Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi trường theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông - xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ

Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng theo mô hình 3D và các mô hình khác (thống kê) cho mùa đông - xuân 2003-2004 vùng biển Trung Bộ Hà Thanh H−ơng Trung tâm Động lực và Môi tr−ờng biển Tr−ờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội Tóm tắt: Để đáp ứng mục tiêu dự báo phục vụ đánh bắt xa bờ thì vấn đề dự báo các tr−ờng hải d−ơng đ−ợc xem là trọng tâm. Sau khi tiến hành các b−ớc chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình đến chuẩn bị các đầu vào, hiện nay đã có thể sử dụng mô hình thuỷ nhiệt động lực học hệ các ph−ơng trình nguyên thuỷ để dự tính và dự báo các tr−ờng hải d−ơng trên khu vực nghiên cứu. Yêu cầu đặt ra là dự báo các tr−ờng thuỷ nhiệt động lực cho tháng sau, nên các tr−ờng ban đầu phải là tr−ờng trung bình cho tháng xuất phát vì vậy cần phải thiết lập đ−ợc các tr−ờng 3D nhiệt độ và độ muối trên toàn vùng biển. Trong bài báo này tôi đã sử dụng mô hình 3 chiều thuỷ nhiệt động lực học với các tr−ờng nhiệt độ đ−ợc thiết lập làm đầu vào để chạy dự báo từng tháng mùa đông- xuân 2003- 2004. 1. Mở đầu Bài toán thiết lập và dự báo các tr−ờng hải d−ơng đã và đang đ−ợc các nhà khoa học quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực của các tr−ờng này trong ngành công nghiệp đánh bắt xa bờ. Để triển khai dự báo cho khu vực nghiên cứu (vùng biển miền trung), chúng tôi ứng dụng mô hình cho toàn vùng biển Đông, điều này sẽ góp phần hạn chế các sai số có thể có do các điều kiện biên hở sinh ra. Do yêu cầu của vấn đề đặt ra cũng nh− khả năng kiểm chứng, chúng tôi chú trọng tr−ớc hết đến các tr−ờng nhiệt, những tr−ờng mực biển, hoàn l−u và độ muối cũng nh− các yếu tố sinh thái liên quan sẽ đ−ợc xem xét trong một số khía cạnh riêng. Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho việc dự báo và kiểm chứng tr−ờng nhiệt thông qua nhiệt độ n−ớc mặt biển. 2. Ph−ơng pháp và tài liệu Nh− chúng ta đều biết các tr−ờng ban đầu cho mô hình 3 chiều (3D) của Trung tâm động lực và Môi tr−ờng biển là các tr−ờng 3D đầy đủ các biến thuỷ nhiệt động lực biển: nhiệt độ, độ muối, vận tốc và h−ớng dòng chảy. Tuy nhiên, chúng ta không thể có đ−ợc một tr−ờng dòng chảy 3D tin cậy nào vào thời điểm dự báo, bài toán đặt ra là phải thiết lập đ−ợc các tr−ờng 3D nhiệt độ và độ muối trên toàn vùng biển. Với yêu cầu đặt ra là dự báo các tr−ờng thuỷ nhiệt động lực cho tháng sau, nên các tr−ờng ban đầu này phải là tr−ờng trung bình cho tháng xuất phát. 54 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng… 55 2.1. Các số liệu sử dụng để thiết lập tr−ờng ban đầu Do không có đủ mạng l−ới các trạm đo nhiệt độ và độ muối của các tầng sâu trên toàn biển, nên chỉ có cách thiết lập các tr−ờng 3D từ tr−ờng nhiệt độ n−ớc mặt biển và các phân bố thẳng đứng chuẩn có hiệu chỉnh với số liệu đo nếu có. Tr−ờng nhiệt độ n−ớc mặt biển đ−ợc sử dụng là tr−ờng viễn thám nhiệt đã đ−ợc phân tích theo hệ thống MODAS của phòng Nghiên cứu Hải quân Hoa kỳ (NRL) đ−ợc phổ biến hàng ngày trên internet. Các phân bố nhiệt độ theo ph−ơng thẳng đứng thu đ−ợc bằng kết quả phân tích các số liệu nhiệt độ trong bộ Atlat đại d−ơng thế giới 2001 (WOA2001). Các tr−ờng độ muối đ−ợc xử lý theo nguồn số liệu trên bằng ch−ơng trình thông dụng của Trung tâm Động lực và Môi tr−ờng biển do Phạm Văn Huấn biên soạn. 2.2. Ph−ơng pháp thiết lập tr−ờng ban đầu của mô hình - Tr−ờng nhiệt độ và độ muối đ−ợc xây dựng từ bản đồ phân bố nhiệt độ n−ớc bề mặt phân tích kết hợp ảnh viễn thám và khí hậu của trung tâm Khí t−ợng Hải văn Hoa Kỳ, và profile thẳng đứng của nhiệt độ. - Tr−ờng vận tốc ban đầu U, V đ−ợc giả định là 0 đối với việc dự báo cho tháng đầu tiên, lần chạy tiếp theo đ−ợc lấy theo kết quả của tháng vừa chạy. Các tác động lên biển gây biến đổi các tr−ờng thuỷ nhiệt động lực theo mô hình 3D bao gồm: - Tr−ờng áp suất khí quyển trên mặt biển, - Tr−ờng ứng suất gió, - Tr−ờng các thông l−ợng nhiệt trao đổi qua mặt biển, - Tr−ờng cán cân n−ớc ngọt – thông l−ợng n−ớc qua mặt biển thể hiện bằng hiệu suất giữa bốc hơi và m−a trên biển. Thiết lập tr−ờng 3D của tháng bất kỳ để dự báo cho tháng tiếp theo Thông th−ờng các số liệu từng tháng để chạy mô hình là số liệu nhiệt độ, độ muối, U, V và tr−ờng khí áp. Để có đ−ợc một tr−ờng 3D thể hiện đầy đủ đ−ợc sự phân bố theo độ sâu của địa hình thực ta tiến hành các b−ớc: - Số hoá bản đồ nhiệt độ tầng mặt bằng ph−ơng pháp nhận dạng mã màu. - Xây dựng phân bố chuẩn thẳng đứng của nhiệt độ bằng ph−ơng pháp bình ph−ơng nhỏ nhất. - Xây dựng tr−ờng 3 chiều từ nhiệt độ tầng mặt và đ−ờng phân bố chuẩn. - Nội suy tr−ờng 3 chiều theo toạ độ th−ờng ( theo từng tầng) sang dạng toạ độ sigma kết hợp với file địa hình để loại bỏ những điểm đất. Tiến hành nội suy file 3D theo độ sâu thành các file 3 chiều có b−ớc l−ới nhỏ hơn phù hợp với yêu cầu cụ thể. Trong bài toán này ta nội suy tr−ờng nhiệt, muối với b−ớc l−ới 1 độ kinh vỹ sang file 3D với b−ớc l−ới 1/5 độ kinh vỹ. Hà Thanh H−ơng 56 Thiết lập tr−ờng ban đầu và điều kiện biên cửa sông cho một tháng bất kỳ 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 400 80 0 160 0 1000 70 30 1 50 10 0 80 0 38 00 4000 1600 2600 Hình 1. Bản đồ địa hình vùng biển Nam Trung bộ Việc chạy mô hình bắt đầu từ một tháng bất kỳ gây ra khó khăn là làm thế nào để xác định các điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Bài toán đặt ra là khi ta chạy mô hình bắt đầu từ tháng thứ n mà tr−ờng số liệu là một năm thì các tr−ờng ban đầu và điều kiện biên phải t−ơng ứng với tháng thứ n-1. Để thực hiện đ−ợc điều này ta sử dụng ch−ơng trình viết bằng ngôn ngữ fortran chuyển các tr−ờng ban đầu và điều kiện biên cho phù hợp. Bản đồ địa hình khu vực nghiên cứu Trong bài báo này khu vực nghiên cứu là vùng biển Đông giới hạn từ 6o−17oN, 107o−115oE với địa hình đã đ−ợc làm trơn cho ô l−ới 1/5o x 1/5o đ−ợc thể hiện trên hình 1. 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Thiết lập tr−ờng nhiệt ban đầu Theo kết quả phân tích nhiệt độ các ngày 1, 11 và 21 hàng tháng chúng tôi đã thiết lập đ−ợc tr−ờng nhiệt độ n−ớc tầng mặt trung bình tháng. Từ tr−ờng nhiệt độ tầng mặt thu đ−ợc và các đ−ờng phân bố thẳng đứng chuẩn của nhiệt độ từng tháng tại 18 điểm đã tính toán tr−ờng 3D nhiệt độ làm đầu vào cho mô hình. Trên hình 2 dẫn ra bản đồ nhiệt độ n−ớc tầng mặt thu đ−ợc trong tháng 12-2003. So sánh với bản đồ trung bình nhiều năm của tháng 12 (hình 3), có thể thấy tháng này có nền nhiệt cao hơn trung bình nhiều năm. Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng… 57 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 26 25.5 26 .5 26.5 27 27 27 .5 28 28 .5 Hình 2. Nhiệt độ n−ớc mặt biển tháng 12 năm 2003 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Hình 3. Nhiệt độ n−ớc mặt biển trung bình nhiều năm Những tr−ờng 3D khác, nh− đã trình bày trên đây, là các tr−ờng trung bình nhiều năm. 3.2. Tr−ờng dự báo và tr−ờng phân tích trong các tháng Đông Xuân 2004 So sánh bản đồ tr−ờng nhiệt độ bề mặt tính toán tháng 1 từ mô hình 3D và tr−ờng nhiệt độ bề mặt tháng 1 thu đ−ợc từ kết quả phân tích viễn thám chúng ta nhận thấy rằng: Xu thế chung của của phân bố mặt rộng của nhiệt độ là gần nh− nhau. Các đ−ờng đẳng nhiệt phân bố t−ơng đối giống nhau về mặt định tính và định l−ợng, tuy nhiên, với tr−ờng phân bố nhiệt độ tính toán ch−a thể hiện sự thay đổi đột biến tại một số điểm so với thực tế, điều này có thể do ch−ơng trình tạo tr−ờng 3D đã sử dụng phân bố nhiệt độ trong ô l−ới 10ì10 kinh vĩ ch−a đủ chi tiết phản ảnh một tr−ờng ban đầu thực tế hơn. Bằng cách t−ơng tự nh− đã trình bày ở phần đầu mục 3.1, ta thiết lập tr−ờng nhiệt độ ban đầu cho tháng 1. So sánh tr−ờng nhiệt độ dự báo cho tháng 2 (hình 6 và 7) và tr−ờng thực tế thấy rằng: Xu thế phân bố của tr−ờng nhiệt hoàn toàn t−ơng đ−ơng nhau, nền nhiệt dự báo và thực tế cũng nh− nhau Hà Thanh H−ơng 58 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 25 .5 27. 5 24 24 .5 25 25 .5 25 .5 26 26 .5 27 27 Hình 4. Dự báo nhiệt độ tháng 1 năm 2004 bằng mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 24 .5 25 25 25 .5 26 26 25 26 .5 27 27 .5 25 .5 26 Hình 5. Nhiệt độ số hóa từ ảnh tháng 1 năm 2004 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 22.5 23 23 .5 24 24 .5 25 25 25 .5 26 26 .5 26 .5 27 25. 5 Hình 6. Dự báo nhiệt độ tháng 2 năm 2004 bằng mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 22.5 23 24 .5 24 25 25 .5 26 25.5 25 24.5 24 26.5 27 25 Hình 7. Nhiệt độ số hoá từ ảnh tháng 2 năm 2004 Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng… 59 So sánh phân bố tr−ờng nhiệt độ tháng 3 (hình 8 và 9) ta cũng nhận thấy xu thế chung t−ơng đ−ơng. Các đ−ờng đẳng nhiệt độ phân bố phù hợp nhau. Nền nhiệt độ dự báo và phân tích cũng không có sự khác biệt nào đáng kể. 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 22.5 23 23 .5 24 24 .5 25 25 .5 26 26 26 26 .5 26 .5 27 25.5 Hình 8. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 3 năm 2004 từ mô hình 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 23.5 23 24 25 25.5 26 25 25 .5 26 26 25 26.5 27 26.5 27.5 27 26.5 26 Hình 9. Bản đồ số hoá nhiệt độ tháng 3 từ ảnh năm 2004 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 24 .5 25.5 25 26 26.5 27 27 .5 27 .5 28 28 27 26.5 27 28.5 Hình 10. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 4 năm 2004 107 108 109 110 111 112 113 114 115 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 25 2 6 26 26 .5 27 26 .5 27 .5 27 .5 28 28 .5 28 .5 29 28 27 Hình 11. Bản đồ dự báo nhiệt độ tháng 5 năm 2004 Hà Thanh H−ơng 60 Dựa vào bản đồ dự báo phân bố tr−ờng nhi 10 và 11) nhận thấy rằng ở vùng biển ven bờ phía bắc khu vực nghiên cứu luôn tồn tại một v n thấy sự phân chia nhiệt độ thành hai vùng t quả xây dựng số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng theo mô xuân năm 2003-2004 đã cho ta thấy tính chất phức tạp và khó khăn h tính và định l−ợng khá phù hợp v một vài điểm trên phạm vi khu vực nghiên cứu trong những thời kỳ nhất định r−ờng theo mô hình 3D là khả thi và rất có ý nghĩa thực Tài liệu tham khảo 1. Beckers J- M., User manual of the GHER 3D primitive equation model, University of Liege, 1996 nhiệt muối biển Đông và các ứng dụng, Báo cáo tổng kết đề tài thuộc Ch−ơng trình 3. ệt độ bề mặt tháng 4 và tháng 5 (hình ùng n−ớc lạnh, điều này cho thấy do ảnh h−ởng của dòng n−ớc lạnh từ bắc Biển Đông đi xuống vẫn có ảnh h−ởng đến đầu hè. Sang tháng năm nền nhiệt độ toàn miền nghiên cứu đã cao hơn hẳn tháng 4, các dòng n−ớc lạnh hơn có xu h−ớng ép sát bờ. Vẫ ở phía nam vùng biển nghiên cứu. Thời kỳ này là quá độ chuyển từ mùa đông sang mùa hè, các điều kiện khí t−ợng nhất là thông l−ợng nhiệt thay đổi mạnh và tăng đột biến, thời kỳ này cũng là thời kỳ khó dự báo nhất trong năm. Nhìn chung nhiệt độ các tháng 2, 3, 4 năm 2004 có xu thế lạnh hơn trung bình nhiều năm và lạnh hơn các tháng này của năm 2003. 4. Kết luận Các kế hình 3D cho mùa đông- của vấn đề đặt ra, đồng thời cũng cho thấy việc phân chia vùng biển nghiên cứu thành từng miền nhỏ để chọn các phân bố nhiệt muối chuẩn phục vụ xây dựng các tr−ờng ban đầu cho dự báo là khả thi và hiệu quả nhất. Các kết quả ứng dụng dự báo tr−ờng nhiệt muối mùa Đông-Xuân năm 2003- 2004 cho vùng biển Nam Trung bộ đã cho những kết quả địn ới thực tế và có thể làm căn cứ để dự báo các điều kiện môi tr−ờng khác một cách hiệu quả. Những hạn chế về tính chất cục bộ cũng nh− khả năng lý giải một số hiện t−ợng đột biến ở chỉ ra sự cần thiết phải cập nhật đ−ợc các số liệu địa hình cũng nh− các tr−ờng nhiệt muối, các tr−ờng khí t−ợng, hải văn tiến hành phân tích đồng bộ và đầy đủ và sử dụng ch−ơng trình mô hình dự báo. Trong điều kiện thiếu sự đồng bộ và số liệu nh− hiện nay thì việc chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi t tiễn, cần đ−ợc đ−ợc tập trung nghiên cứu và phát triển để khắc phục những hạn chế trong thời gian tới. 2. Đề tài KHCN 06-02, 2000 ( Đinh Văn Ưu chủ trì), Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) hoàn l−u và Biển KHCN 06, giai đoạn 1996- 2000 WOA (World Ocean Atlas) CD- rom Data Sets 2001, National Oceanographic Data Center, Ocean Climate Laboratory Chuẩn bị số liệu và triển khai dự báo điều kiện môi tr−ờng… 61 V U. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, nN 03AP., 2005 Data preparing and predicting environment ter-Spring season College of Science, VNU To fulfill the pr of predicting ocean fields is critical. After improvin he input data, we can use the ermo- hydrodynamic model of primitive equations to predict the ocean fields in the area. The application of predicting the winter-spring season 2003-2004 for the Middle- South conditions by 3D model in Win 2003-2004 in the central sea of vietnam Ha Thanh Huong Marine Environment and Dynamics Centre edicting job for off-shore fishery, the problem g the models, preparing t th In the condition of lacking the coherence and data, the preparing and predicting the environment conditions by 3D models have great application effect. sea gives the qualitative and quantitative results which agree with reality and can be use as a basic for effectively predicting environment conditions.