Giáo trình Chế độ dòng chảy tầng mặt khu vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên số liệu thu thập bằng radar biển

Nội dung text: Giáo trình Chế độ dòng chảy tầng mặt khu vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên số liệu thu thập bằng radar biển

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 Chế độ dòng chảy tầng mặt khu vực Vịnh Bắc Bộ dựa trên số liệu thu thập bằng radar biển Trần Mạnh Cường1, Nguyễn Kim Cương2,* 1Trung tâm Hải văn, Tổng cục biển và Hải đảo Việt Nam, Bộ TNMT Số 8 Pháo Đài Láng, Hà Nội, Việt Nam 2Khoa Khí tượng - Thủy văn & Hải dương học, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng 8 năm 2016 Chỉnh sửa ngày 26 tháng 8 năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Trong khuôn khổ bài báo này, các tác giả đã trình bày những kết quả phân tích chế độ dòng chảy mặt khu vực vịnh Bắc Bộ dựa trên nguồn số liệu radar biển từ 01/06/2013 đến 01/02/2015. Số liệu radar biển được thu thập từ 3 trạm radar của Việt Nam: Hòn Dấu, Nghi Xuân và Đồng Hới. Trước tiên, biến động mùa của trường dòng chảy mặt khu vực theo hai mùa gió Đông Bắc và Tây Nam được mô tả chi tiết. Tiếp theo, chế độ dòng triều trong khu vực vịnh Bắc Bộ đã được phân tích. Các kết quả phân tích đã đưa ra phân bố định lượng cũng như tính chất chung của trường dòng chảy dư trên mặt biển khu vực vịnh Bắc Bộ thông qua phân tích số liệu đo đạc thu được từ hệ thống radar. Từ khóa: Radar biển; vịnh Bắc Bộ; dòng chảy mặt. 1. Mở đầu * điều mà các phương pháp quan trắc khác khó có thể thực hiện được. Trong thời kỳ nền khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển như hiện nay thì việc nghiên cứu các quá trình tự nhiên phục vụ cho các mục đích về kinh tế, xã hội được hỗ trợ rất nhiều từ các trang thiết bị tiên tiến. Trong nghiên cứu về các hiện tượng địa vật lý nói chung và các quá trình động lực học nói riêng thì việc quan trắc thực tế có tầm quan trọng rất lớn. Một trong số các phương pháp đó là quan trắc sóng, dòng chảy biển dựa trên hệ thống radar biển tần số cao. Ưu điểm của phương pháp là mật độ điểm quan trắc dày và liên tục theo thời gian, hệ thống radar quan trắc được ngay cả trong điều kiện thời tiết bất thường (bão, dông tố, lốc ), ___ Hình 1. Phạm vi quan trắc của 3 trạm radar hiện * Tác giả liên hệ. ĐT: 84-949170184 đang hoạt động tại khu vực vịnh Bắc Bộ. Email: cuongnk@hus.edu.vn 26
2. T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 27 Các số liệu thu thập từ radar biển bao gồm được trích tại các điểm từ S1 đến S5 lấy dọc theo số liệu về sóng và dòng chảy là những nguồn tuyến từ bờ ra khơi và nằm trên khu vực có mật dữ liệu vô cùng quý giá trong các lĩnh vực độ số liệu dày như được thể hiện trên Hình 2. nghiên cứu, ứng dụng, quản lý và khai thác biển. Đây là một nguồn dữ liệu mới đối với Việt Nam và cho đến nay mới chỉ có rất ít công trình nghiên cứu nguồn số liệu này [1]. 2. Giới thiệu về số liệu radar biển tại Việt Nam Radar biển là một trong những thiết bị ứng dụng công nghệ hiện đại dựa vào kỹ thuật phát sóng tần số cao để phân tích giám sát một số yếu tố hải văn như trường dòng chảy tầng mặt, trường sóng. Công nghệ này ở nước ngoài đã và đang phát triển rất mạnh, đi kèm với nó là những công trình nghiên cứu khoa học có liên Hình 2. Phân bố số liệu dòng chảy mặt quan trắc quan. Tại Thái Lan, đã xây dựng hệ thống từ hệ thống radar (đơn vị: %). Radar biển tự động bao gồm 06 trạm phục vụ cho công tác quan trắc hải văn thuộc vùng biển Thái Lan và một phần Vịnh Thái Lan. Ngoài ra 3. Kết quả phân tích dòng chảy từ radar biển đã có nhiều nước trên thế giới và trong khu vực a. Phân tích điều hòa dòng chảy triều tầng Đông Nam Á đã và đang áp dụng công nghệ mặt khu vực vịnh Bắc Bộ dựa trên số liệu radar này như: Trung Quốc, Nhật Bản, Đài Loan, Hàn Quốc và Ấn Độ. Hệ thống dòng chảy trên biển Đông nói chung và trên khu vực vịnh Bắc Bộ nói riêng bị Tại Việt Nam, công nghệ radar biển còn ảnh hưởng mạnh bởi hoàn lưu gió mùa châu Á, khá mới mẻ và chưa có nhiều nghiên cứu trong đó phân chia thành hai mùa rõ rệt: mùa chuyên sâu về lĩnh vực này. Năm 2011, Trung gió Đông Bắc (mùa đông) và mùa gió Tây Nam tâm Hải văn đã chủ trì thực hiện dự án xây (mùa hè) [2]. dựng hệ thống trạm radar biển, đến nay đã hoàn Từ tháng 11 đến tháng 2 là thời kỳ gió mùa thành giai đoạn I với 3 trạm quan trắc tầm xa tại o o đông bắc hoạt động mạnh. Vào thời kỳ tháng 1, Hòn Dấu (20,6662333 N, 106,8169667 E), vận tốc gió trung bình trên biển Đông vào Nghi Xuân (18,6210500oN, 105,8156000oE) và o o khoảng 8 - 10,7 m/s, hướng gió đông bắc thịnh Đồng Hới (17,4711167 N, 106,6389500 E) và hành trên toàn vùng biển Đông. Từ tháng 2 trở 1 trạm trung tâm thu số liệu tại Hà Nội. Cả ba đi, gió đông bắc yếu dần nhưng mạnh trở lại trạm đều hoạt động ở tần số 4,65 MHz với độ vào tháng 4 [2]. phân giải ngang và độ phân giải góc phương vị lần lượt là 5,825 km và 5o (Hình 1). Dựa trên bộ Từ tháng 6 đến tháng 9, hướng gió thịnh hành trên biển Đông chuyển sang hướng tây số liệu hiện có, khoảng thời gian từ 01/06/2013 nam và phát triển mạnh vào thời kỳ tháng 7 và đến 01/02/2015 được sử dụng để phân tích chế tháng 8, vận tốc gió trung bình thời kỳ này vào độ dòng chảy vịnh Bắc Bộ do có đầy đủ số liệu khoảng 5,5 - 7,9 m/s. Từ tháng 10 hướng gió từ cả 3 trạm radar. thịnh hành dần chuyển sang hướng đông bắc [2]. Việc phân tích số liệu sẽ được thực hiện Trong thời kỳ gió mùa Đông Bắc: dựa trên chuỗi số liệu dài ngày và trên khu vực có mật độ số liệu đủ dày. Chuỗi số liệu theo 2 Giống như các nghiên cứu trước đây về chế mùa: mùa hè (tháng 06 - tháng 08/2013) và mùa độ dòng chảy tại khu vực trong mùa đông, hoàn đông (tháng 10/2014 - tháng 01/2015). Số liệu lưu khu vực vịnh Bắc Bộ có hướng thịnh hành
3. 28 T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 đi về phía nam, vận tốc trung bình vào khoảng khu vực cửa vịnh, dòng chảy thường có vận tốc từ 15 - 25 cm/s. Bức tranh hoàn lưu khu vực nhỏ hơn ở phía bắc, hướng thịnh hành có xu trong mùa đông cho thấy hệ thống dòng chảy hướng đi về phía tây và tây nam, từ đó cho thấy tách thành hai vùng rõ rệt. tại khu vực này tồn tại một xoáy thuận như các Ở khu vực sát bờ, dòng chảy có xu thế chạy nghiên cứu trước đây đã chỉ ra. Tuy vậy cũng dọc theo bờ đi xuống phía nam, vận tốc dòng có những thời điểm vào giữa mùa đông khi gió này khá lớn vào khoảng 25 - 35 cm/s. Khu vực mùa Đông Bắc hoạt động mạnh, dòng chảy tại đầu Quảng Bình, vận tốc dòng chảy trung bình tháng 10 vào khoảng 45 - 50 cm/s, trong đó có vùng này mạnh lên và đi về phía nam. những thời điểm tại khu vực này ghi nhận được Trong thời kỳ gió mùa Tây Nam vận tốc dòng chảy gần 1 m/s. Những tháng cuối Trong thời kỳ gió mùa Tây Nam, hoàn lưu mùa, dòng chảy vẫn có xu thế đi xuống phía khu vực được thiết lập lại, dòng chảy tại khu nam, tốc độ dòng chảy trung bình vào khoảng vực có xu thế đi lên phía bắc với vận tốc trung 25 - 30 cm/s rồi giảm dần khi bắt đầu vào thời bình vào khoảng từ 10 - 20 cm/s. Vào thời kỳ kỳ gió mùa Tây Nam. này, khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ hình thành một Ở ngoài khơi về phía bắc tại khu vực giữa hoàn lưu nghịch. Vận tốc của hoàn lưu này vịnh, dòng chảy trung bình có hướng nam đến không lớn, trung bình khoảng 8 - 12 cm/s. tây nam sau đó nhập vào dòng sát bờ chảy Nước duy trì hoàn lưu này được đưa lên từ xuống phía nam. Vận tốc trung bình của dòng vùng biển trung bộ đi lên. Hoàn lưu này tồn tại vào khoảng từ 15 - 20 cm/s. Về phía nam tại đến hết tháng 8. Bảng 1. Kết quả phân tích điều hòa thủy triều từ số liệu radar theo các vị trí trên Hình 2 Hướng Hướng Trục Trục Pha Phân Trục lớn của dòng Pha thiên Phân Trục lớn của dòng nhỏ nhỏ thiên triều (cm/s) triều lên văn (độ) tri ều (cm/s) triều lên (cm/s) (cm/s) văn (độ) cực đại cực đại Vị trí S1 Vị trí S2 22,40 -1,89 122,85 o 203,54 o 25,50 -2,34 125,19 o 209,47 o O1 O 1 5,22 1,13 111,80 o 244,50 o 5,65 1,21 108,68 o 251,46 o P1 P 1 6,59 -3,60 127,76 o 279,18 o 8,94 -2,19 130,24 o 285,21 o S1 S 1 20,70 -1,80 119,36 o 259,20 o 23,08 1,31 122,92 o 258,79 o K1 K 1 3,89 -0,64 126,11 o 110,61 o 4,91 -1,44 130,77 o 118,22 o M2 M 2 1,46 -0,13 127,77 o 140,28 o 2,18 -0,72 148,52 o 138,40 o S2 S 2 Vị trí S3 Vị trí S4 22,29 -1,03 127,89 o 207,46 o 23,08 0,00 110,12 o 205,60 o O1 O1 5,71 -0,42 104,12 o 263,54 o 5,74 -0,66 100,27 o 251,09 o P1 P1 6,29 -1,18 137,51 o 298,66 o 20,95 -1,27 103,08 o 255,38 o S1 K1 22,62 1,07 120,24 o 246,92 o 6,22 -3,81 39,87 o 225,02 o K1 M2 5,04 -2,81 154,21 o 101,30 o 2,78 -1,55 47,85 o 258,78 o M2 S2 2,68 -0,11 168,22 o 124,24 o S2 Vị trí S5 16,93 -0,99 74,05 o 209,33 o O1 5,06 -1,57 59,10 o 293,93 o P1 15,70 -1,99 64,29 o 245,61 o K1 9,74 -2,70 35,48 o 228,30 o M2 S2 3.259 -1.36 118.85 331.24
4. T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 29 Hình 3. Dòng chảy mặt trung bình khu vực vịnh Bắc Bộ trong mùa gió Đông Bắc (trái) và mùa gió Tây Nam (phải) (cm/s). (a) (b) (c) Hình 4. Trường dòng chảy trung bình năm tầng mặt khu vực vịnh Bắc Bộ trong năm 2014 (a) và độ lệch chuẩn của thành phần kinh hướng u (b) và thành phần vỹ hướng v (c) (cm/s). ; (a) K1 (b) O1
5. 30 T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 (c) M2 (d) S2 Hình 5. Phân tích hằng số điều hòa đối với 4 phân triều chính (cm/s). Hình 6. Ellipse triều đối với 4 phân triều chính, màu xanh là ellipse quay theo hướng cùng chiều kim đồng hồ, màu đỏ là ngược chiều kim đồng hồ.
6. T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 31 Điểm đáng chú ý trong bức tranh hoàn lưu mực nước và dòng chảy triều bằng phương khu vực thời kỳ này là khu vực vẫn tồn tại dòng pháp bình phương tối thiểu. Kết quả phân tích sát bờ đi xuống phía nam. Dòng chảy này đi từ dòng chảy triều được thể hiện trên Bảng 1 và phía bắc xuống đến khu vực miền Trung thì tăng Hình 5, 6. tốc và có xu thế tách bờ, nhập vào hệ thống dòng Kết quả phân tích cho thấy các sóng nhật chảy đi lên phía bắc. Tại khu vực cửa vịnh, vận triều có vận tốc cao hơn nhiều so với các sóng tốc dòng chảy vào khoảng 15 - 20 cm/s. bán nhật triều. Tại khu vực cửa vịnh các sóng Số liệu phân tích từ radar cũng cho thấy ảnh K1 và O1 có vận tốc lớn nhất, đạt khoảng từ 25 - hưởng của lưu lượng nước từ các cửa sông lớn 30 cm/s (Hình 5). Cụ thể tại khu vực giữa vịnh trong mùa lũ đến hoàn lưu dòng chảy mặt trong về phía nam, sóng K1 có vận tốc cực đại vào thời kỳ này, điển hình như tại cửa sông Hồng, khoảng từ 26 - 28 cm/s, sóng O1 từ 28 - 30 dòng chảy gần bờ có xu thế đi từ bờ ra khơi rồi cm/s, các sóng bán nhật có vận tốc yếu hơn, nhập vào hoàn lưu xa bờ đi lên phía bắc. sóng M2 có vận tốc cực đại vào khoảng 5 - 7 Ở ngoài khơi ở giữa vịnh về phía bắc, dòng cm/s và sóng S2 là từ 2 - 3 cm/s. Khi tiến gần chảy có hướng đông bắc thịnh hành, vận tốc dòng đến bờ, độ lớn của các sóng giảm dần, chảy tại khu vực này không lớn, vào khoảng từ 6 - Tại khu vực Quảng Bình, vận tốc của các 10 cm/s. Về phía nam đến cửa vịnh, dòng chảy có sóng bán nhật triều nhỏ hơn 3 cm/s. Phân tích vận tốc lớn hơn, vào khoảng 10 - 20 cm/s. cũng cho thấy các sóng nhật triều biến đổi Trên Hình 4 thể hiện độ lớn của trường mạnh hơn khi có sự thay đổi của địa hình khu dòng chảy trung bình khu vực vịnh Bắc Bộ vực, các sóng K1 và O1 giảm dần biên độ khi đi trong năm 2014 và độ lệch chuẩn của các thành lên phía bắc vịnh vào khu vực nước nông có độ phần kinh hướng u và vỹ hướng v. Quan trắc từ sâu dưới 50 m, trong khi đó, biên độ của các radar biển cho thấy dòng sát bờ có có vận tốc sóng M2 và S2 lại tăng dần lên, trung bình khá cao, vào khoảng 15 – 25 cm/s. Tại điểm S5, sóng O1 có vận tốc cực đại là Sự biến thiên của vận tốc dòng chảy theo 16,3 cm/s, K1 là 16,1 cm/s, các sóng M2 có vận phương vỹ hướng v lớn hơn khá nhiều so với tốc là 9,6 cm/s và 3,3 cm/s đối với sóng S2. vận tốc dòng chảy của thành phần theo phương Hình 4 thể hiện các ellipse dòng triều đối với kinh hướng u. Điều này được thể hiện khá rõ ở bốn sóng chính phân tích từ số liệu radar cho khu vực cửa vịnh đến khu vực giữa vịnh khi thấy các sóng nhật triều có dạng ellipse dẹt và nước từ biển Đông đi vào vịnh Bắc Bộ. nằm vuông góc với bờ. Bên cạnh đó, kết quả phân tích từ quan trắc Từ bờ ra khơi, ellipse sóng K1 có dạng quay radar biển cho thấy sự biến thiên của thành từ chiều cùng chiều đồng hồ sang ngược chiều phần kinh hướng của dòng chảy được thể hiện ở kim đồng hồ rồi ngược lại khi ra đến giữa vịnh. khu vực mũi đất giáp ranh giữa Hà Tĩnh và Ellipse sóng M2 cho thấy dòng triều biến thiên Quảng Bình có liên quan đến các quá trình nhiều hơn từ bờ ra khơi và từ phía nam lên phía động lực quy mô nhỏ gần bờ, trong khi đó sự bắc vịnh cả về hướng và độ lớn. biến thiên của thành phần vỹ hướng bị ảnh c. Thành phần dòng dư trên khu vực vịnh hưởng nhiều hơn bởi các quá trình động lực quy Bắc Bộ mô vừa trên khu vực. Trường dòng dư tính toán trên khu vực cho b. Phân tích điều hòa dòng chảy triều tầng thấy ảnh hưởng rõ nét của gió lên trường dòng mặt khu vực vịnh Bắc Bộ dựa trên số liệu radar chảy khu vực. Kết quả trích xuất từ điểm S2 Phân tích điều hòa dòng chảy trên vịnh Bắc của thành phần dòng chảy vỹ hướng v cho từng Bộ được thực hiện trên từng điểm lưới với thời thời kỳ cũng được trình bày tại các Hình 7 và gian từ 01/06/2013 đến 01/02/2015 bằng bộ Hình 8. Vào các tháng mùa đông, do ảnh hưởng công cụ T_tide, đây là bộ phần mềm mã nguồn của gió mùa đông bắc mạnh, trường dòng dư có mở trên nền MATLAB do tiến sĩ Pawlowicz hướng chủ đạo tây nam đến nam, vận tốc trung thực hiện. Bộ phần mềm có khả năng phân tích bình vào khoảng từ 20 - 30 cm/s. Điểm đáng
7. 32 T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 lưu ý trong trường dòng dư tính toán cũng cho bắc đến bắc, vận tốc trung bình vào khoảng 15 - thấy độ lớn của dòng sát bờ khi đi qua khu vực 20 cm/s. Kết quả tính toán trường dòng dư trên Quảng Bình với vận tốc vào khoảng 30 - 40 khu vực cũng cho thấy sự hình thành của một cm/s và lớn nhất vào tháng 10, sau đó giảm dần xoáy thuận ở giữa vịnh từ đầu đến giữa mùa. đến các tháng giữa mùa đông và cuối mùa. Nhìn chung vận tốc dòng dư trên khu vực thời Cũng tương tự đối với thời kỳ mùa hè, kỳ này không quá cao (phần lớn đều nhỏ hơn trường dòng chảy khu vực chịu ảnh hưởng của 25 cm/s), do đó có thể nói trường gió là tác gió mùa tây nam, hoàn lưu khu vực được thiết nhân mùa chính gây ảnh hưởng đến trường lập lại. Trường dòng chảy có hướng chủ đạo tây dòng chảy của khu vực thời kỳ này. F Hình 7. Thành phần vỹ hướng của dòng chảy trích tại Hình 8. Thành phần vỹ hướng của dòng chảy trích điểm S2 trong thời kỳ mùa đông. tại điểm S2 trong thời kỳ mùa hè. F 4. Kết luận Các kết quả thu được trong khoảng thời Từ nguồn số liệu thu thập từ radar biển, kết gian phân tích cho thấy những phù hợp với một quả phân tích đã cho thấy dòng chảy mặt quan số đặc trưng chế độ đã được công bố và đưa ra trắc từ hệ thống radar cho thấy hệ thống dòng những đặc điểm của hoàn lưu khu vực vịnh Bắc chảy mặt khu vực vịnh Bắc Bộ thay đổi theo Bộ trong hai thời kỳ gió mùa Đông Bắc và gió mùa gắn với chế độ gió tại khu vực và đã góp mùa Tây Nam. phần phản ánh được phần nào bức tranh chung về hệ dòng chảy ở vùng biển này. Trong các tháng mùa đông, hoàn lưu khu Tài liệu tham khảo vực chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông bắc, trường dòng chảy khu vực có hướng tây nam [1] N. T. Trang, “Nghiên cứu ứng dụng số liệu radar đến nam. Khu vực biển phía nam Thanh Hóa và biển”, Luận văn ThS - Trường Đại học Khoa học bắc Quảng Bình tồn tại dòng gần bờ có vận tốc Tự nhiên, ĐHQGHN, 2014, tr. 6 - 11. lớn đạt 25 - 30 cm/s. Vào mùa hè hoàn lưu [2] N. N. Minh, “Tidal characteristics of the Gulf of vùng biển Vịnh Bắc bộ có sự thay đổi khá lớn Tonkin”, PhD thesis, Toulouse, 2013, p. 6 - 15. so với các mùa khác. Khu vực giữa Vịnh Bắc [3] “Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ hình thành một hoàn lưu nghịch. Vận tốc Bộ”, 1964. của hoàn lưu này không lớn, trung bình khoảng [4] “Atlas Quốc gia Việt Nam”, Nhà xuất bản Tài 8 - 12 cm/s. Nước duy trì hoàn lưu này được nguyên - Môi trường và Bản đồ Việt Nam, Hà Nội, 1999. đưa lên từ vùng biển phía trung bộ đi lên.
8. T.M. Cường, N.K. Cương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 26-33 33 Investigation of Sea Surface Circulation in The Gulf of Tonkin Using the Radar Data Tran Manh Cuong1, Nguyen Kim Cuong2 1Center for Oceanography, Vietnam Administration of Seas and Island, MONRE, 8 Phao Dai Lang, Hanoi, Vietnam 2Faculty of Hydrology, Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: This paper presents the analyses of regime of sea surface circulation in the Gulf of Tonkin using the radar data from 01/06/2013 to 01/02/2015. The data from high frequency radars were gathered from three stations of Hon Dau, Nghi Xuan, and Dong Hoi. Firstly, the seasonal variations of surface currents due to NE and SW monsoon were described. Afterthat, characteristics of surface currents were presented using harmonic analysis method. Finally, the quantity and general variations of surface residual currents in the Gulf of Tonkin were discussed based on measured data. Keywords: HF Radar; Gulf of Tonkin; Surface circulation.