CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HOÁ TRONG HẢI DƯƠNG HỌC ( Định Văn Ưu )- CHƯƠNG 5 ppt

CHƯƠNG THAM SỐ HOÁ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH MƠ HÌNH KHUYẾCH TÁN 5.1 PHƯƠNG HƯỚNG TRIỂN KHAI MƠ HÌNH Những ứng dụng kết phân tích hệ thống môi trường biển chủ yếu cung cấp cho mơ tả tốn học hệ thống biển tự nhiên Điều cụ thể hố thơng qua việc lựa chọn biến trạng thái tham số điều khiển với phương trình tiến triển Những phương trình dạng tổng quát phương trình khuyếch tán trình bày tóm lược bảng tương ứng Kết mơ tả tốn học cần gắn liền với sở liệu bao gồm liệu lịch sử, liệu quan trắc chuyên ngành (các đài trạm khí tượng, hệ thống kiểm sốt nhiễm, chuyến khảo sát nghiên cứu quốc tế, …) Các sở liệu cung cấp thông tin cho phép khẳng định phép tham số hoá, kiểm chứng hiệu chỉnh mơ hình theo hướng sau: a) nghiên cứu tương quan biến nhằm đánh giá quan hệ tồn mơ hình từ cho phép loại trừ mối liên kết khơng cần thiết, b) nghiên cứu bậc đại lượng hạng thức nhằm trình biến bỏ qua, c) phân tích độ nhạy cho phép đánh giá mức độ xác cần thiết phục vụ lựa chọn cụ thể biến trạng thái quy luật tương tác, d) trao đổi với người sử dụng mơ hình cho phép làm rõ mục tiêu cụ thể mức độ xác cần thiết dự báo phù hợp với vấn đề đặt cho mơ hình nhằm tránh phức tạp hố vơ ích tốn Do mâu thuẫn phương thức mơ tả tốn học hệ thống sở liệu, yêu cầu đặt mơ hình phải bổ sung điều kiện thích ứng khu vực nghiên cứu Nhìn chung mơ hình riêng loại thường đơn giản so với mơ hình ngun lí ban đầu Xuất phát từ tính chất cụ thể chúng khơng thể áp dụng chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác mà cần có bổ sung hiệu chỉnh phù hợp 74 Việc kết hợp phân tích kết kiểm định mơ hình sở lí thuyết cho phép khẳng định lựa chọn tham số, giả thiết từ bổ sung hồn thiện mở rộng khả ứng dụng mô hình 5.2 THAM SỐ HỐ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH KHUYẾCH TÁN RỐI THUẦN THUẦN TÚY CÁC THAM SỐ Điều hiển nhiên xây dựng mơ hình khơng cần thiết phải mô tả nhiễu động nhỏ mơi trường tự nhiên Những biến động mà chu kì đặc trưng nhỏ nhiều so với tượng cần nghiên cứu thường khơng có í nghĩa giới hạn giá trị trung bình biến trạng thái chu kì thời gian lựa chọn nhằm loại trừ nhiễu động mà khơng gây tác động đến q trình ó lẽ phải thừa nhận không cần thiết phải mổ xẻ biến đổi môi trường tự nhiên với thời gian phản ứng nhỏ vài phút (τ ≤ 102 s) tổng hợp tác động xoáy rối vi mô với thời gian đặc trưng nhỏ thời gian phản ứng Khi tiến hành lấy trung bình phương trình, nhiễu động bị số hạng tuyến tính số hạng phi tuyến lại tăng cường, tác động cần tham số hoá Các xoáy xử lí chủ yếu thuộc rối vi mơ khoảng cách định tính từ đáy bờ chúng mang tính chất đồng đẳng hướng.Các khuyếch tán rối trường hợp theo hướng sử dụng lí thuyết Kolmogorov Theo lí thuyết đó, τ thời gian đặc trưng xoáy lớn l kích thước ta viết l ~ ε / 2τ / (5.1) ~ ν ~ ετ (5.2) ε (m2.s-3) tốc độ truyền lượng theo quy luật bậc thang Chúng ta đánh giá thí dụ sau: khí biển hay sơng τ ~ 102 s τ ~ 102 s ε ~ 10-3 m2.s-3 ε ~ 10-6 m2.s-3 l ~ 30 m l~1m ~ ν ~ 10 m2.s-1 ~ ν ~ 10-2 m2.s-1 Thành phần khuyếch tán rối vi mô tất biến viết dạng 75 ~ ∂ ~y ∂y ∂ ~y ∂y ∂ ~y ∂y (λ )+ (λ )+ (λ ) ∇.(λ y ∇y ) = ∂x3 ∂x1 ∂x1 ∂x2 ∂x2 ∂x3 Nếu l1, l2 l3 độ dài đặc trưng tương ứng biến đổi y theo hướng x1, x2 x3 số hạng vế phải có bậc đại lượng ~ λyy l1 ~ ; λyy l2 ~ ; λyy l3 Với việc tách trung bình nhiễu động rối vi mơ - nhiễu động chủ yếu chiều gọi rối “thuần khiết”– khuyếch tán rối có giá trị so sánh với theo trục Tiếp theo rút nhận định khuyếch tán rối thẳng đứng quan trọng so với khuyếch tán rối ngang độ dài l3 thường nhỏ nhiều so với l1 l2 Người ta bỏ qua khuyếch tán rối ngang liên quan tới rối khiết phương trình rối biển Tuy nhiên xẩy khuyếch tán ngang đáng kể song ẩn thành phần bình lưu Ta thấy đại lượng tương ứng với chuyển động bất thường quy mơ lớn có khả tạo nên dạng tựa rối ngang qua số đặc trưng rối hai chiều đồng nhất, chí đẳng hướng Ví dụ bậc đại lượng dẫn mang tính minh hoạ khuyếch tán rối thường hay biến đổi học chất lỏng địa vật lí Chúng phụ thuộc vào cường độ nguồn gốc rối, vào phân tầng, … Ví dụ hệ số khuyếch tán thẳng đứng biến đổi biển phân tầng từ 10-2 m2.s-1 lớp xáo trộn gió mặt đến 10-4 m2.s-1 lớp sâu nêm nhiệt 10-6 m2.s-1 nêm nhiệt Trong khí hệ số khuyếch tán rối biến đổi từ m2.s-1 đến 102 m2.s-1 phụ thuộc vào địa điểm, thời gian khoảng độ cao từ 10 đến 103 m (Người ta quan trắc thấy biến đổi đáng kể ε từ 10-5 m2.s-3 đến 10-1 m2.s-3) Sự diện tầng nghịch nhiệt khí nêm nhiệt biển dẫn đến suy giảm lớn khuyếch tán theo phương thẳng đứng Nên cho hệ số khuyếch tán rối tham số điều khiển, chúng cần xác định từ kết phân tích sở liệu, hiệu chỉnh mơ hình thử nghiệm, tính tốn bổ sung thêm phương trình vào quy chiếu hệ thống Nhìn chung, hệ số khuyếch tán rối hàm độ cao hay độ sâu, gradient vận tốc theo phương thẳng đứng, số Richardson hay độ dài Monin-Obukhov, … Tóm lại chúng xuất phương trình hệ số biến đổi hàm x3 5.3 THAM SỐ HOÁ, KIỂM ĐỊNH VÀ HIỆU CHỈNH THEO XẤP XỈ THUỶ TĨNH Phương trình khuyếch tán thành phần thẳng đứng vận tốc viết dạng sau 76 ∂p ∂ ~ ∂u3 ∂u3 + ∇.(u3u ) + 2Ω1u2 − 2Ω 2u1 = a − + (ν ) ∂t ∂x3 ∂x3 ∂x3 Theo 2.33, 2.34 2.36 ta có q =< p ρ0 a = −g x3 ρe ~ dx3 + ω >; ρ0 + g∫ < ρ − ρe > ρ0 Các lực thiên văn đặc trưng hàm ~ ω , thường bỏ qua Trên biển ven, lực tạo tạo triều gây nên dao động có biên độ nhỏ nhiều so với dao động sóng dài lan truyền từ ngồi vào Đó sóng nước dâng bão thuỷ triều đại dương hình thành ngồi khơi lực tạo triều vào biển qua cửa Phương pháp đơn giản đưa thành phần ~ ω cách gián tiếp vào số hạng áp suất, vào lực li tâm gây nên đất quay Phân tích sở liệu cho thấy gia tốc theo phương thẳng đứng chất lỏng địa vật lí (các thành phần vế trái 5.4) khuyếch tán rối vận tốc thẳng đứng (thành phần cuối vế phải) luôn nhỏ nhiều so với độ có chứa gia tốc trọng trường (g~ 10 m.s-2) Để làm ví dụ, ta chọn vùng cửa sơng Escaut nơi có phân tầng phần, đánh giá bậc đại lượng cho thấy (trong thứ nguyên SI, trục x1 theo hướng sông x2 theo mặt cắt ngang): u1 ~ ; u2 ~ x 10-2 ; u3 ~ x 10-4 ; l1 ~ x 104 ; l2 ~ 103 ; l3 ~ 10 ; a ~ 10-1 ; tc ~ 104 ~ f-1, l1, l2 l3 độ dài đặc trưng biến động trường vận tốc theo trục tc thời gian đặc trưng cho biến đổi trường Từ số liệu ta thu ∂u3 ~ × 10 −8