Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
250 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

ỨNG DỤNG BỘ MÔ HÌNH KẾT NỐI NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỘNG CỦA
NHIỆT ĐỘ NƯỚC BỀ MẶT (SST) KHU VỰC BỜ TÂY BIỂN ĐÔNG
Lê Quốc Huy
(1)
, Trần Thục
(1)
, Đinh Văn Ưu
(2)
(1)
Viện Khoa học Khí tượng Thủy Văn và Môi trường.
(2)
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

Trong nghiên cứu này, mô hình kết nối COAWST, với hai mô hình được kết nối là
ROMS và WRF được ứng dụng để tính toán sự biến động của trường nhiệt độ bề mặt biển
(SST) trên Biển Đông trong năm 1997. Kết quả tính toán sau đó được phân tích bằng phương
pháp Wavelet để xác định sự xuất hiện của các chu kỳ biến động có quy mô từ 7 ngày đến 3
tháng. Kết quả tính toán và phân tích cho thấy có sự biến động rõ rệt theo mùa của SST trên
Biển Đông. Qua phân tích wavelet có thể thấy tồn tại dao động chu kỳ 1 tháng là rõ rệt nhất
thể hiện ở cả điểm Hòn Dáu và Nha Trang. Ngoài ra cũng thấy xuất hiện các chu kỳ biến
động có quy mô từ 10 đến 20 ngày và 3 tháng ở điểm Nha Trang .

1. Giới thiệu
Biển Đông là một biển ven đại dương nhưng được xem như gần khép kín. Do
tính phức tạp của điều kiện địa hình và bờ Biển Đông đã tạo nên sự đa dạng và biến
động lớn của các yếu tố tác động lên bề mặt nước biển như các trường khí tượng,
tương tác biển khí quyển, tương tác đất biển từ đó gây ra sự phức tạp tương ứng của

các trường hải văn [Đinh Văn Ưu, 2010]. Sự biến động theo thời gian của chúng chịu
tác động chủ yếu của chế độ gió mùa. Sự biến động theo không gian lại do ảnh hưởng
của yếu tố địa hình, đường bờ và các hoàn lưu khí quyển quy mô lớn. Trường nhiệt độ
bề mặt biển (SST) là yếu tố hải văn đặc trưng cho những biến động trên Biển Đông.
Sự biến động của yếu tố này có vai trò quan trọng tác động đến chế độ khí tượng cục
bộ của các vùng ven biển và chế độ hoàn lưu nhiệt-muối trên Biển Đông. Nghiên cứu
mô phỏng và tiến tới dự báo được sự biến động của yếu tố này (đặc biệt là những biến
động trong quy mô vừa và nhỏ) sẽ góp phần nâng cao hiệu quả dự báo khí tượng, thủy
văn biển phục vụ cho một số lĩnh vực kinh tế, quốc phòng hoạt động trên Biển Đông,
nhất là đối với ngành đánh bắt hải sản.
Biến động của các hiện tượng được xem như xảy ra trong một hệ thống tương
tác đại dương - khí quyển - lục địa. Sự tương tác này thể hiện qua sự trao đổi các
thông lượng giữa các môi trường qua bề mặt tiếp giáp giữa chúng. Để nâng cao khả
năng mô hình hóa ngày càng sát với thực tế hơn, mô hình kết nối (couple model) đã
được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới. Các mô hình này có sự kết nối song song
giữa các mô hình khí tượng, hải dương và sóng có thể mô phỏng đồng thời các trường
khí tượng, hải dương và sự tương tác qua lại giữa các quá trình qua bề mặt phân cách.
Do đó mô hình kết hợp là phương pháp số hiệu quả để nghiên cứu biến động của các
trường khí tượng, hải văn.
2. Phương pháp và dữ liệu
Nghiên cứu này sử dụng mô hình kết nối COAWST (Coupled Ocean
Atmosphere Wave Sediment Transport) để mô phỏng trường SST trên Biển Đông. Mô
hình có 3 mô hình thành phần là mô hình khí tượng WRF, mô hình hải dương ROMS
và mô hình sóng SWAN. Tuy nhiên nghiên cứu này chỉ ứng dụng hai mô hình WRF
và ROMS. Cơ sở lý thuyết và cơ chế kết nối song song của mô hình được trình bày chi

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 251


tiết trong [Lê Quốc Huy, 2013]. Trong khuôn khổ bài báo này chỉ trình bày thiết lập
các mô hình thành phần trong bộ mô hình kết nối.
a) Mô hình WRF
Miền tính, lưới tính
Miền tính có 161 x 161 điểm lưới, trong khoảng 5
o
S- 35
o
N, 90
o
E-130
o
E và độ
phân giải ngang là 28km. Hệ tọa độ thẳng đứng η được sinh theo sự biến đổi của địa
hình. Thử nghiệm lựa chọn 27 mực thẳng phân bố không đều từ mặt đất đến mực xấp
xỉ 100mb (η ~ 0).
Điều kiện biên, điều kiện ban đầu
Số liệu các trường tái phân tích, là sản phẩm dự án NCEP/DOE Reanalysis II
(R2), đã được sử dụng. Độ phân giải ngang của R2 là T62 (209km) và 28 mực sigma.
Số liệu được cập nhật 6h một lần. Số liệu được viết dưới dạng WMO GRID1 và được
NCEP cung cấp miễn phí tại địa chỉ:
b) Mô hình ROMS
Miền tính, lưới tính, địa hình
Miền tính nằm trong khoảng 99
o
E-121
o
E và 0-23
o
N. Lưới tính là lưới vuông có

độ phân giải là 1/6 độ với 131 nút lưới theo kinh hướng, 141 nút lưới theo vĩ hướng và
16 lớp theo độ sâu trong hệ tọa độ sigma. Miền tính của mô hình có 3 biên lỏng: phía
Bắc tại eo Đài Loan, phía Đông tại eo Bashi, phía Nam tại eo Malacca. Địa hình sử
dụng trong mô hình là số liệu Etopo2 có độ phân giải là 2 phút. Địa hình được làm
trơn với tham số r = 0,2 (Đây là tham số phù hợp với điều kiện địa hình Biển Đông,
đặc biệt là dạng bờ dốc đứng ven bờ biển miền Trung Việt Nam theo nghiên cứu của
Dương Hồng Sơn, 2004). Độ sâu nhỏ nhất được lựa chọn trong mô hình là 10m.
Điều kiện biên, điều kiện ban đầu
Điều kiện biên tại biên lỏng được trích xuất từ nguồn số liệu ECCO có độ phân
giải 1/4
o
x 1/4
o
(Gary Egbert và Lana Erofeeva). Điều kiện ban đầu được trích xuất từ
nguồn số liệu WOA-2009 với phương pháp nội suy ‘cubic’ để nội suy cho các điểm
không có dữ liệu từ các điểm xung quanh trong bán kính 300km theo phương ngang và
phương thẳng đứng. Các tham số của 8 sóng thủy triều là K1, O1, P1, Q1, M2, N2,
K2, S2 được đưa vào các biên lỏng của mô hình. Các dữ liệu thủy triều này được lấy
từ nguồn số liệu TPXO7. Điều kiện biên trên mặt (điều kiện biên forcing) được trích
xuất từ số liệu COADS gồm các số liệu tác động lên bề mặt biển.
Phương pháp phân tích wavelet cũng được áp dụng phân tích chuỗi số liệu tại
một số vị trí có sự biến động cao của trường SST để xác định các chu kỳ dao động và
thời điểm xuất hiện.
3. Kết quả và thảo luận
Nghiên cứu đã thực hiện chạy mô hình mô phỏng các trường thủy động lực
Biển Đông trong cả năm 1997 trong chế độ khí hậu với số liệu đầu vào ở dạng trung
bình khí hậu.
Kết quả mô phỏng cho thấy sự biến động theo không gian và thời gian của SST
Biển Đông có hai hình thế đặc trưng trong mùa đông và mùa hè. Trong mùa đông,


Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
252 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

dưới tác động của gió mùa đông bắc chiếm ưu thế, trường SST có sự phân hóa rõ rệt
theo không gian khi giá trị SST thấp ở phần biển phía bắc và giá trị SST cao hơn ở
phần biển phía nam. Ngoài ra dòng chảy ven bờ tây Biển Đông cũng tạo nên sự xâm
nhập của lưỡi nước lạnh có nhiệt độ thấp xuống sâu phía nam (Hình 1). Kết quả tính
toán cho thấy lưỡi nước lạnh xuất hiện và hoạt động từ tháng 11 đến tháng 2 trong
mùa đông. Nếu lấy đường đẳng trị 26 làm dấu hiệu của lưỡi nước lạnh thì có thể thấy
nó xâm nhập xuống khoảng vĩ độ 8. Trong mùa hè, khi gió mùa tây nam chiếm ưu thế,
SST có giá trị đồng đều hơn trên phần lớn vùng biển (28-30
o
C) ngoại trừ SST ở vùng
biển Nam Trung thấp hơn do sự xuất hiện và hoạt động của nước trồi mang khối nước
có nhiệt độ thấp hơn ở tầng sâu đi lên (Hình 2). Nước trồi xuất hiện khi gió mùa tây
nam bắt đầu thổi ổn định, ứng suất gió kết hợp với hướng đường bờ gây nên dòng
chảy trên mặt có hướng từ bờ ra khơi và hình thành đối lưu thẳng đứng vùng nước ven
bờ. Thời gian tồn tại của nước trồi là khoảng từ tháng 5 đến tháng 9, tuy nhiên tùy
từng năm mà khoảng thời gian này cho thể co dãn khác nhau. Dựa trên đường biến
trình SST tại điểm 110.5
o
E-12
o
N (ngoài khơi Nha Trang) có thể thấy trong năm 1997
nước trồi cũng tồn tại trong khoảng thời gian trên với những khoảng thời gian SST có
gía trị trong khoảng 27-28
o
C (Hình 5a).
Như phân tích ở trên, trường SST bờ tây Biển Đông có sự biến động rõ rệt theo
chu kỳ mùa. Nhưng theo nhiều nghiên cứu khác, khu vực nghiên cứu cũng như trên

toàn Biển Đông còn có sự xuất hiện của các dao động có chu kỳ dưới mùa hay nội
mùa (từ 10 ngày đến 3 tháng). Trong khu vực nghiên cứu, biến động của trường SST
có thể được nhận thấy qua sự tiến triển của các các tâm dị thường theo thời gian và
không gian do sự hoạt động của hai đặc trưng lưỡi nước lạnh và khối nước trồi. Từ
tuần thứ 10 đến tuần thứ 30 xuất hiện sự dịch chuyển ngược nhau của các tâm dị
thường dương và âm trong đó dị thường dương dịch chuyển lên phía bắc còn dị
thương âm dịch chuyển xuống phía nam (Hình 3). Từ tuần thứ 20 đến tuần thứ 35
(khoảng tháng 5 đến tháng 9) xuất hiện sự dịch chuyển sang phía đông theo vĩ tuyến
12 của tâm dị thường âm. Còn từ tuần thứ 35 đến 50 tâm dị thường âm đã chuyển
thành tâm dị thường dương và dịch chuyển về phía tây (Hình 4). Đây có thể là biến
động của tâm nước trồi trong năm.


(a)

(b)
Hình 1. Trường nhiệt độ trung bình mặt Biển Đông tháng 1 năm 1997
(a) Số liệu AVHRR SST, (b) mô hình kết nối
(
o
C)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 253


(a)



(b)
Hình 2. Trường nhiệt độ trung bình mặt Biển Đông tháng 7 năm 1997
(a) Số liệu AVHRR SST, (b) mô hình kết nối
Chuỗi số liệu năm của SST được trích ra từ kết quả mô phỏng tại 2 điểm gần
hai trạm Hòn Dáu và Nha Trang. Phương pháp wavelet (CWT-Morlet) được áp dụng
để phân tích sự dao động của các chu kỳ khác nhau. Trước khi phân tích wavelet,
chuỗi số liệu tại hai điểm được lọc loại bỏ các nhiễu của các chu kỳ khác.
Kết quả phân tích tại điểm Hòn Dáu cho thấy có sự xuất hiện dao động của SST
theo chu kỳ từ 20 đến 30 ngày (Hình 5b) và chu kỳ từ 7 đến 20 ngày (Hình 5c). Ở
điểm Nha Trang cũng có các chu kỳ trên (Hình 6b, 6c) nhưng còn xuất hiện chu kỳ 3
tháng rất rõ rệt (Hình 6d).


Hình 3. Biến động của dị thường SST theo
vĩ độ và thời gian (tuần) tại kinh độ
110.5E
Hình 4. Biến động của dị thường SST theo
kinh độ và thời gian (tuần) tại vĩ độ 12N
(
o
C)

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
254 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường


a)

b)


c)
Hình 5. Kết quả phân tích wavelet chuỗi số liệu năm tính toán ở trạm Hòn Dáu
a): Biến trình SST năm 1997; b) và c): Phân tích wavelet đối với các chu kỳ tần số cao

a)

b)

c)

d)
Hình 6. Kết quả phân tích wavelet chuỗi số liệu năm tính toán ở điểm
a): Biến trình SST năm 1997; b) và c): Phân tích wavelet đối với các chu kỳ tần số cao
d): Phân tích wavelet đối với các chu kỳ tần số thấp

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 255

Kết luận
Biến động trường SST ở khu vực bờ tây Biển Đông đã được mô phỏng bằng
mô hình kết nối. Kết quả mô phỏng cho thấy có sự tương đồng cao giữa mô hình và số
liệu vệ tinh. Biến động mùa của trường SST trong khu vực nghiên cứu thể hiện rõ ràng
trong hai mùa đông, hè với sự xuất hiện của hai đặc trưng lưỡi nước lạnh và khối nước
trồi. Sự biến động này được thể hiện qua sự tiến triển của các tâm dị thường SST theo
thời gian tại kinh tuyến 110.5 và vĩ tuyến 12. Sự tiến triển của các tâm dị thường cũng
chỉ rõ được quá trình hoạt động của tâm nước trồi. Ngoài ra phân tích wavelet đối với
chuỗi số liệu tính toán tại hai điểm Hòn Dáu và Nha Trang cũng đã làm sáng tỏ sự
xuất hiện của các chu kỳ dao động trong các khoảng thời gian 10-20 ngày, 20-30 ngày
và 3 tháng.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đinh Văn Ưu (2010), Hải dương học khu vực và Biển Đông, NXB Đại học Quốc
gia Hà Nội.
2. Đinh Văn Ưu và nnk (2005), Biến động mùa và nhiều năm của trường nhiệt độ
nước mặt biểnvà sự hoạt động của bão tại khu vực Biển Đông, Tạp chí KH
ĐHQG, XXI, 3PT, 127-136,2005
3. Dương Hồng Sơn (2004). Chuyên đề Dự báo ngắn hạn trường dòng chảy và nhiệt
độ Biển Đông, Đề tài KC. 09.04.
4. John C. Warnera, Christopher R. Sherwooda, Richard P. Signella, Courtney K.
Harrisb, Hernan G. Arangoc (2008), Development of a three-dimensional,
regional, coupled wave current, and sediment-transport model. Computers &
Geosciences 34 (2008) 1284–1306.
5. Lê Quốc Huy (2013), Báo cáo đề tài cấp cơ sở năm 2012: “Bước đầu nghiên cứu
và ứng dụng bộ công cụ kết nối song song giữa mô hình khí tượng và hải dương”.
Thư viện Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường.
6. Trần Anh Tú, Nguyễn Chí Công, Nguyễn Ngọc Tiến, Phạm Thế Truyền, Nguyễn
Viết Quỳnh, Đinh Văn Ưu. (2011). Quá trình hình thành và biến động khu vực
nước lạnh ven bờ tây Biển Đông. Hội nghị Khoa học và Công nghệ Biển toàn
quốc lần thứ 5. Quyển 2: Khí tượng Thủy văn và Động lực học biển, Hà Nội tháng
10 – 2011, tr. 249-256.

APPLICATION COUPLED MODEL TO INVESTIGATE
INTRASEASONAL VARIATION OF SEA SURFACE TEMPERATURE
ON THE WEST OF THE EAST SEA
Le Quoc Huy
(1)
, Tran Thuc
(1)
, Dinh Van Uu

(2)
(1)
Viet Nam Institude of Meteorology Hydrology and Environment
(2)
University of Natural Sciences, Hanoi National University

This study applied parallel coupled model– COAWST, and the two components are
ROMS and WRF model. This model simulated variations of SST fields in the west of East Sea
in 1997. Then, the simulation results were analyzed using Wavelet method to estimate

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI
256 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

variation of different periods. The most of significant variation is intraseasonal variation,
include of 10-20 days, 20-30 days periods variations and 3month period variation.
The meteorological and ocenographic fields in the East Sea variations in both space
and time. The interaction between the atmosphere, ocean and continent also play a major role
creating the phenomenon of local. This study applied the couple model- COAWST with two
components models are ROMS and WRF. Simulation of the SST variations in the East Sea in
1997. Then the model results were analyzed using the wavelet method to determine the
presence of cyclical fluctuations scale from 7 days to 3 months. Calculation results and
analysis showed a significant seasonal variation of SST in the East Sea. Through analysis of
existing wavelet can see 1 month cycle oscillation is shown most clearly in both the Hon Dau
and Nha Trang. Also see the cycle of fluctuation scale from 10 to 20 days and 3 months in the
Nha Trang.
Key word: Variation, COAWST, coupled model.