Kiểm chứng mô hình dự báo trường sóng vùng vịnh bắc bộ

Link tải luận văn miễn phí cho ae Kết Nối
Tóm tắt: Để tiến hành dự báo tr−ờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ trong khuôn khổ đề
tài cấp nhà n−ớc KC-09-04 giai đoạn 2001 – 2005, “Xây dựng mô hình dự báo
các tr−ờng khí t−ợng thuỷ văn vùng biển Đông”, đã sử dụng mô hình WAM để dự
báo tr−ờng sóng vùng khơi biển Đông với b−ới l−ới tính 1/4 x 1/4 độ kinh vĩ. Đối
với khu vực ven bờ đã sử dụng mô hình tính sóng STWAVE với b−ớc l−ới tính
200m x 200m nhằm tính toán chi tiết tr−ờng sóng tại các khu vực ven bờ cửa
sông. Trong báo cáo các tác giả đã trình bày các kết quả kiểm chứng dự báo
sóng theo hai sơ đồ nêu trên. Các số liệu kiểm chứng là các kết quả đo đạc
tr−ờng sóng bằng các loại máy tự ghi sóng hiện đại tại khu vực ven bờ biển Hải
Hậu, Nam Định 1/2003 (ứng với tr−ờng sóng trong gió mùa đông bắc) và tại khu
vực vùng biển Nghi Sơn Thanh Hoá 7/2003, ứng với tr−ờng sóng trong gió mùa
tây nam. Các kết quả kiểm chứng cho thấy sai số trung bình bình ph−ơng RMS
tại các trạm LT1, LT2 vùng Hải Hậu và Nghi Sơn t−ơng ứng là 0.092, 0.138 và
0.102, tại các trạm gần bờ sai số tăng lên so với các trạm ngoài vùng n−ớc sâu.
Sai số đo đạc bao gồm cả BIAS và RMS tại Hải Hậu luôn cao hơn Nghi Sơn do
tr−ờng sóng khu vực Hải Hậu trong gió mùa đông bắc chịu tác động của bãi bồi
phía ngoài cửa Ba Lạt và chịu ảnh h−ởng của gió địa ph−ơng. Tuy nhiên các kết
quả kiểm chứng đã chứng minh hoàn toàn có thể sử dụng mô hình dự báo sóng
vào dự báo phục vụ thực tế trên vùng biển Đông và ven bờ Việt Nam.
Mở đầu
Dự báo sóng là một trong các nội dung nghiên cứu chính của đề tài cấp nhà n−ớc
KC-09-04 giai đoạn 2001 − 2005, “Xây dựng mô hình dự báo các tr−ờng khí t−ợng thuỷ
văn vùng biển Đông”. Trong khuôn khổ các nhiệm vụ nghiên cứu về dự báo sóng đã
đ−ợc nêu trong đề c−ơng nghiên cứu của đề tài, đã sử dụng mô hình WAM để tính toán
dự báo tr−ờng sóng vùng khơi biển Đông với b−ới l−ới tính 1/4 ì 1/4 độ kinh vĩ (t−ơng
đ−ơng với 27km). L−ới tính theo mô hình WAM bao quát toàn bộ khu vực từ 10S đến
230N và từ 990 E đến 1190E . Đối với khu vực ven bờ đã sử dụng mô hình tính sóng
STWAVE với b−ớc l−ới tính 200m ì 200m nhằm tính toán chi tiết tr−ờng sóng tại các
khu vực ven bờ cửa sông. Các l−ới tính sóng ven bờ đ−ợc lập theo nguyên tắc các trục
tính biên ngoài vùng n−ớc sâu theo h−ớng bắc nam và trục tính từ vùng n−ớc sâu vào
bờ theo h−ớng đông tây. Với các l−ới tính trên, trong một số các định h−ớng đ−ờng bờ
lệch nhiều so với h−ớng bắc nam (ví dụ đ−ờng bờ khu vực từ Thanh Hoá đến Đà Nẵng
hay đ−ờng bờ vùng châu thổ sông Cửu Long v.v...) sẽ không tối −u bằng loại l−ới tính
có trục song song và v−ơng góc với bờ biển. Tuy nhiên loại l−ới theo định h−ớng bắc
nam, đông tây có −u việt rất lớn là cho phép bao phủ toàn bộ dải ven biển n−ớc ta mà
135136 Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến
không có khu vực chồng chéo, ngoài ra cũng cho phép xác định dễ dàng các điểm dự báo
sóng ven bờ nếu biết tọa độ của chúng. Các mô hình tính sóng WAM và STWAVE đều
là loại mô hình hiện đại hiện nay đang đ−ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên để
áp dụng vào các điều kiện địa ph−ơng của các khu vực vùng n−ớc sâu và ven bờ biển
Đông cần có các tính toán kiểm chứng mô hình là một phần không thể thiếu đ−ợc của
mọi mô hình tính toán, dự báo các yếu tố động lực biển. Trong điều kiện hiện nay, các
số liệu tự ghi sóng tin cậy ở vùng ven bờ hết sức hiếm, các tác giả đã sử dụng các số liệu
tự ghi sóng tại hai vùng biển thuộc vịnh Bắc Bộ. Trong bài báo này, phần đầu giới thiệu
về mô hình tính sóng ven bờ STWAVE sau đó đ−a ra các kết quả kiểm chứng mô hình
tính sóng nhận đ−ợc cho hai vùng ven bờ nêu trên và một số nhận xét đánh giá kết quả
nhận đ−ợc.
1. Mô hình tính sóng vùng ven bờ STWAVE
1.1. Các ph−ơng trình tính toán lan truyền sóng trong mô hình STWAVE
T−ơng tác giữa sóng và dòng chảy đ−ợc xác định khi sóng truyền trên một nền
dòng chảy. Các tham số sóng trền nền đó đ−ợc ký hiệu là r gọi là t−ơng đối với dòng
chảy, còn các tham số sóng tuyệt đối là . Ph−ơng trình khuyếch tán sóng trên nền
t−ơng đối là [2]:
a
ω2R = gkthkd (1)
với: ω − tần số góc, g − gia tốc trọng tr−ờng, k − số sóng, d − độ sâu. Trong hệ tuyệt
đối, ph−ơng trình này có dạng:
ωa = ωr + kU cos(δ − α) (2)
với: tốc độ dòng chảy, h−ớng của dòng chảy so với trục , h−ớng truyền
sóng (xem hình 1).
U − δ − x α −
Số sóng đ−ợc tính bằng ph−ơng pháp lặp khi thay các yếu tố của ph−ơng trình (1)
vào ph−ơng trình (2).
Để tính toán các hiệu ứng khúc xạ và n−ớc nông cần có tốc độ pha của sóng , và
tốc độ nhóm, trong cả hai nền chuyển động.
C
Cg
Hình 1. Sơ đồ tính sóng trong tr−ờng dòng chảy
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiKiểm chứng mô hình dự báo tr−ờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 137
Trong nền chuyển động t−ơng đối đối với dòng chảy ta có:
k
C r
r
ω
= (3)
⎞⎟⎠
⎛⎜⎝
= +
sh 2kd
2kd
Cgr 0,5 Cr 1 . (4)
H−ớng của tốc độ pha và nhóm là α . Trên nền tuyệt đối ta có:
Ca = Cr + U cos(δ − α) (5)
(Cgra )i = (Cgr )i + (U)i , (6)
ở đây i biểu thị giá trị tensơ của các thành phần x và . H−ớng của tốc độ pha tuyệt
đối trùng với h−ớng tia sóng. Tốc độ nhóm tuyệt đối sẽ xác định h−ớng của tia sóng do
vậy tia sóng trên hình 1 đ−ợc xác định nh− sau:
y
⎞⎟⎟⎠
⎛⎜⎜⎝
α + δ
α + δ
à = −
C cos U cos
C sin Usin
tg
gr
1 gr
. (7)
Sự khác nhau giữa h−ớng tia sóng và h−ớng vuông góc với front sóng là cơ sở để
giải thích quá trình t−ơng tác giữa sóng và dòng chảy. Nếu không có dòng chảy hai
h−ớng này trùng với nhau, khi có dòng chảy h−ớng truyền năng l−ợng sóng sẽ dọc theo
tia sóng còn h−ớng truyền sóng dọc theo h−ớng vuông góc với frông sóng. H−ớng này
đ−ợc xác định theo:
U n
k k
d n
sh2kd
C
R
C r i
gra ∂
∂
−
∂ ∂
= −
∂
∂α
, (8)
với R − tọa độ theo h−ớng của tia sóng, n − tọa độ theo h−ớng vuông góc với frông sóng.
Ph−ơng trình bảo toàn phổ sóng ở giai đoạn sóng ổn định dọc theo tia sóng có
dạng:
( ) ( ) ( ) ∑
ω
=
ω
à − α ω α
∂
∂
r r
a gra a
gra i i
C C cos E , S
x
C , (9)
với E − mật độ năng l−ợng sóng (chia cho ρ wg ) với ρ − là mật độ n−ớc, phần
nguồn năng l−ợng.
S −
1.2. Tính khúc xạ và biến dạng sóng
Trong mô hình STWAVE tính toán khúc xạ và biến dạng tr−ờng sóng khi truyền
vào vùng ven bờ dựa trên cơ sở áp dụng luật bảo toàn năng l−ợng dọc theo tia sóng. Hệ
số biến dạng cho các thành phần phổ sóng tính dọc theo tia sóng theo ph−ơng trình (9).
Trong tr−ờng hợp xuất hiện dòng chảy mạnh ng−ợc chiều với h−ớng truyền sóng (ở các
tuyến luồng hàng hải, cửa lạch triều vv.. trong pha triều rút), sóng có thể bị phá huỷ do
dòng chảy. Hiện t−ợng này xuất hiện khi ph−ơng trình khuếch tán không có nghiệm,
hay nói một cách khác là hiện t−ợng phá huỷ sóng xuất hiện khi tốc độ pha t−ơng đối
của sóng nhỏ hơn c−ờng độ của dòng chảy. ở vùng n−ớc sâu, hiện t−ợng này xuất hiện
khi c−ờng độ dòng chảy lớn hơn 1/4 tốc độ pha của sóng trong tr−ờng hợp không có dòng
chảy. (0,25 g Ta /(2π ) , với là chu kỳ tuyệt đối của sóng). Nếu tr−ờng hợp này xảy ra,
năng l−ợng sóng sẽ bị mất.
Ta138 Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến
1.3. Tính nhiễu xạ
Nhiễu xạ trong mô hình STWAVE đ−ợc tính trên cơ sở sự phân tán năng l−ợng
sóng theo nguyên lý là phẳng:
E j( ) ωa ,α = 0,55E j(ωa ,α) + 0,22 [E j+1(ωa ,α) + E j−1(ωa ,α)], (10)
với là ký hiệu của điểm tính dọc bờ. Theo ph−ơng trình trên sẽ xảy ra hiện t−ợng là
trơn năng l−ợng sóng ở các vùng bị che khuất.
j
1.4. Các nguồn truyền và mất mát năng l−ợng
+ Sóng đổ tại vùng ven bờ:
Chỉ tiêu sóng đổ tại vùng ven bờ là tỷ số giữa độ cao sóng và độ sâu:
0,64
d
H
max
mo
= , (11)
ở đây là độ cao sóng ứng với mô men bậc 0. ở các cửa vào của luồng lạch, khi độ
dốc của sóng tăng do tác động của dòng chảy, sóng sẽ dễ bị đổ hơn. Trong tr−ờng hợp
này chỉ tiêu sóng đổ của Miche (1951) là phù hợp nhất:
H mo
H 0,1 L thkd
max
mo = . (12)
Ph−ơng trình này đ−ợc áp dụng trong mô hình để xác định giới hạn cao nhất của
độ cao sóng. Năng l−ợng sóng trong dải phổ sóng sẽ bị giảm tại mỗi tần số và h−ớng tỷ
lệ với số l−ợng năng l−ợng bị tiêu hao do sóng đổ trong mỗi dải tần số và h−ớng sóng
t−ơng ứng.
+ Năng l−ợng truyền từ gió cho sóng:
Dòng năng l−ợng của gió truyền cho sóng đ−ợc tính theo:
g
u
F 0,85C
2*
m
a w
in
ρ ρ
= λ , (13)
với: λ − hệ số biểu thị phần năng l−ợng của khí quyển truyền trực tiếp cho sóng (0,75),
ρ − mật độ không khí, Cm − tốc độ pha trung bình của sóng, u* − tốc độ ma sát.
Năng l−ợng mà phổ sóng nhận đ−ợc sẽ đ−ợc tính bằng cách nhân dòng năng
l−ợng với thời gian t−ơng đ−ơng khi sóng truyền qua một mắt l−ới:
Cg cos m
x
t
β α
∆
∆ = , (14)
ở đây ∆t − thời gian t−ơng đ−ơng, ∆x − b−ớc l−ới tính, βα − hằng số (=0,9 đối với sóng
gió), C g − tốc độ nhóm trung bình của phổ sóng, α m − h−ớng sóng trung bình ứng với
l−ới tính.
Trong mô hình STWAVE chỉ có sóng thổi theo h−ớng từ biển vào mới đ−ợc tính
gây tác động đến sóng, đối với các tr−ờng hợp gió thổi từ bờ ra hiệu ứng tác động của
sóng đến gió đ−ợc bỏ qua.
Ket-noi.com kho tai lieu mien phi Ket-noi.com kho tai lieu mien phiKiểm chứng mô hình dự báo tr−ờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 139
+ Tác động t−ơng tác giữa các sóng và hiệu ứng sóng đổ bạc đầu
Năng l−ợng của gió truyền cho sóng đ−ợc phân bố d−ới tác động của hiện t−ợng
t−ơng tác phi tuyến giữa các sóng. Năng l−ợng này đ−ợc phân bổ từ khu vực đỉnh phổ
tới các thành phần phổ với tần số thấp và tần số cao. Trong mô hình STWAVE tần số
đỉnh phổ sẽ tăng lên cùng với đà sóng (hay là thời gian truyền t−ơng đ−ơng dọc theo
đà). Ph−ơng trình tính đến hiệu ứng thay đổi đỉnh phổ này là:
( ) ( )
3 /7
4 /3
*
7 /3
p i 1 p i t
u g
9 5
f f
−
+ ⎥
⎤⎥ ⎦
⎡⎢⎢⎣
⎟ ⎟ ∆
⎞ ⎠
= − ς ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ , (15)
với: ς − hệ số không thứ nguyên (Resio và Perrie 1989 [3]), i và i +1 là các cột trong
l−ới tính.
Năng l−ợng mà phổ sóng nhận đ−ợc đ−ợc phân bổ trong giới hạn các tần số về
phía giải các tần số thấp sao cho giữ nguyên dạng của phổ.
Năng l−ợng sóng sẽ bị tiêu tán chủ yếu là sự tải năng l−ợng về các tần số cao và
tiêu tán d−ới tác động của hiệu ứng sóng đổ bạc đầu và hiệu ứng rối, nhớt của n−ớc.
Tồn tại sự cân bằng động lực giữa năng l−ợng của gió truyền cho sóng và năng l−ợng
tiêu hao do hiệu ứng dòng năng l−ợng phi tuyến của sóng phân tán vào khu vực tần số
cao. Dòng năng l−ợng này đ−ợc tính nh− sau:
th ( ) k d
g E k
P
3 / 4
9 / 2
P
3
tot
1/ 2
E
ε
Γ = , (16)
với: ΓE − dòng năng l−ợng, ε − hệ số (=30), Etot − tổng năng l−ợng của phổ sóng chia
cho ( ρ wg ), kP - số sóng ứng với đỉnh phổ.
Năng l−ợng phổ sóng bị tiêu hao đ−ợc tính bằng cách lấy tích của dòng năng
l−ợng với thời gian t−ơng đ−ơng để sóng truyền dọc theo l−ới tính ( trong ph−ơng
trình ) với
∆t
β cho bằng 1 đối với giải tần sóng lừng trong phổ với β cho bằng 0,9 đối với
giải tần sóng gió.
1.5. ứng suất bức xạ
Gradient của ứng suất bức xạ đ−ợc tính trong mô hình STWAVE để đ−a ra số liệu
đầu vào cho mô hình tính dòng chảy và tính n−ớc dâng, n−ớc rút do sóng. Các tensơ ứng
suất bức xạ sóng đ−ợc tính theo lý thuyết sóng tuyến tính:
( ) ( ) ⎥ α
⎤ ⎦
⎡⎢⎣
⎟ α + −
⎞ ⎠
⎛⎜⎝
Sxx = ρwg∫∫E f,α 0,5 1 + sh2kd 2kd cos2 1 0.5 df d (17)
( ) ⎥ α
⎤ ⎦
⎡⎢⎣
⎟ α
⎞ ⎠
⎛⎜⎝
Sxy = ρwg∫∫E f,α 0,5 1 + sh22kd kd sin 2 df d (18)
( ) ( ) ⎥ α
⎤ ⎦
⎡⎢⎣
⎟ α + −
⎞ ⎠
⎛⎜⎝
Syy = ρwg∫∫E f,α 0,5 1 + sh2kd 2kd sin2 1 0,5 df d (19)
Gradient của ứng suất bức xạ:140 Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến
y
S
x
S
xx xy
x
∂
∂
−
∂
∂
τ = − (20)
y
S
x
S
xy yy
y ∂
∂
−
∂
∂
τ = − (21)
1.6. Dạng của phổ sóng
Tr−ờng sóng khởi điểm vùng n−ớc sâu gồm độ cao, chu kỳ và h−ớng sóng đ−ợc
tính toán d−ới dạng phổ hai chiều E( f ,θ ) xác định theo phổ TMA (Texel, Marsen và
Arsloe [3]) là dạng phát triển của phổ JONSWAP [3] có tính đến tác động của độ sâu ở
vùng ven bờ.
Phổ JONSWAP có dạng:
( )
( )
⎞⎟⎟⎟⎟⎟⎠
⎛⎜⎜⎜⎜⎜⎝
− σ
−
−
γ
⎤⎥⎥⎥⎦
⎡⎢⎢⎢⎣
⎞⎟⎟⎠
⎛⎜⎜⎝
−
α π
=
2
p 2
1
f f
exp
4
p
4 5
2
f f
exp 1,25
2 f
g
E f
, (22)
⎤⎥⎥⎦
⎡⎢⎢⎣
=
3
10
2
p
U
g F
f 3.5 ;
0.22
2
U10
gF
0,076
−
⎤⎥⎥⎦
⎡⎢⎢⎣
α = ; 1 ≤ γ ≤ 7 , (23)
σ = 0,07 khi f ≤ fp và σ = 0,09 khi f > fp ,
với: α − tham số tỷ lệ, γ − tham số đỉnh phổ, f p − tần số ứng với đỉnh phổ, tốc
độ gió tại 10 mét trên mặt biển,
U10 −
F − đà sóng.
1. Việc sử dụng mô hình WAM để tiến hành dự báo sóng cho khu vực vịnh Bác bộ
nói riêng và khu vực biển Đông nói chung phù hợp với các yêu cầu về số liệu sóng trên
các vùng biển khơi của n−ớc ta. Độ chính xác của kết quả dự báo sóng phụ thuộc hoàn
toàn vào độ chính xác của tr−ờng gió dự báo.
2. Có thể sử dụng quy trình dự báo sóng theo mô hình WAM phục vụ các tính
toán chế độ sóng vùng biển khơi, là một yếu tố động lực biển hết sức cần thiết cho các
tính toán, thiết kế công trình ven bờ và các công trình bảo vệ bờ biển cửa sông trên toàn
dải ven biển n−ớc ta.
3. Để tính toán dự báo tr−ờng sóng ven bờ có thể sử dụng mô hình STWAVE với
các b−ớc l−ới tính phù hợp theo các yêu cầu cụ thể của ng−ời sử dụng. Mô hình
STWAVE cũng cho phép chọn các điểm dự báo cụ thể (các điểm monitoring). Tại các
điểm này sẽ tính đ−ợc các tham số sóng, phổ sóng theo các Obs dự báo, ví dụ nh− dự

Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải: