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

Hà Thanh Hương

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY VĂN
VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ
Chuyên ngành: Hải dương học
Mã số: 62440228

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƯƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. Đinh Văn Ưu
PGS.TS. Đinh Văn Mạnh

HÀ NỘI - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những kết
quả viết chung với các tác giả khác đã được các đồng tác giả cho phép khi đưa
vào luận án. Các kết quả của luận án là mới và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả

Hà Thanh Hương


LỜI CẢM ƠN

Modular Ocean Data Assimilation System

LOWESS: Locally Weighted Scatter plot Smooth
T/P:

TOPEX/ POSEIDON

3D:

3 chiều

CTD :

Conductivity Temperature Depth profiler

STD:

Salinity Temperature Depth profiler

SST:

Sea Surface Temperature

SSS:

Sea Surface Salinity

DOM:

Dissolved Organic Matter

LIỆU

VÀ

MÔ

HÌNH

THỦY ĐỘNG LỰC 3 CHIỀU GHER .............................................................. 31
2.1. Modul phân tích số liệu ..................................................................................31
2.1.1. Cơ sở dữ liệu nhiệt độ, độ muối ..............................................................31
2.1.2. Phương pháp phân tích số liệu ................................................................37
2.1.3. Phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS)
xây dựng cấu trúc nhiệt độ, độ muối..........................................................................43
2.2. Mô hình thủy động lực 3 chiều GHER ...........................................................61
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mô hình ...................................................................61
2.2.2. Phương pháp thể tích hữu hạn.................................................................68
2.2.3. Cài đặt mô hình .......................................................................................74
Chương 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH 3D NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG
CÁC TRƯỜNG NHIỆT - MUỐI VÀ HOÀN LƯU VỊNH BẮC BỘ ................ 79
3.1. Một số đặc điểm cơ bản điều kiện tự nhiên Vịnh Bắc Bộ ..............................79
3.1.1. Điều kiện địa hình khu vực Vịnh Bắc Bộ ...............................................79
3.1.2. Các điều kiện khí tượng khu vực Vịnh Bắc Bộ ......................................80
3.2. Các trường ban đầu, điều kiện biên, các tác động và các tham số của
mô hình thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ..............................................................80
3.2.1. Các trường ban đầu thiết lập cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ........................80
3.2.2. Các điều kiện biên và các tác động. ........................................................88

1


Bảng 3.4. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng tầng mặt
tại 4 điểm. ........................................................................................................ 106
Bảng 3.5. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng
tầng 30m.......................................................................................................... 108
Bảng 3.6. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình tháng
tầng 50m.......................................................................................................... 109
Bảng 3.7. Kết quả tính toán vận tốc và hướng dòng chảy trung bình các tháng
theo độ sâu ....................................................................................................... 110

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Phân bố dòng chảy và độ muối bề mặt Biển Đông.
Mũi tên chỉ hướng dòng chảy ( a)- tháng tám, b)- tháng hai) ......................... 16
Hình 1.2. Độ cao động lực (0/1200 db, dyn·m) và trường dòng địa chuyển
bề mặt ở Biển Đông. Các xoáy Aw, Bw, Bs và Cs ( (a) mùa đông và
(b) mùa hè theo Xu và nnk (1982) [68]) .......................................................... 16
Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông............................................................. 20
Hình 1.3. Hoàn lưu theo mùa khu vực Biển Đông. ......................................... 21
Hình 1.4. Theo quan niệm truyền thống hoàn lưu có xoáy nghịch vào mùa hè .... 23
Hình 1.5. Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 năm 2007 của Gao và nnk (2013) 25
Hình 1.6. Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo Yang Ding (2013) ................ 26
(a)-có gió, b)- gió và triều) .............................................................................. 26
Hình 1.7. Sơ đồ quy trình tính toán ................................................................. 30
Hình 2.1. Phân bố nhiệt độ mặt tháng 2 trung bình nhiều năm theo MODAS 33
Hình 2.2. Vị trí các điểm đo trong tháng 1 của số liệu CTD ........................... 36
Hình 2.3. Phân bố nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. ................... 39
Hình 2.4. Phân bố độ muối tháng 1 theo độ sâu tại 107oE, 20oN. ................... 39
Hình 2.5. Phân bố nhiệt độ tháng 1 tại 21±0.5oN, 107±0.5oE ......................... 40

Profile

độ

muối

tháng

7

khu

vực

Vịnh

Bắc

Bộ

(107o-108oE, 17o-18oN) với độ muối bề mặt tương ứng là 33.2%o và 33.8%o52
Hình 2.20: Kết quả so sánh giữa các phương pháp tính toán và thực đo ........ 53
Hình 2.21a: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 53
Hình 2.21b: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo.......... 56
Hình 2.21c: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 57
Hình 2.21d: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo.......... 58
Hình 2.21e: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 59
Hình 2.21f: Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo .......... 60
Hình 2.22. Sơ đồ lưới 3D Akarawa- C ............................................................ 70
Hình 2.23. Sơ đồ lùi sử dụng trong tính toán bình lưu .................................... 71

Hình 3.23: Phân bố dòng chảy mặt tháng 2 ..................................................... 99
Hình 3.24: Phân bố dòng chảy

tầng 10m tháng 1.............................. 100

Hình 3.25: Phân bố dòng chảy

tầng 30m tháng 1............................... 100

Hình 3.26: Phân bố tốc độ dòng chảy mặt tháng 5 ........................................ 101
Hình 3.27: Phân bố dòng chảy

tầng 30m tháng 5................................ 101

Hình 3.28: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 và đường dòng trong vịnh ........ 101
Hình 3.29: Phân bố dòng chảy mặt tháng 7 theo đề tài KC09.17 ................. 101

6


Hình 3.30: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 ................................................... 102
Hình 3.31: Phân bố dòng chảy mặt tháng 8 theo đề tài KC09.17 ................. 102
Hình 3.32: So sánh dòng chảy mặt tháng 8 giữa tính toán và Yang Dinh. ... 103
Hình 3.33: So sánh dòng chảy mặt tháng 7 giữa tính toán và Gao. .............. 103
Hình 3.34: Phân bố dòng chảy tầng 10m tháng 7.......................................... 105
Hình 3.35: Phân bố dòng chảy tầng 30m tháng 7.......................................... 105
Hình 3.36: Phân bố dòng chảy mặt tháng 9 ................................................... 105
Hình 3.37: Phân bố dòng chảy mặt tháng 10 ................................................. 105
Hình 3.38. Vị trí các điểm trích rút kết quả ................................................... 107
Hình 3.39. Biến trình năm của vận tốc và hướng dòng chảy tầng mặt



MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Vịnh Bắc Bộ là vùng biển đặc thù có ý nghĩa khoa học, kinh tế, chính
trị đối với Việt Nam. Việc nghiên cứu Vịnh Bắc Bộ đã được triển khai sớm,
đặc biệt sau những năm đầu lập lại hòa bình ở miền Bắc với sự hợp tác của
Trung Quốc (những năm 60), Liên Xô (cho đến những năm 90). Nhiều đợt
khảo sát chuyên đề nghề cá, địa chất và điều tra tổng hợp do các nhà khoa học
Việt Nam triển khai trong thời gian gần đây đã thu nhận được các trường vật
lý thủy văn và hoàn lưu nước biển trong Vịnh Bắc Bộ. Đây là những đặc
trưng quan trọng nhất của môi trường biển, thường được chú ý nghiên cứu
nhiều nhất trong hải dương học. Chính vì lý do đó mà các dữ liệu cũng như
công trình nghiên cứu về nhiệt độ, độ muối, dòng chảy biển cũng thuộc loại
phong phú và đầy đủ nhất so với các đặc trưng môi trường biển khác. Tuy
nhiên, hiện nay chúng ta vẫn chưa có được một chuyên khảo nào công bố đầy
đủ về chế độ thủy văn và thủy động lực Vịnh Bắc Bộ, chỉ mới dừng lại ở mức
các công trình, báo cáo chuyên đề về thủy triều, phân bố nhiệt độ bề mặt, v.v…
Vịnh Bắc Bộ giới hạn từ 17o- 21o30’N, 105o40’- 110oE, diện tích
khoảng 126.250 km², có địa hình tương đối phức tạp, trên ba nghìn đảo lớn
nhỏ và có hai cửa: eo biển Quỳnh Châu rộng 35,2 km và cửa chính từ đảo
Cồn Cỏ, tỉnh Quảng Trị tới mũi Oanh Ca, Hải Nam, Trung Quốc rộng khoảng
200 km. Những đặc điểm đó góp phần tạo nên quy luật hình thành và biến
động rất phức tạp của hệ thống các trường vật lý thủy văn và hoàn lưu nước
trong vịnh, mà hiện tại vẫn chưa được mô tả một cách đầy đủ.
Khí hậu Vịnh Bắc Bộ có mùa đông lạnh trên nền chung của khí hậu
nóng ẩm do tác động của chế độ gió mùa. Sự phân hóa không gian của trường
gió đã góp phần làm cho chế độ thủy văn và hoàn lưu khu vực vịnh biến đổi

9



3. Nội dung nghiên cứu:
Nghiên cứu và hoàn thiện kỹ thuật phân tích số liệu vật lý hải dương
Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định đặc trưng chế độ các trường nhiệt độ, độ muối,
dòng chảy quy mô mùa.
Phát triển và hoàn thiện mô hình thủy động lực 3D thủy nhiệt động lực
đáp ứng yêu cầu mô phỏng các đặc trưng chế độ các trường thủy văn có tính
đến vai trò của các tác động quy mô vừa như triều, sóng, lưu lượng sông, v.v…
Phát triển và ứng dụng quy trình kết hợp kỹ thuật phân tích và mô
phỏng các đặc trưng chế độ thủy văn và dòng chảy Vịnh Bắc Bộ, góp phần
làm rõ hơn những cấu trúc của các trường này và hoàn thiện đầu vào cho hệ
thống mô hình dự báo hải dương học nghiệp vụ.
4. Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp phân tích số liệu: trong phân tích chi tiết cấu trúc 3D
nhiệt độ, độ muối theo số liệu lịch sử và cập nhật, đã hoàn thiện kỹ thuật mới
xây dựng mặt cong biến thiên của nhiệt độ, độ muối theo phương pháp bình
phương tối thiểu có trọng số địa phương (LOWESS). Kết quả ứng dụng quy
trình tính toán cho phép đưa ra các đặc trưng cấu trúc nhiệt độ và độ muối.
Phương pháp mô hình: mô hình 3D thủy nhiệt động lực GHER quy mô
vừa cho phép giải bài toán tiến triển về nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu, có tính
đến các hiệu ứng của các quy mô dưới lưới thông qua các thông lượng bề mặt
như ứng suất gió, ứng suất triều, v.v...
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng quy trình phân tích và tính toán
xác định cấu trúc 3 chiều (3D) nhiệt độ, độ muối và hoàn lưu Vịnh Bắc Bộ.
Quy trình tính toán này có thể được tiếp tục phát triển và áp dụng trong
nghiên cứu triển khai hệ thống giám sát và dự báo biển quy mô khu vực.
11


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU
VỀ CÁC TRƯỜNG THỦY VĂN VÀ HOÀN LƯU KHU VỰC
VỊNH BẮC BỘ VÀ BIỂN ĐÔNG
Biển Đông là một vùng biển nửa khép kín ở Tây Thái Bình Dương có
độ sâu lớn nhất hơn 5000m, trải rộng trên diện tích khoảng 3,5 triệu km2 từ
3oS đến 25oN và từ 99oE đến 121oE, nối liền với Thái Bình Dương qua eo
biển Luzon, Sulu và eo Đài Loan. Biển Đông là một khu vực chịu ảnh hưởng
của khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, ảnh hưởng mạnh nhất bởi trường gió
Đông Bắc hằng năm với vận tốc trung bình lên đến 9 m/s trong mùa đông,
trường gió mùa Tây Nam trên phần lớn Biển Đông yếu hơn với vận tốc trung
bình khoảng 6 m/s và có phần nghiêng về hướng Nam ở phía Bắc Biển Đông
về mùa hè. Chính sự biến đổi hoàn lưu khí quyển theo mùa trong đó mùa hạ
và mùa thu là mùa bão, mùa đông và mùa xuân là thời kỳ gió mùa Đông Bắc
dẫn đến các đặc trưng vật lý, động lực Biển Đông cũng có sự biến động rất
lớn theo không gian và thời gian. Tính chất phức tạp này gây nhiều khó khăn
trong tính toán, dự báo hoàn lưu biển phục vụ các bài toán khí tượng hải văn,
lan truyền ô nhiễm, kiểm soát môi trường, v.v...
1.1 Các nghiên cứu về các trường thủy văn và hoàn lưu khu vực Biển Đông
Đã có rất nhiều nghiên cứu về cấu trúc hoàn lưu của Biển Đông và các
vùng biển lân cận được công bố, các nghiên cứu này chủ yếu dựa trên:
- Dữ liệu chế độ thủy văn và một số quan trắc thủy văn cụ thể;
- Các đo đạc, quan sát bằng vệ tinh về mực nước, sóng, dòng chảy ;
- Các mô hình số.
Cùng với sự gia tăng của các hoạt động hàng hải và quân sự trên khu
vực Biển Đông đặc biệt trong thời kỳ chiến tranh thế giới lần thứ II, các quan
trắc hoàn lưu trên toàn khu vực đã được tiến hành tương đối rộng khắp cho
13


phép mô tả một số đặc trưng cơ bản nhất của hoàn lưu liên quan tới hoạt động

quân sự và kiểm soát môi trường Biển Đông trong suốt hơn 50 năm qua.
Cơ sở để xây dựng các bản đồ này chủ yếu là các số liệu khảo sát nhiệt
độ theo độ sâu (BT, XT), nhiệt - muối - độ sâu (STD), nhiệt - độ dẫn điện - độ
sâu (CTD), vị trí tàu và phao trôi trên mặt biển được thu thập và tổng hợp cho
đến hết thập niên 50 của thế kỷ 20 [2].
Trong hơn 20 năm trở lại đây nhiều công trình nghiên cứu về các cấu
trúc thủy văn và động lực Biển Đông đã được công bố trong đó phải nói đến
trước hết là Báo cáo tổng kết đề tài 48B.01.01 thuộc chương trình biển
48B/86-90 do Võ Văn Lành làm chủ nhiệm (2001) [1]. Đề tài này có những
kết quả nghiên cứu về cấu trúc các trường nhiệt độ, độ muối, tốc độ truyền
âm, ô xi hòa tan của 4 mùa ở một số tầng sâu: tầng mặt, 10m, 50m, 100m,
200m, 500m, 1000m, 1500m. Trong đề tài này cũng đã đưa ra tập bản đồ
dòng chảy trung bình mùa hè và mùa đông ở tầng mặt, 50m và 100m nhưng
mới chỉ dừng lại ở độ phân giải 1 độ kinh vĩ. Luận án tiến sỹ của Đinh Văn
Ưu (1983) đã mô phỏng chế độ nhiệt muối Biển Đông dựa vào hàm phân bố
vạn năng. Công trình của Đinh Văn Ưu và J.M. Brankart (1997) [54] mô
phỏng biến đổi mùa của trường nhiệt độ, độ muối và khối nước trong Biển
Đông và đề tài KHCN 06-02 (2000) [5] do Đinh Văn Ưu chủ trì nghiên cứu
về cấu trúc 3 chiều thủy nhiệt động lực học Biển Đông với lưới tính 1/4 độ
kinh vĩ đã chi tiết hơn nhiều.
Những công trình về thủy triều có đề tài KT03.03/91-95 của Nguyễn
Ngọc Thụy, trong đó có các nhóm nghiên cứu của Nguyễn Thọ Sáo, Đỗ
Ngọc Quỳnh, Nguyễn Thị Việt Liên, Lê Trọng Đào, Bùi Hồng Long, Đặng
Công Minh, Trần Hồng Lam nghiên cứu về các mô hình thủy triều và năng
lượng triều ở Biển Đông [2]. Hiện nay các mô hình thủy triều đã tương đối
hoàn thiện.

15



Cũng có các nghiên cứu chỉ tập trung vào phía Bắc hoặc Nam Biển
Đông. Chẳng hạn như đầu thập niên 70, Williamson (1970) [61], Chan (1970)
[13], Watts (1971, 1973) [59, 60], và Uda và Nakao (1974) [53] cho rằng
hoàn lưu bề mặt Bắc Biển Đông chủ yếu là dòng gây bởi gió và dòng hướng
Đông Bắc là chủ yếu trong giai đoạn gió mùa Tây Nam, trong khi dòng Tây
Nam lại nổi trội trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc. Xu và nnk (1982) [68] đã
thực hiện thêm các nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc hoàn lưu Bắc Biển Đông.
Cấu trúc hoàn lưu nam biển Đông ít được nghiên cứu hơn. Fang (1997) [20]
mô tả cấu trúc không gian của hoàn lưu Nam Biển Đông trong mùa hè dựa
theo phân bố của sự khác thường về thế năng trái đất nhận được từ các dữ liệu
CTD vào tháng 9/1994 và chỉ ra rằng tồn tại một hoàn lưu xoáy nghịch gây
bởi gió quy mô lớn ở tầng trên (0-150m). Sau đó Fang thống kê có bốn dòng
chính ở tầng trên (0-400m) ở Nam Biển Đông: dòng bờ Tây Trường Sa, dòng
bờ Đông Trường Sa, dòng Bắc Trường Sa và dòng ngược gió Trường Sa.
17


Ngoài ra cũng có các công trình tập trung nghiên cứu dòng chảy vùng ven bờ
Bắc và Nam Trung Bộ Việt Nam như các công trình của Lê Đình Mầu (2017)
[4], Đinh Văn Ưu (2015) [7].
Cùng với sự phát triển của khoa học hiện đại thì các quan sát từ vệ tinh
cho phép thực hiện các nghiên cứu về cấu trúc nhiệt độ và hoàn lưu cụ thể chi
tiết hơn. Chen (1983) [15] sử dụng một số ảnh vệ tinh nhiệt độ bề mặt biển
không bị mây che phủ để nghiên cứu phân bố nhiệt độ bề mặt và dòng ngoài
khơi ở bắc Biển Đông. Các công trình của Yanagi và nnk (1997) [70], Li và
nnk (1999) [28] dùng các dữ liệu từ vệ tinh để loại bỏ các sai số từ các đo đạc.
Soong và nnk (1995) [48] đã phát hiện một xoáy lớn có lõi lạnh ở Bắc Biển
Đông vào tháng 1 năm 1994 thông qua dữ liệu từ vệ tinh TOPEX/
POSEIDON (T/P). Xoáy hoàn lưu này cũng giống như xoáy Aw được Xu và
nnk (1982) [68] chỉ ra trước đây. Sự hiện diện của nó sau này được khẳng

để tính hoàn lưu trung bình tháng ở tầng trên (0~200 m) và kết luận rằng nước
ở Thái Bình Dương chảy vào Biển Đông qua eo Luzon vào tháng 1 và vẫn có
thể giữ được một vận tốc trung bình chiều sâu nhỏ hơn vào tháng 7. Li cũng
khẳng định rằng cả hai xoáy Aw và Bw là xoáy thuận vào tháng 1 nhưng xoáy
Bs là xoáy nghịch và xoáy Cs là xoáy thuận vào tháng 7.
Một số mô hình số ba chiều hoàn lưu Biển Đông đã được phát triển
vào những năm 80. Pohlmann (1987) [41] ứng dụng mô hình dự báo
nghiêng áp ba chiều nghiên cứu bởi Backhaus (1985) [8] để mô phỏng hoàn
lưu Biển Đông trong thời kỳ gió mùa mùa đông và mùa hè. Mao và nnk
(1992) [37] cũng dùng chính mô hình này để mô phỏng hoàn lưu trung bình
mùa ở Biển Đông, tuy nhiên với các trường độ muối, nhiệt độ ban đầu và
điều kiện biên khác với Pohlmann (1987) [41]. Zhang và nnk (1994) [77]
phát triển mô hình dự báo phi tuyến ba chiều để mô phỏng trường dòng chảy

19


mùa ở vùng biển sâu hơn 200m. Shaw and Chao (1994) [45], Zhang, M. Y.
và nnk (1995) [78] cũng phát triển các mô hình ba chiều hoàn lưu Biển
Đông. Trong những năm sau đó Chao và nnk (1996) [14], Wang và nnk
(1996, 1997) [55, 56], Camerlengo và Demmler (1997) [11], Takano và nnk
(1998) [51], Wu và nnk (1998) [62], Cai và Wang (1999) [10], Qian và nnk
(1999) [42], Zhang và Qian (1999) [79], Ly và Luong (1997, 1999) [34, 35],
Chu và nnk (1999a, b) [17, 18] và Yang và nnk (2000) [72] cũng thực hiện
các nghiên cứu mô hình số về hoàn lưu Biển Đông và cho những hiểu biết
sâu hơn về cấu trúc hoàn lưu.

Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa đông

Bản đồ dòng chảy tầng mặt mùa hè

21