GIÁO TRÌNH DỰ BÁO SÓNG BIỂN

Dự báo sóng biển Dự báo sóng biển Bởi: PGS TS NGƯT Phạm Văn Huấn Tính dự báo sóng biển đại dương cần thiết cho lĩnh vực kinh tế hàng hải, đóng tàu khai thác tàu, cảng, thủy cơng trình bờ thềm lục địa, bảo vệ bờ Trong hoạt động đa dạng ngành cần biết thông tin sóng biển, đặc trưng sóng vùng khác Trong số đặc trưng sóng biển quan trọng độ cao sóng cực đại, sóng lớn ln ln mối nguy hiểm tàu thủy cơng trình Các ngành kinh tế cần loại dự báo sóng khác nhau: đặc trưng xác suất (chế độ) sóng thời kỳ dài yếu tố sóng thời điểm cụ thể hàng ngày Hình thức tiện dụng để thể dự báo sóng đồ sóng, độ cao sóng chu kỳ sóng biểu diễn đường đẳng trị Đã vài thập kỷ nước Nga Mỹ lập đồ dự báo sóng cho vùng đại dương Những đồ có giá trị to lớn ngành hàng hải, đặc biệt từ xuất dịch vụ đảm bảo đường bơi tối ưu cho tàu viễn dương 5.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN Sự phát triển, lan truyền tắt dần sóng nước sâu nước nơng diễn khác phương pháp dự báo sóng xây dựng riêng cho trường hợp Nếu độ sâu biển lớn nửa độ dài sóng người ta xét sóng nước sâu, độ sâu biển nhỏ nửa độ dài sóng ? sóng nước nơng Trong biển phân biệt sóng gió sóng lừng Sóng gió sóng gây gió chịu tác động gió Sóng lừng sóng lan truyền vùng tạo sóng sau gió yếu gió thay đổi hướng sóng từ vùng tạo sóng đến vùng khác, nơi có đặc trưng gió khác Có thể có sóng lừng lan truyền hồn tồn khơng có gió Hệ thống sóng hình thành tổng hợp sóng gió sóng lừng gọi sóng hỗn hợp Trong tính tốn dự báo sóng phân biệt sóng ba chiều sóng hai chiều Thực tế dự báo sóng thường đề cập đến sóng hai chiều Những đặc trưng dự báo sóng hai chiều gồm độ cao h, chu kỳ T, độ dài λ, tốc độ truyền C, hướng truyền ψ Độ cao sóng độ cao đỉnh sóng so với đáy sóng Chu kỳ ? khoảng thời gian hai đỉnh sóng qua điểm cố định biển Trên băng ghi sóng (hình 5.1) chu 1/11 Dự báo sóng biển kỳ xác định khoảng thời gian trục hồnh hai đỉnh sóng Độ dài ? khoảng cách ngang hai đỉnh sóng trắc diện sóng vẽ theo hướng truyền sóng Tốc độ truyền sóng - quãng đường di chuyển đỉnh sóng hay đáy sóng theo hướng truyền sóng đơn vị thời gian sóng tiến lan truyền biển Hướng truyền sóng - hướng trung bình lan truyền sóng xác định theo nhiều sóng Hình dạng đoạn băng ghi sóng Chu kỳ, độ dài tốc độ truyền sóng liên hệ với biểu thức C= λ T λ= 2π gC T= √ 2πλg = 2πg C = 0,64C = √ 2πgλ = 1,56T, = g 2π T = 1,56T2, (5.1) Năng lượng tồn phần sóng W = ρgh2 (5.2) g − gia tốc trọng lực, ρ − mật độ nước Các sóng hệ sóng biển gió mạnh bão có đặc điểm đa dạng Bên cạnh nhữnh sóng nhỏ có sóng lớn (hình 5.1) Sự đa dạng yếu tố sóng giai đoạn phát triển sóng tuân theo quy luật thống kê định Bằng đường lý thuyết thực nghiệm xử lý băng ghi sóng nhận hàm phân bố hay hàm độ đảm bảo yếu tố sóng Nhờ hàm phân bố, xác định trị số yếu tố sóng với độ đảm bảo bất kỳ, biết trị số trung bình 2/11 Dự báo sóng biển 5.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG Do tác động dòng khơng khí mặt biển lúc đầu phẳng lặng hình thành dao động hạt nước Trên mặt biển xuất sóng nhỏ hình dạng đặn - gọi sóng mao dẫn vai trò định hình thành sóng lực căng bề mặt nước Những sóng khơng ổn định sau ngừng gió chúng tắt nhanh độ nhớt nước Nếu gió tiếp tục truyền động cho sóng tác động trọng lực lực căng bề mặt sóng phát triển dần chuyển thành sóng trọng lực Năng lượng tổng cộng sóng liên tục tăng Hình thành chuyển động sóng phức tạp Xuất sóng với chu kỳ, độ cao, độ dài tốc độ truyền khác nhau, tức hình thành phổ sóng gió Cơ chế truyền lượng gió cho sóng nhà nghiên cứu quan niệm khác [18] V M Makaveev cho gió truyền lượng cho sóng nhờ ứng suất tiếp tuyến gió Iu M Krưlov giải thích chế truyền lượng ứng suất pháp tuyến tiếp tuyến gió V V Shuleikin thực nghiệm lượng truyền cho sóng chủ yếu nhờ áp suất pháp tuyến gió lên sườn đón gió sóng Theo lý thuyết Phillips Miles phát triển phổ sóng gió diễn hai chế vật lý ứng với giai đoạn phát triển sóng Cơ chế cộng hưởng Phillips giải thích phát sinh sóng gió Nhờ tính chất rối gió, kích thước cuộn xốy gió trùng với độ dài sóng xảy cộng hưởng làm sóng mạnh lên, lượng thành phần phổ tăng tuyến tính với thời gian bất đồng mặt nước dậy sóng tác động trở lại trường áp suất lớp khơng khí sát mặt nước Sự tăng trưởng sóng, bắt đầu có phản ứng lại sóng thăng giáng áp suất khơng khí giải thích lý thuyết Miles Theo Miles áp suất khơng khí tỷ lệ với lượng sóng tăng trưởng sóng diễn theo quy luật hàm mũ Sự chuyển hoá từ tăng trưởng tuyến tính sang tăng trưởng theo quy luật hàm mũ định tương quan vận tốc đối lưu gió υ tốc độ pha sóng C Sự tăng trưởng theo hàm mũ diễn hiệu ứng phi tuyến sóng đổ bắt đầu đóng vai trò chủ yếu Cơ chế Miles tỏ hiệu với tần số sóng cao Với tần số sóng trung bình thấp, tức suy giảm tương tác rối khí sóng lý thuyết Miles khác nhiều so với quan trắc Những nhân tố định phát triển sóng gồm: tốc độ gió, thời gian hoạt động gió, đà ? độ dài khoảng khơng gian kể từ điểm tính sóng phía ngược chiều gió tác động nơi gió thay đổi đáng kể hướng tới đường bờ khuất gió, độ sâu biển nơi tính sóng Nếu gió cường độ hướng không đổi tác động khoảng không gian lớn đại dương thời gian đủ dài, sóng tăng trưởng đạt trạng thái phát triển hồn tồn ứng với tốc độ gió xét Khi phổ sóng bao gồm tồn dải chu kỳ, độ dài tốc độ sóng (về lý thuyết từ đến ∞ ) Độ cao, chu kỳ, độ dài tốc độ sóng phụ thuộc vào tham số ? tốc độ gió ν Trong trường hợp tốc độ gió lớn thời gian cần để sóng phát triển hồn tồn lớn Vì 3/11 Dự báo sóng biển với tốc độ gió lớn, sóng đạt phát triển hồn tồn gió lớn thường khơng kéo dài Nếu sóng chưa đạt phát triển hồn tồn ngồi tốc độ gió, tăng trưởng phụ thuộc vào thời gian tác động gió đà, xảy ba tình chính: Gió cường độ hướng khơng đổi tác động khoảng không gian lớn, thời gian hoạt động nhỏ Sự phát triển sóng bị hạn chế thời gian hoạt động gió Gió cường độ hướng không đổi hoạt động khoảng thời gian đủ dài, đà nhỏ, phát triển sóng bị hạn chế đà Nếu thời gian tác động gió đà có hạn, phát triển sóng phụ thuộc vào yếu tố hạn chế tăng trưởng sóng nhiều 5.3 TÍNH CÁC YẾU TỐ SĨNG GIĨ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NƠNG Phương trình cân lượng sóng liên hệ phát triển sóng với yếu tố tạo sóng có dạng ∂E ∂t + ∂ ∂ x (EU) = Mv − ED (5.3) E − lượng sóng đơn vị diện tích mặt biển có sóng, U − tốc độ vận chuyển lượng sóng, Mv − lượng sóng nhận từ gió, ED − lượng tản mát, t − thời gian, x − đà Phương trình cân lượng sóng dạng gọi phương trình Makaveev Kết giải phương trình cân lượng sóng dẫn tới biểu thức liên hệ tham số sóng với yếu tố tạo sóng tốc độ gió, đà thời gian hoạt động gió Từ xây dựng thành phương pháp tính dự báo sóng thực hành Một kết giải phương trình cân lượng sóng dẫn đến biểu thức liên hệ tham số sóng yếu tố tạo sóng thuộc V V Shuleikin Ông nhận biểu thức tăng độ cao sóng theo thời gian tác động gió sóng phát triển η = − e − τ, (5.4) biểu thức liên hệ độ cao sóng đà sóng ổn định ξ = 2arcth√η − 2√η (5.5) 4/11 Dự báo sóng biển η − độ cao sóng khơng thứ ngun ngun t T∞ h h∞ , τ − tham số thời gian không thứ , ξ − tham số khoảng cách không thứ nguyên x vT ∞ Những tham số không thứ nguyên liên hệ với giá trị cụ thể yếu tố tạo sóng đặc trưng sóng theo biểu thức sau: t x τ = k1 T ,ξ = k2 vT ,η = ∞ ∞ h h∞ (5.6) Trong công thức dùng ký hiệu: h − độ cao sóng tính mét, h ∞ − độ cao tới hạn sóng ứng với tốc độ gió cho, T ∞ − chu kỳ tới hạn sóng ứng với tốc độ gió cho, v − tốc độ gió tính m/s, t − thời gian tác động gió tính giờ, x − đà sóng tính km, k1,k2 − hệ số Các độ cao chu kỳ tới hạn sóng tính theo công thức: h ∞ = 0,0205v2 (5.7) T ∞ = 0,526v (5.8) Trong thực hành tính yếu tố sóng cơng thức xây dựng thành tốn đồ (các hình 5.2?5.5) Để tính yếu tố sóng theo phương pháp Shuleikin cần cho trước tốc độ gió v, thời gian tác động gió t, đà sóng x độ sâu biển điểm tính sóng H Tính sóng biển sâu thực theo trình tự sau [12,18]: Nhờ tốn đồ hình 5.2 xác định h ∞ T ∞ ứng với tốc độ gió ν cho Sau xác định thời gian không thứ nguyên T t∞ đà không thứ nguyên vTx∞ Theo giá trị nhận T t∞ vTx∞ nhờ tốn đồ hình 5.3 xác định trạng thái sóng (phát triển hay ổn định) Sóng phát triển sóng gió với tham số sóng tăng theo thời gian, sóng ổn định sóng gió với tham số sóng khơng biến đổi khoảng thời gian xét Nếu điểm ( x t vT ∞ , T ∞ ) nằm thấp đường cong tốn đồ hình 5.3 sóng phát triển, theo giá trị T t∞ xác định η tốn đồ hình 5.4a, điểm nằm cao đường cong tốn đồ hình 5.3 sóng ổn định theo giá trị x vT ∞ xác định η tốn đồ hình 5.4b Cuối tính đặc trưng sóng: độ cao sóng h theo đại lượng η nhận được, chu kỳ sóng bước sóng tìm theo tốn đồ hình 5.5 Tính đặc trưng sóng vùng nước nơng tương tự trình tự trên, nhiên trường hợp tìm η tốn đồ hình 5.4 phải vào tiêu nước nông K= v √gH , (5.9) 5/11 Dự báo sóng biển với v − tốc độ gió (m/s), g − gia tốc trọng lực (m/s2), H − độ sâu biển điểm tính sóng (m) Trong thực hành sử dụng phương pháp khác tính đặc trưng sóng gió dựa theo công thức thực nghiệm Viện hải dương quốc gia Viện nghiên cứu thiết kế cơng trình biển Liên bang (Liên bang Nga) Những cơng thức có dạng: - Đối với biển sâu: ˉ ghx v ˉ ght v = 0,0042 √( ) gx v2 12 √( gtv ) = 0,0013 ˉ gTx v = 0,70 ˉ gTt v = 0,34 5 (5.10) √( ) gx v2 ( ) gt v - Đối với biển nông: ˉ ghH v2 ˉ gT v = 0,07 = 18,7 √( ) , gH v2 ˉ gh √( ) v2 (5.11) , ˉ ˉ với h x − độ cao sóng trung bình ứng với đà tốc độ gió cho, h t − độ cao song ˉ trung bình ứng với thời gian tác động tốc độ gió cho, T x − chu kỳ sóng trung bình ˉ ứng với đà tốc độ gió cho, T t − chu kỳ sóng trung bình ứng với thời gian tác động tốc độ gió cho, x − đà sóng (km), t − thời gian tác động gió (giờ), v − tốc độ ˉ gió (m/s), H − độ sâu biển (m), g − gia tốc trọng lực (m/s2), h H − độ cao sóng trung bình nước nơng (m) 5.4 PHƯƠNG PHÁP LẬP DỰ BÁO SÓNG ĐỐI VỚI VÙNG ĐẠI DƯƠNG 5.4.1 Dự báo số trị trường sóng sở phương pháp lý thuyết Cơ sở phương pháp sơ đồ tính sóng Shuleikin trình bày mục 5.2 6/11 Dự báo sóng biển Xét trường hợp sóng chưa ổn định, phát triển sóng phụ thuộc vào thời gian tác động gió Giả thiết tốc độ hướng gió khơng biến đổi khoảng thời gian Người ta dự báo độ cao hướng lan truyền sóng, đặc trưng quan trọng hàng hải Sự phụ thuộc độ cao sóng khơng thứ ngun vào thời gian khơng thứ ngun có dạng ( ) ] (5.12) [ η = − exp − 1,30 t T∞ 0,6 Căn vào công thức (5.7) (5.8) cơng thức (5.12) viết lại thành { t ( 0,526v ) ]}, (5.13) [ 0,6 h = 0,0205v2 − exp − 1,30 h − độ cao sóng (m), v − tốc độ gió (m/s), t − thời gian tác động gió (giờ) Thời gian cần cho sóng phát triển đến độ cao quan trắc thời điểm lập dự báo xác định theo công thức [ ( ln − t = 0,526v − h 0,0205v2 ) 1,3 ] 1,66 (5.14) Để tính độ cao sóng gió yếu người ta sử dụng công thức K M Sirotov: ( h = 1,6h0exp − t 14,7 + 3,78 k ) , (5.15) h − độ cao sóng thời điểm cuối chu kỳ tắt sóng xét, h0 − độ cao sóng thời điểm đầu q trình tắt sóng, t − thời gian (giờ), k = ∣ − Δv Δt ∣ − giá trị tuyệt đối gia tốc âm gió Tính tốn dự báo sóng thực bước Trường sóng ứng với thời điểm tn + tính theo trường sóng xuất phát thời điểm tn trường gió dự báo thời điểm tn tn + Trường khí áp tính chuyển thành trường gió máy tính 7/11 Dự báo sóng biển 5.4.2 Phương pháp vật lý thống kê dự báo trường sóng đại dương Tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn (Nga) Z K Abuziarov [2,3] xây dựng phương pháp dự báo trường sóng cho vùng Bắc Đại Tây Dương sở xử lý thống kê quan trắc sóng tàu thời tiết tàu tuyến thiết lập mối phụ thuộc trường sóng trường khí áp Đối với dự báo sóng người ta thấy nên sử dụng trực tiếp trường khí áp bao quát không gian lớn đại dương liệu gió Và trường hợp trường áp suất khai triển thành hàm giải tích toạ độ (khai triển Chebưsev khai triển thành thành phần trực giao tự nhiên) Xét mối phụ thuộc độ cao sóng với trường khí áp lấy cách 12 giờ, tính tới cách gần trạng thái khơng ổn định gió, đó, phát triển sóng gió sóng lừng thời gian khơng gian Cách tiếp cận thuận lợi chỗ không cần thiết phải xác định đà sóng thời gian tác động gió Để thiết lập mối phụ thuộc dự báo sử dụng liệu quan trắc sóng khí áp có lưu trữ Trung tâm Khí tượng Thủy văn Liên bang Nga [14] Những số liệu độ cao hướng truyền sóng lấy từ đồ cho mạng lưới cố định điểm tính sóng Bắc Đại Tây Dương Để dự báo độ cao hướng sóng, điểm tính xét vectơ quy ước hướng theo hướng truyền sóng ψ Độ lớn vectơ giá trị độ cao sóng h Sau tính hình chiếu vectơ hx,hy lên trục toạ độ (các phương kinh tuyến vĩ tuyến) theo công thức hx = hsinψ,hy = hcosψ (5.16) Khi độ cao sóng hướng truyền sóng dự báo h = √h2x + h2y ,ψ = arctg ( ) (5.17) hx hy Đối với điểm tính mạng nêu thiết lập mối phụ thuộc dự báo dạng hx(tn) = f1[Bij(tn − 12),hx(tn − 12)], hy(tn) = f2[Bij(tn − 12),hy(tn − 12)] (5.16) hx(tn) hy(tn) − đại lượng cần dự báo ứng với thời điểm tn,Bij − hệ số khai triển trường khí áp ứng với thời điểm 12 trước thời điểm dự báo, hx(tn − 12) hy(tn − 12) − hình chiếu vectơ sóng ứng với thời điểm 12 trước thời điểm dự báo 8/11 Dự báo sóng biển 5.4.3 Tính sóng lừng Khả sóng lừng từ vùng bão tới điểm nằm bão xác định theo bảng 5.1 [12] Biết độ cao sóng vùng bão, hướng truyền sóng thời gian dự báo, theo bảng 5.1 xác định khoảng cách mà sóng lừng độ cao sóng cuối khoảng cách Nếu biết đường sóng lừng nhận định khả sóng lừng có đến điểm dự báo khơng Qng đường D (hải lý) sóng lừng sau thời gian t độ cao sóng lừng h (m) cuối quãng đường Độ cao sóng ban đầu(m) t , 12 18 24 30 D h D D 10 110 8,0 220 6,4 350 5,2 475 4,4 600 4,0 100 7,2 200 5,8 310 4,9 430 4,4 560 3,4 90 6,4 180 5,2 275 4,6 380 3,8 495 3,3 80 5,6 160 4,6 240 4,2 335 3,5 420 3,2 65 4,8 135 4,1 205 3,7 290 3,2 370 2,8 50 4,0 110 3,5 170 3,1 240 2,9 300 2,5 40 3,2 90 2,8 140 2,6 190 2,3 240 1,9 30 2,3 70 2,0 110 1,7 150 1,5 180 1,3 20 1,5 50 1,3 75 h h D h D h 0,8 100 0,7 ? ? Trường hợp vùng dự báo có tình gió yếu sóng bão tắt dần, độ cao sóng xác định theo bảng 5.2 [12] Bảng lập cho điều kiện xác suất cao nhất, đặc trưng cho tình giảm gió trung bình 9/11 Dự báo sóng biển Tốn đồ xác định độ cao h ∞ chu kỳ T¥ sóng tới hạn theo tốc độ gió ν Tốn đồ xác định giai đoạn phát triển sóng Tốn đồ xác định độ cao sóng biển sâu biển nơng (a ? sóng chưa ổn định b ? sóng ổn định) 10/11 Dự báo sóng biển Toán đồ xác định chu kỳ T bước sóng λ Những trị số xác suất độ cao sóng tắt dần h (m) điểm tính sau khoảng thời gian t khác Độ cao sóng ban đầu, (m) t , 12 18 24 30 10 8.3 6.8 5.9 5.2 4.6 7.5 6.2 5.5 4.7 3.9 6.7 5.6 5.1 4.3 3.6 5.9 5.1 4.4 3.7 3.0 5.1 4.4 4.0 3.2 2.8 4.3 3.6 3.2 2.8 2.4 3.3 2.9 2.6 2.4 2.2 2.4 2.2 2.1 2.0 1.9 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 11/11 ... thời điểm dự báo 8/11 Dự báo sóng biển 5.4.3 Tính sóng lừng Khả sóng lừng từ vùng bão tới điểm nằm bão xác định theo bảng 5.1 [12] Biết độ cao sóng vùng bão, hướng truyền sóng thời gian dự báo, theo... kỳ T¥ sóng tới hạn theo tốc độ gió ν Tốn đồ xác định giai đoạn phát triển sóng Tốn đồ xác định độ cao sóng biển sâu biển nơng (a ? sóng chưa ổn định b ? sóng ổn định) 10/11 Dự báo sóng biển Toán... thời điểm tn trường gió dự báo thời điểm tn tn + Trường khí áp tính chuyển thành trường gió máy tính 7/11 Dự báo sóng biển 5.4.2 Phương pháp vật lý thống kê dự báo trường sóng đại dương Tại Trung