Tích hợp mô hình thông số bão với mô hình thủy động lực môi trường EFDC+

Bài viết phân tích các phương pháp tiếp cận tích hợp các mô hình thông số bão với các mô hình thủy động lực và lựa chọn cho việc tích hợp bốn mô hình thông số bão vào trong mã nguồn mô hình thủy động lực và chất lượng nước EFDC+.

BÀI BÁO KHOA HỌC TÍCH HỢP MƠ HÌNH THƠNG SỐ BÃO VỚI MƠ HÌNH THỦY ĐỘNG LỰC MƠI TRƯỜNG EFDC+ Nghiêm Tiến Lam1 Tóm tắt: Bài báo phân tích phương pháp tiếp cận tích hợp mơ hình thơng số bão với mơ hình thủy động lực lựa chọn cho việc tích hợp bốn mơ hình thơng số bão vào mã nguồn mơ hình thủy động lực chất lượng nước EFDC+ Các mơ hình bão kiểm định với số liệu gió thực đo trận bão Katrina năm 2005 cho thấy phù hợp với thực tế Việc tích hợp mơ hình thông số trận bão vào EFDC+ bổ sung thêm công cụ để đánh giá ảnh hưởng bão đến q trình thủy động lực, vận chuyển vật chất, xói lở bờ biển nhiễm mơi trường Từ khố: Bão, xốy thuận nhiệt đới, mơ hình thơng số bão, thủy động lực MỞ ĐẦU * Bão hệ thống xốy thuận nhiệt đới với khơng khí chuyển động quay nhanh xung quanh tâm khí áp thấp phát triển vùng biển nhiệt đới tạo gió gió giật cực mạnh kèm mưa lớn Do hiệu ứng Coriolis, chiều quay bão ngược chiều kim đồng hồ Bắc bán cầu xuôi chiều kim đồng hồ Nam bán cầu Khi bão đổ vào khu vực đất liền thường gây nhiều thiệt hại người tài sản Các tác động nghiêm trọng bão gây bao gồm gió giật làm đổ nhà cửa, cối cơng trình xây dựng, mưa lớn gây lũ, ngập lụt trượt lở đất Ngoài ra, thay đổi nhanh gấp áp suất khí trường gió bão theo khơng gian thời gian cịn tạo nước dâng bão sóng lớn gây xói lở bờ biển bồi lấp luồng lạch gây vụ đắm tàu làm tràn dầu ô nhiễm môi trường Do nhiệm vụ mơ hình hóa tốn thủy động lực, để đánh giá tác động trận bão đến khu vực ven biển cần thiết phải cung cấp điều kiện biên bề mặt mô tả trận bão để làm đầu vào cho mơ hình, từ đánh giá ảnh hưởng bão đến trường Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi 44 thủy động lực mực nước, sóng, dịng chảy, vận chuyển vật chất tác động chúng xói lở bờ biển nhiễm mơi trường Thường số liệu đo đạc trường gió trường khí áp trận bão không đủ để mô tả chi tiết trận bão mật độ trạm thường khơng đủ dày Ngồi số liệu khơng có sẵn trường hợp dự báo tác động trận bão tương lai chưa thực xảy Do đó, thơng thường việc cung cấp điều kiện biên bề mặt bão cho mơ hình thủy động lực phải dựa vào mơ hình mơ tả trận bão Để phục vụ cho việc phân tích ảnh hưởng trận bão đến chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát, chất lượng nước có bão, viết phân tích lựa chọn phương pháp tiếp cận cho việc phát triển mơ hình bão cho mơ hình thủy động lực mơi trường EFDC+ Nội dung viết bắt đầu việc phân tích phương pháp tiếp cận mơ bão q trình mơ thủy động lực Tiếp theo sở mơ hình thơng số trận bão phương pháp tiếp cận nhằm kết hợp mơ hình thơng số trận bão với mơ hình thủy động lực Kế mơ hình thơng số trận bão cài đặt cho mơ hình EFDC+ Cuối kiểm định mơ hình thơng số trận bão cài đặt cho mơ hình EFDC+ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) giá trị lớn Vmax khoảng cách từ tâm bão R gọi bán kính gió lớn trước giảm đột ngột theo hàm mũ đến giá trị lặng gió tâm bão Vmax 1010 150 1000 100 990 980 50 970 960 200 150 100 Pc R 50 50 100 Khoảng cách đến tâm bão (km) 150 Vận tốc gió ổn định (km/h) Tâm bão Khí áp mực biển (hPa) PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 2.1 Các tiếp cận mơ hình bão Có hai tiếp cận việc mơ tả trận bão mơ hình: Tiếp cận thứ sử dụng kết từ mơ hình nhiệt động lực mô trận bão lớp biên không khí Trái đất Các mơ hình cho kết chi tiết cấu trúc trận bão lớp biên khí địi hỏi khối lượng lớn liệu thời gian tính tốn Ngồi ra, việc áp dụng tiếp cận phụ thuộc vào có sẵn mơ hình kết tính tốn, khơng phải trường hợp sử dụng Tiếp cận thứ hai sử dụng mơ hình thơng số để mơ tả trận bão Dạng mơ hình có khả tính tốn trường khí áp trường gió lớp khí bề mặt dựa số thơng số trận bão vị trí tâm bão, khí áp tâm bão, cường độ qui mơ trận bão Các tiệp cận cho phép tính toán đơn giản để nhận kết cách nhanh chóng nên phát triển ứng dụng phổ biến nửa kỷ vừa qua 2.2 Mơ hình thơng số bão Tiếp cận mơ hình thơng số trận bão cho trận bão phát triển hoàn tồn đại dương bắt đầu với xốy đối xứng ổn định mơi trường khơng khí tĩnh Nghiệm xốy xác định dựa phương trình chuyển động Euler cho hệ tọa độ quay với cân lực độ dốc chênh lệch khí áp, lực Coriolis lực ly tâm độ cao gió địa chuyển phía lớp biên khí (Harper, 2001) Quan hệ phân bố khí áp gió bề mặt với thông số trận bão nhiều tác giả xây dựng dựa số liệu đo đạc (ví dụ, Schloemer, 1954) Hình ví dụ điển hình phân bố khí áp vận tốc gió bão Phân bố khí áp bão thường ổn định bên phạm vi ảnh hưởng bão giảm dần theo hàm mũ đạt đến giá trị cực tiểu Pc tâm bão Phân bố vận tốc gió bão tăng dần từ phía ngồi trận bão đạt đến 200 Hình Phân bố khí áp vận tốc gió bão Ở gần mặt đất, ảnh hưởng ma sát bề mặt lớp khí sát biên khiến cho vận tốc gió suy giảm hướng gió thay đổi lệch thêm hướng vào tâm bão Sự thay đổi vận tốc gió biểu thị hệ số suy giảm lớp biên Sự thay đổi hướng gió biểu thị đại lượng góc hướng vào (inflow angle) β Ngoài ra, trận bão thường di chuyển nên tốc độ di chuyển trận bão kết hợp với vận tốc quay khơng khí tạo thành trường gió bất đối xứng với vị trí xuất vận tốc gió lớn nằm lệch bên phải hướng di chuyển bão góc θmax Bắc bán cầu Ở Nam bán cầu góc có giá trị θmax < biểu thị vị trí xuất vận tốc gió lớn nằm lệch bên trái hướng di chuyển trận bão Hình biểu diễn giá trị trường gió điểm tính tốn P có tọa độ (r, θ) so với tâm C trận bão Bắc bán cầu Khi đó, trường vận tốc gió bão tốn P xác định từ thành phần chuyển động quay thành phần chuyển động tịnh tiến sau: Wx  K mVr cos   K f V fx  Wy  K mVr sin   K f V fy (1) Trong Wx, Wy thành phần vận tốc gió theo phương x y trường gió bão; Vfx, Vfy thành phần vận tốc di chuyển tâm bão KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 45 theo phương x y; Vr thành phần vận tốc gió gradient chuyển động quanh quanh tâm bão sinh chênh lệch khí áp bão; Km hệ số chuyển đổi từ vận tốc gió vận tốc gió gradient đỉnh lớp biên khí vận tốc gió bề mặt độ cao 10 m có giá trị điển hình từ 0,7 – 0,9 Hệ số Kf biểu thị ảnh hưởng tốc độ dịch chuyển tịnh tiến trận bão đến trường gió, có giá trị điển hình từ 0,5 – 1,0 (Happer, 2001) ϕ góc hướng gió so với trục x có giá trị ϕ = π – θ + β; θ phương vị điểm tính tốn P so với hướng Bắc; β góc hướng vào gió y W β P θf Vf r θ θmax C x Hình Sơ họa hướng gió điểm P cho trận bão Bắc bán cầu 2.3 Kết hợp mơ hình thơng số bão mơ hình thủy động lực Ngồi tiếp cận tích hợp mơ hình đại dương mơ hình khí để phân tích tác động trận bão đến trường thủy động lực qui mơ lớn phần lớn mơ hình mơ thủy động lực qui mơ vừa nhỏ sử dụng mơ hình thơng số trận bão làm đầu vào cho toán phân tích, đánh giá ảnh hưởng bão Tuy nhiên, việc xem xét ảnh hưởng bão mơ hình thủy động lực tiến hành theo hai cách sau: Cách thứ sử dụng độc lập mơ hình bão với mơ hình thủy động lực Trong việc 46 liên kết mơ hình thủy động lực với mơ hình bão thực thơng qua tệp số liệu mơ tả trường khí áp gió bão Các trường trường khí áp gió bão tạo từ cơng cụ hay mơ hình bão ghi định dạng tệp liệu định Các mơ hình thủy động lực sau cần đọc tệp liệu lấy đầu vào cho tính tốn mơ Ví dụ mơ hình MIKE 21 đọc liệu trường khí áp trường gió trận bão định dạng tệp liệu có điểm lưới cách từ nội suy vào phần tử lưới q trình mơ Bộ cơng cụ MIKE 21 Toolbox tạo tệp liệu sử dụng mô hình thơng số trận bão mơ hình Rankine, mơ hình Young Sobey, mơ hình Holland cho xoáy hai xoáy (DHI, 2013) Tuy nhiên, độ phân giải không gian thời gian tệp liệu đầu vào q thơ dẫn đến sai số lớn trường gió q trình nội suy khơng gian Mơ hình Delft3D có khả đọc tệp liệu đầu vào trường khí áp gió nội suy vào lưới tính mơ hình cho thời điểm Để khắc phục sai số q trình nội suy trường gió bão khơng gian, mơ hình Delft3D cịn sử dụng kỹ thuật nội suy theo định dạng lưới mạng nhện (spider web) di chuyển trận bão (Deltares, 2011) Những tiếp cận có ưu điểm linh hoạt việc lựa chọn mơ hình bão cho tính tốn mơ thủy động lực Tuy nhiên chúng có nhược điểm q trình nội suy theo khơng gian thời gian Nếu trường liệu bão ghi tệp thưa ảnh hưởng đến kết tính tốn sai số phép tính nội suy nêu Nếu trường liệu bão ghi tệp dày để hạn chế sai số nội suy lại làm cho tệp liệu trao đổi có kích thước lớn Cách thứ hai phát triển mã nguồn mô hình trận bão bên mã nguồn mơ hình thủy động lực Khi việc tính tốn trường khí áp gió bão thực cách trực tiếp q trình mơ với độ phân KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) giải thời gian không gian mà không cần phải thông qua tệp liệu trao đổi Tệp liệu đầu vào mơ hình bão tệp số liệu đường bão thông số trận bão biến đổi theo thời gian đơn giản gọn nhẹ Q trình tính tốn tạo trường khí áp trường gió bão sử dụng mơ hình thơng số trận bão nhanh chóng, chiếm thời gian khơng đáng kể so với q trình mơ thủy động lực Tuy nhiên, cách có nhược điểm sử dụng mơ hình trận bão cài đặt mã nguồn mơ hình thủy động lực mà khơng có thêm lựa chọn khác Cách tiếp cận nhiều mơ hình sử dụng, tiêu biểu mơ hình ADCIRC, FVCOM, Mơ hình ADCIRC cài đặt mã nguồn tạo trường khí áp gió bão sử dụng mơ hình thơng số trận bão Holland (1980) Trong đó, thơng số hình dạng trận bão B xác định theo Holland (1980) từ số liệu vận tốc gió lớn Vmax sau chuyển đổi từ bề mặt lên đỉnh lớp biên khí sử dụng hệ số Km = 0,9 Vận tốc gió gradient sau tính theo phân bố vận tốc gió Holland đỉnh lớp biên lại chuyển đổi độ cao 10m bề mặt sử dụng hệ số Đồng thời vận tốc gió ổn định 10 phút chuyển đổi từ vận tốc gió ổn định phút sử dụng hệ số chuyển đổi 0,88 Tương tự, mơ hình FVCOM sử dụng kết hợp phân bố khí áp gió của Fujita (1952) cho phạm vi 2R từ tâm bão phân bố Takahashi (1939) ngồi phạm vi Mơ hình sử hệ số Km = 1,0 Kf = 0,8 Cả hai mơ Vg  r   100 B hình FVCOM ARCIRD khơng xét đến góc hướng vào β CÀI ĐẶT MƠ HÌNH BÃO TRONG EFDC+ 3.1 Kết hợp mơ hình thơng số bão mơ hình thủy động lực Dựa phân tích trên, lựa chọn phương pháp tiếp cận thứ hai phát triển mã nguồn mơ hình trận bão bên mã nguồn mơ hình thủy động lực mơi trường EFDC+ Để tính tốn trường gió trường khí áp q trình mơ EFDC+, chúng tơi lựa chọn sử dụng mơ hình thơng số trận bão mơ sau: 3.2 Mơ hình Holland (1980) Holland (1980) xây dựng phân bố khí áp bão dạng   R B  P (r )  Pc  P  exp      (2)   r   Trong r khoảng cách từ điểm tính tốn đến tâm bão (km), R bán kính gió lớn (km), P(r) khí áp bề mặt điểm tính tốn (hPa), ΔP độ giảm áp tâm bão với ΔP = Pn – Pc, Pc khí áp bề mặt tâm bão (hPa), Pn khí áp bề mặt bên ngồi phạm vi ảnh hưởng trận bão (hPa), B thông số Holland định đến hình dạng đường phân bố, xác định từ vận tốc gió lớn bão Tại đỉnh lớp biên khí quyển, vận tốc gió gradient gây cân chênh lệch khí áp, lực Coriolis lực ly tâm xác định theo công thức: B   R B   r  f 2 r  f P  R  exp           a  r    r     Trong Vg(r) vận tốc gió gradient điểm tính tốn, f = 2Ω sinφ thông số Coriolis, φ vĩ độ địa lý Vận tốc gió gradient cuối chuyển đổi thành vận tốc gió bề mặt cơng thức (3) (1) Mơ hình bỏ qua thay đổi hướng gió thổi vào β = 3.3 Mơ hình Hubert et al (1991) Hubert et al (1991) sử dụng mơ hình Holland (1980) sử dụng góc gió thổi vào khơng đổi KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 47 β = 25° Ngồi ra, mơ hình sử dụng hệ số bất đối xứng thơng qua góc xuất gió lớn so với hướng di chuyển trận bão θ max = 70° K f  cos  f   max   (4)   Trong θ góc phương vị vị trí tính tốn; θf hướng di chuyển trận bão so với hướng Bắc; θmax góc xuất vận tốc gió lớn so với hướng di chuyển bão 3.4 Mơ hình McConochie et al (2004) Phương pháp tiếp cận McConochie et al (2004) tương tự phương pháp tiếp cận Hubert et al (1991) dựa mơ hình Holland (1980) Tuy nhiên mơ hình sử dụng góc gió thổi vào hàm số phụ thuộc vào khoảng cách đến tâm bão hệ số suy giảm gió bề mặt ảnh hưởng lớp biên phụ thuộc vào độ lớn vận tốc gió Góc gió thổi vào tính tốn sử dụng kết Sobey et al (1977) Hệ số suy giảm gió bề mặt ảnh hưởng lớp biên lấy theo Harper et al (2001) Thành phần vận tốc gió chuyển động quay xung quanh tâm bão gần bề mặt tính tốn xét đến bất đối xứng ảnh hưởng chuyển động tịnh tiến trận bão Vr  Vg  K f  V f (5) Trong Kf tính theo Vg K f  1  cos  f   max    max Vg     3.5 Mơ hình Willoughby et al (2006) Willoughby et al (2006) tính tốn phân bố vận tốc gió gradient dựa vào thành phần gió tiếp tuyến Vi vùng mắt bão có bán kính r < R1 thành phần gió tiếp tuyến Vo bên ngồi vùng chuyển tiếp có khoảng cách r > R2 sau: r  R1 Vi ,  Vg  1  w Vi  w Vo , R1  r  R2 (7) V , r  R2  o Trong đó, thành phần gió tiếp tuyến Vi vùng mắt bão bên bán kính r < R1 tính từ tâm bão là: n r Vi  Vmax   , r  R1 R Kf  rR r  R2 (9) Katrina đổ vào vùng Đơng Nam Hoa Kỳ năm 2005 Hình thể đường bão Katrina vị trí trạm có số liệu đo đạc gió sử dụng để kiểm định mơ hình bão (10) KIỂM ĐỊNH CÁC MƠ HÌNH BÃO Các mơ hình bão cài đặt EFDC+ kiểm định với số liệu trận bão 48 (8) Thành phần gió tiếp tuyến Vo bên ngồi vùng chuyển tiếp có bán kính r > R2 là:   Rr   R  r  Vo  Vmax 1  A  exp    A  exp    , r  R2  X1   X   Trong X1 khoảng cách diễn suy giảm vận tốc gió theo hàm mũ bên ngồi xốy bão; X2 = 25 km; n số mũ hàm lũy thừa bên mắt bão; A thông số tỷ lệ hai hàm lũy thừa dùng để xây dựng phân bố vận tốc gió; w trọng số sử dụng để làm trơn phân bố gió đoạn chuyển tiếp từ R1 đến R2 Góc gió thổi vào lấy theo Phadke et al (2003) Hệ số xét đến ảnh hưởng lớp biên tính tốn theo Harper et al (2001) Hệ số xét đến bất đối xứng phân bố gió bão tính theo (6) Hình Đường bão Katrina vị trí trạm quan trắc gió KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) Hình trình bày đồ thị so sánh kết tính tốn mơ hình bão với số liệu đo đạc tự động với thời khoảng phút trạm đo đạc Cũng cần lưu ý đo đạc vận tốc gió bão xác khó chất nhiễu loạn chuyển động khơng khí nhanh bão với ảnh hưởng phức tạp điều kiện mặt đệm Thực chất hàng chục trạm đo gió khu vực chọn trạm đo có số liệu tương đối hợp lý với thực tế trận bão Còn số liệu trạm đo khác khơng sử dụng Do vậy, độ xác số liệu đo gió trạm tương đối Hình So sánh vận tốc gió mơ hình bão số liệu đo đạc Từ Hình thấy mơ hình bão phù hợp với số liệu thực đo, mơ hình Holland (1980) Willoughby et al (2006) Các mơ hình bão Hubert et al (1991), McConochie et al (2004) cho kết thiên lớn sau trận bão qua ảnh hưởng việc sử dụng hàm số phân bố gió bất đối xứng bão KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp tiếp cận tích hợp mơ hình thơng số trận bão mã nguồn mơ hình thủy động lực chất lượng nước EFDC+ Cơ sở lý thuyết phương pháp tiếp cận tích hợp mơ hình thơng số trận bão với mơ hình thủy động lực phân tích để lựa chọn phương pháp KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) 49 tiếp cận thích hợp Bốn mơ hình thơng số trận bão gồm Holland (1980), Hubert et al (1991), McConochie et al (2004) Willoughby et al (2006) tích hợp vào mơ hình EFDC+ Các mơ hình cài đặt kiểm định với số liệu gió thực đo trận bão Katrina năm 2005 cho thấy mô hình phù hợp với thực tế Việc tích hợp mơ hình thơng số trận bão vào EFDC+ giúp cho nhà nghiên cứu có thêm cơng cụ để đánh giá ảnh hưởng bão đến trình thủy động lực, vận chuyển vật chất, xói lở bờ biển ô nhiễm môi trường TÀI LIỆU THAM KHẢO Deltares (2011) Delft3D-FLOW Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments - User Manual Version: 3.15 DHI (2013) MIKE 21 Cyclone Wind Generation Tool - Scientific Documentation Fujita, T (1952) Pressure distribution within typhoon Geophys Mag 23:437–451 Harper, B., T Hardy, L Mason (2001) Queensland Climate Change and Community Vulnerability to Tropical Cyclones Ocean Hazards Assessment Stage 1, Queensland Holland, G J (1980) An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes Mon Wea Rev., 108:1212-1218 Hubbert, G.D., G.J Holland, L.M Leslie, M.J Manton (1991) A Real-Time System for Forecasting Tropical Cyclone Storm Surges Weather and Forecasting 6(1):86-97 McConochie, J.D., T.A Hardy, L.B Mason, (2004) Modelling tropical cyclone over-water wind and pressure fields Ocean Eng., 31:1757-1782 Phadke, A C., C D Martino, K F Cheung, S H Houston (2003) Modeling of tropical cyclone winds and waves for emergency management Ocean Eng 30:553-578 Sobey, R.J., Harper, B.A., Stark, K.P (1977) Numerical simulation of tropical cyclone storm surge Research Bulletin CS14, 186pp Scholoemer, R.W (1954) Analysis and synthesis of hurricane wind patterns over Lake Okechobee, FL Hydromet Rep 31, 49pp Takahashi, K (1939) Distribution of pressure and wind in a typhoon J Meteor Soc 17: 417–421 Willoughby, H E., R W R Darling, M E Rahn (2006) Parametric Representation of the Primary Hurricane Vortex Part II: A New Family of Sectionally Continuous Profiles Mon Wea Rev., 134(4): 1102-1120 Young, I.R and Sobey, R.J (1981) The numerical prediction of tropical cyclone wind-waves, Research Bulletin No CS20 James Cook University of North Queensland Abstract: IMPLEMENTATION OF TROPICAL CYCLONE MODELS IN EFDC+ Different approaches to integrate tropical cyclone parametric models with hydrodynamic models are investigated and four tropical cyclone parametric models are integrated into the Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC+) The models are verified with wind observations during Hurricane Katrina in 2005 showing that the models are quite consistent with reality The integration of tropical cyclone parametric models into EFDC+ will provide researchers an effective tool to assess the effects of typhoons on hydrodynamic processes, mass transports, coastal erosion, and environmental pollution Keywords: Typhoon, tropical cyclone, parametric models, hydrodynamics Ngày nhận bài: 11/10/2021 Ngày chấp nhận đăng: 26/10/2021 50 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (12/2021) ... cận tích hợp mơ hình thơng số trận bão mã nguồn mơ hình thủy động lực chất lượng nước EFDC+ Cơ sở lý thuyết phương pháp tiếp cận tích hợp mơ hình thơng số trận bão với mơ hình thủy động lực phân... (2006) tích hợp vào mơ hình EFDC+ Các mơ hình cài đặt kiểm định với số liệu gió thực đo trận bão Katrina năm 2005 cho thấy mô hình phù hợp với thực tế Việc tích hợp mơ hình thơng số trận bão vào EFDC+. .. Kết hợp mơ hình thơng số bão mơ hình thủy động lực Dựa phân tích trên, lựa chọn phương pháp tiếp cận thứ hai phát triển mã nguồn mơ hình trận bão bên mã nguồn mơ hình thủy động lực mơi trường EFDC+