Ch−¬ng 5 C¸C §ÆC TR¦NG CñA SãNG DO GIã T¹O RA
5.1 C¬ chÕ t¹o sãng do giã
5.1.1 Profile vËn tèc giã vµ øng suÊt giã trªn mÆt biÓn kh¬i
Lo¹i trõ mét sè rÊt Ýt lo¹i sãng g©y ra do c¸c nguyªn nh©n kh¸c (nh− do tµu thuyÒn ®i qua
v.v...) th× sãng biÓn lµ do giã t¹o ra. Giã t¸c ®éng lªn mÆt n−íc mét øng suÊt nhÊt ®Þnh. øng suÊt
nµy th«ng th−êng ®−îc ®¹i diÖn b»ng vËn tèc ma s¸t. VËn tèc giã trªn mÆt biÓn th−êng ®−îc
biÓu diÔn b»ng mét chØ sè lµ ®é cao ®o vËn tèc giã tÝnh b»ng m tõ mùc n−íc biÓn (MWL) . ThÝ
dô, biÓu thÞ vËn tèc giã t¹i ®é cao 10 m trªn mùc n−íc biÓn. Gi¸ trÞ vËn tèc giã nµy th−êng
®−îc chÊp nhËn ®Ó sö dông cho hÇu hÕt c¸c ho¹t ®éng trªn biÓn. Mét gi¸ trÞ rÊt th«ng dông cña
vËn tèc giã lµ gi¸ trÞ t¹i ®é cao 19,5m, bëi v× nhiÒu m¸y ®o vËn tèc giã trªn c¸c tµu lín ®−îc ®Æt
ë ®é cao nµy. Tèc ®é giã cã thÓ ®−îc ®o b»ng m/s, km/h, dÆm/giê, hay knots (h¶i lý trªn giê).
C¸c gi¸ trÞ nµy liªn hÖ víi nhau nh− sau:
1 m/s = 3.6 km/h = 2.24 dÆm/h = 1.94 knots
Profile tèc ®é giã trªn biÓn kh¬i ®−îc Pierson (1964) chÊp nhËn lµ tèc ®é giã do Sheppard
(1958) ®Ò nghÞ cho c¸c ®iÒu kiÖn cña biÓn kh¬i lµ
(
)
kyCUU y/10/ln1/ 2/1
1010 += (5.1)
víi lµ vËn tèc giã t¹i ®é cao y trªn mÆt biÓn, lµ mét hÖ sè trë kh¸ng phô thuéc
vµo vËn tèc giã, vµ k lµ h»ng sè von Karman (= 0.4). øng suÊt giã t¸c ®éng lªn bÒ mÆt n−íc
®−îc cho nh− sau:
y
U10
C
2
*
u
a
ρτ
= (5.2)
víi a
ρ
lµ mËt ®é kh«ng khÝ vµ u lµ vËn tèc ma s¸t gÇn mÆt n−íc. øng suÊt nµy cßn cã
thÓ ®−îc biÓu thÞ nh− sau:
*
2
yya UC
ρτ
= (5.3)
víi lµ hÖ sè trë kh¸ng, biÕn ®æi theo vËn tèc giã. øng suÊt nµy bÞ ¶nh h−ëng bëi ®é
ghå ghÒ cña mÆt n−íc do sãng g©y ra.
y
C
52
Gi¸ trÞ cña hÖ sè nh− trong ph−¬ng tr×nh (5.1) ®· ®−îc Sheppard (1958) vµ Wilson
(1960) rót ra, vµ ®−îc Wu (1969) tæng kÕt l¹i. Silvester (1974a) ®· dïng mét sè kÕt qu¶ ®Ó vÏ
®å thÞ vµ ®Ò nghÞ mét mèi liªn hÖ sau:
10
C
2/1
1010 00065.0 UC = (5.4)
®èi víi nhá h¬n 15 m/s vµ mét gi¸ trÞ kh«ng ®æi = 0.0024 víi lín h¬n hoÆc
b»ng 15 m/s. ThÕ vµo ph−¬ng tr×nh (5.1) cho ta c¸c gi¸ trÞ cña vËn tèc giã t¹i c¸c ®é cao nh− chØ
ra trªn h×nh 5.1. Gi¸ trÞ cña hÖ sè nµy t¹i c¸c ®é cao kh¸c ®−îc rót ra nhê sö dông ph−¬ng tr×nh
(5.1).
10
U10
C10
U
H×nh 5.1 Liªn hÖ gi÷a vËn tèc giã t¹i 10m vµ 19.5m trªn mùc n−íc biÓn
5.1.2 C¸c lý thuyÕt vÒ c¬ chÕ t¹o sãng do giã
Giã cã thÓ t¹o ra dßng ch¶y trong biÓn do t¸c dông mét øng suÊt vµo bÒ mÆt biÓn, hoÆc lµ
t¹o sãng do c¸c biÕn ®éng ¸p suÊt. Mét khi ®· cã giã th× sÏ cã nh÷ng xo¸y rèi do giã g©y ra.
C¸c xo¸y rèi nµy ®−îc giã vËn chuyÓn ®i theo h−íng giã, ®ång thêi chuyÓn ®éng lªn xuèng
phÝa trªn bÒ mÆt n−íc. Nh÷ng biÕn ®éng ¸p suÊt g©y ra do chuyÓn ®éng cña c¸c xo¸y rèi nµy sÏ
t¹o ra nh÷ng dao ®éng trªn bÒ mÆt n−íc vµ nh− vËy t¹o ra sãng. Dßng ch¶y do giã t¹o ra trªn bÒ
mÆt còng ¶nh h−ëng tíi n−íc ë mét ®é s©u nµo ®ã.
Sù lâm cña bÒ mÆt n−íc g©y ra bëi c¸c xo¸y rèi lµ rÊt nhá, tuy nhiªn, khi ®−îc duy tr×
trong mét kho¶ng thêi gian nµo ®ã cïng víi phÇn låi lªn cña mÆt n−íc do nã t¹o ra, nã sÏ ph¸t
triÓn. §iÒu nµy còng gièng nh− mét luång giã ch¹y trªn mÆt n−íc nh− trong h×nh 5.2 mµ ®é lín
cña tèc ®é giã sÏ t¹o nªn mét b−íc sãng nµo ®ã. NÕu nh− luång giã ®øng yªn th× sÏ kh«ng cã
sãng t¹o thµnh. NÕu nh− nã chuyÓn ®éng chËm th× phÇn lâm xuèng sÏ tù biÕn mÊt. Tuy nhiªn,
53
nÕu nh− nã chuyÓn ®éng víi tèc ®é b»ng víi tû lÖ gi÷a b−íc sãng vµ chu kú, sãng sÏ lín lªn.
Rèi trong kh«ng khÝ lµ rèi ba chiÒu, v× vËy, c¸c chç lâm lµ ngÉu nhiªn c¶ vÒ kh«ng gian vµ thêi
gian. Nh− vËy, sãng ®−îc t¹o thµnh t¹i rÊt nhiÒu h−íng mµ chØ nh÷ng sãng chuyÓn ®éng cïng
tèc ®é víi c¸c xo¸y rèi lµ lín lªn. Gãc céng h−ëng víi h−íng giã cµng lín th× chu kú sãng cµng
nhá, vµ sãng cã chu kú lín nhÊt lµ sãng chuyÓn ®éng theo h−íng giã.
Luồng gió
H×nh 5.2 Sãng g©y ra bëi mét luång giã chuyÓn ®éng (Theo Silvester vµ Hsu, 1997)
Mét khi giã ®· thæi th× nã sÏ t¹o ra rÊt nhiÒu sãng cã ®é cao vµ chu kú kh¸c nhau. Mét khi sãng
®· t¹o ra ®−îc mét kho¶ng thêi gian ®ñ dµi, c¸c sãng ng¾n sÏ ph¸t triÓn ®Õn mét ®é cao tíi h¹n
nµo ®ã vµ sau ®ã nã sÏ bÞ vì. C¸c sãng dµi còng gióp cho c¸c qu¸ tr×nh nµy b»ng c¸ch lµm gi¶m
b−íc sãng cña c¸c sãng ng¾n n»m trªn ®Ønh cña nã (Longuet Higgins vµ Stewart 1960; Wu
1971) vµ lµm cho chóng vì trªn mÆt tr−íc cña c¸c sãng nµy (hiÖn t−îng sãng b¹c ®Çu). §©y
còng lµ mét ph−¬ng ph¸p dÞch chuyÓn n¨ng l−îng tõ c¸c sãng thµnh phÇn ng¾n tíi c¸c sãng
thµnh phÇn dµi vµ lµm t¨ng ®é cao cña c¸c sãng thµnh phÇn dµi. Khi mµ ®µ vµ thêi gian t¸c
®éng cña giã t¨ng lªn, tæng n¨ng l−îng cña sãng sÏ t¨ng lªn tíi khi b·o hoµ vµ tÊt c¶ n¨ng
l−îng giã hÊp thô ®−îc sÏ bÞ tiªu t¸n do sãng vì. Tr¹ng th¸i nµy ®−îc gäi lµ sãng ph¸t triÓn
hoµn toµn hay FAS. Khi ®ã c¸c ®Æc tr−ng sãng phô thuéc vµo tèc ®é giã dõng mµ kh«ng phô
thuéc vµo ®µ hay thêi gian t¸c ®éng cña giã.
ë ®©y sÏ tr×nh bµy ng¾n gän bèn giai ®o¹n t¹o sãng x¶y ra ®ång thêi, ®· ®−îc Silvester
(1974a) vµ rÊt nhiÒu nhµ nghiªn cøu kh¸c th¶o luËn rÊt kü. C¸c c¬ chÕ nµy lµ céng h−ëng, dßng
c¾t, hiÖu øng che ch¾n vµ sãng vì.
Phillips (1957) ®· cã nh÷ng ®ãng gãp ®¸ng kÓ cho ngµnh h¶i d−¬ng häc b»ng c¸ch ®Ò ra
r»ng c¸c nhiÔu ®éng ngÉu nhiªn cña ¸p suÊt trªn bÒ mÆt n−íc lµ nguån gèc cña chuyÓn ®éng
sãng. C¸c dao ®éng ¸p suÊt nµy ph¶i t¸c ®éng trong mét kho¶ng thêi gian ®¸ng kÓ trong lóc
chuyÓn ®éng trªn mÆt n−íc víi mét vËn tèc b»ng vËn tèc truyÒn sãng. C¸c xo¸y rèi nhá gÇn
mÆt n−íc chuyÓn ®éng chËm h¬n c¸c xo¸y rèi lín n»m c¸ch xa mÆt n−íc h¬n. Tuy nhiªn, c¸c
sãng cã chu kú kh¸c nhau cã thÓ ®−îc t¹o thµnh ®ång thêi, vµ nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, c¸c sãng
54
nhá h¬n ph¸t triÓn nhanh h¬n. Nh÷ng dao ®éng nµy kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i lan truyÒn theo
h−íng giã, mµ cã thÓ lan truyÒn theo mét h−íng t¹o víi h−íng giã mét gãc nµo ®ã. Qu¸ tr×nh
céng h−ëng nµy chØ ¸p dông cho c¸c sãng cã ®é cao rÊt nhá vµ kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi nghiªn
cøu liªn kÕt biÓn khÝ. Sau qu¸ tr×nh b¾t ®Çu nµy, c¸c qu¸ tr×nh t¹o sãng kh¸c x¶y ra.
§ång thêi víi thêi ®iÓm mµ Phillips c«ng bè lý thuyÕt cña m×nh, Miles (1957) ®−a ra lý
thuyÕt dßng ch¶y c¾t dùa trªn ph©n bè logarit cña vËn tèc giã theo ph−¬ng th¼ng ®øng. Tuy
r»ng bá qua c¸c dao ®éng rèi, lý thuyÕt nµy tÝnh ®Õn ¸p suÊt t¸c dông theo ph−¬ng th¼ng ®øng
víi bÒ mÆt n−íc. Nã gi¶ thiÕt r»ng mÆt n−íc ban ®Çu bÞ nhiÔu ®éng khi cã giã thæi ë phÝa trªn
sÏ t¹o ra nh÷ng vïng hót vµ nÐn kh«ng cïng pha víi sãng. §iÒu ®ã g©y ra lùc t¸c ®éng lªn mÆt
sau cña ®Ønh sãng lµm cho mÆt n−íc t¹i ®©y chuyÓn ®éng xuèng phÝa d−íi. ViÖc nµy gióp cho
sãng ph¸t triÓn. Tuy nhiªn, lý thuyÕt nµy trë nªn bÊt cËp khi mµ c¸c ®−êng dßng t¸ch khái bÒ
mÆt ®Ønh sãng. Khi ®ã, sù ph¸t triÓn cña sãng cÇn ®−îc gi¶i thÝch b»ng mét sè c¬ chÕ kh¸c.
Stewart (1961) ®· lµm viÖc nµy.
Hai lý thuyÕt trªn bæ sung cho nhau v× r»ng céng h−ëng do rèi t¹o ra nh÷ng dao ®éng ban
®Çu víi mét phæ chu kú réng, trong khi dßng ch¶y c¾t gióp cho c¸c sãng ng¾n h¬n ph¸t triÓn.
Céng h−ëng t¹o ra sù gia t¨ng n¨ng l−îng mét c¸ch tuyÕn tÝnh, trong khi c¬ chÕ thø hai t¹o ra
sù gia t¨ng n¨ng l−îng theo hµm mò. C¸c sãng cã vËn tèc truyÒn gÇn víi tèc ®é giã (hay c/U
0.8) cã thÓ ®¹t tíi ®é dèc tíi h¹n (H/L) chØ b»ng c¸ch ph¸t triÓn theo c¬ chÕ céng h−ëng. C¸c
sãng ng¾n h¬n (c << U) sÏ v−ît qua giai ®o¹n ph¸t triÓn tuyÕn tÝnh vµ ph¸t triÓn theo hµm mò
tr−íc khi ®¹t tíi giíi h¹n nµy. Phillips vµ Katz (1961) ®· tÝnh thêi gian thùc hiÖn viÖc chuyÓn
®æi nµy ®èi víi c¸c sãng cã chu kú kh¸c nhau. Longuet-Higgins vµ nh÷ng ng−êi kh¸c (1963)
®· ®o sãng b»ng phao vµ kÕt luËn r»ng 90% dao ®éng ¸p suÊt kh«ng khÝ lµ phèi hîp víi sãng vµ
chØ 10% lµ phèi hîp víi rèi do giã.
→
chuy
Ó
n ®éng h¹t c
ñ
a
c¸c sãng lín
vector vì c
ñ
a c¸c
sãng nhá
giã c¾t m¹nh
H×nh 5.3: Sù chuyÓn dÞch ®éng n¨ng cã thÓ cã tõ c¸c sãng ng¾n bÞ vì cho c¸c sãng cã chu
kú dµi (theo Silvester vµ Hsu, 1997)
Sãng tiÕp tôc ph¸t triÓn qu¸ c¸c ®iÒu kiÖn ®−îc Miles dù b¸o b»ng mét c¬ chÕ gäi lµ hiÖu
øng che ch¾n. §iÒu nµy cã nghÜa lµ tån t¹i mét lùc hót ë mÆt tr−íc vµ mét lùc ®Èy ë mÆt sau cña
c¸c sãng ®· h×nh thµnh. Stanton (1937) ®· kh¼ng ®Þnh sù tån t¹i cña c¬ chÕ nµy vµ nhê nã mµ
55
Jeffreys (1925) ®· gi¶i thÝch qu¸ tr×nh h×nh thµnh sãng mét c¸ch hoµn chØnh. ChØ cã ¸p suÊt t¸c
dông theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mÆt n−íc lµ ®−îc tÝnh ®Õn cßn lùc t¸c dông theo ph−¬ng tiÕp
tuyÕn víi bÒ mÆt lµ bÞ bá qua. V× c¸c h¹t n−íc t¹i ®Ønh sãng chuyÓn ®éng theo h−íng giã,
d−êng nh− lµ bÊt kú mét øng lùc nµo t¸c ®éng lªn nã còng cã xu h−íng gia t¨ng ®−êng kÝnh
cña quü ®¹o h¹t, tøc lµ gia t¨ng ®é cao sãng. Hino (1966) liªn kÕt c¸c ph−¬ng tr×nh cña Phillips
vµ Miles mµ kh«ng dïng mét yÕu tè thùc nghiÖm nµo. ¤ng ®· chøng minh r»ng ë tr¹ng th¸i
FAS, ®ãng gãp cña ¸p suÊt trong øng lùc toµn phÇn ®¹t tíi 100%, trong lóc t¹i ®Çu ®ãn giã cña
®µ, ®ãng gãp nµy chØ lµ 50%. §iÒu nµy cã thÓ hiÓu ®−îc lµ v× ®é ghå ghÒ cña bÒ mÆt n−íc t¨ng
lªn däc theo ®µ, vµ nh− vËy cho phÐp giã t¸c ®éng tèt h¬n tíi sãng. Tr¹ng th¸i æn ®Þnh sÏ ®¹t tíi
khi mµ n¨ng l−îng hÊp thô ®−îc tõ giã ®−îc tiªu t¸n bëi sãng vì, rèi, nhiÒu hiÖu øng kh¸c vµ
dßng ch¶y giã.
Sãng vì lµ mét phÇn rÊt quan träng cña qu¸ tr×nh t¹o sãng mµ nhiÒu nhµ nghiªn cøu cho
lµ mét c¬ chÕ tiªu t¸n n¨ng l−îng. Tuy nhiªn, khi mµ sãng vì, nh− ®· chØ ra trªn h×nh 5.3, ®éng
n¨ng cã thÓ ®−îc chuyÓn ®æi sang chuyÓn ®éng quü ®¹o cña c¸c h¹t n−íc mÆt. Qu¸ tr×nh vì
trªn ®Ønh cña c¸c sãng dµi h¬n cã thÓ ®−îc gia t¨ng nhê tèc ®é giã. Tuy nhiªn, khi mµ tèc ®é
lan truyÒn cña c¸c sãng dµi nµy tiÖm cËn tíi vËn tèc giã, (C/U = 1.0), qu¸ tr×nh nµy suy gi¶m vµ
do vËy kÕt thóc qu¸ tr×nh gia t¨ng n¨ng l−îng. Longuet-Higgins (1969) ®· ®−a ra c¬ së lý
thuyÕt cho qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi n¨ng l−îng tõ c¸c sãng ng¾n h¬n tíi c¸c sãng dµi h¬n. ¤ng
ph¸t biÓu r»ng "Khi mµ c¸c sãng ng¾n suy gi¶m nhanh chãng v× buéc ph¶i vì trªn mÆt tr−íc
cña c¸c sãng dµi, n¨ng l−îng cña c¸c sãng dµi ®−îc gia t¨ng nhanh chãng. C¸c kÕt qu¶ tÝnh
to¸n cho thÊy r»ng c¬ chÕ nµy cã kh¶ n¨ng truyÒn n¨ng l−îng cho sãng biÓn víi mét tèc ®é
quan tr¾c ®−îc."
t¨ng theo hµm mò
t¨ng theo quy luËt tuy
Õ
n tÝnh
Khu vùc t
û
lÖ víi n¨ng
l−îng trªn mét ®¬n vÞ diÖn
tÝch bÒ mÆt ®¹i d−¬ng
sãng v
vßng/gi©y
H×nh 5.4 Phæ n¨ng l−îng ®Æc tr−ng cho sãng ®¹i d−¬ng
Chuçi sè liÖu ®o ®¹c sãng t¹i mét sè ®iÓm trong ®¹i d−¬ng cã thÓ ®−îc ph©n tÝch ®Ó cho ta
n¨ng l−îng cña c¸c thµnh phÇn theo tÇn sè (f). Ph©n bè n¨ng l−îng theo tÇn sè nµy cã thÓ ®−îc
vÏ thµnh ®å thÞ, nh− ®å thÞ trªn h×nh 5.4, mµ ë ®ã n¨ng l−îng ®−îc ®o b»ng b×nh ph−¬ng biªn
®é cña mçi sãng thµnh phÇn víi tÇn sè f.
56