Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục tiêu gián tiếp của các nghiên cứu triển khai mô hình số là tìm hiểu các mối tương quan khác nhau giữa những tác động gây ảnh huởng tới biển. Những tác động này bao gồm các dòng động luợng, nhiệt và ẩm trao đổi qua mặt biển, cũng như lưu luợng sông gây ảnh huởng đến hoàn lưu đại dương quy mô lớn. Mỗi khi mô hình đã đuợc khẳng định, có thể thông qua so sánh với các quan trắc và với lời giải giải thích, mô hình có thể sử dụng như công cụ kết nối với các vấn đề môi truờng.
Ví dụ, mô hình có thể sử dụng để dự báo diễn biến của vết dầu loang, hay cung cấp các thông tin về vị trí tối ưu cho việc đổ chất thải ra biển. Những vấn đề như vậy đòi hỏi các kiến thức về hoàn lưu trong môi truờng biển, thuờng chỉ đuợc cung cấp bởi các mô hình phân giải cao. Nhiều ứng dụng trong các biển ven (ví dụ vệt dầu loang) có quy mô thời gian từ một vài ngày đến hàng tuần. Ở đây cũng cần đến các kiến thức kể cả dự báo các biến động có thể xẩy ra trong các biển ven với quy mô năm và thập kỷ.
Ví dụ, nguời ta biết rõ rằng các bãi cod tại các bãi ngầm gần Newfoundland có sự biến động với chu kỳ nhiều năm (Mayer et al. Các kiến thức về điều kiện trong tương lai trên thềm lục địa có thể cho phép các nhà khoa học phần nào giải thích đuợc hiện tuợng suy giảm của nghề cá gần đây. Các nghiên cứu theo hướng này yêu cầu kết hợp với hệ thống dự báo khí hậu toàn cầu. Các mô hình biển ven hiện đang ở nhiều mức dộ khác nhau.
Trước hết là các mô hình chuẩn đoán. Nguời ta sử dụng các trường nhiệt độ và độ muối có sẵn, được rút ra từ số liệu quan trắc, để tìm cách tái hiện trường hoàn lưu. Các mô hình chuẩn đoán là công cụ cơ bản cung cấp kết quả phân tích đảm bảo đối với hoàn lưu thềm lục địa theo quy mô lớn hơn bán kính biến dạng nội Rossby. Tiếp đến là các mô hình dự báo, trong dó các trường nhiệt độ và độ muối đuợc đánh giá như một bộ phận trong thủ tục giải quyết vấn đề.
Chính các mô hình dạng này sẽ tạo nên cơ sở cho hệ thống dự báo biển. Hoàn lưu chuẩn đoán thường đuợc sử dụng như điều kiện ban đầu và điều kiện biên ngang đối với mô hình dự báo. Cả hai nhóm mô hình trên 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com đều có những tính phức tạp khác nhau. Các mô hình dự báo có thể biến đổi từ hai chiều, tích phân theo độ sâu đến hoàn lưu ba chiều đầy đủ.
Đối với tính toán dòng chảy bằng phương pháp động lực đã được nhiều tác giả trên thế giới nghiên cứu và đạt được những kết quả nhất định. Các nghiên cứu về lý thuyết cũng như tính toán thử nghiệm phương pháp này đã được quan tâm. Tuy nhiên, đến thời điểm hiện nay trong nước chưa có kết quả nghiên cứu cụ thể nào về vấn đề này đối với việc cung cấp dữ liệu đầu vào tại các biên lỏng cho mô hình số trị. Trong một số nghiên cứu trường động lực Biển Đông bằng mô hình số trị như đề tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tác nghiệp khí tượng thủy văn biển (bao gồm sóng, dòng chảy và nước dâng bão) vùng Biển Đông và ven biển Việt Nam” do TS.
Lê Trọng Đào làm chủ nhiệm có áp dụng mô hình Delft 3D tính toán dự báo trường dòng chảy toàn Biển Đông. Tuy nhiên điều kiện tại các biên là hằng số điều hòa mực nước, không tính đến trao đổi nước theo độ sâu tại các biên lỏng. Đề tài: “Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ dự báo hạn ngắn trường các yếu tố thủy văn biển khu vực Biển Đông” do TS. Nguyễn Minh Huấn làm chủ nhiệm đã ứng dụng mô hình ROMS tính toán dự báo trường dòng chảy 3D toàn Biển Đông.
Trong nghiên cứu này số liệu tại các biên lỏng là mực nước, nhiệt độ và độ mặn tầng mặt, chưa tính đến trao đổi nước theo độ sâu tại đây. Trong các nghiên cứu mô phỏng trường động lực biển nói chung và trường dòng chảy 3D nói riêng, việc đưa tối đa các điều kiện biên vào tính toán góp phần lớn nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu, vì yêu cầu thực tiễn đề tài “Tính toán trao đổi nước qua các biên ở Biển Đông, dựa trên số liệu nhiệt muối” với mục tiêu tính toán trao đổi nước tại các biên lỏng của Biển Đông làm dữ liệu điều kiện biên cho các mô hình số nhằm nâng cao độ chính xác của kết quả cho các mô hình số trị. Đặc điểm các trường hải văn Biển Đông [4, 8] 1. Cấu trúc hoàn lưu Biển Đông a) Các nhân tố ảnh hưởng đến hoàn lưu Biển Đông 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Như chúng ta đều biết, bên cạnh sự phụ thuộc vào các lực tác động lên toàn bộ khối nước biển, các đặc điểm hoàn lưu của một thủy vực biển còn phụ thuộc rất lớn vào các điều kiện địa hình và khả năng trao đổi nước với các thủy vực kề cận.
Tính phức tạp của điều kiện địa hình biển và bờ Biển Đông đã tạo nên sự đa dạng và biến động lớn của phân bố không gian và thời gian các nhân tố tác động lên nước biển như các trường khí tượng, tương tác biển- khí quyển, tương tác đất- biển và từ đó hoàn lưu Biển Đông cũng có những đặc điểm phức tạp tương ứng. Đối với Biển Đông đặc điểm quan trọng nhất của các nhân tố tác động lên mặt biển là sự biến động mạnh mẽ của chúng theo không gian và thời gian. Sự biến đổi theo thời gian chủ yếu do chế độ của gió mùa gây nên, còn biến đổi theo không gian lại do nguyên nhân địa hình và các quá trình hoàn lưu khí quyển nhiệt đới – xích đạo quy mô lớn. Theo tính chất luân phiên của gió mùa, các trường gió trên biển trong hai mùa đặc trưng có hướng thịnh hành hoàn toàn đối lập nhau.
Điều này có thể dễ dàng nhận thấy trên các bản đồ gió, hoa gió đã được công bố từ trước đến nay, bắt đầu từ các bản đồ hoa gió và dòng chảy mặt do Hải quân Hoa Kỳ công bố năm 1945 (US Army, 1945), đến các trường ứng suất gió của Halleman và Rosenstein (1983), và Atlas khí tượng thủy văn Biển Đông (1994) do Tổng cục Khí tượng thủy văn xuất bản. Bên cạnh sự phân hóa theo thời gian, chúng ta có thể thấy được sự phân hóa theo không gian thông qua các trường gió và xoáy (roto) ứng suất gió đặc trưng cho từng vùng biển. Sự phân hóa khá rõ nét của hướng gió được thể hiện nhất trong các tháng mùa hè. Những kết quả nghiên cứu trong thời gian gần đây trên phạm vi toàn Biển Đông cũng như các vùng hẹp hơn càng chứng minh nhận định nêu trên là đúng (Đinh Văn Ưu, 1995).
Cùng với các nhân tố tác động lên mặt biển như các thông lượng cơ năng, nhiệt và ẩm, các quá trình trao đổi giữa Biển Đông với thủy vực biển kề cận và đất liền cũng có sự biến động lớn theo thời gian và không gian. Những hiểu biết về các quy luật này là hết sức cần thiết khi nghiên cứu chế độ thủy văn và hoàn lưu biển. 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com b) Các đặc điểm cơ bản của hoàn lưu Biển Đông Hoàn lưu chung Biển Đông Như đã phân tích ở phần trên, hoàn lưu chung của Biển Đông thực chất là hoàn lưu mùa, có thể sơ đồ hóa bằng hai bức tranh hoàn lưu cơ bản gần như đối lập nhau tương ứng hai mùa gió: gió mùa Đông-Bắc (mùa đông) và gió mùa Tây-Nam (mùa hè). Trong mùa gió đông-bắc, luôn tồn tại một xoáy thuận chính trong phạm vy toàn Biển Đông.
Trên khu vực bắc Biển Đông, bên cạnh xoáy thuận chính, dưới tác động của hiệu ứng gió và quá trình xâm nhập của dòng Kuroshio vào Biển Đông qua eo Luzon đã tạo nên các bộ phận hoàn lưu có tính biến động lớn. Quá trình xâm nhập của Kuroshio vào Biển Đông có thể xẩy ra theo cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua các xoáy (dòng uốn). Đến nay, nguyên nhân chính của hiện tượng này vẫn còn chưa được làm rõ, tuy nhiên tác động của trường gió cục bộ cũng có thể ảnh hưởng tới sự hiện diện và biến động của hiện tượng này (A.1: Hoàn lưu lớp nước mặt biển Đông (a) – mùa đông, (b) – mùa hè Hải dương học Biển Đông – Lê Đức Tố (1999) Đối với thời kỳ chuyển tiếp, phụ thuộc vào quá trình thay thế của các trường khí tượng trong từng năm cụ thể mà các đặc trưng hoàn lưu có thể xuất hiện sớm hơn hoặc lưu lại lâu hơn. 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong mùa hè vẫn còn nhiều điểm không thống nhất giữa các kết quả phân tích số liệu thực đo cũng như mô hình tính toán hoàn lưu Biển Đông, tuy nhiên chúng ta vẫn có thể rút ra những đặc điểm chung và cơ bản nhất của hoàn lưu mùa.
Trước hết xu thế chung của cả hệ thống dòng chảy có hướng ngược hẳn so với hoàn lưu mùa đông, điều này cho thấy vai trò quyết định của quá trình tương tác biển-khí quyển khu vực, trong đó có trường gió đối với hoàn lưu biển. Xu thế chung của hoàn lưu nhiệt muối được khẳng định thông qua sự hiện diện của một hoàn lưu xoáy thuận chính cho toàn bộ Biển Đông. Trên vùng biển phía nam, đồng thời tồn tại một xoáy nghịch dọc theo kinh tuyến 110°E, vị trí của tâm xoáy nghịch này phụ thuộc vào cường độ và vị trí của khu vực hoàn lưu tách khỏi bờ Việt Nam. Bộ phận chủ yếu của dòng chảy đi từ phía nam biển của hoàn lưu chính vẫn tiếp tục đi lên theo hướng bắc và đông-bắc được tiếp tục tăng cường thêm trong quá trình chảy dọc ven bờ Trung Quốc và thoát ra biển Đông Trung Hoa qua eo Đài Loan.
Tác động của trường gió có thể gây nên sự biến động đáng kể của hoàn lưu trên khu vực này liên quan tới quá trình dịch chuyển của xoáy thuận Hoàng Sa và sự uốn dòng của trục dòng chảy chính có thể dẫn tới hiện tượng đổi hướng dòng chảy.