Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 80 Biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Hà Thanh Hương * Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013 Tóm tắt. Vịnh Bắc Bộ là khu vực nghiên cứu khá lý tưởng do vùng này chịu các tác động phức tạp của các sông, sự phân hóa trường gió và chế độ nhiệt trên mặt biển. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành hoàn thiện mô hình MDEC3D đến nay đã có thể sử dụng mô hình thủy nhiệt động lực 3 chiều hệ các phương trình nguyên thủy để tính toán và dự báo các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu. Trong bài báo này tập trung chủ yếu nghiên cứu biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình khí tượng. 1. Đặt vấn đề  Bài toán xác định cấu trúc hoàn lưu biển đã và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực của trường này trong các ngành công nghiệp biển. Vịnh Bắc Bộ là khu vực phát triển kinh tế du lịch chiến lược của nước ta, vì vậy việc xác định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội hiện nay khi mà các hoạt động kinh tế của con người gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho vùng Vịnh này. Mô hình thủy nhiệt động lực 3D đã được kiểm chứng nhiều lần thông qua các đề tài KHCN06-02, KC09.17, KC09.23… Trong bài báo này tập chung chủ yếu xác định cấu trúc _______  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-3////////////. E-mail: ////////////// hoàn lưu thông qua việc sử dụng các kết quả của mô hình khí tượng. 2. Hệ thống mô hình Mô hình 3D thuỷ động lực học của Trung tâm Động lực học Thủy khí Môi trường có khả năng dự báo các trường hoàn lưu, nhiệt, muối trên các khu vực phức tạp và có nhiều biên hở, với lưới tính có độ phân giải lựa chọn khác nhau tùy thuộc yêu cầu của các bài toán thủy động lực học. Mô hình được xây dựng trên cơ sở sử dụng hệ các phương trình thuỷ nhiệt động học nguyên thuỷ:   0.  v  (1)          ii h x u x qufeuv t u        ~ 3 . (2) H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 81          i x T x Tv t T T i        ~ . (3)          i x S x Sv t S S i        ~ . (4)           i x k xx b kv t k k i b x u              ~ 3 ~ 2 ~ 3 ~ . (5)           i xxx b k v t i b x u                   ~ 3 3 ~ 2 2 ~ ) 3 ~ 1 (. (6) trong đó: ; 3 3 2 2 1 1 x e x e x e        2 2 1 1 x e x e h      33 euuv  ; ),( 0 0 STbgb      ;    3 0 gx p q ;    16 2 ~ k k  ; k 1 ở đây, f=2cos - tần số coriolis,  i - các hệ số khuếch tán, ~ v - nhớt rối,  i - các hệ số không thứ nguyên o(1),  - thế của lực tạo triều,  - mật độ nước biển ( 0 - giá trị gốc). Đối với những vùng biển có các khu vực có độ sâu lớn như biển đông, việc ứng dụng phương pháp số giải bài toán 3d luôn phức tạp do bài toán liên quan đến địa hình thực tế 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 đã và đang được sử dụng rộng rãi. Trong thực tiễn mô hình hóa hệ thống biển, phương pháp chuyển đổi sang hệ tọa độ z (x 3 ) tựa cong theo  đã được nghiên cứu và sử dụng trong mô hình MDEC3D, có thể đưa ra mối liên hệ của phép chuyển đổi từ hệ tọa độ thường sang hệ tọa độ cong như sau: 11 ˆ ˆ XX tt   ),,,( ˆ ˆ 32133 22 XXXtXX XX   2.1. Các số liệu đầu vào được áp dụng trong mô hình MDEC3D bao gồm: - Trường ban đầu 3D nhiệt độ - Trường ban đầu 3D muối ban đầu - Trường ban đầu 2D mực nước - Trường ban đầu 3D vận tốc u,v - Trường ban đầu 3D động năng rối Các tác động : - Trường khí áp (3D theo thời gian) - Trường thông lượng nhiệt (3D theo thời gian) Trường gió trên mặt biển (gió 10m) (3D theo thời gian) Các tham số được tiến hành hiệu chỉnh cho phù hợp với vùng nghiên cứu. Một số đặc điểm của trường ban đầu: - Trường nhiệt độ và độ muối được xây dựng ban đầu theo profile chuẩn. - Trường vận tốc ban đầu u, v được giả định là 0. Việc xác định các trường khí áp, thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, gió mặt biển ban đầu được cập nhật từ các kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16 và được nội suy cho phù hợp với lưới tính của mô hình. 2.2. Các điều kiện biên áp dụng trong mô hình dự báo - Tại biên mặt và đáy biển sử dụng điều kiện không trao đổi vật chất qua biên. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 82 - Tại biên đất sử dụng điều kiện không thấm. - Tại biên biển sử dụng gradien theo hướng pháp tuyến bằng 0. - Tại biên cửa sông sử dụng số liệu lưu lượng chuỗi phân tích trung bình từng tháng trong năm cho toàn bộ hệ thống sông: sông Cả, sông Mã, sông Hồng với nguồn số liệu thuỷ văn. 2.3 Các điều kiện trong triển khai mô hình Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu quả cho xác định biến động cấu trúc hoàn lưu khu vực Vịnh Bắc Bộ nhất thiết phải sử dụng điều kiện biên cửa sông thực tế. Từ cơ sở dữ liệu WOA chúng tôi xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn kết hợp với cơ sở dữ liệu của MODAS (trung tâm nghiên cứu của hải quân Mỹ) nhiệt độ tầng mặt cập nhật hàng ngày để xây dựng nên trường 3D nhiệt muối làm cơ sở xây dựng các trường ban đầu cho mô hình. Những tham số vật lý của mô hình được đưa vào thông qua các sơ đồ tham số hóa các quá trình và hiện tượng thủy nhiệt động lực biển và phụ thuộc nhiều vào quy mô các quá trình cần mô phỏng. Các hệ số trao đổi rối ngang thường được lấy theo một giá trị không đổi cho toàn vùng biển và khác nhau đối với trao đổi động lượng và nhiệt, hệ số trao đổi rối thẳng đứng được tính theo công thức phụ thuộc vào hệ số tản mát năng lượng rối. Các trường điều kiện ban đầu thường có dạng 3D đối với các biến nhiệt độ, độ muối, mực nước, các thành phần của vận tốc và động năng rối. Các trường điều kiện biên trên mặt phân cách biển – khí quyển bao gồm các trường áp suất khí quyển, gió và các thông lượng nhiệt, thông lượng ẩm, năng lượng trao đổi qua mặt phân cách biển và khí quyển, được cập nhật từ kết quả của mô hình dự báo khí tượng của đề tài KC09.16/06-10. Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên biển hở ở các cửa sông với chuỗi số liệu thủy văn. 3. Kết quả tính toán hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ 3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Vịnh Bắc Bộ Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ Nằm trên khu vực đông – nam Châu Á một trong những trung tâm hoạt động mạnh mẽ nhất của gió mùa. Sự phức tạp của điều kiện địa hình khu vực vịnh với bờ biển khúc khuỷu tạo thành nhiều vũng, vịnh ở ven bờ. Vùng ven bờ phía tây vịnh có khoảng 2.300 đảo, tập trung ở khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng, sự có mặt của các hệ thống đảo làm cho địa hình đáy quanh vịnh trở nên rất phức tạp đã tạo nên sự đa dạng và biến động lớn của phân bố không gian và thời gian các trường khí tượng, thủy văn và động lực vịnh Bắc Bộ. Vịnh Bắc Bộ là một trong hai vịnh lớn nhất thuộc khu vực Biển Đông nằm ở phía tây bắc Biển Đông (trong khoảng 17 0 00’N – 21 0 30’N, 105 0 40’E – 110 0 00’E) là một vịnh nửa kín nước nông. Ba mặt vịnh được bao bọc bởi lục địa Việt Nam ở phía tây, Trung Quốc ở phía bắc và bán đảo Lôi Châu, đảo Hải Nam ở phía đông. Độ sâu vịnh Bắc Bộ không lớn, trung bình khoảng 45m chiếm tới 60% diện tích đáy, giữa vịnh lệch về phía đông có một rãnh sâu (70 – 80 m) chạy kéo dài lên gần bắc vịnh. Sự trao đổi nước với Biển Đông thông qua rãnh này đã làm H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 83 cho nhiệt độ nước tầng đáy trong vịnh không xuống dưới 17 0 C ở phần phía bắc và 23 – 24 0 C ở phía nam. Trong nghiên cứu này sử dụng địa hình với lưới tính 3 chiều (151,181,8) và bước lưới của địa hình 2 chiều là 2’ như hình dưới. 4 0 2 5 70 9 0 2 0 0 15 x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 Địa hình khu vực vịnh Bắc Bộ sử dụng tính toán trong mô hình. Vịnh Bắc Bộ chịu sự chi phối lớn từ phía lục địa, mật độ sông ngòi đổ ra biển thuộc loại khá cao trong đó có những sông lớn như sông Hồng, sông Cả, sông Mã, Với điều kiện địa hình đó hoàn lưu Vịnh chịu ảnh hưởng rất lớn của điều kiện khí tượng- thủy văn cục bộ. Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc Bộ Nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp suất khí quyển, gió, nhiệt độ, độ ẩm không khí biến động rất lớn. Nhìn chung tốc độ gió trong mùa đông bắc mạnh hơn tốc độ gió trong mùa tây nam. Theo kết quả thống kê cho thấy, tốc độ gió trung bình nhiều năm ở khu vực giữa vịnh (đảo Bạch Long Vĩ) đạt xấp xỉ 6,3 m/s trong mùa gió tây nam và 7,6m/s trong mùa gió đông bắc, trong giông và bão tốc độ gió là rất lớn vào khoảng 25 – 30 m/s. Đặc điểm cơ bản của trường áp khu vực này là vai trò ảnh hưởng trực tiếp của các trung tâm khí áp cơ bản bắc bán cầu như cao áp Xiberi trong mùa đông, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp vùng áp thấp Vân nam- Bắc Đông Dương trong mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa. 3.2. Các kết quả xác định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Trước hết cần khẳng định rằng, hoàn lưu trên mặt biển thu được trong tính toán này đảm bảo độ chi tiết hơn các cấu trúc không gian nhưng cũng phản ánh đầy đủ các quy luật chủ yếu như đã thu được trong các thử nghiệm của đề tài KHCN 06-02 [1] và KC09.17/01-05 trước đây. Các kết quả này cũng đã được so sánh với các kết quả phân tích và cho thấy tính hợp lý của chúng. Bên cạnh ảnh hưởng chính của trường gió tác động trên mặt biển, các trường dòng chảy mùa đông vùng vịnh Bắc bộ đã thể hiện được đặc điểm của ảnh hưởng lưu lượng nước sông. Cùng với lưu lượng nước sông đổ ra tại các cửa sông không lớn trong các tháng 1 và 2, kết hợp với hướng gió mùa này là gió đông bắc tạo ra dòng chảy ven bờ tây có xu hướng chảy xuống phía nam hình thành nên xoáy thuận lớn trên phần tây nam vịnh (các hình 1, 2). Ở phía đông bắc vịnh đã hình thành nên 1 xoáy nghịch nhỏ tạo nên dòng chảy dọc bờ tây Hải Nam. Nét điển hình của hoàn lưu lớp mặt vịnh Bắc bộ là ở nửa phía Nam vịnh luôn tồn tại dòng chảy hướng xuống phía nam ra ngoài cửa vịnh và nhập vào hoàn lưu chung của Biển Đông, vị trí dòng chảy này thay đổi theo mùa. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 84 x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 1. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 1. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 2. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 2. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 3. Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 1. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 4. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 1. Dòng này trong thời kỳ mùa đông có cường độ mạnh hơn so với mùa hè. Trong các tháng mùa đông, hoàn lưu tại các lớp nước sâu hơn vẫn giữ được xu thế như ở lớp mặt, vẫn thấy rõ hiện tượng xâm nhập của khối nước tầng dưới mặt đi vào vịnh trên phần nửa phía đông nhưng cường độ giảm dần theo độ sâu. Điều này có thể thấy được qua các bản đồ hoàn lưu tầng 10 m và 30m (hình 3, 4) vào tháng 1. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 85 x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 5. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 6. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 5. Kết quả mô hình cho thấy từ tháng 5 dòng chảy tầng mặt mùa hè ven bờ phía tây vịnh Bắc bộ đi về hướng bắc (hình 5) tuy nhiên vẫn thấy sự hiện diện của một xoáy thuận ở phía bắc vịnh dẫn đến sự hình thành dòng chảy đi về phía nam, đông nam trên phần lớn nửa nam vịnh. Dòng chảy ở tầng sâu hơn có chiều hướng ngược lại, trên phần phía đông của nửa Bắc Vịnh dòng chảy lại ngược hướng với tầng mặt. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 7. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 7. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 8. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 8. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 86 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 Hình 9. Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 của để tài KC09.17 (Nguyễn Thế Tưởng chủ trì). 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 Hình 10. Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 của để tài KC09.17 (Nguyễn Thế Tưởng chủ trì). Tại khu vực cửa vịnh thường tồn tại xoáy nhỏ, quy mô và vị trí tương đối của xoáy này thay đổi theo mùa phụ thuộc vào ảnh hưởng của hoàn lưu lớp mặt Biển Đông. Với hoàn lưu tầng mặt mùa hè trong nghiên cứu này có thể xác định rõ sự hiện diện của một xoáy nghịch ở phía nam vịnh và xoáy thuận ở phần bắc vịnh (hình 7, 8) so sánh với kết quả nghiên cứu mô hình trước đây chưa thể hiện được rõ phần xoáy nghịch ở phía nam Vịnh (hình 9, 10) [2]. Trong các tháng mùa hè, hoàn lưu tại các lớp nước sâu hơn có xu thế chảy hơi ngược so với lớp mặt ở phần trung tâm vịnh. Điều này có thể thấy được qua các bản đồ hoàn lưu tầng 10 m và 30m (hình 11,12) vào tháng 7. So sánh trường dòng chảy các tầng sâu hơn với trường dòng chảy mặt ta thấy ảnh hưởng của lưu lượng nước sông không còn tồn tại đến tầng 30m, tại tầng này đã xuất hiện hướng dòng chảy đi về phía các cửa sông điều này thể hiện khác với dòng chảy lớp mặt do lớp mặt chịu ảnh hưởng của lưu lượng nước sông lớn vào mùa hè (hình 12). Phần trung tâm bờ tây vịnh nơi có các cửa sông lớn đổ ra hoàn lưu tầng sâu có xu thế trái ngược hẳn so với tầng mặt ở khoảng cách xa bờ 30km đã không còn nhận thấy ảnh hưởng của lưu lượng sông đến hoàn lưu của vịnh. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 87 x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 11. Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 7. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 12. Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 7. Sang tháng 9 đã thấy sự tranh chấp mạnh mẽ hướng dòng gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam, thấy rõ vùng ảnh hưởng lớn của lưu lượng nước sông làm cho cường độ dòng chảy giảm đáng kể và tạo nên các xoáy nhỏ cục bộ chạy dọc từ cửa Ba Lạt đến cửa Cả ( hình 13). Ở phần Bắc Vịnh và phần lớn cửa nam vịnh dòng chảy vẫn có xu thế của trường dòng chảy mùa hè nhưng phần trung tâm vịnh dòng chảy đã chuyển hướng dần sang xu thế mùa đông. Sang tháng 10 vùng nước nông ven bờ tây Vịnh dòng chảy đã tuân theo hướng dòng gió mùa đông bắc, ở phần đông nam vịnh đã thấy sự xâm nhập của dòng nước Biển Đông vào vịnh (hình 14). x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 13. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 9. x y 105 106 107 108 109 110 16 17 18 19 20 21 22 0.2 m/s Hình 14. Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 10. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 80-88 88 4. Kết luận Như vậy, các kết quả tính toán biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ trên bước lưới chi tiết hơn của mô hình MDEC đã cho thấy những phát triển mới trong quá trình lý giải trường hoàn lưu trong Vịnh, đã khẳng định tính hiệu quả của mô hình. Trên cơ sở này, chúng ta hoàn toàn có cơ sở khẳng định khả năng triển khai mô hình dự báo cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc bộ và các vùng biển cụ thể khác. Tài liệu tham khảo [1] Đinh Văn Ưu, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN 06- 02 “Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) thuỷ nhiệt động lực học biển Đông và ứng dụng của chúng” năm 2000. [2] Nguyễn Thế Tưởng, Báo cáo tổng kết đề tài KC- 09-17 “Điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường vịnh Bắc Bộ”, Trung tâm Thông tin-Tư liệu Quốc gia, Hà Nội, 2005. Gulf of Tonkin circulation structure fluctuation Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Tonkin gulf is an ideal area for research as this region is under the complicated effects of the rivers, the differentiation of the wind field and thermal regime on the sea surface. In the recent year, after the improvement of the MDEC3D model, this model can be applied with the 3D hydro- thermodynamic of the primitive system of equations to compute and predict hydrological fields on the studied sea region. This paper concentrates mainly on the study of the variation of circulation structure in Tonkin gulf through the uses of results from meteorological models. . bài báo này tập trung chủ yếu nghiên cứu biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình khí tượng. 1. Đặt vấn đề  Bài toán xác định cấu trúc hoàn lưu. quả tính toán biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ trên bước lưới chi tiết hơn của mô hình MDEC đã cho thấy những phát triển mới trong quá trình lý giải trường hoàn lưu trong Vịnh, đã khẳng. Vân nam- Bắc Đông Dương trong mùa hè, cũng như áp cao cận nhiệt đới bắc Thái Bình Dương (Honolulu) trong cả hai mùa. 3.2. Các kết quả xác định biến động cấu trúc hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ Trước