Xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh Bắc Bộ - Hà Thanh Hương

Nội dung text: Xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh Bắc Bộ - Hà Thanh Hương

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Xác định cấu trúc nhiệt độ Vịnh Bắc Bộ Hà Thanh Hương* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 08 tháng 8 năm 2016 Ch nh s a ngày 26 tháng 8 năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 12 năm 2016 Tóm tắt: Vịnh Bắc Bộ là khu vực có cấu trúc nhiệt độ phức tạp do vùng này chịu các tác động của các sông, sự phân hóa trường gió và chế độ nhiệt trên mặt biển thay đổi lớn. Trong thời gian qua chúng tôi đã ứng dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số (LOWESS) xây dựng mặt cong trơn thể hiện sự phân hóa cấu trúc nhiệt độ theo trường bề mặt và theo độ sâu áp dụng cho khu vực Vịnh Bắc Bộ nhằm xác định cấu trúc nhiệt độ gần đúng nhất làm trường ban đầu cho các mô hình nghiên cứu các trường thủy văn biển trên khu vực nghiên cứu. Trong bài báo này áp dụng phương pháp xây dựng mặt cong trơn biến thiên của nhiệt độ theo độ sâu thông qua s dụng các số liệu khảo sát đo đạc thu thập để xác định cấu trúc 3 chiều nhiệt độ khu vực Vịnh Bắc Bộ. Từ khóa: Vịnh Bắc Bộ, cấu trúc nhiệt độ. 1. Đặt vấn đề theo độ sâu nhằm phục vụ các mô hình nghiên cứu biển. Xác định cấu trúc nhiệt độ đáng tin cậy làm đầu vào cho các mô hình đã và đang được các nhà khoa học quan tâm [1] bởi tính ứng dụng 2. Cơ sở dữ liệu và phương pháp xây dựng thiết thực của trường này trong các ngành công cấu trúc nhiệt muối theo độ sâu nghiệp biển. Vịnh Bắc Bộ là khu vực phát triển kinh tế 2.1. Cơ sở dữ liệu du lịch chiến lược của nước ta, vì vậy việc xác - Trường số liệu đồng hóa từ ảnh viễn thám định cấu trúc nhiệt độ Vịnh có ý nghĩa vô cùng nhiệt độ nước mặt biển (SST) cập nhật theo hệ quan trọng để giải các bài toán hoàn lưu, sinh thống MODAS của phòng Nghiên cứu Hải thái môi trường trong bối cảnh phát triển kinh tế quân Hoa kỳ (NRC). - xã hội hiện nay khi mà các hoạt động kinh tế của con người gây ảnh hưởng nghiêm trọng cho - Các phân bố nhiệt độ, độ muối theo vùng Vịnh này [2]. phương thẳng đứng được căn cứ theo các số liệu trong bộ Atlat đại dương thế giới Áp dụng phương pháp bình phương tối (WOA2001, WOA 2005, WOA 2009). thiểu có trọng số (LOWESS) xác định cấu trúc 3 chiều của nhiệt độ từ trường nhiệt bề mặt và - Các số liệu đo đạc khảo sát của các đề tài được lưu trữ tại Viện nghiên cứu Hải sản, số ___ liệu của dự án hợp tác Việt- Xô, Việt -Trung ĐT.: 84-912726027 Email: huonghat@yahoo.com 109
2. 110 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Đặc điểm các số liệu đo đạc khảo sát theo này được lặp lại cho mỗi điểm x thuộc tập dữ độ sâu: liệu. - Số liệu CTD: Các bước thực hiện: Giả s tập dữ liệu gồm giá trị đo đạc z tại các điểm trong mặt phẳng + Đo đạc tại các trạm không liên tục và n ij không đồng bộ được cập nhật từ tháng 1/2006 pij (,) x ij y ij . Ta cần xây dựng hàm đến tháng 5/2013. z f(,) x y xấp x cho tập điểm trên. + Các trạm đo khá dày ở phía bờ Tây Vịnh. Cố định một giá trị q và quanh mỗi điểm Số liệu các chuyến khảo sát của dự án Việt – Xô, Việt -Trung ít nhưng có giá ta sẽ chọn 1 lân cận gồm trị cao vì nằm ở phần bờ Đông Vịnh. qn 2 điểm dung để xấp x giá trị của hàm. Số liệu WOA có rất ít tập trung chủ yếu 2 ở vùng c a Vịnh. Giá trị càng lớn thì hàm nhận được càng trơn, nhưng khả năng mô tả chính xác tập dữ liệu sẽ 2.2. Phương pháp LOWESS xây dựng cấu trúc giảm đi. nhiệt độ theo độ sâu 1. Gọi dij là khoảng cách từ điểm xa nhất Tác giả đã xây dựng mặt cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu và theo nhiệt độ bề mặt trong lân cận đến điểm pij đang xét. Khi đó bằng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số wkl của điểm pkl trong lân cận được trọng số địa phương (LOWESS) từ đó xác định xác định như sau: cấu trúc 3 chiều của nhiệt độ. Việc xây dựng mặt cong nhiệt độ cho khu vực Vịnh Bắc Bộ ||ppij kl wT (1) này là khả thi bởi [3]: kl dij - Tận dụng được triệt để vị trí các điểm đo trong đó: (thể hiện được sự phân hóa nhiệt độ theo phương ngang) do sự không đồng bộ cả về 22 |pij p kl | ( x ij x kl ) ( y ij y kl ) (2) không gian và thời gian của dữ liệu. và hàm trọng T xác định bởi: - Tận dụng nguồn số liệu đồng hóa từ ảnh viễn thám để xây dựng trường 3D nhiệt độ theo (1 |uu |33 ) khi | | 1 độ sâu. Tu() . (3) 0 khi |u | 1 - Mô phỏng tương đối những khu vực ít số liệu. Như vậy trọng số của điểm đang xét Phương pháp LOWESS được gán bằng 1, còn trọng số của các điểm trong lân cận của nó sẽ giảm dần cho đến Phương pháp LOWESS (locally weighted scatter plot smooth) là một phương pháp hồi những điểm cách xa nhất sẽ có trọng số quy tuyến tính có trọng số địa phương dùng để bằng 0. xấp x tập dữ liệu rời rạc bằng mặt trơn. 2. Để tính giá trị xấp x f(,) x y ta sẽ Trong phương pháp này để xác định giá trị ij ij xấp x của hàm số tại 1 điểm x ta sẽ dùng 1 lân dùng phương pháp bình phương tối thiểu có cận các điểm quanh x với số lượng cố định và trọng số. Ta đặt gán cho mỗi điểm một trọng số, trọng số này sẽ giảm dần khi các điểm càng cách xa x. Sau đó áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu có trọng số để tìm giá trị xấp x tại x. Quá trình
3. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 111 Toàn bộ chương trình tính toán được viết trên phần mềm Matlab đã được thực hiện: - Xây dựng mặt cong nhiệt độ biến đổi theo (4) độ sâu và theo nhiệt độ bề mặt. và cestimate z a estimate x b estimate y . - Với mỗi giá trị kinh độ vỹ độ và nhiệt độ bề mặt ta có thể đưa ra được 1 profile theo độ Trong đó x, y , z là các trung bình theo sâu tương ứng nằm trên mặt cong tại lát cắt là trọng số: giá trị bề mặt. wkl x kl  w kl y kl  w kl z kl Hình 1 và 3 cho ta mặt cong biến thiên của x k,,, l, y k l , z k l nhiệt độ theo độ sâu và theo sự phân hóa của o wkl  w kl  w kl nhiệt độ bề mặt tại vùng giới hạn bởi 107-108 E k,,, l k l k l (5) và 18-19oN (khu vực giữa Vịnh Bắc Bộ) tháng 1 và tháng 7 trong nhiều năm, các điểm sáng Ta nhận được giá trị xấp x tại pij : trên hình thể hiện các giá trị đo đạc, khảo sát f(,) x y a x b y c theo độ sâu tại khu vực này. Có thể thấy rằng ij ij estimate ij estimate ij estimate (6) các chuỗi nhiệt độ đo đạc theo độ sâu tại khu vực giới hạn này có nhiệt độ bề mặt biến thiên 3. Các kết quả ứng dụng phương pháp từ 19.2 -24 độ ở tháng 1 và từ 28.6-31 độ trong LOWESS xây dựng mặt cong nhiệt độ và cấu tháng 7 nằm rải rác trong toàn vùng và được đo trúc 3 chiều nhiệt độ theo độ sâu đạc không đồng bộ vào các ngày khác nhau trong tháng và trong nhiều năm. Mặt cong được Trên cơ sở lý thuyết của phương pháp xây dựng theo phương pháp LOWESS phân bố LOWESS ta tiến hành xác định mặt nhiệt độ nhiệt độ theo độ sâu đã thể hiện rất tốt sự biến bằng việc xác định các giá trị z f(,) x y thiên này. trong đó z là biến nhiệt độ, x là biến nhiệt độ bề Sự phân hóa trường nhiệt độ bề mặt cho ta mặt được lấy từ dữ liệu nhiệt độ bề mặt được cấu trúc 3 chiều tương ứng của các vị trí thể đồng hóa bằng ảnh vệ tinh của cơ sở dữ liệu hiện bởi các profile tại các vị trí có nhiệt độ bề MODAS, y là biến theo độ sâu, hàm f được xác mặt khác nhau sẽ khác nhau (hình 2, 4). định từ cơ sở dữ liệu đo đạc thu thập được. S dụng tham số q để hiệu ch nh. Bien thien nhiet do thang 1 tai 10718 26 24 22 20 Nhiet do Nhiet 18 16 0 -20 24 -40 23 22 -60 21 -80 20 Do sau Nhiet do be mat Hình 1. Mặt cong nhiệt độ tháng 1 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107-108oE và 18-19oN Vịnh Bắc Bộ.
4. 112 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Bien thien nhiet do voi nhiet do be mat 23do Bien thien nhiet do voi nhiet do be mat 21do Bien thien nhiet do voi nhiet do be mat 19do 0 0 0 -10 -10 -10 -20 -20 -20 -30 -30 -30 -40 -40 -40 Do sau Do sau Do sau -50 -50 -50 -60 -60 -60 -70 -70 -70 -80 -80 -80 -90 -90 -90 -100 -100 -100 21.5 22 22.5 23 23.5 19 19.5 20 20.5 21 21.5 16 16.5 17 17.5 18 18.5 19 19.5 Nhiet do Nhiet do Nhiet do Hình 2. Profile nhiệt độ tháng 1 khu vực 107-108o E và 18-19o N theo các lát cắt với nhiệt độ bề mặt tương ứng là 23 độ,21 độ và 19 độ. Bien thien nhiet do thang 7 tai 10718 35 30 25 Nhiet do Nhiet 20 0 -20 30 -40 29.8 29.6 29.4 -60 29.2 29 -80 28.8 Do sau 28.6 Nhiet do be mat Hình 3. Mặt cong nhiệt độ tháng 7 theo độ sâu và theo biến thiên nhiệt độ tầng mặt tại khu vực 107-108oE và 18-19oN Vịnh Bắc Bộ. Bien thien nhiet độ voi nhiet do be mat 29 do Bien thien nhiet do voi nhiet do be mat 30 do Bien thien nhiet do voi nhiet do be mat 30.5 do 0 0 0 -10 -10 -10 -20 -20 -20 -30 -30 -30 -40 -40 -40 Do sau Do sau Do sau -50 -50 -50 -60 -60 -60 -70 -70 -70 -80 -80 -80 -90 -90 -90 -100 -100 -100 20 22 24 26 28 30 20 22 24 26 28 30 32 18 20 22 24 26 28 30 32 Nhiet do Nhiet do Nhiet do Hình 4. Profile nhiệt độ tháng 7 khu vực 107-108o E và 18-19o N theo các lát cắt với nhiệt độ bề mặt tương ứng là 29, 30 và 30.5 độ.
5. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 113 Profile nhiệt độ tháng 5 tại 107.65o E và 20.99oN Profile nhiệt độ tháng 7 tại 108.5oE và 20oN với nhiệt mặt là 26.0 độ với nhiệt mặt là 30.3 độ Hình 5. Kết quả so sánh giữa tính toán theo LOWESS và thực đo. Ưu điểm của phương pháp LOWESS là 3 chiều tin cậy phục vụ đầu vào cho mô hình 3 thể hiện tốt phân bố theo độ sâu ở cả những chiều, đã khẳng định tính hiệu quả của phương vùng nước nông ven bờ và vùng nước sâu vào pháp xây dựng mặt cong cấu trúc nhiệt độ trong các tháng mùa hè và tháng chuyển tiếp (hình 5). nghiên cứu biển. Như vậy, với phương pháp xây dựng mặt Áp dụng phương pháp LOWESS cho khu cong phân bố nhiệt độ theo độ sâu cho ta kết vực Vịnh Bắc Bộ ta xây dựng được các trường quả rất tốt, thể hiện được sự phân hóa mạnh mẽ nhiệt độ phân bố theo độ sâu và theo các tháng của nhiệt độ trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. Với cụ thể, dưới đây là các kết quả xác định cấu trúc phương pháp mới này chúng ta hoàn toàn có thể 3 chiều của nhiệt độ theo các tháng đại diện các xây dựng một cấu trúc 3 chiều nhiệt độ, độ mùa trung bình nhiều năm. muối trên toàn Vịnh khi có được trường bề mặt ban đầu. Xây dựng được các trường nhiệt muối tang 30m tang 50m 1 21 21 tang mat 7 . 21 5 18 20 20 20 19 .5 20 5 20. 19 19 19 22 21.5 2 2 18 23.5 18 23.5 5 . 18 3 2 23 23 17 17 23 17 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 Hình 6. Nhiệt độ trung bình tháng 1 nhiều năm tại bề mặt, tầng 30m và tầng 50m theo LOWESS.
6. 114 H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 Dựa vào cấu trúc nhiệt độ ta cũng có thể tháng 1 có sự đồng nhất theo độ sâu nhưng thấy được xu thế độ dày của lớp đồng nhất nhiệt phân hóa mạnh theo mặt rộng và tăng dần từ bờ phát triển xuống các tầng nước khá sâu vào mùa ra khơi. đông (40-50m), nhiệt độ tại các tầng sâu trong tang mat tang 30m tang 50m 21 21 21 20.5 20 21.5 20 20 19 19 19 24 23.5 23 18 24.5 18 23.5 18 22.5 24.5 23.5 23 17 17 17 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 Hình 7. Nhiệt độ trung bình tháng 4 nhiều năm tại bề mặt, tầng 30m và tầng 50m theo LOWESS. Cấu trúc nhiệt độ tháng 4 cho thấy lớp đồng nhất nhiệt đã giảm xuống nhỏ hơn 30m thấy rõ sự phân hóa nhiệt độ cả theo mặt rộng và theo độ sâu. 2 9 tang 10m tang 30m tang mat . tang 50m 21 5 21 21 21 28 29 27 20 20 28.5 20 20 19 19 19 19 27 25 27.5 24 18 25.5 18 27.5 18 28 18 23 5.5 27 17 2 27.5 17 .5 17 17 22 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 Hình 8. Nhiệt độ trung bình tháng 7 nhiều năm tại bề mặt, tầng 10m, tầng 30m và tầng 50m theo LOWESS. tang mat tang 30m tang 50m 21 21 21 28.5 26 27 26.5 20 20 20 19 19 19 26 27.5 27 18 23.5 18 25.5 18 27.5 25.5 26.5 17 27 17 17 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 105 106 107 108 109 Hình 9. Nhiệt độ trung bình tháng 9 nhiều năm tại bề mặt tầng 30m và tầng 50m theo LOWESS.
7. H.T. Hương / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016) 109-115 115 Vào mùa hè lớp đồng nhất nhiệt độ trên phương pháp xây dựng mặt cong cấu trúc nhiệt toàn Vịnh rất mỏng nhỏ hơn 10m, tồn tại một muối trong nghiên cứu biển. lưỡi nước lạnh từ c a Vịnh lan truyền vào ở vùng nước sâu làm xuất hiện một vùng nước trồi yếu khu vực ven bờ đèo Ngang. Mùa hè cấu Tài liệu tham khảo trúc nhiệt độ rất phức tạp và biến động rất lớn theo độ sâu tại các khu vực nước sâu trong Vịnh. [1] Pham Hoang Lam, Ha Thanh Huong, Pham Van Huan, 2007, Computing vertical profile of temperature in Eastern Sea using cubic spline functions. Vietnam National University, Hanoi, 4. Kết luận Journal of Science, Earth Sciences, Volume 23, No. 2, pp. 122-125. Việc kết hợp xác định cấu trúc 3 chiều nhiệt [2] Đinh Văn Ưu, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN 06- độ với phương pháp xây dựng mặt cong phân 02 ”Nghiên cứu cấu trúc ba chiều (3D) thuỷ nhiệt bố nhiệt độ theo độ sâu cho ta kết quả rất tốt, động lực học biển Đông và ứng dụng của chúng” thể hiện được sự phân hóa mạnh của nhiệt độ năm 2000. trong khu vực Vịnh Bắc Bộ. Các trường nhiệt [3] Hà Thanh Hương, Đinh Văn Ưu, Đinh Văn Mạnh, độ 3 chiều đủ tin cậy phục vụ cho các mô hình 2014. Ứng dụng phương pháp LOWESS trong dự báo biển, đã khẳng định tính hiệu quả của nghiên cứu cấu trúc nhiệt muối Vịnh Bắc Bộ. Tạp chí Khí tượng Thủy văn số 647, tr. 38 – 44. Determine the Temperature Structure of the Tonkin Gulf Ha Thanh Huong Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Abstract: Tonkin Gulf is the area with the temperature structure complicated by the region under the impact of the river, the wind divergence and sea surface temperature regime on major changes. In recent years we have applied the least squares method of weight (LOWESS) to build curved surfaces show structural differentiation under the surface temperature with depth and apply to the Tonkin Gulf area to determine the temperature structure as the initial field approximated the original models of the hydrological study on the marine research area. In this paper applies the method to build curved surfaces of temperature variation with depth through the use of surveys and measurement data collected to determine the 3-dimensional structure temperature Gulf region. Keywords: Tonkin Gulf, temperature structure.