Xây dựng chiến lược dự bán thời tiết và dự báo các cơn bão từ biển động bằng phương pháp vật lý

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Lê Toàn XÂY DỰNG CHIẾN LƯỢC DỰ BÁO THỜI TIẾT VÀ DỰ BÁO CÁC CƠN BÃO TỪ BIỂN ĐÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH TOÁN TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH LÊ HÙNG SƠN Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tên Nguyễn Lê Tồn, học viên lớp Cao học Tốn tin khóa 2010-2011 trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng cá nhân hướng dẫn GS.TSKH Lê Hùng Sơn Ngồi tài liệu tham khảo trích dẫn luận văn, không chép công trình khoa học người khác Học viên Nguyễn Lê Toàn MỤC LỤC Chương I - SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠO HÀM RIÊNG 1.1 Khái niệm phương trình vi phân đạo hàm riêng 1.1.1 Định nghĩa 1.1.2 Bậc phương trình 1.1.3 Nghiệm phương trình 1.2 Toán tử vi phân 10 1.2.1 Định nghĩa 10 1.2.2 Toán tử vi phân tuyến tính 10 1.2.3 Toán tử vi phân phi tuyến 11 1.3 Nghiệm phương trình vi phân tuyến tính 11 1.4 Phương trình vi phân tuyến tính bậc hai phân loại 12 1.4.1 Định nghĩa: 12 1.4.2 Toán tử elliptic 12 1.4.3 Phân loại phương trình vi phân tuyến tính 13 Chương II - PHƯƠNG TRÌNH TIẾN HĨA, CÁC ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM NGHIỆM 15 2.1 Định nghĩa 15 2.2 Tính chất 15 2.3 Các điều kiện biên 15 2.3.1 Điều kiện biên Dirichlet 15 2.3.2 Điều kiện biên Neuman 16 2.3.3 Điều kiện biên Robin 16 2.4 Các phương pháp tìm nghiệm 17 2.4.1 Phương pháp tách biến 17 2.4.2 Sử dụng lý thuyết Sturm-Liouville: 17 2.4.3 Sử dụng phương pháp sai phân 19 Chương III - CƠ SỞ TOÁN HỌC ĐỐI VỚI VIỆC SỬ DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TIẾN HĨA TRONG DỰ BÁO 24 3.1 Các phương trình động lực học cho chất học lý tưởng 24 3.1.1 Hệ phương trình chuyển động 24 3.1.2 Phương trình liên tục 26 3.1.3 Phương trình trạng thái 27 3.1.4 Phương trình truyền nhiệt 27 3.1.5 Phương trình truyền âm 28 3.2 Các phương trình thủy nhiệt động lực học khí rối 29 Chương IV - KHÁI QT VỀ MƠ HÌNH RAMS 32 4.1 Mơ hình RAMS 32 4.1.1 Khái quát 32 4.1.2 Các đặc trưng toán-lý mơ hình RAMS 32 4.1.3 Cấu trúc lưới 35 4.1.4 Sai phân thời gian 39 4.2 Trường hợp không thủy tĩnh 40 4.3 Trường hợp thuỷ tĩnh 44 Chương V - TÍNH TỐN DỰ BÁO NƯỚC DÂNG DO BÃO SỬ DỤNG KẾT QUẢ CỦA MƠ HÌNH KHÍ TƯỢNG RAMS 46 5.1 Khái quát nước dâng 46 5.2 Sử dụng công thức bán thực nghiệm 46 5.3 Sử dụng mơ hình toán học 47 5.4 Sử dụng mơ hình DELFT - 3D: 49 5.4.1 Giới thiệu chung mơ hình: 49 5.4.2 Cơ sở tốn học mơ hình Delft – 3D: 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC – KẾT QUẢ ÁP DỤNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN NƯỚC DÂNG 54 LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TSKH.Lê Hùng Sơn, thầy người tận tình bảo hướng dẫn em hoàn thành luận văn Em xin cảm ơn thầy cô cán Viện Toán – Tin ứng dụng cung cấp cho em kiến thức chuyên môn quý báu, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất suốt thời gian em học tập Khoa Em cảm ơn phòng Sau đại học, trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện cho em có thời gian hồn thành luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân bạn bè, người bên cạnh cổ vũ, động viên tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập trường LỜI MỞ ĐẦU Các phương trình vi phân đạo hàm riêng xuất nhiều nhiều toán vật lý kĩ thuật liên quan tới chuyển động sóng âm thanh, xạ điện từ liên quan tới khuếch tán nhiệt độ nồng độ chất, … Nhiều tượng vật lý khác thường quy việc giải hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng giống nhau, khiến cho cơng cụ tốn học cầu nối liên hệ tổng quát hoá nhiều tượng tự nhiên Trong phương trình vi phân đạo hàm riêng, lớp phương trình tiến hóa có ứng dụng đặc biệt quan trọng, chúng giúp giải tốn vấn đề cần giải thay đổi phụ thuộc vào thời gian – mà toán thường xuyên xuất sống sản xuất Do tượng biến đổi khí hậu giới nên tượng thời tiết cực đoan bão, lũ, sóng thần, … ngày xuất bất thường cường độ sức tàn phá ngày lớn, gây nhiều thiệt hại người tài sản Do yêu cầu dự báo bào cảnh báo xác tượng yêu cầu cấp thiết ban ngành, quan cần trợ giúp nhiều cơng cụ tốn học Việt Nam nước có bờ biển dài nên hàng năm phải chịu ảnh hưởng hàng chục bão với qui mô khác nhau, có nhiều bão lớn, kéo theo tượng xấu khác: lốc xoáy, nước dâng, … Hiện giới Việt Nam có nhiều mơ hình dự báo thời tiết khác nhau: GME, MRF, AVN, MM5, RAMS, … Trong mô hình kể trên, mơ hình RAMS phát triển sớm từ năm 1970, sử dụng hệ phương trình tiến hóa để mơ chi tiết hệ thống khí qui mơ nhỏ dịng chuyển động địa hình phức tạp, hồn lưu nhiệt bề mặt, … Đầu mơ hình sử dụng để dự báo bão lụt quỹ đạo bão, tượng nước dâng bão, … Do đó, với hướng dẫn thầy Lê Hùng Sơn, em chọn đề tài luận văn “Xây dựng chiến lược dự báo thời tiết dự báo bão từ biển đông phương pháp vật lý” Luận văn dành phần đầu để trình bày phương trình tiến hóa việc sử dụng phương trình dự báo Đối với mơ hình RAMS, nước có tài liệu giới thiệu Tuy nhiên, sở toán học mơ hình chưa trình bày cụ thể tài liệu Do đó, tác giả tập trung mơ tả đầy đủ xác phương trình tiến hóa sử dụng mơ hình Chương IV Đồng thời xây dựng chi tiết thuật toán sử dụng phương pháp sai phân để giải phương trình RAMS, đặc biệt trường hợp không thủy tĩnh mục 4.2 Đối với việc áp dụng phương trình tiến hóa vào tốn dự báo bão lụt, tác giả trình bày thơng qua việc sử dụng kết tính tốn mơ hình RAMS vào việc dự báo nước dâng lũ Việc có ý nghĩa quan trọng đời sống xây dựng cơng trình Cuối cùng, tác giả sử dụng số liệu thực nghiệm để chạy mơ hình RAMS máy tính nhằm tính tốn trường gió trường áp bão, đồng thời dùng số liệu để dự báo mực nước dâng bão số vị trí Q trình tính tốn kết trình bày phần phụ lục luận văn Bố cục luận văn sau: Chương I: Sơ lược phương trình vi phân đạo hàm riêng Chương II: Phương trình tiến hóa, điều kiện biên phương pháp tìm nghiệm Chương III: Cơ sở tốn học việc sử dụng phương trình tiến hóa dự báo Chương IV: Khái qt mơ hình RAMS Chương V: Tính tốn dự báo nước dâng bão sử dụng kết mơ hình khí tượng RAMS Phần phụ lục: Kết áp dụng mơ hình tính tốn nước dâng Chương I - SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN ĐẠO HÀM RIÊNG 1.1 Khái niệm phương trình vi phân đạo hàm riêng 1.1.1 Định nghĩa Một phương trình liên hệ ẩn hàm u(x ,x ,…,x n ) với biến độc lập x ,x ,…,x n đạo hàm riêng u gọi phương trình đạo hàm riêng (gọi đầy đủ phương trình vi phân đạo hàm riêng, viết tắt PDE) Như vậy, phương trình đạo hàm riêng phương trình có dạng 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝑘𝑘 𝑢𝑢 = (1.1) 𝐹𝐹 �𝑥𝑥1 , 𝑥𝑥2 , … , 𝑥𝑥𝑛𝑛 , 𝑢𝑢(𝑥𝑥1 , 𝑥𝑥2 , … , 𝑥𝑥𝑛𝑛 ), ,…, , … , 𝑖𝑖1 𝑖𝑖 � 𝜕𝜕𝑥𝑥1 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑛𝑛 𝜕𝜕𝑥𝑥 … 𝜕𝜕𝑥𝑥𝑛𝑛𝑛𝑛 F hàm đối số 𝑛𝑛 � 𝑖𝑖𝑝𝑝 = 𝑘𝑘 𝑝𝑝=1 1.1.2 Bậc phương trình Bậc phương trình đạo hàm riêng: bậc cao đạo hàm có mặt phương trình 1.1.3 Nghiệm phương trình Một hàm gọi nghiệm phương trình đạo hàm riêng miền biến độc lập ta thay hàm vào phương trình, rút gọn phương trình đồng thức điểm miền Ví dụ:phương trình đạo hàm riêng: 𝑢𝑢𝑥𝑥𝑥𝑥 − 5𝑢𝑢𝑦𝑦 + 𝑢𝑢 = 𝑥𝑥𝑦𝑦 (𝑦𝑦 − 15) (1.2) 𝑢𝑢1 (𝑥𝑥, 𝑦𝑦) = 6𝑒𝑒 2𝑥𝑥+𝑦𝑦 + 𝑥𝑥𝑦𝑦 (1.3) có bậc thừa nhận nghiệm Vì thay 𝑢𝑢1 vào phương trình (1.2) ta sau: 21𝑒𝑒 2𝑥𝑥+𝑦𝑦 – 5(6𝑒𝑒 2𝑥𝑥+𝑦𝑦 + 3x𝑦𝑦 ) + 6𝑒𝑒 2𝑥𝑥+𝑦𝑦 + 𝑥𝑥𝑦𝑦 = x𝑦𝑦 (y − 15) (1.4) Vậy ta đồng thức vế trái = vế phải với x,y miền xác định 1.2 Toán tử vi phân 1.2.1 Định nghĩa Một toán tử gọi toán tử vi phân toán tử tác động lên hàm số có mặt đạo hàm riêng hàm số Tốn tử vi phân kí hiệu L Ví dụ 𝐿𝐿 = toán tử vi phân bậc 𝜕𝜕 𝜕𝜕 − + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥 (1.5) 1.2.2 Tốn tử vi phân tuyến tính Tốn tử vi phân L gọi tuyến tính nếu: với u, υ hàm 𝛼𝛼, β số tùy ý 𝐿𝐿[𝛼𝛼1 𝑢𝑢1 + 𝛽𝛽𝛽𝛽] = 𝛼𝛼𝛼𝛼[𝑢𝑢] + 𝛽𝛽𝛽𝛽[𝜐𝜐](1.6) Nếu tốn tử L tuyến tính cho phép mở rộng: 𝐿𝐿[𝛼𝛼1 𝑢𝑢1 + ⋯ + 𝛼𝛼𝑘𝑘 𝑢𝑢𝑘𝑘 ] = 𝛼𝛼1 𝐿𝐿[𝑢𝑢1 ] + ⋯ + 𝛼𝛼𝑘𝑘 𝐿𝐿[𝑢𝑢𝑘𝑘 ] (1.7) với hàm 𝑢𝑢1 , … , 𝑢𝑢𝑘𝑘 miền xác định L 𝛼𝛼, 𝛽𝛽 số tùy ý k hữu hạn Phương trình đạo hàm riêng gọi tuyến tính tốn tử vi phân có mặt phương trình tốn tử tuyến tính Ví dụ: tốn tử 𝜕𝜕 𝜕𝜕 𝐿𝐿 = − + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥 tuyến tính 𝐿𝐿[𝛼𝛼𝛼𝛼 + 𝛽𝛽𝛽𝛽] = � (1.8) 𝜕𝜕 𝜕𝜕 − + 1� (𝛼𝛼𝛼𝛼 + 𝛽𝛽𝛽𝛽) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝑥𝑥 = 𝛼𝛼�𝑢𝑢𝑥𝑥𝑥𝑥 − 5𝑢𝑢𝑦𝑦 + 𝑢𝑢� + 𝛽𝛽�𝜐𝜐𝑥𝑥𝑥𝑥 − 5𝜐𝜐𝑦𝑦 + 𝜐𝜐�(1.3.4) = 𝐿𝐿[𝑢𝑢] + 𝛽𝛽 𝐿𝐿[𝜐𝜐] 10 (1.9) 𝜉𝜉, 𝜂𝜂 : tọa độ thành phần hệ tọa độ cong trực giao �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 , �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 : hệ số chuyển đổi từ hệ tọa độ cong trực giao sang hệ tọa độ phẳng trực giao, hệ tọa độ cầu: �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 = 𝑅𝑅 cos 𝜑𝜑 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 = 𝑅𝑅 với R bán kính Trái Đất (6370 km), 𝜑𝜑 vĩ độ địa lý d : độ sâu điểm tính 𝜁𝜁 : mực nước điểm tính U, V : vận tốc thành phần theo trục 𝜉𝜉, 𝜂𝜂 b) Phương trình động lượng theo hướng 𝜉𝜉 𝜂𝜂 𝜕𝜕�𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑢𝑢𝑢𝑢 𝜕𝜕𝜕𝜕 + + + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑑𝑑 + 𝜁𝜁 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 − = 𝑣𝑣 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜌𝜌0 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 𝜕𝜕�𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 − 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑃𝑃𝜉𝜉 + 𝐹𝐹𝜉𝜉 + 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝑣𝑣𝜐𝜐 � + 𝑀𝑀𝜉𝜉 (𝑑𝑑 + 𝜁𝜁) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜎𝜎 𝜕𝜕�𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 𝑢𝑢 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑣𝑣 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑤𝑤 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑢𝑢𝑢𝑢 𝜕𝜕𝜕𝜕 + + + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝑑𝑑 + 𝜁𝜁 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 − = 𝑢𝑢2 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜌𝜌0 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕�𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 − 𝑓𝑓𝑓𝑓 𝑃𝑃𝜂𝜂 + 𝐹𝐹𝜂𝜂 + 𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝑣𝑣𝜐𝜐 � + 𝑀𝑀𝜂𝜂 (𝑑𝑑 + 𝜁𝜁) 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕�(𝑑𝑑 + 𝜁𝜁)𝑢𝑢�𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 � 𝜕𝜕�(𝑑𝑑 + 𝜁𝜁)𝑣𝑣�𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 � 1 𝜕𝜕𝜕𝜕 + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 = 𝐻𝐻(𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑞𝑞𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 ) 50 𝜔𝜔 : vận tốc hướng 𝜎𝜎 hệ tọa độ sigma 𝜎𝜎 𝑓𝑓𝑓𝑓, 𝑓𝑓𝑓𝑓: thành phần lực Coriolis 𝑀𝑀𝜉𝜉 , 𝑀𝑀𝜂𝜂 : ngoại lực theo hướng 𝜉𝜉, 𝜂𝜂 𝜌𝜌0 : tỉ trọng chuẩn nước c) Vận tốc thẳng đứng Vận tốc thẳng đứng 𝜔𝜔 hệ tọa độ sigma 𝜎𝜎 xác định từ phương trình liên tục 𝜕𝜕�(𝑑𝑑 + 𝜁𝜁)𝑈𝑈�𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 � 𝜕𝜕�(𝑑𝑑 + 𝜁𝜁)𝑉𝑉�𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 � 1 𝜕𝜕𝜕𝜕 + + 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 = 𝐻𝐻(𝑞𝑞𝑖𝑖𝑖𝑖 − 𝑞𝑞𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 ) Tại bề mặt, ảnh hưởng giáng thủy bay tính đến Vận tốc thẳng đứng hệ tọa đồ Đề xác định dựa vào vận tốc theo phương ngang, độ sâu điểm tính, mực nước vận tốc thẳng đứng 𝜔𝜔 theo biểu thức sau 𝑤𝑤 = 𝜔𝜔 + �𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 + �𝜎𝜎 �𝑢𝑢�𝐺𝐺𝜂𝜂𝜂𝜂 �𝜎𝜎 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 + � 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 + � + 𝑣𝑣�𝐺𝐺𝜉𝜉𝜉𝜉 �𝜎𝜎 + �� 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕 d) Giả thiết áp suất thủy tĩnh Với giả thiết nước nơng, phương trình động lượng theo chiều thẳng đứng có dạng 𝜕𝜕𝜕𝜕 = −𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔 𝜕𝜕𝜕𝜕 Sau lấy tích phân, áp suất thủy tĩnh xác định biểu thức 𝑃𝑃 = 𝑃𝑃𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎𝑎 + 𝑔𝑔𝑔𝑔 � 𝜌𝜌(𝜉𝜉, 𝜂𝜂, 𝜎𝜎 ′ , 𝑡𝑡)𝜕𝜕𝜎𝜎 ′ 𝜎𝜎 51 KẾT LUẬN Luận văn trình bày đầy đủ nội dung đặt ban đầu: trình bày phương trình tiến hóa ứng dụng phương trình dự báo, giới thiệu xây dựng thuật tốn để giải phương trình mơ hình RAMS, ứng dụng kết RAMS việc dự báo nước dâng lũ lụt Đối với mơ hình RAMS, nước có tài liệu giới thiệu Tuy nhiên, sở tốn học mơ hình chưa trình bày cụ thể tài liệu Do đó, tác giả cố gắng mơ tả đầy đủ xác phương trình tiến hóa sử dụng mơ hình Đồng thời xây dựng chi tiết thuật toán sử dụng phương pháp sai phân để giải phương trình RAMS, đặc biệt trường hợp không thủy tĩnh mục 4.2 Đối với việc áp dụng phương trình tiến hóa vào tốn dự báo bão lụt, tác giả trình bày thơng qua việc sử dụng kết tính tốn mơ hình RAMS vào việc dự báo nước dâng lũ Việc có ý nghĩa quan trọng đời sống xây dựng cơng trình Tuy nhiên, hạn chế mặt thời gian, tác giả nghiên cứu ứng dụng phương trình tiến hóa mơ hình RAMS việc dự báo nước dâng lũ Còn nhiều vấn đề quan trọng khác cần tìm hiểu, ví dụ như: ứng dụng phương trình tiến hóa mơ hình dự báo thời tiết khác, toán dự báo quĩ đạo bão, tượng dơng lốc xốy bão, … Đây hướng nghiên cứu để phát triển tiếp luận văn 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tạ Văn Đĩnh, Phương pháp sai phân, NXB Khoa học kĩ thuật , 2002 Trần Tân Tiến, Dự báo thời tiết phương pháp số Nxb Đại học Quốc gia Hà Nội, 1997 Trần Tân Tiến, Xây dựng mơ hình dự báo trường tượng thủy văn biển đông Việt Nam, Báo cáo đề tài KC 09 04, Bộ Khoa học Công nghệ Nguyễn Đình Trí, Nguyễn Trọng Thái , Phương trình vật lý toán, NXB Đại học trung học chuyên nghiệp, 1971 Michael D Greenberg, Advanced Engineering Mathematics, Second edition 53 PHỤ LỤC – KẾT QUẢ ÁP DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TỐN NƯỚC DÂNG Nguồn tài liệu Tài liệu sử dụng nghiên cứu nước dâng gồm: - Các số liệu địa hình từ sở liệu ETOPO2, hải đồ khu vực - Số liệu phân bố theo khơng gian thời gian trường gió độ cao 10m mặt biển, trường áp suất khí bề mặt, kết mô hình RAMS ứng với thời gian có bão hoạt động đổ vào bờ biển Việt Nam - Các số điều hồ thủy triều sóng triều (O1, K1, M2, S2) sử dụng để tính toán dự báo mực nước biên hở, làm số liệu đầu vào cho mơ hình thủy động lực - Lưu lượng sơng đổ vào khu vực nghiên cứu Các thơng số tính tốn - Miền tính tốn Miền tính giới hạn khoảng 𝜑𝜑 = 10 − 250 𝑁𝑁, 𝜆𝜆 = 990 − 1210 𝐸𝐸, số liệu địa hình lấy theo lưới kinh vĩ 0.250 , độ sâu cho mắt lưới hệ thống lưới có 89 x 97 điểm (Hình 6.1) - Các tham số mơ hình Mật độ nước lấy khơng đổi cho toàn biển 1025kg/m3, nhiệt độ nước 250 , 0� 00 , độ muối 31 hệ số nhám Chezy 𝐶𝐶 = 55 cho toàn biển (úng với hệ số nhám Manning n = 0.026), hệ số kháng gió cho theo quan hệ tuyến tính: 𝐶𝐶𝐷𝐷 = 0.00063 vận tốc gió 𝑊𝑊 = 1𝑚𝑚/𝑠𝑠 𝐶𝐶𝐷𝐷 = 0.00723 vận tốc gió 𝑊𝑊 = 100𝑚𝑚/𝑠𝑠 Thời gian tính tốn 72 (3 ngày) 54 Hình 6.1 Khu vực tính lưới tính Tốc độ dịng chảy và mực nước cho “0” thời điểm ban đầu Đã chọn bão LINGLING thời gian từ ngày 10 đến ngày 13/11/2001 để chạy mơ hình Cơn bão hình thành từ Thái Bình Dương, qua Phillipin biển Đơng theo hướng Tây đổ vào khu vực Quy NhơnTuy Hồ thuộc tỉnh Bình Định, Phú n Việt Nam Kết tính tốn trường gió theo mơ hình RAMS cho thấy áp suất nhỏ theo tính tốn tâm bão 99866 hPa, vận tốc gió lớn nhất: Vmax=17.9m/s, Umax=20.4m/s Tuy nhiên thời điểm kết thúc tính tốn RAMS (0 13/11/2001) bão chưa đổ 55 hẳn vào Việt Nam Hình 6.2a – c cho thấy trường gió trường áp tính tốn theo mơ hình RAMS số thời điểm Hình 6.2a Trường gió độ cao10m mặt biển trường áp suất theo RAMS thời điểm 0h ngày 11/11/2001 56 Hình 6.2b Trường gió độ cao10m mặt biển trường áp suất theo RAMS thời điểm 0h ngày 12/11/2001 Hình 6.2c Trường gió độ cao10m mặt biển trường áp suất theo RAMS thời điểm 0h ngày 13/11/2001 57 Hiệu chỉnh, đánh giá mơ hình a) Bài tốn thuỷ triều Việc hiệu chỉnh kết tính tốn mơ hình theo số liệu quan trắc nhằm xác định hợp lý tham số chọn Vì giai đoạn đầu thực tính tốn cho tốn thuỷ triều, kết tính tốn số vị trí so sánh với số liệu trạm tương ứng theo Bảng thuỷ triều năm 2001 Tổng cục KTTV xuất Hình 6.3 thể mực nước tính tốn quan trắc (thực dự tính Bảng thuỷ triều) Trên hình vẽ thấy phù hợp tương đối tốt pha biên độ mực nước 58 59 Hình 6.3 So sánh mực nước thuỷ triều tính tốn theo DELFT-3D Bảng thuỷ triều b) Bài tốn nước dâng tính tốn theo RAMS Số liệu mực nước thực đo Hòn Dấu, Sơn Trà, Quy Nhơn Nha Trang (nguồn: Viện Hải dương học Nha Trang) so sánh với tính tốn Trên đồ thị biễu diễn trình mực nước thực đo, dự tính thuỷ triều tính tốn theo DELFT-3D, đồng thời độ lớn nước dâng tính toán thực đo Độ lớn nước dâng mực nước tổng cộng thực đo tính tốn trừ mực nước thuỷ triều dự báo Nói chung mực nước tính tốn hầu hết trùng pha với mực nước thực đo, chênh lệch thường khoảng 20-30cm Hòn Dấu, Sơn Trà (trong tính tốn lấy Đà Nẵng) Quy Nhơn; riêng Nha Trang (trong tính tốn lấy Tam Quan) kết Mơ hình tính tốn cho ngày, thực tế ổn định sau ngày Trên máy PC có cấu hình chính: Pentum IV 2.4 GHz, nhớ RAM 512 Mb tính tốn cho 72 tốn khoảng máy Đã thử nghiệm cho lưới mịn với độ phân giải 1/12 độ (289 x 60 265 ô lưới), kết trường trơn song thời gian tính máy khoảng 25 61 Hình 6.4 Mực nước tổng cộng tính tốn theo DELFT-3D số vị trí ven bờ 62 Hình 6.5 Kết tính tốn nước dâng bão Lingling 2001 Phù MỹBình Định (theo TT Khí tượng Thuỷ văn Biển) 63 Hình 6.5 dẫn trường hợp tính tốn nước dâng Phù Mỹ-Bình Định thực TT Khí tượng Thuỷ văn Biển (hệ cao độ Quốc gia) Bảng dẫn kết tính tốn độ lớn nước dâng PGS.TS Đỗ Ngọc Quỳnh Viện Cơ học, bão Lingling 2001 Đánh giá kết luận Sử dụng kết tính tốn trường gió áp suất từ mơ hình RAMS làm đầu vào cho mơ hình tính tốn dự báo nước dâng DELFT-3D cho phép xây dựng quy trình dự báo liên hồn, nhanh chóng hiệu Mơ hình RAMS DELFT- 3D thích hợp với ứng dụng Lưới tính tham số lựa chọn phù hợp với yêu cầu dự báo Độ xác dự báo nước dâng đạt kết nhưcác trung tâm dự báo Việt Nam Thế giới 64 ... tài luận văn ? ?Xây dựng chiến lược dự báo thời tiết dự báo bão từ biển đông phương pháp vật lý? ?? Luận văn dành phần đầu để trình bày phương trình tiến hóa việc sử dụng phương trình dự báo Đối với... dụng phương trình tiến hóa vào tốn dự báo bão lụt, tác giả trình bày thơng qua việc sử dụng kết tính tốn mơ hình RAMS vào việc dự báo nước dâng lũ Việc có ý nghĩa quan trọng đời sống xây dựng cơng... DỤNG PHƯƠNG TRÌNH TIẾN HĨA TRONG DỰ BÁO 3.1 Các phương trình động lực học cho chất học lý tưởng Hệ phương trình thủy nhiệt động lực học mơ tả q trình xảy khí gồm phương trình liên tục, phương