Báo cáo nghiên cứu khoa học " Kiểm chứng mô hình dự báo tr-ờng sóng vùng vịnh bắc bộ " docx

Tạp chí Khoa học đhqghn, KHTN & CN, T.xxI, Số 3PT., 2005 Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh bắc Nguyễn Mạnh Hùng Viện Cơ học Nguyễn Thọ Sáo Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Trần Quang Tiến Trung Tâm Khí tợng Thủy văn Biển Tóm tắt: Để tiến hành dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ khuôn khổ đề tài cấp nhà nớc KC-09-04 giai đoạn 2001 2005, Xây dựng mô hình dự báo trờng khí tợng thuỷ văn vùng biển Đông, đà sử dụng mô hình WAM để dự báo trờng sóng vùng khơi biển Đông với bới lới tính 1/4 x 1/4 độ kinh vĩ Đối với khu vực ven bờ đà sử dụng mô hình tính sãng STWAVE víi b−íc l−íi tÝnh 200m x 200m nh»m tính toán chi tiết trờng sóng khu vực ven bờ cửa sông Trong báo cáo tác giả đà trình bày kết kiểm chứng dự báo sóng theo hai sơ đồ nêu Các số liệu kiểm chứng kết đo đạc trờng sóng loại máy tự ghi sóng đại khu vực ven bờ biển Hải Hậu, Nam Định 1/2003 (ứng với trờng sóng gió mùa đông bắc) khu vực vùng biển Nghi Sơn Thanh Hoá 7/2003, ứng với trờng sóng gió mùa tây nam Các kết kiểm chứng cho thấy sai số trung bình bình phơng RMS trạm LT1, LT2 vùng Hải Hậu Nghi Sơn tơng ứng 0.092, 0.138 0.102, trạm gần bờ sai số tăng lên so với trạm vùng nớc sâu Sai số đo đạc bao gồm BIAS RMS Hải Hậu cao Nghi Sơn trờng sóng khu vực Hải Hậu gió mùa đông bắc chịu tác động bÃi bồi phía cửa Ba Lạt chịu ảnh hởng gió địa phơng Tuy nhiên kết kiểm chứng đà chứng minh hoàn toàn sử dụng mô hình dự báo sóng vào dự báo phục vụ thực tế vùng biển Đông ven bờ Việt Nam Mở đầu Dự báo sóng nội dung nghiên cứu đề tài cấp nhà nớc KC-09-04 giai đoạn 2001 2005, Xây dựng mô hình dự báo trờng khí tợng thuỷ văn vùng biển Đông Trong khuôn khổ nhiệm vụ nghiên cứu dự báo sóng đà đợc nêu đề cơng nghiên cứu đề tài, đà sử dụng mô hình WAM để tính toán dự báo trờng sóng vùng khơi biển Đông với bới lới tính 1/4 ì 1/4 độ kinh vĩ (tơng đơng với 27km) Lới tính theo mô hình WAM bao quát toàn khu vực từ 10S đến 230N từ 990 E đến 1190E Đối với khu vực ven bờ đà sử dụng mô hình tính sóng STWAVE với bớc lới tính 200m ì 200m nhằm tính toán chi tiết trờng sóng khu vực ven bờ cửa sông Các lới tính sóng ven bờ đợc lập theo nguyên tắc trục tính biên vùng nớc sâu theo hớng bắc nam trục tính từ vùng nớc sâu vào bờ theo hớng đông tây Với lới tính trên, số định hớng đờng bờ lệch nhiều so với hớng bắc nam (ví dụ đờng bờ khu vực từ Thanh Hoá đến Đà Nẵng đờng bờ vùng châu thổ sông Cửu Long v.v ) không tối u loại lới tính có trục song song vơng góc với bờ biển Tuy nhiên loại lới theo định hớng bắc nam, đông tây có u việt lớn cho phép bao phủ toàn dải ven biển nớc ta mà 135 136 Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến khu vực chồng chéo, cho phép xác định dễ dàng điểm dự báo sóng ven bờ biết tọa độ chúng Các mô hình tính sóng WAM STWAVE loại mô hình đại đợc sử dụng rộng rÃi giới, nhiên để áp dụng vào điều kiện địa phơng khu vực vùng nớc sâu ven bờ biển Đông cần có tính toán kiểm chứng mô hình phần thiếu đợc mô hình tính toán, dự báo yếu tố động lực biển Trong điều kiện nay, số liệu tù ghi sãng tin cËy ë vïng ven bê hÕt sức hiếm, tác giả đà sử dụng số liệu tự ghi sóng hai vùng biển thuộc vịnh Bắc Bộ Trong báo này, phần đầu giới thiệu mô hình tính sóng ven bờ STWAVE sau đa kết kiểm chứng mô hình tính sóng nhận đợc cho hai vùng ven bờ nêu số nhận xét đánh giá kết nhận đợc Mô hình tính sóng vùng ven bờ STWAVE 1.1 Các phơng trình tính toán lan truyền sóng mô hình STWAVE Tơng tác sóng dòng chảy đợc xác định sóng truyền dòng chảy Các tham số sóng trền đợc ký hiệu r gọi tơng dòng chảy, tham số sóng tuyệt đối a Phơng trình khuyếch tán sóng tơng đối [2]: (1) ω = gk thkd R víi: ω − tÇn sè gãc, g − gia tèc träng tr−êng, k số sóng, d độ sâu Trong hệ tuyệt đối, phơng trình có dạng: a = r + kU cos(δ − α ) (2) víi: U tốc độ dòng chảy, hớng dòng ch¶y so víi trơc x , α − h−íng trun sóng (xem hình 1) Số sóng đợc tính phơng pháp lặp thay yếu tố phơng trình (1) vào phơng trình (2) Để tính toán hiệu ứng khúc xạ nớc nông cần có tốc độ pha sóng C , tốc độ nhóm, C g hai chuyển động Hình Sơ đồ tính sóng trờng dòng chảy Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 137 Trong chuyển động tơng đối dòng chảy ta cã: ω Cr = r k (3) 2kd ⎞ ⎛ C gr = 0,5 C r ⎜1 + ⎟ sh 2kd ⎠ ⎝ (4) H−íng cđa tèc ®é pha nhóm Trên tuyệt đối ta cã: C a = C r + U cos(δ − α ) C gra = C gr + (U )i , i i ( ) ( ) (5) (6) ë i biểu thị giá trị tensơ thành phần x y Hớng tốc độ pha tut ®èi trïng víi h−íng tia sãng Tèc ®é nhãm tuyệt đối xác định hớng tia sóng tia sóng hình đợc xác định nh sau: ⎛ C gr sin α + U sin δ ⎞ ⎟ µ = tg −1 ⎜ (7) ⎜ C gr cos α + U cos δ ⎟ ⎝ ⎠ Sự khác hớng tia sóng hớng vuông góc với front sóng sở để giải thích trình tơng tác sóng dòng chảy Nếu dòng chảy hai hớng trùng với nhau, có dòng chảy hớng truyền lợng sóng däc theo tia sãng cßn h−íng trun sãng däc theo hớng vuông góc với frông sóng Hớng đợc xác ®Þnh theo: C gra C r ∂d k i ∂U ∂α , =− − ∂R sh 2kd ∂n k ∂n (8) víi R − täa ®é theo h−íng cđa tia sóng, n tọa độ theo hớng vuông góc với frông sóng Phơng trình bảo toàn phổ sóng giai đoạn sóng ổn định dọc theo tia sóng có dạng: ∂ (C gra )i ∂x C a C gra cos(µ − α )E(ωa , α ) i ωr = ∑ r , S (9) với E mật độ l−ỵng sãng (chia cho ρ w g ) víi ρ mật độ nớc, S phần nguồn lợng 1.2 Tính khúc xạ biến dạng sóng Trong mô hình STWAVE tính toán khúc xạ biến dạng trờng sóng truyền vào vùng ven bờ dựa sở áp dụng luật bảo toàn lợng dọc theo tia sóng Hệ số biến dạng cho thành phần phổ sóng tính dọc theo tia sóng theo phơng trình (9) Trong trờng hợp xuất dòng chảy mạnh ngợc chiều với hớng truyền sóng (ở tuyến luồng hàng hải, cửa lạch triều vv pha triều rút), sóng bị phá huỷ dòng chảy Hiện tợng xuất phơng trình khuếch tán nghiệm, hay nói cách khác tợng phá huỷ sóng xuất tốc độ pha tơng đối sóng nhỏ cờng độ dòng chảy vùng nớc sâu, tợng xuất cờng độ dòng chảy lớn 1/4 tốc độ pha sóng trờng hợp dòng chảy (0,25 g Ta /( 2π ) , víi Ta lµ chu kỳ tuyệt đối sóng) Nếu trờng hợp xảy ra, lợng sóng bị Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến 138 1.3 Tính nhiễu xạ Nhiễu xạ mô hình STWAVE đợc tính sở phân tán lợng sóng theo nguyên lý phẳng: [ ] E j ( a , α ) = 0,55E j (ω a , α ) + 0,22 E j+1 (ω a , α ) + E j−1 (ω a , α ) , (10) víi j ký hiệu điểm tính dọc bờ Theo phơng trình xảy tợng trơn lợng sóng vùng bị che khuất 1.4 Các nguồn truyền mát lợng + Sóng đổ vùng ven bờ: Chỉ tiêu sóng đổ vùng ven bờ tỷ số độ cao sóng độ sâu: Hmo max d = 0,64 , (11) H mo độ cao sóng ứng với mô men bậc cửa vào luồng lạch, độ dốc sóng tăng tác động dòng chảy, sóng dễ bị đổ Trong trờng hợp tiêu sóng đổ Miche (1951) phù hợp nhất: Hmo = 0,1 L th kd (12) max Phơng trình đợc áp dụng mô hình để xác định giới hạn cao độ cao sóng Năng lợng sóng dải phổ sóng bị giảm tần số hớng tỷ lệ với số lợng lợng bị tiêu hao sóng đổ dải tần số hớng sóng tơng ứng + Năng lợng truyền từ gió cho sóng: Dòng lợng gió truyền cho sóng đợc tính theo: Fin u2 ρa 0,85C m * , =λ ρw g (13) với: hệ số biểu thị phần lợng khí truyền trực tiếp cho sóng (0,75), mật độ không khí, C m tốc độ pha trung bình sóng, u* tốc độ ma sát Năng lợng mà phổ sóng nhận đợc đợc tính cách nhân dòng lợng với thời gian tơng đơng sóng truyền qua mắt l−íi: ∆x , (14) ∆t = βC g cos α m t thời gian tơng đơng, x − b−íc l−íi tÝnh, β α − h»ng sè (=0,9 ®èi víi sãng giã), C g − tèc ®é nhãm trung b×nh cđa phỉ sãng, α m − h−íng sãng trung bình ứng với lới tính Trong mô hình STWAVE chØ cã sãng thỉi theo h−íng tõ biĨn vµo míi đợc tính gây tác động đến sóng, trờng hợp gió thổi từ bờ hiệu ứng tác ®éng cđa sãng ®Õn giã ®−ỵc bá qua KiĨm chøng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 139 + Tác động tơng tác sóng hiệu ứng sóng đổ bạc đầu Năng lợng gió truyền cho sóng đợc phân bố dới tác động tợng tơng tác phi tuyến sóng Năng lợng đợc phân bổ từ khu vực đỉnh phổ tới thành phần phổ với tần số thấp tần số cao Trong mô hình STWAVE tần số đỉnh phổ tăng lên với đà sóng (hoặc thời gian truyền tơng đơng dọc theo đà) Phơng trình tính đến hiệu ứng thay đổi đỉnh phổ là: (f p )i+1 ⎡ = ⎢ fp ⎢ ⎣ 7/3 ( )i ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ ⎛u − ς⎜ * ⎜ g ⎝ 4/3 ⎤ ∆t ⎥ ⎥ ⎦ −3 / , (15) víi: ς − hƯ số không thứ nguyên (Resio Perrie 1989 [3]), i i + cột lới tính Năng lợng mà phổ sóng nhận đợc đợc phân bổ giới hạn tần số phía giải tần số thấp cho giữ nguyên dạng phổ Năng lợng sóng bị tiêu tán chủ yếu tải lợng tần số cao tiêu tán dới tác động hiệu ứng sóng đổ bạc đầu hiệu ứng rối, nhớt nớc Tồn cân động lực lợng gió truyền cho sóng lợng tiêu hao hiệu ứng dòng lợng phi tuyến sóng phân tán vào khu vực tần số cao Dòng lợng đợc tính nh sau: E = g1 / 2E3 k9 / tot P th3 / (kPd ) , (16) với: E dòng lợng, hệ số (=30), E tot tổng lợng cđa phỉ sãng chia cho ( ρ w g ), kP - số sóng ứng với đỉnh phổ Năng lợng phổ sóng bị tiêu hao đợc tính cách lấy tích dòng lợng với thời gian tơng đơng ®Ĩ sãng trun däc theo l−íi tÝnh ( ∆t phơng trình ) với cho giải tần sóng lừng phổ với cho 0,9 giải tần sóng gió 1.5 ứng suất xạ Gradient ứng suất xạ đợc tính mô hình STWAVE để đa số liệu đầu vào cho mô hình tính dòng chảy tính nớc dâng, nớc rút sóng Các tensơ ứng suất xạ sóng đợc tính theo lý thuyết sóng tuyến tính: S xx = ρ w g ∫∫ E(f , α) ⎢0,5 ⎜1 + sh 2kd ⎟ (cos ⎠ ⎣ ⎝ S xy = ρ w g ∫∫ E(f , α ) ⎢0,5⎜1 + sh2kd ⎟ sin 2α⎥ df dα ⎠ ⎣ ⎝ ⎦ (18) S yy = ρ w g ∫∫ E(f , α ) ⎢0,5 ⎜1 + sh 2kd ⎟ (sin ⎠ ⎣ ⎝ (19) ⎡ ⎛ ⎡ ⎛ ⎡ ⎛ 2kd ⎞ ⎤ 2kd ⎞ 2kd ⎞ Gradient cđa øng st bøc x¹: ) ⎤ α + − 0.5⎥ df dα ⎦ ) ⎤ α + − 0,5⎥ df dα ⎦ (17) Ngun M¹nh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến 140 Sxx Sxy − ∂y ∂x ∂S xy ∂S yy =− − ∂x ∂y τx = − (20) τy (21) 1.6 D¹ng cđa phổ sóng Trờng sóng khởi điểm vùng nớc sâu gồm độ cao, chu kỳ hớng sóng đợc tính toán d−íi d¹ng phỉ hai chiỊu E ( f ,θ ) xác định theo phổ TMA (Texel, Marsen Arsloe [3]) dạng phát triển phổ JONSWAP [3] có tính đến tác động độ sâu vùng ven bờ Phỉ JONSWAP cã d¹ng: ⎡ ⎛ f E(f ) = exp ⎢− 1,25 ⎜ ⎜ fp ⎢ (2π) f ⎝ ⎢ ⎣ αg ⎡ g 2F ⎤ f p = 3.5 ⎢ ⎥; ⎢ U 10 ⎥ ⎣ ⎦ σ = 0,07 f ≤ fp ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ −4 ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎞ ⎛ f −1 ⎟ ⎜ ⎜ fp ⎟ exp⎜ − ⎟ ⎜ 2σ ⎟ ⎟ ⎜ ⎠ γ ⎝ ⎡ gF ⎤ α = 0,076 ⎢ ⎥ ⎢ U10 ⎥ ⎣ ⎦ σ = 0,09 vµ , (22) −0.22 ; ≤ γ ≤ 7, (23) f > fp , víi: α − tham sè tû lƯ, γ − tham sè ®Ønh phỉ, f p − tần số ứng với đỉnh phổ, U 10 tốc độ gió 10 mét mặt biển, F đà sóng Phổ TMA có dạng: S TMA (, d ) = S JONSWAP (ω) φ ω * , d , ( ( K ) f (ω ) ⎡⎢⎣1 + sh K ⎤⎥⎦ ; ω f (ω ) = th [k (ω )d ]; K = 2ω φ ω* , d = * ( ) ) * d , g * =ω *2 f (ω * ) , * −1 (24) (25) (26) víi φ ω * , d hàm trọng lợng xác định từ tỷ số lợng sóng vùng biển sâu vùng có ®é s©u d Phỉ hai chiỊu E ( f , ) nhận đợc từ phổ tần hàm phân bè gãc: E ( f , θ) = E( f ) G( f , θ) , (27) víi G(f , ) hàm phân bố góc Thờng hàm phân bố góc đợc xác định không phụ thuộc vào tần số f ( G() ) đợc tính từ công thøc sau: G(θ) = cos2 θ , víi θ 90 (28) đợc gọi hàm phân bố góc theo hàm số cosin Dạng cụ thể hàm phân bố góc đợc xác định theo: Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ G() = (s + 1) , cos 2s 2π ⎛ 1⎞ Γ ⎜s + ⎟ 2⎠ ⎝ 141 (29) víi θ − h−íng trung tâm phổ đợc xác định từ hớng sóng, s tham số hiệu chỉnh hàm phân bố gãc, s → ∞ sãng sÏ truyÒn theo mét hớng, hàm Gama 1.7 Sơ đồ sai phân STWAVE sử dụng sơ đồ sai phân hệ lới toạ độ Đề Các Lới tính theo hình vuông ( x = y ) Có thể sử dụng phơng pháp lới lồng để tính với bớc lới tính phác Sơ đồ lới tính đợc vẽ hình STWAVE thùc hiƯn c¸c tÝnh to¸n hƯ l−íi quy ớc, với trục x theo hớng vuông góc với đờng bờ (gốc vùng nớc sâu), trục y song song víi ®−êng bê H−íng cđa trơc x (± 87,5 ®é) tạo vùng tính khoảng gần 180 độ (nửa mặt phẳng) Trục y thờng có hớng vuông góc với đờng đẳng sâu Góc quy ớc sóng đợc xác định theo hớng ngợc chiều kim đồng hồ Các biên hông mô hình biên lỏng cứng cách cho điểm nút dơng (lỏng) âm (cứng) Các biên cứng làm giảm phát triển sóng gần khu vực biên ngăn lan truyền lợng sóng từ hớng biên Nếu biên hông biên lỏng mô hình chấp nhận giả thiết không tồn gradient ngang qua biên, cho phép lợng truyền từ phía vào vùng tính từ vùng tính Hình Lới tính mô hình STWAVE Lới tính sãng chi tiÕt vïng ven bê, c¸c sè liƯu phơc vơ tÝnh to¸n kiĨm chøng 1.7.1 L−íi tÝnh sãng chi tiết vùng ven bờ Hình đa lới tính sóng chi tiết vùng ven bờ theo mô hình STWAVE cho khu vực vịnh Bắc Bộ Các lới đợc xây dựng theo nguyên lý sau: + Các lới đợc thiết kế theo hớng bắc nam đông tây nhằm mục đích phù hợp với lới tính sóng vùng nớc sâu từ mô hình WAM lới bao phủ đợc toàn khu vực ven bờ với hớng đờng bờ khác Tuy nhiên với loại lới tính nh khu vực có định hớng đờng bờ lệch nhiều so với hớng bắc nam không phát huy đợc hiệu dụng lo¹i l−íi song song víi bê (chøa nhiỊu nót l−íi đất liền), ví dụ nh vùng số hình Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến 142 + Biên khơi lới tính phải đạt tới độ sâu khoảng 30 m trở lên có chứa điểm tính lới tính sóng vùng nớc sâu từ mô hình WAM + Bớc tính đủ nhỏ để phục vụ cho tính toán trờng sóng, dòng chảy sóng vận chuyển trầm tích khu vực ven bờ Với mục tiêu phục vụ kiểm chứng mô hình đà chọn bớc lới 200 m × 200 m cho hai l−íi tÝnh sè III Số IV hình Bảng đa thông số hai lới tính sử dụng để tính sóng chu khu vực Hải Hậu Nghi Sơn Bảng Các thông số lới tính phục vụ kiểm chứng Lới tính Toạ độ điểm gốc Số III Hải Hậu Số IV Nghi Sơn X = 708400 Y = 2269200 X = 6577270 Y = 2283330 Số điểm tính theo trục X (bắc nam) Số điểm tính theo trục Y (đông tây) 416 600 408 488 Hình Sơ đồ lới tính sóng chi tiết vùng ven bờ vịnh Bắc Bộ Các điểm số liệu sóng vùng nớc sâu từ mô hình WAM điểm kiểm chứng 1.7.2 Các số liệu phục vụ tính toán kiểm chứng Để kiểm chứng quy trình dự báo sóng khu vực biển Đông đà sử dụng số liệu tự ghi sóng trạm đo liên tục nhiều ngày khu vực Hải Hậu, Nam Định Nghi Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 143 Sơn, Thanh Hoá Số liệu sóng đợc đo máy đo sóng DNW-5M (Anh) máy đo sóng VALENPORT 730D Các loại máy đo sóng theo nguyên lý áp suất Máy đợc đặt đáy biển, giá đo với độ cao màng cảm ứng áp suất cách đáy biển 0.6m Tần số ghi đợc đặt theo chế độ 2Hz có nghĩa gi©y ghi sè liƯu nh»m cho phÐp ph©n tÝch phỉ sãng víi c¸c sãng cã chu kú tõ giây trở lên Thời gian lần ghi liên tục 10 phút Hải Hậu 15 phút Nghi Sơn Các kết tự ghi sóng đợc xử lý theo phần mềm WAVEAN WAVEPOST nhà chế tạo máy cung cấp Do phần mềm WAVEAN đa tham số thống kê trờng sóng nên đà sử dụng chơng trình xử lý số liệu sóng tính phổ sóng CMESRC số liệu máy DNW5M a) Đợt đo sóng gió mùa đông bắc, tháng 1/2003 khu vực Hải Hậu, Nam Định: Đợc tiến hành thời gian từ 2/1/2003 đến 9/1/2003 Trong thời gian đo đà ghi đợc số liệu sóng lớn ngày 56/1 với gió hớng đông bắc cực đại đạt tốc độ 810 m/s Đà lập trạm đo sóng theo mặt cắt thẳng góc với bờ biển: trạm LT1 độ sâu 810 mét nớc trạm LT2 độ sâu 24 mét nớc phụ thuộc vào thuỷ triều Các số liệu sóng nêu bao gồm: + Thời gian đo, + Sè Obs ghi sãng RNO, + §é cao sãng lớn Hs, + Độ cao sóng cực đại số 1-H1: từ đỉnh cực đại đến bụng cực tiểu không thiết phải sóng, + Độ cao sóng cực ®¹i sè 2-H2: tõ ®Ønh cùc ®¹i ®Õn bơng cùc tiĨu cđa cïng mét sãng, + §é cao sãng cùc đại H max : trung bình sóng cao nhất, + Chu kỳ sóng cực đại Tmax Tmax: trung bình sóng bên cạnh sóng cao nhất, + Số đỉnh sóng chuỗi ghi sóng N c , + Chu kỳ trung bình tất sóng có đỉnh Tc , + Số đỉnh sóng cắt đờng trung b×nh N z , + Chu kú trung b×nh sóng cắt đờng trung bình Tz , + Tham sè bỊ réng cđa phỉ sãng e , + Số cột nớc ghi đợc ứng với sóng LEN , + Hệ số tắt dần sử dụng để chuyển sóng đo đợc từ tầng đo lên tầng mặt ATTN , + Mực nớc biển trung bình toàn loạt đo MSL Tọa độ trạm đo khu vực Hải hậu hệ UTM nh sau: Trạm Toạ độ X [m] LT1 641141 2222997 LT2 637630 2226265 Toạ độ Y [m] Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến 144 b) Đợt đo sóng mùa gió tây nam, tháng 7/2003 khu vực Nghi Sơn, Thanh Hãa: Thùc hiÖn thêi gian tõ 13 giê ngày 11/7 đến 13 ngày 18/7/2003 Trong thời gian đà đo đợc trờng sóng có hớng đông nam đặc trng cho trờng sóng khu vực vịnh Bắc Bộ gió mùa tây nam, ổn định toàn thời gian đo Đà tự ghi sóng trạm liên tục NS1 có độ sâu khoảng 79 m phụ thuộc vào độ lớn thủy triều Toạ độ trạm đo sóng nh sau: Trạm Toạ ®é X [m] To¹ ®é Y [m] NS1 587000 2135000 c) Sè liƯu tr−êng sãng vïng n−íc s©u: Tr−êng sãng vùng nớc sâu đợc tính theo mô hình WAM từ số liệu trờng gió bớc lới 0,25 độ ì 0,25 độ kinh vĩ đề tài KC.09.04 cung cấp Các kết tính toán trờng sóng vùng nớc sâu đợc in điểm nút lới tính phía khơi điểm tính Sau xem xét kết tính sóng mô hình WAM thấy trờng sóng ổn định vùng nớc sâu phía khơi điểm tính, đà chọn tham số sóng điểm có toạ độ 20,25, 107,00 điểm có tọa độ 19,00, 106,45 làm tham số sóng vùng nớc sâu cho hai khu vực tơng ứng Hải Hậu Nghi Sơn (xem hình 3) d) Thời gian bớc tiến hành kiểm chứng mô h×nh tÝnh sãng: + Do thêi gian cã sè liƯu tự ghi sóng ngắn, đà kiểm chứng trùc tiÕp víi c¸c sè liƯu tù ghi, bá qua bớc hiệu chỉnh mô hình + Thời gian tiến hành tính toán kiểm chứng: từ 10 h ngày 4/1/2003 đến h ngày 7/1/2003 cho khu vực Hải Hậu Nam Định từ 13h ngày 11/7/2003 đến h ngày 14/7/2003 cho khu vực Nghi Sơn Thanh Hoá với số liệu sóng tự ghi Obs/ngày hai trạm liên tục thuộc hai khu vực nêu + Quy trình tính toán kiểm chứng mô hình thực theo trình tự sau: - Tính trờng sóng vùng nớc sâu theo mô hình WAM - Tính sóng truyền từ vùng nớc sâu vào khu vực trạm liên tục theo mô hình STWAVE với bớc lới 200 m ì 200 m miền tính không dới 500 ì 300 điểm (dọc bờ ngang bờ) - So sánh đánh giá số liệu sóng tính toán thực đo Obs Kết tính toán, kiểm chứng quy trình dự báo sóng, phân tích đánh giá 2.1 Kết tính toán, kiểm chứng quy trình dự báo sóng Kết tính toán đà nhận đợc đồ trờng sóng vùng nớc sâu tính toán theo mô hình WAM đồ tính sóng lới vùng ven bờ nêu hình 3, bao gồm đờng đẳng độ cao sóng, vectơ hớng sóng Obs kiểm chứng Hình hình đa ví dụ trờng sóng tính toán vùng khơi theo mô hình WAM trờng sóng ven bờ theo mô hình STWAVE cho Obs đo đạc 10h ngày 4/1/2003 Bảng đa kết so sánh độ cao sóng tính toán thực đo trạm LT1 LT2 khu vực ven bờ biển Hải Hậu, Nam Định đợt khảo sát tháng 1/2003 Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 145 Hình Bản đồ trờng sóng vùng nớc sâu tính toán theo mô hình WAM-10h ngày 4/1/2003 Bảng Kết so sánh độ cao sóng tính toán thực đo Hải Hậu [1] LT1 Thời gian đo 4/1 10 h 13 h 16 h 19 h 22 h 5/1 − h 4h 7h 10 h 13 h 16 h 19 h 22 h 6/1 − h 4h 7h 10 h 13 h 16 h 19 h 22 h 7/1 − h H com − (H com − H com H obs H obs H obs)2 0,35 0,40 0,0025 −0,05 0,41 0,40 0,01 0,0001 0,38 0,38 0,00 0,0000 0,41 0,41 0,00 0,0000 0,0081 0,37 0,46 −0,09 0,69 0,67 0,02 0,0004 0,0169 0,78 0,91 −0,13 0,0049 0,99 1,06 −0,07 0,0049 0,96 1,03 −0,07 0,0196 0,90 1,04 −0,14 0,81 0,63 0,18 0,0324 0,0196 0,63 0,77 −0,14 0,0064 0,68 0,76 −0,08 0,70 0,78 0,0064 −0,08 0,0144 0,86 0,98 −0,12 0,0144 0,69 0,81 −0,12 0,0081 0,61 0,70 −0,09 0,0081 0,49 0,58 −0,09 0,0016 0,33 0,37 −0,04 0,42 0,40 0,02 0,0004 0,57 0,44 0,13 0,0169 0,33 0,35 0,0004 −0,02 BIAS = − 0,044 ; RMS = 0,092 LT2 H com − (H com − H obs H obs)2 0,34 0,55 0,0441 −0,21 0,0016 0,35 0,39 −0,04 0,43 0,33 0,10 0,0100 0,0016 0,47 0,51 −0,04 0,37 0,41 0,0016 −0,04 0,60 0,77 0,0289 −0,17 0,69 0,91 0,0484 −0,22 0,90 1,10 0,0400 −0,20 0,88 1,08 0,0400 −0,20 0,85 0,95 0,0100 −0,10 0,0625 0,41 0,66 −0,25 0,58 0,69 0,0121 −0,11 0,60 0,63 0,0009 −0,03 0,60 0,76 0,0256 −0,16 0,57 0,60 0,0009 −0,03 0,39 0,68 0,0841 −0,29 0,46 0,40 0,06 0,0036 0,51 0,33 0,18 0,0324 0,29 0,28 0,01 0,0001 0,0004 0,32 0,34 −0,02 0,50 0,40 0,10 0,0100 0,28 0,29 0,0001 −0,01 BIAS = − 0,076 ; RMS (LT2) = 0,138 H com H obs Ngun M¹nh Hïng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến 146 Để đánh giá mức độ phù hợp kết tính toán thực đo đà sử dụng sai số thống kê trung bình độ lệch BIAS sai số trung bình bình phơng RMS theo công thức sau: BIAS = N ∑ (Pi − O i ) , ⎧1 RMS = ⎨ ⎩N ∑ (Pi ⎫ − O i )2 ⎬ ⎭ (30) 1/2 , (31) víi N số trờng hợp tiến hành kiểm chứng, Pi giá trị độ cao sóng tính toán (tại bảng H com), Oi giá trị độ cao sóng đo đạc (tại bảng H obs) Bảng đa kết so sánh độ cao sóng tính toán thực đo trạm NS1 khu vùc ven bê biĨn Nghi S¬n, Thanh Hãa đợt khảo sát tháng 7/2003 (báo cáo hợp đồng kiểm chứng dự báo sóng 3/2004) 2.2 Phân tích đánh giá kết tính toán, kiểm chứng quy trình dự báo sóng Các số liệu nhận đợc bảng bảng cho thấy: + Sai số thống kê trung bình độ lệch BIAS trạm LT1, LT2 vùng Hải hậu Nghi Sơn tơng ứng 0,044, 0,076, 0,038 Sai số BIAS trạm tất trạm đo âm có nghĩa giá trị độ cao sóng tính toán thờng nhỏ so với giá trị thực tế Tại Nghi Sơn trạm phía khơi (LT1) Hải Hậu nằm khoảng độ sâu nên sai số nhỏ so với trạm ven bờ LT2 Hải Hậu + Sai số trung bình bình phơng RMS trạm LT1, LT2 vùng Hải Hậu Nghi Sơn tơng ứng 0,092, 0,138 0,102 cho thấy trạm sát bờ có sai số lớn + Sai số đo đạc bao gồm BIAS RMS Hải Hậu cao Nghi Sơn trờng sóng khu vực Hải Hậu gió mùa đông bắc chịu tác động bÃi bồi phía cửa Ba Lạt Mặc dù mô hình STWAVE đà tính đến tác động gió địa phơng tới trờng sóng lan truyền (xem công thức 13) nhng trờng hợp trờng sóng thực tế sóng hỗn tạp (nhiều hệ sóng gió sóng gió sóng lừng) sai số tính toán, dự báo thờng lớn so với trờng hợp trờng sóng đơn sóng gió (1 hệ) sóng lừng + Đánh giá chung chu kú sãng cho thÊy th−êng chu kú sãng dù b¸o nhỏ so với chu kỳ sóng đo đạc thực tế, đặc biệt khu vực Hải Hậu, trờng gió lệch phía bắc, ảnh hởng cửa Ba Lạt tạo hai trờng sóng với chu kỳ khác rõ rệt Càng vào gần bờ xuất trờng sóng địa phơng ảnh hởng đến phổ sóng rõ rệt Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 147 Hình Bản đồ trờng sóng vùng ven bờ tính toán theo mô hình STWAVE 10 h ngày 4/1/2003 Bảng Kết so sánh độ cao sóng tính toán thực đo Nghi Sơn Thời gian H com [m] 11/7 − 16h 19h 22h 12/7 − 1h 4h 7h 10h 13h 16h 19h 22h 13/7 − 1h 4h 7h 10h 13h 16h 19h 22h 14/7 − 1h 0,5 0,61 0,54 0,29 0,62 0,73 0,5 0,45 0,43 0,41 0,44 0,54 0,8 0,88 0,77 0,66 0,59 0,55 0,52 0,57 H obs [m] H com −H obs (H com − Hobs)2 0,38 0,59 0,61 0,37 0,49 0,63 0,65 0,59 0,46 0,31 0,47 0,49 0,85 0,9 0,88 0,87 0,73 0,64 0,55 0,68 0,12 0,02 −0,07 −0,08 0,13 0,1 −0,15 −0,14 −0,03 0,1 −0,03 0,05 −0,05 −0,02 −0,11 −0,21 −0,14 −0,09 −0,03 −0,11 0,0144 0,0004 0,0049 0,0064 0,0169 0,01 0,0225 0,0196 0,0009 0,01 0,0009 0,0025 0,0025 0,0004 0,0121 0,0441 0,0196 0,0081 0,0009 0,0121 BIAS = − 0,038 ; RMS = 0,102 Kết luận Dựa kết kiểm chứng quy trình dự báo sóng khu vực vịnh Bắc Bộ đa kết luận sau: 148 Nguyễn Mạnh Hùng, Nguyễn Thọ Sáo, Trần Quang Tiến Việc sử dụng mô hình WAM để tiến hành dự báo sóng cho khu vực vịnh Bác nói riêng khu vực biển Đông nói chung phù hợp với yêu cầu số liệu sóng vùng biển khơi nớc ta Độ xác kết dự báo sóng phụ thuộc hoàn toàn vào độ xác cđa tr−êng giã dù b¸o Cã thĨ sư dơng quy trình dự báo sóng theo mô hình WAM phục vụ tính toán chế độ sóng vùng biển khơi, yếu tố động lực biển cần thiết cho tính toán, thiết kế công trình ven bờ công trình bảo vệ bờ biển cửa sông toàn dải ven biển nớc ta Để tÝnh to¸n dù b¸o tr−êng sãng ven bê cã thĨ sử dụng mô hình STWAVE với bớc lới tính phù hợp theo yêu cầu cụ thể ngời sử dụng Mô hình STWAVE cho phép chọn điểm dự báo cụ thể (các điểm monitoring) Tại điểm tính đợc tham số sóng, phổ sãng theo c¸c Obs dù b¸o, vÝ dơ nh− dù báo sóng phục vụ giàn khoan, thăm dò khoáng sản vùng ven biển v.v Tài Liệu Tham khảo Phạm Văn Ninh, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Trung tâm KHTN&CNQG, Nghiên cứu chế bồi xói bờ biển khu vực châu thổ sông Hồng, Viện học, Hà Nội 12/2003 STWAVE: Steady-State Spectral Wave Model User’s manual for STWAVE, Version 3.0 US Army Corps of Engineers Jane McKee Smith, Ann R Sherlock, and Donald T Resio 2/2001 Coastal Engineering Manual (CEM), Chapter water wave Mechanics, Coastal Engineering Research Center, US Navy, 2001 VNU JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xXI, n03AP., 2005 VERIFICATION RESULTS OF WAVE FORECASTING MODELS IN BAC BO GULF Nguyen Manh Hung Institute of Mechanics Nguyen Tho Sao Department of Hydro-Meteorology & Oceanography College of Science, VNU Tran Quang Tien Centre Marine Hydro - Meteorology In the frame of the state project 2001−2005, KC.09.04 “Study of Hydrometeorological and Oceanological forecasting for East Sea”, the global wave forecasting model WAM have been used for the depth sea areas with the grid size of 1/4 × 1/4 longitudinal and latitudinal degrees For the coastal zones, STWAVE model is chosen with the grid of 200m × 200 m In these paper, some results of verification of Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 149 these two wave models are presented by the authors The wave date set obtained by modern wave recorders at Hai Hau, Nam Dinh 1/2003 and at Nghi Son, Thanh Hoa 7/2003 (corresponding to northeast and southeast monsoons respectively) in Bac Bo gulf are used According to the verification results, the RMS errors for the station LT1, LT2 in Hai Hau and Nghi Son are 0.092, 0.138 and 0.102 respectively The errors increase in the near shore stations in comparing with the station in the deeper zones and the errors including BIAS and RMS in Hai Hau are higher than in Nghi Son because of the complex bathymetry at Balat river mouth and of the local wind field Nevertheless the verification results support the application of wave forecasting models in the operational forecasting for East Sea and coastal areas of Vietnam  ... tháng 1/2003 Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 145 Hình Bản đồ trờng sóng vùng nớc sâu tính toán theo mô hình WAM-10h ngày 4/1/2003 Bảng Kết so sánh độ cao sóng tính toán... qua Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng vùng vịnh Bắc Bộ 139 + Tác động tơng tác sóng hiệu ứng sóng đổ bạc đầu Năng lợng gió truyền cho sóng đợc phân bố dới tác động tợng tơng tác phi tuyến sóng. .. toán kiểm chứng Để kiểm chứng quy trình dự báo sóng khu vực biển Đông đà sử dụng số liệu tự ghi sóng trạm đo liên tục nhiều ngày khu vực Hải Hậu, Nam Định Nghi Kiểm chứng mô hình dự báo trờng sóng