Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI SỰ LƠ LỬNG TRỞ LẠI CỦA PHÙ SA ĐÁY KHU VỰC PHÍA TRONG THỀM LỤC ĐỊA TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU BỜ BIỂN TÂY BẮC ĐÀI LOAN Hoàng Anh(1) , Hwa Chien(2), Hao-Yuan Cheng(2) (1) Trung tâm nghiên cứu biển tương tác Biển – Khí quyển, Viện khí tượng thủy văn môi trường, Việt Nam (2) Viện nghiên cứu khoa học thủy văn hải dương, Trường Đại Học Quốc Gia Trung Ương, Đài Loan Các liệu quan trắc đem phân tích để nghiên cứu xem yếu tố tự nhiên tác động đến lơ lửng trở lại phù sa đáy vùng bờ biển phía Tây Bắc Đài Loan nào. Chuỗi liệu nồng độ bùn cát lơ lửng (SSC) sát đáy phân tách thành hàm thành phần (IMF) phương pháp phân tách theo kinh nghiệm (EMD). Dữ liệu dòng chảy quan trắc phân tích tính toán thành thành phần: dòng chảy triều, dòng chảy sóng, dòng chảy gió. Kết so sánh liệu SSC phân tách với hợp phần dòng chảy cho thấy sóng đóng vai trò quan trọng làm bùn cát đáy lơ lửng trở lại chu kỳ dài, dòng triều lại tác nhân chủ đạo gây lơ lửng trở lại bùn cát đáy chu kỳ thấp. Nghiên cứu cho thấy rằng, dao động bán nhật mật độ nước tầng đáy xảy đồng thời với dao động nồng độ bùn cát lơ lửng. Những dao động lượng nước lạch nhỏ đổ biển theo chu kỳ triều điều kiện thời tiết xấu sóng ngầm. Tuy nhiên cần phải có thêm quan trắc nghiên cứu để củng cố chứng có mặt sóng ngầm vùng này. 1. Mở đầu Đường bờ biển khu vực nghiên cứu nghiêng góc 420 theo chiều kim đồng hồ so với hướng Bắc (Hình 1). Ở có cảng tàu Yong An gần khu vực nghiên cứu có lạch (Sin-Wu She-Tzi). Trong Hình 1, hình tam giác (Δ) vị trí trạm quan trắc đánh giá bờ biển Đài Loan (TaiCOAST). Máy đo gió thu thập liệu gió (Hình 2) Hình 1: Hình ảnh khu vực nghiên cứu đặt vị trí trạm TaiCOAST. Các hình tròn (O) vị trí điểm thả thiết bị đo ADCP (Acoustic Doppler Curent Profiler) biển để thu thập liệu dòng chảy thô (Hình 3a, 3b). Thiết bị CTD (Conductivity Temperature Depth) thả điểm E. Các liệu thu thập đem phân tách theo hướng thành phần dọc bờ vuông góc với bờ. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hình 2: Tốc độ gió độ cao10m 229 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI 2. Thu thập liệu Nghiên cứu tập trung vào chế dòng chảy chế độ gió mùa. Những tính chất gió thể Hình tương ứng với chế độ gió mùa mùa đông (Hình a c) gió mùa mùa hè (Hình b). Gió thể dao động có chu kỳ nửa ngày (từ gọi tắt dao động bán nhật), giống với dao động thủy triều. Do đó, việc phân tách ảnh hưởng gió ảnh hưởng thủy triều lên dòng chảy vấn đề cần giải quyết. Nồng độ bùn cát lơ lửng thường khó đo trực tiếp. Do vậy, Poerbandono Roberto Mayerle Hình 3:Dữ liệu (a) cường độ âm; (b) (2004) đưa phương pháp tính logSSC; (c) SSC lớp sát đáy điểm SSC chuyển đổi liệu cường độ âm đo E lần thả máy thứ thành liệu SSC. Phương trình chuyển đổi phát triển dựa sở quan hệ tuyến tính nồng độ vật chất cường độ âm. Trong nghiên cứu này, giả định vùng bờ biển phía tây Đài Loan đồng không gian. Khi đó, số công thức tính SSC nghiên cứu vùng sông Cho-Shui đem áp dụng trường hợp chúng tôi. Hình thể (a) Dữ liệu cường độ âm từ mặt nước đến sát đáy (toàn cột nước), (b) Dữ liệu SSC toàn cột nước, (c) Dữ liệu SSC gần đáy điểm đo E. Đáng ý dao động bán nhật nồng độ bùn cát lơ lửng sát đáy theo thời gian. Những nhân tố gây kiện nước đục bất thường nhân tố khiến nồng độ bùn cát có xu hướng dao động bán nhật vậy? Câu hỏi giải đáp phần báo. 3. Phương pháp nghiên cứu kết  Phương pháp phân tách theo theo kinh nghiệm (EMD): Trong trình áp dụng mã lệnh EMD, cường độ nhiễu vốn để thêm vào tín hiệu phải xác định theo kinh nghiệm. Trong hầu hết trường hợp, tác giả Wu Huang (2009) đề xuất nên thêm nhiễu vào tín hiệu gốc với cường độ 0.2 độ lệch chuẩn tín hiệu. Khi liệu chủ yếu tín hiệu tần số cao ta giảm cường độ nhiễu đi, liệu chủ yếu tần số thấp ta tăng cường độ nhiễu lên. Hình thể chuỗi giá trị bất thường SSC hàm thành phần IMF sau phân tách phương pháp EMD. Các hàm thành phần IMF tần số thấp tổng hợp 230 Hình 4: Các hợp phần (IMFs)sau phân tách liệu SSC điểm đo E lần thả máy thứ Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI thành tín hiệu gọi SSC chu kỳ dài, hàm thành phần IMF tần số cao tổng hợp lại gọi SSC chu kỳ ngắn. Observed Current at Station C  Phân tích điều hòa: Như 0.5 m/s nói trên, dòng triều gió có chu 0m kỳ giống nên phương pháp -0.7m EMD áp dụng để phân -1.4m -2.1m tách tác động chúng lên dòng 27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun chảy. Lúc này, phân tích điều hòa Hình 5: Dữ liệu dòng chảy quan trắc tính từ công cụ hữu dụng để phân mặt nước điểm đo C lần thả máy thứ tích mực nước triều dòng triều. Tidal Current at Station C 0.5 m/s Các Hình 5, 6, thể liệu 0m vector hướng độ lớn -0.7m dòng chảy quan trắc, dòng triều, -1.4m dòng dư. Có thể thấy, dòng chảy -2.1m 27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun mạnh theo phương dọc bờ so với phương vuông góc với bờ. Từ Hình 6: Dữ liệu dòng chảy triều điểm đo C lần thả máy thứ phương pháp Hình 6, dòng chảy thể rõ phân tích điều hòa dao động bán nhật dòng triều. Độ lớn dòng triều nghiên cứu so sánh với nghiên cứu Hu nnc (2010) cho thấy kết tính toán tương đồng. Lấy liệu dòng chảy quan trắc trừ dòng triều, ta có dòng dư mà coi dòng không bị tác động thủy triều (từ gọi dòng phi triều). Phần dòng chảy dư trình bày Hình dự đoán bị ảnh hưởng sóng gió Residual Current at Station C chủ yếu. Wu (1983) tìm tốc 0.5 m/s độ dòng trôi bề mặt vào khoảng 0m 3,1% tốc độ gió với điều kiện -0.7m khơi xa. Trong điều kiện đó, -1.4m gió đóng vai trò tạo dòng -2.1m trôi bề mặt nên tỷ lệ 3,1% 27 May 31 May 04 Jun 08 Jun 12 Jun 16 Jun 20 Jun coi tỷ lệ tốc độ dòng chảy Hình 7: Dữ liệu dòng dư điểm đo C gió tốc độ gió. Ở điều kiện vùng lần thả máy thứ sau loại dòng triều gần bờ trường hợp nghiên cứu Yong An, hệ số nhám lớn, tỷ lệ dự đoán tăng lên chút. Trên thực tế kiểm chứng tương quan dòng gió gió, tỷ lệ hầu hết nằm khoảng 0,03 – 0,04, coi phù hợp với nghiên cứu trước đây. Điều chứng tỏ yếu tố tác động lên dòng chảy phi triều gió.  Dòng trôi Stokes: Trong nghiên cứu này, dòng trôi Stokes đại diện cho dòng sóng tính toán theo hai cách khác để khẳng định độ tin cậy kết tính toán. Với điều kiện quy mô thời gian lớn chu kỳ sóng, dòng trôi hướng vào bờ xác định công thức Lentz (2008) dựa lý thuyết sóng tuyến tính: (1) Trong đó, g gia tốc trọng trường, hướng sóng đến. độ cao sóng có nghĩa, c vận tốc pha, Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 231 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Ở góc nhìn nghiên cứu khác, dòng trôi Stokes kết sóng phi tuyến tính mặt biển. Công thức tính dòng trôi Stokes Ardhiun et al. (2008) áp dụng lý thuyết phi tuyến sử dụng phổ lượng sóng E(f, θ) là: (2) Trong đó: k(f) cường độ số sóng k. Kết tính toán theo hai cách giống nhau, nhiên kết tính toán công thức Ardhuin có giá trị cao so với kết tính toán từ công thức Lentz. Điều công thức Lentz, họ giả thiết phân bố hướng sóng dạng đồng hướng, thực tế lại có phân bố hướng sóng rộng hơn. Thêm vào đó, xét góc độ định lượng, Ardhuin nnc (2008) tìm dòng trôi Stokes có độ lớn khoảng 0.5 – 1.3% tốc độ gió. Trong nghiên cứu Yong An, tỷ lệ 0.5 – 0.87% trường hợp gió yếu 0.24% trường hợp gió mạnh, tương đồng với nghiên cứu Ardhuin trước đây. Điều khẳng định tính hợp lý kết tính toán. Loại thành phần dòng trôi Stokes khỏi dòng phi triều, ta thành phần dòng dư không chịu tác động triều sóng (từ gọi dòng phi Stokes) coi dòng gió. 4. Sự lơ lửng trở lại bùn cát đáy Các Hình từ tới 11 trình bày chuỗi liệu nồng độ bùn cát lơ lửng mối liên hệ với Hình 8: Đường SSC tổng hợp(SSC IMF6-10), độ liệu sóng, triều dòng gió. Dữ cao sóng có nghĩa (SWH) độ cao sóng có liệu SSC độ cao sóng có nghĩa nghĩa tổng hợp (SWHIMF6-10) chu kỳ dài có xu hướng tương đồng chúng thể đỉnh vào 26/02 08/03. Điều nghĩa SSC chu kỳ dài bị ảnh hưởng rõ ràng sóng. Trong Hình 8, vùng đánh dấu A vùng mà chuỗi Hình 9: Đường SSC tổng hợp (SSC IMF5), độ số liệu có xu hướng tương đồng cao sóng có nghĩa tổng hợp (SWHIMF5) nhất. Ở thời đoạn này, nồng độ bùn cát lơ lửng bị ảnh hưởng dòng chảy dọc bờ (Along-shore CurrentIMF5) yếu tố khác sóng. Ở chu kỳ ngắn dòng chảy độ cao sóng có nghĩa đồng pha có khả tăng cường lẫn (Hình 9). Các chuỗi liệu thể dao động bán nhật tương ứng với dao động Hình 10: So sánh liệu SSC (SSCIMF5) với triều. Nói cách khác, SSC chu kỳ ngắn chuỗi liệu dòng triều (Along-shore tidal bị ảnh hưởng sóng dòng current) phi triều (Along-shore non-tidal chảy. current) Hình 10 so sánh biến thiên (a) dòng triều (b) dòng phi triều với biến thiên SSC. Hình 10.a cho thấy liệu SSC chu kỳ ngắn chịu tác động lớn từ dòng triều. Vào ngày 14/03, dao động SSC thể xu hướng tăng dao động triều 232 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI không. Khi đó, chắn dòng triều yếu tố ảnh hưởng tới xu hướng tăng SSC. Dòng phi triều lại thể xu hướng tăng thời gian 14/03 tương ứng với xu hướng tăng SSC. Nói cách khác, lơ lửng trở lại bùn cát đáy dòng không triều. Hình 11 thể so sánh liệu SSC chu kỳ ngắn với a) Dòng Hình 11: So sánh liệu SSC tổng hợp trôi Stokes b) Dòng phi Stokes. Cả (SSCIMF5) với liệu dòng trôi dòng gió SSC thể Stokes(Along-shore Stokes current) dòng thời đoạn cường độ mạnh (hai thời phi Stokes (Along-shore non-Stokes current) đoạn A B đánh dấu Hình 11). Tại thời đoạn đánh dấu C, dòng sóng không giúp tăng cường SSC, dòng phi Stokes xu tăng kiện này. Như phân tích phần trên, dòng phi Stokes chủ yếu gió. Do đó, yếu tố hệ thống thời tiết kết luận gây tác động đáng kể khu vực nghiên cứu. Cho tới thời điểm này, số kết luận rút yếu tố tác động lên lơ lửng trở lại bùn cát đáy. Sóng thể vai trò quan trọng ảnh hưởng tới lơ lửng trở lại quy mô thời gian lớn (lớn chu kỳ ngày). Ở quy mô thời gian nhỏ (nhỏ chu kỳ ngày), dòng triều đóng vai trò ảnh hưởng chủ đạo lên lơ lửng trở lại, dòng dư có gây tác động định lên ảnh hưởng chủ đạo đó. Trong nghiên cứu này, dòng trôi thể tác động rõ ràng lên lơ lửng trở lại bùn cát đáy. Trong Hình 12, bên cạnh dao động bán nhật liệu SSC, thực tế quan trắc từ thiết bị CTD Hình 12: Dữ liệu quan trắc từ CTD cho thấy dao động bán nhật liệu SSC tổng hợp liệu (a) độ muối (psu); (b) nhiệt độ (0C); (c) mật độ nước (kg/m3). Trong Hình 12, dao động bán nhật đặc biệt thể rõ hai thời đoạn (được đánh dấu A B). Những dao động bán nhật giải thích dao động triều từ hai vùng cửa lạch đổ ven biển thời gian mưa lớn tức mật độ nước SSC chịu chung tác động dòng triều. Các liệu ảnh chụp cho thấy, ngày hai kiện đánh dấu có mưa lớn có biển động. Điều củng có giả thuyết tác động lưu lượng nước từ hai lạch. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa có đủ chứng chứng minh dao động liệu nhiệt độ khách biệt giữ nước nước mặn vùng cửa lạch. Một giả thuyết khác yếu tố gây biến thiên mật độ nước sóng ngầm. Sóng ngầm có khả yếu tố góp phần ảnh hưởng đến lơ lửng trở lại bùn cát đáy. Nhưng quan trắc mật độ nước cột nước cần phải thu thập đầy đủ để nghiên cứu tiếp yếu tố tác động này. Mặc dù báo chưa Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 233 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI đưa kết luận hoàn chỉnh, giúp hiểu vùng biển Yong An Tây Bắc Đài Loan. TÀI LIỆU THAM KHẢO: 1. Ardhuin. F., L. Marie, N. Rascle, P. Forget, and A. Roland, April 2009, “Observation and estimation of Lagrangian, Stokes and Eulerian currents induced by wind and waves at the sea surface”, Journal of Physical Oceanography. 2. Hu, J., H. Kawamura, H. Hong and W. Pan, 2003, “A review of research on the upwelling in the Taiwan Strait”, Bulletin of Marine Science, 73(3): 606-628. 3. Kirincich, A. R., S. J. Lentz, and J. A. Barth, April 2009, “Wave-Driven InnerShelf Motions on the Oregon Coast”, Journal of Physical Oceanography, vol. 39, doi: 10.1175/2009JPO4041.1. 4. Lentz, S. J., M. R. Fewings, August 2011, “The Wind- and Wave-Driven InnerShelf Circulation”, Annual Review of Marine Science, doi: 10.1146/annurevmarine-120709-142745. 5. McWilliams, J. C., J. M. Restrepo, October 1999, “The Wave-Driven Ocean Circulation”, Journal of Physical Oceanography, vol. 29. 6. Pawlowicz, R., B. Beardsley, and S. Lentz, 2002, “Classical tidal harmonic analysis including error estimates in MATLAB using T_TIDE”, Computer & Geosciences 28, 929-937. 7. Wolanski, E., K. E. Fabricius, T. F. Cooper and C. Humphrey, 2008, “Wet season fine sediment dynamics on the inner shelf of the Great Barrier Reef”, Estuarine, Coastal and Shelf Science, vol. 77, pp. 755-762. RESUSPENSION OF BOTTOM SEDIMENT ON INNER SHELF A CASE STUDY OF NORTH-WESTERN COAST OF TAIWAN (1) Anh Hoang(1) , Hwa Chien(2) , Hao-Yuan Cheng(2) Center for Marine and Ocean – Atmosphere Interaction Research, Vietnam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment (2) Graduate Institute of Hydrological and Oceanic Sciences, National Central University Factors that affect the resuspension of bottom sediment in the coastal zone of Northwestern coast of Taiwan were investigated. The temporal variation of SSC is decomposed into several Intrinsic Mode Functions (IMFs) using Empirical Mode Decomposition (EMD). Observed current is decomposed into tidal current, wave-induced current, and wind-induced curent. Inter-comparisons of the decomposed SSCs with tidal currents, wave-induced currents, wind-induced curent were made. A high correlation is found between long-term SSC and wave while short-term SSC and tidal current are also in a good agreement. It means that waves play an important role in inducing the long-term period resuspension while tidal current is the dominant force of the short-term period resuspension. It is noted that, a semidiurnal oscillation of water density is identified synchronized with the enhancement of SSC. These oscillations might owe to the fluctuation of river plume under bad weather condition or the internal wave. But more observation is needed for further study to consolidate the presence of internal wave in this coastal region. 234 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường . trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 229 SỰ LƠ LỬNG TRỞ LẠI CỦA PHÙ SA ĐÁY KHU VỰC PHÍA TRONG THỀM LỤC ĐỊA TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU BỜ. yếu tố tự nhiên tác động đến sự lơ lửng trở lại của phù sa đáy ở vùng bờ biển phía Tây Bắc Đài Loan như thế nào. Chuỗi dữ liệu nồng độ bùn cát lơ lửng (SSC) sát đáy được phân tách thành các. với các hợp phần dòng chảy cho thấy sóng đóng vai trò quan trọng làm bùn cát đáy lơ lửng trở lại ở chu kỳ dài, trong khi đó dòng triều lại là tác nhân chủ đạo gây ra sự lơ lửng trở lại của bùn