Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo sóng tổ hợp cho khu vực biển việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ HỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠNG NGHỆ DỰ BÁO SĨNG TỔ HỢP CHO KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ HỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN BÙI MẠNH HÀ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CƠNG NGHỆ DỰ BÁO SĨNG TỔ HỢP CHO KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM Chuyên ngành: Hải dƣơng học Mã số: 8440228.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Bá Thủy TS Đỗ Đình Chiến Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thành nghiên cứu riêng dƣới sự hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Bá Thủy TS Đỗ Đình Chiến Các số liệu, kết trình bày luận văn trung thực không chép theo cơng trình nghiên cứu tƣơng tự khác Các thông tin thứ cấp sử dụng luận văn đƣợc trích dẫn nguồn tài liệu danh mục tài liệu tham khảo Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm tính xác thực nguyên luận văn Hà Nội, ngày tháng Tác giả luận văn Bùi Mạnh Hà năm 2020 LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình xây dựng đề cƣơng, nghiên cứu hoàn thành luận văn thạc sĩ, học viên nhận đƣợc động viên, khuyến khích tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình thầy cơ, bạn bè đồng nghiệp gia đình Để hồn thành luận văn này, học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Bá Thủy TS Đỗ Đình Chiến, thầy trực tiếp dẫn dắt trình thực luận văn Với cƣơng vị vừa ngƣời thầy, vừa đồng nghiệp, thầy cho lời khuyên chân thành kiến thức chuyên môn, định hƣớng phát triển nghiệp kỹ nghiên cứu khoa học Học viên tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô Khoa Khí tƣợng Thủy văn Hải dƣơng học - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội truyền đạt cho kiến thức chuyên sâu chuyên ngành Hải dƣơng học suốt thời gian học tập để tơi có đƣợc tảng kiến thức hỗ trợ lớn cho trình hồn thành luận văn thạc sĩ Học viên xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Dự báo khí tƣợng thủy văn quốc gia - Tổng cục Khí tƣợng Thủy văn tạo điều kiện, hỗ trợ thời gian, tinh thần cho học viên suốt thời gian học tập nghiên cứu Học viên cảm ơn Đề tài cấp Bộ Tài nguyên Môi trƣờng “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tổ hợp sóng biển cho Việt Nam”, mã số TNMT.2015.01.02 Đề tài độc lập cấp Quốc gia "Nghiên cứu, đề xuất giải pháp cơng nghệ phù hợp, hiệu để tiêu giảm sóng nhằm nâng cao độ an toàn cho đê biển Nam Định", Mã số: ĐTĐLCN.40/18 cung cấp thông tin liệu cho phép học viên sử dụng cơng cụ tính tốn cần thiết q trình thực luận văn cao học Xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .vii DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC HÌNH x MỞ ĐẦU 1 Lý lựa chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận văn Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH TỐN VÀ DỰ BÁO SÓNG TỔ HỢP 1.1 Tổng quan nghiên cứu giới 1.2 Tổng quan nghiên cứu Việt Nam 12 1.3 Kết luận Chƣơng 15 CHƢƠNG NGUỒN SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 2.1 Thu thập xử lý số liệu 16 2.1.1 Số liệu địa hình 16 2.1.2 Số liệu gió 16 2.1.3 Số liệu sóng 16 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 18 2.2.1 Giới thiệu khái qt mơ hình SWAN 18 2.2.2 Phương pháp tính tốn đánh giá kết dự báo sóng tổ hợp 27 2.3 Kết luận Chƣơng 30 CHƢƠNG XÂY DỰNG CƠNG NGHỆ DỰ BÁO SĨNG TỔ HỢP CHO KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM 31 3.1 Thiết lập mô hình dự báo sóng tổ hợp 31 3.2 Hiệu chỉnh kiểm nghiệm mơ hình SWAN 32 3.2.1 Hiệu chỉnh mơ hình 32 3.2.2 Kiểm nghiệm mơ hình 36 3.3 Kết thử nghiệm dự báo sóng tổ hợp bão 39 3.4 Đánh giá kết dự báo sóng tổ hợp 57 3.5 Kết luận Chƣơng 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 CÁC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC Quỹ đạo di chuyển bão: Xangsane, Durian, Lekima, ConSon, Pakhar, Son-Tinh, Wutip, Rammasun, Damrey Usagi 74 PHỤ LỤC Kết dự báo sóng tổ hợp bão số điểm trạm 79 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TT Ý nghĩa Từ viết tắt ATNĐ Áp thấp nhiệt đới BGM Phƣơng pháp làm giàu tập mẫu (Breeding Grow Method) CREST Mô hình tính sóng theo phƣơng pháp Ơ le (Coupled Rays with Eulerian Source Terms) DIA Xấp xỉ tƣơng tác rời rạc (Discrete Interaction Approximation) ECMWF Trung tâm Dự báo thời tiết Hạn vừa Châu Âu (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) EPS Hệ thống dự báo tổ hợp (Ensemble Prediction System) GEFS Hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu (Global Ensemble Forecast System) GEOWaFS Hệ thống dự báo sóng tổ hợp tồn cầu (Global Ensemble Ocean Wave Forecast System) GEM Mơ hình đa quy mơ mơi trƣờng tồn cầu (Global Environmental Multiscale Model ) 10 GFS Hệ thống dự báo toàn cầu (Global Forecast System) 11 GSM Mơ hình phổ tồn cầu (Global Spectral Model) 12 HIRLAM Mơ hình khu vực giới hạn độ phân giải cao (High Resolution Limited Area Model) 13 HRM Mơ hình khu vực phân giải cao (High Resolution Model) 14 MAE Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error) 15 ME Sai số trung bình (Mean Error) 16 MSE Sai số bình phƣơng trung bình (Mean Square Error) 17 MRI Viện nghiên cứu Khí tƣợng Nhật Bản (JMA’s Meteorological Research Institute - MRI) 18 NCEP Trung tâm Dự báo Môi trƣờng Quốc Gia Mỹ (NationalCenters for Environmental Prediction) 19 NOAA Cơ quan Quản lý Đại dƣơng Khí Quốc gia Mỹ (National Oceanic and Atmospheric Administration) 20 NOGAPS Hệ thống dự báo thời tiết nghiệp vụ toàn cầu hải quân Mỹ (Navy Operational Global Atmospheric Prediction System) 21 LAPS Hệ thống phân tích dự báo khu vực (Local Analysis and Prediction System) 22 LEPS Hệ thống dự báo tổ hợp giới hạn (Limited Ensemble Prediction System) 23 JMA Cơ quan Khí tƣợng Nhật Bản (Japan Meteorological Agency) 24 KTTV Khí tƣợng thủy văn 25 KMA Cơ quan Khí tƣợng Hàn Quốc (Korea Meteorological Agency) 26 RCPWAVE Mơ hình tính sóng khu vực ven bờ (Regional Coastal Processes Numerical Modeling) 27 RMSE Sai số bình phƣơng trung bình quân phƣơng (Root mean square Error) 28 PAGASA Cơ quan Quản lý Khí quyển, Địa vật lý Thiên văn Philippine (Philippine Atmospheric, Geophysical and Astronomical ServicesAdministration) 29 SREPS Hệ thống dự báo tổ hợp hạn ngắn (Short Range Ensemble Prediction System) 30 STWAVE Mơ hình tính sóng theo phƣơng pháp phổ (STeady-state spectral WAVE Model) 31 SuWAT Mơ hình tích hợp thủy triều, sóng, nƣớc dâng bão (Surge Wave and Tide) 32 TMD Cơ quan Khí tƣợng Thái Lan (Thailand Meteorological Deparment) 33 TOMAWAC Mơ hình tính tốn sóng ven bờ (Simulating Waves Nearshore) 34 UTC Giờ chuẩn quốc tế (Coordinated Universal Time) 35 SWAN Mơ hình tính tốn, dự báo sóng ven bờ (Simulating WavesNearshore) 36 WAM Mơ hình tính tốn sóng ngồi khơi (Wave Action Model) 37 WAVEWATCH Mơ hình tính sóng gió (Wind Wave Model) 38 WRF Mơ hình nghiên cứu dự báo thời tiết (Weather Research and Forecasting ) DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Thơng tin liệu sóng thu thập trạm khí tƣợng hải văn 17 Bảng 2.2 Thơng tin liệu sóng thu thập trạm phao biển 17 Bảng Thơng tin liệu sóng thu thập Bạch Hổ 18 Bảng Kết đánh giá hiệu chỉnh mơ hình tính sóng bão .36 Bảng Thời gian thực dự báo sóng tổ hợp bão 40 Bảng 3.3 Kết đánh giá dự báo độ cao sóng trung bình tổ hợp bão điểm trạm với thời hạn dự báo 96 .61 DANH MỤC HÌNH Hình Sơ đồ số mơ hình SWAN 25 Hình 3.1 Địa hình lƣới tính khu vực Biển Đông 31 Hình 3.2 Sơ đồ vị trí trạm phao biển 32 Hình 3.3 Kết hiệu chỉnh mơ hình tính sóng gió mùa .33 Hình 3.4 Chỉ số đánh giá kết hiệu chỉnh mơ hình tính sóng gió mùa 34 Hình 3.5 Kết hiệu chỉnh mơ hình tính sóng bão Kaemi 35 Hình 3.6 Kết kiểm nghiệm mơ hình tính sóng gió mùa đơng bắc (tháng 01/2010) 37 Hình 3.7 Kết kiểm nghiệm mơ hình tính sóng gió mùa tây nam (tháng 07/2014) 38 Hình 3.8 Kết kiểm nghiệm mơ hình tính sóng điều kiện thời tiết bình thƣờng (tháng 09/2015) .38 Hình 3.9 Kết đánh giá sai số tính tốn sóng Bạch Hổ theo phƣơng án kiểm nghiệm mơ hình 39 83 84 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Lekima (2007) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo, Trƣờng Sa Phú Quốc 85 86 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Pakhar (2012) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo, Trƣờng Sa 87 88 89 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Son-Tinh (2012) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo, Trƣờng Sa Phú Quốc 90 91 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Rammnasun (2014) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo, Trƣờng Sa 92 93 94 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Damrey (2017) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo, Trƣờng Sa Phú Quốc 95 96 Biểu đồ dự báo sóng tổ hợp bão Usagi (2018) Hòn Dấu, Bạch Long Vỹ, Sầm Sơn, Hòn Ngƣ, Cồn Cỏ, Lý Sơn, Sơn Trà, Quy Nhơn, Phú Quý, Côn Đảo Phú Quốc 97 ... kết dự báo sóng tổ hợp 27 2.3 Kết luận Chƣơng 30 CHƢƠNG XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO SÓNG TỔ HỢP CHO KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM 31 3.1 Thiết lập mơ hình dự báo sóng tổ hợp ... sóng biển Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng đƣợc cơng nghệ dự báo sóng tổ hợp cho khu vực biển Việt Nam phục vụ phòng chống giảm thiểu thiệt hại thiên tai Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng... XÂY DỰNG CÔNG NGHỆ DỰ BÁO SÓNG TỔ HỢP CHO KHU VỰC BIỂN VIỆT NAM 3.1 Thiết lập mơ hình dự báo sóng tổ hợp Miền tính cho mơ hình SWAN dự báo sóng tổ hợp đƣợc thiết lập cho tồn Biển Đơng đƣợc giới