Đánh giá năng suất sinh học sơ cấp vùng biển Nam Trung Bộ bằng mô hình ROMS

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Đ N

G
N

N NG

ẤT

TR NG

T

u

N

Ọ

NG

Ấ
N

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2014

NG
R

ỂN


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Đ N

G
N

N NG

ẤT

TR NG

Chuyên ngành: H i

T

u

N

Ọ

NG

Ấ
N

NG

ỂN

R

ng họ

Mã số: 60 44 02 28

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS ĐO N VĂN Ộ

Hà Nội – Năm 2014

1


LỜI CẢ

N

Tr ớc hết, em xin gửi lời c m n hân thành nhất đến PGS TS Đoàn Văn
ộ ng ời đã tận tình h ớng dẫn em trong suốt thời gian em thực hiện luận văn.
Ngoài những kiến thức quý báu mà thầy chỉ dạy, em còn nhận đ ợc sự giúp đỡ của
thầy về số liệu và ng t nh to n.
Em xin gửi lời c m n hân thành đến PGS TS Nguyễn Minh Huấn ng ời
đã ung ấp cho em số liệu và những kiến thức bổ h. Em ũng xin gửi lời c m n
tới ThS. Nguyễn Đắ Đa ng ời đã hỗ trợ em nhiều mặt trong thời gian qua.
Cuối cùng, em xin gửi lời c m n tới các thầy
gi o trong khoa Kh t ợng
– Thủy văn – H i
ng họ và
họ vi n ao họ H i
ng họ kh a
–
3 đã tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.

2


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 7
Ư NG 1
TỔNG QUAN VỀ

Ự NG

N ỨU .................................................... 10

1.1.Giới thiệu về khu vực biển Nam Trung Bộ ................................................ 10

1.1.1. Vị trí địa lý và địa hình ...................................................................... 10
1.1.2. Điều kiện khí tượng hải văn ............................................................... 11
1.1.3. Yếu tố lý – hóa – sinh học .................................................................. 13
. . Một số ng trình nghi n ứu về qu trình s n xuất và năng suất sinh họ
s ấp khu vự iển Nam Trung ộ ................................................................. 14
Ư NG 2
GIỚI THIỆU MƠ HÌNH ROMS VÀ MƠ Đ N

N

T

N ZD................. 16

2.1. Giới thiệu mơ hình ROMS ......................................................................... 16
2.1.1. ệ phư n tr nh ch đ o ................................................................... 16
2.1.2. Khép kín rối ....................................................................................... 18
2.1.3. Động lực lớp biên đáy ........................................................................ 19
. . M đun sinh th i NPZD trong ROMS ....................................................... 19
Ư NG 3
ỨNG DỤNG MƠ HÌNH ROMS VÀ M Đ N N T
NPZD TÍNH
T N N NG
ẤT SINH HỌ
ẤP VÙNG BIỂN NAM TRUNG B .. 23
3.1. Triển khai mơ hình tại vùng biển Nam Trung Bộ ..................................... 23
3.1.1. hiết l p điều kiện biên và điều kiện ban đ u cho m h nh ............... 23
3.1.2. Thiết l p các thơng số cho mơ hình và ch y mơ hình ........................ 27
3.1.3. Sự ổn định c a mơ hình...................................................................... 29
3.2. Kết qu và nhận xét ................................................................................... 30

3.2.1. rư n d n chảy .............................................................................. 30
3.2.2. rư n nhiệt - muối ........................................................................... 34
3.2.3. rư n các yếu tố sinh thái ............................................................... 39
T

N .............................................................................................................. 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 58

3


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Vị tr địa lý khu vực biển Nam Trung Bộ ............................................. 10
Hình 1.2. Phân bố bức xạ quang hợp trên mặt biển (cal/cm2.phút
N t liền - m a h ; N t đứt – m a đ ng ................................................... 11
Hình 1.3. Dịng ch y tầng mặt và vùng hoạt động n ớc trồi mùa hè .................... 13
Hình 1.4. Phân bố nhiệt độ n ớc tầng mặt (0C)
N t liền - m a h ; N t đứt – m a đ ng ................................................... 14
Hình . . S đồ theo ph ng ngang ủa l ới Arakawa-C tr i ............................. 18
L ới ROMS theo ph ng thẳng đứng ph i .......................................... 18
Hình . . S đồ NPZD – T ng t giữa muối inh ỡng Ni trát (N), thực vật nổi
P động vật nổi (Z) và chất vẩn (D) ...................................................... 20
Hình 3. . Địa hình khu vự t nh to n quan tâm và vị tr
mặt ắt nghi n ứu . 24
Hình 3. . Tr ờng ứng suất gió trên mặt biển .......................................................... 24
Hình 3.5. Tr ờng th ng l ợng n ớc ngọt trao đổi qua mặt biển (E-P) .................. 25
Hình 3.6. Tr ờng bức xạ sóng ngắn từ mặt trời ...................................................... 25
Hình 3.7. Tr ờng thông l ợng nhiệt tịnh bề mặt biển ............................................ 25
Hình 3.8. Độ nhạy th ng l ợng nhiệt tịnh bề mặt đối với nhiệt độ bề mặt biển .... 25

Hình 3.9. Điều kiện an đầu về nhiệt độ ................................................................. 26
Hình 3. . Điều kiện an đầu về độ muối ................................................................ 26
Hình 3.



. Điều kiện an đầu về NO 3 ..................................................................... 26

Hình 3. . Điều kiện an đầu về chlorophyll-a ........................................................ 26
Hình 3. 3. Điều kiện an đầu về thực vật nổi ........................................................... 27
Hình 3. . iến trình hệ số t ng quan nhiệt độ trung ình tầng mặt th ng giữa
năm t nh ............................................................................................. 30
Hình 3. 5. Tr ờng dịng ch y trung bình lớp n ớc mặt tháng 1 .............................. 32
Hình 3. 6. Tr ờng dịng ch y trung bình lớp n ớc mặt tháng 7 .............................. 32
Hình 3. 7. Vận tố
ng h y theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng ......... 33
Hình 3. 8. Vận tố
ng h y theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 ......... 33
Hình 3. 9. Vận tố
ng h y theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng ......... 33
Hình 3. . Vận tố
ng h y theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 ......... 33
Hình 3.21. Nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 1 ............................................... 35
Hình 3.22. Nhiệt độ trung bình lớp mặt biển tháng 7 ............................................... 35
Hình 3. 3. Nhiệt độ n ớ iển trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 36
Hình 3. . Nhiệt độ n ớ iển trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 36

4

Hình 3. 5. Nhiệt độ n ớ iển trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng .................................................................................................... 36
Hình 3.26. Nhiệt độ n ớ iển trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 .................................................................................................... 36
Hình 3. 7. Tr ờng độ muối trung bình lớp mặt biển tháng 1 ................................... 38
Hình 3. 8. Tr ờng độ muối trung bình lớp mặt biển tháng 7 ................................... 38
Hình 3. 9. Độ muối trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng ....... 39
Hình 3.3 . Độ muối trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 ....... 39
Hình 3.3 . Độ muối trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng ....... 39
Hình 3.3 . Độ muối trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 ....... 39
Hình 3.33. Nồng độ Chlorophyll-a trung bình lớp mặt biển tháng 1 ........................ 41
Hình 3.34. Nồng độ Chlorophyll-a trung bình lớp mặt biển tháng 7 ........................ 41
Hình 3.35. Nồng độ Chlorophyll-a trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 42
Hình 3.36. Nồng độ Chlorophyll-a trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 42
Hình 3.37. Nồng độ Chlorophyll-a trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt 2
th ng ..................................................................................................... 42
Hình 3.38. Nồng độ Chlorophyll-a trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 42
Hình 3.39. Nồng độ ni tr t trung ình lớp mặt biển tháng 1 ..................................... 44
Hình 3.40. Nồng độ ni tr t trung ình lớp mặt biển tháng 7 ..................................... 44
Hình 3.41. Nồng độ ni tr t trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng .. 45
Hình 3. . Nồng độ ni tr t trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 .. 45
Hình 3. 3. Nồng độ ni tr t trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng .. 45
Hình 3. . Nồng độ ni tr t trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt th ng 7 .. 45
Hình 3.45. Sinh khối thực vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 1 .......................... 47
Hình 3.46. Sinh khối thực vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 7 .......................... 47

Hình 3.47. Sinh khối thực vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 48
Hình 3.48. Sinh khối thực vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 48
Hình 3.49. Sinh khối thực vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 48
Hình 3.50. Sinh khối thực vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 48
Hình 3.51. Sinh khối động vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 1 ......................... 50
Hình 3.52. Sinh khối động vật nổi trung bình lớp mặt biển tháng 7 ......................... 50

5


Hình 3.53. Sinh khối động vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 51
Hình 3.54. Sinh khối động vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 51
Hình 3.55. Sinh khối động vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 51
Hình 3.56. Sinh khối động vật nổi trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 51
Hình 3.57. Nồng độ chất vẩn trung bình lớp mặt biển tháng 1 ................................. 53
Hình 3.58. Nồng độ chất vẩn trung bình lớp mặt biển tháng 7 ................................. 53
Hình 3.59. Nồng độ chất vẩn trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng .................................................................................................... 54
Hình 3.60. Nồng độ chất vẩn trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 54
Hình 3.61. Nồng độ chất vẩn trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng ..................................................................................................... 54

Hình 3.62. Nồng độ chất vẩn trung ình theo ph ng thẳng đứng tại mặt ắt
th ng 7 ..................................................................................................... 54
Hình 3.63. Phân bố sinh khối thực vật nổi trong lớp n ớc mặt tháng 1 (bên trái),
tháng 7 (bên ph i): a, b – theo [4], c, d – kết qu của luận văn. ............ 55
Hình 3.64. Phân bố sinh khối động vật nổi trong lớp n ớc mặt tháng 1 (bên trái)
tháng 7 (bên ph i): a, b – theo [4], c, d – kết qu của luận văn ............. 56

6


MỞ ĐẦU
hai h ớng nghiên cứu chính: thống kê

Trong nghiên cứu hệ sinh thái biển

trên số liệu thự đo và m hình h a. Hai h ớng nghiên cứu này đều đã đ ợc quan
tâm và áp d ng tại Việt Nam trong đ ph

ng ph p m hình h a

xu h ớng đ ợc

u ti n sử d ng hiện nay do tính hiệu qu và kinh tế.
M hình h a hệ sinh th i iển là việ m ph ng
họ

qu trình sinh h a l

iễn ra rất phứ tạp trong hệ sinh th i một v ng iển

to n họ

để

ng

ph

ng trình

đ ợ những ự đo n về trạng th i ủa hệ sinh th i iển trong một

kho ng thời gian hoặ tại một thời điểm.
số gần với điều kiện thự ph
ph ng to n họ
th ng tin nhanh

ng ph p m hình h a hệ sinh th i iển ho ph p m

qu trình tự nhi n một
ng

ph

ng việ đ a vào m hình những th ng
h hi tiết kết hợp với việ xử l

ng tiện t nh to n hiện đại

m hình

thể ho

những kết qu tổng qu t và nhanh h ng. Tuy nhi n m hình h a hệ sinh th i iển
kh ng ph i là ph

ng ph p tuyệt đối o ị hạn hế về số l ợng ph

ph p t nh mặt kh

qu trình trong tự nhi n rất phứ tạp

kh ng thể thâu t m hết đ ợ
nghi n ứu ph t hiện

nh ng quan trọng nhất

quy luật

n phổ iến mà

ng trình và số
ph

ng trình

m hình ho ph p ng ời
ph

ng ph p kh

nhiều

khi kh ng đạt đ ợ [ .
C

nghi n ứu trong l nh vự m hình h a hệ sinh th i iển hiện đang đ ợ

triển khai theo a h ớng [ :
H ớng thứ nhất: M hình h a từng qu trình sinh-h a ri ng iệt trong
khâu huyển h a vật hất năng l ợng qua
thự nghiệm và

ậ

inh

ỡng kh

nhau tr n

sở

quan trắ trong tự nhi n.

H ớng thứ hai: M hình h a tổ hợp một số qu trình sinh-h a trong một giai
đoạn huyển h a vật hất hoặ trong một hu trình kh p k n nh m thiết lập ài to n
động lự họ sự huyển h a vật hất trong giai đoạn hoặ

7

hu trình này.


H ớng thứ a: Kết hợp
lập m hình tổng hợp
động họ h i

m hình vật l và m hình sinh th i nh m thiết

thể đ nh gi đ ợ

ng tới

nh h ởng ủa một số qu trình nhiệt

đặ tr ng ấu trú kh ng gian ủa

hợp phần trong

hệ sinh th i iển.
Luận văn này tiếp ận h ớng nghi n ứu thứ 3 trong t nh to n

yếu tố

sinh thái quan trọng cho khu vực biển Nam Trung Bộ, bao gồm nồng độ ni tr t


NO 3 , sinh khối của thực vật nổi phytoplankton động vật nổi (zooplankton), nồng
độ chất vẩn (detritus), với t n đề tài: “Đ nh gi năng suất sinh họ s

ấp vùng biển

Nam Trung Bộ b ng m hình ROMS”. M c tiêu của luận văn là khai th
phần mềm tính tốn thủy động lực và sinh thái của hệ thống m hình đại

đ ợc
ng quy

mô vùng (ROMS) và áp d ng tại vùng biển nghiên cứu. Nội dung chính của luận
văn là tìm hiểu về

sở lý thuyết

ớc tiến hành chạy mơ hình, triển khai cho

vùng biển Nam Trung Bộ và phân tích kết qu thu đ ợc từ ROMS.
Hệ thống m hình đại

ng quy m v ng ROMS là s n phẩm nghiên cứu

của Đại họ California Đại học Rutgers (Hoa Kỳ) và tổ chức IRD (Pháp), là một
mơ hình hiện đại có nhiều ứng d ng cho nghiên cứu về một khu vực biển. Luận văn
tập trung khai thác ứng d ng mô ph ng tr ờng thủy động lự

tr ờng nhiệt – muối

và tr ờng các yếu tố sinh thái của khu vực biển Nam Trung Bộ. Trên kết qu của
việc ứng d ng ROMS, luận văn đã đ a ra đ ợc bức tranh thủy động lự

tr ờng

nhiệt muối và phân bố của các yếu tố sinh thái trên các tầng sâu của khu vực biển
Nam Trung Bộ.
Bố c c luận văn gồm a h
ương 1. Tổng quan về
về vị tr địa l
họ

ng h nh nh sau:
uv

ng

n ứu: Đem đến cái nhìn tổng quát

điều kiện kh t ợng h i văn một số nghi n ứu về năng suất sinh

ủa khu vực Nam Trung Bộ
ương 2. G ới thiệu mô ìn R

ROMS: Giới thiệu về

sở lý thuyết ph

và mô đun

ệ sinh thái trong

ng ph p t nh ủa mơ hình ROMS và mô

đun sinh th i trong ROMS.

8


ương 3. Ứng dụng mơ ìn
R

R

và mơ đun hệ sinh thái trong

tín tốn năng suất sinh họ sơ ấp vùng biển Nam Trung Bộ: Giới

thiệu
đặ tr ng

ớ triển khai m hình những kết qu
n phổ iến ủa

hủ yếu và những nhận định về

yếu tố sinh th i v ng iển nghi n ứu.

9


Ư NG 1
Ự NG

TỔNG QUAN VỀ

N ỨU

1.1.Giới thiệu về khu v c biển Nam Trung Bộ
1.1.1. Vị trí địa lý và địa hình
Khu vực biển Nam Trung Bộ n m ở phía tây của Biển Đ ng thuộc khu vực
biển Nam Việt Nam, diện tích kho ng 197522 km2, có vị tr địa l nh sau:
Kinh độ: từ bờ biển Việt Nam đến 1110 5’ E
V độ: từ 90 5’ N đến 140 5’ N
1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140
220

Khu vực
biển Nam
Trung Bộ

200

180

160

140

120

100

Hình 1.1. Vị tr địa lý khu vực biển Nam Trung Bộ

Khu vực biển Nam Trung Bộ
kho ng từ m đến tr n 3

địa hình đ y kh dốc, độ sâu biến đổi trong

m xem th m hình 3.

10

h

ng 3 .


1.1.2. Điều kiện khí tượng hải văn
* Bức x quang hợp

Vùng biển Nam Trung Bộ thuộc miền nội chí tuyến bắ mỗi năm
mặt trời đi qua thi n đỉnh vào th ng

hai lần

và th ng 8 n n th ờng xuyên nhận đ ợc

nguồn năng l ợng bức xạ tự nhiên dồi ào trong đ khu vực gần bờ nhận kho ng
130-135 Kcal/cm2.năm; ngồi kh i: 5 -180 Kcal/cm2.năm hình . . Ở khu vự
này

an ngày th ờng dài, trời th ờng quang mây, nhiều th ng

l ợng mây tổng

quan kh ng v ợt quá cấp 6-7. L ợng bức xạ tự nhiên vào cỡ 50-70 cal/m2.giờ và
th ờng có giá trị cao từ th ng 3 đến tháng 8, là những tháng có nhiều giờ nắng đạt
trên 250 giờ/tháng vào các tháng 3, 4, 5 và trên 200 giờ th ng vào

th ng 7 8

[4].

Hình 1.2. Phân bố bức xạ quang hợp trên mặt biển (cal/cm2.phút
N t liền - m a h ; N t đứt – m a đ ng [4]
Khu vự này

độ trong suốt kh

ao: khu vực gần bờ 4-

m ngoài kh i 5-

m và ao h n. Do vậy, bức xạ dễ dàng xâm nhập tới các lớp n ớc sâu. Với hệ số
suy gi m bức xạ trong n ớc biển vào cỡ 0.05-0.08 là giá trị trung bình cho các vùng

11


biển nhiệt đới gần bờ, chiều dày lớp quang hợp ở khu vự

lớp n ớc có bức xạ trên

0.003 cal/cm2.phút) có thể đạt đ ợc 80-100m [4].
* Hệ thống hồn lưu và chuyển động thẳn đứng
Vùng biển Nam Trung Bộ n m trọn trong vùng nhiệt đới gió mùa, chịu nh
h ởng ủa hoàn l u kh quyển: gi m a đ ng ắc hoạt động chủ yếu từ tháng 11
đến th ng 3 năm sau mạnh nhất vào tháng 2 với tuần suất h ớng ắ
chiếm trên 85%, tần suất tố độ lớn h n 6 m s hiếm tr n 7

đ ng ắ

và gi m a tây nam

hoạt động chủ yếu từ th ng 5 đến tháng 9, mạnh nhất vào th ng 7-8 với tần suất
h ớng tây và tây nam hiếm trên 70%, tần suất tố độ lớn h n 6 m s hiếm trên
60%.
Chế độ hoàn l u n ớc tầng mặt khá thống nhất với tr ờng gió: ở khu vực
gần bờ có dịng ch y xiết dọc bờ h ớng ng ợc nhau trong hai mùa và tố độ trung
bình vào kho ng 50-70 cm/s; ở khu vực xa bờ dòng ch y phân t n h n tố độ vào

kho ng

ới

đến 5 m s hình .3 [ .

N ớc trồi là hiện t ợng đặc thù ở khu vự

iển Nam Trung Bộ, xuất hiện

trong mùa gió tây nam. Khu vự n ớc trồi hoạt động mạnh n m ở kho ng v độ từ
đến 3 độ v

ắ kinh độ từ

9 đến

độ kinh động

ờng độ cỡ 5-15.10-3

cm s độ sâu xuất phát ở tầng n ớc kho ng 75-200 m. Phạm vi hoạt động n ớc trồi
lan rộng hầu khắp vùng biển ho đến kho ng

độ kinh đ ng với

ờng độ cỡ 1-

5.10-3 cm/s. Hiện t ợng n ớc trồi đã làm iến đổi hàng loạt đặ tr ng l

h a sinh

học của vùng biển Nam Trung Bộ trong mùa hè so với những vùng xung quanh, tạo
nên một hệ sinh thái trù phú [4].

12


Hình 1.3. Dịng ch y tầng mặt và
vùng hoạt động n ớc trồi mùa hè [4]
1.1.3. Yếu tố lý – hóa – sinh học
Nhiệt độ n ớc ở tầng mặt tại vùng biển nghiên cứu thấp h n so với
vự kế cận hầu hết thời gian trong năm hình . . Vào m a đ ng
dọc bờ đã tạo nên ở đây l ỡi n ớc lạnh

nhân

khu

ng h y lạnh

ới 260C h nh đ ng

ới 250C,

trong khi nền nhiệt trung bình nam biển Đ ng thời kỳ này là 270C. Vào mùa hè,
n ớc trồi xuất hiện làm nhiệt độ n ớc tầng mặt thấp h n -20C so với vùng ngoại vi
(27-280C so với 290C . C

đ ờng đẳng nhiệt tầng mặt tạo thành vịng khép kín tại

khu vự n ớc trồi mạnh với tâm trồi

nhiệt độ

ới 27.50C, nhiều năm

Lớp đồng nhất nhiệt độ có chiều dày kho ng 50-7 m trong m a đ ng
mùa hè và nh h n

m ở v ng tâm n ớc trồi [4].

13

ới 260C.
-40m trong


Hình 1.4. Phân bố nhiệt độ n ớc tầng mặt (0C)
N t liền - m a h ; N t đứt – m a đ ng [
Do vật chất ủa khu vự đ ợc bổ sung th ờng xuyên từ cửa sơng Cửu Long,
từ các vùng biển phía bắc và từ các lớp n ớc sâu nhờ ình l u và x o trộn thẳng
đứng, nhất là hoạt động n ớc trồi mùa hè, vùng biển Nam Trung Bộ thuộc loại vực
n ớc nhiệt đới giàu inh

ỡng. Phân bố mặt rộng của các hợp chất inh

chung có sự phân hóa mạnh trong mùa hè: những khu vự

ỡng nói

hàm l ợng dinh

ỡng ao th ờng tập trung ở gần bờ, cửa sông và khu vự n ớc trồi mạnh, phù hợp
với vị trí các nguồn bổ sung. Trong m a đ ng phân ố mặt rộng các hợp chất dinh
ỡng đồng đều h n [ .
1.2.

ột s

ọ sơ ấp

ơng trìn ng
uv

ển N m Trung ộ

Cho đến nay đã
sinh họ s

n ứu về quá trìn sản uất và năng suất s n

một số nghiên cứu về qu trình s n xuất và năng suất

ấp tại vùng biển Nam Trung Bộ [1, 2, 3, 4, 7], có thể kể đến là các

cơng trình nghiên cứu của PGS. TSKH. Nguyễn Tác An (và cộng sự nh “Năng

14

suất sinh họ s

ấp và hiệu ứng sinh thái của

Trung Bộ”

997 [

ho thấy sứ s n xuất s

Trung ộ

gi trị trung ình 6 .

ng n ớc trồi ở v ng biển Nam
ấp ủa v ng n ớ trồi mạnh Nam

5. 7 mgC m3 ngày

7-718 mgC/m3 ngày. Sứ s n xuất s

ấp iến động mạnh theo thời gian và kh ng

gian. Tại v ng tâm n ớ trồi năng suất s

ấp

gi trị 6 mgC m3 ngày nh ng ra

ph a ngoại i n về ph a Tây Nam năng suất s
mgC/m3 ngày. Sứ s n xuất s

ao động trong kho ng

ấp

thể tăng đến

-300

ấp th ờng đạt gi trị ự đại ở độ sâu 5- 5 m. Tiếp

theo nghi n ứu “Điều tra nghi n ứu

đặ điểm sinh th i nguồn lợi và định

h ớng quy hoạ h tổng thể ph t triển ngành kinh tế h i s n ở v ng iển ven ờ
Kh nh H a”

998 [

năng suất sinh họ s
n v ng thềm l

ho thấy v ng iển ven ờ khu vự Nam Trung ộ
ấp rất ao

ao động trong kho ng

địa độ sâu đến

ình là 5 -60 mgC/m3.ngày

l

ấp

gi trị trung

– 100 mgC/m3.ngày. Gi trị

iện t h mặt ắt

m2 th ờng ao động trong

-1500 mgC/m2.ngày. Năng suất sinh họ s

ấp trung ình v ng thềm

năng suất t h phân trong ột n ớ
kho ng 8

– 1500 mgC/m3.ngày

m năng suất sinh họ s

ao động trong kho ng

gi trị

6 mgC m3.ngày

n gi trị năng suất t h phân

Cơng trình nghiên cứu về năng suất sinh họ s

ấp của PGS. TS. Đoàn Văn

địa Kh nh H a

gi trị 5.6

6 mgC m2.ngày [7 .

là 776

Bộ trong luận n Ph tiến s “M hình h a sự phân bố sinh vật nổi và năng suất sinh
họ s

ấp vùng biển Nam Trung Bộ”

99

ho thấy hàm l ợng phốt pho v

tại

khu vự tâm n ớ trồi đạt tr n 8 mgP m3 tạo n n v ng iển giàu s n phẩm trong
thời kỳ m a h năng suất s

trở vào đạt
tầng n ớ
phẩm s

ấp đạt ỡ 5

mgC m2.ngày khu vự từ

mgC m2.ngày và ri ng v ng tâm trồi đạt ỡ 3
- 5 m là tầng

sứ s n suất s

ấp ủa lớp quang hợp [ .

15

mn ớ

mgC m2.ngày

ấp ự đại hiếm tr n 7

tổng s n


CHƯ NG 2
N

GIỚI THIỆ

R

À

Đ N

N

T

N ZD

2.1. Giới thiệu mơ hình ROMS
Hệ thống m hình đại

ng quy m v ng ROMS là một thành viên trong

lớp mơ hình số trị có hệ tọa độ thích ứng địa hình, mặt thống, ba chiều. Hệ thống
m hình này đ ợc nghiên cứu và phát triển ở Đại họ California Đại học Rutgers
đ h t nh to n hoàn l u hệ sinh thái và

(Hoa Kỳ) và tổ chức IRD (Pháp) với m

các chu trình sinh-địa-hóa học trong các khu vực biển ven kh

nhau. ROMS đ ợc

duy trì và áp d ng bởi một cộng đồng ng ời sử d ng, hiện tại con số đã tới hàng
trăm họ đã

nhiều

i tiến về thuật to n sinh-địa-h a họ động lự họ

ra một hệ thống m hình iển thự

để tạo

đa mự đ h nhiều quy m kh ng gian thời

gian và gi i quyết nhiều vấn đề sinh th i-m i tr ờng. Nghiên cứu này sử d ng kết
qu nghiên cứu từ phiên b n ROMS của tổ chức IRD - ROMS_AGRIF đ ợc hỗ trợ
bởi bộ cơng c ROMSTOOLS ho

qu trình tr ớc và sau chạy mơ hình ROMS

[9].
2.1.1.
C
ph

ph

ệ phư n tr nh ch đ o
ng trình trong m hình ROMS đ ợc viết trong tọa độ Đề các theo

ng ngang và tọa độ Sigma theo ph

ng thẳng đứng trong đ độ sâu phi thứ

nguy n đ ợc tính theo cơng thức:


z 
h 

(1)

ng thẳng đứng trong hệ tọa độ Đề

,   mực mặt

thoáng, h – độ sâu đ y iển. Với cách chuyển đổi này thì - ≤  ≤

trong đ  = 0

trong đ z là tọa độ theo ph
t

ng ứng với mặt thoáng z= ζ,  =−1 t
ROMS gi i hệ ph

ng ứng với đ y iển z = −h.

ng trình Navier – Stokes trung bình Reynolds sử d ng

xấp xỉ Boussinesq và xấp xỉ thủy t nh. Hệ ph

16

ng trình thủy động lực chủ đạo –


trong dạng th ng l ợng, hệ tọa độ ngang Đề

và sigma theo độ sâu đ ợ viết

nh sau:
  H Z u    uH Z u    vH Z u    H Z u 
H p
 
 u



 fH Z v   Z
 HZ g

(u ' w ' 
)
(2)
t
x
y

0 x
x 
H Z 
  HZ v

t

0

  uH Z v 



x



  vH Z v 
y



  H Z v 


 fH Z u  

H Z p


 v
 HZ g

(v ' w ' 
)

0 y
y 
H Z  (3)

1 p g
 H 
0  0 z

với ph

(4)

ng trình li n t c:
  H Z u    H Z v    H Z 




0
t
x
y


và ph

(5)

ng trình vận chuyển v h ớng:

  HZC 
t



  uH Z C 
x



  vH Z C 
y

  H Z C 








 C
(C ' w ' 
)  Csource

H Z 

ở đây u, v và Ω là những thành phần vận tốc dòng ch y theo ph
và theo ph

ng thẳng đứng (theo hệ tọa độ sigma,  t

(6)

ng ngang x và y)

ng ứng; ζ là độ ao n ớc

dâng mặt thống trung bình; Hz là hệ số tỉ lệ theo chiều thẳng đứng và f là tham số
Coriolis. Gạch ngang ở trên thể hiện trung bình thời gian và một dấu nh y ’ thể
hiện nhiễu động rối. Áp suất là p; ρ và ρ0 là mật độ tổng cộng và mật độ chuẩn; g là
gia tốc trọng tr ờng; υ là hệ số nhớt phân tử. C là một yếu tố vật l hoặ yếu tố m i
tr ờng nào đấy v

nhiệt độ độ muối hàm l ợng trầm t h l lửng, chất vẩn,

thực vật nổi động vật nổi ni t v

h a tan

; Csource là những các thành phần

nguồn sinh/mất của các yếu tố C. Cuối cùng, một hàm:
  f (T , S , p)

với T – nhiệt độ, S – độ muối, p- áp suất là ph
Hệ ph

(7)

ng trình trạng th i n ớc biển.

ng trình này đ ợc khép kín bởi việc tham số hóa ứng suất Reynolds

và th ng l ợng rối của các yếu tố vật l nh sau:

17


u ' w '  KM

v
u

(8); v ' w '   K M
(9); C ' w '   K H
(10)
z
z
z

trong đ KM là hệ số nhớt xo y đối với động l ợng và KH là hệ số khuếch tán xoáy
đối với yếu tố vật lý [9].
Rời rạc hóa mơ hình tiến hành theo ph
và theo ph

ng thẳng đứng là l ới sigma ph

ng ngang theo l ới tính Arakawa-C
ng ph p sai phân trung tâm đ ợc sử

d ng [10].

Hình 2.1. S đồ theo ph ng ngang ủa l ới Arakawa-C tr i
L ới ROMS theo ph ng thẳng đứng ph i [9]
2.1.2. Khép kín rối
Trong những ứng d ng quy m v ng đặ tr ng hệ ph
ROMS th ờng đ ợc gi i bởi một l ới tính mà kho ng cách giữa

ng trình trong
nút l ới là quá

lớn để gi i quyết một cách thích hợp những q trình rối quy mơ nh ở mức tiêu
tán. Bởi vậy, những qu trình quy m

ới l ới đối với xáo trộn theo ph

ng thẳng

đứng của động l ợng (hệ số nhớt rối KM) và khối l ợng (hệ số khuếch tán rối KH)
ph i đ ợc tham số hóa sử d ng một mơ hình khép kín rối. ROMS cung cấp năm
ph

ng ph p để khép kín rối: (i) dùng những biểu thức gi i t h đ ợ x

định bởi

ng ời sử d ng cho KH và KM; (ii) tần số xáo trộn Brunt – Vaisala trong đ mứ độ
xáo trộn đ ợ x

định dựa trên tần số ổn định, (iii) sự tham số hóa K-profile, (iv)
18


Mellor – Yamada cấp 2.5, và (v) những ph
Nghiên cứu này sử d ng ph

ng ph p quy m

ài tổng quát [9].

ng ph p đầu tiên.

2.1.3. Động lực lớp biên đáy
ROMS thực hiện hai mơ hình chi tiết để thể hiện những quá trình lớp i n
đ y: i

ho tr ớ hệ số ma sát, và (ii) những ph

diễn sự t

ng t

ng trình phức tạp h n để biểu

ủa sóng và dòng ch y lên trầm t h đ y

t nh ịch chuyển [9].

Nghiên cứu này sử d ng loại mơ hình thứ nhất.

2.2.

ơ đun s n t á N ZD trong R

S n l ợng sinh vật là l ợng hất hữu

đ ợ hình thành ởi quần thể sinh vật

trong một kho ng thời gian. Một phần ủa s n l ợng đ ợ gọi là sinh khối tứ là
l ợng hất hữu

ủa

kho ng thời gian mà
ph n nh

thể tại thời điểm nghi n ứu kh ng ph thuộ vào
thể tồn tại. S n l ợng sinh vật t nh tr n đ n vị thời gian

ờng độ s n xuất hất hữu

sinh vật tự

ỡng

với sinh vật ị

hủ yếu là thự vật đ ợ gọi là năng suất sinh họ s

ỡng

ấp đối

hủ yếu là động vật đ ợ gọi là năng suất sinh họ thứ ấp.

Chlorophyll-a là một thành phần
vậy

đ ợ gọi là năng suất sinh họ [8] đối với

n trong ấu trú tế ào thự vật nổi iển

o

thể ăn ứ vào hàm l ợng hlorophyll-a để đ nh gi sinh khối thự vật nổi.
ROMS đ a ra một số các mơ hình nh về sinh thái. Với m

đ h ph t triển đa

dạng sinh thái, ROMS bao gồm: một mơ hình loại NPZD, một mơ hình loại
Fasham, một mơ hình loại hai lồi phytoplankton, và một mơ hình loại đa lồi
phytoplankton [9]. Mơ hình loại NPZD có bốn biến trạng thái gồm giới hạn dinh
ỡng th ờng thấy nhất là nit v

thực vật nổi động vật nổi và chất vẩn, tất c

đều đ ợ đo theo đ n vị giới hạn inh

ỡng (c thể trong nghiên cứu này là

mmolN.m-3). Nghiên cứu này sử d ng mơ hình loại NPZD đ n gi n nhất, với m c
đ h tìm hiểu

ớ đầu về ứng d ng tính tốn hệ sinh thái trong hệ thống mơ hình

ROMS (hình 2.2).

19


Hình 2.2 cho thấy mối t
hiện

ng quan giữa 4 thành phần trong s đồ NPZD thể

qu trình huyển h a:

Qu trình quang hợp ủa thự vật nổi
Qu trình huyển h a inh

ỡng ủa động vật nổi


3 Qu trình ài tiết ủa động vật nổi tạo thành ni tr t NO 3

Qu trình ài tiết và hết ủa động vật nổi tạo thành hất vẩn


5 Qu trình kho ng h a hất vẩn thành ni tr t NO 3

6 Qu trình hết ủa thự vật nổi tạo thành hất vẩn
7 Qu trình lắng đọng ủa thự vật nổi
8 Qu trình lắng đọng ủa hất vẩn
(1) S n phẩm mới
Ni trát (NO3)
N

Thực vật nổi
P

(6) Chết

7 Lắng
đọng
5 Kho ng h a

(3) Bài tiết
ị ăn

Động vật nổi
Z

Chất vẩn
D
(4) Chết+bài tiết
8 Lắng đọng

Hình 2. . S đồ NPZD – T ng t giữa muối inh ỡng Ni trát (N),
thực vật nổi P động vật nổi (Z) và chất vẩn (D) [11]
M hình NPZD sử

ng trong luận văn đ n gi n h a tối đa

hợp phần, dẫn

đến m ph ng kh ng s t thực tế, tuy nhiên với việc tiếp cận thử nghiệm thì ph
pháp này là một

ớc khởi đầu tốt cho việc tiếp cận các mơ hình hệ sinh thái.
20

ng


C

ph

ng trình iểu diễn

qu trình n u tr n nh sau:

[ NO3 ]
 P .[ P]  DN .[ D]  ZN .[ Z ]
t

(11)

[ P]
 P .[ P]  g Z .[ Z ]  mPD .[ P]  wP .[ P]

t

(12)

[ Z ]
 g Z .[ Z ]  (1   ).g Z .[ Z ]  mZD .[ Z ]  ZN .[ Z ]
t

(13)

[ D]
 mPD .[ P]  mZD .[ Z ]  (1   ).g Z .[ Z ]  DN .[ D]  wD .[ D]
t

trong đ

(14)

 P - tố độ ph t triển ủa thự vật nổi ph thuộ vào nồng độ NO3 ,

PAR - ứ xạ quang hợp và T - nhiệt độ theo

ng thứ sau:

P  P ( PAR, T ).P ( N )
P ( N ) 

[ NO3 ]
K NO3  [ NO3 ]

P ( PAR, T ) 

VP2   2 .PAR 2

(16)

(17)

VP  a.bT

(18)

PAR  PAR0 .exp (kwater  kchla . .rC / N . phyto .[ P]).z 

(19)

g z  g max .

Các ký hiệu kh

VP . .PAR

(15)

[ P]
K P  [ P]

đ ợc gi i thích trong b ng 1.

21

(20)


B ng 1. Các tham số đối với mơ hình NPZD [11]
Biến
kwater
kchla
α
VP

a
b
rC:N,phyto
θ
KNO3
KP
gz
gmax


Ý ngh a k hiệu
Đ n vị
Hệ số suy gi m ánh sáng do n ớ iển
[m-1]
Hệ số suy gi m nh s ng do chlorophyll [(m2 mg Chla)-1]
Hệ số x định nh h ởng ủa nh s ng
[(Wm2ngày)-1]
đến quang hợp
Tố độ ph t triển ự đại ủa thự vật

[ngày-1]
nổi ph thuộ nhiệt độ
Tố độ ph t triển ự đại ủa thự vật
[ngày-1]
nổi tại 0C
Hệ số nhiệt độ ho tố độ ph t triển ự
[-]
đại ủa thự vật nổi
Tỷ số C:N ủa thực vật nổi
[mMolC(mMol N)-1]
Tỷ số giữa tế bào hlorophyll với
[mg Chla/mg C]
bon
Hệ số n ão h a ni tr t ủa thực vật
[mmolN m-3]
nổi
Hệ số n ão h a thứ ăn ủa động vật
[mmolN m-3]
nổi đối với thự vật nổi
Tố độ ăn ủa động vật nổi
[ngày-1]
Tố độ ăn ực đại của động vật nổi
[ngày-1]
Hệ số đồng hóa của động vật nổi
[-]

mPD

Tố độ hết ủa thự vật nổi

[ngày-1]

mZD

Tố độ hết ủa động vật nổi

[ngày-1]

 ZN

Tố độ ài tiết ủa động vật nổi

[ngày-1]

 DN

Tố độ kho ng h a hất vẩn thành
NO3



[ngày-1]

wP

Vận tốc chìm lắng của thực vật nổi

[mngày-1]

wD

Vận tốc chìm lắng của chất vẩn

[mngày-1]

22


Ư NG 3
ỨNG DỤNG MƠ H N
N ZD TÍN

T

R

À

N N NG

Đ N

N

ẤT SINH HỌ

T
ẤP

VÙNG BIỂN NAM TRUNG B

3.1. Triển khai mơ hình tại vùng biển Nam Trung Bộ
3.1.1. hiết l p điề kiện biên và điề kiện ban đ

cho m h nh

Cơng việc chuẩn bị cho việc chạy m hình đ ợc tiến hành nhờ bộ công c
ROOMSTOOLS đ ợc viết theo ngôn ngữ Matlab, với m

đ h xây ựng các file

đầu vào cho mơ hình. Các file số liệu sử d ng làm đầu vào và đầu ra trong mơ hình
ROMS đ ợ l u giữ theo dạng netCDF – dạng dữ liệu thơng d ng mạng (*.nc).
Miền tính sử d ng trong luận văn đ ợc mở rộng nh m hạn chế nh h ởng
của i n hình 3. :
+ V độ: từ 90N đến 190N
+ Kinh độ: từ 1050E đến

8 0E

Khu vự quan tâm hình 3. :
+ V độ: từ 90N đến 14.50N
+ Kinh độ: từ 1050E đến 1120E
C

mặt ắt nghi n ứu hình 3. :
0

+ Mặt ắt : ọ theo kinh tuyến

E điểm đầu

o

E, 14.5oN – điểm uối

111oE, 9oN.
+ Mặt ắt : theo h ớng vu ng g
đầu

90E, 110N - điểm uối
L ới t nh

0

ờ

ắt khu vự n ớ trồi m a h điểm

E, 100N.

độ phân gi i ¼ độ (kho ng 27 km đ ợc chia thành 20 tầng

sigma, với tham số bề mặt là 6. để tăng độ phân gi i theo chiều thẳng đứng cho các

23


lớp trên mặt và tham số đ y là . để kh ng tăng độ phân gi i theo chiều thẳng
đứng cho các lớp

ới đ y iển.

Địa hình của khu vực nghiên cứu đ ợc thiết lập từ nguồn số liệu ETOTO2
(số liệu địa hình tồn cầu với độ phân gi i

phút đ ờng bờ đ ợc thiết lập từ bộ số

liệu GSHHS (dữ liệu đ ờng bờ độ phân gi i cao phân cấp nhất quán toàn cầu).
Trong hộp thoại Matlab, sử d ng câu lệnh: make_grid, kết qu đ ợc trình
bày trong hình 3.1. File số liệu địa hình đ ợ thiết lập là roms_gr .n .
Nguồn số liệu

ng để thiết lập tr ờng lự t

COADS05 (số liệu tồn cầu về trung bình th ng
biển với độ phân gi i

5 độ . Tr ờng lự t

động cho mô hình là bộ số liệu
th ng l ợng kh t ợng bề mặt

động sử d ng bao gồm: nhiệt độ n ớc

mặt biển độ muối n ớc mặt biển th ng l ợng n ớc ngọt trao đổi qua mặt biển EP trong đ E là l ợng n ớ

ố h i P là l ợng n ớ gi ng thủy th ng l ợng nhiệt

tịnh bề mặt biển độ nhạy th ng l ợng nhiệt tịnh bề mặt đối với nhiệt độ bề mặt

biển, ứng suất gió trên mặt biển, bức xạ sóng ngắn từ mặt trời.

W/m2

m

Hình 3. . Địa hình khu vực tính tốn,
quan tâm và vị tr
mặt ắt nghi n ứu

24

Hình 3. . Tr ờng ứng suất gió
trên mặt biển