CHƯƠNG 7 - DỰ BÁO DÒNG CHẢY
ính và dự báo các dòng chảy liên quan với việc tính các hiện tượng thủy
triều và dâng rút, các quá trình xáo trộn, ảnh hưởng địa hình đáy, sự không đồng
đều theo chiều ngang của trường gió và nhiều yếu tố khác. Khó khăn trong dự báo
dòng chảy là ở chỗ không bao giờ trong tự nhiên gặp những dòng chảy thuần khiết
được gây bởi một lực riêng biệt. Các dòng chảy quan sát thấy trong biển là những
dòng chảy tổng cộng gây bởi tác dụng của những nhân tố khác nhau: gió, thủy
triềuưu lượng các sông...
Việc xây dựng các phương pháp dự báo dòng chảy tiến hành theo hai hướng:
1) sử dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở giải các phương trình thủy
động lực học và 2) xây dựng những mối phụ thuộc định lượng thực nghiệm giữa
các dòng chảy và những nhân t
Những khó khăn trong việc đưa các mô hình thủy động lực học tính dòng chảy
đến dự báo là xuất phát từ sự cồng kềnh trong các thủ tục tính toán, từ chỗ không
đủ tà
ập được rằng sự không đồng nhất ngang của trường tốc
độ g
ủa sự phân bố gió và khí áp
trên
về mật độ) có trong
các cô
T
, l
ố gây nên chúng.
i liệu quan trắc trực tiếp cần thiết. Hiện nay các sơ đồ thủy động lực học tính
dòng chảy chưa kiểm tra được vì không có những số liệu quan trắc dòng chảy cùng
một lúc trên những vùng nước rộng lớn của biển và đại dương.
Trong những năm gần đây quan niệm về bản chất các dòng chảy đại dương đã
sâu sắc hơn nhiều nhờ nhuững nghiên cứu có tính chất cơ sở của V. B. Stokman, P.
S. Linhâykin, A. S. Sarkisian và các nhà khoa học khác.
V. B. Stokman đã xác l
ió là nhân tố quan trọng trong sự hình thành các dongf chảy gió ở biển. Luận
điểm này có một vai trò quyết định trong khi xây dựng các dự báo dòng chảy. Rõ
ràng là trong khi xây dựng các dự báo dòng chảy do gió gây nên cần phải tính tới
ảnh hưởng không những của gió địa phương mà còn c
những vùng rộng lớn của biển và đại dương. P. S. Linhâykin đã mở đầu cho
một hướng mới trong việc phát triển lý thuyết hải lưu, lý thuyết đại dương nghiêng
áp. Trong các công trình của mình, ông đã nghiên cứu cấu trúc thẳng đứng của các
dòng chảy do gió gây nên, có tính đến sự phân bố mật độ trong biển. Sự phát triển
tiếp theo của lý thuyết đại dương nghiêng áp (không đồng nhất
ng trình của A. S. Sarkisian. Ông này đã thành lập các sơ đồ số trị tính các
dòng chảy theo trường khí áp cho trước và theo phaan bố không gian của mật độ
nước biển, có kể đến địa hình đáy biển.
Vì các kết quả lý thuyết hiện nay chưa tìm được ứng dụng trong thực tế lập dự
báo dòng chảy bởi những lý do đã nêu ở trên, nên người ta cũng chú ý nghiên cứu
các phương pháp thực nghiệm. Phương pháp thực nghiệm cho phép đưa vào các
75
phương trình dự báo những nhân tố quyết định như gió, građien khí áp, các đặc
trưng số trị trường khí áp, các giá trị vận tốc dòng chảy có sẵn...
Trong các mục dưới đây liệt kê những thí dụ xây dựng các dự báo dòng chảy
biển theo những phương pháp khác nhau.
7.1. NHỮNG TƯƠNG QUAN THỰC NGHIỆM GIỮA TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY VÀ GIÓ
Người ta xác nhận rằng yếu tố cơ bản gây nên các dòng chảy mặt ở biển là
gió. Đã có nhiều thử nghiệm nhằm tìm những mối phụ thuộc thực nghiệm giữa vận
tốc dòng chảy trên mặt biển và gió. Với mục đích này, người ta sử dụng những dữ
liệu quan trắc trực tiếp về dòng chảy bằng những dụng cụ hay những cách gián tiếp
khác nhau. Nhìn chung mối phụ thuộc này có dạng như sau
,
sin v
k
U
ϕ
= (7.1)
trong đó −U tốc độ dòng chảy ở mặt biển, −v tốc độ gió, −
ϕ
vĩ độ địa điểm tính,
−k h
ác định giá trị của hệ số gió (E. Palmen,
I. M. Soxkin, N. A. Struisky, V. A. Zenhin...), nhưng mỗi một lần lại nhận được trị
- bằng 0,02.
Có giả thuyết cho rằng nguyên nhân của các kết quả không trùng hợp nhau như vậy
là do
một số lượng lớn quan
trắc. Cách này không đưa đến kết quả mong mu
người ta dùng các số liệu quan trắc gió và dòng chảy ở một điểm. Trong khi đó
ạ ở
n tốc gió
không tuy
ệ số thực nghiệm được gọi là hệ số gió.
Nhiều nhà nghiên cứu đã có ý định x
số mới của hệ số gió. Theo Ekman hệ số gió bằng 0,0127, theo Zenhin
sự khác nhau của phương pháp quan trắc và xử lý số liệu quan trắc.
Như chúng ta đã biết, dòng chảy trong biển là dòng chảy tổng cộng. Để tách
riêng từ đó thành phần dòng chảy gió thuần khiết cần phải loại trừ các dòng chảy
mật độ, dòng chảy triều và dòng chảy quán tính. Thông thường nhiệm vụ trên được
giải quyết bằng cách lấy trung bình đơn thuần hình thức từ
ốn. Ngoài ra để xác định hệ số gió
dòng chảy t i một điểm được quyết định không phải bởi gió điểm ấy mà chủ yếu
là gió trên vùng không gian lớn xung quanh.
Khi xác định các hệ số thực nghiệm còn những điều kiện địa lý của vùng
nghiên cứu, địa hình đáy, hình dạng đường bờ, độ sâu điểm tính... cũng chưa được
tính đến.
Cũng cần chú ý tới vấn đề tương tác giữa gió và dòng chảy. Torade, Lauford
và nhiều người khác đã xác nhận rằng mối phụ thuộc của hệ số gió với vậ
ến tính. Tồn tại một trị số tới hạn của tốc độ gió (gần 7 m/s), khi vượt
qua tốc độ gió đó hệ số gió biến đổi một cách nhảy vọt từ 0,0175 đến 0,0210. Sau
đó hệ số gió tăng dần đến 0,0270 nếu tốc độ gió tăng đến 20 m/s.
Nhờ kết quả tổng hợp các tài liệu quan trắc dòng chảy trên các trạm phao ở
biển Bantích Soskin đã thiết lập mối phụ thuộc định lượng của hệ số gió
k
và góc
lệch của của dòng chảy so với hướng gió
β
vào những nhân tố quyết định đối với
những vùng nước nông 35(<Hm) và nước sâu 35(>Hm). Để xác định đại lượng k
76
và
β
Soskin đã xây dựng những toán đồ (hình 7.1 và 7.2). Khi (hình 7.1) )m 35<H
k
và
β
phụ thuộc vào độ sâu biển và hướng gió. Với trường hợp 35>Hm (hình
7.2) k và
β
được các định theo hướng gió và khoảng cách đến bờ thẳng đứng.
Trong trường hợp này không xác nhận sự phụ thuộc của các đại lượng k và
β
vào
u gió
độ
ng
sâ
ừn
u biển.
Khi tính toán dòng chảy cũng cần biết dữ liệu về thời gian tác động của gió
để làm xuất hiện dòng chảy gió ổn định trên mặt biển. Trên cơ sở phân tích số liệu
quan trắc ở biển Bantích Iu. N. Nheronov đã nhận được rằng trong khoảng 16 giờ
xuất hiện dòng chảy ổn định và cũng sau khoảng đó dòng chaỷ sẽ tắt nế
g tác động.
Độ sâu biển
1. n đổi của góc lệchHình 7. Biế
β
và hệ số gió
uộướng gió
k
tùy th c h
A
và độ u biển sâ
H
(đặ
trưng c nô
c
nướ ng)
Khoảng cách k
Hình 7.2. Biến đổi của góc lệch
ể từ bờ
β
và hệ số gió k tùy
A
thuộc hướng gió và khoảng c
Trong một số sơ đồ tính dòng chảy gió hệ số gió được xem ụ
c đặc trưng sóng biển. Những nghiên cứu củ
i khác phát hiện rằng sự truyền năng lượng gió ch a p
sến của gió. Đại lượng áp suất gió liên hệ với độ c độ
n sóng. E. G. Nhikiphorov khi xét mối liên hệ của trườ ng
y đi đến kết luận rằng cần xem xét dòng chảy gió nh hất
c c sóng gió và tốc độ dòng chảy gió có thể tính theo phân b u tố
H ố gió phụ thuộc tốc độ gió và đà gió.
ở những nghiên cứu lý thuyết đã đề xướng nhữnh
o ng có kể đến hệ số gió biến như
c vào sóng. R. James [9] đề nghị tính tốc độ dòng ch c độ
ách tới bờ th
là biế
a V. V. S
o sóng xả
dốc sóng
ng sóng gió và
ư là mộ
ố
ng phươ
ảy trôi th
ẳng
y r
và t
t tín
các y
ng pháp tí
c xem
eo
đứng
n thiên ph
huleikin và
do á
ố
trườ
h c
ế
tố
L
thu
nh
su
truy
độ
só
và d
ph
ộ
ữ
ất p
ề
dòng ch
ng l
ng gi
ự
ụ
c và
ng ng
hap
ả
ự
ó.
Trên c
bá
thuộ
o cá
ườ
tuy
đã
ủa
ệ s
ơ s
dò chảy gió đổi. Hệ số này đượ
77
gió, đà và thời gian tác động của gió. Ứng suất gió tính theo công thức
.2)
trong đó hệ số lực ma sát tiếp tuyến là hàm của mức độ rối, do đó liên quan
tới tr
2
v
α
, (7
cT =
α
ρ
−
α
c
ạng thái biển và sóng, −
α
mật độ không khí, −v tốc độ gió.
Để tính tốc độ dòng chảy gió đã lập toán đồ (hình 7.3), những tham số đầu
vào là tốc độ gió, đà gió và thời gian tác động của gió. Phương pháp này thường
được sử dụng để xác định bình lưu nhiệt bởi dòng chảy khi lập các dự báo nhiệt độ
nước.
Hình 7.3. Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo tốc độ gió, đà và thời gian tác động của gió
V. S. Krasiuk và E. S. Sauskan cũng đề xướng phương pháp đồ thị tính dòng
chảy trôi ở đại dương có kể tới áp suất khí quyển và sóng. Để loại trừ ảnh hưởng
của những nét đặc thù của gió địa phương các tác giả này đề nghị đặc trưng điều
kiện gió bằng građien khí áp. Khi dự báo dòng chảy giả thiết rằng tốc độ gió trên
biển tỷ lệ với građien khí áp; hệ số gió biến đổi theo vĩ độ địa lý, giảm ở các vĩ độ
cao, tốc độ dòng chảy gió liên hệ với độ dốc và độ cao sóng và sự phát triển hoàn
toàn của sóng và dòng chảy trôi thực tế sẽ đạt được một cách đồng thời; hướng
dòng chảy trùng với tiếp tuyến của đường đẳng áp tại điểm tính dòng chảy (nếu
nhìn theo hướng dòng thì bên phải là áp suất cao, bên trái - áp suất thấp. Để giảm
bớt công việc tính toán đã lập toán đồ cho phép xác định tốc độ dòng chảy (hình
7.4). Trong cung phần tư thứ nhất của toán đồ đặt lưới độ để xác định građien áp
suất và bán kính cong của đường đẳng áp R tính bằng độ kinh tuyến tại vĩ độ đang
xét. Mỗi độ chia của đường nằm ngang ứng với một độ kinh tuyến trên các vĩ độ từ
70 đến 20°N đối với bản đồ tỷ lệ 1:1.500.000. Trong cung phần tư thứ hai dẫn các
đường con ađien khí
áp và
g đặc trưng cho sự phụ thuộc của tốc độ gió vào độ lón của gr
vĩ độ điểm tính. Trong cung phần tư thứ ba − những đường cong nhơ đó tính
tới mối liên hệ độ cong của các đường đẳng áp và tốc độ gió. Trong cung phần tư
78
thứ tư − những đường cong để xác định tốc độ dòng chảy trôi tuỳ thuộc vào tốc độ
gió trên những vĩ độ khác nhau (đồ thị này được dựng có sử dụng hệ số gió biến
đổi). Bán kính cong được chọn sao cho vòng tròn vẽ từ tâm trùng với đoạn đường
đẳng áp đã cho.
Hình 7.4. Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo khí áp và sóng
7.2. TÍNH TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY THEO TRƯỜNG MẬT ĐỘ NƯỚC VÀ TRƯỜNG KHÍ ÁP
Sử dụng sơ đồ do A. S. Sarkisian xây dựng, V. P. Samsonov đã tính địa hình
mặt tự do của đại dương và các thành phần ngang của dòng chảy trong lớp mặt của
vùng Bắc Đại Tây Dương theo trường mật độ nước và trường gió. Các tính toán được
thực hiện cho những điều kiện trung bình nhiều năm cũng như cho những tình huống cụ thể, tức có
khả năng ứng dụng vào dự báo.
Phân tích các quan trắc dòng chảy và những kết quả lý thuyết cho thấy rằng
thời gia để hình thành các dòng chảy mặt gần bằng một ngày đêm. Điều này cho
khả năng sử dụng sơ đồ đã xây dựng này để tính những biến động ngắn hạn của các
dòng chảy mặt không ổn định dưới tác động của trường áp suất khí quyển biến đổi.
Trên hình 7.5 trình bày một trong những sơ đồ dòng chảy tính toán được. Để
kiểm tra kết quả tín hảy thực hiện bằng
máy ghi dòng chảy địa điện từ và các máy tự ghi tại các trạm nhiều ngày. Sự phù
sử dụng
h toán đã sử dụng những quan trắc dòng c
hợp tương đối tốt giữa tính toán và quan trắc chứng tỏ về khả năng
phương pháp trong tính toán và dự báo dòng chảy đại dương.
79