Dự báo dòng chảy

Dự báo dòng chảy Dự báo dòng chảy Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Tính dự báo dòng chảy liên quan với việc tính tượng thủy triều dâng rút, trình xáo trộn, ảnh hưởng địa hình đáy, không đồng theo chiều ngang trường gió nhiều yếu tố khác Khó khăn dự báo dòng chảy chỗ không tự nhiên gặp dòng chảy khiết gây lực riêng biệt Các dòng chảy quan sát thấy biển dòng chảy tổng cộng gây tác dụng nhân tố khác nhau: gió, thủy triều, lưu lượng sông Việc xây dựng phương pháp dự báo dòng chảy tiến hành theo hai hướng: 1) sử dụng kết nghiên cứu lý thuyết sở giải phương trình thủy động lực học 2) xây dựng mối phụ thuộc định lượng thực nghiệm dòng chảy nhân tố gây nên chúng Những khó khăn việc đưa mô hình thủy động lực học tính dòng chảy đến dự báo xuất phát từ cồng kềnh thủ tục tính toán, từ chỗ không đủ tài liệu quan trắc trực tiếp cần thiết Hiện sơ đồ thủy động lực học tính dòng chảy chưa kiểm tra số liệu quan trắc dòng chảy lúc vùng nước rộng lớn biển đại dương Trong năm gần quan niệm chất dòng chảy đại dương sâu sắc nhiều nhờ nhuững nghiên cứu có tính chất sở V B Stokman, P S Linhâykin, A S Sarkisian nhà khoa học khác V B Stokman xác lập không đồng ngang trường tốc độ gió nhân tố quan trọng hình thành dongf chảy gió biển Luận điểm có vai trò định xây dựng dự báo dòng chảy Rõ ràng xây dựng dự báo dòng chảy gió gây nên cần phải tính tới ảnh hưởng gió địa phương mà phân bố gió khí áp vùng rộng lớn biển đại dương P S Linhâykin mở đầu cho hướng việc phát triển lý thuyết hải lưu, lý thuyết đại dương nghiêng áp Trong công trình mình, ông nghiên cứu cấu trúc thẳng đứng dòng chảy gió gây nên, có tính đến phân bố mật độ biển Sự phát triển lý thuyết đại dương nghiêng áp (không đồng mật độ) có công trình A S Sarkisian Ông thành lập sơ đồ số trị tính dòng chảy theo trường khí áp cho trước theo phaan bố không gian mật độ nước biển, có kể đến địa hình đáy biển 1/8 Dự báo dòng chảy Vì kết lý thuyết chưa tìm ứng dụng thực tế lập dự báo dòng chảy lý nêu trên, nên người ta ý nghiên cứu phương pháp thực nghiệm Phương pháp thực nghiệm cho phép đưa vào phương trình dự báo nhân tố định gió, građien khí áp, đặc trưng số trị trường khí áp, giá trị vận tốc dòng chảy có sẵn Trong mục liệt kê thí dụ xây dựng dự báo dòng chảy biển theo phương pháp khác 7.1 NHỮNG TƯƠNG QUAN THỰC NGHIỆM GIỮA TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY VÀ GIÓ Người ta xác nhận yếu tố gây nên dòng chảy mặt biển gió Đã có nhiều thử nghiệm nhằm tìm mối phụ thuộc thực nghiệm vận tốc dòng chảy mặt biển gió Với mục đích này, người ta sử dụng liệu quan trắc trực tiếp dòng chảy dụng cụ hay cách gián tiếp khác Nhìn chung mối phụ thuộc có dạng sau k U = √sinϕ v, (7.1) U − tốc độ dòng chảy mặt biển, v − tốc độ gió, ϕ − vĩ độ địa điểm tính, k − hệ số thực nghiệm gọi hệ số gió Nhiều nhà nghiên cứu có ý định xác định giá trị hệ số gió (E Palmen, I M Soxkin, N A Struisky, V A Zenhin ), lần lại nhận trị số hệ số gió Theo Ekman hệ số gió 0,0127, theo Zenhin - 0,02 Có giả thuyết cho nguyên nhân kết không trùng hợp khác phương pháp quan trắc xử lý số liệu quan trắc Như biết, dòng chảy biển dòng chảy tổng cộng Để tách riêng từ thành phần dòng chảy gió khiết cần phải loại trừ dòng chảy mật độ, dòng chảy triều dòng chảy quán tính Thông thường nhiệm vụ giải cách lấy trung bình đơn hình thức từ số lượng lớn quan trắc Cách không đưa đến kết mong muốn Ngoài để xác định hệ số gió người ta dùng số liệu quan trắc gió dòng chảy điểm Trong dòng chảy điểm định gió điểm mà chủ yếu gió vùng không gian lớn xung quanh Khi xác định hệ số thực nghiệm điều kiện địa lý vùng nghiên cứu, địa hình đáy, hình dạng đường bờ, độ sâu điểm tính chưa tính đến Cũng cần ý tới vấn đề tương tác gió dòng chảy Torade, Lauford nhiều người khác xác nhận mối phụ thuộc hệ số gió với vận tốc gió không tuyến tính Tồn trị số tới hạn tốc độ gió (gần m/s), vượt qua tốc độ gió hệ 2/8 Dự báo dòng chảy số gió biến đổi cách nhảy vọt từ 0,0175 đến 0,0210 Sau hệ số gió tăng dần đến 0,0270 tốc độ gió tăng đến 20 m/s Nhờ kết tổng hợp tài liệu quan trắc dòng chảy trạm phao biển Bantích Soskin thiết lập mối phụ thuộc định lượng hệ số gió k góc lệch của dòng chảy so với hướng gió β vào nhân tố định vùng nước nông (H < 35m) nước sâu (H > 35m) Để xác định đại lượng k β Soskin xây dựng toán đồ (hình 7.1 7.2) Khi H < 35m) (hình 7.1) k β phụ thuộc vào độ sâu biển hướng gió Với trường hợp H > 35m (hình 7.2) k β định theo hướng gió khoảng cách đến bờ thẳng đứng Trong trường hợp không xác nhận phụ thuộc đại lượng k β vào độ sâu biển Khi tính toán dòng chảy cần biết liệu thời gian tác động gió để làm xuất dòng chảy gió ổn định mặt biển Trên sở phân tích số liệu quan trắc biển Bantích Iu N Nheronov nhận khoảng 16 xuất dòng chảy ổn định sau khoảng dòng chaỷ tắt gió ngừng tác động Biến đổi góc lệch β hệ số gió k tùy thuộc hướng gió A độ sâu biển H (đặc trưng nước nông) 3/8 Dự báo dòng chảy Biến đổi góc lệch β hệ số gió k tùy thuộc hướng gió A khoảng cách tới bờ thẳng đứng L Trong số sơ đồ tính dòng chảy gió hệ số gió xem biến thiên phụ thuộc vào đặc trưng sóng biển Những nghiên cứu V V Shuleikin người khác phát truyền lượng gió cho sóng xảy áp suất phaps tuyến gió Đại lượng áp suất gió liên hệ với độ dốc sóng tốc độ truyền sóng E G Nhikiphorov xét mối liên hệ trường sóng gió trường dòng chảy đến kết luận cần xem xét dòng chảy gió tính chất động lực sóng gió tốc độ dòng chảy gió tính theo phân bố yếu tố sóng gió Hệ số gió phụ thuộc tốc độ gió đà gió Trên sở nghiên cứu lý thuyết đề xướng phương pháp tính dự báo dòng chảy gió có kể đến hệ số gió biến đổi Hệ số xem phụ thuộc vào sóng R James [9] đề nghị tính tốc độ dòng chảy trôi theo tốc độ gió, đà thời gian tác động gió Ứng suất gió tính theo công thức T = cαραv2, (7.2) cα − hệ số lực ma sát tiếp tuyến hàm mức độ rối, liên quan tới trạng thái biển sóng, ρα − mật độ không khí, v − tốc độ gió 4/8 Dự báo dòng chảy Để tính tốc độ dòng chảy gió lập toán đồ (hình 7.3), tham số đầu vào tốc độ gió, đà gió thời gian tác động gió Phương pháp thường sử dụng để xác định bình lưu nhiệt dòng chảy lập dự báo nhiệt độ nước Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo tốc độ gió, đà thời gian tác động gió V S Krasiuk E S Sauskan đề xướng phương pháp đồ thị tính dòng chảy trôi đại dương có kể tới áp suất khí sóng Để loại trừ ảnh hưởng nét đặc thù gió địa phương tác giả đề nghị đặc trưng điều kiện gió građien khí áp Khi dự báo dòng chảy giả thiết tốc độ gió biển tỷ lệ với građien khí áp; hệ số gió biến đổi theo vĩ độ địa lý, giảm vĩ độ cao, tốc độ dòng chảy gió liên hệ với độ dốc độ cao sóng phát triển hoàn toàn sóng dòng chảy trôi thực tế đạt cách đồng thời; hướng dòng chảy trùng với tiếp tuyến đường đẳng áp điểm tính dòng chảy (nếu nhìn theo hướng dòng bên phải áp suất cao, bên trái - áp suất thấp Để giảm bớt công việc tính toán lập toán đồ cho phép xác định tốc độ dòng chảy (hình 7.4) Trong cung phần tư thứ toán đồ đặt lưới độ để xác định građien áp suất bán kính cong đường đẳng áp R tính độ kinh tuyến vĩ độ xét Mỗi độ chia đường nằm ngang ứng với độ kinh tuyến vĩ độ từ 70 đến 20°N đồ tỷ lệ 1:1.500.000 Trong cung phần tư thứ hai dẫn đường cong đặc trưng cho phụ thuộc tốc độ gió vào độ lón građien khí áp vĩ độ điểm tính Trong cung phần tư thứ ba ? đường cong nhơ tính tới mối liên hệ độ cong đường đẳng áp tốc độ gió Trong cung phần tư thứ tư ? đường cong để xác định tốc độ dòng chảy trôi tuỳ thuộc vào tốc độ gió vĩ độ khác (đồ thị dựng có sử dụng hệ số gió biến đổi) Bán kính cong chọn cho vòng tròn vẽ từ tâm trùng với đoạn đường đẳng áp cho 5/8 Dự báo dòng chảy Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo khí áp sóng 7.2 TÍNH TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY THEO TRƯỜNG MẬT ĐỘ NƯỚC VÀ TRƯỜNG KHÍ ÁP Sử dụng sơ đồ A S Sarkisian xây dựng, V P Samsonov tính địa hình mặt tự đại dương thành phần ngang dòng chảy lớp mặt vùng Bắc Đại Tây Dương theo trường mật độ nước trường gió Các tính toán thực cho điều kiện trung bình nhiều năm cho tình cụ thể, tức có khả ứng dụng vào dự báo Phân tích quan trắc dòng chảy kết lý thuyết cho thấy thời gia để hình thành dòng chảy mặt gần ngày đêm Điều cho khả sử dụng sơ đồ xây dựng để tính biến động ngắn hạn dòng chảy mặt không ổn định tác động trường áp suất khí biến đổi Trên hình 7.5 trình bày sơ đồ dòng chảy tính toán Để kiểm tra kết tính toán sử dụng quan trắc dòng chảy thực máy ghi dòng chảy địa điện từ máy tự ghi trạm nhiều ngày Sự phù hợp tương đối tốt tính toán quan trắc chứng tỏ khả sử dụng phương pháp tính toán dự báo dòng chảy đại dương 6/8 Dự báo dòng chảy Thí dụ trường dòng chảy tính theo sơ đồ Sarkisian 7.3 DỰ BÁO DÒNG CHẢY Ở BIỂN KHƠI THEO TRƯỜNG KHÍ ÁP Từ lý thuyết thực nghiệm thấy dòng chảy điểm đại dương phụ thuộc vào tác động gió vùng rộng lớn Vì để nhận kết thoả mãn cần tính đến ảnh hưởng gió khí áp khoảng không gian lớn N A Belinsky M G Glagoleva sử dụng phương pháp khai triển trường khí áp thành chuỗi thành phần trực giao tự nhiên vào dự báo ngắn hạn dòng chảy số vùng thuộc Hắc Hải Vùng không gian cho trường khí áp chọn cho từ đặc trưng trình khí toàn vùng biển Vectơ dòng chảy biểu diễn thành hình chiếu tuỳ trường hợp hình chiếu lên hướng địa lý lên trục song song vuông góc với đường bờ Mối liên hệ hình chiếu dòng chảy hệ số khai triển trường khí áp có dạng u = b1∑ aij + c1, v = b2∑ aij + c2, (7.3) b1 b2 − hệ số hồi quy 7/8 Dự báo dòng chảy Thời hạn dự báo theo trương khí áp thực 12 dòng chảy mặt 24 dòng chảy sâu Nếu dùng trường khí áp dự báo thời hạn dự báo tăng lên 8/8 ... toán dự báo dòng chảy đại dương 6/8 Dự báo dòng chảy Thí dụ trường dòng chảy tính theo sơ đồ Sarkisian 7.3 DỰ BÁO DÒNG CHẢY Ở BIỂN KHƠI THEO TRƯỜNG KHÍ ÁP Từ lý thuyết thực nghiệm thấy dòng chảy. .. liệu quan trắc Như biết, dòng chảy biển dòng chảy tổng cộng Để tách riêng từ thành phần dòng chảy gió khiết cần phải loại trừ dòng chảy mật độ, dòng chảy triều dòng chảy quán tính Thông thường... chiếu dòng chảy hệ số khai triển trường khí áp có dạng u = b1∑ aij + c1, v = b2∑ aij + c2, (7.3) b1 b2 − hệ số hồi quy 7/8 Dự báo dòng chảy Thời hạn dự báo theo trương khí áp thực 12 dòng chảy