Luận văn Đánh giá năng suất sinh học sơ cấp vùng biển Nam Trung bộ bằng mô hình Roms

à ất đến PGS TS Đ à Vă ộ, ờ đã tậ tì ớng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện luận vă . Ngoài những kiến thức quý báu mà thầy chỉ dạy, em còn nhậ đ ợc sự úp đỡ của thầy về ố ệ và tính toán. Em xin gửi lời c m â t à đến PGS. TS. Nguyễn H ấ , ời đã ấp cho em số liệu và những kiến thức bổ ích. Em ũ x ửi lời c m tới ThS. Nguyễ Đắ Đa, ờ đã ỗ trợ em nhiều mặt trong thời gian qua. Cuối cùng, em xin gửi lời c m tới các thầy á tr k a K í t ợng – Thủy vă – H c và các v a H k a 2011 – 2013 đã tạ đ ều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận vă . 4 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ............................................................................................. 5 DANH MỤ ẢNG ............................................................................................ 7 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 8 Ư NG 1 TỔNG QUAN VỀ V N ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................................. 10 1.1. Lịch sử phát triển mô hình sinh thái ....................................................................... 10 1.2. Các công trình nghiên cứu về ă ất sinh h ấp khu vực Nam Trung Bộ................................................................................................................................. 11 Ư NG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH ROMS À Đ N Ệ SINH THÁI NPZD ....................................................................... 12 2.1. Giới thiệu mô hình ROMS ..................................................................................... 12 2.2. đ ệ sinh thái NPZD trong ROMS ............................................................... 15 Ư NG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH ROMS VÀ M Đ N Ệ SINH THÁI N ZD TÍN T N N NG SU T SINH HỌ P VÙNG BI N NAM TRUNG B ................................................................................ 20 3.1.Giới thiệu về khu vực biển Nam Trung Bộ ............................................................. 20 3.1.1. Vị trí địa lý và địa hình ....................................................................................... 20 3.1.2. Điều kiện khí tượng hải văn ................................................................................ 21 3.2. Cá b ớc tiến hành ................................................................................................ 26 3.2.1. hi t l điề kiện an đ h h nh ............................................................. 26 3.2.2. Thi t l p các thông số cho mô hình và chạy mô hình .......................................... 31 3.2.3. Sự ổn định của mô hình....................................................................................... 34 3.2.4. Hiệu chỉnh và kiể định mô hình ........................................................................ 34 3.3. Kết qu và nhận xét ............................................................................................... 36 T N ................................................................................................................. 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 50 5 DANH MỤC CÁC HÌNH Hì 1. Trá : đồ t e p a ủa ới Arakawa-C. Ph : ới ROMS theo p t ẳ đứng ...................................................................................................... 14 Hì 2. S đồ NPZD – T tá ữa muố ỡng Ni trát (N), thực vật nổi ( ), động vật nổi (Z) và chất vẩn (D) ............................................................................ 16 Hình 3. Vị trí địa ý và địa hình khu vực biển Nam Trung Bộ trên b đồ khu vực Biể Đ .................................................................................................................... 20 Hình 4. Phân bố bức xạ quang hợp trên mặt biển .......................................................... 22 Hình 5. Dòng ch y tầng mặt và vùng hoạt độ ớc trồi mùa hè ................................ 23 Hình 6. Phân bố nhiệt độ ớc tầng mặt ....................................................................... 24 Hình 7. Phân bố khố ợng động vật nổi ...................................................................... 25 Hì 8. Địa hình khu vực tính toán và quan tâm ........................................................... 27 Hì 9. Tr ờng nhiệt độ ớc mặt biển ........................................................................ 28 Hì 1 . Tr ờ độ m ố ớ mặt b ể ..27 Hì 11. Tr ờ t ợ ớc ng t tra đổi qua mặt biển (E-P). từ mặt trời ......... 28 Hì 13. Tr ờ t ợng nhiệt tịnh bề mặt biển .................................................... 28 Hì 14. Độ nhạy t ợng nhiệt tịnh bề mặt đối với nhiệt độ bề mặt biển .............. 28 Hì 15. Tr ờng ứng suất gió trên mặt biển ................................................................. 29 Hì 16. Đ ều kiện biên mặt về nhiệt độ và dòng ch y ................................................. 29 Hì 17. Đ ều kiện biên bên về nhiệt độ ....................................................................... 29 Hì 18. Đ ều kiện biên mặt về độ muối và dòng ch y ................................................ 29 Hì 19. Đ ều kiện biên bên về độ muối ....................................................................... 29 Hì 2 . Đ ều kiện biên mặt về NO3 và dòng ch y ....................................................... 30 Hì 21. Đ ều kiện biên bên về NO3 ............................................................................. 30 Hì 22. Đ ều kiện biên mặt về Chlorophyl A và dòng ch y ........................................ 30 Hì 23. Đ ều kiện biên bên về Chlorophyl A .............................................................. 30 Hì 24. Đ ều kiện biên mặt về thực vật nổi và dòng ch y ........................................... 31 6 Hì 25 Đ ều kiện biên bên về thực vật nổi .................................................................. 31 Hì 26. Đồ thị t q a ữa số liệu nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 12 ăm t ứ 1 và ăm t ứ 2 chạy mô hình sinh thái ............................................................ 34 Hình 27. Nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 1 trong tính toán................................ 34 Hì 28. Tr ờng nhiệt độ trung bình bề mặt t á 1 đề tài Nghiên cứu phát triển và ứng d ng công nghệ dự báo hạn ngắ tr ờng các yếu tố thủy vă b ển khu vực Biể Đ ................................................................................................................... 35 Hì 29. T q a ữa số liệu nhiệt độ tính toán và MODIS trong tháng 8 (trái: số liệu MODIS, ph i: số liệu tính toán) ......................................................................... 36 Hì 3 . Tr ờng dòng ch y trung bình lớp ớc mặt tháng 1 Trái: tố độ dòng ch y t e vĩ ớng Ph i: tố độ dòng ch y t e k ớng ...................................... 36 Hình 31. Nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 1 ....................................................... 37 Hì 32. Độ muối trung bình lớp mặt biển tháng 1 ....................................................... 38 Hình 33. Nồ độ Chlorophyl A trung bình lớp mặt biển tháng 1 ................................. 38 Hình 34. Nồ độ NO3 trung bình lớp mặt biển tháng 1 ............................................... 39 Hình 35. Sinh khối thực vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 1 .................................. 40 Hình 36. Sinh khố động vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 1 ................................. 41 Hình 37. Nồ độ chất vẩn trung bình lớp mặt biển tháng 1 ......................................... 42 Hì 38. Tr ờng dòng ch y trung bình lớp ớc mặt tháng 7 Trái: tố độ dòng ch y t e vĩ ớng Ph i: tố độ dòng ch y t e k ớng ........... 42 Hình 39. Nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 7 ....................................................... 43 Hì 4 . Độ muối trung bình lớp mặt biển tháng 7 ....................................................... 44 Hình 41. Nồ độ Chlorophyl A trung bình lớp mặt biển tháng 7 ................................. 45 Hì 42. Nồ độ NO3 trung bình lớp mặt biển tháng 7 ............................................... 45 Hì 43. S k ố t ực vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 7 .................................. 46 Hì 44. S k ố động vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 7 ................................. 47 Hì 45. Nồ độ chất vẩn trung bình lớp mặt biển tháng 7 ......................................... 48 7 DANH MỤ ẢNG B ng 1. Các tham số của J a đối với mô hình N ZD 17 8 MỞ ĐẦU Tí t á ă ất sinh h ấp ở một hệ sinh thái biển là công việc có ý ĩa q a tr ng trong nghiên cứu hệ sinh thái của một vùng biển. Trong tính toán ă ất sinh h ấp, việc tính toán các yếu tố sinh thái, c thể là nồ độ NO3, sinh khối của thực vật nổ (p yt p a kt ), động vật nổi (zooplankton), nồng độ chất vẩn (detritus) của một khu vực biển là những công việc chính yếu, song song và làm tiề đề tí t á ă ất sinh h ấp. Từ các kết qu nghiên cứu, có thể đ ợc nhữ đá á về m tr ờng biển, sức s n xuất ấp của thực vật nổ , động vật nổ , úp ì ận về mứ độ và tiềm ă p át tr ển của sinh vật tại khu vực biển quan tâm. Trong nghiên cứu hệ sinh thái biể , a ớng nghiên cứu chính: thống kê trên số liệu thự đ và mô hình hóa. Hai ớng nghiên cứu ày đề đã đ ợc quan tâm và áp d ng tại Việt Nam, tr đ p p áp m ì a x ớ đ ợ t ử d ng hiện nay do tính hiệu qu và kinh tế. Vùng biển Nam Trung Bộ đã đ ợc các nhà khoa h q a tâm tí t á ă ất sinh h ấp từ nhữ ăm 8 ủa thế kỷ 20 theo c a ớng tr , tr đ ớng nghiên cứu mô hình hóa thích hợp nhiề đ ều kiện thực tế và đã đạt đ ợc các kết qu kh quan, úp đị ớng nghiên cứ a đ tập tr â và ớng này. Tr ở đ , ậ vă đã sử d ớng nghiên cứu mô hình hóa trong tính toán các yếu tố sinh thái quan tr ng cho khu vực biển Nam Trung Bộ, bao gồm nồ độ NO3, sinh khối của thực vật nổ , động vật nổi, nồ độ chất vẩn, vớ t đề tà : “Đá á ă ất sinh h ấp vùng biển Nam Trung Bộ bằng mô hình RO S”. c tiêu của luậ vă à k a t á đ ợc phần mềm tính toán thủy động lực và sinh thái của hệ thố m ì đạ quy mô vùng (ROMS) và áp d ng tại vùng biển nghiên cứu. Nội dung chính của luậ vă à tìm ểu về ở lý thuyết, á b ớc tiến hành chạy mô hình và phân tích kết qu t đ ợc từ ROMS. 9 Hệ thố m ì đạ q y m vù (RO S) à n phẩm nghiên cứu của Đại h Ca f r a, Đại h c Rutgers (Hoa Kỳ) và tổ chức IRD (Pháp), là một mô hình hiệ đại có nhiều ứng d ng cho nghiên cứu về một khu vực biển. Luậ vă tập trung khai thác ứng d ng mô phỏ tr ờng thủy động lự , tr ờng nhiệt – muối và tr ờng các yếu tố sinh thái của khu vực biển Nam Trung Bộ. Trên kết qu của việc ứng d ng ROMS, luậ vă đã đ a ra đ ợc bức tranh thủy động lự , tr ờng nhiệt muối và phân bố của các yếu tố sinh thái trên các tầng sâu của khu vực biển Nam Trung Bộ. Bố c c luậ vă ồm ba í a : ương 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: Đem đến cái nhìn tổng quát về ớng nghiên cứu sinh thái biển hiệ đại hiện nay, các thành tựu của thế giới, của Việt Nam nói chung và của khu vực Nam Trung Bộ nói riêng. ương 2. Giới thiệ mô ìn R và mô đ n ệ sinh thái trong ROMS: Giới thiệu về ở lý thuyết, p p áp tí ủa mô hình ROMS và mô đ ệ sinh thái trong ROMS. ương 3. Ứng dụng mô ìn R và mô đ n ệ sinh thái trong R tín toán năng s ất sinh học sơ cấp vùng biển Nam Trung Bộ: giới thiệu về khu vực Nam Trung Bộ, á b ớc tiến hành chạy mô hình và các kết qu tính toán. 10 Ư NG 1 TỔNG QUAN VỀ V N ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. L ch sử phát triển mô hình sinh thái Lịch sử phát triể m ì t á a àm 6 a đ ạn với sự mở màn tr a đ ạ đầu tiên là mô hình sinh thái ứng d ng Lotka – Volterra và mô hình Streeter – Phelps trong nhữ ăm 192 . G a đ ạn 2 kéo dài trong kho ng 30 ăm t ếp theo, thể hiệ b ớc phát triể a bằng sự xuất hiệ á p trì v p â đ ợc thiết lập tr ở định luật b o toàn khố ợ và ă ợ . Đặc đ ểm chung của m ì t á tr a đ ạn 2 là mô phỏng những mố t tá b , đ n về các quá trình sinh thái và cho nghiệm gi i tích hay là mô phỏng biến động sức s n xuất ấp của thực vật nổi theo một chiều. Sự phát triển thực sự về m ì t á đ ợc thể hiệ tr a đ ạn 3, từ ăm 197 đế ăm 1975. Nhờ có sự hỗ trợ đắc lực của máy tính nên việc phát triển các mô hình phức tạp vớ á p g pháp tính hiệ đại trở nên kh thi và mô hình sinh thái đ ợc sử d ng làm công c gi i quyết các vấ đề qu ý m tr ờng vì nó có thể chỉ ra mối quan hệ giữa tá động và nhữ t ay đổi theo sau trong hệ sinh thái. G a đ ạn 4, kéo dài từ 1975 đến 1980, có thể xem là thời kỳ tr ởng thành của mô hình sinh thái. Từ kinh nghiệm của việc phát triển nhiều mô hình mới cho thấy, hệ sinh thái khác xa các hệ thống vật ý và á đặ tr b n của hệ sinh thái cần ph đ ợc ph á m ì t á đã t ực sự phát triển theo chiều sâu. Giai đ ạn 5 kéo dài trong kho 1 ăm, từ ăm 198 đế ăm 199 , với sự hình thành và phát triển một số ợng lớn các loại mô hình sinh thái khác nhau trên rất nhiề ĩ vực khác nhau. G a đ ạn 6 bắt đầu từ ăm 199 đến nay, có thể đây là thời kỳ phát triển rực rỡ của mô hình sinh thái về quy mô c chiều rộng lẫn chiều sâu. Hàng loạt mô hình sinh thái hiệ đạ : I , SD , đ ợc phát triển và nhiều tạp chí mớ ra đời từ tạp í m ì t á : k tế sinh thái năm 1998, 11 công nghệ t á ăm 1992, ỉ thị t á ăm 2 1, t t t á ăm 2 6 đã ứng tỏ sự phát triể a và đa ạng về mô hình sinh thái trong giai đ ạn này [6]. 1.2. Các công trình nghiên cứu về năng s ất sinh học sơ cấp khu vực Nam Trung Bộ C đến nay, đã một số nghiên cứu về ă ất sinh h ấp tại các khu vực biển nhỏ trong vùng biển Nam Trung Bộ, có thể kể đến là các công trình nghiên cứu của GS. TS. Nguyễn Tác An (và cộng sự) “C ở vật chất của ă suất sinh h c ấp ở vùng biển ven bờ Phú Khánh, Thuận H i, Minh H ”, 1983; “Nă ất sinh h ấp biển ven bờ Việt Nam”, 1985; “Nă ất sinh h cấp và hiệu ứng sinh thái của ớc trồi của vùng biển Nam Trung Bộ”, 1995; và gầ đây à “Nă ất sinh h cấp và đặ tr ý-sinh thái của thực vật phù du ở vị N a Tra , K á Hòa” [6, 9], 2 3, Tuy nhiên, các công trình nói trên chỉ giới hạn trong một khu vực nhỏ thuộc vùng biển Nam Trung Bộ. Công trình nghiên cứu về ă ất sinh h ấp của PGS. TS. Đ à Vă ộ trong luận án Tiế ĩ “Mô hình hóa sự phân bố sinh v t nổi và năng s ất sinh họ sơ ấp vùng biển Nam Trung Bộ”, 1994, đã bao quát c vùng biển Nam Trung Bộ và đ ợc tính bằ p p áp m ì a [1]. 12 Ư NG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH ROMS À Đ N Ệ SINH THÁI NPZD 2.1. Giới thiệu mô hình ROMS Hệ thố m ì đạ q y m vù (RO S) à một thành viên trong lớp mô hình số trị có hệ t a độ thích ứ địa hình, mặt thoáng, ba chiều. Hệ thống m ì ày đ ợc nghiên cứu và phát triển ở Đại h Ca f r a, Đại h c Rutgers (Hoa Kỳ) và tổ chức IRD (Pháp) với m đí tí t á à , ệ sinh thái và các chu trình sinh-địa-hóa h c trong các khu vực biể ve k á a . RO S đ ợc duy trì và áp d ng bởi một cộ đồ ời sử d ng, hiện tại con số đã tới hàng trăm, đã ấp c i tiến quan tr ng trong nhữ ĩ vực thuật t á , địa hóa h , động lực h c, kết qu tạo ra một hệ thống mô hình biển thự đa m đí t ể hiện kh ă rõ rà t q a ều quy mô không gian/thời gian và nhiều vấn đề đa ạng. Nghiên cứu này sử d ng kết qu nghiên cứu từ phiên b n ROMS của tổ chức IRD - RO S_AGRIF, đ ợc hỗ trợ bởi bộ công c ROMSTOOLS cho các q á trì tr ớc và sau chạy mô hình ROMS [10]. ROMS gi i hệ p trì Nav er – Stokes trung bình Reynolds sử d ng xấp xỉ Boussinesq và xấp xỉ thủy tĩ . Hệ p trì động lực chủ đạo – trong dạ t ợng, hệ t a độ a Đề á và ma t e độ sâu – trình bày theo dạng truyền thố ớ đây:         0 ( ' ' ) Z Z Z Z Z Z Z Z H u uH u vH u H u H p v u fH v H g u w t x y s x x s H s                             13         0 ( ' ' ) Z Z Z Z Z Z Z Z H v uH v vH v H v H p v v fH u H g v w t x y s y y s H s                             0 0 1 0 z p g H s         vớ p trì t c:       0 Z Z ZH u H v H t x y s              và p trì vận chuyể v ớng:         ( ' ' ) Z Z Z Z source Z H C uH C vH C H C v C c w C t x y s s H s                     ở đây, , v và Ω à ững thành phần của vận tố t e p a (x và y) và t e p t ẳ đứng (theo hệ t a độ ma, ) t ứ ; ζ à độ a ớc dâng mặt t á tr bì ; à độ sâu của đáy b ể ới mự ớc trung bình; Hz là hệ số tỉ lệ theo chiều thẳ đứng và f là tham số Coriolis. Gạch ngang ở trên thể hiện trung bình thời gian và một dấ áy (’) t ể hiện nhiễ động rối. Áp suất là p; ρ và ρ0 là mật độ tổng cộng và mật độ chuẩn; g là gia tốc tr tr ờ ; υ à ệ số nhớt phân tử. C là một yếu tố vật lý (ví d : muối, nhiệt độ và trầm tí ửng); Csource là những các thành phần nguồn sinh/mất của các yếu tố vật lý. Cuối cùng, một hàm [ ( , )f C p  ] cần thiết để xá đị p trì trạng thái. Hệ p trì ày đ ợc khép kín bởi việc tham số hóa ứng suất Reynolds và t ợng rối của các yếu tố vật ý a : ' ' ;M u u w K z     ' ' ;M v v w K z     ' ' Hc w K z     14 tr đ KM là hệ số nhớt x áy đối vớ độ ợng và KH là hệ số khuếch tán xoáy đối với yếu tố vật lý [10]. Hệ t a độ sử d ng trong mô hình là hệ t a độ thích ứ địa hình vớ ới tính cấu trúc. Rời rạc hóa mô hình tiế à t e p a t e ới tính Arakawa-C và t e p t ẳ đứ à ớ ma, đ ợc gi t e p p áp sai phân trung tâm [11]. Hình 1. Trá : đồ t e p a ủa ới Arakawa-C. Ph : ớ RO S t e p t ẳ đứng [13] * Khép kín rối Trong những ứng d q y m vù đặ tr , ệ p trì tr RO S đ ợc gi i bởi một ới tính mà kho ng cách giữa á út ới là quá lớ để gi i quyết một cách thích hợp những quá trình rối quy mô nhỏ ở mức tiêu tán. Bởi vậy, nhữ q á trì q y m ớ ớ đối với xáo trộ t e p t ẳ đứng của độ ợng (hệ số nhớt rối KM) và khố ợng (hệ số khuếch tán rối KH) ph i đ ợc tham số hóa sử d ng một mô hình khép kín rối. ROMS cung cấp ăm p p áp để khép kín rối: (i) dùng những biểu thức gi tí đ ợ xá định bở ời sử d ng cho KH và KM; (ii) tần số xáo trộn Brunt – Va a a, tr đ mứ độ xáo trộn 15 đ ợ xá định dựa trên tần số ổ định, và bởi (iii) sự tham số hóa K-profile, (iv) Mellor – Yamada cấp 2.5, và (v) nhữ p p áp q y m à tổng quát [10]. Nghiên cứu này sử d p p áp đầu tiên. * Động lực lớ iên đáy Động lực lớp b đáy xá định ứng suất của đáy b ể tá động lên dòng ch y, làm hệ p trình Navier – Stokes trung bình Reynolds thành nhữ đ ều kiệ b độ ợng. ROMS thực hiện c hai mô hình chi tiết để thể hiện những quá trình lớp b đáy: ( ) sự diễn t hệ số ma át đ n, và (ii) những p trì p ức tạp để biểu diễn lại sự t tá ủa sóng và dòng ch y lên trầm tí đáy t ể dịch chuyển [10]. Nghiên cứu này sử d ng loại mô hình thứ nhất. 2.2. ô đ n ệ sinh thái NPZD trong ROMS RO S đ a ra một số các mô hình nhỏ về sinh thái. Với m đí p át tr ển đa ạng sinh thái, ROMS bao gồm: một mô hình loại NPZD, một mô hình loại Fasham, một mô hình loại hai loài phytoplankton, và một mô hình loạ đa à phytoplankton [10]. Mô hình loại NPZD có bốn biến trạng thái gồm giới hạn dinh ỡ (t ờng thấy nhất à t v ), thực vật nổi, động vật nổi và chất vẩn, tất c đề đ ợ đ t e đ vị giới hạ ỡng (c thể trong nghiên cứu này là mmolN.m -3 ). Nghiên cứu này sử d ng mô hình loạ N ZD đ n nhất, với m c đí tìm ể b ớ đầu về ứng d ng tính toán hệ sinh thái trong hệ thống mô hình ROMS. Thực vật nổi là các sinh vật tự ỡng có kh ă tổng hợp chất hữ từ các chất v ủa m tr ờng nhờ hấp th ă ợng ánh sáng mặt trời và sống trong tầ ớc mặt (3 m ớc trở lên), là bộ phận s n xuất chủ yếu bởi chúng luôn chiếm t ế c về khố ợng và tố độ tổng hợp chất hữ tr b ển. Thực vật nổ à đố t ợng thứ ă ủ yếu của động vật nổ , đ ợ à “vật mồ ”, ò động vật nổ đ ợ à “vật dữ”. Sống trong cùng một không gian, mối 16 quan hệ “vật mồi – vật dữ” ằm trong thế cân bằ động, ph thuộc chặt chẽ và á đ ều kiện vật ý m tr ờng [2]. Hì 2. S đồ NPZD – T tá ữa muố ỡng Ni trát (N), thực vật nổ ( ), động vật nổi (Z) và chất vẩn (D) [12] Hình 2 cho thấy mố t q a ữa 4 thành phầ tr đồ NPZD, qua đ t ể thấy m ì N ZD đ n hóa các hợp phần một cách tố đa, ẫ đến m p ỏ không át thực tế, tuy nhiên với việc tiếp cận thử nghiệm, t ì p pháp này là một b ớc khở đầu tốt cho việc tiếp cận các mô hình hệ sinh thái [12]. Cá p trì b ểu diễn các quá trình của mô hình đ ợc sử d ng trong nghiên cứu này đ ợc diễn gi i vi phân a : Ni trát (NO3) N Thực vật nổi P Chất vẩn D Động vật nổi Z S n phẩm mới Chìm Chìm Bài tiết Chết Chết+bài tiết Sự bù chất khoáng 17 tr đ : - Tất c các hàm nguồn Q là các hàm vô h ớng, đ ợc tính theo các công thức sau: tr đ các tham số ớ đây đ ợc tính theo các công thức: 18 Lvs ph thuộc sự chìm lắ t e p t ẳ đứng của thực vật nổi và chất vẩn. - PAR là bức xạ tích cực quang hợp. Việc tính toán các biến đ ợ đ n hóa bằng việc hằng số hóa tố độ và vận tốc của các quá trình, đ ợc cho trong b ng sau theo John Moisan: B ng 1. Các tham số của J a đối với mô hình NPZD [15] Biến Ý ĩa ký ệu Giá trị Đ vị kwater Hệ ố y m ánh sáng ớ b ể 0.04 [m -1 ] kChla Hệ ố y m á á do Chlorophyl 0.025 [(m 2 mg Chla) -1 ] α Độ ố ba đầ ủa đ ờ –I 4 [mgC(mgChlaWm 2 d) - 1 ] rC:N,phyto Tỷ số C:N đối với thực vật nổi 6.625 [mMolC(mMol N) -1 ] rC:N,zoo Tỷ số C:N đối vớ động vật nổi [mMolC(mMol N) -1 ] θm Tỷ số giữa tế bào Chlorophyl cự đại 0.053 [mg Chla/mg C] KNO3 Hệ số bá bã òa đối với thực vật nổi, theo NO3 1./0.5 [mmolN m -3 ] KNH4 Hệ số bá bã òa đối với thực vật nổi, theo NH4 1./0.5 [mmolN m -3 ] tPmort Tố độ chết của thực vật nổi 0.07 [d -1 ] tZgraze Tố độ ă ự đạ đặ tr ủa động vật nổi 0.75 [d -1 ] AEN Hiệu suất đồng hóa của động vật với N 0.75 [-] GGEC Hiệu suất đồng hóa của động vật với N 0.75 [-] AEC Hiệu suất phát triển tổng cộng của động vật nổi 0.65 [-] KP Hằng số bán bã òa động vật nổ ă 1 [mmolN m -3 ] tZbmet Tố độ bài tiết đặ tr ủa động vật nổi 0.1 [d -1 ] tZbmort Hệ số chết bậc 2 của động vật nổi 0.1 [d -1 (mmolN m -3 ) -1 ] tSDremin Tố độ chất vẩn nhỏ chuyển thành NH4 0.01 [d -1 ] tcoag Tố độ tập tr đặc tr (tr đ vị 0.01 [(mmolN m -3 ) -1 d -1 ] 19 thực vật nổi và chất vẩn nhỏ) tLDremin Tố độ đặ tr ủa chất vẩn lớn chuyển thành NH4 0.01 [d -1 ] wSD Vận tốc chìm lắng của chất vẩn nhỏ 0.1 [md -1 ] wLD Vận tốc chìm lắng của chất vẩn nhỏ 10 [md -1 ] wphyto Vận tốc chìm lắng của thực vật nổi 0.1 [md -1 ] tnitri Hệ số ni trát hóa của NH4 thành N03 0.1 [d -1 ] IthNH4 N ỡ AR đối với việ ă ặn ni trát hóa 0.0095 [Wm -2 ] Dp5NH4 Hệ số đị ợ .5 đối với việ ă chặn ni trát hóa 0.036 [Wm -2 ] 20 Ư NG 3 ỨNG DỤNG N R À Đ N Ệ SINH THÁI N ZD TÍN T N N NG T SINH HỌ P VÙNG BI N NAM TRUNG B 3.1.Giới thiệu về khu vực biển Nam Trung Bộ 3.1.1. Vị trí địa lý và địa hình Khu vực biển Nam Trung Bộ nằm ở phía tây của Biể Đ , t ộc khu vực biển Nam Việt Nam, diện tích kho ng 197522 km2, có vị trí địa ý a : K độ: từ bờ biển Việt Nam đến 1110 45’ k đ Vĩ độ: từ 90 15’ đến 140 15’ vĩ bắc Hình 3. Vị trí địa ý và địa hình khu vực biển Nam Trung Bộ trên b đồ khu vực Biển Đ Khu vực biển Nam Trung Bộ 21 Hì thấy địa hình khu vực biển Nam Trung Bộ t đối dố . Độ sâu của khu vực Nam Trung Bộ biế đổi trong kho ng từ m đến trên 3000m. 3.1.2. Điều kiện khí tượng hải văn * Bức xạ quang hợp Vùng biển Nam Trung Bộ thuộc miền nội chí tuyến bắc có hai lầ tr ăm mặt trờ đ q a t đỉnh (tháng 4 và tháng 8), vùng biển nghiên cứ t ờng xuyên nhậ đ ợc nguồ ă ợng bức xạ tự nhiên dồ à , tr đ k vực gần bờ nhận kho ng 130-135 K a / m2. ăm; à k : 15 -18 K a / m2. ăm. Ở đây ba ày t ờng dài, trờ t ờng quang mây, nhiề t á ợng mây tổng quan k v ợt quá cấp 6-7. L ợng bức xạ tự nhiên vào cỡ 50-70 cal/m2.giờ và t ờng có giá trị cao từ t á 3 đến tháng 8, là những tháng có nhiều giờ nắ , đạt trên 250 giờ/tháng vào các tháng 3, 4, 5 và trên 200 giờ/tháng vào cấc tháng 7, 8. Nếu cho rằ ợng bức xạ quang hợp chiếm kho ng 50% tổ ợng bức xạ tự nhiên thì giá trị của nó trên bề mặt vùng biể đạt cỡ 0.37-0.57 cal/cm2.phút – đ à á trị đặ tr á vù b ển nhiệt đớ à ă ợng. Độ trong suốt ở đây á trị khá cao: khu vực gần bờ 4-14m, à k 15-2 m và a . Vì vậy bức xạ dễ dàng xâm nhập tới các lớp ớc sâu. Với hệ số suy gi m bức xạ tr ớc biển vào cỡ 0.05-0.08 là giá trị trung bình cho các vùng biển nhiệt đới gần bờ thì chiều dày lớp quang hợp ở đây ( ớp ớc có bức xạ trên 0.003 cal/cm2.phút) có thể đạt đ ợc 80-100m [1]. 22 Hình 4. Phân bố bức xạ quang hợp trên mặt biển (cal/cm2.p út) N t ề - mùa ; N t đứt – mùa đ [1] * Hệ thố à và yể động thẳ đứng Vùng biển Nam Trung Bộ nằm tr n trong vùng nhiệt đới gió mùa, chịu nh ởng trực tiếp của 2 hệ thố à í ủa khí quyể : mùa đ bắc hoạt động chủ yếu từ t á 11 đế t á 3 ăm a , mạnh nhất vào tháng 2 với tuần suất ớng NE và N chiếm trên 85%, tần suất tố độ lớ 6 m/ ếm trên 70%; gió mùa Tây Nam hoạt động chủ yếu từ t á 5 đến tháng 9, mạnh nahats vào tháng 7-8 với tần suất ớng SW và W chiếm trên 70%, tần suất tố độ lớ 6 m/s chiếm trên 60%. Hệ thố à ớc tầng mặt khá thống nhất vớ tr ờng gió: ở khu vực gần bờ có dòng ch y xiết d c bờ, ớ ợc nhau trong 2 mùa và tố độ trung bình vào kho ng 50-70 cm/s; ở khu vực xa bờ dòng ch y phâ tá , tố độ vào kho ng 10-25 cm/s và nhỏ [1]. 23 Hình 5. Dòng ch y tầng mặt và vùng hoạt độ ớc trồi mùa hè [1] N ớc trồi là hiệ t ợ đặc thù ở vùng biển Nam Trung Bộ, xuất hiện trong mùa gió Tây Nam. Khu vự ớc trồi mạnh nằm ở kho vĩ độ từ 11 đế 13 độ vĩ bắ , k độ từ 1 9 đế 11 độ k độ , t ờ độ cỡ 5-15.10-3 m/ , độ sâu xuất phát ở tầ ớc kho ng 75-200 m. Phạm vi hoạt độ ớc trồi lan rộng hầu khắp vùng biể đến kho 111 độ k độ với ờ độ cỡ 1-5.10-3 cm/s. Hiệ t ợ ớc trồ đã àm b ế đổi hàng loạt đặ tr ý, a, c của vùng biển Nam Trung Bộ trong mùa hè so với những vùng kế cận, tạo nên một hệ sinh thái trù phú [1]. 3.1.3. Y u tố lý – hóa – sinh học Phần lớn thời gia tr ăm, ệt độ ớc ở tầng mặt tại vùng biển nghiên cứu thấp với các vùng kế cậ . Và mùa đ , ò y lạnh d c bờ đã tạo 24 nên ở đây ỡ ớc lạ â ới 260C, í đ ới 250C, trong khi nền nhiệt trung bình nam biể Đ t ời kỳ này là 270C. Và mùa , ớc trồi xuất hiện làm nhiệt độ ớc tầng mặt thấp 1-20C so với vùng ngoại vi (27-280C so vớ 29 C). Cá đ ờ đẳng nhiệt tầng mặt tạo thành vòng khép kín tại khu vực ớc trồi mạnh vớ â ới 27.50C, nhiề ăm ới 260C. Lớp đồng nhất nhiệt độ có chiều dày kho ng 50-7 m tr mùa đ , 1 -40m trong mùa hè và nhỏ 10m ở vù tâm ớc trồi. Hình 6. Phân bố nhiệt độ ớc tầng mặt (0C) N t ề - mùa ; N t đứt – mùa đ [1] Do vật chất đ ợc bổ t ờng xuyên từ cửa sông Cửu Long, từ các vùng biển phía bắc và từ các lớp ớc sâu nhờ bì và xá trộn thẳ đứng, nhất là hoạt độ ớc trồi mùa hè, vùng biển Nam Trung Bộ thuộc loại vự ớc nhiệt đớ à ỡng. Phân bố mặt rộng của các hợp chất ỡng nói chung có sự phân hóa mạnh trong mùa hè: những khu vự àm ợ ỡng cao t ờng tập trung ở gần bờ, cửa sông và khu vự ớc trồi mạnh, phù hợp với vị trí 25 các nguồn bổ . Tr mùa đ , p â bố mặt rộng các hợp chất ỡng đồ đề [1]. Hình 7. Phân bố khố ợ động vật nổi t á 7-1979 [1] Đặ tí đa t à p ầ à và đa kỳ là quy luật phổ biến của quần thể sinh vật nổi vùng biển nhiệt đới. Ở vùng biển nghiên cứu có trên 220 loài t o với số ợng trung bình có bậc 105-106 tế bào/m3 và 212 loài t động vật nổi (không kể động vật nguyên sinh) với sinh vật ợng trung bình 32 mg/m3. Vùng tập trung sinh vật nổ t ờng gắn liền với các khu vự à ỡng. Sức s n xuất bậc 1 ở gần bờ và khu vự ớc trồi mạnh có thể đạt 5 đến trên 80 mgC/m3.ngày, là giá trị đặ tr vù b ển nhiệt đới có sức s n xuất bậc 1 cao. Khố ớ à k từ kho ng 1110E trở ra tra đổi thông thoáng với nam Biể Đ p â bố của hầu hết các yếu tố lý, hóa, sinh h c ở đ t đối 26 ổ đị và đồng nhất t e p vĩ t yế . Đ ều này cho phép sử d đ ều kiện biên lý thuyết tại biên lỏng xa bờ đối với mô hình hai chiều [1]. 3.2. ác bước tiến hành 3.2.1. hi t l điề kiện an đ h h nh Công việc chuẩn bị cho việc chạy m ì đ ợc tiến hành nhờ bộ công c ROO STOOLS đ ợc viết theo ngôn ngữ Matlab, với m đí xây ựng các file đầu vào cho mô hình. Các file số liệu sử d àm đầ và và đầu ra trong mô hình RO S đ ợ ữ theo dạng netCDF – dạng dữ liệu thông d ng mạng (*.nc). Miền tính sử d ng trong nghiên cứu của bài báo: + Vĩ độ: từ 9 độ vĩ bắ đế 19 độ vĩ bắc + K độ: từ 1 5 độ k đ đế 118 độ k đ L ớ tí độ phân gi ¼ độ (kho ng 28 km), đ ợc chia thành 20 tầng sigma, với tham số bề mặt à 6. để tă độ phân gi i theo chiều thẳ đứng các lớp trên mặt và tham số đáy à .0 để k tă độ phân gi i theo chiều thẳng đứng các lớp ớ đáy b ển. Địa hình của khu vực nghiên cứ đ ợc thiết lập từ nguồn số liệu ETOTO2 (số liệ địa hình toàn cầu vớ độ phân gi 2 p út), đ ờng bờ đ ợc thiết lập từ bộ số liệu GSHHS (dữ liệ đ ờng bờ độ phân gi i cao phân cấp nhất quán toàn cầu). Trong hộp thoại Matlab, sử d ng câu lệnh: make_grid, kết qu đ ợc trình bày trong hình 8. File số liệ địa ì đ ợc mặ định là roms_grd.nc. Nguồn số liệ ù để thiết lập tr ờng lự tá động cho mô hình là bộ số liệu COADS05 (số liệu toàn cầu về tr bì t á á t ợ k í t ợng bề mặt biển vớ độ phân gi i 0,5 độ). Tr ờng lự tá động sử d ng bao gồm: nhiệt độ ớc mặt biể , độ muố ớc mặt biể , t ợ ớc ng t tra đổi qua mặt biển (E- ), t ợng nhiệt tịnh bề mặt biể , độ nhạy t ợng nhiệt tịnh bề 27 mặt đối với nhiệt độ bề mặt biển, ứng suất gió trên mặt biển, bức xạ sóng ngắn từ mặt trời. Hình 8. Địa hình khu vực tính toán và quan tâm Khu vực quan tâm 28 Hì 9. Tr ờng nhiệt độ ớc mặt biển Hì 1 . Tr ờ độ muố ớc mặt biển Hì 11. Tr ờ t ợ ớc ng t trao đổi qua mặt biển (E-P) Hì 12. Tr ờng bức xạ sóng ngắn từ mặt trời Hì 13. Tr ờ t ợng nhiệt tịnh bề mặt biển Hì 14. Độ nhạy t ợng nhiệt tịnh bề mặt đối với nhiệt độ bề mặt biển 29 Hình 15. Tr ờng ứng suất gió trên mặt biển Trong hộp thoại Matlab, sử d ng câu lệnh: make_forcing, kết qu đ ợc trình bày từ ì 9 đến hình 15. F e tr ờng lự tá độ đ ợc mặ địn