Giáo trình MÔ HÌNH HOÀN LƯU BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG

Chương này giới thiệu tổng quan về các mô hình biển, trong đó chú trọng các mô hình biển ven, kể cả các mô tả về biến động của các trường nhiệt độ và độ muối. Khá nhiều các mô hình loại này đã và sẽ được sử dụng như một bộ phận của hệ thống dự báo biển. Trong tương lai, các mô hình phức tạp của khí quyển, đại dương, lục địa sẽ được kết hợp nhằm đưa ra một mô hình toàn diện. Bản thân mô hình đó có thể tự nó cũng như kết hợp để...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình MÔ HÌNH HOÀN LƯU BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG Giáo trình MÔ HÌNH HOÀN LƯU BIỂN VÀ ĐẠI DƯƠNG Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH HOÀN LƯU BIỂN 1.1 Mở đầu Chương này giới thiệu tổng quan về các mô hình biển, trong đó chú trọng các mô hình biển ven, kể cả các mô tả về biến động của các trường nhiệt độ và độ muối. Khá nhiều các mô hình loại này đã và sẽ được sử dụng như một bộ phận của hệ thống dự báo biển. Trong tương lai, các mô hình phức tạp của khí quyển, đại dương, lục địa sẽ được kết hợp nhằm đưa ra một mô hình toàn diện. Bản thân mô hình đó có thể tự nó cũng như kết hợp để trở thành một bộ phận của mô hình khí hậu toàn cầu. Xu thế tất yếu là các mô hình vật lí ngày càng bao quát thêm các quá trình sinh học, nhằm mục đích hiểu rõ hơn về sinh thái biển và nhu cầu quản lí các bãi cá. 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 hưởng tới biển. Những tác động này bao gồm các dòng động lượng, nhiệt và ẩm trao đổi qua mặt biển, cũng như lưu lượng sông gây ảnh hưởng đến hoàn lưu đại dương quy mô lớn. Mỗi khi mô hình đã được khẳng định, có thể thông qua so sánh với các quan trắc và với lời giải giải tích, mô hình có thể sử dụng như công cụ kết nối với các vấn đề môi trường. 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 ứu cho việc đổ chất thải ra biển. Những vấn đề như vậy đòi hỏi các kiến thức về hoàn lưu trong môi trường biển, thường chỉ được 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, người ta biết rõ rằng các bãi các cod tại các bãi ngầm gần Newfounđland có sự biến động với chu kỳ nhiều năm (Mayer et al., 1993). 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 được hiện tượng 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 độ khác nhau. Trước hết là các mô hình chẩn đoán. Người 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 chẩn 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 đó các trường nhiệt độ và độ muối được 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 chẩn đoán thường được sử dụng như điều 4 kiện ban đầu và điều kiện biên ngang đối với mô hình dự báo. Cả hai nhóm mô hình trên 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. Chúng ta sẽ bắt đầu tổng quan này từ các mô hình chẩn đoán. Sau đó sẽ dần dần chuyển sang các mô hình dự báo. Chúng ta sẽ lần lượt mô tả các cách thiết lập mô hình khác nhau, các tác động và một số ví dụ sử dụng các mô hình trong dải thềm lục địa. ở sẽ không đề cập đến các mô hình triều, vì chúng sẽ được đề cập đến trong một chuyên khảo khác. Mặt khác chúng ta sẽ tập trung đến các mô hình ba chiều đầy đủ, trong đó bao gồm các biến động nhiệt độ và độ muối, mặc đầu cũng sẽ dành một sự chú ý nhất định đến mô hình hai chiều, tích phân theo độ sâu. 1.2 Các mô hình chẩn đoán Lịch sử của các mô hình chẩn đoán bắt đầu khi xuất hiện bộ môn Vật lí biển (có nghĩa là từ thời Sandstrom và Helland-Hansen, 1903). Tại điểm xuất phát, người ta cho rằng các dòng chảy đều là địa chuyển và thuỷ tĩnh. Các phương trình gió nhiệt có thể sử dụng để tính toán các trường vận tốc nếu như biết được giá trị tại một mực quy chiếu nào đó. Thông thường ngời ta chọn mực quy chiếu có vận tốc bằng 0 và vận tốc tính được là giá trị tương đối so với độ sâu đó. Vấn đề nẩy sinh khi độ sâu của biển trở nên nhỏ hơn độ sâu quy chiếu này, điều thường xuyên xẩy ra đối với các vùng biển ven bờ. Trong trường hợp mặt cắt thuỷ văn hai chiều, Helland- Hansen (1934) giải quyết bằng cách ngoại suy các đường đẳng thể ngang phía dưới đáy biển xuất phát từ điểm cắt với đáy dốc. Điều này đảm bảo rằng vận tốc địa chuyển trên đáy sẽ bằng 0 nếu mực quy chiếu nằm dưới đáy biển (chúng ta cho rằng vận tốc dòng địa chuyển trên đáy bị triệt tiêu do ma sát đáy). Phương pháp của Montgomery (1941) và Csanady (1979) hoàn toàn tương đương với phương pháp Helland-Hansen (1934), vì các phương pháp đó đều lấy điểm xuất phát cho rằng vận tốc dòng chảy địa chuyển trên ...