Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suât không khí tới quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ tây vịnh bắc bộ (luận văn thạc sĩ)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
....................................

Nguyễn Minh Hải

NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA TRƢỜNG GIÓ
VÀ ÁP SUẤT KHÔNG KHÍ TỚI QUÁ TRÌNH DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC PHI TUẦN HOÀN TẠI KHU VỰC
BỜ TÂY VỊNH BẮC BỘ
Chuyên ngành: Hải dƣơng học
Mã số: 60.44.97

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. Trần Hồng Lam

Hà Nội - 2012
1


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ………………………………………………………….....................

1

Chƣơng 1: TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC BIỂN……………………………………………...

3

1.1 Khái niệm dao động dâng, rút của mực nƣớc biển……………………...

3

1.2. Tình hình nghiên cứu mực nƣớc biển trong và ngoài nƣớc…………….

4

Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

9

2.1. Phƣơng pháp thống kê………………………………………………….

9

2.2. Phƣơng pháp mô hình…………………………………………………..

17

Chƣơng 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN…………………………………………...

22

3.1. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện của trƣờng gió đến chế độ dâng, rút
mực nƣớc phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM

22

3.2. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện khí tƣợng đến độ dâng, rút mực
nƣớc phi điều hòa bằng phƣơng pháp thống kê

57

3.3. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện của trƣờng bão đến chế độ dâng rút
nƣớc phi tuần hoàn tại bờ tây Vịnh bắc bộ bằng mô hình Mike21 FM

65

KẾT LUẬN ………………………………………….........................................

76

PHỤ LỤC ………………………………………………………………………

80

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………………...

82

2


MỞ ĐẦU

Vịnh Bắc Bộ ở vào khoảng vĩ độ 18o20’ N - 21o40’ N, kinh độ 106o08’ E 110o00’ E là vịnh lớn thứ hai của biển Đông với diện tích khoảng 150.000 km2, với
chiều rộng khoảng 200 - 320 km và chiều dài khoảng 600 km. Độ sâu trung bình
toàn vịnh khoảng 50 - 60 m, nơi sâu nhất tại vùng cửa vịnh khoảng 110 m. Vịnh

thông với biển Đông qua cửa vịnh ở phía nam với độ rộng khoảng 250 km. Ngoài ra
biển Đông và vịnh còn thông nhau qua eo Hải Nam ở vùng đông bắc vịnh với độ
rộng khoảng 30 km. (“Hải dương học biển Đông” – GS. TS. Lê Đức Tố)
Trong vịnh có nhiều đảo, trong đó có những đảo khá lớn ở khu vực tỉnh
Quảng Ninh nhƣ Cái Bầu, Kế Bào, Cô Tô… khu vực quần đảo Bái Tử Long và Hạ
Long với khoảng 3000 hòn đảo lớn nhỏ, chiếm diện tích gần 3000 km2 tạo thành
một hệ thống lạch biển chằng chịt ra vào các cảng quan trọng vùng Hạ Long của
Việt Nam. Ở ngoài khơi, còn có một số đảo không lớn và riêng biêt nhƣ Hòn Mắt,
Bạch Long Vỹ (cách Hải Phòng khoảng 150 km). Vịnh Bắc Bộ còn có nhiều nguồn
tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, trong đó có các dạng tài nguyên nổi
trội nhƣ hải sản, du lịch biển, giao thông vận tải biển... cho phép khai thác để phát
triển kinh tế.
Song song với các lợi thế nêu trên, vùng biển trong vịnh luôn tiềm ẩn những
nguy cơ gây nên những thảm họa thiên tai nguy hiểm nhƣ: bão, nƣớc dâng do bão,
sóng lớn, mực nƣớc biển dâng dị thƣờng... Vì vậy, cần thiết phải đẩy mạnh công tác
nghiên cứu khoa học nhằm mục đích nắm bắt đƣợc những quy luật tự nhiên, dự báo,
cảnh báo đƣợc các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm bắt nguồn từ biển.
Do đó, việc nghiên cứu đ c điểm biến thiên mực nƣớc biển ven bờ Việt Nam
nói chung và việc nghiên cứu dao động dâng, rút của mực nƣớc do gió và khí áp nói
riêng là một trong những nhiệm vụ cấp thiết cần phải đƣợc triển khai nghiên cứu
phục vụ cho công tác quy hoạch, quản l và phát triển kinh tế biển, đảm bảo an ninh
quốc phòng.

3


Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của trường gió và áp suât không khí tới
quá trình dao động dâng, rút mực nước phi tuần hoàn tại khu vực bờ Tây vịnh Bắc
Bộ” tập trung xác định ảnh hƣởng của các yếu tố gió, khí áp lên dao động của mực
nƣớc phi tuần hoàn tại bờ Tây vịnh Bắc Bộ. Các kết quả của Luận văn có thể phục

vụ cho việc kiểm tra các kết quả dự báo về trƣờng gió và trƣờng khí áp so với sự
dâng rút của mực nƣớc phi tuần hoàn, xây dựng các công trình ven biển nhƣ cầu
cảng, đê… qua việc xác định đƣợc sự dâng rút mực nƣớc phi tuần hoàn tại khu vực
xây dựng.
Nội dung luận văn bao gổm 03 chƣơng, phần kết luận và phần các bảng phụ
lục:
- Chƣơng 1: Tổng quan về các yếu tố ảnh hƣởng tới dao động dâng, rút mực
nƣớc biển và tình hình nghiên cứu
- Chƣơng 2: Cơ sở l thuyết và các phƣơng pháp nghiên cứu
- Chƣơng 3: Các kết quả tính toán
- Kết luận
- Phụ lục

4


Chƣơng 1
TỔNG QUAN CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG DAO ĐỘNG
DÂNG, RÚT MỰC NƢỚC BIỂN

1.1. Khái niệm dao động dâng, rút của mực nƣớc biển
Dao động dâng rút của mực nƣớc biển là các dao động dâng, rút mực nƣớc
dƣới tác động của trƣờng gió ổn định và biến động của gió và áp suất khí quyển
trong bão, dòng nƣớc sông... dao động mực nƣớc biển là tổ hợp dao động của thủy
triều và các dao động dâng, rút mực nƣớc do các nhiễu động khí quyển và các quá
trình khác. Vì vậy, để có đƣợc bức tranh tổng thể, chi tiết về dao động của mực
nƣớc biển phục vụ cho các nhu cầu kinh tế, kỹ thuật khác nhau còn cần phải tìm
hiểu, nghiên cứu kỹ lƣ ng các thành phần dao động phi tuần hoàn - nƣớc dâng,
nƣớc rút.
Dao động dâng rút của mực nƣớc biển là do các hoạt động của khí quyển và

bức xạ m t trời có tính chất không tuần hoàn gây nên. Các hoạt động đa dạng, muôn
hình muôn v của khí quyển dẫn đến sự đa dạng của mực nƣớc biển. Tuy nhiên, có
thể kể ra các nguyên nhân chính sau đây gây nên các dao động dâng rút mực nƣớc
biển:
- Dao động dâng rút xuất hiện dƣới tác dụng của ma sát tiếp tuyến giữa gió
và m t nƣớc giới hạn bởi bờ biển. Sự giảm áp suất khí quyển trên lục địa và tăng áp
suất trên m t biển kết hợp với gió gây ra nƣớc dâng tại vùng ven bờ và ngƣợc lại sự
tăng áp suất khí quyển trên lục địa và giảm áp suất trên m t biển kết hợp với gió gây
ra nƣớc rút;
- Dao động dâng rút do biến đổi áp suất khí quyển gây nên. Áp suất khí
quyển tăng lên 1 mbar thì mực nƣớc biển giảm xuống 10 mm và ngƣợc lại khi áp
suất khí quyển giảm xuống 1 mbar thì mực nƣớc biển tăng lên 10 mm. Tuy nhiên,
đây là những biến đổi tĩnh học chúng thƣờng nhỏ hơn nhiều so với biến đổi động

5


lực học của gió và dòng chảy bờ;
- Dao động dâng rút do sự bất đồng nhất của chu trình tuần hoàn nƣớc (sự
bốc hơi, giáng thủy, dòng chảy) liên quan đến sự biến đổi của lƣợng nƣớc tại các
khu vực khác nhau của biển. Những dao động này có thể rất đáng kể ví dụ nhƣ có
trận mƣa lớn lên tới hàng trăm mm trong một ngày có thể làm tăng mực nƣớc đột
ngột trong khoảng thời gian ngắn;
- Dao động dâng rút do sự biến đổi của mật độ nƣớc gây ra. Nhƣ đã biết mật
độ nƣớc biển phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối mà tại khu vực ven bờ nhiệt độ và
độ muối nƣớc biển thƣờng xuyên thay đổi do ảnh hƣởng của nƣớc lục địa và tƣơng
tác với địa quyển. Sự dịch chuyển của lƣợng nƣớc m t nh hơn vào vùng ven bờ s
làm cho mực nƣớc biển dâng lên. Ngƣợc lại khi có gió dạt nƣớc nh hơn bị mang ra
ngoài khơi, nƣớc n ng hơn ở dƣới sâu dọc sƣờn lục địa dâng lên thay thế khi đó
mực nƣớc biển s hạ thấp do vùng ven bờ bị mất nƣớc và nƣớc m t nh hơn đƣợc

thay thế bằng nƣớc sâu n ng hơn tại đây;
- Dao động dâng rút do hiệu ứng bơm Ekman. Sự hội tụ khối nƣớc lớp
Ekman do gió địa phƣơng đồng thời với sự chìm xuống của các khối nƣớc từ dòng
địa chuyển tải vào đẩy lớp nƣớc ấm hơn lên cao dồn vào bờ bề m t biển vùng gần
bờ bị dâng cao;
- Dao động dâng rút mực nƣớc biển do ảnh hƣởng của bão và áp thấp nhiệt
đới. (“Nghiên cứu đặc điểm biến thiên mực nước biển ven bờ Việt Nam” – TS.
Hoàng Trung Thành)
1.2. Tình hình nghiên cứu mực nƣớc biển trong và ngoài nƣớc
Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở nước ngoài
Các phƣơng pháp phân tích thống kê nghiên cứu mực nƣớc biển thông qua
các công trình tổng quan của các tác giả ngƣời Nga tiêu biểu nhƣ Mariutin,
Peresipkin, Levikov, German v.v... Một số công trình đi sâu nghiên cứu xác định
các cực trị mực nƣớc với các tần suất hiếm và sự tổ hợp của các dao động mực nƣớc

6


với các điều kiện sóng phát sinh do các nhiễu động dị thƣờng của khí quyển. Trong
số tác giả này phải kể đến Kite, Lopatoukin, Boukhanovsky.
Tại các nƣớc phát triển nhƣ Nhật, Mỹ, Anh... đã có một hệ thống các trạm
mực nƣớc ven bờ biển hiện đại, đo đạc nhiều năm và mật độ trạm đủ dày để tính
toán các đ c trƣng mực nƣớc bằng phƣơng pháp thống kê cho toàn bộ dải ven biển
đảm bảo độ chính xác rất cao phục vụ cho các ngành kinh tế quốc dân.
Các mô hình tính toán hải dƣơng đƣợc biết đến nhƣ Delf3D, Mike21… cũng
đều có những mô - đun tính toán liên quan đến dao động mực nƣớc. Trong Luận
văn này, học viên sử dụng mô hình Mike21 để tính toán sự ảnh hƣởng của gió và
bão tới quá trình dao động dâng, rút của mực nƣớc phi tuần hoàn.
Tình hình nghiên cứu mực nước biển ở trong nước
Việt Nam là một quốc gia biển, vì vậy ngay từ khi mới thành lập các nhà

lãnh đạo đất nƣớc đã có ‎ý thức xây dựng đội ngũ các nhà khoa học có tâm có tài để
phát triển đất nƣớc mà hƣớng nghiên cứu về biển giữ vai trò rất quan trọng. Trong
nghiên cứu mực nƣớc biển, các nhà khoa học trong nƣớc cũng theo 2 phƣơng pháp
tính toán thống kê và mô hình.
Trong đề tài cấp nhà nƣớc về “Xác định số "0" độ sâu cho vùng lãnh hải Việt
Nam” mã số KHCN-06.06 do Cục bản đồ Bộ Tổng tham mƣu chủ trì, các tác giả
Bùi Xuân Thông, Nguyễn Thế Tƣởng đã sử dụng phƣơng pháp Vladimirsky để xác
định mực nƣớc triều thấp nhất tại 6 trạm có số đo mực nƣớc từng giờ và đo dẫn cao
độ về mốc trạm Hòn Dấu để từ đó kiến nghị vị trí xác định số "0" hải đồ dự kiến áp
dụng cho toàn lãnh hải Việt Nam. Thực hiện nhiệm vụ xác định các ngấn triều thấp
nhất phục vụ công tác đo v bản đồ biển, các tác giả Bùi Đình Khƣớc, Trần Quang
Tiến đã thực hiện tính toán theo phƣơng pháp Vladimirsky cho 16 trạm có số đo
mực nƣớc biển dọc bờ và hải đảo Việt Nam.
Sử dụng các phƣơng pháp của Vladimisky và Peresipkin, Phạm Văn Huấn,
Nguyễn Tài Hợi đã tính đƣợc các mực thủy triều cực trị (thấp nhất và cao nhất) cho

7


18 trạm mực nƣớc và sử dụng số liệu mực nƣớc trung bình năm trƣớc năm 1994
ƣớc lƣợng tốc độ tăng lên của mực nƣớc biển cho năm trạm mực nƣớc chính dọc bờ
Việt Nam.
Tác giả Đỗ Ngọc Quỳnh đã mở rộng tính toán cho các vùng biển xa bờ khi
đã xác định đƣợc các hằng số điều hoà thủy triều. Kết quả chi tiết có thể tham khảo
trong. Đ c biệt trong 10 năm gần đây, hệ thống các trạm đo mực nƣớc ven bờ, cửa
sông, hải đảo đã đƣợc tập hợp và đánh giá khá kỹ từ các trạm hải văn và thuỷ văn
cửa sông gần biển. Trong đề tài khoa học cấp nhà nƣớc “Cơ sở khoa học và đặc
trưng kỹ thuật đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công trình biển ven bờ” mã số
KHCN-06.10 do Viện Cơ học chủ trì.
Để đánh giá đƣợc nguy cơ ngập lụt do mực nƣớc biển dâng bởi biến đổi khí

hậu ở Việt Nam, trong dự án do chính phủ Hà Lan tài trợ, Nguyễn Tài Hợi, đã tổng
hợp một khối lƣợng lớn số liệu từ 32 trạm đo mực nƣớc của cả hai hệ thống trạm
hải văn và thuỷ văn dọc ven bờ, hải đảo Việt Nam. Phần lớn các đ c trƣng thống kê
mực nƣớc của các trạm này đã đƣợc mô tả cùng với hệ thông các đƣờng cong phân
bố với các suất bảo đảm xác định. Từ năm 1983, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu
của Tổng cục Khí tƣợng Thuỷ văn, các tác giả Nguyễn Thuyết, Nguyễn Ngọc Thụy
đã áp dụng phƣơng pháp phổ để phân tích dao động mực nƣớc. Kết quả phân tích
phổ mực nƣớc cho thấy ngoài các dao động có chu kỳ khá rõ tƣơng ứng với các
thành phần triều, còn chứa rất nhiều các sóng khác tiềm ẩn với chu kỳ dài. Trong
quy mô của biển Đông, tác giả Phạm Văn Huấn đã có những kết luận về các trƣờng
dao động riêng trong quan hệ tổ hợp thủy triều và mực nƣớc biển nói chung và đánh
giá dao động dâng rút mực nƣớc biển Đông trong hai trƣờng gió mùa vào khoảng
vài chục cm. Năm 2009, tác giả Đinh Văn Ƣu và Nguyễn Nguyệt Minh tiến hành
phân tích thống kê mực nƣớc nhiều năm và áp dụng kỹ thuật wavelet đã bƣớc đầu
xác định đƣợc vai trò của các dao động chu kỳ 1 năm, từ 2 đến 7-8 năm. Trong đó
biên độ dao động năm là đáng kể có thể chiếm tới 20-30

độ lớn thủy triều. Những

kết quả phân tích này cũng cho thấy xu thế biến đổi mực nƣớc do tác động của biến
đổi khí hậu và các nguyên nhân khác cũng không giống nhau đối với các vùng biển.

8


Đã thiết lập một hệ thống các trạm quan trắc mực nƣớc nhằm đo đạc liên tục
dao động mực nƣớc biển theo các khoảng thời gian kéo dài khác nhau từ hàng tháng
đến hàng năm và thậm chí nhiều năm dọc theo ven bờ biển Việt Nam . Trên cơ sở
các chuỗi số liệu này đã tiến hành phân tích tính toán ra các tham số đ c trƣng cho
chế độ thủy triều nhƣ mực nƣớc trung bình, mực nƣớc cực trị, thời gian triều dâng,

thời gian triều rút, các hằng số tuần hoàn thủy triều,... cho từng trạm.
Kết quả là việc lập ra các bảng thủy triều hàng năm cho các cảng chính dọc
ven bờ. Bảng mô tả mực nƣớc dự tính từng giờ của các cảng chính và một số giá trị
nội suy cho các điểm phụ ở ven biển ho c vùng hạ lƣu các sông. Bảng thủy triều
này đƣợc Trung tâm Hải văn (trƣớc đây là Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn Biển)
xuất bản hàng năm và đã phục vụ rất tốt cho các chƣơng trình nghiên cứu khoa học
cũng nhƣ yêu cầu thực tiễn của các ngành kinh tế, an ninh và quốc phòng trên biển.
Nhiều công trình của nhiều tác giả khác nhau đã tập trung theo phƣơng pháp
số trị để nghiên cứu thủy triều trong Biển Đông cũng nhƣ Vịnh Bắc Bộ. Có thể kể
tên hàng loạt các công trình của các tác giả nhƣ: nhóm mô hình triều thuộc đề tài
nhà nƣớc KT.03.03 (1991 - 1995) “Thủy triều Biển Đông và sự dâng mực nƣớc
biển ven bờ Việt Nam” (gồm Đỗ Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Đ ng Công
Minh, Nguyễn Hữu Nhân, Bùi Hồng Long, Lê Trọng Đào, Nguyễn Thọ Sáo);
những công trình đƣợc thực hiện trong khuôn khổ các luận án phó tiến sỹ trong và
ngoài nƣớc nhƣ của Bùi Hồng Long (1986), Nguyễn Thọ Sáo (1988), Nguyễn Thị
Việt Liên (1997), Đinh Văn Mạnh (2000). Trong đó luận án của Đinh Văn Mạnh đã
bƣớc đầu xây dựng mô hình 3 chiều cho chuyển động thủy triều Vịnh Bắc Bộ. Cần
lƣu

rằng bằng giải số trị theo phƣơng hƣớng này một số tác giả đã bắt đầu nghiên

cứu tìm hiểu sâu hơn về cơ chế hình thành biến đổi bức tranh dao động thủy triều
trong Biển Đông. Các tác giả đã nghiên cứu các bài toán truyền sóng tự do, truyền
sóng dao động có chu kỳ triều qua các biên lỏng, các chu kỳ dao động riêng trong
toàn biển, đánh giá tác động trực tiếp của lực gây triều trong phạm vi biển. Ngoài ra
có thể kể tên một số tác giả của những nghiên cứu này là Đỗ Ngọc Quỳnh (1983,
1991), Phạm Văn Huấn (1987), Phạm Văn Ninh và Trần Thị Ngọc Duyệt (1997),

9

Đỗ Ngọc Quỳnh, Phạm Văn Ninh, Nguyễn Thị Việt Liên và Trần Thị Ngọc Duyệt
(1998). Trong đề tài “Nghiên cứu đề cập, chi tiết toàn bộ số liệu cơ bản về triều,
nước dâng dọc bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ tính toán thiết kế,
củng cố nâng cấp đê biển” năm 2007 do Viên Cơ học chủ trì, TS. Đinh Văn Mạnh
đã thiết lập mô hình số trị tính toán thủy triều và nƣớc dâng do bão cho vùng ven
bờ, xây dựng bộ thông số cơ bản về mực nƣớc tổng hợp (nƣớc dâng do bão và thủy
triều) khu vực ven bờ và xây dựng đƣợc cơ sở dữ liệu cơ bản về thủy triều, nƣớc
dâng, mực nƣớc tổng hợp dọc bờ.

‎

10


Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phƣơng pháp thống kê
2.1.1. Phương pháp phân tích điều hòa thủy triều (“Lý thuyết thủy triều” –
PGS. TS. Phạm Văn Huấn)
Độ cao mực nƣớc thủy triều z tại thời gian bất kỳ t là tổng của các dao động
triều thành phần (gọi là các phân triều hay các sóng triều):
r

z t  A0   f i H i cos [qi t  (V0  u ) i  g i ]

(2.1)

i 1

trong đó: A0  độ cao mực nƣớc trung bình, f i  hệ số suy biến biên độ của phân
triều i , H i  hằng số điều hòa biên độ của phân triều i , q i  tốc độ góc không đổi
của phân triều i , (V0  u) i  những phần pha thiên văn của phân triều i biểu diễn
các góc giờ của những tinh tú giả định tại thời điểm t , g i  hằng số điều hòa về pha
của phân triều i , r  số lƣợng các phân triều. f i và (V0  u) i phụ thuộc thời gian t .
Khi có n độ cao mực nƣớc quan trắc z t , nhiệm vụ của phân tích thủy triều là xác
định bộ gồm r c p hằng số điều hòa không đổi H và g cho từng phân triều của
trạm nghiên cứu.
Để thuận tiện áp dụng phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ nhất, ngƣời ta thƣờng
biến đổi phƣơng trình (2.1) thành
r

z t  A0   ( Ai cos qi t  Bi sin qi t ) ,

(2.2)

i 1

trong đó
Ai  f i H i cosg i  (V0  u) i , Bi  f i H i sing i  (V0  u) i .

(2.3)

Biết mực nƣớc tại n giờ, ngƣời ta có n phƣơng trình đại số dạng (2.2) đối

11


với các ẩn số Ai và Bi để giải bằng phƣơng pháp bình phƣơng nhỏ nhất. Từ mỗi

c p ẩn Ai và Bi tìm đƣợc s tính ra
Hi 

Ai2  Bi2
fi

,

g i  arctg

Bi
 (V0  u ) i .
Ai

(2.4)

Chuỗi quan trắc càng dài, số phƣơng trình dạng (2.2) càng nhiều, thì A0 và
số c p hằng số điều hòa H và g nhận đƣợc càng nhiều, càng chính xác. Với một
năm quan trắc ta có 8760 phƣơng trình dạng (2.2) và có thể xác định đƣợc khoảng
60-68 c p hằng số điều hòa H và g của điểm quan trắc.
Nhƣợc điểm cơ bản của các phƣơng trình dạng (2.2) là những đại lƣợng thiên
văn biến thiên với thời gian f và (V0  u ) của mỗi dao động thành phần i đã bị
xem là không đổi suốt trong thời gian quan trắc và bị đƣa vào trong các ẩn số Ai và
Bi của các phƣơng trình (2.2), do đó từng phƣơng trình ở dạng (2.2) trở thành

không chính xác, bởi vì trong thực tế mỗi dao động phân triều ở công thức (2.1) là
một dao động điều biến biên độ, f biến đổi với thời gian và phần phụ pha (V0  u )
cũng biến đổi với thời gian một cách đáng kể.
Khi tính H i và g i theo các công thức (2.4) ngƣời ta phải dùng giá trị trung
bình của f i tại thời điểm giữa thời kỳ quan trắc và giá trị của (V0  u) i tại thời điểm

đầu thời kỳ quan trắc. Điều này lại gây nên những mâu thuẫn kỹ thuật nhƣ: chuỗi
quan trắc càng dài thì sai số càng tăng, chuỗi không liên tục (ví dụ 2 năm quan trắc
không kế tiếp, mà cách xa nhau) thì không thể có thời điểm giữa quan trắc...
Các chƣơng trình phân tích điều hòa thủy triều bằng phƣơng pháp bình
phƣơng nhỏ nhất hiện nay xuất phát từ công thức (2.2) và mang những nhƣợc điểm
cơ bản nhƣ vậy.
2.1.2 Tách mực nước dao đ ng tu n hoàn (“Dự báo thủy văn biển” –
Phạm Văn Huấn)
Dùng phƣơng pháp phân tích tuần hoàn thủy triều tính hằng số tuần hoàn tại

12


các trạm, sau đó dự tính lại thủy triều trong toàn bộ thời gian có số liệu quan trắc.
Lấy giá trị độ cao mực nƣớc quan trắc H qt trừ đi độ cao thủy triều dự tính

H tt cho các thời điểm tƣơng ứng theo công thức:
Z i  H iqt  H itt , i  1, 2, ..., N

trong đó: N  độ dài chuỗi mực nƣớc; Z  mực nƣớc dâng ho c rút.
Độ chính xác của phƣơng pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của dự tính
thủy triều. Hiện nay khả năng phân tích và dự tính thủy triều bằng phƣơng pháp
phân tích tuần hoàn đã đạt đƣợc độ chính xác khá cao (114 sóng). Do vậy, phƣơng
pháp này hoàn toàn có thể sử dụng để tách dao động thủy triều ra khỏi chuỗi số liệu
quan trắc mực nƣớc biển.
Bảng 2.1: Mực nƣớc phi tuần hoàn tại Hòn Dáu

2.1.3. Phƣơng pháp phân tích tƣơng quan tuyến tính giữa các biến
Đây là một phƣơng pháp thống kê mà giá trị kỳ vọng của một hay nhiều biến
ngẫu nhiên đƣợc dự đoán dựa vào điều kiện của các biến ngẫu nhiên (đã tính toán)

khác. Đối với mục tiêu đ t ra của Luận văn học viên xác định mối quan hệ giữa
trƣờng gió (hƣớng gió, tốc độ gió) lên dao động mực nƣớc phi tuần hoàn bằng các
phƣơng trình tƣơng quan.
Những mối phụ thuộc dự báo giữa các hiện tƣợng cần dự báo và những nhân

13


tố quyết định có thể nhận đƣợc bằng những phƣơng pháp khác nhau. Thông thƣờng
ngƣời ta tìm những mối phụ thuộc đó bằng cách dựng và phân tích các đồ thị dựa
trên số liệu quan trắc. Những biểu thức liên hệ nhận đƣợc s đƣợc biểu thị dƣới
dạng những phƣơng trình tƣơng ứng. Những phƣơng trình kiểu nhƣ vậy đã từng
đƣợc nhiều tác giả nghiên cứu để dự báo nhiệt độ nƣớc biển, nhiệt độ không khí,
lƣợng mƣa, độ dày băng, dao động mực nƣớc biển và nhiều yếu tố thủy văn biển
khác.
Sau khi đã phân tích bƣớc đầu những dữ liệu quan trắc, tức trên cơ sở phân
tích định tính những đ c điểm của hiện tƣợng đƣợc nghiên cứu và những hiểu biết
về các quy luật chung của nó đã thiết lập đƣợc các yếu tố chính quyết định sự biến
đổi của hiện tƣợng, ngƣời ta tiến tới nghiên cứu mối liên hệ định lƣợng giữa hiện
tƣợng và các yếu tố: xác định dạng của mối liên hệ đó và tìm biểu thức giải tích mà
sau này dùng làm biểu thức để tính toán dự báo.
Muốn vậy ngƣời ta lập các chuỗi số liệu quan trắc về hiện tƣợng dự báo và
các yếu tố mà nó phụ thuộc. Hiện tƣợng dự báo s đƣợc coi là biến số phụ thuộc,
gọi là hàm, còn các yếu tố s là biến độc lập, gọi là các đối số. Khi xây dựng các
mối liên hệ dự báo độ dài chuỗi quan trắc có

nghĩa quan trọng. Trong thống kê

toán học đã xác nhận rằng khi tìm mối liên hệ giữa hai biến thì độ dài chuỗi quan
trắc cần phải chứa không ít hơn 100 quan trắc. Nếu nhƣ số biến tăng lên thì độ dài

chuỗi cũng phải tăng. Tuy nhiên, trong thực hành những chuỗi số liệu có độ dài đáp
ứng đòi hỏi thƣờng thiếu. Dĩ nhiên những mối liên hệ đƣợc xây dựng theo những
chuỗi quan trắc ngắn s kém tin cậy hơn so với những chuỗi dài. Đ c biệt điều này
hay sảy ra đối với dự báo dài hạn. Vì vậy trong thực hành dự báo khi các chuỗi
quan trắc đƣợc tích luỹ dần thêm thì các mối phụ thuộc dự báo cũng đƣợc xây dựng
lại cho chính xác hơn.
Dạng đơn giản nhất của mối liên hệ giữa các đại lƣợng là mối phụ thuộc
hàm, khi mà mỗi trị số của đại lƣợng x ứng với một trị số hoàn toàn xác định của
một đại lƣợng y khác. Tuy nhiên, khi nghiên cứu các mối liên hệ giữa các hiện

14


tƣợng trong tự nhiên chúng ta ít g p các mối phụ thuộc hàm mà thƣờng là các mối
phụ thuộc tƣơng quan. Ở đây mỗi giá trị của một đại lƣợng lại tƣơng ứng với một
tập hợp các giá trị có thể có của đại lƣợng khác. Sự phân tán của các giá trị có thể
có ấy mang tính chất ngẫu nhiên và đƣợc giải thích một m t do sai số của các quan
trắc, m t khác do ảnh hƣởng của một số lớn các yếu tố thứ yếu chƣa đƣợc kể đến
khi xây dựng mối phụ thuộc.
Để trực quan đánh giá đ c điểm của mối liên hệ giữa các đại lƣợng x và y ,
ngƣời ta thƣờng dựng đồ thị tƣơng quan, trên đó theo trục tung đ t các trị số của
biến phụ thuộc y , còn trục hoành đ t các trị số của biến x . Theo từng c p trị số của
x và y tƣơng ứng nhận đƣợc trong một quan trắc ngƣời ta thu đƣợc một tập hợp các
điểm quan trắc. Đ c điểm phân bố của các điểm trên m t phẳng đồ thị s chỉ ra dạng
của mối liên hệ cũng nhƣ mức độ (tính ch t ch ) của mối phụ thuộc. Trong nhiều
trƣờng hợp chỉ cần xem các điểm quan trắc phân bố nhƣ thế nào trên đồ thị ngƣời ta
đã có thể đánh giá trƣớc đƣợc khả năng hiệu quả của mối phụ thuộc trong mục đích
dự báo.
Khi trên đồ thị có một số lƣợng lớn các điểm quan trắc, muốn v đƣờng liên
hệ có thể chia tất cả các điểm ra thành những nhóm và trong mỗi nhóm tìm điểm

trung bình (tìm ngay trên đồ thị ho c tính các giá trị trung bình của x và y ). Sau đó
v đƣờng liên hệ theo các điểm trung bình. Độ chính xác của đƣờng liên hệ dự báo
tìm đƣợc có thể đánh giá bằng cách so sánh các giá trị của đại lƣợng y tính theo mối
liên hệ này với các giá trị quan trắc của y . Việc này thực hiện bằng cách dựng một
đồ thị trên đó theo trục tung đ t các các số liệu quan trắc thực tế, còn theo trục
hoành − là các giá trị tính đƣợc từ mối liên hệ dự báo. Nếu đƣờng nhận đƣợc là một
đƣờng thảng đi qua gốc tọa độ, nghiêng một góc khoảng 45° với trục tọa độ, thì đồ
thị dự báo đƣợc dựng đúng, trong trƣờng hợp ngƣợc lại cần phải xem xét và chỉnh
lại. Thông thƣờng sự kiểm tra các mối phụ thuộc dự báo không thực hiện theo chính
chuỗi số liệu quan trắc mà từ đó mối phụ thuộc dự báo đƣợc xây dựng, mà theo một
chuỗi số liệu độc lập khác. Vì vậy khi xây dựng các mối phụ thuộc dự báo nếu
chuỗi số liệu quan trắc ta có khá dài, thì nên bớt lại một phần để dùng vào việc kiểm

15


tra dự báo.
Nếu nhƣ các điểm tập trung gần một đƣờng thẳng thì mối liên hệ là tốt, ch t
ch . Nếu nhƣ mối liên hệ nhận đƣợc không đủ ch t ch , thì ngƣời ta dần dần đƣa
thêm các đối số khác, ít quan trọng hơn so với đối số thứ nhất, vào mối liên hệ và
xây dựng các đồ thị liên hệ mới.
Khi mối phụ thuộc nhận đƣợc thoả mãn yêu cầu về mọi m t, ngƣời ta tiến tới
tìm biểu thức định lƣợng (hay biểu thức giải tích) của mối phụ thuộc đó, xác định
các đ c trƣng của mối liên hệ nhƣ hệ số tƣơng quan, phƣơng trình tƣơng quan. Vì
đ c điểm tản mạn của các điểm quan trắc trên đồ thị tƣơng quan thƣờng khác nhau
và theo hình dạng bên ngoài khó đánh giá mức độ ch t ch của mối liên hệ, nên
trong thực hành dự báo đã thảo ra các tiêu chuẩn đ c biệt để đánh giá những liên hệ
dự báo. Nhƣ trên đã nêu, nếu mối liên hệ giữa các đại lƣợng rất ch t ch , tức các
điểm quan trắc tập trung ở gần đƣờng thẳng, thì đồ thị này có thể dùng đƣợc ngay
để dự báo. Muốn vậy chỉ cần theo mỗi giá trị cho trƣớc của đối số x trên đồ thị này

ta xác định giá trị tƣơng ứng của đại lƣợng dự báo y. Để biểu diễn định lƣợng
những mối phụ thuộc dự báo ngƣời ta thƣờng sử dụng phƣơng pháp tính toán tƣơng
quan, phƣơng pháp này cho phép nhận đƣợc đ c trƣng định lƣợng của mối liên hệ
giữa các đại lƣợng, xác định độ tin cậy của mối liên hệ và chỉ ra mức độ ảnh hƣởng
của từng nhân tố đối số. Tuy nhiên cần nhớ rằng việc sử dụng tƣơng quan chỉ bắt
đầu khi nào bản chất vật l của mối liên hệ giữa các biến và hiện tƣợng dự báo đã
đƣợc xác định. Phƣơng pháp tƣơng quan chỉ đƣợc xem nhƣ cách thể hiện số của
mối phụ thuộc đã tìm đƣợc và có cơ sở vật l .
Giả sử đ c trƣng thủy văn cần dự báo y bị tác động bởi một đ c trƣng khí
tƣợng hay thủy văn khác x đƣợc quan trắc tại thời kỳ trƣớc ho c đồng thời với đ c
trƣng y . Cần phải tìm phƣơng trình liên hệ giữa hai đại lƣợng này dƣới dạng:
y= f(x) ± σ

(2.5)

trong đó chỉ ra độ chính xác của phƣơng trình (±σ) . Ƣớc lƣợng độ chính xác của
phƣơng trình (2.5) trong một số trƣờng hợp có thể lấy bằng ±0,8 σ; ±0,6 σ ho c ±1/

16


5 A (σ - độ lệch bình phƣơng trung bình của yếu tố dự báo; A - biên độ dao động
của yếu tố dự báo).
Trong trƣờng hợp liên hệ tuyến tính của hai biến, ngƣời ta lập bảng các chuỗi
quan trắc của các đại lƣợng y và x và tính toán các tham số cơ bản: x , y , σx , σ y và
rxy (bảng 2.2).
Bảng 2.2: Biểu tính tƣơng quan giữa hai biến

Những tham số này tính theo các công thức đã biết trong thống kê toán học:

trong đó − r hệ số tƣơng quan (0  rxy  1) ; − E độ lệch xác suất của r.
Sử dụng những trị số nhận đƣợc của các tham số cơ bản có thể quyết định
vấn đề về đột in cậy của mối liên hệ. Mối liên hệ đƣợc xem là đáng tin cậy khi trị số

17


của hệ số tƣơng quan khá lớn (r ≥ 80,0) và đồng thời phải lớn hơn độ lệch xác suất
của nó không ít hơn 6−10 lần. (r/E ≥ 6).
Sự cần thiết phải tính chỉ tiêu tin cậy là do không phải hệ số tƣơng quan cao
luôn luôn là chỉ tiêu của mối liên hệ tin cậy. Thí dụ, đối với những chuỗi quan trắc
ngắn, thì hệ số tƣơng quan cao nhận đƣợc có khi chỉ là do ngẫu nhiên. Chuỗi quan
trắc đƣợc xem là đủ dài nếu nhƣ độ lệch xác suất E là hàm của số lƣợng quan trắc
đủ nhỏ, tức r/E > 10.
Trong khi tính toán, nếu bất đẳng thức này không thoả mãn thì phải tăng độ
dài chuỗi quan trắc. Ngoài ra có trƣờng hợp hệ số tƣơng quan có thể khá cao khi
tính toán với chuỗi quan trắc ở một thời kỳ quan trắc này, song lại rất thấp nếu tính
toán với chuỗi quan trắc ở thời kỳ khác. Rõ ràng điều này xảy ra do biến đổi mối
liên hệ từ thời kỳ này đến thời kỳ kia, nói cách khác mối liên hệ giữa hiện tƣợng dự
báo và nhân tố ảnh hƣởng không ổn định. Vì vậy phải kiểm tra xem hệ số tƣơng
quan nhận đƣợc có biến đổi không khi tăng ho c giảm độ dài chuỗi.
Có hai cách kiểm tra thực tế về độ ổn định của mối liên hệ. Cách thứ nhất
thực hiện nhƣ sau: Chia toàn bộ chuỗi quan trắc thành hai phần, tính các hệ số
tƣơng quan r1 và r2 và các độ lệch xác suất tƣơng ứng E1 và E2 riêng biệt cho mỗi
phần. Nếu bất đẳng thức:
r1 - r2

< E1 + E2

(2.8)

thì mối liên hệ ổn định.
Cách thứ hai để kiểm tra tính ổn định của mối liên hệ là so sánh các hệ số
tƣơng quan của hai phần r1 và r2 với hệ số tƣơng quan chung của mỗi phần r. Nếu r1
và r2 không vƣợt ra ngoài khoảng giá trị r ± E thì mối liên hệ ổn định.
Nhƣ vậy nếu xác định đƣợc rằng mối liên hệ ổn định và hệ số tƣơng quan đủ
lớn thì có thể tìm phƣơng trình liên hệ (2.9). Sai số giữa giá trị quan trắc và giá trị
tính theo phƣơng trình dự báo (2. 9): εi = yqt - ydb đƣợc so sánh với 1/5 biên độ dao
động của yếu tố dự báo. Nếu sai số lớn hơn đại lƣợng này thì nó đƣợc coi là vƣợt

18


quá sai số cho phép, sai số lớn. Nếu phƣơng trình dự báo đảm bảo số sai số lớn ít
hơn 20

toàn bộ số lần quan trắc thì phƣơng trình dự báo đƣợc xem là tin cậy.

2.2. Phƣơng pháp mô hình
Mô đun thủy lực MIKE 21 FM
Mô đun thủy lực đƣợc phát triển bởi phƣơng pháp lƣới phần tử hữu hạn. Mô
đun này đƣợc dựa trên nghiệm số của hệ các phƣơng trình Navier-Stokes cho chất
lỏng không nén đƣợc 2 ho c 3 chiều kết hợp với giả thiết Boussinesq và giả thiết về
áp suất thuỷ tĩnh. Do đó, mô đun bao gồm các phƣơng trình: phƣơng trình liên tục,
động lƣợng, nhiệt độ, độ muối và mật độ và chúng khép kín bởi sơ đồ khép kín rối.
Với trƣờng hợp ba chiều sử dụng hệ toạ độ sigma.
Việc rời rạc hoá không gian của các phƣơng trình cơ bản đƣợc thực hiện
bằng việc sử dụng phƣơng pháp thể tích hữu hạn trung tâm. Miền không gian đƣợc
rời rạc hoá bằng việc chia nhỏ miền liên tục thành các ô lƣới/phần tử không trùng
nhau. Theo phƣơng ngang thì lƣới phi cấu trúc đƣợc sử dụng còn theo phƣơng

thẳng đứng trong trƣờng hợp 3 chiều thì sử dụng lƣới có cấu trúc. Trong trƣờng hợp
hai chiều các phần tử có thể là phần tử tam giác ho c tứ giác. Trong trƣờng hợp ba
chiều các phần tử có thể là hình lăng trụ tam giác ho c lăng trụ tứ giác với các phần
tử trên m t có dạng tam giác ho c tứ giác.

19


Phƣơng trình cơ bản
Phương trình liên tục

(2.10)

Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng

(2.11)

(2.12)

Trong đó:
t là thời gian;
x, y và z là toạ độ Đề các;

 là dao động mực nƣớc;
d là độ sâu; h=+d là độ sâu tổng cộng;
u, v và w là thành phần vận tốc theo phƣơng x, y và z;
f=2sin là tham số coriolis;
g là gia tốc trọng trƣờng;

 là mật độ nƣớc;

t là nhớt rối thẳng đứng;

20


pa là áp suất khí quyển;

o là mật độ chuẩn;
S là độ lớn của lƣu lƣợng do các điểm nguồn;
(us,vs) là vận tốc của dòng lƣu lƣợng đi vào miền tính;
Fu, Fv là các số hạng ứng suất theo phƣơng ngang.
Phương trình tải cho nhiệt và muối

(2.13)

(2.14)


trong đó Dv là hệ số khuếch tán rối thẳng đứng; H là số hạng nguồn do trao đổi
nhiệt với khí quyển. Ts và ss là nhiệt độ và độ muối của nguồn; FT và Fs là các số
hạng khuếch tán theo phƣơng ngang.
Phương trình tải cho đại lượng vô hướng

(2.15)

trong đó C là nồng độ của đại lƣợng vô hƣớng; kp là tốc độ phân huỷ của đại lƣợng
đó; Cs là nồng độ của đại lƣợng vô hƣớng tại điểm nguồn; D v là hệ số khuếch tán
thẳng đứng; và FC là số hạng khuếch tán ngang.
Lƣới tính Vịnh bắc Bộ
Thông số lƣới tính:

Số nút lƣới: 4014
Số tam giác: 6830

21


Khoảng cách lớn nhất giữa các nút lƣới: 43 km
Khoảng cách nhỏ nhất giữa các nút lƣới: 2.5 km

Hình 2.1: Lưới tính, độ sâu và vị trí biên cho vùng biển Vịnh Bắc Bộ

Điều kiện biên và điều kiện ban đầu:
Điều kiện biên lỏng: là giá trị mực nƣớc đƣợc phân tích từ bộ hằng số điều
hòa toàn cầu độ phân giải 0.25 x 0.25 độ đƣợc tích hợp sẵn trong bộ Mike. Điều
kiện biên này đƣợc sử dụng cho 2 trƣờng hợp tính mực nƣớc triều và mực nƣớc
tổng cộng.

22


Điều kiện biên bề mặt: Là giá trị gió áp bao phủ miền tính. Điều kiện này
đƣợc sử dụng cho trƣờng hợp tính mực nƣớc tổng cộng với các kịch bản sau:
- Giá trị vận tốc, và hƣớng gió đƣợc đƣa vào đối với các trƣờng hợp tính mực
nƣớc tổng cộng dƣới tác động của gió theo các hƣớng thịnh hành.
- Giá trị gió áp đƣợc mô phỏng từ mô hình gió bão (công cụ: Cyclone Wind
Generation) trong bộ phần mềm Mike đối với các trƣờng hợp tính mực nƣớc trong
các cơn bão điển hình trong quá khứ.
Điều kiện ban đ u:
Điều kiện ban đầu mô phỏng mực nƣớc:
- Mực nƣớc ban đầu bằng “0”

- Dòng chảy ban đầu bằng “0”

23


Chƣơng 3
CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.1. Tính toán ảnh hƣởng của điều kiện của trƣờng gió đến chế độ dâng,
rút mực nƣớc phi tuần hoàn tại bờ tây vịnh Bắc Bộ bằng mô hình Mike21 FM
3.1.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
Học viên đã tiến hành tính toán và so sánh biến trình của mực nƣớc thực đo
tại trạm Hòn Dáu và biến trình mực nƣớc tính toán bằng mô hình MIKE 21 cùng
thời điểm. Kết quả nhƣ sau:
So sánh m ục nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Dáu
4.50
4.00
3.50

Mực nước (m)

3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
-0.50
2005- 1- 5- 0

2005- 1- 7- 0

2005- 1- 9- 0 2005- 1- 11- 0 2005- 1- 13- 0 2005- 1- 15- 0 2005- 1- 17- 0 2005- 1- 19- 0 2005- 1- 21- 0 2005- 1- 23- 0 2005- 1- 25- 0 2005- 1- 27- 0 2005- 1- 29- 0

Thời gian

Hình 3.1: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Dáu (từ ngày 05 tháng 1
năm 2005 đến ngày 29 tháng 1 năm 2005)
So sánh m ục nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Ngư
3.500
3.000

Mực nước (m)

2.500
2.000
1.500
1.000
0.500
0.000
2005- 1- 5- 0

2005- 1- 7- 0

2005- 1- 9- 0 2005- 1- 11- 0 2005- 1- 13- 0 2005- 1- 15- 0 2005- 1- 17- 0 2005- 1- 19- 0 2005- 1- 21- 0 2005- 1- 23- 0 2005- 1- 25- 0 2005- 1- 27- 0 2005- 1- 29- 0

Thời gian

Hình 3.2: So sánh mực nước thực đo và tính toán tại trạm Hòn Ngư (từ ngày 05 tháng 1

năm 2005 đến ngày 29 tháng 1 năm 2005)

Căn cứ vào các kết quả đạt đƣợc tại hai trạm Hòn Dáu và Hòn Ngƣ, thấy
rằng biến trình của mực nƣớc thực đo và biến trình của mực nƣớc tính toán từ mô

24


hình là rất trùng nhau về pha, độ lớn không có sự biến đổi đáng kể. Nhƣ vậy có thể
sử dụng mô hình MIKE 21 FM để tính toán các đ c trƣng về mực nƣớc.

3.1.2. Áp dụng tính toán
Các kịch bản tính toán
Để phân tích, đánh giá ảnh hƣởng của điều kiện của trƣờng gió đến chế độ
dao động mực nƣớc phi tuần hoàn tại bờ tây Vịnh Bắc bộ, đã tiến hành tính toán
theo các kịch bản sau:
Tính toán mực nước triều tại khu vực nghiên cứu bằng mô hình Mike 21FM
(trường hợp 1).
Tính toán mực nước tổng cộng (mực nước triều và nước dâng rút do điều
kiện khí tượng) khu vực nghiên cứu bằng mô hình Mike 21FM (trường hợp 2).
Tính toán mực dâng rút do điều kiện khí tượng bằng hiệu của mực nước
(trường hợp 2) – mực nước (trường hợp 1).
Điều kiện khí tượng dược tính theo 6 hướng chính gây ra mực nước dâng –
rút. Các hướng có thể gây ra mực nước dâng: E, NE, SE cho các tốc độ gió khác
nhau từ 5-25 mét.
Các hướng có thể gây ra mực nước rút: SW,W, NW cho các tốc độ gió khác
nhau từ 5-25 mét.

25