Báo cáo " Profile gió trong lớp sát đất khu vực Tuy Phong - Bình Thuận trong các mùa "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dựa trên các số liệu quan trắc liên tục trong các tháng điển hình cho mùa đông và mùa hè tại các độ cao 12, 40 và 60m tại Tuy Phong-Bình Thuận trong năm 2005, tác giả đã xác định được các profile tốc độ gió trong lớp sát đất theo hai mô hình Budyko và lũy thừa. Qua việc đánh giá sai số của các mô hình trên tập số liệu độc lập cho thấy: - Vào mùa đông hoặc trong khoảng thời gian từ 21h đến 9h hôm sau vào mùa hè, tức là khi khí quyển...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo " Profile gió trong lớp sát đất khu vực Tuy Phong - Bình Thuận trong các mùa "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 khu vự - Nguyễn Hướng Điền* Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội Nhận ngày 15 tháng 7 năm 2012 Tóm tắt. Dựa trên các số liệu quan trắc liên tục trong các tháng điển hình cho mùa đông và mùa hè tại các độ cao 12, 40 và 60m tại Tuy Phong-Bình Thuận trong năm 2005, tác giả đã xác định được các profile tốc độ gió trong lớp sát đất theo hai mô hình Budyko và lũy thừa. Qua việc đánh giá sai số của các mô hình trên tập số liệu độc lập cho thấy: - Vào mùa đông hoặc trong khoảng thời gian từ 21h đến 9h hôm sau vào mùa hè, tức là khi khí quyển ổn định, mô hình Budyko mô phỏng profile gió chính xác hơn mô hình lũy thừa và có thể chấp nhận nó để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại khu vực nghiên cứu. - Vào mùa hè, trong khoảng thời gian từ 9h đến 21h hàng ngày, tức là khi khí quyển bất ổn định, mô hình lũy thừa mô phỏng profile gió chính xác hơn mô hình Budyko và có thể chấp nhận nó để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại khu vực. Từ khóa: profile tốc độ gió, mô hình Budyko, mô hình lũy thừa. 1. Mở đầu diễn sự phân bố đó của tốc độ gió (còn gọi là profile tốc độ gió) có tầm quan trọng lớn và là Lớp khí quyển sát đất là nơi diễn ra các hoạt mục tiêu của công trình này. động chủ yếu của con người. Ở đây rất nhiều công trình xây dựng cao tầng được xây dựng; 2. Cơ sở lí thuyết và phương pháp tính toán hàng ngày, tại các sân bay quân sự và dân dụng Khi xây dựng profle tốc độ gió của lớp các máy bay liên tục hạ và cất cánh; việc xây không khí sát đất, người ta quan tâm đến hai các nhà máy điện gió, theo dõi sự phát tán của nhân tố động lực và nhiệt lực. Trong trường các chất ô nhiễm do các nhà máy phát thải vào hợp nhân tố động lực không thay đổi thì sự trao khí quyển... Những hoạt động nêu trên có thể đổi rối trong lớp chỉ còn phụ thuộc vào nhân tố gặp khó khăn lớn nếu không biết rõ một số yếu nhiệt lực, tức là vào sự phân bố của nhiệt độ tố khí tượng, đặc biệt là vận tốc gió, và phân bố theo độ cao. của chúng theo độ cao trong lớp sát đất. Do vậy, việc xác định công thức thực nghiệm biểu Ngược lại, nếu khí quyển ở trạng thái cân bằng phiếm định, nhân tố nhiệt lực không còn _______ ảnh hưởng nữa, mức độ rối được xác định hoàn  ĐT: 84-904291148. toàn bởi nhân tố động lực. Trong trường hợp E-mail: diennh@vnu.edu.vn 23
24 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 của lớp khí quyển sát đất, điều kiện cân bằng nghiệm tính tốc độ gió theo chiều cao người ta phiếm định tương đương với điều kiện đẳng đưa vào mô hình thêm một tham số nào đó đặc nhiệt (T(z) = const), các phần tử khí di chuyển trưng cho mức độ ổn định của khí quyển. Có theo các xoáy rối đến mỗi một mực nào đó đều nhiều mô hình được xây dựng theo kiểu đó, có nhiệt độ như nhiệt độ của môi trường xung nhưng dưới đây ta chỉ xét hai mô hình như vậy. quanh. Vì lẽ đó người ta thường gọi trạng thái 2.1. Mô hình Budyko cân bằng phiếm định của lớp khí quyển sát đất là trạng thái cân bằng. Ở trạng thái này, profile Budyko đã đưa ra mô hình phát triển từ mô tốc độ gió trong lớp sát đất được lí thuyết cũng hình logarit nêu trên, cụ thể là [1]: như thực nghiệm xác nhận có dạng hàm logarit v* mz Cz ln , (4) sau [1]: m z0 v*z trong đó m là hệ số đặc trưng cho mức độ ổn Cz  .ln (1) định của khí quyển.  z0 trong đó Cz là tốc độ gió tại mực z,  - đại Đặt lượng không thứ nguyên và gọi là hằng số z0 z0  , , (5) Karman, v* - tốc độ động lực, z0 - độ cao mực m (hay tham số) gồ ghề, tại đó tốc độ gió bằng công thức (4) trở thành không. v* z Cz  ln , , (6) Gọi C1 là tốc độ gió tại mực z1, theo (1) ta m z0 có , Ta dễ dàng nhận thấy rằng z0 đóng vai trò v* z1 tham số gồ ghề mới ứng với điều kiện không C1  ln . (2)  z0 , cân bằng đang xét. z0 không cố định như z0 mà Chia phương trình (1) cho (2) ta tìm được thay đổi tùy theo điều kiện phân tầng nhiệt của khí quyển. Khi có điều kiện cân bằng thì m=1, z ln công thức tính profile gió theo Budyko trở về z0 ln z  ln z0 . công thức (1), tức là mô hình này tổng quát hơn Cz = C1  C1 (3) ln z1 ln z1  ln z0 mô hình trước. Công thức trên cũng dễ dàng z0 biến đổi thành Các công thức (1) hoặc (3) thường được gọi ln z  ln z0 , Cz = C1 . (7) là mô hình logarit của tốc độ ln z1  ln z0, t, z0 , . * Cách tính tham số gồ ghề z0 : , Thực tế điều kiện cân bằng của lớp khí Đặt ln z0 = a. quyển sát đất không nhiề ồ thị phân Đối với một mực z cố định khác z1 , tổng bố tốc độ gió theo độ cao trong lớp sát đất lệch sai số bình phương giữa tốc độ gió thực và tốc khỏi đường logarít, chứng tỏ tầng kết nhiệt khi độ gió tính toán là đó không phải ở điều kiện cân bằng. Trong 2 trường hợp tổng quát, sự trao đổi rối sẽ phụ N  ln z  a  thuộc vào cả hai nhân tố động lực học và nhiệt S  C z i  C1 i  , (8) i 1  ln z1  a  học. Do đó khi xây dựng công thức thực trong đó N là dung lượng mẫu.
N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 25 Áp dụng nguyên lý bình phương tối thiểu, n. dựa vào các số liệu đo gió ở các ta có độ cao 12m và 40m để xác định các tham số S N  ln z  a  này. Sau đó, độ chính xác của các profile này  2 C z i  C1 i   được đánh giá thông qua các sai số trung bình a i 1  ln z1  a  . (9) MAE và sai số trung bình toàn phương RMSE   C1 i  ln z  ln z1  = 0 đối với một tập số liệu độc lập (số liệu gió tại  (ln z1  a )  2 độ cao 60m). Các sai số này được tính theo các Giải phương trình trên đối với a, ta được công thức sau [3]:  C    ln z  ( C N N N ln z i 1 1 2 1 i 1 z  C1 )i  F  O  i 1 i i a i . (10) MAE  , (14)  C     C N N z  C1 i 2 N 1 i 1 i i 1 và N  F  O  , Sau khi có a, ta dễ dàng tính được z0 : i i 2 i 1 , z0 = exp(a) . (11) RMSE  . (15) N trong đó, Fi là giá trị tính toán; Oi là giá trị quan 2.2. Mô hình profile lũy thừa trắc. n z Cz  C1   z  (12)  1 3. Số liệu và kết quả tính toán trong đó, n là tham số phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển. Vì tốc độ gió cũng như hệ số rối 3.1. Cơ sở số liệu thường tăng theo độ cao trong lớp sát đất nên n thường nhỏ hơn 1. Những kết quả tính của các Để xác định profile tốc độ gió theo chiều tác giả trên thế giới cho thấy giá trị đặc trưng cao tại khu vực nghiên cứu ở Tuy Phong, Bình của nó ở điều kiện cân bằng vào khoảng 1/7, Thuận (xã Bình Thạnh =11012,5’N,  khi có nghịch nhiệt (ổn định mạnh) vào khoảng =108040,2’E, h=95m so với mặt biển), tác giả ¼, còn ở điều kiện bất ổn định, nó vào khoảng đã dựa trên các số liệu đo liên tục (thiết bị đo 1/10 [1]. tốc độ, hướng gió và các yếu tố khí tượng do hãng NRG của Hoa Kỳ chế tạo. Các thiết bị đo * Cách tính hệ số n [2] đã được công ty NEG – MICON của Đan Mạch , Tương tự như khi tính z0 , kiểm định trước khi đưa vào sử dụng. Các máy sẽ dẫn tới công thức tính tự động ghi 2 giây 1 lần và lấy 1 giá trị trung n: bình trong khoảng thời gian là 10 phút lưu vào N N thẻ nhớ của máy) tại ba độ cao 12m, 40mvà i 1 ln( C z )i   ln( C ) i 1 1 i 60m (mỗi 10 phút có một số liệu tại mỗi độ cao n . (13) đó) từ 9/1/2005 đến 8/1/2006. Số liệu quan trắc N (ln z  ln z1 ) trong các tháng 1 12 trong năm 2005 được Các profile Budyko và lũy thừa được xác coi là đại diện cho mùa đông 6 , định hoàn toàn khi tính được giá trị của z0 và và 7 – cho mùa hè.
26 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 3.2. Kết quả tính toán Từ bảng 1 ta thấy các sai số ở mực 60m của mô hình Budyko nhỏ hơn sai số của mô hình lũy thừa. Sai số RMSE đều khá lớn, một phần vì tốc độ gió trung bình quan trắc được tại mực ộ 60m vào mùa này cũng lớn (xấp xỉ 8,0 m/s). ỉ có thể Dựa trên các kết quả tính toán ta xây dựng phân định một cách tương đố được các đường cong phân bố tốc độ theo chiều 1 cao theo hai mô hình trong mùa đông ở Tuy Phong-Bình Thuận như hình 1. Trên bảng chỉ 7 dẫn trong hình, các đường cong Cn và Czo là các đường tương ứng với mô hình lũy thừa và Budyko, các chấm trên đường nằm ngang (ký hiệu C12, C40 và C TB) ở các mực 12, 40 hoặc (qua các tham số 60 m biểu diễn các giá trị tốc độ gió quan trắc , được tức thời hoặc trung bình. z0 và n (qua sai số trung bình và sai số trung bình toàn phương) Các kết quả tính sai số nêu trong bảng 1 cho . Ngoài ra, giá trị tốc độ gió trung bình quan thấy vào mùa đông mô hình Budyko chính xác trắc được tại mực 60m cũng được tính toán. hơn mô hình lũy thừa và có thể chấp nhận mô a) Profile gió trong lớp sát đất vào mùa đông hình Budyko để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại Tuy Phong - Bình Thuận. Mùa đông, ở khu vực này độ rọi mặt trời khá nhỏ do đó nhiệt độ không khí thời gian này cũng thấp. Số ngày dông trung bình tháng tại trạm quan sát thấy không nhiều (tức là ít khi có xuất hiện mây đối lưu có phóng điện và mưa). Hướng gió thịnh hành là từ Bắc đến Đông trong mùa Đông lại rất ít ngày quan sát thấy có nhiệt độ cao [4]. Tuy Phong nằm sát biển nên sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt đệm và nhiệt độ nước biển không lớn. Như vậy, hầu hết thời gian trong mùa, trạng thái của lớp sát đất có thể coi là ổn định. Kết quả tính trong mùa đông được cho trong bảng 1. Bảng 1. Các tham số và sai số của hai mô hình áp dụng cho mực 60m vào mùa đông Mô hình Budyko Lũy thừa , z0 (m) 0,1 - n - 0,21 Hình 1. Profile gió trong mùa đông MAE (m/s) 0,16 -0,17 tại Tuy Phong - Bình Thuận. RMSE (m/s) 4,67 5,12
N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 27 b) Profile gió trong lớp sát đất vào mùa hè So sánh các sai số của hai mô hình nêu Ta phân chia thời gian nghiên cứu thành 2 trong bảng 2 ta thấy, tương tự như trong mùa khoảng: đông, có thể chấp nhận mô hình Budyko để tính + Từ 21h đến 9h sáng hôm sau tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau trong thời gian từ 21h đến 9h sáng hôm sau tại Đây là khoảng thời gian mà ảnh hưởng của bức xạ Mặt Trời đến mặt đệm không lớn. Gió Tuy Phong - Bình Thuận. trong khoảng thời gian này có hướng từ đất liền ra biển (gió đất). Như vậy, lớp không khí sát đất + Từ 9h đến 21h lúc này thường có trạng thái ổn định và sự trao đổi rối trong lớp không có điều kiện phát triển. Ảnh hưởng của bức xạ Mặt Trời rất lớn, đặc biệt từ 11h đến 14h, bề mặt trái đất nhận được Kết quả tính trong mùa hè trong thời gian từ 21h đến 9h được cho trong bảng 2. độ rọi tổng xạ khá cao. Gió trong khoảng thời gian này thổi từ biển vào đất liền, vận chuyển Bảng 2. Các tham số và sai số của hai mô hình tại mực 60m vào mùa hè trong thời gian từ 21h đến 9h một lượng hơi nước rất lớn từ biển vào, gặp độ rọi bức xạ mặt trời lớn làm tăng cường các Mô hình Budyko Lũy thừa , chuyển động rối. Như vậy, lớp không khí sát z0 (m) 0,02 - đất lúc này thường có trạng thái bất ổn định. n - 0,19 MAE (m/s) 0,10 -0,12 Kết quả tính trong mùa hè trong thời gian từ RMSE (m/s) 1,68 2,05 21h đến 9h được cho trong bảng 3. Từ bảng 2 ta thấy các sai số ở mực 60m của mô hình lũy thừa nhỏ hơn sai số của mô hình Bảng 3. Các tham số và sai số của hai mô hình tại Budyko. Sai số RMSE tương đối nhỏ, một phần mực 60m vào mùa hè trong thời gian từ 9h đến 21h vì tốc độ gió trung bình quan trắc được tại mực Mô hình Budyko Lũy thừa 60m vào thời gian này cũng nhỏ (6,28m/s). , z0 (m) 0,007 - Dựa trên các kết quả tính toán ta xây dựng n - 0,14 được các đường cong phân bố tốc độ theo chiều MAE (m/s) 0,16 -0,15 cao theo hai mô hình trong mùa đông ở Tuy RMSE (m/s) 3,3 3,1 Phong-Bình Thuận như hình 2. Từ bảng 3 ta thấy các sai số ở mực 60m của mô hình lũy thừa nhỏ hơn sai số của mô hình Budyko. Sai số RMSE ở mức trung bình, còn tốc độ gió trung bình quan trắc được tại mực 60m vào thờ 7,0m/s) lớn hơn ban đêm. Dựa trên các kết quả tính toán ta xây dựng được các đường cong phân bố tốc độ theo độ cao theo hai mô hình trong mùa đông ở Tuy Phong-Bình Thuận như hình 3. Hình 2. Profile tốc độ gió mùa hè tại Tuy Phong trong thời gian từ 21h đến 9h.
28 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 đường cong phân bố tốc độ gió theo độ cao và đánh giá sai số của chúng trên các tập số liệu độc lập. - Vào mùa đông hoặc trong khoảng thời gian từ 21h đến 9h hôm sau vào mùa hè, tức là khi khí quyển ổn định, mô hình Budyko chính xác hơn (có sai số nhỏ hơn) mô hình hàm mũ và có thể chấp nhận nó để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau. - Vào mùa hè, trong khoảng thời gian từ 9h đến 21h hàng ngày, tức là khi khí quyển là bất Hình 3. Profile tốc độ gió mùa hè tại Tuy Phong ổn định, mô hình hàm mũ lại tỏ ra chính xác trong thời gian từ 9h đến 21h. hơn mô hình Budyko và có thể ể tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau. Các kết quả tính sai số nêu trong bảng 3 cho thấy vào mùa hè trong thời gian từ 9h đến 21h hàng ngày, mô hình lũy thừa lại tỏ ra chính xác Tài liệu tham khảo hơn mô hình Budyko và có thể chấp nhận nó để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác [1] Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ, Cơ sở khí nhau tại Tuy Phong - Bình Thuận. tượng học, Tập 3, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1991. [2] Lê Đình Quang, Trần Duy Bình, Vương Quốc [5, 6]. Cường, Xây đựng các công thức tính tốc độ gió , theo độ cao từ số liệu quan trắc và các bài toán z0 ứng dụng, Trung tâm KHTN và CNQG, Viện VLĐC, Hà Nội, 1999. . [3] Phan Văn Tân, Các phương pháp thống kê trong khí hậu, NXB Đại học QG. Hà Nội, 2003. [4] Phạm Ngoc Toàn, Phan Tất Đắc, Khí hậu Việt Kết luận Nam, NXB KHKT, Hà Nội, 1993. [5] Lê Văn Lưu, Lê Việt Huy, Phạm Xuân Thành, Từ những kết quả tính toán nêu trên, có thể Hoàng Hải Sơn, Profin tốc độ gió theo chiều rút ra mấy kết luận sau: cao trong lớp không khí sát đất, khu vực Phước - Đã xác định được các profile tốc độ gió Hoà - Bình Định, Tạp chí Các khoa học Trái đất, 2000. trong lớp sát đất trong mùa đông và mùa hè [6] Ghard Guyot, Climatologic de l’environment de theo mô hình Budyko và hàm mũ trong mùa la plant aux e’cosystemes, Mason, Paris, 1997. đông và mùa hè ở Tuy Phong-Bình Đị , z0 ), vẽ được các
N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 29 Wind speed vertical profile in the surface layer at Tuy Phong – Binh Dinh on different seasons Nguyen Huong Dien VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi Based on the number of continuous measurement data in the typical months for winter and summer of 2005 at the heights 12, 40 and 60m in Tuy Phong-Binh Thuan, the author has estabilished the wind speed vertical profile in surface layer according to 2 models Buddyko and Power. The error evaluation of the models in independent data sets shows: In winter or from 21h to 9h of the next day in summer, in the other words when the atmosphere is stable, the Buddyko model emulates the wind profile more accurately than the Power model and can be accepted to calculate the average wind speed at different heights in the research area. In summer, from 9h to 21h daily, when the atmosphere is unstable, the Power model emulates the wind profile more accurately than the Buddyko model and can be accepted to calculate the average wind speed at different heights in the area. Keywords: profile wind speed, Budyko model, Power model.