Ứng dụng mô hình wam dự báo trường sóng biển đông và mô hình wam dự báo trường sóng ven bờ

TẠPCHi KHOAHỌCĐHQGHN KHTN&CN, T.xx sò 3PT 2004 Ứ N G D Ụ N G M Ơ H ÌN H W A M D ự B Á O T R Ư Ờ N G S Ó N G B I E N Đ Ô N G V À M Ô H ÌN H SW A N D ự B Á O T R Ư Ờ N G S Ó N G V E N B Ờ N guyễn T họ Sáo Khoa K h i tượng ■Thủy uăn H ải dương học Trường Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG Hà Nội T rầ n Q u a n g T iế n Trung tám K h i tượng T huv vãn Biên T óm tắt: Bài trình bày ngun lý mơ hình sóng WAM SWAN dựa phổ chiểu ứng dụng chúng Nhũng mơ hình cho phép tinh tốn dự báo trường sóng biển khơi vùng ven bờ Các hiệu ứng tiêu tán lượng sóng ma sát đáy, bạc đầu sóng, sóng vỡ, đồng thời tương tác phi tuyến bậc cao ánh hướng dịng chảy xét đến Kết q tính tốn cho biên Đơng vùng ven bị Nghi Sơn - Thanh Hoá cho thấy ứng dụng rấ t thực Trong tương lai, đế cao độ xác trường sóng dự báo cho biển Đỏng cần xét đến trường dịng chảy tồn biến Mở đầu Hoạt động người đại dương, biến vùng ven bờ phụ thuộc chủ yếu vào thời tiết trạ n g thái m ặt biển, đặc biệt vào điều kiện sóng m thường yếu tố định việc h ạn ch ế hồn tồn làm ngừng trệ cơng việc trê n biển Nhũng thơng tin xác vể điều kiện sóng thực tê dự báo có ý nghĩa thực tiễn r ấ t lỏn cho phép lựa chọn đường vận tải th u ỷ th u ận lợi n h ấ t bố trí hợp lý thời gian, địa điểm thực công việc biên, khơng đảm bảo an tồn mà cịn làm tăn g hiệu hoạt dộng kinh tếbièn.V ới mục đích đó, hình th àn h phương pháp thực hàn h dự báo sóng giỏ, sóng lừng đại dương, biển vùng ven bờ Có hướng giái vấn để T nhất: thực mơ hình tín h tốn sóng đầy đủ với độ xác cao phố không phổ Thử hai: th iế t lập công thức kinh nghiệm chĩ dẫn thực hãn h để dự báo sóng điểu kiện cụ th ể [7], Nội dung thực theo hưống th ứ Mơ hình tín h tốn dự báo sóng gió th ế hệ WAM dược p h t triển tạ i Viện Khí tượng M ax-Planck ỏ H am burg (Đức) K H asselm ann, p Jan sse n , G Komen (Hà Lan), L Zam breski H G u n th er (Anh) vào năm 1988 Cho đến WAM người bạn song hành với mơ hình WAVEWATCH III mơ hìn h đại n h ấ t mô tả phát triển lan truyền sóng đại dương có xét đến độ cong trá i đất WAM cài đặt cho khoảng 35 qu an trê n t h ế giới sử dụng cho nghiên cửu ứng dụng nghiệp vụ Nó áp dụng cho việc đồng n h ấ t liệu sóng từ vệ tinh Mơ hìn h liên tục cập nhật, có bốn phiên b ản cơng bố Phiên cuối cùng, phiên 4, m ột cải tiến m ặt kỹ th u ậ t phiên 3, thực H G unther bổ sung thêm ch ế đưa gió vào bdi P Jan sse n (1991) Khi có phiên mỏi mơ hình, th àn h viên nhóm 29 Nguyen Thọ Sâo Trân Quung Tic» 30_ WAM thơng báo Mơ hình WAM số sở Việt Nam tìm hiếu áp dụng, phiên chạy trê n hệ điều hàn h UNIX LINUX, nhóm tác giả có sửa đổi để biên dịch Digital Visual F ortran 6 , chạy trê n WINDOWS XP Đồng thời, nhóm tác giả khơng sù dụng chương trìn h hậu xử lý WAM, tự viết chương trìn h tru y xuất kết cho chương trìn h GRADS TECPLOT đê th ê k ết q trường gió trường sóng Để tín h tốn trườ ng sóng vùng nước nơng vối địa hình phức tạ p có th ê sử dụng mơ hình nh STWAVE SWAN SWAN mơ hình sóng th ế hệ ba, tín h tốn phổ sóng hai chiều cách giải phương trìn h cân tác động sóng, tính lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng nước nơng ven bờ đồng thịi trao đơi năn g lượng với gió thơng qua hàm nguồn tiêu tân nàn g lượng sóng Mơ hình dược xây dựng p h át triển bới Delf U niversity of Technology, H Lan Không chi’ nước thuộc khu vực Bắc Đại Tây Dương, nước thuộc khu vực Thái Bình Dương thường sử dụng WAM SWAN đế dự báo nghiệp vụ R iêng khu vực APEC, hội thảo sóng tồ chức năm lần, Hội nghị lần thử 10 tồ chửc tạ i Việt Nam năm 2003 Mơ h ìn h WAM [2] Mơ hình WAM mơ tả tiến triển phổ sóng hai chiểu băng phương trìn h : dF t 3(ộF) dt dệ Ơ(ÌF) | a(9F) ơ), ỉ đó: F- m ật độ phổ ứng với (f, 0, (ị), X), f - tầ n số, - hướng, (ị) - vĩ độ , À • kinh độ, s - hàm nguồn, ộ,?.,G • s u ấ t biến đối vị trí hướng lan truyền sóng Hàm nguồn s biểu th ị tổng gió dầu vào s„„ tiêu tả n bạc đầu sóng s rtl#, v l a n t r u y ề n p h i t u y ê n s„ ;: s = s i n + s di8+ s nl (2 ) Số hạn g gió đầu vào lấy theo S nyder nnk (1981) Gió đầu vào số hạng tiêu tá n mơ hình sóng phát triển dựa trê n lý th u y ết tự a tuyến tính Janssen vể p h t sinh sóng gió (Janssen 1989, 1991) Sóng m ật lấy dộng lượng từ luồng không bơi ứng s u ấ t lớp m ặt phụ thuộc vào tốc độ gió ứng su ất sóng Tw Sự tăn g trưởng sóng phụ thuộc vào vận tốc ma sát u., độ đài nh ám Z0 s ố hạn g gió đầu vào cho bằng; Sin = (3) vói F phơ hai chiểu y tốc độ tàng trương cúa sóng Theo M iles, ph ân bơ’ gió lơ-ga-rít, Ỵchỉ phụ thuộc vào hai th am số: X = u * c o s (0 - ( p )/c v n = với u - vận tốc m a sát, Z0- độ dài nhám (4 ) - hướng lan truyền sóng, (p- hướng gió, c - vận tóc pha sóng, úiig dụng mõ hình WAMtlụ báo nường sóng biến Dóng 31 Tốc độ tă n g trưởng phụ thuộc vào độ nhám thông qua n , mà dến lượt phụ thuộc vào trạ n g th biển Tốc độ tãng trưỏng, liên quan với tần số góc co sau: (5) (6) epxa y - hằn g sơ’ K arm an, (i,„ = 1,2 • số n = kZr chiểu cao tối h ạn phi thừ nguyên (k • số sóng Zc - chiều cao tới hạn xác định bàng Ư0(Z = Zc) = C) ứ n g s u ấ t ĩ luồng khơng khí sóng phụ thuộc vào trạ n g thái biền, từ cản động lượng khơng khí: (7) (8) (9) đây, L độ cao trung bình ị trê n sóng Tw ứng s u ấ t sóng, bằng: Tw = p w JwyFcos(0 - )dfd0 Trong thự c hành, ửng s u ấ t sóng T„ (10) lấy theo hướng gió H ằng sơ a chọn theo quan hệ Charnock sức cán sóng, s ố hạng tiêu tá n lấy theo Komen nnk., (1984), dựa trê n lý thuyết sóng bạc đ ầu cùa K H asselm anns (1974) Đề nh ận cán bảng lượng tầ n số cao, tiêu tá n bạc đầu sóng bô su ng số hạng k~' sau: S j„ =-Yd*’ y,i = —C.|lsM(k"E)2 ( k / k + ( k / k ) 2) (11) (12) c dl, = 4,5 số, E độ biến thiên sóng tổng cộng, k số sóng, (ứ k tần số góc số sóng tru n g bình (13) (14) E = JjF(f,0)dfdO (15) Sự phụ thuộc hệ số tỷ lệ vào bình phương tầ n s ố phù hợp với hàm tiêu tán sóng bạc đầu, dần xuất bới H asselm ann (1974) Sô’ hạng nguồn phi tuyến Nguyổn Thọ Sá» Trán Quang Tiến tham số tương tác phi tuyến đề xuất H asselm ann nnk (1981 1985) Lời giải số WAM hạn chế tiêu chuản CFL th ể rà n g buộc cúa bước thời gian theo bước không gian nhỏ Như WAM biểu thị tin h v ật lý tiến triển sóng, phù hợp vói kiến thức đại, giải phương trìn h truyền sóng mà khơng bị ràng buộc dạng phổ, cho phép xét hiệu ửng khúc xạ ảnh hưởng dịng chảy nước nơng Chương trìn h viết cho WAM chạy cho b ất kỳ lưới địa phương toàn cầu với tậ p hợp liệu dịa hình sẵn có Bước thời gian tính độ phân giải có th ể tuỳ chọn, thực trê n lưới kinh vĩ lưới carthesian Mỏ hình tru y x u ất chiều cao sóng có nghĩa, hướng tầ n số sóng tru n g bình, chiểu cao hướng sóng lừng tru n g bình, phơ sóng chiều tạ i thời điểm diêm lưới chọn Có th ể chạy kiểu lưới lồng Trong lưới thô, phổ nội suy theo khơng gian thịi gian cho điểm biên lưới tinh mơ hình chạy lại trê n lưới tinh Mơ hình WAM thích hợp cho vùng nước có độ sâu > 20m M ỏ h ìn h SWAN [3] Mơ hình cho phép tính tốn đặc trư ng sóng vùng gần bờ, hồ vùng cửa sông từ điều kiện địa hình, gió dịng chảy Trong mơ hình, sóng mô tả phổ m ật độ tác động hai chiều, thích hợp điểu kiện phi tuyến SWAN sử dụng phổ m ật độ tác động N(ỗ,0), có m ật dịng chảy m ật độ tác động báo tồn phơ m ật độ lượng khơng Các biên độc lập tần s ố hướng sóng M ật độ tác động tính m ật độ nảng lượng chia cho tần số Sự tiến triển phó sóng mơ tả phương trìn h cân tác động phô viết toạ độ Đềcác: — N + — C XN + — C VN + — C N + — C e N = dt ôx ôy da