Giáo trình DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN - Chương 5

Chia sẻ: Norther Light | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN Tính và dự báo sóng ở biển và đại dương cần thiết cho những lĩnh vực kinh tế như hàng hải, đóng tàu và khai thác tàu, cảng, các thủy công trình trên bờ và thềm lục địa, bảo vệ bờ. Trong ho ạt động đa dạng của các ngành này c ần biết thông tin về sóng biển, những đặc trưng sóng ở những vùng khác nh au. Trong số những đặc trưng của sóng biển thì quan trọng nhất là những độ cao sóng cực đại, vì những sóng l ớn luôn...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN - Chương 5

CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN T ính và d ự b áo sóng ở b i ể n và đ ạ i d ươ ng c ầ n thi ế t cho nh ữ ng l ĩ nh v ự c kinh t ế n h ư h àng h ả i, đ óng tàu và khai thác tàu, c ả ng, các th ủ y công trình trên b ờ v à th ề m l ụ c đ ị a, b ả o v ệ b ờ . Trong ho ạ t đ ộ ng đ a d ạ ng c ủ a các ngành này c ầ n bi ế t thông tin v ề s óng bi ể n, nh ữ ng đ ặ c tr ư ng sóng ở n h ữ ng vùng khác nh au. Trong s ố n h ữ ng đ ặ c tr ư ng c ủ a sóng bi ể n thì quan tr ọ ng nh ấ t là nh ữ ng đ ộ c ao sóng c ự c đ ạ i, vì nh ữ ng són g l ớ n luôn luôn là m ố i n guy hi ể m nh ấ t đ ố i v ớ i tàu và các th ủ y công trình. Các ngành kinh t ế c ầ n nh ữ ng lo ạ i d ự b áo sóng khác nhau: có th ể l à nh ữ ng đ ặ c tr ư ng xác su ấ t (ch ế đ ộ ) c ủ a sóng trong th ờ i k ỳ d ài và c ũ ng có th ể l à nh ữ ng y ế u t ố s óng trong m ộ t th ờ i đ i ể m c ụ t h ể h àng ngày. Hình th ứ c ti ệ n d ụ ng nh ấ t đ ể t h ể h i ệ n d ự b áo sóng là nh ữ ng b ả n đ ồ s óng, trên đ ó các đ ộ c ao sóng và chu k ỳ s óng đ ượ c bi ể u di ễ n b ằ n g các đ ườ ng đ ẳ ng tr ị . Đ ã vài th ậ p k ỷ n ay các n ướ c nh ư N ga và M ỹ đ ã l ậ p các b ả n đ ồ d ự b áo sóng cho các vùng đ ạ i d ươ ng. Nh ữ ng b ả n đ ồ n ày có giá tr ị t o l ớ n đ ố i v ớ i ngành hàng h ả i, đ ặ c bi ệ t t ừ k hi xu ấ t hi ệ n d ị ch v ụ đ ả m b ả o nh ữ ng đ ườ ng b ơ i t ố i ư u cho các tàu vi ễ n d ươ ng. 5.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN S ự p hát tri ể n, lan truy ề n và t ắ t d ầ n c ủ a sóng ở n ướ c sâu và n ướ c nông di ễ n ra khác nhau và các ph ươ ng pháp d ự b áo sóng c ũ ng đ ượ c xây d ự ng riêng cho t ừ ng tr ườ ng h ợ p. N ế u đ ộ s âu bi ể n l ớ n h ơ n n ử a đ ộ d à i sóng thì ng ườ i ta xét sóng n ướ c sâu, n ế u đ ộ s âu bi ể n nh ỏ h ơ n n ử a đ ộ d ài sóng − s óng n ướ c nông. Trong bi ể n phân bi ệ t sóng gió và sóng l ừ ng. Sóng gió là sóng gây b ở i gió và ch ị u tác đ ộ ng c ủ a gió. Sóng l ừ ng là sóng lan truy ề n trong vùng t ạ o s óng sau khi gió y ế u đ i ho ặ c gió thay đ ổ i h ướ ng ho ặ c sóng đ i t ừ v ùng t ạ o sóng đ ế n vùng khác, n ơ i có các đ ặ c tr ư ng gió khác. Có th ể c ó sóng l ừ ng lan truy ề n trong khi hoàn toàn không có gió. H ệ t h ố ng sóng hình thành do t ổ ng h ợ p các sóng gió và sóng l ừ ng g ọ i là sóng h ỗ n h ợ p. Trong tính toán và d ự b áo sóng c ũ ng phân bi ệ t sóng ba chi ề u và sóng hai chi ề u. Th ự c t ế d ự b áo sóng th ườ ng đ ề c ậ p đ ế n sóng hai chi ề u. Nh ữ ng đ ặ c tr ư ng c ơ b ả n đ ư ợ c d ự b áo c ủ a sóng hai chi ề u g ồ m đ ộ c ao h , chu k ỳ T , đ ộ d ài λ , t ố c đ ộ t ruy ề n C , h ướ ng truy ề n ψ . Đ ộ c ao sóng là đ ộ c ao c ủ a đ ỉ nh sóng so v ớ i đ áy sóng. Chu k ỳ − k ho ả ng th ờ i gian hai đ ỉ nh sóng k ế t i ế p đ i qua m ộ t đ i ể m c ố đ ị nh trên bi ể n. Trên b ă ng ghi sóng (hình 5.1) chu k ỳ x ác đ ị nh b ằ ng kho ả ng th ờ i gian trên tr ụ c hoành gi ữ a hai đ ỉ nh sóng k ế t i ế p nhau. Đ ộ d ài − k ho ả ng cách ngang gi ữ a hai đ ỉ nh sóng k ế t i ế p trên tr ắ c 60
d i ệ n sóng v ẽ t heo h ướ ng t ruy ề n sóng. T ố c đ ộ t r uy ề n sóng - quãng đ ườ ng di chuy ể n đ ỉ nh sóng hay đ áy sóng theo h ướ ng truy ề n sóng trong m ộ t đ ơ n v ị t h ờ i gian khi sóng ti ế n lan truy ề n trên bi ể n. H ướ ng truy ề n sóng - h ướ ng trung bình lan truy ề n sóng xác đ ị nh theo nhi ề u sóng. §Ønh sãng M ùc sãng trung b×nh Ngän sãng § ¸y sãng Ch©n sãng 1 phót Hình 5.1. Hình dạng một đoạn băng ghi sóng C hu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c đ ộ t ruy ề n sóng liên h ệ v ớ i nhau b ằ ng nh ữ ng bi ể u th ứ c λ gλ C= = = 1,56T , 2π T 2π 2 g2 λ= T = 1,56T 2 , C= (5.1) 2π g 2πλ 2π T= = C = 0,64C g g N ă ng l ượ ng toàn ph ầ n c ủ a sóng 1 W = ρgh 2 ( 5.2) 8 trong đ ó g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c, ρ − m ậ t đ ộ n ướ c. Các sóng c ủ a m ộ t h ệ són g ở b i ể n trong gió m ạ nh và b ão có đ ặ c đ i ể m r ấ t đ a d ạ ng. Bên c ạ nh nh ữ nh sóng r ấ t nh ỏ c ó nh ữ ng sóng l ớ n (hình 5.1). S ự đ a d ạ ng c ủ a các y ế u t ố s óng trong nh ữ ng giai đ o ạ n phát tri ể n sóng tuân theo nh ữ ng quy lu ậ t th ố ng kê nh ấ t đ ị nh. B ằ ng con đ ườ ng lý thuy ế t ho ặ c th ự c nghi ệ m x ử l ý nh ữ ng b ă ng ghi sóng đ ã nh ậ n đ ượ c các hàm ph ân b ố h ay hàm độ đ ả m b ả o các y ế u t ố s óng. N h ờ n h ữ n g h àm phân b ố , có th ể x ác đ ị nh tr ị s ố c ủ a m ộ t y ế u t ố s óng v ớ i đ ộ đ ả m b ả o b ấ t k ỳ , n ế u bi ế t tr ị s ố t rung bình c ủ a nó. 5.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG D o tác đ ộ ng c ủ a dòng không khí trên m ặ t bi ể n lúc đ ầ u ph ẳ ng l ặ ng hình thành dao đ ộ ng c ủ a các h ạ t n ướ c. Trên m ặ t bi ể n xu ấ t hi ệ n nh ữ ng sóng nh ỏ h ình d ạ ng đ ề u 61
đ ặ n - g ọ i là c ác sóng mao d ẫ n vì vai trò quy ế t đ ị nh đ ố i v ớ i hình thành các sóng này là l ự c c ă ng b ề m ặ t c ủ a n ướ c. Nh ữ ng sóng này không ổ n đ ị nh và sau khi ng ừ ng gi ó chúng t ắ t nhanh do đ ộ n h ớ t c ủ a n ướ c. N ế u gió ti ế p t ụ c truy ề n đ ộ ng n ă ng cho sóng th ì d ướ i tác đ ộ ng c ủ a tr ọ ng l ự c và l ự c c ă ng b ề m ặ t các sóng phát tri ể n d ầ n và chuy ể n thành sóng tr ọ ng l ự c. N ă ng l ượ ng t ổ ng c ộ ng c ủ a sóng liên t ụ c t ă ng. Hình t hành chuy ể n đ ộ ng sóng ph ứ c t ạ p. Xu ấ t hi ệ n nh ữ ng sóng v ớ i chu k ỳ , đ ộ c ao, đ ộ d ài và t ố c đ ộ t ruy ề n r ấ t khác nhau, t ứ c hình thành ph ổ s óng gió. C ơ c h ế t ruy ề n n ă ng l ượ ng gió cho sóng đ ượ c các nhà nghiên c ứ u quan ni ệ m r ấ t khác nhau [18]. V. M. Makaveev cho r ằ ng gió truy ề n n ă ng l ượ ng cho sóng nh ờ ứ ng su ấ t ti ế p tuy ế n c ủ a gió. Iu. M. Kr ư lov gi ả i thích c ơ c h ế t ruy ề n n ă ng l ượ ng b ằ ng ứ ng su ấ t pháp tuy ế n và ti ế p tuy ế n c ủ a gió. V . V. Shuleikin b ằ ng th ự c nghi ệ m đ ã ch ỉ r a r ằ ng n ă ng l ượ ng truy ề n cho sóng ch ủ y ế u nh ờ á p su ấ t ph áp tuy ế n c ủ a gió lên s ườ n đ ón gió c ủ a sóng. Theo lý thuy ế t c ủ a Phillips và Miles thì s ự p hát tri ể n ph ổ s óng gió di ễ n ra do hai c ơ c h ế v ậ t lý ứ ng v ớ i nh ữ ng giai đ o ạ n phát tri ể n sóng. C ơ c h ế c ộ ng h ưở ng c ủ a Phillips gi ả i thích s ự p hát sinh các sóng gió. Nh ờ n h ữ ng tính ch ấ t r ố i c ủ a gió, nh ữ ng kích th ướ c c ủ a nh ữ ng cu ộ n xoáy trong gió trùng v ớ i đ ộ d à i sóng thì x ả y ra s ự c ộ ng h ưở ng làm sóng m ạ nh lên, n ă ng l ượ ng c ủ a các thành ph ầ n ph ổ t ă ng t uy ế n tính v ớ i th ờ i gian cho đ ế n khi s ự b ấ t đ ồ ng đ ề u c ủ a m ặ t n ướ c d ậ y sóng tác đ ộ ng tr ở l ạ i tr ườ ng áp su ấ t trong l ớ p không khí sát m ặ t n ướ c. S ự t ă ng tr ưở ng ti ế p theo c ủ a sóng, khi b ắ t đ ầ u có s ự p h ả n ứ ng l ạ i c ủ a sóng đ ố i v ớ i nh ữ ng th ă ng giáng áp su ấ t không khí đ ượ c g i ả i thích b ằ ng lý thuy ế t Miles. Theo Miles áp su ấ t không khí t ỷ l ệ v ớ i n ă ng l ượ ng sóng và s ự t ă ng tr ưở ng sóng di ễ n ra theo quy lu ậ t hàm m ũ . S ự c huy ể n hoá t ừ t ă ng tr ưở ng tuy ế n tính sang t ă ng tr ưở ng theo quy lu ậ t hàm m ũ đ ượ c quy ế t đ ị nh b ở i t ươ ng quan gi ữ a v ậ n t ố c đ ố i l ư u c ủ a gió v∗ v à t ố c đ ộ p ha sóng C . S ự t ă ng tr ưở ng theo hàm m ũ d i ễ n ra cho đ ế n khi nh ữ ng hi ệ u ứ ng phi tuy ế n do sóng đ ổ b ắ t đ ầ u đ óng vai trò ch ủ y ế u. C ơ c h ế M iles t ỏ r a hi ệ u qu ả n h ấ t v ớ i nh ữ ng t ầ n s ố s óng cao. V ớ i nh ữ ng t ầ n s ố s óng trung bình và th ấ p, t ứ c khi suy gi ả m t ươ ng tác gi ữ a r ố i khí quy ể n và sóng thì lý thuy ế t Miles khác nhi ề u so v ớ i quan tr ắ c. Nh ữ ng nhân t ố c hính quy ế t đ ị nh s ự p hát tri ể n sóng g ồ m: t ố c đ ộ g i ó, th ờ i gi a n ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió, đ à − đ ộ d ài kho ả ng không gian k ể t ừ đ i ể m tính sóng v ề p hía ng ượ c chi ề u gió tác đ ộ ng cho t ớ i n ơ i gió thay đ ổ i đ áng k ể v ề h ướ ng ho ặ c t ớ i đ ườ ng b ờ k hu ấ t gió, và đ ộ s âu bi ể n n ơ i tính sóng. N ế u gió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng không đ ổ i tác đ ộ ng trên kho ả ng không gian r ấ t l ớ n trên đ ạ i d ươ ng trong th ờ i gian đ ủ d ài, thì sóng s ẽ t ă ng tr ưở ng cho đ ế n khi đ ạ t tr ạ ng thái phát tri ể n hoàn toàn ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ang xét. Khi đ ó ph ổ s ón g s ẽ b ao g ồ m toàn d ả i chu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c đ ộ s óng (v ề l ý thuy ế t t ừ 0 đ ế n ∞ ). Đ ộ c ao, chu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c đ ộ s óng s ẽ c h ỉ p h ụ t hu ộ c vào m ộ t tham s ố − t ố c đ ộ g ió v . Trong tr ườ ng h ợ p này t ố c đ ộ g ió càng l ớ n thì th ờ i gian c ầ n đ ể s óng phát tri ể n hoàn toàn càng l ớ n. Vì v ậ y v ớ i nh ữ ng t ố c đ ộ g ió r ấ t l ớ n, sóng r ấ t ít khi đ ạ t s ự p hát tri ể n hoàn toàn b ở i các gió l ớ n th ườ ng không kéo dài. N ế u sóng ch ư a đ ạ t s ự p hát t ri ể n hoàn toàn thì ngoài t ố c đ ộ g ió, s ự t ă ng tr ưở ng s ẽ p h ụ t hu ộ c vào th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gi ó và đ à, và x ả y ra ba tình hu ố ng chính: 62
1 . G ió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng không đ ổ i tác đ ộ ng trên kho ả ng không gian l ớ n, nh ư ng th ờ i gian ho ạ t đ ộ ng nh ỏ . S ự p hát tri ể n c ủ a sóng b ị h ạ n ch ế b ở i th ờ i gian ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió. 2. Gió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng không đ ổ i ho ạ t đ ộ ng trong kho ả ng t h ờ i gian đ ủ d ài, nh ư ng đ à nh ỏ , thì s ự p hát tri ể n c ủ a sóng b ị h ạ n ch ế b ở i đ à. 3. N ế u c ả t h ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gi ó và đ à đ ề u có h ạ n, thì s ự p hát tri ể n c ủ a sóng ph ụ t hu ộ c vào y ế u t ố n ào h ạ n ch ế s ự t ă ng tr ưở ng c ủ a sóng nhi ề u h ơ n. 5.3. TÍNH CÁC YẾU TỐ SÓNG GIÓ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NÔNG P h ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng liên h ệ s ự p hát t ri ể n s óng v ớ i các y ế u t ố t ạ o sóng có d ạ ng ∂E ∂ + ( EU ) = M v − E D ( 5.3) ∂t ∂x trong đ ó E − n ă ng l ượ ng sóng trên m ộ t đ ơ n v ị d i ệ n tích m ặ t bi ể n có sóng, U − t ố c đ ộ v ậ n chuy ể n n ă ng l ượ ng sóng, M v − n ă ng l ượ ng sóng nh ậ n đ ượ c t ừ g ió, E D − n ă ng l ượ ng m ấ t do t ả n mát, t − t h ờ i gian, x − đ à. Ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng d ướ i d ạ ng nh ư t rên g ọ i là ph ươ ng trình Maka veev. K ế t qu ả g i ả i ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng d ẫ n t ớ i nh ữ ng bi ể u th ứ c liên h ệ g i ữ a các tham s ố s óng v ớ i các y ế u t ố t ạ o sóng nh ư t ố c đ ộ g ió, đ à và th ờ i gian ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió. T ừ đ ó xây d ự ng thành ph ươ ng pháp tính và d ự b áo sóng trong th ự c hành. M ộ t trong nh ữ ng k ế t qu ả g i ả i ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng d ẫ n đ ế n nh ữ n g bi ể u th ứ c liên h ệ c ác tham s ố s óng và các y ế u t ố t ạ o sóng thu ộ c v ề V . V. Shuleikin. Ông nh ậ n đ ượ c bi ể u th ứ c t ă ng đ ộ c ao sóng theo th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió đ ố i v ớ i sóng phát tri ể n η = 1 − e −τ , (5.4) và bi ể u th ứ c liên h ệ g i ữ a đ ộ c ao sóng và đ à đ ố i v ớ i sóng ổ n đ ị nh 1 1 ξ = 2arcthη − 2η 2 , (5.5) 2 h trong đ ó η − đ ộ c ao sóng không th ứ n guyên b ằ ng , τ − t ham s ố t h ờ i gian không h∞ t x , ξ − t ham s ố k ho ả ng cách không th ứ n guyên b ằ ng th ứ n guyên b ằ ng . Nh ữ ng vT∞ T∞ th am s ố không th ứ n guyên này liên h ệ v ớ i nh ữ ng giá tr ị c ụ t h ể c ủ a các y ế u t ố t ạ o sóng và các đ ặ c tr ư ng sóng theo nh ữ ng bi ể u th ứ c sau: t x h τ = k1 ξ = k2 η= , , . ( 5.6) T∞ vT∞ h∞ Trong các công th ứ c trên đ ã dùng các ký hi ệ u: h − độ c ao són g tính b ằ ng mét, h∞ − đ ộ c ao t ớ i h ạ n c ủ a sóng ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ã cho, T∞ − c hu k ỳ t ớ i h ạ n c ủ a 63
s ón g ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ã cho, v − t ố c đ ộ g ió tính b ằ ng m/s, t − th ờ i g ian tác đ ộ ng c ủ a gió tính b ằ ng gi ờ , x − đ à sóng tính b ằ ng km, k1 , k 2 − nh ữ ng h ệ s ố . Các đ ộ c ao và chu k ỳ t ớ i h ạ n c ủ a sóng tính th eo các cô ng th ứ c: h∞ = 0,0205v 2 ( 5.7) T∞ = 0,526v . (5.8) Trong th ự c hành tính các y ế u t ố s óng nh ữ ng cô ng th ứ c trên đ ây đ ư ợ c xây d ự ng t hành các toán đ ồ ( các hình 5.2 − 5.5). Để t ính các y ế u t ố sóng theo ph ươ ng pháp S huleikin c ầ n cho tr ướ c t ố c đ ộ g ió v , th ờ i g ian tác đ ộ ng c ủ a gi ó t , đ à sóng x v à đ ộ s âu bi ể n t ạ i đ i ể m tính sóng H . Tính sóng đ ố i v ớ i bi ể n sâu th ự c hi ệ n th eo trình t ự s au [12,18]: Nh ờ t oán đ ồ hình 5 .2 xác đ ị nh h∞ v à T∞ ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió v đ ã cho. Sau đ ó xác đ ị nh th ờ i gian t x không th ứ n guyên v à đ à không th ứ n guyên . Th eo nh ữ ng giá t r ị n h ậ n đ ượ c T∞ vT∞ t x của và n h ờ t oán đ ồ h ình 5.3 xá c đ ị nh tr ạ ng thái sóng (phát tri ể n hay ổ n T∞ vT∞ đị nh) . Sóng phát tri ể n là sóng gió v ớ i nh ữ ng tham s ố s óng t ă ng theo th ờ i gian, còn sóng ổ n đ ị nh là sóng gió v ớ i các tham s ố s óng không bi ế n đ ổ i trong kho ả ng th ờ i x t  ,  n ằ m th ấ p h ơ n đườ ng cong trên toán đ ồ h ình 5.3 gian đ ang xét. N ế u đ i ể m    vT∞ T∞  t x ác đ ị nh η t rên toán đ ồ h ình 5.4a, thì só ng đ ang phát tri ể n, khi đ ó theo giá tr ị T∞ còn n ế u đ i ể m n ằ m cao h ơ n đ ườ ng cong trên toán đ ồ h ình 5.3 thì sóng ổ n đ ị nh và x x ác đ ị nh η t rê n t oán đ ồ h ình 5.4b. Cu ố i cùng tính các đ ặ c tr ư ng theo giá tr ị vT∞ sóng: đ ộ c ao són g h the o đạ i l ượ ng η n h ậ n đ ượ c, còn chu k ỳ sóng và b ướ c sóng tìm theo toán đ ồ h ình 5.5. Tính các đ ặ c tr ư ng sóng trên vùng n ướ c nông t ươ ng t ự n h ư t rình t ự t rên, tuy nhiên trong tr ườ ng h ợ p này khi tìm η t rên các toán đ ồ h ình 5.4 ph ả i c ă n c ứ v ào ch ỉ t iêu n ướ c nông v K= , (5.9) gH v ớ i v − t ố c đ ộ g ió (m/s), g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c (m/s2), H − đ ộ s âu bi ể n t ạ i đ i ể m tính sóng (m). Trong th ự c hành c ũ ng s ử d ụ ng m ộ t ph ươ ng pháp khá c tính các đặ c tr ư ng sóng gió d ự a theo nh ữ ng công t h ứ c t h ự c n ghi ệ m c ủ a Vi ệ n h ả i d ươ ng qu ố c gia và Vi ệ n nghiên c ứ u thi ế t k ế c ông trình bi ể n Liên bang (L iên bang Nga). Nh ữ ng công th ứ c này có d ạ ng: 64
- Đ ố i v ớ i bi ể n sâu: 5 1  gx   gt  ghx ght 3 12 = 0,0042 2  = 0,0013  2 2 v v  v v ( 5.10) 1 1  gx   gt  gTx gTt 5 4 = 0,70 2  = 0,34  v v v v  - Đ ố i v ớ i bi ể n nông: 3  gH  5 gh H = 0,07 2  , v2 v  ( 5.11) 3  gh  5 gT = 18,7 2  , v  v   v ớ i hx − đ ộ c ao sóng trung bình ứ ng v ớ i đ à và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, ht − đ ộ c ao song trung bình ứ ng v ớ i th ờ i gian tác đ ộ ng và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, Tx − c hu k ỳ s óng trung bình ứ ng v ớ i đ à và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, Tt − c hu k ỳ s óng trung bình ứ ng v ớ i th ờ i gian tác đ ộ ng và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, x − đ à sóng (km), t − th ờ i gian tá c đ ộ ng c ủ a gió (gi ờ ), v − t ố c đ ộ g ió (m/s), H − đ ộ s âu bi ể n (m), g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c (m/s2), hH − đ ộ c ao sóng trung bì nh trên n ướ c nông (m). 5.4. PHƯƠNG PHÁP LẬP DỰ BÁO SÓNG ĐỐI VỚI VÙNG ĐẠI DƯƠNG 5.4.1. Dự báo số trị trường sóng trên cơ sở phương pháp lý thuyết C ơ s ở c ủ a ph ươ ng pháp này là s ơ đ ồ t ính sóng c ủ a Shuleikin đ ã trình bày ở m ụ c 5 .2. Xét tr ườ ng h ợ p sóng ch ư a ổ n đ ị nh, khi s ự p hát tri ể n c ủ a sóng ch ỉ p h ụ t h u ộ c vào th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió. Gi ả t hi ế t r ằ ng t ố c đ ộ v à h ướ ng gió không bi ế n đ ổ i trong kho ả ng th ờ i gian 6 gi ờ . Ng ườ i ta ch ỉ d ự b áo đ ộ c ao và h ướ ng lan truy ề n sóng , vì các đ ặ c tr ư ng này quan tr ọ ng nh ấ t đ ố i v ớ i hàng h ả i. S ự p h ụ t hu ộ c c ủ a đ ộ c ao sóng không th ứ n guyên vào th ờ i gian không th ứ n guy ên có d ạ ng  t  0,6 η = 1 − exp − 1,30   . (5.12) T    ∞    C ă n c ứ v ào công th ứ c (5.7) và (5.8) công th ứ c (5.12) có th ể v i ế t l ạ i thành   t    0, 6 2  h = 0,0205v 1 − exp − 1,30   , (5.13)  0,526v         trong đ ó h − đ ộ c ao sóng (m), v − t ố c đ ộ g i ó (m/s), t − th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a g ió (gi ờ ) . Th ờ i gian c ầ n cho sóng phát tri ể n đ ế n đ ộ c ao quan tr ắ c đ ượ c t ạ i th ờ i đ i ể m l ậ p 65
d ự b áo xác đ ị nh t heo công th ứ c 1, 66    h  ln 1 −   0,0205v 2  t = 0,526v −   . (5.14)   1,3     Đ ể t ính đ ộ c ao sóng khi g ió y ế u đ i ng ườ i ta s ử d ụ ng công th ứ c c ủ a K. M. S irotov:     t − , h = 1,6h0 exp (5.15 )  14,7 + 3,78     k trong đ ó h − đ ộ c ao sóng t ạ i th ờ i đ i ể m cu ố i chu k ỳ t ắ t sóng đ ang xét, h0 − đ ộ c ao Δv sóng t ạ i th ờ i đ i ể m đ ầ u quá t rình t ắ t sóng, t − t h ờ i gian (gi ờ ), k = − − g iá tr ị Δt t uy ệ t đ ố i c ủ a gia t ố c âm c ủ a gió. Tính toán d ự b áo sóng đ ượ c th ự c hi ệ n t ừ ng b ướ c 6 gi ờ . Tr ườ ng sóng ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m t n+6 đ ượ c tính theo tr ườ ng sóng xu ấ t ph át t ạ i th ờ i đ i ể m t n và các tr ườ ng gió d ự b áo t ạ i các th ờ i đ i ể m t n v à t n + 6 . Tr ườ ng khí áp đ ượ c tính chu y ể n thành tr ườ ng gió trong máy tính. 5.4.2. Phương pháp vật lý thống kê dự báo trường sóng đại dương T ạ i Trung tâm Khí t ượ ng Th ủ y v ă n (Nga) Z. K. Abuziarov [2,3] đ ã xây d ự ng ph ươ ng pháp d ự b áo tr ườ ng sóng cho vùng B ắ c Đ ạ i Tây D ươ ng trên c ơ s ở x ử l ý th ố ng kê nh ữ ng quan tr ắ c sóng c ủ a các tàu th ờ i ti ế t và tàu tuy ế n và thi ế t l ậ p nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c gi ữ a tr ườ ng sóng và tr ư ờ n g khí áp. Đ ố i v ớ i d ự b áo sóng n g ườ i ta th ấ y r ằ ng nên s ử d ụ ng tr ự c ti ế p tr ườ ng khí áp b ao quát m ộ t không gian l ớ n trên đ ạ i d ươ ng ch ứ k hông ph ả i là nh ữ ng d ữ l i ệ u v ề g ió. Và trong tr ườ ng h ợ p nà y tr ườ ng áp su ấ t đ ượ c khai tri ể n thành hàm gi ả i tích c ủ a t ọ a đ ộ ( khai tri ể n Cheb ư sev ho ặ c khai tri ể n thành các thành ph ầ n tr ự c giao t ự n hiên). Xét m ố i ph ụ t hu ộ c c ủ a đ ộ c ao sóng v ớ i các tr ườ ng khí áp l ấ y cách nhau 6 ho ặ c 12 gi ờ , có th ể t ính t ớ i m ộ t cách g ầ n đ úng tr ạ ng thái không ổ n đ ị nh c ủ a gió, và do đ ó, s ự p hát tri ể n c ủ a sóng gió và sóng l ừ ng trong th ờ i gian và không gian. Cách ti ế p c ậ n này thu ậ n l ợ i ở c h ỗ k hông còn c ầ n thi ế t ph ả i xá c đ ị nh đ à sóng và th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió. Đ ể t h i ế t l ậ p nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c d ự b áo đ ã s ử d ụ ng d ữ l i ệ u quan tr ắ c v ề s óng và kh í áp có trong l ư u tr ữ c ủ a Trung tâm Khí t ượ ng Th ủ y v ă n Liên bang Nga [14]. Nh ữ ng s ố l i ệ u v ề đ ộ c ao và h ướ ng truy ề n sóng l ấ y t ừ c ác b ả n đ ồ c ho m ộ t m ạ ng l ướ i c ố đ ị nh các đ i ể m tính sóng trên B ắ c Đ ạ i Tây D ươ ng. Đ ể d ự b áo đ ượ c c ả đ ộ c ao và h ướ ng sóng, t ạ i m ỗ i đ i ể m t ính đ ã xét m ộ t vect ơ q uy ư ớ c h ướ ng theo h ướ ng 66
t ruy ề n s óng ψ . Đ ộ l ớ n c ủ a vect ơ l à giá tr ị đ ộ c ao sóng h . Sau đ ó tính nh ữ ng hình ch i ế u c ủ a các v ect ơ hx , hy l ên các tr ụ c t ọ a đ ộ ( các ph ươ ng kinh tuy ế n và v ĩ t uy ế n) theo các công th ứ c hx = h sinψ , h y = h cosψ . ( 5.16) Khi đ ó đ ộ c ao sóng và h ướ ng truy ề n sóng d ự b áo b ằ ng   ψ = arctg  hx h  . h = hx2 + h y , 2 (5.17)  y Đ ố i v ớ i m ỗ i đ i ể m tính trên m ạ ng đ ã nêu đ ã thi ế t l ậ p đ ượ c nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c d ự b áo d ạ ng [ ] hx (t n ) = f 1 Bij (t n − 12), hx (t n − 12) , ( 5.16) ) = f [B − 12)]. ij (t n − 12), h y (t n h y (t n 2 ở đ ây hx (t n ) v à h y (t n ) − nh ữ ng đ ạ i l ượ ng c ầ n d ự b áo ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m t n , Bij − c ác h ệ s ố khai tri ể n tr ườ ng khí áp ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m 12 gi ờ t r ướ c th ờ i đ i ể m d ự b áo, hx (t n − 12) v à h y (t n − 12) − c ác hình chi ế u c ủ a v ect ơ s óng ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m 1 2 gi ờ tr ướ c th ờ i đ i ể m d ự b áo. 5.4.3. Tính sóng lừng Kh ả n ă ng s óng l ừ ng t ừ v ùng bão đ i t ớ i đ i ể m n ằ m n goài bão xác đ ị nh theo b ả ng 5.1 [12]. Bi ế t đ ộ c ao sóng ở v ùng bão, h ướ ng truy ề n sóng và th ờ i gian d ự b áo , theo b ả ng 5. 1 xác đ ị nh kho ả ng cách mà sóng l ừ ng s ẽ đ i đ ượ c và đ ộ c ao sóng ở cu ố i kho ả n g cách đ ó. N ế u bi ế t con đ ườ ng sóng l ừ ng đ i thì có th ể n h ậ n đ ị nh v ề k h ả n ă ng sóng l ừ ng có đ i đ ế n đ i ể m d ự b áo không. Bảng 5.1. Quãng đường D (hải lý) sóng lừng đi được sau thời gian t và độ cao sóng lừng h (m) ở cuối quãng đường đó t , giờ Độ cao sóng 6 12 18 24 30 ban đầu (m) D h D h D h D h D h 10 110 8,0 220 6,4 350 5,2 475 4,4 600 4,0 9 100 7,2 200 5,8 310 4,9 430 4,4 560 3,4 8 90 6,4 180 5,2 275 4,6 380 3,8 495 3,3 7 80 5,6 160 4,6 240 4,2 335 3,5 420 3,2 6 65 4,8 135 4,1 205 3,7 290 3,2 370 2,8 5 50 4,0 110 3,5 170 3,1 240 2,9 300 2,5 4 40 3,2 90 2,8 140 2,6 190 2,3 240 1,9 3 30 2,3 70 2,0 110 1,7 150 1,5 180 1,3 − − 2 20 1,5 50 1,3 75 0,8 100 0,7 T r ườ ng h ợ p trên vùng d ự b á o c ó tìn h hu ố ng g i ó y ế u đ i và các s óng bão t ắ t d ầ n, thì đ ộ c ao sóng đ ượ c xác đ ị nh t heo b ả ng 5.2 [12]. B ả ng n ày đượ c l ậ p cho nh ữ ng đ i ề u ki ệ n xác su ấ t c ao nh ấ t , đ ặ c t r ư ng cho tình hu ố ng gi ả m g ió trung bình. 67
Sãng æn ®Þnh Sãng ph¸t triÓn Hình 5.2. Toán đồ xác định độ cao h∞ và chu kỳ T∞ Hình 5.3. Toán đồ xác định giai đoạn sóng tới hạn theo tốc độ gió v phát triển sóng Hình 5.4. Toán đồ xác định độ cao sóng biển sâu và biển nông (a − sóng chưa ổn định và b − sóng ổn định) Hình 5.5. Toán đồ xác định chu kỳ T và bước sóng λ 68
Bảng 5.2. Những trị số xác suất nhất của độ cao các sóng tắt dần h (m) tại điểm tính sau những khoảng thời gian t khác nhau t , giờ Độ cao sóng ban đầu, (m) 6 12 18 24 30 10 8.3 6.8 5.9 5.2 4.6 9 7.5 6.2 5.5 4.7 3.9 8 6.7 5.6 5.1 4.3 3.6 7 5.9 5.1 4.4 3.7 3.0 6 5.1 4.4 4.0 3.2 2.8 5 4.3 3.6 3.2 2.8 2.4 4 3.3 2.9 2.6 2.4 2.2 3 2.4 2.2 2.1 2.0 1.9 2 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 69