Giáo trình Xác định dị thường mực nước biển trên biển đông bằng số liệu đo cao vệ tinh - Nguyễn Văn Sáng

Nội dung text: Giáo trình Xác định dị thường mực nước biển trên biển đông bằng số liệu đo cao vệ tinh - Nguyễn Văn Sáng

1. Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất Số 55 (2016) 66-71 Xác định dị thường mực nước biển trên Biển Đông bằng số liệu đo cao vệ tinh Nguyễn Văn Sáng1,*, Lê Thị Thanh Tâm1, Vũ Văn Trí1, Trần Thị Thu Trang1 , Phạm Văn Tuyên2 1Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, Việt Nam 2Công ty cổ phần Dịch vụ và Thương mại 568, Việt Nam THÔNG TIN BÀI BÁO TÓM TẮT Quá trình: Dị thường mực nước biển (Sea Level Anomaly - SLA) là chênh lệch giữa Nhận bài 23/4/2016 độ cao mặt biển (Sea Surface Height - SSH) và mặt biển trung bình Chấp nhận 10/7/2016 (Mean Sea Surface - MSS). Dị thường mực nước biển cho phép chúng Đăng online 30/8/2016 ta quan sát được sự thay đổi của đại dương theo mùa và các hiện tượng khí hậu như El Nino Để xác định SLA chúng ta sử dụng mô hình Từ khóa: mặt biển trung bình MSS ở dạng grid và số liệu đo cao vệ tinh. Vị trí các Sea Level Anomaly điểm đo cao vệ tinh thường không trùng với các mắt lưới của mô hình Altrimetry MSS nên cần phải nội suy độ cao mặt biển trung bình cho các điểm đo. Mean Sea Surface Việc nội suy này có thể dùng phương pháp Collocation. Tính toán thực nghiệm được thực hiện trên Biển Đông đối với số liệu vệ tinh đo cao Dị thường mực nước biển SARAL/ALTIKA chu kỳ thứ 18. Mô hình mặt biển trung bình được sử Đo cao vệ tinh dụng là mô hình DTU13MSS. Kết quả tính toán thực nghiệm cho thấy Mặt biển trung bình ở chu kỳ này, trên Biển Đông, dị thường mực nước biển biến đổi từ - 1,581 m đến 0,649 m, giá trị trung bình là 0,108 m. © 2016 Trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tất cả các quyền được bảo đảm. 1. Đặt vấn đề cứu ứng dụng các sản phẩm của thế giới như: khai thác ứng dụng mô hình mặt biển trung Trong những năm gần đây, đo cao vệ tinh bình động lực - MDT, khai thác mô hình dị (Altimetry) được ứng dụng rộng rãi và hiệu thường trọng lực biển (Bùi Công Quế và nnk, quả trên thế giới. Bằng số liệu đo cao vệ tinh 2008), (Bùi Khắc Luyên, Nguyễn Văn Sáng, có thể xác định được độ cao mặt biển, geoid 2014). Gần đây, có một số công trình nghiên biển, dị thường trọng lực biển, mặt nước biển cứu sâu về xử lý số liệu đo cao vệ tinh trên trung bình, dị thường mực nước biển (Lee- Biển Đông như: xác định vị trí điểm giao cắt, Lueng Fu, Anny Cazenave, 2001). Ở Việt Nam, bình sai giao cắt, xác định dị thường trọng lực đo cao vệ tinh mới được ứng dụng vào nghiên (Nguyễn Văn Sáng, 2012), (Nguyễn Văn Sáng, cứu Biển Đông một số năm gần đây, các 2011), (Nguyễn Văn Sáng, 2013), xác định mặt nghiên cứu vẫn còn khá ít, một số là nghiên biển trung bình động lực (Nguyễn Văn Sáng, ___ Lê Thị Thanh Tâm, 2014) Dị thường mực *Tác giả liên hệ. nước biển (Sea Level Anomaly - SLA) là chênh E-mail: nguyenvansang@humg.edu.vn Trang 66
2. Nguyễn Văn Sáng và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (66-71) lệch giữa mực nước biển tức thời và mực 2.1. Nội suy độ cao mặt biển trung bình cho nước biển trung bình. Xác định được dị các điểm đo cao vệ tinh bằng phương pháp thường mực nước biển sẽ phục vụ việc nghiên Collocation cứu sự thay đổi mực nước biển theo mùa, Giả sử tại khu vực xét có n điểm có giá trị nghiên cứu khí tượng trên biển, cảnh báo sóng độ cao mặt biển trung bình là MSSi với tọa độ thần và nghiên cứu thủy triều. Theo kết quả là (Bi, Li), i = 1, 2, , n. Gọi của Cơ quan vũ trụ Châu Âu (ESA), từ kết quả yT (MSS ,MSS , ,MSS ) là véc tơ độ cao xác định dị thường mực nước biển đã xác định 1 2 n được động năng của nước biển trên vịnh mặt biển trung bình. Khi đó độ cao mặt biển Mexico có giá trị rất lớn vào thời điểm 10 ngày trung bình của điểm P trong khu vực xét được trước khi siêu bão Katrina đi qua năm 2005 xác định theo Phương trình: T 1 khi sóng thần tại Ấn Độ Dương sảy ra ngày MSSP KP K y , (2) 26/12/2014, các kết quả quan sát của vệ tinh trong đó: K và KP – ma trận hiệp phương sai: Jason1 (chu kỳ 129) và vệ tinh ENVISAT (chu k11 k12 k1n kỳ 352) đều ghi nhận giá trị lớn của dị thường k k k mực nước biển (European Space Agency, K 21 22 2n ; 2009). Trong bài báo này sẽ trình bày phương pháp xác định dị thường mực nước biển và k k k n1 n2 nn n,n thực nghiệm tính toán trên Biển Đông với số k K(i, j) liệu vệ tinh SARAL/ALTIKA. ij (3) i, j 1,2, ,n; 2. Phương pháp xác định dị thường mực kP nước biển 1 k K P2 ; k K(P,i); i 1,2, ,n . (4) MSS là độ cao của điểm trên mặt biển P Pi trung bình so với mặt Ellipsoid WGS-84. SSH k là độ cao của điểm trên mặt biển tức thời so Pn với mặt Ellipsoid WGS-84. Khi đó dị thường K(i, j) и K(P,i) - các hiệp phương sai của mực nước biển (SLA) được xác định bằng độ cao mặt biển trung bình. Phương trình: Trên thực tế, giá trị đầu vào là độ cao mặt SLA = SSH – MSS (1) biển trung bình thường không đảm bảo điều Hiện nay, có một số mô hình mặt biển n trung bình được xây dựng ở dạng lưới grid kiện MSSTB MSSi 0 , không thỏa mãn như mô hình DNSC08MSS, mô hình i 1 điều kiện của bài toán Collocation. Do đó, số DTU10MSS, DTU12MSS, DTU13MSS Mặt liệu đầu vào cần phải trừ đi giá trị trung bình biển tức thời được xác định từ số liệu đo cao trước khi đưa vào tính toán nội suy. vệ tinh, các điểm đo này không trùng với mắt Vì vậy, nội suy độ cao mặt biển trung bình lưới grid của các mô hình MSS. Do đó, để xác được thực hiện theo các bước sau: định được SLA theo Phương trình (1) ta phải Bước 1. Loại bỏ giá trị trung bình MSS nội suy độ cao mặt biển trung bình cho các TB điểm đo cao vệ tinh từ mô hình MSS. Do SSH từ số liệu độ cao mặt biển trung bình đầu vào. được xác định vào thời điểm đo nên SLA cũng Bước 2. Thành lập ma trận hiệp phương sai được xác định vào thời điểm đo đó. Khả năng K theo số liệu đầu vào là hàm hiệp phương sai quan sát dị thường mực nước biển (real time) của nó K(ℓ). phụ thuộc vào khả năng cung cấp số liệu của Bước 3. Tính độ cao mặt biển trung bình vệ tinh, phải đặt hàng với trung tâm cung cấp MSSP đối với bất kỳ điểm P trong khu vực xét số liệu. Bước 4. Khôi phục giá trị trung bình MSSTB cho các điểm nội suy. Trang 67
3. Nguyễn Văn Sáng và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (66-71) Khi nội suy bằng phương pháp n0 1 2 Collocation, ta phải nghịch đảo ma trận vuông K(0) MSSi n  có kích thước bằng số điểm số liệu đầu vào. 0 i 1 1 n1 Khi số liệu các điểm đầu vào lớn, sẽ gặp khó K(1. l) MSS .MSS n  i j khăn trong vấn đề tính toán. Mặt khác, giá trị 1 m 1 nội suy của điểm P sẽ phụ thuộc nhiều vào các 1 n2 K(2. l) MSS .MSS điểm có số liệu (điểm nút) ở gần, các điểm nút  i j n2 m 1 càng xa điểm nội suy thì ảnh hưởng càng ít. Vì (5) vậy, để nội suy độ cao mặt biển trung bình của 1 nk điểm P không cần thiết phải sử dụng hết n K(k. l) MSSi.MSS j điểm trong khu vực xét, mà chỉ cần sử dụng m nk m 1 điểm (m < n) nằm trong bán kính R nào đó xung quanh điểm P, theo (Nguyễn Văn Sáng, n p Vũ Trung Thành, 2015), có thể chọn R = 10. 1 K( p. l) MSSi.MSS j Như vậy số lượng ẩn trong phương trình np m 1 chuẩn giảm đi, nhưng tại mỗi điểm nội suy ta với điều kiện: phải nghịch đảo một ma trận có kích thước l l k. l | l | k. l , (6) bằng số điểm nằm trong vòng tròn bán kính R. 2 i j 2 Phương sai lý thuyết được xác định bằng 2.2. Xác định các giá trị của hàm hiệp cách làm khớp hàm lý thuyết với các giá trị phương sai thực nghiệm của độ cao mặt hiệp phương sai thực nghiệm theo nguyên tắc biển trung bình và làm khớp với hàm lý bình phương nhỏ nhất. thuyết Hàm hiệp phương sai lý thuyết có thể Để xác các giá trị k trong ma trận hiệp chọn các hàm Maxkov hoặc Gaussian phương sai K và KP thì cần phải xác định được các giá trị hiệp phương sai thực nghiệm. Đối với độ cao mặt biển trung bình, giá trị hiệp phương sai thực nghiệm được tính theo Phương trình (5) với điều kiện (6). Trong đó: ℓij –khoảng cách giữa hai điểm i và j; Δℓ – khoảng cách gần nhất giữa các điểm, trong trường hợp này chính là khoảng cách gần nhất giữa các điểm mắt lưới, đối với mô hình MSS có kích thước 1’ x 1’, chọn Δℓ = 1’; p – là một số tự nhiên dương phụ thuộc vào độ rộng của khu vực nghiên cứu, đối với R =10 có thể chọn р = 10; nk (k = 1, 2, p) – số lượng cặp điểm i và j thỏa mãn điều kiện (6); n0 chính là số điểm có độ cao mặt biển trung bình trong khu vực Hình 1. Sơ đồ các điểm tham giá tính xét. Điều kiện (6) được biểu diễn trên Hình 1. hiệp phương sai thực nghiệm Từ đây ta thấy, giá trị hiệp phương sai thực 3. Tính toán thực nghiệm nghiệm tính theo Phương trình (5) chỉ sử dụng những điểm j nằm trên phần gạch chéo. Trên cơ sở lý thuyết trình bày ở trên, Sau khi có các giá trị của hàm hiệp phương chúng tôi tiến hành thực nghiệm tính toán dị sai thực nghiệm, các tham số của hàm hiệp. thường mực nước biển trên khu vực Biển Đông (vĩ độ từ 80 đến 220, kinh độ từ 1050 đến 1140). Mô hình MSS được sử dụng là mô hình Trang 68
4. Nguyễn Văn Sáng và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (66-71) DTU13MSS do Trung tâm vũ trụ Đan Mạch xây 4. Kết luận dựng. Số liệu đo cao vệ tinh được sử dụng là Dị thường mực nước biển trên Biển Đông số liệu vệ tinh SARAL/ALTIKA chu kỳ thứ 18 có thể được xác định từ mô hình mặt biển (được đo từ ngày 30/10/2014 đến ngày trung bình MSS và số liệu đo cao vệ tinh. Đối 06/11/2014). Các số liệu được cung cấp bởi với số liệu của vệ tinh SARAL/ALTIKA chu kỳ AVISO (AVISO, 2010). thứ 18, mô hình mặt biển trung bình Trên Hình 2 và 3 là độ cao mặt biển DTU13MSS, dị thường mực nước biển biến trung bình DTU13MSS và độ cao mặt biển đo đổi từ -1,581m đến 0,649m, giá trị trung bình bằng vệ tinh SARAL/ALTIKA trên Biển Đông. là 0,108m. Trên Hình 4 là dị thường mực nước biển Nội suy độ cao mặt biển trung bình cho các trên Biển Đông được xác định từ số liệu đo cao điểm đo cao vệ tinh có thể sử dụng phương vệ tinh SARAL/ALTIKA chu kỳ thứ 18 và mô pháp Collocation. Để giảm khối lượng tính toán hình mặt biển trung bình DTU13MSS, với các thì khi nội suy độ cao mặt biển trung bình cho thống kê: giá trị dị thường mực nước biển nhỏ 1 điểm chỉ cần dùng số liệu trong vòng tròn bán nhất là -1,581m, giá trị dị thường mực nước kính R = 10, mà không cần dùng hết số liệu trên biển lớn nhất là 0,649m, giá trị dị thường mực khu vực xét. nước biển trung bình là 0,108m. Hình 2. Độ cao mặt biển trung bình trên Hình 3. Độ cao mặt biển xác định từ vệ tinh Biển Đông tính từ mô hình DTU13MSS đo cao SARAL/ALTIKA, chu kỳ thứ 18 Trang 69
5. Nguyễn Văn Sáng và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (66-71) Hình 4. Dị thường mực nước xác định từ mô hình DTU13MSS và số liệu đo cao vệ tinh SARAL/ALTIKA chu kỳ thứ 18 trên Biển Đông TÀI LIỆU THAM KHẢO PRESS, San Diego - San Francisco - New Andersen, O. B. (2010). The DTU10 Global York - Boston - London - Sydney -Tokyo. Gravity field and mean sea surface. Second Neiman, Y. M. (2010). Phương pháp hiệp international symposium of the gravity field phương sai trong trắc địa vật lý và of the Earth (IGFS2), Fairbanks, Alaska. Collocation, Matxcova (Tiếng nga). AVISO (2010). DT CorSSH and DT SLA, Product Nguyễn Văn Sáng (2011). Tính toán độ cao Handbook, Toulouse - France. mặt biển từ số liệu đo cao vệ tinh ENVISAT Bùi Công Quế và nnk (2008). Thành lập bản đồ trên vùng biển Việt Nam. Tạp chí khoa học dị thường trọng lực thống nhất trên vùng kỹ thuật Mỏ - Địa Chất, 35:81-85. biển Việt Nam và kế cận. Tạp chí khoa học Nguyễn Văn Sáng (2012). Xác định dị thường công nghệ biển. 2:29-41. trọng lực cho vùng biển Việt Nam bằng kết Bùi Khắc Luyên, Nguyễn Văn Sáng (2014). quả đo cao vệ tinh. Luận án tiến sỹ kỹ thuật, Nghiên cứu phương pháp làm khớp dị Matxcova. thường trọng lực xác định từ số liệu đo cao Nguyễn Văn Sáng (2013). Xác định vị trí điểm vệ tinh trên Biển Đông sử dụng kết quả đo giao cắt trong xử lý số liệu đo cao vệ tinh trọng lực trực tiếp. Đề tài cấp cơ sở, Trường bằng cách mô phỏng đa thức bậc hai. Tạp Đại học Mỏ - Địa Chất, Hà Nội. chí khoa học kỹ thuật Mỏ - Địa Chất, 41:43- European Space Agency (2009). Basic Radar 47. Altimetry Toolbox User Manual, Nguyễn Văn Sáng và Lê Thị Thanh Tâm (2014). Một số kết quả nghiên cứu ứng Fu, L. L., and Cazenave, A. (2001). Satellite dụng đo cao vệ tinh trên Biển Đông. Tuyển Altimetry and Earth Sciences. ACADEMIC tập tóm tắt các báo cáo Hội nghị khoa học Trang 70
6. Nguyễn Văn Sáng và nnk/Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Mỏ - Địa chất 55 (66-71) lần thứ 21, Trường Đại học Mỏ - Địa Chất, lực trung bình từ số liệu đo cao vệ tinh trên Hà Nội. Biển Đông. Tạp chí Khoa học đo đạc và Bản Nguyễn Văn Sáng và Vũ Trung Thành (2015). đồ, 25:49-54. Xây dựng mô hình mặt địa hình biển động ABSTRACT Determination of the sea level anomalies in the East sea from altimetry data Sang Van Nguyen1, Tam Thanh Thi Le1, Tri Van Vu1, Trang Thu Thi Tran1 Tuyen Van Pham2 1Hanoi University of Mining anh Geology, Vietnam 2JSC service and commercial 568, Vietnam Sea level anomaly (SLA) is a difference between the observed sea surface height (SSH) and the mean sea surface (MSS). The SLA allows us to monitor ocean variability due to seasonal variations and climatic phenomena such as El Nino. The model of the MSS and the observed sea surface height are used to compute the SLAs. Locations of the observed sea surface are not coincided with the grids of the MSS model. Thus, the MSS at the locations of the observed sea surface are interpolated from the MSS models. The interpolations are realized by method, called the Collocation. The experimental computations are realized in the East Sea with the data of the SARAL/ALTIKA satellite in the 18st cycle. The DTU13MSS model also is used for computation. The results of the experimental computation show that the SLA in the East Sea varies from - 1.581m to 0.649m and the value of mean is 0.108m. Trang 71