Đánh giá năng suất sinh học sơ cấp vùng biển nam trung bộ bằng mô hình ROMS

1


I HC QUC GIA HÀ NI
I HC KHOA HC T NHIÊN












LUC




Hà Ni   2013

2

I HC QUC GIA HÀ NI
I HC KHOA HC T NHIÊN







Chuyên ngành:
Mã s: 60 44 02 28

LUC

NG DN KHOA HC:



Hà Ni   2013

3

LI C

Tc ht, em xin gi li cn PGS TS ,
ng dn em trong sut thi gian em thc hin lun . Ngoài
nhng kin thc quý báu mà thy ch dy, em còn nhc s  ca thy v
tính toán.
Em xin gi li c n PGS. TS. Nguyn i
p cho em s liu và nhng kin thc b ích. i li c
ti ThS. Nguy tr em nhiu mt trong thi gian qua.
Cui cùng, em xin gi li ci các thng
 Th Hc và các 2011 

2013 u kin thun li cho em hoàn thành lun .


4

MC LC
DANH MC CÁC HÌNH 5
DANH M 7
M U 8

TNG QUAN V V NGHIÊN CU 10
1.1. Lch s phát trin mô hình sinh thái 10
1.2. Các công trình nghiên cu v t sinh hp khu vc Nam Trung
B 11

GII THIU MÔ HÌNH ROMS
 SINH THÁI NPZD 12
2.1. Gii thiu mô hình ROMS 12
2.2.  sinh thái NPZD trong ROMS 15

NG DNG MÔ HÌNH ROMS VÀ M SINH THÁI
SUT SINH HP
VÙNG BIN NAM TRUNG B 20
3.1.Gii thiu v khu vc bin Nam Trung B 20
3.1.1. V ta hình 20
u king h 21
c tin hành 26
 26
3.2.2. Thit lp các thông s cho mô hình và chy mô hình 31
3.2.3. S nh ca mô hình 34

3.2.4. Hiu chnh và kinh mô hình 34
3.3. Kt qu và nhn xét 36
 49
TÀI LIU THAM KHO 50

5

DANH MC CÁC HÌNH
 i Arakawa-C. Phi ROMS theo
ng 14
 NPZD  a mung Ni trát (N), thc vt ni
ng vt ni (Z) và cht vn (D) 16
Hình 3. V a hình khu vc bin Nam Trung B trên b khu vc
Bi 20
Hình 4. Phân b bc x quang hp trên mt bin 22
Hình 5. Dòng chy tng mt và vùng hoc tri mùa hè 23
Hình 6. Phân b nhi c tng mt 24
Hình 7. Phân b khng ng vt ni 25
a hình khu vc tính toán và quan tâm 27
ng nhi c mt bin 28

 27
c ngi qua mt bin (E-P). t mt tri 28
ng nhit tnh b mt bin 28
 nhng nhit tnh b mi vi nhi b mt bin 28
ng ng sut gió trên mt bin 29
u kin biên mt v nhi và dòng chy 29
u kin biên bên v nhi 29
u kin biên mt v  mui và dòng chy 29
u kin biên bên v  mui 29

u kin biên mt v NO
3
và dòng chy 30
u kin biên bên v NO
3
30
u kin biên mt v Chlorophyl A và dòng chy 30
u kin biên bên v Chlorophyl A 30
u kin biên mt v thc vt ni và dòng chy 31
6

u kin biên bên v thc vt ni 31
 th a s liu nhi trung bình lp mt bin tháng 12
  2 chy mô hình sinh thái 34
Hình 27. Nhi trung bình lp mt bin tháng 1 trong tính toán 34
ng nhi trung bình b m tài Nghiên cu phát trin và
ng dng công ngh d báo hn ngng các yu t thn khu vc
Bi 35
a s liu nhi tính toán và MODIS trong tháng 8 (trái:
s liu MODIS, phi: s liu tính toán) 36
ng dòng chy trung bình lc mt tháng 1 Trái: t dòng
chng Phi: t dòng chng 36
Hình 31. Nhi trung bình lp mt bin tháng 1 37
 mui trung bình lp mt bin tháng 1 38
Hình 33. N Chlorophyl A trung bình lp mt bin tháng 1 38
Hình 34. N NO
3
trung bình lp mt bin tháng 1 39
Hình 35. Sinh khi thc vt ni trung bình lp mt bin tháng 1 40
Hình 36. Sinh khng vt ni trung bình lp mt bin tháng 1 41

Hình 37. N cht vn trung bình lp mt bin tháng 1 42
ng dòng chy trung bình lc mt tháng 7
Trái: t dòng chng Phi: t dòng chng 42
Hình 39. Nhi trung bình lp mt bin tháng 7 43
 mui trung bình lp mt bin tháng 7 44
Hình 41. N Chlorophyl A trung bình lp mt bin tháng 7 45
42. N NO
3
trung bình lp mt bin tháng 7 45
c vt ni trung bình lp mt bin tháng 7 46
44. Sng vt ni trung bình lp mt bin tháng 7 47
45. N cht vn trung bình lp mt bin tháng 7 48

7



DANH M

Bng 1. Các tham s ci vi mô hình


8

M U
t sinh hp  mt h sinh thái bin là công vic có ý
ng trong nghiên cu h sinh thái ca mt vùng bin. Trong tính toán
t sinh hp, vic tính toán các yu t sinh thái, c th là n
NO
3

, sinh khi ca thc vt nng vt ni (zooplankton), nng
 cht vn (detritus) ca mt khu vc bin là nhng công vic chính yu, song
song và làm ti t sinh hp. T các kt qu nghiên
cu, có th c nh ng bin, sc sn xup ca
thc vt nng vt nn v m và tin ca
sinh vt ti khu vc bin quan tâm.
Trong nghiên cu h sinh thái bing nghiên cu chính: thng
kê trên s liu th mô hình hóa. Hai ng nghiên cu c
quan tâm và áp dng ti Vi          
 dng hin nay do tính hiu qu và kinh t. Vùng bin Nam
Trung B c các nhà khoa ht sinh hp
t nha th k 20 theo c ng ng nghiên cu
mô hình hóa thích hp nhiu kin thc t c các kt qu kh quan,
ng nghiên cng này.
 s dng nghiên cu mô hình hóa trong
tính toán các yu t sinh thái quan trng cho khu vc bin Nam Trung B, bao gm
n NO
3
, sinh khi ca thc vt nng vt ni, n cht vn, v
t sinh hp vùng bin Nam Trung B bng mô hình
c tiêu ca lu c phn mm tính toán thng
lc và sinh thái ca h thquy mô vùng (ROMS) và áp dng
ti vùng bin nghiên cu. Ni dung chính ca lu   u v   lý
thuyc tin hành chy mô hình và phân tích kt qu c t ROMS.
9

H thn phm nghiên cu
ci hi hc Rutgers (Hoa K) và t chc IRD (Pháp), là mt
mô hình hii có nhiu ng dng cho nghiên cu v mt khu vc bin. Lu
tp trung khai thác ng dng mô phng thng lng nhit  mui

ng các yu t sinh thái ca khu vc bin Nam Trung B. Trên kt qu ca
vic ng dng ROMS, luc bc tranh thng lng
nhit mui và phân b ca các yu t sinh thái trên các tng sâu ca khu vc bin
Nam Trung B.
B cc lum b
 Tng quan v v nghiên cu: n cái nhìn tng quát
v ng nghiên cu sinh thái bin hii hin nay, các thành tu ca th gii,
ca Vit Nam nói chung và ca khu vc Nam Trung B nói riêng.
  Gii thi        sinh thái trong
ROMS: Gii thiu v  lý thuya mô hình ROMS và mô
 sinh thái trong ROMS.
 . ng d        sinh thái trong
   t sinh h p vùng bin Nam Trung B: gii
thiu v khu vc Nam Trung Bc tin hành chy mô hình và các kt qu
tính toán.
10


TNG QUAN V V NGHIÊN CU

1.1. Lch s phát trin mô hình sinh thái
Lch s phát tri  n vi s m màn
u tiên là mô hình sinh thái ng dng Lotka  Volterra và mô
hình Streeter  Phelps trong nhn 2 kéo dài trong khong 30
p theo, th hic phát tring s xut hi
c thit l nh lut bo toàn khc
m chung cn 2 là mô phng nhng m
n v các quá trình sinh thái và cho nghim gii tích hay là mô
phng bin ng sc sn xup ca thc vt ni theo mt chiu. S phát trin
thc s v c th hin 3, t 

1975. Nh có s h tr c lc ca máy tính nên vic phát trin các mô hình phc
t g pháp tính hii tr nên kh thi và mô hình sinh thái
c s dng làm công c gii quyt các v qung vì nó có th
ch ra mi quan h ging và nhi theo sau trong h sinh thái.
n 4, kéo dài t n 1980, có th xem là thi k ng thành ca mô
hình sinh thái. T kinh nghim ca vic phát trin nhiu mô hình mi cho thy, h
sinh thái khác xa các h thng vn ca h sinh thái cn
phc phc s phát trin theo chiu sâu. Giai
n 5 kéo dài trong kho        i s hình
thành và phát trin mt s ng ln các loi mô hình sinh thái khác nhau trên rt
nhic khác nhau. n 6 bu t n nay, có th 
là thi k phát trin rc r ca mô hình sinh thái v quy mô c chiu rng ln chiu
sâu. Hàng lot mô hình sinh thái hic phát trin và nhiu
tp chí mi t t sinh thái n
11

công ngh  th 
ng t s phát tring v mô hình sinh thái trong giai
n này [6].
1.2. Các công trình nghiên cu v t sinh h  p khu vc Nam
Trung B
n nay, t s nghiên cu v t sinh hp ti các
khu vc bin nh trong vùng bin Nam Trung B, có th k n là các công trình
nghiên cu ca GS. TS. Nguyn Tác An (và cng s vt cht c
sut sinh hc p  vùng bin ven b Phú Khánh, Thun Hi, Minh H
t sinh hp bin ven b Vi; t sinh h
cp và hiu ng sinh thái cc tri ca vùng bin Nam Trung Bvà
gt sinh h c-sinh thái ca thc vt
phù du  v [6, 9]
Tuy nhiên, các công trình nói trên ch gii hn trong mt khu vc nh thuc

vùng bin Nam Trung B. Công trình nghiên cu v t sinh hp ca
P trong lun án TiMô hình hóa s phân b sinh vt ni
t sinh hp vùng bin Nam Trung Bbao quát c vùng
bin Nam Trung B c tính b [1].
12


GII THIU MÔ HÌNH ROMS
 SINH THÁI NPZD

2.1. Gii thiu mô hình ROMS
H tht thành viên trong
lp mô hình s tr có h t thích a hình, mt thoáng, ba chiu. H thng
c nghiên cu và phát trin  i hi hc Rutgers
(Hoa K) và t chc IRD (Pháp) vi m sinh thái và
các chu trình sinh-a-hóa hc trong các khu vc bic
duy trì và áp dng bi mt ci s dng, hin ti con s i hàng
 p ci tin quan trng trong nhc thua hóa
hng lc hc, kt qu to ra mt h thng mô hình bin th
hin kh u quy mô không gian/thi gian và nhiu vn
 ng. Nghiên cu này s dng kt qu nghiên cu t phiên bn ROMS ca t
chc IRD - c h tr bi b công c ROMSTOOLS cho các
c và sau chy mô hình ROMS [10].
ROMS gii h  Stokes trung bình Reynolds s dng
xp x Boussinesq và xp x th ng lc ch o  trong
dng, h t   sâu  trình bày theo
dng truyn th

       
0

( ' ' )
Z Z Z Z
Z
ZZ
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
ZZ
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


    
   
        
       
00
1
0
z
pg
H
s



  


vc:
     
0
Z Z Z
H u H v H
t x y s

   

   

   


n chuyng:

       
( ' ' )
Z Z Z Z
source
Z
H C uH C vH C H C
vC
c w C
t x y s s H s
    

      
     

 ng thành phn ca vn t
ng (theo h t  c dâng
m sâu ci mc trung bình; H
z

là h s t l theo chiu thng và f là tham s Coriolis. Gch ngang  trên th
hin trung bình thi gian và mt d hin nhing ri. Áp sut là p;

0
là m tng cng và m chun; g là gia tc tr s
nht phân t. C là mt yu t vt lý (ví d: mui, nhi và trng);

C
source
là nhng các thành phn ngun sinh/mt ca các yu t vt lý. Cui cùng,
mt hàm [
( , )f C p


] cn thi ng thái.
H c khép kín bi vic tham s hóa ng sut Reynolds
ng ri ca các yu t v
' ' ;
M
u
u w K
z



' ' ;
M
v
v w K
z



''
H
c w K
z






14

K
M
là h s nhi vng và K
H
là h s khuch tán xoáy
i vi yu t vt lý [10].
H t s dng trong mô hình là h t thích a hình vi
tính cu trúc. Ri rc hóa mô hình ti      i tính
Arakawa-c gi
sai phân trung tâm [11].


Hình 1. T i Arakawa-C.
Phng [13]
* Khép kín ri
Trong nhng ng d         
c gii bi mi tính mà khong cách gii là quá l
gii quyt mt cách thích hp nhng quá trình ri quy mô nh  mc tiêu tán. Bi
vy, nhi vi xáo trng
cng (h s nht ri K
M
) và khng (h s khuch tán ri K
H

) phi
c tham s hóa s dng mt mô hình khép kín ri. ROMS cung c
 khép kín ri: (i) dùng nhng biu thc ginh bi s
dng cho K
H
và K
M
; (ii) tn s xáo trn Brunt   xáo trn
15

nh da trên tn s nh, và bi (iii) s tham s hóa K-profile, (iv)
Mellor  Yamada cp 2.5, và (v) nhng quát [10].
Nghiên cu này s du tiên.
* ng lc l
ng lc lnh ng sut cng lên dòng
chy, làm h nh Navier  Stokes trung bình Reynolds thành nhu
ki  ng. ROMS thc hin c hai mô hình chi ti  th hin
nhng quá trình l s din t h s n, và (ii) nhng
c t biu din li s a sóng và dòng chy lên
tr dch chuyn [10]. Nghiên cu này s dng loi mô hình th
nht.
 sinh thái NPZD trong ROMS
t s các mô hình nh v sinh thái. Vi mn
ng sinh thái, ROMS bao gm: mt mô hình loi NPZD, mt mô hình loi
Fasham, mt mô hình loi hai loài phytoplankton, và mt mô hình lo  
phytoplankton [10]. Mô hình loi NPZD có bn bin trng thái gm gii hn dinh
ng thy nhthc vt ni, ng vt ni và cht vn, tt
c  gii hng (c th trong nghiên cu này là
mmolN.m
-3

). Nghiên cu này s dng mô hình lon nht, vi mc
u v ng dng tính toán h sinh thái trong h thng mô hình
ROMS.
Thc vt ni là các sinh vt t ng có kh ng hp cht h
các chng nh hp th ng ánh sáng mt tri và sng
trong tc mc tr lên), là b phn sn xut ch yu bi chúng
luôn chi c v khng và t tng hp cht hn.
Thc vt nng th yu cng vt nt
mng vt nt dng trong cùng mt không gian, mi
16

quan h t mi  vt dm trong th cân bng, ph thuc cht ch
u kin vng [2].



 NPZD  a mung Ni trát (N),
thc vt nng vt ni (Z) và cht vn (D) [12]
Hình 2 cho thy ma 4 thành ph NPZD, qua
 thn hóa các hp phn mt cách tn
không thc t, tuy nhiên vi vic tip cn th nghi
pháp này là mt bc khu tt cho vic tip cn các mô hình h sinh thái [12].
u din các quá trình ca mô hình c s dng trong
nghiên cu này c din gii vi phân 

Ni trát (NO
3
)
N

Thc vt ni
P

Cht vn
D

ng vt ni
Z

Sn phm mi
Chìm
Chìm
Bài tit
Cht
Cht+bài
tit
S bù cht
khoáng
17







t
- Tt c các hàm ngun Q là các hàm vô hngc tính theo các công thc sau:

 các tham s  c tính theo các công thc:

18


L
vs
ph thuc s chìm lng ca thc vt ni và cht vn. -
PAR là bc x tích cc quang hp.
Vic tính toán các bin n hóa bng vic hng s hóa t và
vn tc ca các quá trình, c cho trong bng sau theo John Moisan:
Bng 1. Các tham s ci vi mô hình NPZD [15]
Bin
u
Giá tr

k
water
Hánh sáng 
0.04
[m
-1
]
k
Chla

 do Chlorophyl
0.025
[(m
2
mg Chla)
-1

]

I
4
[mgC(mgChlaWm
2
d)
-
1
]
r
C:N,phyto
T s i vi thc vt ni
6.625
[mMolC(mMol N)
-1
]
r
C:N,zoo

T s i vng vt ni

[mMolC(mMol N)
-1
]

m
T s gia t bào Chlorophyl ci
0.053
[mg Chla/mg C]

K
NO3
H s i vi thc vt ni,
theo NO3
1./0.5
[mmolN m
-3
]
K
NH4

H s i vi thc vt ni,
theo NH4
1./0.5
[mmolN m
-3
]
t
Pmort
T cht ca thc vt ni
0.07
[d
-1
]
t
Zgraze
T ng vt
ni
0.75
[d

-1
]
AE
N
Hiu sung hóa cng vt vi N
0.75
[-]
GGE
C
Hiu sung hóa cng vt vi N
0.75
[-]
AE
C

Hiu sut phát trin tng cng cng
vt ni
0.65
[-]
K
P
Hng s bán ng vt n
1
[mmolN m
-3
]
t
Zbmet
T bài ting vt ni
0.1

[d
-1
]
t
Zbmort

H s cht bc 2 cng vt ni
0.1
[d
-1
(mmolN m
-3
)
-1
]
t
SDremin

T cht vn nh chuyn thành NH4
0.01
[d
-1
]
t
coag

T tc t
0.01
[(mmolN m
-3

)
-1
d
-1
]
19

thc vt ni và cht vn nh)
t
LDremin

T a cht vn ln chuyn
thành NH4
0.01
[d
-1
]
w
SD
Vn tc chìm lng ca cht vn nh
0.1
[md
-1
]
w
LD

Vn tc chìm lng ca cht vn nh
10
[md

-1
]
w
phyto

Vn tc chìm lng ca thc vt ni
0.1
[md
-1
]
t
nitri

H s ni trát hóa ca NH4 thành N03
0.1
[d
-1
]
I
thNH4
Ni vi vin ni
trát hóa
0.0095
[Wm
-2
]
D
p5NH4
H s i vi vi
chn ni trát hóa

0.036
[Wm
-2
]

20


NG D SINH THÁI
T SINH HP
VÙNG BIN NAM TRUNG B

3.1.Gii thiu v khu vc bin Nam Trung B
3.1.1. V a hình
Khu vc bin Nam Trung B nm  phía tây ca Bic khu vc
bin Nam Vit Nam, din tích khong 197522 km
2
, có v 
: t b bin Vin 111
0

: t 9
0
n 14
0
c

Hình 3. V a hình khu vc bin
Nam Trung B trên b khu vc Bin 

Khu vc
bin Nam
Trung B
21

thy a hình khu vc bin Nam Trung B i d
sâu ca khu vc Nam Trung B bii trong khong t n trên 3000m.
3.1.2. u king h
* Bc x quang hp
Vùng bin Nam Trung B thuc min ni chí tuyn bc có hai l
mt trnh (tháng 4 và tháng 8), vùng bin nghiên cng xuyên
nhc ngung bc x t nhiên dc gn b
nhn khong 130-- 
ng dài, trng quang mây, nhing mây tng quan
t quá cp 6-7. ng bc x t nhiên vào c 50-70 cal/m2.gi ng
có giá tr cao t n tháng 8, là nhng tháng có nhiu gi nt trên 250
gi/tháng vào các tháng 3, 4, 5 và trên 200 gi/tháng vào cc tháng 7, 8. Nu cho
rng bc x quang hp chim khong 50% tng bc x t nhiên thì
giá tr ca nó trên b mt vùng bit c 0.37-0.57 cal/cm2.phút  
n nhing.
 trong sut   khá cao: khu vc gn b 4-
15-y bc x d dàng xâm nhp ti các lc sâu. Vi h
s suy gim bc x c bin vào c 0.05-0.08 là giá tr trung bình cho các
vùng bin nhii gn b thì chiu dày lp quang hp  c có bc x
trên 0.003 cal/cm2.phút) có th c 80-100m [1].
22


Hình 4. Phân b bc x quang hp trên mt bin (cal/cm
2

)
- [1]
* H thng thng
Vùng bin Nam Trung B nm trn trong vùng nhii gió mùa, chu nh
ng trc tip ca 2 h tha khí quyc
hong ch yu t nh nht vào tháng 2 vi
tun sung NE và N chim trên 85%, tn sut t lm trên
70%; gió mùa Tây Nam hong ch yu t n tháng 9, mnh nahats
vào tháng 7-8 vi tn sung SW và W chim trên 70%, tn sut t l
6 m/s chim trên 60%. H thc tng mt khá thng nht vng
gió:  khu vc gn b có dòng chy xit dc bc nhau trong 2 mùa và
t trung bình vào khong 50-70 cm/s;  khu vc xa b dòng chy phâ
t vào khong 10-25 cm/s và nh  [1].
23


Hình 5. Dòng chy tng mt và vùng
hoc tri mùa hè [1]
c tri là hic thù  vùng bin Nam Trung B, xut hin trong
mùa gió Tây Nam. Khu vc tri mnh nm  kho t  
b t   c 5-15.10
-3
 sâu
xut phát  tc khong 75-200 m. Phm vi hoc tri lan rng hu
khp vùng bi  n kho   vi  c 1-5.10
-3
cm/s.
Hic tr i hàng lo    c ca
vùng bin Nam Trung B trong mùa hè so vi nhng vùng k cn, to nên mt h
sinh thái trù phú [1].

3.1.3. Yu t lý  hóa  sinh hc
Phn ln thi gi c  tng mt ti vùng bin nghiên
cu thi các vùng k cy lnh dc b o
24

nên  c li 26
0
i 25
0
C, trong khi nn
nhit trung bình nam bii k này là 27
0
c tri xut
hin làm nhi c tng mt th-2
0
C so vi vùng ngoi vi (27-28
0
C so
vng nhit tng mt to thành vòng khép kín ti khu vc
c tri mnh vi 27.5
0
C, nhii 26
0
C. Lng nht nhit
 có chiu dày khong 50--40m trong mùa hè và nh 
10m  c tri.

Hình 6. Phân b nhi c tng mt (
0
C)

- [1]
Do vt chc b ng xuyên t ca sông Cu Long, t các vùng
bin phía bc và t các lc sâu nh n thng, nht là
hoc tri mùa hè, vùng bin Nam Trung B thuc loi vc nhit
ng. Phân b mt rng ca các hp chng nói chung có
s phân hóa mnh trong mùa hè: nhng khu v ng cao
ng tp trung  gn b, ca sông và khu vc tri mnh, phù hp vi v trí
25

các ngun b  mt rng các hp chng
 [1].

Hình 7. Phân b khng vt ni 7-1979 [1]
 là quy lut ph bin ca qun th
sinh vt ni vùng bin nhii.  vùng bin nghiên cu có trên 220 loài to vi s
ng trung bình có bc 105-106 t bào/m3 và 212 loài tng vt ni (không k
ng vt nguyên sinh) vi sinh vng trung bình 32 mg/m3. Vùng tp trung
sinh vt nng gn lin vi các khu vng. Sc sn xut bc 1 
gn b và khu vc tri mnh có th n trên 80 mgC/m3.ngày, là giá
tr n nhii có sc sn xut bc 1 cao.
Kh khong 111
0
E tr i thông thoáng vi
nam Bi ca hu ht các yu t lý, hóa, sinh hc  i