T¹p chÝ Khoa häc ®hqghn, KHTN & CN, T.xxI, Sè 3PT., 2005
KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng
vïng vÞnh b¾c bé
NguyÔn M¹nh Hïng
ViÖn C¬ häc
NguyÔn Thä S¸o
Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §HQGHN
TrÇn Quang TiÕn
Trung T©m KhÝ t−îng Thñy v¨n BiÓn
Tãm t¾t: §Ó tiÕn hµnh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé trong khu«n khæ ®Ò
tµi cÊp nhµ n−íc KC-09-04 giai ®o¹n 2001 – 2005, “X©y dùng m« h×nh dù b¸o
c¸c tr−êng khÝ t−îng thuû v¨n vïng biÓn §«ng”, ®· sö dông m« h×nh WAM ®Ó dù
b¸o tr−êng sãng vïng kh¬i biÓn §«ng víi b−íi l−íi tÝnh 1/4 x 1/4 ®é kinh vÜ. §èi
víi khu vùc ven bê ®· sö dông m« h×nh tÝnh sãng STWAVE víi b−íc l−íi tÝnh
200m x 200m nh»m tÝnh to¸n chi tiÕt tr−êng sãng t¹i c¸c khu vùc ven bê cöa
s«ng. Trong b¸o c¸o c¸c t¸c gi¶ ®· tr×nh bµy c¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng dù b¸o
sãng theo hai s¬ ®å nªu trªn. C¸c sè liÖu kiÓm chøng lµ c¸c kÕt qu¶ ®o ®¹c
tr−êng sãng b»ng c¸c lo¹i m¸y tù ghi sãng hiÖn ®¹i t¹i khu vùc ven bê biÓn H¶i
HËu, Nam §Þnh 1/2003 (øng víi tr−êng sãng trong giã mïa ®«ng b¾c) vµ t¹i khu
vùc vïng biÓn Nghi S¬n Thanh Ho¸ 7/2003, øng víi tr−êng sãng trong giã mïa
t©y nam. C¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng cho thÊy sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng RMS
t¹i c¸c tr¹m LT1, LT2 vïng H¶i HËu vµ Nghi S¬n t−¬ng øng lµ 0.092, 0.138 vµ
0.102, t¹i c¸c tr¹m gÇn bê sai sè t¨ng lªn so víi c¸c tr¹m ngoµi vïng n−íc s©u.
Sai sè ®o ®¹c bao gåm c¶ BIAS vµ RMS t¹i H¶i HËu lu«n cao h¬n Nghi S¬n do
tr−êng sãng khu vùc H¶i HËu trong giã mïa ®«ng b¾c chÞu t¸c ®éng cña b·i båi
phÝa ngoµi cöa Ba L¹t vµ chÞu ¶nh h−ëng cña giã ®Þa ph−¬ng. Tuy nhiªn c¸c kÕt
qu¶ kiÓm chøng ®· chøng minh hoµn toµn cã thÓ sö dông m« h×nh dù b¸o sãng
vµo dù b¸o phôc vô thùc tÕ trªn vïng biÓn §«ng vµ ven bê ViÖt Nam.
Më ®Çu
Dù b¸o sãng lµ mét trong c¸c néi dung nghiªn cøu chÝnh cña ®Ò tµi cÊp nhµ n−íc
KC-09-04 giai ®o¹n 2001 − 2005, “X©y dùng m« h×nh dù b¸o c¸c tr−êng khÝ t−îng thuû
v¨n vïng biÓn §«ng”. Trong khu«n khæ c¸c nhiÖm vô nghiªn cøu vÒ dù b¸o sãng ®·
®−îc nªu trong ®Ò c−¬ng nghiªn cøu cña ®Ò tµi, ®· sö dông m« h×nh WAM ®Ó tÝnh to¸n
dù b¸o tr−êng sãng vïng kh¬i biÓn §«ng víi b−íi l−íi tÝnh 1/4
×
1/4 ®é kinh vÜ (t−¬ng
®−¬ng víi 27km). L−íi tÝnh theo m« h×nh WAM bao qu¸t toµn bé khu vùc tõ 10S ®Õn
230N vµ tõ 990 E ®Õn 1190E . §èi víi khu vùc ven bê ®· sö dông m« h×nh tÝnh sãng
STWAVE víi b−íc l−íi tÝnh 200m × 200m nh»m tÝnh to¸n chi tiÕt tr−êng sãng t¹i c¸c
khu vùc ven bê cöa s«ng. C¸c l−íi tÝnh sãng ven bê ®−îc lËp theo nguyªn t¾c c¸c trôc
tÝnh biªn ngoµi vïng n−íc s©u theo h−íng b¾c nam vµ trôc tÝnh tõ vïng n−íc s©u vµo
bê theo h−íng ®«ng t©y. Víi c¸c l−íi tÝnh trªn, trong mét sè c¸c ®Þnh h−íng ®−êng bê
lÖch nhiÒu so víi h−íng b¾c nam (vÝ dô ®−êng bê khu vùc tõ Thanh Ho¸ ®Õn §µ N½ng
hoÆc ®−êng bê vïng ch©u thæ s«ng Cöu Long v.v...) sÏ kh«ng tèi −u b»ng lo¹i l−íi tÝnh
cã trôc song song vµ v−¬ng gãc víi bê biÓn. Tuy nhiªn lo¹i l−íi theo ®Þnh h−íng b¾c
nam, ®«ng t©y cã −u viÖt rÊt lín lµ cho phÐp bao phñ toµn bé d¶i ven biÓn n−íc ta mµ
135
NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn
136
kh«ng cã khu vùc chång chÐo, ngoµi ra còng cho phÐp x¸c ®Þnh dÔ dµng c¸c ®iÓm dù b¸o
sãng ven bê nÕu biÕt täa ®é cña chóng. C¸c m« h×nh tÝnh sãng WAM vµ STWAVE ®Òu
lµ lo¹i m« h×nh hiÖn ®¹i hiÖn nay ®ang ®−îc sö dông réng r·i trªn thÕ giíi, tuy nhiªn ®Ó
¸p dông vµo c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa ph−¬ng cña c¸c khu vùc vïng n−íc s©u vµ ven bê biÓn
§«ng cÇn cã c¸c tÝnh to¸n kiÓm chøng m« h×nh lµ mét phÇn kh«ng thÓ thiÕu ®−îc cña
mäi m« h×nh tÝnh to¸n, dù b¸o c¸c yÕu tè ®éng lùc biÓn. Trong ®iÒu kiÖn hiÖn nay, c¸c
sè liÖu tù ghi sãng tin cËy ë vïng ven bê hÕt søc hiÕm, c¸c t¸c gi¶ ®· sö dông c¸c sè liÖu
tù ghi sãng t¹i hai vïng biÓn thuéc vÞnh B¾c Bé. Trong bµi b¸o nµy, phÇn ®Çu giíi thiÖu
vÒ m« h×nh tÝnh sãng ven bê STWAVE sau ®ã ®−a ra c¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng m« h×nh
tÝnh sãng nhËn ®−îc cho hai vïng ven bê nªu trªn vµ mét sè nhËn xÐt ®¸nh gi¸ kÕt qu¶
nhËn ®−îc.
1. M« h×nh tÝnh sãng vïng ven bê STWAVE
1.1. C¸c ph−¬ng tr×nh tÝnh to¸n lan truyÒn sãng trong m« h×nh STWAVE
T−¬ng t¸c gi÷a sãng vµ dßng ch¶y ®−îc x¸c ®Þnh khi sãng truyÒn trªn mét nÒn
dßng ch¶y. C¸c tham sè sãng trÒn nÒn ®ã ®−îc ký hiÖu lµ
r
gäi lµ t−¬ng ®èi víi dßng
ch¶y, cßn c¸c tham sè sãng tuyÖt ®èi lµ . Ph−¬ng tr×nh khuyÕch t¸n sãng trªn nÒn
t−¬ng ®èi lµ [2]:
a
(1)
kdthgk
2
R=ω
víi: tÇn sè gãc, gia tèc träng tr−êng,
−ω −g
−
k sè sãng,
−
d ®é s©u. Trong hÖ tuyÖt
®èi, ph−¬ng tr×nh nµy cã d¹ng:
(
)
α−δ+ω=ω coskU
ra (2)
víi: tèc ®é dßng ch¶y, h−íng cña dßng ch¶y so víi trôc , h−íng truyÒn
sãng (xem h×nh 1).
−U−δ x−α
Sè sãng ®−îc tÝnh b»ng ph−¬ng ph¸p lÆp khi thay c¸c yÕu tè cña ph−¬ng tr×nh (1)
vµo ph−¬ng tr×nh (2).
§Ó tÝnh to¸n c¸c hiÖu øng khóc x¹ vµ n−íc n«ng cÇn cã tèc ®é pha cña sãng , vµ
tèc ®é nhãm, trong c¶ hai nÒn chuyÓn ®éng.
C
g
C
H×nh 1. S¬ ®å tÝnh sãng trong tr−êng dßng ch¶y
KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 137
Trong nÒn chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi ®èi víi dßng ch¶y ta cã:
k
Cr
rω
= (3)
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛+= kd2 sh
kd2
1C 5,0C rgr . (4)
H−íng cña tèc ®é pha vµ nhãm lµ
α
. Trªn nÒn tuyÖt ®èi ta cã:
(
)
α
−
+= cosUCC ra (5)
(
)
(
)
(
)
i
i
gr
i
gra UCC
+
= , (6)
ë ®©y biÓu thÞ gi¸ trÞ tens¬ cña c¸c thµnh phÇn i
x
vµ . H−íng cña tèc ®é pha tuyÖt
®èi trïng víi h−íng tia sãng. Tèc ®é nhãm tuyÖt ®èi sÏ x¸c ®Þnh h−íng cña tia sãng do
vËy tia sãng trªn h×nh 1 ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau:
y
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
δ+α
δ+α
=µ −
cosUcosC
sinUsinC
tg
gr
gr
1. (7)
Sù kh¸c nhau gi÷a h−íng tia sãng vµ h−íng vu«ng gãc víi front sãng lµ c¬ së ®Ó
gi¶i thÝch qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a sãng vµ dßng ch¶y. NÕu kh«ng cã dßng ch¶y hai
h−íng nµy trïng víi nhau, khi cã dßng ch¶y h−íng truyÒn n¨ng l−îng sãng sÏ däc theo
tia sãng cßn h−íng truyÒn sãng däc theo h−íng vu«ng gãc víi fr«ng sãng. H−íng nµy
®−îc x¸c ®Þnh theo:
n
U
k
k
n
d
kd2sh
C
R
Cir
gra ∂
∂
−
∂
∂
−=
∂
α∂ , (8)
víi −
R
täa ®é theo h−íng cña tia sãng,
−
n täa ®é theo h−íng vu«ng gãc víi fr«ng sãng.
Ph−¬ng tr×nh b¶o toµn phæ sãng ë giai ®o¹n sãng æn ®Þnh däc theo tia sãng cã
d¹ng:
()
(
)
(
)
∑ω
=
ω
αωα−µ
∂
∂
rr
agraa
i
i
gra S
,EcosCC
x
C, (9)
víi −
E
mËt ®é n¨ng l−îng sãng (chia cho g
w
ρ
) víi
−
ρ
lµ mËt ®é n−íc, phÇn
nguån n¨ng l−îng.
−S
1.2. TÝnh khóc x¹ vµ biÕn d¹ng sãng
Trong m« h×nh STWAVE tÝnh to¸n khóc x¹ vµ biÕn d¹ng tr−êng sãng khi truyÒn
vµo vïng ven bê dùa trªn c¬ së ¸p dông luËt b¶o toµn n¨ng l−îng däc theo tia sãng. HÖ
sè biÕn d¹ng cho c¸c thµnh phÇn phæ sãng tÝnh däc theo tia sãng theo ph−¬ng tr×nh (9).
Trong tr−êng hîp xuÊt hiÖn dßng ch¶y m¹nh ng−îc chiÒu víi h−íng truyÒn sãng (ë c¸c
tuyÕn luång hµng h¶i, cöa l¹ch triÒu vv.. trong pha triÒu rót), sãng cã thÓ bÞ ph¸ huû do
dßng ch¶y. HiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn khi ph−¬ng tr×nh khuÕch t¸n kh«ng cã nghiÖm,
hay nãi mét c¸ch kh¸c lµ hiÖn t−îng ph¸ huû sãng xuÊt hiÖn khi tèc ®é pha t−¬ng ®èi
cña sãng nhá h¬n c−êng ®é cña dßng ch¶y. ë vïng n−íc s©u, hiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn
khi c−êng ®é dßng ch¶y lín h¬n 1/4 tèc ®é pha cña sãng trong tr−êng hîp kh«ng cã dßng
ch¶y. (0,25 g )2/(
π
a
T, víi lµ chu kú tuyÖt ®èi cña sãng). NÕu tr−êng hîp nµy x¶y ra,
n¨ng l−îng sãng sÏ bÞ mÊt.
a
T
NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn
138
1.3. TÝnh nhiÔu x¹
NhiÔu x¹ trong m« h×nh STWAVE ®−îc tÝnh trªn c¬ së sù ph©n t¸n n¨ng l−îng
sãng theo nguyªn lý lµ ph¼ng:
() ()
(
)
(
)
[
]
α
ω
+
α
ω
+
α
ω=αω −+ ,E,E 22,0,E55,0,E a1ja1jajaj , (10)
víi lµ ký hiÖu cña ®iÓm tÝnh däc bê. Theo ph−¬ng tr×nh trªn sÏ x¶y ra hiÖn t−îng lµ
tr¬n n¨ng l−îng sãng ë c¸c vïng bÞ che khuÊt.
j
1.4. C¸c nguån truyÒn vµ mÊt m¸t n¨ng l−îng
+ Sãng ®æ t¹i vïng ven bê:
ChØ tiªu sãng ®æ t¹i vïng ven bê lµ tû sè gi÷a ®é cao sãng vµ ®é s©u:
64,0
d
H
max
mo
=, (11)
ë ®©y lµ ®é cao sãng øng víi m« men bËc 0. ë c¸c cöa vµo cña luång l¹ch, khi ®é
dèc cña sãng t¨ng do t¸c ®éng cña dßng ch¶y, sãng sÏ dÔ bÞ ®æ h¬n. Trong tr−êng hîp
nµy chØ tiªu sãng ®æ cña Miche (1951) lµ phï hîp nhÊt:
mo
H
kdth L 1,0H
max
mo =. (12)
Ph−¬ng tr×nh nµy ®−îc ¸p dông trong m« h×nh ®Ó x¸c ®Þnh giíi h¹n cao nhÊt cña
®é cao sãng. N¨ng l−îng sãng trong d¶i phæ sãng sÏ bÞ gi¶m t¹i mçi tÇn sè vµ h−íng tû
lÖ víi sè l−îng n¨ng l−îng bÞ tiªu hao do sãng ®æ trong mçi d¶i tÇn sè vµ h−íng sãng
t−¬ng øng.
+ N¨ng l−îng truyÒn tõ giã cho sãng:
Dßng n¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng ®−îc tÝnh theo:
g
u
C85,0F
2
*
m
w
a
in ρ
ρ
λ= , (13)
víi: −
λ
hÖ sè biÓu thÞ phÇn n¨ng l−îng cña khÝ quyÓn truyÒn trùc tiÕp cho sãng (0,75),
−
ρ
mËt ®é kh«ng khÝ, tèc ®é pha trung b×nh cña sãng,
−
m
C
−
*
u tèc ®é ma s¸t.
N¨ng l−îng mµ phæ sãng nhËn ®−îc sÏ ®−îc tÝnh b»ng c¸ch nh©n dßng n¨ng
l−îng víi thêi gian t−¬ng ®−¬ng khi sãng truyÒn qua mét m¾t l−íi:
mg cosC
x
tαβ
∆
=∆ , (14)
ë ®©y thêi gian t−¬ng ®−¬ng,
−∆t
−
∆
x b−íc l−íi tÝnh,
−
α
β
h»ng sè (=0,9 ®èi víi sãng
giã), −
g
C tèc ®é nhãm trung b×nh cña phæ sãng,
−
m
α
h−íng sãng trung b×nh øng víi
l−íi tÝnh.
Trong m« h×nh STWAVE chØ cã sãng thæi theo h−íng tõ biÓn vµo míi ®−îc tÝnh
g©y t¸c ®éng ®Õn sãng, ®èi víi c¸c tr−êng hîp giã thæi tõ bê ra hiÖu øng t¸c ®éng cña
sãng ®Õn giã ®−îc bá qua.
KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 139
+ T¸c ®éng t−¬ng t¸c gi÷a c¸c sãng vµ hiÖu øng sãng ®æ b¹c ®Çu
N¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng ®−îc ph©n bè d−íi t¸c ®éng cña hiÖn t−îng
t−¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c sãng. N¨ng l−îng nµy ®−îc ph©n bæ tõ khu vùc ®Ønh phæ
tíi c¸c thµnh phÇn phæ víi tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao. Trong m« h×nh STWAVE tÇn sè
®Ønh phæ sÏ t¨ng lªn cïng víi ®µ sãng (hoÆc lµ thêi gian truyÒn t−¬ng ®−¬ng däc theo
®µ). Ph−¬ng tr×nh tÝnh ®Õn hiÖu øng thay ®æi ®Ønh phæ nµy lµ:
() ()
7/3
3/4
*
3/7
i
p
1i
pt
g
u
5
9
ff
−
+⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡∆
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
ς−= , (15)
víi: −
ς
hÖ sè kh«ng thø nguyªn (Resio vµ Perrie 1989 [3]), vµ i1
+
i lµ c¸c cét trong
l−íi tÝnh.
N¨ng l−îng mµ phæ sãng nhËn ®−îc ®−îc ph©n bæ trong giíi h¹n c¸c tÇn sè vÒ
phÝa gi¶i c¸c tÇn sè thÊp sao cho gi÷ nguyªn d¹ng cña phæ.
N¨ng l−îng sãng sÏ bÞ tiªu t¸n chñ yÕu lµ sù t¶i n¨ng l−îng vÒ c¸c tÇn sè cao vµ
tiªu t¸n d−íi t¸c ®éng cña hiÖu øng sãng ®æ b¹c ®Çu vµ hiÖu øng rèi, nhít cña n−íc.
Tån t¹i sù c©n b»ng ®éng lùc gi÷a n¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng vµ n¨ng l−îng
tiªu hao do hiÖu øng dßng n¨ng l−îng phi tuyÕn cña sãng ph©n t¸n vµo khu vùc tÇn sè
cao. Dßng n¨ng l−îng nµy ®−îc tÝnh nh− sau:
()
dkth
k Eg
P
4/3
2/9
P
3
tot
2/1
E
ε
=Γ , (16)
víi: dßng n¨ng l−îng,
−ΓE−
ε
hÖ sè (=30),
−
tot
Etæng n¨ng l−îng cña phæ sãng chia
cho ( g
w
ρ
), kP - sè sãng øng víi ®Ønh phæ.
N¨ng l−îng phæ sãng bÞ tiªu hao ®−îc tÝnh b»ng c¸ch lÊy tÝch cña dßng n¨ng
l−îng víi thêi gian t−¬ng ®−¬ng ®Ó sãng truyÒn däc theo l−íi tÝnh ( trong ph−¬ng
tr×nh ) víi
t∆
β
cho b»ng 1 ®èi víi gi¶i tÇn sãng lõng trong phæ víi
β
cho b»ng 0,9 ®èi víi
gi¶i tÇn sãng giã.
1.5. øng suÊt bøc x¹
Gradient cña øng suÊt bøc x¹ ®−îc tÝnh trong m« h×nh STWAVE ®Ó ®−a ra sè liÖu
®Çu vµo cho m« h×nh tÝnh dßng ch¶y vµ tÝnh n−íc d©ng, n−íc rót do sãng. C¸c tens¬ øng
suÊt bøc x¹ sãng ®−îc tÝnh theo lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh:
()
(
)
α
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡−+α
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛+αρ= ∫∫ d df 5.01cos
kd2 sh
kd2
1 5,0 ,fEgS 2
wxx (17)
()
α
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡α
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛+αρ= ∫∫ d df 2sin
kd2sh
kd2
15,0 ,fEgS wxy (18)
()
(
)
α
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡−+α
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛+αρ= ∫∫ d df 5,01sin
kd2 sh
kd2
1 5,0 ,fEgS 2
wyy (19)
Gradient cña øng suÊt bøc x¹: