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

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 23 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  Lớp khí quyển sát đất là nơi diễn ra các hoạt động chủ yếu của con người. Ở đây rất nhiều công trình xây dựng cao tầng được xây dựng; hàng ngày, tại các sân bay quân sự và dân dụng các máy bay liên tục hạ và cất cánh; việc xây các nhà máy điện gió, theo dõi sự phát tán của các chất ô nhiễm do các nhà máy phát thải vào khí quyển Những hoạt động nêu trên có thể gặp khó khăn lớn nếu không biết rõ một số yếu tố khí tượng, đặc biệt là vận tốc gió, và phân bố của chúng theo độ cao trong lớp sát đất. Do vậy, việc xác định công thức thực nghiệm biểu _______  ĐT: 84-904291148. E-mail: diennh@vnu.edu.vn diễn sự phân bố đó của tốc độ gió (còn gọi là profile tốc độ gió) có tầm quan trọng lớn và là mục tiêu của công trình này. 2. Cơ sở lí thuyết và phương pháp tính toán Khi xây dựng profle tốc độ gió của lớp không khí sát đất, người ta quan tâm đến hai nhân tố động lực và nhiệt lực. Trong trường hợp nhân tố động lực không thay đổi thì sự trao đổi rối trong lớp chỉ còn phụ thuộc vào nhân tố nhiệt lực, tức là vào sự phân bố của nhiệt độ theo độ cao. 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 toàn bởi nhân tố động lực. Trong trường hợp N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 24 của lớp khí quyển sát đất, điều kiện cân bằng phiếm định tương đương với điều kiện đẳng nhiệt (T(z) = const), các phần tử khí di chuyển theo các xoáy rối đến mỗi một mực nào đó đều có nhiệt độ như nhiệt độ của môi trường xung quanh. Vì lẽ đó người ta thường gọi trạng thái cân bằng phiếm định của lớp khí quyển sát đất là trạng thái cân bằng. Ở trạng thái này, profile tốc độ gió trong lớp sát đất được lí thuyết cũng như thực nghiệm xác nhận có dạng hàm logarit sau [1]: 0 z z v C z ln *   . (1) trong đó C z là tốc độ gió tại mực z,  - đại lượng không thứ nguyên và gọi là hằng số Karman, v * - tốc độ động lực, z 0 - độ cao mực (hay tham số) gồ ghề, tại đó tốc độ gió bằng không. Gọi C 1 là tốc độ gió tại mực z 1 , theo (1) ta có 0 1 1 z zv C ln *   . (2) Chia phương trình (1) cho (2) ta tìm được 01 0 0 1 0 zz zz z z z z lnln lnln C ln ln C=C 11z    . (3) Các công thức (1) hoặc (3) thường được gọi là mô hình logarit của tốc độ t, z 0 . Thực tế điều kiện cân bằng của lớp khí quyển sát đất không nhiề ồ thị phân bố tốc độ gió theo độ cao trong lớp sát đất lệch khỏi đường logarít, chứng tỏ tầng kết nhiệt khi đó không phải ở điều kiện cân bằng. Trong trường hợp tổng quát, sự trao đổi rối sẽ phụ thuộc vào cả hai nhân tố động lực học và nhiệt học. Do đó khi xây dựng công thức thực nghiệm tính tốc độ gió theo chiều cao người ta đưa vào mô hình thêm một tham số nào đó đặc trưng cho mức độ ổn định của khí quyển. Có nhiều mô hình được xây dựng theo kiểu đó, nhưng dưới đây ta chỉ xét hai mô hình như vậy. 2.1. Mô hình Budyko Budyko đã đưa ra mô hình phát triển từ mô hình logarit nêu trên, cụ thể là [1]: 0 z mz m v C z ln *   , (4) trong đó m là hệ số đặc trưng cho mức độ ổn định của khí quyển. Đặt m z z 0 0  , , (5) công thức (4) trở thành , * ln 0 z z m v C z   , (6) Ta dễ dàng nhận thấy rằng , 0 z đóng vai trò tham số gồ ghề mới ứng với điều kiện không cân bằng đang xét. , 0 z không cố định như z 0 mà thay đổi tùy theo điều kiện phân tầng nhiệt của khí quyển. Khi có điều kiện cân bằng thì m=1, công thức tính profile gió theo Budyko trở về công thức (1), tức là mô hình này tổng quát hơn mô hình trước. Công thức trên cũng dễ dàng biến đổi thành , , 1z lnln lnln C=C 01 0 zz zz   . (7) * Cách tính tham số gồ ghề , 0 z : Đặt ln , 0 z = a. Đối với một mực z cố định khác 1 z , tổng sai số bình phương giữa tốc độ gió thực và tốc độ gió tính toán là                N i ii z az az CCS 1 2 1 1 ln ln , (8) 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, ta có       0 = )(ln lnln ln ln                       2 1 1 1 1 1 1 2 az zz C az az CC a S i N i ii z . (9) Giải phương trình trên đối với a, ta được                  N i i z i N i i N i z i N i CCC CCzCz a 1 1 1 2 1 1 1 1 1 2 1 )(lnln . (10) Sau khi có a, ta dễ dàng tính được , 0 z : , 0 z = exp(a) . (11) 2.2. Mô hình profile lũy thừa n z z z CC          1 1 (12) trong đó, n là tham số phụ thuộc vào độ ổn định của khí quyển. Vì tốc độ gió cũng như hệ số rối thường tăng theo độ cao trong lớp sát đất nên n thường nhỏ hơn 1. Những kết quả tính của các tác giả trên thế giới cho thấy giá trị đặc trưng của nó ở điều kiện cân bằng vào khoảng 1/7, khi có nghịch nhiệt (ổn định mạnh) vào khoảng ¼, còn ở điều kiện bất ổn định, nó vào khoảng 1/10 [1]. * Cách tính hệ số n [2] Tương tự như khi tính , 0 z , sẽ dẫn tới công thức tính n: )ln(ln )ln()ln( 1 1 1 1 zzN CC n N i N i iiz        . (13) Các profile Budyko và lũy thừa được xác định hoàn toàn khi tính được giá trị của , 0 z và n. dựa vào các số liệu đo gió ở các độ cao 12m và 40m để xác định các tham số này. Sau đó, độ chính xác của các profile này được đánh giá thông qua các sai số trung bình MAE và sai số trung bình toàn phương RMSE đối với một tập số liệu độc lập (số liệu gió tại độ cao 60m). Các sai số này được tính theo các công thức sau [3]:   N OF MAE N i ii     1 , (14) và   N OF RMSE N i ii     1 2 . (15) trong đó, F i là giá trị tính toán; O i là giá trị quan trắc. 3. Số liệu và kết quả tính toán 3.1. Cơ sở số liệu Để xác định profile tốc độ gió theo chiều cao tại khu vực nghiên cứu ở Tuy Phong, Bình Thuận (xã Bình Thạnh =11 0 12,5’N,  =108 0 40,2’E, h=95m so với mặt biển), tác giả đã dựa trên các số liệu đo liên tục (thiết bị đo tốc độ, hướng gió và các yếu tố khí tượng do hãng NRG của Hoa Kỳ chế tạo. Các thiết bị đo đã được công ty NEG – MICON của Đan Mạch kiểm định trước khi đưa vào sử dụng. Các máy tự động ghi 2 giây 1 lần và lấy 1 giá trị trung bình trong khoảng thời gian là 10 phút lưu vào thẻ nhớ của máy) tại ba độ cao 12m, 40mvà 60m (mỗi 10 phút có một số liệu tại mỗi độ cao đó) từ 9/1/2005 đến 8/1/2006. Số liệu quan trắc trong các tháng 1 12 trong năm 2005 được coi là đại diện cho mùa đông 6 và 7 – cho mùa hè. N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 26 3.2. Kết quả tính toán ộ ỉ có thể phân định một cách tương đố 1 7 (qua các tham số , 0 z và n (qua sai số trung bình và sai số trung bình toàn phương) . Ngoài ra, giá trị tốc độ gió trung bình quan trắc được tại mực 60m cũng được tính toán. a) Profile gió trong lớp sát đất vào mùa đông 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 , 0 z (m) 0,1 - n - 0,21 MAE (m/s) 0,16 -0,17 RMSE (m/s) 4,67 5,12 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 60m vào mùa này cũng lớn (xấp xỉ 8,0 m/s). Dựa trên các kết quả tính toán ta xây dựng được các đường cong phân bố tốc độ theo chiều cao theo hai mô hình trong mùa đông ở Tuy Phong-Bình Thuận như hình 1. Trên bảng chỉ dẫn trong hình, các đường cong C n và C zo là các đường tương ứng với mô hình lũy thừa và Budyko, các chấm trên đường nằm ngang (ký hiệu C 12 , C 40 và C TB) ở các mực 12, 40 hoặc 60 m biểu diễn các giá trị tốc độ gió quan trắc được tức thời hoặc trung bình. Các kết quả tính sai số nêu trong bảng 1 cho thấy vào mùa đông mô hình Budyko chính xác hơn mô hình lũy thừa và có thể chấp nhận mô hình Budyko để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại Tuy Phong - Bình Thuận. Hình 1. Profile gió trong mùa đông tại Tuy Phong - Bình Thuận. 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 Ta phân chia thời gian nghiên cứu thành 2 khoảng: + Từ 21h đến 9h sáng hôm sau Đây là khoảng thời gian mà ảnh hưởng của bức xạ Mặt Trời đến mặt đệm không lớn. Gió trong khoảng thời gian này có hướng từ đất liền ra biển (gió đất). Như vậy, lớp không khí sát đất lúc này thường có trạng thái ổn định và sự trao đổi rối trong lớp không có điều kiện phát triển. Kết quả tính trong mùa hè trong thời gian từ 21h đến 9h được cho trong bảng 2. 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 Mô hình Budyko Lũy thừa , 0 z (m) 0,02 - n - 0,19 MAE (m/s) 0,10 -0,12 RMSE (m/s) 1,68 2,05 Từ bảng 2 ta thấy các sai số ở mực 60m của mô hình lũy thừa nhỏ hơn sai số của mô hình Budyko. Sai số RMSE tương đối nhỏ, một phần vì tốc độ gió trung bình quan trắc được tại mực 60m vào thời gian này cũng nhỏ (6,28m/s). Dựa trên các kết quả tính toán ta xây dựng được các đường cong phân bố tốc độ theo chiều cao theo hai mô hình trong mùa đông ở Tuy Phong-Bình Thuận như hình 2. Hình 2. Profile tốc độ gió mùa hè tại Tuy Phong trong thời gian từ 21h đến 9h. So sánh các sai số của hai mô hình nêu trong bảng 2 ta thấy, tương tự như trong mùa đông, có thể chấp nhận mô hình Budyko để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau trong thời gian từ 21h đến 9h sáng hôm sau tại Tuy Phong - Bình Thuận. + Từ 9h đến 21h Ảnh hưởng của bức xạ Mặt Trời rất lớn, đặc biệt từ 11h đến 14h, bề mặt trái đất nhận được độ rọi tổng xạ khá cao. Gió trong khoảng thời gian này thổi từ biển vào đất liền, vận chuyển một lượng hơi nước rất lớn từ biển vào, gặp độ rọi bức xạ mặt trời lớn làm tăng cường các chuyển động rối. Như vậy, lớp không khí sát đất lúc này thường có trạng thái bất ổn định. Kết quả tính trong mùa hè trong thời gian từ 21h đến 9h được cho trong bảng 3. Bảng 3. Các tham số và sai số của hai mô hình tại mực 60m vào mùa hè trong thời gian từ 9h đến 21h Mô hình Budyko Lũy thừa , 0 z (m) 0,007 - n - 0,14 MAE (m/s) 0,16 -0,15 RMSE (m/s) 3,3 3,1 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. N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 23-29 28 Hình 3. Profile tốc độ gió mùa hè tại Tuy Phong trong thời gian từ 9h đến 21h. 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 hơn mô hình Budyko và có thể chấp nhận nó để tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại Tuy Phong - Bình Thuận. [5, 6]. , 0 z . Kết luận Từ những kết quả tính toán nêu trên, có thể rút ra mấy kết luận sau: - Đã xác định được các profile tốc độ gió trong lớp sát đất trong mùa đông và mùa hè theo mô hình Budyko và hàm mũ trong mùa đông và mùa hè ở Tuy Phong-Bình Đị , 0 z ), vẽ được các 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 ổn định, mô hình hàm mũ lại tỏ ra chính xác hơn mô hình Budyko và có thể ể tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau. Tài liệu tham khảo [1] Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ, Cơ sở khí tượng học, Tập 3, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 1991. [2] Lê Đình Quang, Trần Duy Bình, Vương Quốc Cường, Xây đựng các công thức tính tốc độ gió theo độ cao từ số liệu quan trắc và các bài toán 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 Nam, NXB KHKT, Hà Nội, 1993. [5] Lê Văn Lưu, Lê Việt Huy, Phạm Xuân Thành, Hoàng Hải Sơn, Profin tốc độ gió theo chiều cao trong lớp không khí sát đất, khu vực Phước Hoà - Bình Định, Tạp chí Các khoa học Trái đất, 2000. [6] Ghard Guyot, Climatologic de l’environment de la plant aux e’cosystemes, Mason, Paris, 1997. 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. . tính tốc độ gió trung bình ở các độ cao khác nhau tại Tuy Phong - Bình Thuận. Hình 1. Profile gió trong mùa đông tại Tuy Phong - Bình Thuận. N.H - Đã xác định được các profile tốc độ gió trong lớp sát đất trong mùa đông và mùa hè theo mô hình Budyko và hàm mũ trong mùa đông và mùa hè ở Tuy Phong- Bình