Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn Biển Đông bằng mô hình MDEC3D " doc

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
126
Nghiên cứu thử nghiệm dự báo hạn ngắn trường thủy văn
Biển Đông bằng mô hình MDEC3D
Hà Thanh Hương*
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011
Tóm tắt. Để đáp ứng mục tiêu dự báo ngắn hạn trường các yếu tố thủy văn biển, vấn đề dự báo
các trường hải dương được xem là trọng tâm. Trong thời gian qua, sau khi tiến hành các bước
chuẩn bị từ hoàn thiện mô hình MDEC3D đến chuẩn hóa các trường ban đầu, hiện 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 hạn ngắn các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu.
Trong bài báo này tập trung chủ yếu cho thử nghiệm dự báo hạn ngắn các trường nhiệt độ,
dòng chảy thông qua sử dụng các kết quả của các mô hình dự báo khí tượng.
1. Đặt vấn đề
1

Bài toán dự báo các trường thủy văn biển đã
và đang được các nhà khoa học quan tâm bởi
tính ứng dụng thiết thực của các trường này
trong các ngành công nghiệp biển.
Do yêu cầu của vấn đề đặt ra chúng tôi chú
trọng trước hết đến các trường nhiệt độ, độ
muối và dòng chảy, trong đó mô hình thủy
nhiệt động lực 3D đã được kiểm chứng nhiều
lần thông qua các đề tài KHCN06-02,
KC09.23… Trong bài báo này tập chung chủ
yếu tới dự báo các trường nhiệt độ, dòng chảy
thông qua việc sử dụng các kết quả dự báo các
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
_______
*
ĐT: 84-4-38584945
E-mail:
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)
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)
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
127
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.
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 (x3)
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 [1].
Một số đặc điểm của trường ban đầu:
- Trường nhiệt độ và độ muối được xây
dựng ban đầu từ số liệu tầng mặt theo profile
chuẩn khí hậu.
- Trường vận tốc ban đầu u, v được thiết lập
theo phương pháp tách mod
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 đáy biển sử dụng điều kiện không trao
đổi vật chất qua biên đối với nhiệt độ và độ
muối.
- Tại biên đất sử dụng điều kiện không thấm
đối với nhiệt độ và độ muối.
- Đối với động lượng rối, điều kiện liên túc
của thông lượng được áp dụng.
- Tại biên hở biển và cửa sông sử dụng các
điều kiện biên tương ứng cho các biến 2D và
3D.
- Tại biên cửa sông sử dụng số liệu chuỗi
phân tích hoặc số liệu thực đo với nguồn số liệu
thuỷ văn.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135

128
2.3. Các điều kiện trong triển khai mô hình
Để triển khai mô hình MDEC3D có hiệu
quả cho dự báo hạn ngắn khu vực Biển Đông
nhất thiết phải sử dụng điều kiện biên lỏng thực
tế trong đó không thể bỏ qua trao đổi nước với
các biển kề cận [2]. Mặt khác các điều kiện ban
đầu và điều kiện biên trên mặt biển cũng phải
đáp ứng được nguyên tắc về trường tức thời cho
dự báo hạn ngắn.
Đối với cơ sở dữ liệu nhiệt- muối, có thể

nói rằng các số liệu từ các trạm biển sâu dạng
trên Biển Đông đã được tập hợp khá đầy đủ
trong World Ocean Atlas 2001 (Woa2001) do
NODC- NOAA (Mỹ) và được cập nhập bổ sung
thường xuyên. Từ cơ sở dữ liệu này chúng tôi
xây dựng các đường profile nhiệt độ chuẩn khí
hậu. Trường 3D nhiệt độ làm điều kiện ban đầu
kết hợp với cơ sở dữ liệu nhiệt độ tầng mặt cập
nhật hàng ngày được tính toán xây dựng nên
trường 3D nhiệt muối làm cơ sở xây dựng các
trường ban đầu cho mô hình [3].
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.
Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình hệ số
trao đổi rối ngang được lựa chọn là 10
+3
m
2
/s.
Hệ số rối thẳng đứng được xác định theo lý
thuyết rối biển trong công thức bán thực

nghiệm trong đó
3n
l
cần được xác định theo
biểu thức:
3
1 ( /
n
l kZ Z H

Với z là khoảng cách tính từ đáy. Hệ số
cho ta dạng phân bố của hệ số rối, đảm bảo điều
kiện liên tục của quãng đường xáo trộn l tăng từ
đáy đến giá trị cực đại Lmax. Đối với mô hình
này Lmax được lấy bằng 20m tương ứng giá trị
được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu biển và
đại dương, giá trị được lấy bằng 0.5 tương
ứng phân bố phổ biến của hệ số rối trong các
vùng biển nông ( Delher E và G. Martin, 1992).
Trong mô hình số khi bước lưới theo
phương thẳng đứng lớn hơn độ dày lớp biên
logarit, hệ số ma sát đáy được rút ra từ kết quả
mô hình hóa thủy triều Biển Đông, CD=2,5.10
-3.

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 liên
tục theo ốp 4 giờ từ kết quả của mô hình dự báo
khí tượng của đề tài KC09.16/06-10. Các
trường điều kiện biên này được áp đặt liên tục
lên lớp nước trên cùng của biển.
Trong bài toán này chúng tôi sử dụng biên
biển hở ở các cửa sông, tuy nhiên do không có
chuỗi số liệu đo đạc thực tế chúng tôi sử dụng
trường giá trị không đổi tương ứng với tháng
của thời điểm chạy dự báo.
3. Kết quả thử nghiệm dự báo hạn ngắn
3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên
Biển Đông
- Điều kiện địa hình khu vực Biển Đông
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
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
129
biển và bờ 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 Biển
Đông.
Trên tổng số gần 4 triệu km
2
diện tích bề
mặt, gần một nửa là các vịnh, eo biển và thềm

lục địa với độ sâu dưới 100 m kéo dài dọc bờ
tây biển từ 5
0
S đến 25
0
N. Vùng biển nông được
nối với biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan
và biển Java qua eo Malaca. Khu vực biển sâu
chiếm toàn bộ phần trung tâm và đông bắc biển
với hai eo biển sâu Bashi – Luzon sâu trên 5000
m và Midoro sâu trên 2000 m nối với Thái Bình
Dương và biển Sulu. Sự phân bố đó cũng kèm
theo các dạng địa hình bờ biển phức tạp như độ
dốc lớn tại các bờ biển sâu như miền trung Việt
Nam, tây Philippines, Kalimantan.
Tuy là một biển ven đại dương nhưng Biển
Đông có thể được xem như một thủy vực biển
gần như kín. Do các vùng biển sâu nằm tập
trung tại khu vực trung tâm biển kết nối với các
eo biển sâu như Bashi, Midoro nên ảnh hưởng
của trao đổi nước lên các vùng biển nông trong
các vịnh rất hạn chế. Với điều kiện địa hình đó
chế độ nhiệt, muối và dòng chảy toàn Biển
Đông chịu ảnh hưởng rất lớn của điều kiện khí
tượng- thủy văn cục bộ.
- Các điều kiện khí tượng khu vực Biển
Đông
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.
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 thử nghiệm dự báo.
Kết quả tính toán dự báo trường nhiệt độ 3
ngày bắt đầu từ 0h ngày 17 tháng 11 năm 2010
cho thấy xu thế chung của phân bố trường nhiệt
trên Biển Đông về định tính giống với trung
bình nhiều năm nhưng về định lượng thì cao
hơn hẳn trung bình nhiều năm, thể hiện rõ ràng
nhất ở khu vực phía Bắc và giữa Biển Đông.
Điều này hoàn toàn thực tế do nền nhiệt biển
tháng 11 năm 2010 cao hơn hẳn trung bình
nhiều năm. Từ bản đồ phân bố nhiệt độ tầng
mặt ngày 17/11/2010 (hình 1b) và dự báo từ mô
hình (hình 1c) cho thấy cả về định tính và định
lượng đều tương đối giống nhau. Khả năng dự
báo của mô hình khá sát với thực tế.
Đã thấy xuất hiện trở lại dòng nước lạnh ở
vùng biển nam Trung Quốc chảy men theo đảo
Hải Nam xuống dưới kéo theo nền nhiệt toàn
miền giảm hẳn. Tháng 11 các front nhiệt đã
phát triển mạnh trở lại nền nhiệt độ đã bị chia
cắt thành 2 miền rõ rệt, lạnh ở phía bắc và ấm ở
phía nam.

H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135

130
29
26.5
26
28.5
26.5
2
7
.
5
28
2
3
25.5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

Hình 1(a). Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm.


Hình 1(b). Phân bố nhiệt độ nước mặt trung bình ngày 17 tháng 11 năm 2010 theo số liệu viễn thám.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
131
2

8
.
5
25
2
4
28.5
26.5
27.5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

2
8
.
5
2
5
2
4
28.5
26.5
27.5
100 105 110 115 120
5
10
15

20

Hình 1(c). Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010.
28.5
25
23.5
28.5
26.5
27.5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

29
2
5
23.5
28.5
26.5
27.5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

Hình 2. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 18/11/2010.
Nhiệt độ giảm mạnh ở các vùng nước nông

ven bờ do sự phân hóa trường gió, áp điều này
phù hợp và phản ánh được những đặc điểm cơ
bản của cấu trúc vật lý thuỷ văn biển trong điều
kiện hoạt động thường xuyên của gió mùa và
thông lượng nhiệt tổng cộng trao đổi giữa biển
và khí quyển. Sự phân hóa trường nhiệt độ sau
3 ngày cho thấy sự thu hẹp ảnh hưởng của các
front nhiệt ra xa giữa Biển Đông.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135

132
28.5
2
5
2
3
.
5
28.5
26.5
2
7
.
5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

28.5
2
5
2
3
.
5
28.5
26.5
2
7
.
5
100 105 110 115 120
5
10
15
20

Hình 3. Phân bố nhiệt độ nước mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 19/11/2010.
100 102 104 106 108 110 112 114 116 118 120
2
4
6
8
10
12
14
16
18

20
22
24

Hình (4a): Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo tháng 11 theo các số liệu chế độ trung bình tháng nhiều năm.
Tháng 11 trường gió chuyển hướng đông
bắc, hoàn lưu hình thành nên các xoáy cục bộ, ở
các vùng ven bờ biển Đông trường dòng chảy
có hướng đông bắc, ở phần nước sâu giữa biển
Đông dòng chảy vẫn tồn tại các xoáy nghịch
theo hướng của dòng nhiệt muối, đây là thời kỳ
quá độ chuyển từ hè sang đông cũng là thời kỳ
khó dự báo nhất.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
133
-0.2
0
0
-0.4
100 105 110 115 120
5
10
15
20
1m/s

-0.4
0
-0.4
-

0
.
4
100 105 110 115 120
5
10
15
20
1m/s

Hình 4 (b). Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010.
Do sự phân hóa của trường gió cập nhật
theo ốp 4h nên trường dòng chảy tầng mặt có
sự thay đổi khá đáng kể ở vùng nước nông ven
bờ, tuy nhiên xu thế chung vẫn tuân theo dòng
chảy trung bình tháng 11. Vẫn thấy sự hiện diện
của một xoáy thuận lớn trên phạm vy toàn bộ
biển tuân theo quy luật dòng chảy mùa đông,
chủ yếu là các vùng nước sâu bị giới hạn bởi
đường đẳng độ sâu 100 mét. Sự tăng cường của
dòng chảy dọc bờ tây Biển Đông xuất phát từ
eo Đài Loan và eo Luzon kéo dài đến tận vỹ
tuyến 7 N-8 N.
Xoáy thuận lớn này thường bị thu hẹp do sự
hiện diện của các xoáy nghịch quy mô vừa ở
phía đông với vị trí trung bình dịch chuyển theo
hướng đông-tây. Sự xuất hiện của xoáy nghịch
này có thể do nguyên nhân uốn dòng như ở phía
đông Hoàng Sa, nhưng cũng có thể do nguyên
nhân nhiệt xuất phát từ vùng nước ấm tại trung

tâm Biển Đông vẫn tồn tại mạnh trong tháng 11.

0
.
2
0
0
-
0
.
4
100 105 110 115 120
5
10
15
20
1m/s

0
0
0.2
-
0
.
4
100 105 110 115 120
5
10
15
20

1m/s

Hình 5. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010.
H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135

134
0
0
0
.
2
-0.4
100 105 110 115 120
5
10
15
20
1m/s

0.2
0
-0.2
-0.4
100 105 110 115 120
5
10
15
20
1m/s

Hình 6. Phân bố vận tốc tầng mặt dự báo lần lượt tại 6h (trái) và 18h (phải) ngày 17/11/2010.
Kết luận
Hệ thống mô hình MDEC3D cho phép tính
toán và dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy
văn biển.
Việc triển khai thử nghiệm mô hình dự báo
hạn ngắn đối với khu vực Biển Đông trong các
điều kiện thực tế của địa hình và khí tượng,
thuỷ văn, hải văn phức tạp mở ra cho ta hướng
hoàn thiện hệ thống mô hình có khả năng áp
dụng cho các vùng biển nhỏ hơn có tầm chiến
lược kinh tế.
Lời cảm ơn
Những kết quả thu được có sự hỗ trợ kinh
phí của đề tài KC09.16/06-10 và đề tài
KC09.23/06-10. Tác giả chân thành cảm ơn.
Tài liệu tham khảo
[1] Dinh Van Uu, Ha Thanh Huong, Pham Hoang
Lam, Development of system of Hydrodynamic-
environmental models for coastal area (Case study
in Quangninh-Haiphong region), Journal of
Science, Earth Sciences, T. XXIII, No.1 (2007)
59.
[2] Dinh Van Uu (2007), Towards a coastal ocean
monitoring and prediction system for Vietnamese
Sea Waters, The 4th Seminar on Environmental
Science and Technology issues related to the
Sustainable development for urban and coastal
area, The 7th General Seminar of CUP between
JSPS and VAST, Danang, 148.

[3] Hà Thanh Hương, 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, Journal of
Science, T. XXI, No.3AP, (2005) 54.


H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 126-135
135
Experimental study on short - term forecast for Bien Dong Sea
hydrological fields by MDEC3D model
Ha Thanh Huong
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU,
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam

Forecasting the oceanological fields is one of the central goals in the problem of short-term
forecasting of the ocean-hydrological fields. In the recent years, after carrying out necessary steps to
improve our MDEC3D model and normalize the initial fields, we can use the 3D hydro-thermal
dynamical model of the system of primary equations to compute and short-term predict of the oceano-
hydrological fields in the studied region.
In this paper, we concentrate on the experiment of short-term forecasting of the temperature, salty,
current fields by using the result of our meteorological forecasting model.