đều. Điều đó đã làm cho quá trình tương tác biển- khí quyển- lục địa ở khu vực Vịnh Bắc Bộ diễn ra liên tục, mạnh mẽ gây ra sự biến động mạnh của trường nhiệt- muối và hoàn lưu trong vịnh. Cho đến nay mô hình số được coi là công cụ hiệu quả nhất để mô phỏng các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu chung của các thủy vực. Đối với Biển Đông do đặc thù tác động của gió mùa nên các trường thủy văn và hoàn lưu biển có sự biến động lớn giữa các tháng trong năm và theo mùa, việc mô phỏng bức tranh hoàn lưu và cấu trúc nhiệt độ, độ muối của biển chi tiết và chính xác bằng việc sử dụng mô hình là cần thiết. Phương pháp mô hình hóa sử dụng hệ các phương trình nguyên thủy dạng GHER [5] có tính đến tác động của các quá trình quy mô vừa và nhỏ, cho phép mô phỏng quy luật biến động của các cấu trúc thủy văn - thủy động lực. Để có được quy luật hình thành và biến đổi của các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong vịnh, chúng ta cần triển khai đồng thời các modul phân tích số liệu nhằm cung cấp các trường ban đầu cho mô hình 3D thủy động lực . 2. Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp modul phân tích số liệu và mô hình 3D thủy nhiệt động lực biển cho phép mô phỏng quy luật hình thành và biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu nước Vịnh Bắc Bộ. Hệ thống mô hình này là cơ sở quan trọng trong xác lập các đặc trưng chế độ của các trường nhiệt, muối, hoàn lưu, tạo cơ sở cho việc phát triển hệ thống nghiệp vụ giám sát và dự báo môi trường biển. 11 3. Nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật phân tích số liệu vật lý hải dương Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định đặc trưng chế độ các trường nhiệt độ, độ muối, dòng chảy quy mô mùa. Phát triển và hoàn thiện mô hình thủy động lực 3D thủy nhiệt động lực đáp ứng yêu cầu mô phỏng các đặc trưng chế độ các trường thủy văn có tính đến vai trò của các tác động quy mô vừa như triều, sóng, lưu lượng sông, v.v Phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp kỹ thuật phân tích và mô phỏng các đặc trưng chế độ thủy văn và dòng chảy Vịnh Bắc Bộ, góp phần làm rõ hơn những cấu trúc của các trường này và hoàn thiện đầu vào cho hệ thống mô hình dự báo hải dương học nghiệp vụ. 4. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích số liệu: trong phân tích chi tiết cấu trúc 3D nhiệt độ, độ muối theo số liệu lịch sử và cập nhật, đã hoàn thiện kỹ thuật mới xây dựng mặt cong biến thiên của nhiệt độ, độ muối theo phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Kết quả ứng dụng quy trình tính toán cho phép đưa ra các đặc trưng cấu trúc nhiệt độ và độ muối. Phương pháp mô hình: mô hình 3D thủy nhiệt động lực GHER quy mô vừa cho phép giải bài toán tiến triển về nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu, có tính đến các hiệu ứng của các quy mô dưới lưới thông qua các thông lượng bề mặt như ứng suất gió, ứng suất triều, v.v... 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình phân tích và tính toán xác định cấu trúc 3 chiều (3D) nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ. Quy trình tính toán này có thể được tiếp tục phát triển và áp dụng trong nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát và dự báo biển quy mô khu vực. 12 Những kết quả của luận án cho ta hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành và biến động các cấu trúc thủy văn và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ. Kết quả này có thể ứng dụng trong các nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát, dự báo và cảnh báo môi trường biển. 6. Những đóng góp mới của luận án Đã phát triển và ứng dụng quy trình tính toán các trường 3D thủy văn và động lực biển thông qua triển khai kỹ thuật phân tích số liệu dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Kết quả cho thấy kỹ thuật LOWESS đã chứng tỏ khả năng tích hợp tốt trong xây dựng các trường chế độ 3D nhiệt độ, độ muối có độ tin cậy cao làm đầu vào cho mô hình GHER tính toán hoàn lưu cho Vịnh Bắc Bộ. Thông qua kết quả triển khai mô hình đã phát hiện và lý giải được một cách có cơ sở và logic về một số cấu trúc nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu biển quy mô tháng đặc thù ở các khu vực khác nhau trong vịnh, như sự phân hóa dòng chảy, các xoáy địa phương, cấu trúc nhiệt độ, độ muối đặc trưng. Đây là điều mà các nghiên cứu trước đây chưa có sự thống nhất do quan điểm và cách tiếp cận khác nhau. 7. Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày trong 3 chương: Chương 1. Tổng quan các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Vịnh Bắc Bộ và Biển Đông. Chương 2. Modul phân tích số liệu và mô hình thủy động lực 3 chiều GHER. Chương 3. Ứng dụng mô hình 3 chiều nghiên cứu biến động các trường nhiệt - muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ. 13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG Biển Đông là một vùng biển nửa khép kín ở Tây Thái Bình Dương có độ sâu lớn nhất hơn 5000m, trải rộng trên diện tích khoảng 3,5 triệu km2 từ 3 oS đến 25oN và từ 99oE đến 121oE, nối liền với Thái Bình Dương qua eo biển Luzon, Sulu và eo Đài Loan. Biển Đông là một khu vực chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, ảnh hưởng mạnh nhất bởi trường gió Đông Bắc hằng năm với vận tốc trung bình lên đến 9 m/s trong mùa đông, trường gió mùa Tây Nam trên phần lớn Biển Đông yếu hơn với vận tốc trung bình khoảng 6 m/s và có phần nghiêng về hướng Nam ở phía Bắc Biển Đông về mùa hè. Chính sự biến đổi hoàn lưu khí quyển theo mùa trong đó mùa hạ và mùa thu là mùa bão, mùa đông và mùa xuân là thời kỳ gió mùa Đông Bắc dẫn đến các đặc trưng vật lý, động lực Biển Đông cũng có sự biến động rất lớn theo không gian và thời gian. Tính chất phức tạp này gây nhiều khó khăn trong tính toán, dự báo hoàn lưu biển phục vụ các bài toán khí tượng hải văn, lan truyền ô nhiễm, kiểm soát môi trường, v.v... 1.1 Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông Đã có rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc hoàn lưu của Biển Đông và các vùng biển lân cận được công bố, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên: - Dữ liệu chế độ thủy văn và một số quan trắc thủy văn cụ thể; - Các đo đạc, quan sát bằng vệ tinh về mực nước, sóng, dòng chảy ; - Các mô hình số. Cùng với sự gia tăng của các hoạt động hàng hải và quân sự trên khu vực Biển Đông đặc biệt trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ II, các quan trắc hoàn lưu trên toàn khu vực đã được tiến hành tương đối rộng khắp cho 14 phép mô tả một số đặc trưng cơ bản nhất của hoàn lưu liên quan tới hoạt động của gió mùa trên biển. Các sơ đồ về hoàn lưu Biển Đông đã được công bố lần đầu tiên trong Atlas của Hải quân Mỹ năm 1945 [24] cho thấy đặc điểm cơ bản nhất của dòng chảy trên mặt là hiện tượng đổi hướng rõ rệt theo sự luân phiên của gió mùa. Trên các sơ đồ dòng chảy cũng đã thấy được sự hiện diện của một số xoáy quy mô vừa và nhỏ. Trong những thập niên tiếp theo nhiều chuyến khảo sát biển tổng hợp đã được tiến hành thông qua các hợp tác quốc tế và khu vực sử dụng các tàu khảo sát khoa học của Hà Lan, Mỹ, Nhật Bản, Liên Xô, Trung Quốc, v.v... Sự tham gia của các nhà khoa học Việt Nam cũng từng bước được tăng cường và chủ động hơn, đặc biệt sau khi triển khai Chương trình nghiên cứu biển quốc gia, bắt đầu từ năm 1978. Trong phần lớn các chuyến khảo sát trên biển, hoàn lưu và các yếu tố thủy động lực khác luôn được xem là một trong những nội dung nghiên cứu quan trọng của hầu hết các đề tài trong những chương trình nghiên cứu biển Việt Nam. Những kết quả phân tích tổng hợp số liệu thu thập được trong và ngoài nước được công bố trong một số công trình nghiên cứu về Biển Đông trong đó chế độ thủy động lực và hoàn lưu biển ngày càng được bổ sung và thể hiện rõ hơn. Đáng chú ý nhất là: - Bản đồ về dòng chảy bề mặt được xuất bản bởi Cơ quan Thủy văn của Hải quân Hoa Kỳ (1945) [24]. - Dựa trên phân tích sự trôi của tàu thuyền, Dale (1956) [19] đã đưa ra nhiều sơ đồ dòng chảy bề mặt Biển Đông. - Công trình mang tính tổng hợp của Wyrtki K (1961) [65] đã đưa ra các đặc trưng cơ bản biến động mùa của dòng chảy bề mặt trên toàn Biển Đông và các biển lân cận. Đây là công trình có tính bao quát lớn và đã được 15 sử dụng cho nhiều mục đích nghiên cứu khoa học và ứng dụng cho kinh tế, quân sự và kiểm soát môi trường Biển Đông trong suốt hơn 50 năm qua. Cơ sở để xây dựng các bản đồ này chủ yếu là các số liệu khảo sát nhiệt độ theo độ sâu (BT, XT), nhiệt - muối - độ sâu (STD), nhiệt - độ dẫn điện - độ sâu (CTD), vị trí tàu và phao trôi trên mặt biển được thu thập và tổng hợp cho đến hết thập niên 50 của thế kỷ 20 [2]. Trong hơn 20 năm trở lại đây nhiều công trình nghiên cứu về các cấu trúc thủy văn và động lực Biển Đông đã được công bố trong đó phải nói đến trước hết là Báo cáo tổng kết đề tài 48B.01.01 thuộc chương trình biển 48B/86-90 do Võ Văn Lành làm chủ nhiệm (2001) [1]. Đề tài này có những kết quả nghiên cứu về cấu trúc các trường nhiệt độ, độ muối, tốc độ truyền âm, ô xi hòa tan của 4 mùa ở một số tầng sâu: tầng mặt, 10m, 50m, 100m, 200m, 500m, 1000m, 1500m. Trong đề tài này cũng đã đưa ra tập bản đồ dòng chảy trung bình mùa hè và mùa đông ở tầng mặt, 50m và 100m nhưng mới chỉ dừng lại ở độ phân giải 1 độ kinh vĩ. Luận án tiến sỹ của Đinh Văn Ưu (1983) đã mô phỏng chế độ nhiệt muối Biển Đông dựa vào hàm phân bố vạn năng. Công trình của Đinh Văn Ưu và J.M. Brankart (1997) [54] mô phỏng biến đổi mùa của trường nhiệt độ, độ muối và khối nước trong Biển Đông và đề tài KHCN 06-02 (2000) [5] do Đinh Văn Ưu chủ trì nghiên cứu về cấu trúc 3 chiều thủy nhiệt động lực học Biển Đông với lưới tính 1/4 độ kinh vĩ đã chi tiết hơn nhiều. Những công trình về thủy triều có đề tài KT03.03/91-95 của Nguyễn Ngọc Thụy, trong đó có các nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thọ Sáo, Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Lê Trọng Đào, Bùi Hồng Long, Đặng Công Minh, Trần Hồng Lam nghiên cứu về các mô hình thủy triều và năng lượng triều ở Biển Đông [2]. Hiện nay các mô hình thủy triều đã tư...hia. Tiến hành xây dựng hàm suy giảm nhiệt độ theo độ sâu bằng phương pháp bình phương tối thiểu với hàm biểu thị là các đa thức bậc 5, 6 độc lập 39 với nhiệt độ bề mặt và kết hợp với trường nhiệt độ viễn thám của MODAS xây dựng nên một cấu trúc 3D của nhiệt độ tương ứng tại các nút lưới của nhiệt độ mặt, điều này thích ứng với sự biến đổi nhiệt theo ngày hoặc theo tháng phù hợp với mục đích tính toán quy mô vừa hay quy mô nhỏ. Áp dụng thuật toán tính toán phân bố nhiệt độ, độ muối tại vị trí 107oE, 20 oN so sánh với chuỗi số liệu thực đo được lấy từ số liệu CTD ta được kết quả phân bố nhiệt độ, độ muối như hình 2.3 và hình 2.4 dưới đây. Ta có và , với T0 được lấy theo trường nhiệt viễn thám; S0 được lấy là giá trị độ muối bề mặt của chuỗi số liệu thực đo; ΔT, ΔS hàm phân bố suy giảm nhiệt độ và gia tăng độ muối. Hình 2.3. Phân bố nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. Hình 2.4. Phân bố độ muối tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. Theo số liệu thu thập được ở khu vực phía Bắc vịnh, dựa vào đường suy giảm nhiệt độ tháng 1 thấy rằng đến độ sâu 10m nhiệt độ mới chỉ giảm 0.06 độ, nhiệt độ từ tầng 0m đến tầng 30m chỉ giảm đến 0.36 độ (bảng 2.3). 40 Bảng 2.3. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 210±0.50N, 1070±0.50E tháng 1 . Tầng k Độ sâu Suy giảm nhiệt độ ΔT Phân bố nhiệt độ T 1 0 0.00 20.00 2 -10 -0.06 19.94 3 -20 -0.14 19.86 4 -30 -0.36 19.64 5 -50 -0.87 19.13 Hình 2.5. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 21±0.5oN, 107±0.5oE Ở phía Nam vịnh, đường suy giảm nhiệt độ tháng 1 vẫn giữ xu thế giảm tương tự phía Bắc vịnh, đến tầng 30m chỉ giảm đến 0.32 độ (bảng 2.4). Bảng 2.4. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 17±0.5oN, 108±0.5oE tháng 1 . Tầng k Độ sâu Suy giảm nhiệt độ ΔT Phân bố nhiệt độ T 1 0 0.00 23.00 2 -10 0.22 23.22 3 -20 0.15 23.15 4 -30 -0.32 22.68 5 -50 -1.58 21.42 6 -75 -3.15 19.85 41 Hình 2.6. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 17±0.5oN, 108±0.5oE Bảng 2.5. Hàm phân bố suy giảm nhiệt độ ΔT và phân bố nhiệt độ T vùng 21±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 5 ) Tầng k Độ sâu Suy giảm nhiệt độ ΔT Phân bố nhiệt độ T 1 0 0.00 29.50 2 -10 -0.13 29.37 3 -20 -1.25 28.25 4 -30 -3.02 26.48 5 -50 -5.13 24.37 Theo phân bố suy giảm nhiệt độ tháng 5 chỉ ra rằng vẫn tồn tại lớp đồng nhất nhiệt, nhiệt độ giảm mạnh từ tầng 10m đến 50m (hình 2.10). Hình 2.7. Phân bố nhiệt độ tháng 5 tại 21±0.5oN, 107 ±0.5oE 42 Bảng 2.6. Hàm phân bố gia tăng độ muối ΔS và phân bố độ muối S vùng 20±0.5oN, 107 ±0.5oE tháng 1 ( ) Tầng k Độ sâu Gia tăng độ muối ΔS Phân bố độ muối S 1 0 0.00 31.81 2 -10 0.45 32.26 3 -20 0.71 32.52 4 -30 1.01 32.82 5 -50 1.36 33.17 6 -75 1.68 33.49 Hình 2.8. Phân bố độ muối tháng 1 tại 20±0.5oN, 107 ±0.5oE Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo khi có một chuỗi số liệu nhiệt độ, độ muối thì hàm đa thức bậc cao sẽ đi qua tất cả các điểm giá trị theo tầng của chuỗi số liệu đó. Nhược điểm của phương pháp này là sai số sẽ xuất hiện tại các điểm uốn ở hai đầu và điều quan trọng hơn cả là một hàm phân bố không đại diện được phân bố chuẩn đối với một khu vực biến thiên nhiệt muối lớn theo không gian cũng như thời gian như khu vực Vịnh Bắc Bộ. Xuất phát từ những nhược điểm của các phương pháp xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối nêu trên, tác giả xây dựng hàm mô phỏng phân bố 43 nhiệt độ, độ muối theo độ sâu dạng mặt cong theo phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương áp dụng cho khu vực Vịnh Bắc Bộ được trình bày trong phần 2.1.3 và 2.1.4. 2.1.3 Phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS) xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối Xuất phát từ việc trả lời câu hỏi tại sao phải xây dựng mặt cong nhiệt độ, độ muối theo độ sâu, ta thấy rằng nguồn số liệu thu thập được vẫn còn hạn chế vì sự thiếu đồng bộ cả về không gian và thời gian, khi mà các số liệu đo đạc trong một tháng ở các năm khác nhau không cùng ngày đo mà rải rác ở các ngày trong tháng hay các điểm đo không cùng tọa độ. Điều này dẫn đến việc xác định một hàm phân bố đại diện cho một khu vực sẽ gây lãng phí số liệu khi có một tập hợp các điểm đo nhiệt độ, độ muối trong một độ phân giải cỡ 1x1 độ kinh vĩ ta chỉ đưa ra một hàm mô phỏng phân bố theo độ sâu bằng các phương pháp khác nhau: hàm vạn năng, hàm đa thức bậc cao hay hàm Spline. Rõ ràng rằng với một lân cận các điểm đo thực tế có phân bố theo độ sâu của nhiệt độ, độ muối gần với hàm phân bố chuẩn thì được sử dụng hiệu quả khi xây dựng profile còn những điểm đo có phân bố cách xa không góp vai trò gì thậm chí đôi khi bị loại bỏ trong quá trình thiết lập profile để tránh phân tán số liệu. Tuy nhiên với những phạm vi khu vực nhỏ vẫn xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ theo phương ngang có nơi lên tới 40C thì việc loại bỏ những điểm có nhiệt độ phân bố cách xa profile đã xây dựng đã làm lãng phí nguồn số liệu thậm chí hàm profile đó chưa phản ánh được phân bố tại các vị trí thực đo có nhiệt độ thiên thấp hoặc thiên cao đó. Xuất phát từ việc tận dụng mọi nguồn số liệu và mọi điểm đo không đồng bộ phân bố theo không gian đồng thời kết hợp với nguồn số liệu mặt viễn thám đã phân tích (Modas) tác giả sử dụng phần mềm Matlab để lập trình và xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo từng độ sâu cho từng điểm bằng phương pháp bình phương tối 44 thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Mặt cong thiết lập đảm bảo sao cho ứng với mỗi nút lưới tính xác định ta đều có thể xuất ra được một mặt cong biến thiên nhiệt độ tương ứng cho điểm đó và tại một nhiệt độ bề mặt của điểm sẽ trích ra được một profile nằm trên mặt cong đó. Việc xây dựng mặt cong phân bố theo độ sâu của nhiệt độ và độ muối này đặc biệt linh hoạt trong một số trường hợp biến đổi dị thường của nhiệt độ tại một số vị trí như vị trí xuất hiện nước trồi và các xoáy. Việc xác định mặt cong phân bố nhiệt độ, độ muối theo độ sâu thì khả năng mô tả phân bố nhiệt độ, độ muối theo độ sâu ứng với trường nhiệt độ bề mặt thay đổi bất kỳ theo mức độ biến thiên nhanh, chậm, phức tạp của nhiệt độ, độ muối là hoàn toàn có thể. Các tập số liệu rời rạc không đồng bộ cả về không gian và thời gian cùng với sự phân hóa mạnh theo không gian của nhiệt độ, độ muối thì việc xây dựng mặt cong nhiệt độ, độ muối theo độ sâu là tin cậy hơn cả. a) Cơ sở lý thuyết của phương pháp LOWESS Phương pháp LOWESS (locally weighted scatter plot smooth) là một phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương dùng để xấp xỉ tập dữ liệu rời rạc bằng mặt trơn. Hình 2.9. Xấp xỉ tuyến tính chuỗi số liệu rời rạc Hình 2.10. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 2 chuỗi số liệu rời rạc. 45 Hình 2.11. Xấp xỉ dạng đa thức bậc 5 Khi ta xấp xỉ một tập điểm rời rạc bằng đường thẳng trong hình 2.9, ta thấy hầu hết các điểm đều nằm xa ngoài đường thẳng. Vì vậy xấp xỉ này không tốt. Khi ta dùng đa thức bậc hai như trong hình 2.10 ta nhận được một xấp xỉ tốt hơn vì hầu hết các điểm đều nằm trên hoặc gần đường cong. Nếu tăng lên thành đa thức bậc 5, ta sẽ nhận được một đường cong đi qua tất cả các điểm của tập dữ liệu hình 2.11. Tuy nhiên chúng ta không mong đợi đường cong có thể dự báo tốt vì sự dao động lớn của đường cong tại các điểm đầu mút. Như chúng ta thấy ở ví dụ trên, một vài giá trị của tập dữ liệu ở hai đầu mút có thể ảnh hưởng rõ rệt đến đường cong xấp xỉ. Đây cũng chính là khó khăn chung đối với chúng ta khi sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu. Để khắc phục điều này, Cleveland (1979) đã đưa ra phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Trong phương pháp này để xác định giá trị xấp xỉ của hàm số tại một điểm X ta sẽ dùng một lân cận các điểm quanh X với số lượng cố định và gán cho mỗi điểm một trọng số, trọng số này sẽ giảm dần khi các điểm càng cách xa X. Sau đó áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số để tìm giá trị xấp xỉ tại X. Quá trình này được lặp lại cho mỗi điểm X thuộc tập dữ liệu. 46 Các bước thực hiện: Giả sử tập dữ liệu gồm n giá trị đo đạc zij tại các điểm trong mặt cong ( , )ij ij ijp x y . Ta cần xây dựng hàm ( , )z f x y xấp xỉ cho tập điểm trên. Cố định một giá trị q và quanh mỗi điểm ( , )ij ij ijp x y ta sẽ chọn một lân cận gồm 2 2 qn      điểm dùng để xấp xỉ giá trị của hàm. Giá trị q càng lớn thì hàm nhận được càng trơn, nhưng khả năng mô tả chính xác tập dữ liệu sẽ giảm đi. Gọi dij là khoảng cách từ điểm xa nhất trong lân cận đến điểm pij đang xét. Khi đó trọng số wkl của điểm pkl trong lân cận được xác định như sau: | |ij kl kl ij p p w T d         (2.1) trong đó: 2 2| | ( ) ( )ij kl ij kl ij klp p x x y y     (2.2) và hàm trọng số T xác định bởi: 3 3(1 | | ) khi | | 1 ( ) 0 khi | | 1 u u T u u       (2.3) với Như vậy trọng số của điểm pij đang xét được gán bằng 1, còn trọng số của các điểm pkl trong lân cận của nó sẽ giảm dần cho đến những điểm cách xa pij nhất sẽ có trọng số bằng 0. Để tính giá trị xấp xỉ ( , )ij ijf x y ta sẽ dùng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số. Ta đặt: 47 2 2 , , 2 2 2 2 , , ( )( ) ( )( ) , ( ) ( ) kl kl kl kl kl kl k l k l estimate estimate kl kl kl kl k l k l w x x z z w y y z z a b w x x w y y             (2.4) và estimate estimate estimatec z a x b y   . Trong đó , , x y z là các trung bình theo trọng số: , , , , , , , , kl kl kl kl kl kl k l k l k l kl kl kl k l k l k l w x w y w z x y z w w w          . (2.5) Ta nhận được giá trị xấp xỉ tại pij: ( , )ij ij estimate ij estimate ij estimatef x y a x b y c   (2.6) b) Các kết quả ứng dụng phương pháp LOWESS xây dựng mặt cong nhiệt độ, độ muối theo độ sâu cho khu vực Vịnh Bắc Bộ. Có thể thấy rằng với trường nhiệt độ tháng 1 phân hóa mạnh từ 19.5- 22.5 o C theo mặt rộng ở khu vực Vịnh Bắc Bộ trong phạm vi 1x1 độ kinh vĩ (từ 1070E -1080E và 190N -200N ) như trong hình 2.12 đồng thời sự phân hóa địa hình biến đổi từ 30m đến hơn 60m độ sâu thì việc xác định một profile chuẩn của nhiệt độ hay độ muối theo độ sâu trong phạm vi này sẽ gây ra những sai số lớn. Đặc biệt đối với các tháng mùa hè khi mà lớp đồng nhất nhiệt độ tương đối mỏng thì sự phân bố nhiệt độ, độ muối theo độ sâu có sự khác biệt rõ rệt ở vùng nước nông hơn và sâu hơn trong phạm vi 1x1 độ kinh vĩ. Vì vậy, việc xây dựng một phân bố dạng mặt cong thể hiện được đồng thời sự thay đổi của nhiệt độ và độ muối theo cả mặt rộng và độ sâu có ý nghĩa lớn trong nghiên cứu cấu trúc nhiệt, muối và hoàn lưu trong biển. 48 Hình 2.12. Phân bố nhiệt độ mặt trung bình tháng 1 Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp LOWESS ta tiến hành xác định mặt nhiệt độ và độ muối bằng việc xác định các giá trị ( , )z f x y trong đó z là biến nhiệt độ hoặc độ muối, x là biến nhiệt độ hoặc độ muối tầng mặt lấy từ dữ liệu nhiệt độ bề mặt được đồng hóa bằng ảnh vệ tinh của cơ sở dữ liệu MODAS, y là biến theo độ sâu, hàm f được xác định từ cơ sở dữ liệu đo đạc thu thập được. Sử dụng tham số q để hiệu chỉnh. Toàn bộ chương trình tính toán được viết trên phần mềm Matlab đã được thực hiện:  Xây dựng mặt cong nhiệt độ, độ muối biến đổi theo độ sâu và theo nhiệt độ, độ muối bề mặt. 18 19 23 23 1 7 .5 2 3 .5 20 .5 22 105 106 107 108 109 17 18 19 20 21 49 Với mỗi giá trị kinh độ vĩ độ và nhiệt độ hay độ muối bề mặt ta có thể đưa ra được 1 profile tương ứng nằm trên mặt cong tại vị trí là giá trị nhiệt độ hoặc độ muối bề mặt. Hình 2.13. Mặt cong nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o-108oE, 19o-20oN Vịnh Bắc Bộ Hình 2.13, 2.15 cho ta mặt cong biến thiên của nhiệt độ theo độ sâu và theo sự phân hóa của nhiệt độ bề mặt tại vùng giới hạn bởi 107-108oE và 19- 20 o N ( khu vực giữa vịnh) tháng 1 và tháng 7 trong nhiều năm, các điểm chấm trên hình thể hiện các giá trị đo đạc, khảo sát theo độ sâu tại khu vực này. Có thể thấy các chuỗi nhiệt độ đo đạc theo độ sâu tại khu vực giới hạn này có nhiệt độ bề mặt biến thiên từ 19.2 -24 độ ở tháng 1 và từ 28.6-31 độ trong tháng 7 nằm rải rác trong toàn vùng và được đo đạc không đồng bộ vào các ngày khác nhau trong tháng và trong nhiều năm. Mặt cong được xây dựng theo phương pháp LOWESS phân bố nhiệt độ theo độ sâu đã thể hiện rất tốt sự biến thiên này. 20 21 22 23 -60 -40 -20 0 19 20 21 22 23 24 Nhiet do tang mat PHAN BO 3D NHIET DO THEO DO SAU VA THEO NHIET DO TANG MAT Do sau N h ie t d o 50 Hình 2.14. Profile nhiệt độ tháng 1 khu vực giữa vịnh (107o-108oE, 19o-20oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 23oC, 22oC và 21oC Hình 2.15. Mặt cong nhiệt độ tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ bề mặt ban đầu ta sẽ có 1 profile tương ứng với nhiệt độ đó, các profile tại các vị trí có nhiệt độ bề mặt khác nhau sẽ khác nhau (hình 2.14, 2.16). Dựa vào các profile nhiệt độ ta cũng có thể thấy được xu thế độ dày của lớp đồng nhất nhiệt phát triển xuống các tầng nước khá sâu vào mùa đông (40-50m) và tương đối mỏng vào mùa hè (5-10m) ở khu vực giữa vịnh. 22 22.2 22.4 22.6 22.8 23 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 1 tai 10719 voi nhiet do be mat 23 do 21.4 21.6 21.8 22 22.2 22.4 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 1 tai 10719 voi nhiet do be mat 22 do 20.8 20.85 20.9 20.95 21 21.05 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 1 tai 10719 voi nhiet do be mat 21 do 28.6 28.8 29 29.2 29.4 29.6 29.8 30 -80 -60 -40 -20 0 20 25 30 35 Nhiet do be mat Bien thien nhiet do thang 7 tai 10718 Do sau N h ie t d o 51 Hình 2.16. Profile nhiệt độ tháng 7 khu vực giữa vịnh (107o-108oE, 18o-19oN) với nhiệt độ bề mặt tương ứng lần lượt là 29oC, 30oC và 30.5oC Hình 2.17. Mặt cong độ muối tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE, 18o -19oN Vịnh Bắc Bộ Mặt cong độ muối biến thiên không lớn về giá trị nhưng lại có sự phân bố khá khác biệt ở những vùng nước nông hơn (các chuỗi đo đạc tại vị trí nhỏ hơn 30m) bởi vậy mặt cong thể hiện biến đổi nhanh theo sự thay đổi độ muối bề mặt thể hiện tốt sự khác nhau giữa các vị trí khác nhau trong khu vực giới hạn và theo độ muối bề mặt (hình 2.17, 2.18, 2.19). 20 22 24 26 28 30 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 7 tai 10718 voi nhiet do be mat 29 do 20 22 24 26 28 30 32 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 7 tai 10718 voi nhiet do be mat 30 do 18 20 22 24 26 28 30 32 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Nhiet do D o s a u Bien thien nhiet do thang 7 tai 10718 voi nhiet do be mat 30.5 do 33.4 33.5 33.6 33.7 33.8 33.9 34 -80 -60 -40 -20 0 33.2 33.4 33.6 33.8 34 34.2 Do muoi be mat Bien thien do muoi thang 1 tai 10718 Do sau D o m u o i 52 Hình 2.18. Mặt cong độ muối tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên độ muối tầng mặt tại khu vực 107o -108oE và 17o -18oN Vịnh Bắc Bộ Hình 2.19. Profile độ muối tháng 7 khu vực Vịnh Bắc Bộ (107 o -108 o E, 17 o -18 o N) với độ muối bề mặt tương ứng là 33.2%o và 33.8%o So sánh kết quả tính toán (hình 2.20) theo phương pháp xây dựng mặt cong và theo hàm đa thức bậc cao với các chuỗi số liệu thực đo ta nhận thấy rằng với kết quả tính toán xác định cấu trúc nhiệt muối tại một khu vực giới hạn thì hàm đa thức cho sai số rất lớn ở những tầng sâu do sự phân hóa khá lớn của nhiệt độ trong một khu vực nên một hàm đa thức bậc cao không thể 33.4 33.6 33.8 34 -80-70 -60-50 -40-30 -20-10 0 33 33.5 34 34.5 Do muoi be mat Bien thien do muoi thang 7 tai 10717 Do sau D o m u o i 33 33.5 34 34.5 35 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Do muoi D o s a u Bien thien do muoi thang 7 tai 10717 voi do muoi be mat 33.2o/oo 33.6 33.8 34 34.2 34.4 34.6 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 Do muoi D o s a u Bien thien do muoi thang 7 tai 10717 voi do muoi be mat 33.8o/oo 53 đại diện cho một giới hạn miền tính được, trong khi đó phương pháp xây dựng mặt cong đã bao quát hết được sự biến thiên nhanh của nhiệt độ, độ muối theo biến bề mặt do đó kết quả cho ra chính xác hơn nhiều. Profile nhiệt độ tháng 1 tại 107.96oE và 19.76oN với nhiệt mặt là 22.54oC Profile nhiệt độ tháng 1 tại 107.5oE và 19.48oN với nhiệt mặt là 21.29oC Hình 2.20: Kết quả so sánh giữa các phương pháp tính toán và thực đo Profile nhiệt độ tháng 5 tại 107.65o E và 20.99oN với nhiệt mặt là 26.01oC Profile nhiệt độ tháng 7 tại 108.5oE và 20oN với nhiệt mặt là 30.33oC Hình 2.21a: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo 54 So sánh kết quả tính toán profile của nhiệt độ và độ muối theo LOWESS với số liệu đo đạc CTD trong tháng 4 và tháng 10 năm 2014 (hình 2.21a-2.21f) ta thấy khả năng mô phỏng cấu trúc nhiệt độ theo phương pháp LOWESS là đáng tin cậy. Sai số tuyệt đối của các chuỗi số liệu so sánh của nhiệt độ đạt giá trị từ 0.14-0.35oC (bảng 2.7) riêng đối với điểm đo ngày 16/10/2014 tại 108.424oE, 20.010oN sai số tuyệt đối rất lớn đến 0.67 oC do số liệu nhiệt độ các tầng sâu biến đổi quá đột ngột với gradient nhiệt độ tại độ sâu 43-45m đạt 2oC/1m điều này có thể do sai số khi đo đạc gây ra. Đối với kết quả so sánh độ muối, sai số tuyệt đối đạt giá trị 0.07-0.3%o là tương đối tốt. Ưu điểm của phương pháp LOWESS là thể hiện tốt cấu trúc nhiệt độ, độ muối phân bố theo độ sâu ở cả những vùng nước nông ven bờ và các vùng nước sâu, đồng thời mô phỏng được diễn biến phức tạp của cấu trúc nhiệt độ, độ muối trong các tháng chuyển mùa từ đông sang hè và từ hè sang đông. Việc xác định cấu trúc nhiệt độ, độ muối dạng mặt cong LOWESS cũng mô phỏng được diễn biến lớp đồng nhất nhiệt độ giữa các vùng trong vịnh và giữa các tháng trong năm. Điều này có thể khẳng định được khi so sánh các profile nhiệt độ ngày 14/4/2014 tại 108.272oE- 19.762oN với ngày 22/4/2014 tại 106.659oE- 19.065oN và ngày 17/4/2014 tại 107.771oE- 18.313oN với nhiệt độ bề mặt gần như nhau lần lượt là 26.747oC, 26.354oC và 26.189oC, lớp đồng nhất nhiệt phân hóa giữa các vùng này từ 3m đến 15m. 55 Bảng 2.7. Kết quả tính sai số giữa thực đo và tính toán theo LOWESS của nhiệt độ và độ muối khu vực Vịnh Bắc Bộ. Năm Tháng Ngày Kinh độ Vĩ độ Nhiệt độ (oC) Độ muối (%o) Sai số trung bình Sai số tuyệt đối Sai số trung bình Sai số tuyệt đối 2014 4 14 108.272 19.762 -0.06 0.14 -0.07 0.07 2014 4 22 106.629 19.498 -0.11 0.29 -0.08 0.14 2014 4 22 106.659 19.065 -0.19 0.35 -0.13 0.22 2014 4 21 106.622 18.827 -0.11 0.25 0.21 0.21 2014 4 17 107.771 18.313 -0.14 0.21 0.29 0.3 2014 4 18 108.004 18.277 -0.07 0.17 0.21 0.22 2014 10 16 108.424 20.010 0.58 0.67 -0.03 0.21 2014 10 23 106.739 18.743 0.08 0.17 0.04 0.09 2014 10 18 107.263 18.774 -0.07 0.35 0 0.11 2014 10 21 107.604 17.507 -0.09 0.18 -0.02 0.08 Profile nhiệt độ ngày 14/4/2014 tại 108.272 oE và 19.762oN với nhiệt độ mặt là 26.474oC Profile độ muối ngày 14/4/2014 tại 108.272 oE và 19.762oN với độ muối mặt là 33.407%o -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 20,0 22,0 24,0 26,0 28,0 Thực đo LOWESS -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS 56 Profile nhiệt độ ngày 22/4/2014 tại 106.629 oE và 19.498oN với nhiệt độ mặt là 23.849oC Profile độ muối ngày 22/4/2014 tại 106.629 oE và 19.498oN với độ muối mặt là 32.984%o Hình 2.21b: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo Profile nhiệt độ ngày 22/4/2014 tại 106.659 oE và 19.065oN với nhiệt độ mặt là 26.354oC Profile độ muối ngày 22/4/2014 tại 106.659 oE và 19.065oN với độ muối mặt là 32.963%o -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 Thực đo LOWESS -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 Thực đo LOWESS -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS 57 Profile nhiệt độ ngày 21/4/2014 tại 106.622 oE và 18.827oN với nhiệt độ mặt là 25.756oC Profile độ muối ngày 21/4/2014 tại 106.622 oE và 18.827oN với độ muối mặt là 32.138%o Hình 2.21c: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo Profile nhiệt độ ngày 17/4/2014 tại 107.771 oE và 18.313oN với nhiệt độ mặt là 26.189oC Profile độ muối ngày 17/4/2014 tại 107.771 oE và 18.313oN với độ muối mặt là 33.222%o -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 Thực đo LOWESS -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 19,0 21,0 23,0 25,0 27,0 Thực đo LOWESS -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS 58 Profile nhiệt độ ngày 18/4/2014 tại 108.004 oE và 18.277oN với nhiệt độ mặt là 26.71oC Profile độ muối ngày 18/4/2014 tại 108.004 oE và 18.277oN với độ muối mặt là 33.157%o Hình 2.21d: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo Profile nhiệt độ ngày 16/10/2014 tại 108.424 oE và 20.010oN với nhiệt độ mặt là 27.67oC Profile độ muối ngày 16/10/2014 tại 108.424 oE và 20.010oN với độ muối mặt là 32.354%o -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 19,0 24,0 29,0 Thực đo LOWESS -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 19,0 24,0 29,0 Thực đo LOWESS -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS 59 Profile nhiệt độ ngày 23/10/2014 tại 106.739 oE và 18.743oN với nhiệt độ mặt là 27.833oC Profile độ muối ngày 23/10/2014 tại 106.739 oE và 18.743oN với độ muối mặt là 33.122%o Hình 2.21e: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo Profile nhiệt độ ngày 18/10/2014 tại 107.263 oE và 18.774oN với nhiệt độ mặt là 28.485oC Profile độ muối ngày 18/10/2014 tại 107.263 oE và 18.774oN với độ muối mặt là 33.504%o -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 19,0 24,0 29,0 Thực đo LOWESS -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 Thực đo LOWESS -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 19,0 24,0 29,0 Thực đo LOWESS -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 33,0 33,5 34,0 34,5 Thực đo LOWESS 60 Profile nhiệt độ ngày 21/10/2014 tại 107.604 o E và 17.507oN với nhiệt độ mặt là 28.282oC Profile độ muối ngày 21/10/2014 tại 107.604 oE và 17.507oN với độ muối mặt là 32.87%o Hình 2.21f: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo Như vậy, phương pháp xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ, độ muối theo độ sâu cho ta kết quả tốt, thể hiện được sự phân hóa mạnh mẽ của nhiệt độ, độ muối trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. Với phương pháp mới này chúng ta hoàn toàn có khả năng xây dựng một cấu trúc 3 chiều nhiệt độ, độ muối trên toàn vịnh khi có được trường bề mặt ban đầu. Kết quả xây dựng được các trường nhiệt độ, độ muối 3 chiều tin cậy phục vụ làm trường ban đầu cho mô hình 3 chiều, đã khẳng định tính hiệu quả của phương pháp xây dựng mặt cong cấu trúc nhiệt độ, độ muối trong nghiên cứu biển. Kết quả xây dựng các trường nhiệt độ, độ muối 3 chiều làm trường ban đầu cho mô hình sẽ được trình bày ở chương 3. -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 19,0 24,0 29,0 Thực đo LOWESS -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 32,0 32,5 33,0 33,5 34,0 34,5 Thực đo LOWESS 61 2.2 Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER 2.2.1 Cơ sở lý thuyết của mô hình a) Mô tả mô hình Mô hình thuỷ nhiệt động lực học biển với hệ các phương trình nguyên thuỷ GHER- Đại học Liege là mô hình quy mô vừa, được áp dụng để tính toán và dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối và môi trường. Mô hình này cũng đã được thử nghiệm đối với các biến sinh thái (Nitrat, Amoni, DOM, Phytoplankton và Zooplankton) của Biển Đông trên ô lưới 1/4 x 1/4 kinh-vĩ và vùng Vịnh Bắc Bộ trên ô lưới 1/12 x 1/12 kinh -vĩ trong khuôn khổ đề tài KHCN 06-02 và đề tài KC.09.17/00-05. Mô hình này được xây dựng trên cơ sở sử dụng hệ các phương trình thuỷ nhiệt động lực học nguyên thuỷ chủ yếu áp dụng cho các biển ven (coastal ocean) cỡ 1 vài ngàn kilomét trở lại và quy mô thời gian cỡ tháng trở lên. Hệ các phương trình nguyên thuỷ của mô hình 3D thuỷ nhiệt động lực học biển GHER có dạng sau đây: (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12) 62 trong đó: ; là véc tơ vận tốc với là véc tơ vận tốc theo phương ngang. là độ nổi của nước được xác định qua các đặc trưng nhiệt muối và áp suất (độ sâu), là áp suất giả định (hàm thế) bao gồm các thành phần do áp suất, độ sâu và thế của lực tạo triều , là nhiệt độ, là độ muối, là mật độ động năng rối, là tản mát năng lượng rối, là hệ số nhớt rối đã được lựa chọn theo biểu thức của Nihoul trên cơ sở phân tích thứ nguyên của Kolmôgorov, hệ số này phụ thuộc vào động năng rối và tản mát năng lượng rối với . là năng lượng bổ sung của các thành phần quy mô dưới lưới. Các tham số khác của mô hình bao gồm: f=2sin - tần số Coriolis, i - các hệ số khuếch tán, i - các hệ số không thứ nguyên O (1) cho ta quan hệ giữa các phần nguồn-xuất động năng rối với các phần nguồn-xuất của tản mát năng lượng rối ,  - mật độ nước biển (0 - giá trị quy chiếu). Đối với những vùng biển với các miền 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 phức tạp. 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 chuyển đổi tọa độ z, sigma đã và đang được sử dụng rộng rãi. 63 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 rộng rãi trong các mô hình. Có thể đưa ra mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ thường sang hệ tọa độ cong như sau: - Phương pháp biến đổi tọa độ z theo Phương pháp biến đổi tọa độ z theo cho ta hệ tọa độ tựa cong bằng cách thay cho biến độ sâu bằng biến không thứ nguyên . Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này cũng gặp phải những vấn đề cần giải quyết đặc biệt đối với điều kiện biên tại đáy biển, sự tương thích trong khai triển các gradient tại những vùng có biến đổi độ sâu đột ngột. Để làm rõ vấn đề này chúng ta sử dụng biểu thức liên hệ tọa độ với độ sâu biển h và tọa độ trong dạng đơn giản sau đây: (2.13) Trong đó - độ cao mặt biển, khi (mặt biển) và khi (đáy biển), H là độ dày tổng cộng của cột nước. Từ công thức tính trên ta thấy rằng các gradient ngang trong tọa độ sẽ phản ánh đúng tính chất vật lý nếu như hai điểm nút kề cận nhau nằm trong các lớp nước có độ sâu tương đối như nhau. Trong trường hợp khi độ sâu thực tế biến đổi nhiều, độ sâu của các điểm nút có thể nằm trên các nút lưới có độ sâu khá chênh lệch nhau, dẫn tới gradient ngang trong mô hình có giá trị gần với gradient thẳng đứng. Như vậy tại các miền có sự biến đổi lớn của độ sâu 11 ˆ ˆ XX tt   ),,,(ˆ ˆ 32133 22 XXXtXX XX    64 như các bờ biển dốc, việc sử dụng lưới tính tựa cong theo địa hình có thể dẫn tới sai số đáng kể. Để khắc phục nhược điểm này mô hình GHER đã đưa ra phương pháp biến đổi kép tọa độ . Bằng cách này đã giải quyết được những nảy sinh khi gradient độ sâu lớn. Trong trường hợp thay thế độ dốc lớn bằng tường thẳng đứng sẽ cho phép giảm số điều kiện biên xuống chỉ còn điều kiện biên đáy. Công thức định nghĩa tọa độ chuyển đổi kép tọa độ z theo có thể viết như sau: (2.14) Theo cách chuyển đổi này, tại mặt tiếp giáp giữa hai lớp sẽ có sự phá vỡ tính liên tục của ma trận chuyển đổi. Tuy nhiên điều này sẽ không gây ảnh hưởng tới kết quả vì chúng ta giải riêng biệt mô hình 3D cho từng lớp và hai lớp đó được kết nối theo điều kiện liên tục của các thông lượng theo hướng pháp tuyến. b) Điều kiện ban đầu, điều kiện biên và các tác động áp dụng trong mô hình  Các trường số liệu đầu vào được áp dụng trong mô hình GHER Các trường số liệu ban đầu của mô hình GHER cũng bao gồm hai loại: trường 2 chiều (2D) và trường 3 chiều (3D). Trường 2 chiều có thể gồm trường độ sâu và trường mực biển. Do việc thiết lập trường mực biển phải tương thích với các trường thuỷ nhiệt động lực học khác, nên thông thường ban đầu người ta cho trường này bằng 0 và được thiết lập ngay trong bước đầu tiên triển khai mô hình sử dụng phương trình liên tục theo các giá trị vận tốc ngang. 65 Các trường 3 chiều, theo nguyên lí triển khai mô hình tiến triển, phải bao gồm: trường nhiệt độ T, trường độ muối S, trường vận tốc dòng chảy (theo hướng ngang u và v) và mật độ của động năng rối k. Tuy nhiên cũng như đối với mực nước biển, để đảm bảo tính tương thích thuỷ nhiệt động lực học biển, trường động năng rối k sẽ không cho trước mà được tính theo các trường vận tốc u,v. Việc tính toán này được gắn kết vào mô hình chính GHER. Đối với các trường vận tốc, cũng như nhiệt độ và độ muối, về nguyên lý các trường ban đầu phải được lấy theo kết quả phân tích số liệu đo đạc. Tuy nhiên đối với trường hoàn lưu, chúng ta hầu như không có được một lượng số liệu đủ đảm bảo để triển khai phân tích cho một thời điểm ...302.2 5 -0.01 -0.025 0.027 248.2 0.013 -0.031 0.034 292.8 6 -0.021 -0.027 0.034 232.1 0.004 -0.013 0.014 287.1 7 -0.012 -0.021 0.024 240.3 -0.004 0.015 0.016 104.9 8 -0.004 -0.013 0.014 252.9 -0.006 0.017 0.018 109.4 9 -0.006 -0.012 0.013 243.4 0.002 -0.008 0.008 284.0 10 0.048 0.024 0.054 26.6 0.026 -0.035 0.044 306.6 11 0.067 0.039 0.078 30.2 0.043 -0.039 0.058 317.8 12 0.065 0.035 0.074 28.3 0.044 -0.038 0.058 319.2 Biến trình dòng chảy tháng tầng 50m tại 2 điểm 3 và 4 (hình 3.41) cho thấy vận tốc giảm rõ rệt trong mùa hè nhưng hướng không có sự khác biệt lắm so với tầng 30m, nhưng cường độ vận tốc vẫn giữ được mạnh trong mùa đông. Đối với điểm 4 thấy sự chuyển mùa của dòng chảy từ đông sang hè chậm hơn nhưng từ hè sang đông sớm hơn so với tầng mặt sinh ra bởi dòng mật độ từ cửa vịnh vào. Hình 3.41. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng 50m tại điểm 3 và 4 110 Profile dòng chảy theo độ sâu tại 2 điểm 3 và 4 cho thấy ở các lớp nước từ 20m trở xuống ảnh hưởng của gió không đáng kể nữa, dòng chảy các lớp nước sâu có hướng của dòng mật độ và tương đối ổn định về độ lớn và ngược hướng so với lớp mặt, trong khi dòng chảy các lớp nước sát mặt thay đổi liên tục về cả hướng và độ lớn do ảnh hưởng của trường gió trong vịnh (hình 3.42). Bảng 3.7. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình các tháng theo độ sâu Tháng Độ sâu (m) Điểm 3 (95, 113) (108 008’E, 19044’N) Điểm 4(87, 47) (107 052’E, 17032’N) u (m/s) v (m/s) Vận tốc (m/s) Góc (độ) u (m/s) v (m/s) Vận tốc (m/s) Góc (độ) 1 0 -0.06 0.056 0.082 137.0 -0.075 0.004 0.075 176.9 10 -0.015 0.085 0.086 100.0 -0.062 0.035 0.071 150.6 20 0.079 0.074 0.108 43.1 0.037 0.014 0.040 20.7 30 0.069 0.013 0.070 10.7 0.035 -0.042 0.055 309.8 40 0.065 0.035 0.074 28.3 0.039 -0.041 0.057 313.6 50 0.059 0.031 0.067 27.7 0.041 -0.017 0.044 337.5 4 0 0.002 0.066 0.066 88.3 0.017 0.07 0.072 76.3 10 0.03 0.02 0.036 33.7 0.043 0.015 0.046 19.2 20 0.0005 -0.02 0.020 271.4 -0.0005 -0.028 0.028 269.0 30 0.001 -0.011 0.011 275.2 0.011 -0.03 0.032 290.1 40 0.003 -0.006 0.007 296.6 0.017 -0.031 0.035 298.7 50 0.003 -0.006 0.007 296.6 0.017 -0.027 0.032 302.2 7 0 0.079 -0.011 0.080 352.1 0.074 0.006 0.074 4.6 10 0.042 -0.054 0.068 307.9 0.022 -0.026 0.034 310.2 20 -0.015 -0.036 0.039 247.4 -0.027 0.017 0.032 147.8 30 -0.015 -0.029 0.033 242.7 -0.01 0.014 0.017 125.5 40 -0.012 -0.021 0.024 240.3 -0.004 0.012 0.013 108.4 50 -0.012 -0.021 0.024 240.3 -0.004 0.015 0.016 104.9 10 0 -0.062 0.061 0.087 135.5 -0.085 0.021 0.088 166.1 10 -0.045 0.078 0.090 120.0 -0.025 0.034 0.042 126.3 20 0.069 0.033 0.076 25.6 0.05 -0.017 0.053 341.2 30 0.05 0.01 0.051 11.3 0.017 -0.033 0.037 297.3 40 0.049 0.024 0.055 26.1 0.013 -0.024 0.027 298.4 50 0.048 0.024 0.054 26.6 0.026 -0.035 0.044 306.6 111 Hình 3.42. Profile vận tốc các tháng tại điểm 3 và 4 112 3.4.2 Cấu trúc nhiệt độ, độ muối Vịnh Bắc Bộ Các cấu trúc thủy văn trong vịnh được nghiên cứu chủ yếu là các trường nhiệt độ, độ muối nhằm đưa ra được các quy luật biến động của các trường này về cấu trúc không gian và xác định các tháng chuyển tiếp trong năm. Trong các tháng mùa đông do quá trình xáo trộn khá mạnh nên trong khu vực Vịnh Bắc Bộ các front nhiệt có thể tồn tại và ăn sâu xuống khoảng 50m ở giữa vịnh, vùng ven bờ đồng nhất nhiệt phát triển đến đáy. Các kết quả tính toán cấu trúc nhiệt độ tháng 1 tháng 2 trên mặt cắt dọc vĩ tuyến 200N (hình 3.43) và dọc kinh tuyến 108E (hình 3.44) đã khẳng định điều đó. Phân bố nhiệt độ trong vịnh cho thấy ở khu vực nước nông ven bờ trường nhiệt độ biến thiên mạnh từ bờ ra khơi và các đường đẳng nhiệt rất sát nhau ở khu vực phía Bắc vịnh. Khu vực nước sâu hơn ở giữa vịnh có xu thế ấm hơn vùng nước ven bờ (hình 3.43, 3.44). Phân bố nhiệt độ ven bờ tăng từ cửa Ba Lạt đến cửa sông Cả nhiệt độ biến thiên từ 17.5oC ở cửa Ba Lạt đến 19oC ở cửa sông Cả trong tháng 1 nhưng lại có chênh lệch không đáng kể chưa đến 1oC trong tháng 2. Có thể thấy cấu trúc nhiêt độ biến đổi mạnh hơn từ tháng 3, độ sâu lớp đồng nhất nhiệt giảm đáng kể chỉ còn khoảng 10- 20m ở khu vực nước sâu giữa vịnh. Từ độ sâu lớn hơn 50m gradient thẳng đứng nhiệt độ tăng mạnh. Do vậy việc định lượng được trường nhiệt độ tại tầng sâu này rất có ý nghĩa thực tế. Dựa vào các kết quả thu được, chúng ta tiến hành so sánh diễn biến của hiện tượng này trên các phân bố mặt cắt dọc các kinh tuyến và vĩ tuyến nơi có cả các vùng biển nông lẫn biển sâu bắt đầu từ tháng 1 đến tháng 7 (hình 3.43- 3.50). 113 Hình 3.43. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 20N Hình 3.44. Phân bố nhiệt độ tháng 1 trên mặt cắt kinh tuyến 108E Hình 3.45. Phân bố nhiệt độ tháng 3 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N Hình 3.46. Phân bố nhiệt độ tháng 4 trên mặt cắt kinh tuyến 108E 21 20 1 9 22 105 106 107 108 109 110 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau kinh do 2 3 2 3 .5 22 20 1 8 16 17 18 19 20 21 22 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau Vi do 2 5 2 4 .5 24 23 105 106 107 108 109 110 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau kinh do 24.5 25.5 2 5 23.5 2 1 .5 2 3 16 17 18 19 20 21 22 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau Vi do 114 Hình 3.47. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt kinh tuyến 108E Hình 3.48. Phân bố nhiệt độ tháng 5 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N Hình 3.49. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt vĩ tuyến 18N Hình 3.50. Phân bố nhiệt độ tháng 7 trên mặt cắt kinh tuyến 107E 26 26.5 2 5 2 4 .5 2 2 .5 2 4 .5 16 17 18 19 20 21 22 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau Vi do 26.5 2 6 2 5 24 105 106 107 108 109 110 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 30 29.5 29 28.5 28 27.5 27 26.5 26 25.5 25 24.5 24 23.5 23 22.5 22 21.5 21 20.5 20 19.5 19 18.5 18 17.5 17 Do sau kinh do 115 Gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng các tháng mùa hè biến đổi mạnh hơn các tháng mùa đông, các đường đẳng nhiệt phân bố xít nhau hơn ở vùng nước sâu. Vào mùa đông thì phía ven bờ Bắc Vịnh Bắc Bộ nhiệt độ lạnh hơn các vùng khác và phía cửa vịnh nhiệt độ lại ấm hơn do quá trình gia tăng trường gió xáo trộn nhiệt trong vùng biển sâu hơn (hình 3.51, 3.52). Hình 3.51. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 1 Hình 3.52. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 2 Cũng như đối với các tháng mùa đông, các kết quả thu được trong các tháng mùa hè cũng phản ảnh tương đối đầy đủ các đặc trưng phân bố và biến động của các trường nhiệt độ nước. Vào mùa hè bức tranh phân bố trường nhiệt độ trái ngược hẳn với mùa đông. Sang tháng 7, 8 sự phân hóa trường nhiệt trong vịnh không còn thấy rõ nét, nhiệt độ ấm trên toàn vịnh (hình 3.53, 3.54). Ở khu vực ngang vĩ tuyến 18 thấy xuất hiện nước trồi do đặc điểm vùng ven bờ này khá dốc và sâu. Vùng nước tương đối lạnh này gây ảnh hưởng đến giảm tương đối nhiệt độ nước về cả hai phía Bắc và Nam của các vùng ven bờ tính từ đèo Ngang. Hải Phòng Quảng Trị Hải Phòng Quảng Trị 116 Hình 3.53. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 7 Hình 3.54. Phân bố nhiệt độ tầng mặt tháng 8 Nhiệt độ vùng ven bờ các cửa sông gần như đồng nhất trên mặt đạt khoảng 29oC từ cửa Ba Lạt đến cửa sông Cả, lớp đồng nhất nhiệt chỉ khoảng 5m, vùng sát bờ các cửa sông vẫn thấy đồng nhất nhiệt phát triển đến đáy. Các bản đồ độ muối thu được cũng phản ảnh đúng chế độ muối trên Vịnh Bắc Bộ. Nền độ muối trung bình vùng Vịnh Bắc Bộ vào khoảng 33.4‰ tương đối thấp so với Biển Đông. Tại cửa vịnh độ muối đạt giá trị lớn nhất do ảnh hưởng của nước vùng khơi Biển Đông, phía Tây do ảnh hưởng của nước sông đổ ra, độ muối giảm đi, đường đẳng trị 33.2‰ kéo dài từ bắc Vịnh Bắc Bộ đến cửa sông Cả trong tháng 1 và thu hẹp dần vào tháng 2 do lưu lượng nước sông giảm theo các tháng đó (hình 3.55, 3.56). Cấu trúc độ muối cho thấy ảnh hưởng của lưu lượng sông trong tháng 1 lớn hơn so với tháng 2 do thời kỳ này lưu lượng nước sông miền trung vẫn lớn hơn tháng 2 (hình 3.55, 3.56). Độ muối thấp nhất ngang bờ vĩ tuyến 19oN đạt 33.4%o trong tháng 2 còn tháng 1 là 33.2%o. Gradient độ Quảng Trị Hải Phòng Hải Phòng Quảng Trị 117 muối các tháng mùa đông khá nhỏ, các đưởng đẳng muối có xu thế thẳng đứng (hình 3.57, 3.58). Hình 3.55: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 1 Hình 3.56: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 2 Hình 3.57. Phân bố độ muối tháng 1 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N Hình 3.58. Phân bố độ muối tháng 2 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N Từ trường phân bố độ muối trong mùa hè thấy rõ ảnh hưởng của lưu lượng sông. So sánh giữa tháng 7 và 8 với lưu lượng sông tăng dần tương ứng Hải Phòng Quảng Trị Hải Phòng Quảng Trị 118 độ muối giảm dần, đường đẳng trị 32.2‰ chạy dài đến tận cửa sông Cả vào tháng 8 trong khi tháng 7 đường này tương ứng là 32.6‰ (hình 3.59, 3.60). Hình 3.59: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 7 Hình 3.60: Phân bố độ muối tầng mặt tháng 8 Hình 3.61. Phân bố độ muối tháng 7 trên mặt cắt vĩ tuyến 19N Hình 3.62. Phân bố độ muối tháng 8 trên mặt cắt kinh tuyến 106.5E Hải Phòng Quảng Trị Quảng Trị Hải Phòng 119 Biến động của cấu trúc độ muối mùa hè lớn hơn hẳn mùa đông, độ muối giảm mạnh từ ngoài khơi vào bờ, ảnh hưởng của lưu lượng nước sông lớn theo cả diện rộng và độ sâu, gradient của độ muối theo độ sâu lớn, các đường đẳng muối có xu thế nằm ngang (hình 3.61, 3.62). Những kết quả này khẳng định khả năng của mô hình GHER trong việc mô phỏng được quá trình hình thành và biến động cấu trúc nhiệt độ, độ muối của lớp hoạt động trên của biển trong cả hai mùa. Kết quả này cũng chỉ ra lớp tựa đồng nhất nhiệt độ và nêm nhiệt mùa và đặc biệt chỉ ra các tháng chuyển tiếp trong năm nhất là giai đoạn đốt nóng mặt biển trong mùa xuân hè khi hiện tượng ăn mòn nêm nhiệt xảy ra. 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Thông qua việc phát triển và hoàn thiện quy trình tính toán, dự báo các trường chế độ thủy văn và động lực, luận án đã mô phỏng được quy luật phân bố và biến động các đặc trưng nhiệt muối và hoàn lưu 3D cho từng mùa và từng tháng trên Vịnh Bắc Bộ. Luận án rút ra những kết luận sau: 1. Các kết quả phân tích theo phương pháp LOWESS tập hợp số liệu khảo sát lịch sử với số liệu viễn thám nhiệt độ nước mặt biển cho phép xác định cấu trúc 3D của trường nhiệt độ, độ muối hàng tháng. Các trường 3 chiều này được sử dụng làm đầu vào chi tiết và tin cậy cho mô hình 3 chiều GHER phục vụ tính toán và dự báo các trường khí hậu nhiệt độ, độ muối và dòng chảy trên Vịnh Bắc Bộ. Quy trình tính toán này có thể áp dụng một cách hiệu quả cho các khu vực biển khác nhau. 2. Kết quả hoàn thiện và triển khai quy trình thuận nghịch tính toán đồng thời cấu trúc nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ cho phép mô phỏng tương đối đầy đủ các cấu trúc trung bình tháng theo số liệu truyền thống hiện có kết hợp số liệu viễn thám cập nhật trên mặt biển. Quy tình tính toán này không những mô phỏng được các đặc trưng chế độ thủy văn và động lực mà trở thành công cụ đồng hóa số liệu cập nhật phục vụ đầu vào cho mô hình dự báo GHER. 3. Thông qua kết quả triển khai mô hình 3D trên lưới ngang chi tiết (3.667x3.667 km) với 17 lớp theo phương thẳng đứng đã cho thấy những phát triển mới trong quá trình lý giải hiện trạng cấu trúc nhiệt độ, độ muối biển quy mô tháng cho Vịnh Bắc Bộ, như các front nhiệt, vùng nước ấm trung tâm Vịnh Bắc Bộ trong mùa đông và khu vực nước trồi yếu trên vùng biển ven bờ Đèo Ngang trong mùa hè. Đồng 121 thời chỉ rõ sự biến đổi của cấu trúc nhiệt độ, độ muối của các tháng trong năm như độ dày lớp đồng nhất nhiệt độ theo các tháng, chỉ rõ ảnh hưởng của lưu lượng nước sông đến sự giảm độ muối vùng ven bờ. 4. Kết quả tính toán khẳng định hoàn lưu mùa hè có sự phân hóa về hướng ngang vĩ tuyến 19oN đồng thời chỉ ra hoàn lưu mùa hè tồn tại cả xoáy thuận ở nửa phía Bắc và xoáy nghịch trên nửa phía Nam vịnh. Như vậy kết quả tính toán này đã lý giải được sự không thống nhất trong nhận định về hoàn lưu mùa hè ở những nghiên cứu trước đây và thỏa mãn cả hai trường phái là tồn tại xoáy thuận và tồn tại xoáy nghịch trong vịnh. 5. Các kết quả tính toán đã chỉ ra được sự tồn tại và quy mô của các xoáy cục bộ trên vịnh và chỉ ra được sự tranh chấp của dòng chảy tuân theo hướng dòng chảy mùa đông ở phía Bắc vịnh với dòng chảy hướng đi lên theo hướng dòng chảy mùa hè ở phía Nam vịnh vào tháng 5 và ngược lại với các tháng chuyển tiếp từ hè sang đông (tháng 9) khi mà có sự phân hóa gió rất phức tạp trên vùng vịnh này. KIẾN NGHỊ 1. Trên cơ sở các kết quả thu được, có thể khẳng định quy trình phát triển và ứng dụng trong luận án có khả năng ứng dụng tính toán, dự báo cấu trúc 3D nhiệt muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ cũng như các vùng biển cụ thể khác theo hướng phát triển kỹ thuật đồng hóa số liệu và tích hợp chúng vào các mô hình dự báo môi trường biển. 2. Tác giả luận án hướng tới xây dựng tập chuyên khảo về cấu trúc hoàn lưu và nhiệt độ, độ muối cho khu vực Vịnh Bắc Bộ trong thời gian tới nhằm phục vụ cho các nghiên cứu về môi trường biển trong khu vực. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Hà Thanh Hương (2013), “Biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ”, Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội. Khoa học Tự nhiên và Công nghệ tập 29 (1S), tr.80-88. 2. Hà Thanh Hương, Đinh Văn Ưu, Đinh Văn Mạnh (2014), “Ứng dụng phương pháp LOWESS trong nghiên cứu cấu trúc nhiệt muối vịnh Bắc Bộ”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn (647), tr.38-44. 3. Hà Thanh Hương (2016), “Xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh Bắc Bộ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các khoa học trái đất và môi trường tập 32 (3S), tr.109-115. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường (2001), Thông tin các chương trình điều tra nghiên cứu Biển cấp Nhà Nước 1977- 2000 tập II. 2. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam (2009), Biển Đông II. Khí tượng thủy văn và Động lực biển, NXB Khoa học Tự nhiên và Công nghệ. 3. Trần Văn Chung, Bùi Hồng Long (2015), “Một số kết quả tính toán dòng chảy trong vịnh Bắc Bộ bằng mô hình ba chiều phi tuyến”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển T. 15(4), tr. 320-333. 4. Lê Đình Mầu, Nguyễn Đức Thịnh, Nguyễn Văn Tuân, Nguyễn Chí Công, Phạm Sỹ Hoàn, Nguyễn Trương Thanh Hội, Vũ Tuấn Anh, Nguyễn Thị Thùy Dung, “Đặc điểm dòng chảy ven bờ Bắc Trung Bộ thời kỳ 4/2016”, Tạp chí Khoa học Công nghệ biển (sắp xuất bản) 5. Đinh văn Ưu (2000), Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) thủy nhiệt động lực học Biển Đông và ứng dụng của chúng, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN - 06-02. 6. Đinh Văn Ưu, Nguyễn Kim Cương, Hà Thanh Hương và Nguyễn Nguyệt Minh (2015), “Nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên trường dòng chảy lớp mặt Biển Đông”, Tạp chí ĐHQG HN: Khoa học Tự nhiên và công nghệ T. 31(3S), tr. 269. 7. Đinh Văn Ưu, Nguyễn Kim Cương, Nguyễn Nguyệt Minh, Hà Thanh Hương (2015), “Một số đặc trưng phân bố và biển động các trường khí tượng, hải văn chủ yếu tại khu vực Nam Trung Bộ, Việt Nam”, Tuyển tập Công trình Hội nghị khoa học Cơ học Thủy khí toàn quốc năm 2015. 8. Backhaus, J. O. (1985), “A three-dimensional model for the simulation of shelf sea dynamics”, Dt. hydrogr. Z, pp. 38, 165–187. 9. Bao, X., Y. Hou, C. Chen, F. Chen, and M. Shi (2005), “Analysis of characteristics and mechanism of current system on the west coast of Guangdong of China in summer”, Acta Oceanol. Sin, B24, pp. 1–9. 124 10. Cai, S. Q. and W. Z. Wang (1999), “Three-dimensional numerical simulation of South China Sea circulation in winter and summer”, Acta Oceanologica Sinica, B21(2), pp. 27–33 . 11. Camerlengo, A. and M. I. Demmler (1997), “Wind-driven circulation of peninsular Malaysia’s eastern continental shelf”, Scientia Marina, B6(2), pp. 203–211. 12. Cao, D. Z., and G. H. Fang (1990), “A numerical model for tides and tidal currents in the northern South China Sea (in Chinese with English abstract)”, Trop. Oceanol, 9, pp. 63– 70. 13. Chan, K. M. (1970), “The seasonal variation of hydrological properties in the northern South China Sea In The Kuroshio—A Symposium on the Japan Current, East-West Center Press”, Honolulu, pp.143–162. 14. Chao, S. Y., P. T. Shaw and S. Y. Wu (1996), “Deep water ventilation in the South China Sea”, Deep-Sea Res., B43(4), pp. 445–466. 15. Chen, J. C. (1983), “The in-time distribution of surface currents in offshore areas of China in winter”,Tropic Oceanology, B2(2), pp. 97– 101. 16. Chern, C. S., Jan, S., & Wang, J. (2010), “Numerical study of mean flow patterns in the South China Sea and the Luzon Strait”, Ocean Dynamics, B60(5), pp. 1047-1059. 17. Chu, P. C., N. L. Edmons and C.W. Fan (1999a), “Dynamical mechanisms for the South China Sea seasonal circulation and thermohaline variabilities”, J. Phys. Oceanogr., 29, pp. 2971–2989. 18. Chu, P. C., S. H. Lu and W. T. Liu (1999b), “Uncertainty of South China Sea prediction using NSCAT and National Centers for Environmental Prediction winds during tropical storm Ernie”, J. Geophys. Res., B104(C5), pp. 11273–11289. 125 19. Dale, W. L. (1956), “Wind and drift current in the South China Sea”, The Malayan Journal of Tropical Geography, 8, pp. 01–31. 20. Fang, W. D. (1997), “Structures of summer circulation in Southern South China Sea”, Nanhai Studia Marina Sinica, 12, pp. 217–223. 21. Fang, W. D., Z. X. Guo and Y. T. Huang (1997), “Observation and study on the circulation in the southern South China Sea”, Chinese Science Bulletin, B42(21), pp. 2264–2271. 22. Gan, J., Li, H., Curchitser, E. N., & Haidvogel, D. B. (2006), “Modeling South China Sea circulation: Response to seasonal forcing regimes”, Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), B111(C6). 23. Hu, J. Y., Kawamura, H., & Tang, D. L. (2003), “Tidal front around the Hainan Island, northwest of the South China Sea”, Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), B108(C11). 24. Hydrographic Office of the U.S. Navy (1945), “The surface currents of the South China, Java, Celebes and Sulu Seas”, Washington, D.C., In H.O. Pub. No. 236. 25. “In South China Sea, in Chinese Society of Oceanology and Limnology”, Proceedings of the Hydrology and Meteorology, Science Press, Beijing, pp. 137– 14. 26. Jingsong Gao & Huijie Xue & Fei Chai & Maochong Shi (2013), “Modeling the circulation in the Gulf of Tonkin, South China Sea”, Ocean dynamics, august. 27. Li, Shuhua and Bo, Chen (1987), “A numerical study of the tide and tidal current in Beibu gulf”, Acta Oceanologica Sinica, B4(003). 28. Li, L., R. S. Wu, Y. C. Li and Z. J. Gan (1999), “A preliminary analysis of shallow water tidal aliasing in TOPEX/POSEIDON altimetric data”, Acta Oceanologica Sinica, B21(3), pp. 07–14. 126 29. Li, R. F., Q. C. Zeng, Z. Z. Ji and D. Gun (1992a), “Numerical simulation for a northeastward flowing current from area off the eastern Hainan Island to Tsugaru/Soya Strait”, La mer, 30, pp. 229–238. 30. Li, R. F., Z. Z. Ji and Q. C. Zeng (1992b), “The simulation of the circulation in the western Pacific Ocean”, In Collected Papers of the Symposium on Ocean Circulation, China Ocean Press, Beijing, pp. 115– 126. 31. Li, R. F., Q. Z. Huang and W. Z. Wang (1994), “Numerical simulation of the upper currents in the South China Sea”, Acta Oceanologica Sinica, (in Chinese), B16(4), pp. 13–22. 32. Liu, X. B. and J. L. Su (1993), “A numerical model of winter circulation in shelf seas adjacent to China”, In Proceedings of the Symposium on the Physical and Chemical Oceanography of the China Seas, China Ocean Press, Beijing, pp. 288–298. 33. Liu, A. J., and Y. T. Zhang (1997), “Numerical prediction and analysis of the tide in Beibu Bay (in Chinese with English abstract), Oceanol”, Limnol. Sin, 28, pp. 640–645. 34. Ly, L. N. and P. Luong (1997), “A mathematical coastal ocean circulation system with breaking waves and numerical grid generation”, Applied Mathematical Modellin, B21(10), pp. 633–641. 35. Ly, L. N. and P. Luong (1999), “Numerical grids used in a coastal ocean model with breaking wave effects”, Journal of Computational and Applied Mathematics, B103(1), pp. 125–137. 36. Manh, D. V., and T. Yanagi (2000), “A study on residual flow in the Gulf of Tongking”, J. Oceanogr., 56, pp. 59– 68. 37. Mao, M., W. Z. Wang, Q. Z. Huang, S. C. Fu, Y. S. Li and C. W. Li (1992), “A three-dimensional numerical simulation of the South China Sea circulation”, Tropic Oceanology, B11(4), pp. 34–41. 127 38. Mao, Q. W., P. Shi and Y. Q. Qi (1999), “Sea surface dynamic topography and geostrophic current over the South China Sea from Geosat altimeter observation”, Acta Oceanologica Sinica, B21(1), pp. 11–16. 39. Minh N. Nguyen, P.Marchesiello; Florent Lyard, Sylvain Ouillon, Gildas Cambon, Damien Allain, Uu V. Dinh (2014), “Tidal Characteristics of the Gulf of Tonkin”, Continental Shelf Research, pp.37-56. 40. Morimoto, A., K. Yoshimoto and T. Yanagi (2000), “Characteristics of sea surface circulation and eddy field in the South China Sea revealed by satellite altimetric data”, J. Oceanogr., B56(3), pp. 331–344. 41. Pohlmann, T. (1987), “A three dimensional circulation model of the South China Sea. In Three-Dimensional Models of Marine and Estuarine Dynamics”, ed. by J. J. Nihoul and B. M. Jamart, Elsevier, New York, pp. 245–268. 42. Qian, Y. F., B. C. Zhu and Q. Q. Wang (1999), “Influences of sea temperature, salinity and wind stress on simulations of oceanic currents in the South China Sea”, Journal of Nanjing Institute of Meteorology, B22(1), pp. 26–31. 43. Qi Quan, Huijie Xue, Huiling Qin. Xuezhi Zeng, Shiqiu Peng (2016), “Features and variability of the South China Sea western boundary current from 1992 to 2011”, Ocean Dynamic. 44. Rong, Z. M. (1994), “Analysis on the surface current features in the South China Sea in winter”, Marine Forecasts, B11(2), pp. 47–51. 45. Shaw, P. T. and S. Y. Chao (1994), Surface circulation in the South China Sea, Deep-Sea Res. I, B40(11/12), pp. 1663–1683. 46. Shaw, P. T., S. Y. Chao, K. K. Liu, S. C. Pai and C. T. Liu (1996), “Winter upwelling off Luzon in the northeastern South China Sea”, J. Geophys. Res., B101(C7), pp. 16435–16448. 128 47. Shaw, P. T., S. Y. Chao and L. L. Fu (1999), “Sea surface height variations in the South China Sea from satellite altimetry”, Oceanologica Acta, B22(1), pp. 1–17. 48. Soong, Y. S., J. H. Hu, C. R. Ho and P. P. Niiler (1995), “Coldcore eddy detected in South China Sea. EOS”, B76(35), pp. 345–347. 49. Su, J. L. and X. B. Liu (1992), “The circulation simulation of the South China Sea”, In Collected Papers of the Symposium on Ocean Circulation, China Ocean Press, Beijing, pp. 206–215. 50. Sun, H. L., and W. M. Huang (2001), “Three-dimensional numerical simulation for tide and tidal current in the Beibu Gulf (in Chinese with English abstract)”, Acta Oceanol. Sin., 23, pp. 01–0 8. 51. Takano, K., A. Harashima and T. Namba (1998), “A numerical simulation of the circulation in the South China Sea-Preliminary results”, Acta Oceanogr. Taiwanica, B37(2), pp. 165–186. 52. Tomczak, M. and J. S. Godfrey (1994), “Adjacent seas of the Pacific Ocean”, In Regional Oceanography: An Introduction, Pergamon Press, Oxford, pp. 173–191. 53. Uda, M. and T. Nakao (1974), “Water masses and current in the South China Sea and their seasonal changes”, In The Kuroshio Proceedings of the Third CSK Symposium, Bangkok, pp. 161–188. 54. Uu.D.V and J.M.Brankart (1997), “Seasonal variation of temperature and salinity fields and water masses in the Bien Dong”, J. Mathematical and computer Modelling (12). 55. Wang, D. X., F. X. Zhou and Z. H. Qin (1996), “A 2.5-layer numerical model for simulating the upper oceanic circulation in the South China Sea, I. Basin seasonal circulation with closed boundary”, Acta Oceanologica Sinica, B18(5), pp. 30–40. 129 56. Wang, D. X., Z. H. Qin and Y. P. Li (1997), “Model of upper oceanic circulations in the South China Sea during northeast monsoon”, Chin. J. Oceanol. Limnol., B 15(3), pp. 242–251. 57. Wang, D. X., P. Shi, K. Yang and Y. Q. Qi (2000), “Assimilation experiment of blending TOPEX altimeter data in the South China Sea”, Oceanologia et Limnologia Sinica (in press). 58. Wang, J. (1985), “A steady circulation model in the South China Sea”, Journal of Shangdong College of Oceanology, B15(3), pp. 22–31. 59. Watts, J. C. D. (1971), “A general review of the oceanography of the northern sector of the South China Sea”, Hong Kong Fisheries Bulletin,B2, pp. 41–50. 60. Watts, J. C. D. (1973), “Hydrography of the continental shelf area off Hong Kong II. Observations for the year 1970”, Hong Kong Fisheries Bulletin, B3, pp. 37–46. 61. Williamson, G. R. (1970), “Hydrography and weather of the Hong Kong fishing ground”, Hong Kong Fisheries Bulletin, B1, pp. 43–49. 62. Wu, C. R., P. T. Shaw and S. Y. Chao (1998), “Seasonal and interannual variations in the velocity field of the South China Sea”, J. Oceanogr., B54(4), pp. 361–372. 63. Wu, C. R., P. T. Shaw and S. Y. Chao (1999), “Assimilating altimetric data into a South China Sea model”, J. Geophys. Res., B104(C12), pp. 29987–30005. 64. Wu, D., Wang, Y., Lin, X., & Yang, J. (2008), “On the mechanism of the cyclonic circulation in the Gulf of Tonkin in the summer”, Journal of Geophysical Research: Oceans, B113(C9), pp. 1978–2012. 65. Wyrtki, K. (1961), “Physical oceanography of the Southeast Asian water. In NAGA Report Vol. 2, Scientific Result of Marine Investigation of the South China Sea and Gulf of Thailand 1959–1961”, Scripps Institution of Oceanography, La Jolla, California, B195. 130 66. Xia Huayong, Yin Zhongbin, Guo Zhilan, et al (1997), “3DNumerical simulation of the tides in Beibu Gulf”, Atca Oceanologica Sinica, B19(2), pp. 21-31. 67. Xu, X., Z. Qui, and H. Chen (1980), “Summary of the horizontal circumcurrent”. 68. Xu, X. Z., Z. Qiu and H. C. Chen (1982), “The general descriptions of the horizontal circulation in the South China Sea”, In Proceedings of the 1980 Symposium on Hydrometeology of the Chinese Society of Oceanology and Limnology, Science Press, Beijing, pp. 137–145. 69. Xue, H., Chai, F., Pettigrew, N., Xu, D., Shi, M., & Xu, J. (2004), “Kuroshio intrusion and the circulation in the South China Sea”, Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), B109(C2). 70. Yanagi, T., T. Takao and A. Morimoto (1997), “Co-tidal and corange charts in the South China Sea derived from satellite altimetry data”, La mer, 35, pp. 85–93. 71. Yang Ding, Changsheng Chen, Robert C. Beardsley, Xianwen Bao, Maochong Shi, Yu Zhang, Zhigang Lai, Ruixiang Li, Huichan Lin, Nguyen T. Viet (2013), “Observational and model studies of the circulation in the Gulf of Tonkin, South China Sea”, Journal of geophysical research: ocean, B118, pp. 1-16. 72. Yang, K., P. Shi, D. X. Wang, X. B. You and R. F. Li (2000), “Numerical study about the mesoscale multi-eddy system in the northern South China Sea in winter”, Acta Oceanologica Sinica, B22(1), pp. 27– 34. 73. Yu, M. G. and J. Z. Liu (1993), “Current system and circulation pattern in the South China Sea. Marine Forecasts”, B10(2), pp. 13–17. 131 74. Yuan, S., and J. Deng (1999), “A numerical study on circulation in the Beibu Gulf (in Chinese with English abstract)”, Nanhai Yanjiu Yu Fazhan, B12(2), pp. 41– 46. 75. Zeng, Q. C., R. F. Li and Z. Z. Li (1989), “Calculation of the monthly mean circulation in the South China Sea”, Scientia Atmospherica Sinica, 13, pp. 127–138. 76. Zeng, Q. C., R. F. Li, Z. Z. Ji, P. F. Ke and Z. J. Gan (1992), “The simulation of monthly mean circulation of the South China Sea”, In Collected Papers of the Symposium on Ocean Circulation, China Ocean Press, Beijing, pp. 127–165. 77. Zhang, F., Q. Z. Huang, W. Z. Wang, Y. S. Li and K. W. Chau (1994), “Diagnostic calculations for the seasonal-averaged current field in the deep water zone of the South China Sea”, Tropic Oceanology, B13(3), pp. 8–16. 78. Zhang, M. Y., Y. S. Li, W. Z. Wang and Q. Z. Huang (1995), “A three dimensional numerical circulation model of the South China Sea in winter”, In Proceedings of Symposium of Marine Sciences in Taiwan Strait and Its Adjacent Waters, China Ocean Press, Beijing, pp. 73–82. 79. Zhang, Y. C. and Y. F. Qian (1999), “Numerical simulation of the regional ocean circulation in the coastal areas of China”, Advances in Atmospheric Sciences, B16(3), pp. 443–450. 80. Zhuang, M., et al. (1981), “The winds, waves and currents in the northern South China Sea (in Chinese with English abstract)”, In Report of the Team of Comprehensive Research, Headquarters of South China Sea Geology Investigation, Department of Geology, Guangzhou. 81. Zhou, F. X., J. J. Shen, A. L. Berestov and A. D. Marushkevich (1995), “Seasonal features of large-scale geostrophic circulations in the South China Sea”, Tropic Oceanology, B14(4), pp. 9–14 .