2.3.3. Mô hình tích hợp SuWAT
Mô hình SuWAT là tên viết tắt của mô hình kết hợp giữa nƣớc dâng, sóng và thủy triều đƣợc phát triển bởi Kim và nnk (2009). Mô hình SuWAT bao gồm các phƣơng trình nƣớc nông đƣợc lồng ghép một cách chặt chẽ và mô hình mô phỏng trƣờng sóng ven bờ SWAN.
- Mô hình dự báo nước dâng có tính đến ảnh hưởng của thủy triều
Hệ phƣơng trình nƣớc nông phi tuyến hai chiều mô phỏng thủy triều và nƣớc dâng bão có xét đến thành phần ứng suất bức xạ gây ra bởi sóng đƣợc mô tả nhƣ sau [3, 6]: 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 0 1 1 1 1 x x S b x h w w y y S b y h w w M N t x y M M MN P M M gd fN d F A x x d y d x x x y N N NM P N N gd fM d F A t y d x d y y x y (2- 5) Trong đó:
η là dao động mực nƣớc bề mặt [m]; M, N là lƣu lƣợng trung bình theo độ sâu hƣớng x và y (m3
/s); f là tham số Coriolis; P là áp suất khí quyển (hPa); g là gia tốc trọng trƣờng (m/s2); d là độ sâu tổng cộng d=+h (m); Ahlà khuếch tán rối theo phƣơng ngang;wlà mật độ nƣớc (kg/m3); Fx, Fylàlực gây bởi ứng suất bức xạ sóng (kg/ms2); blà ứng suất đáy (kg/ms2); n là hệ số nhám Manning (m/s1/3); slà ứng suất bề mặt (kg/ms2).
Hệ các phƣơng trình trên đƣợc sai phân theo sơ đồ so le Arakawa C theo không gian và sơ đồ leap-frog theo thời gian. Sơ đồ upwind đƣợc sử dụng cho các thành phần phi tuyến. Sơ đồ semi-Crank-Nicholson đƣợc sử dụng cho thành phần ứng suất đáy, ứng suất gió và ứng suất sóng.Điều kiện biên phản xạ đƣợc đƣợc sử dụng cho biên cứng, trong khi đó biên lỏng dùng điều kiện phát xạ. Độ ổn định của mô hình đƣợc xác định theo chỉ tiêu Courant (Courant stability criterion) về mối quan hệ giữa bƣớc thời gian (t) và không gian (x, y).
- Mô hình tính toán, dự báo sóng SWAN
Mô hình SWAN tính toán sóng thế hệ ba đƣợc tích hợp trong mô hình SuWAT. Mô hình SWAN tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phƣơng trình cân bằng tác động sóng (trong trƣờng hợp không có dòng chảy có thể dùng phƣơng trình cân bằng năng lƣợng sóng) có tính tới sự lan truyền sóng từ vùng nƣớc sâu vào vùng nƣớc nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lƣợng với gió thông qua hàm nguồn cùng với sự tiêu tán năng lƣợng sóng. Trong mô hình SWAN các sóng đƣợc mô tả bằng phổ mật độ tác động sóng hai chiều. Phƣơng trình cân bằng phổ mật độ tác động cơ bản đƣợc sử dụng trong những điều kiện phi tuyến cao. .
Trong SWAN sự tiến triển của phổ sóng đƣợc mô tả bằng phƣơng trình cân bằng tác động phổ đƣợc viết trong hệ toạ độ Đề Các :
S N C N C N C y N C x N t x y (2-6)
- Quá trình kết nối các mô đun (nước dâng và sóng) trong mô hình tích hợp SuWAT
Mô hình kết nối chính đƣợc soạn thảo dự trên các chƣơng trình con của các mô hình thành phần tƣơng ứng với số miền đƣợc sử dụng để tính toán thông qua giao diện MPI (Message Passing Interface).
Để tính toán mô phỏng nƣớc dâng hoặc ngập lụt ven bờ do nƣớc dâng bão, trong mô hình SuWAT có thiết kế cấu trúc lƣới lồng nhiều lớp. Với lƣới tính lồng, quá trình kết nối đƣợc thực hiện bằng các chƣơng trình con và quá trình truyền các tham số trong mô hình tích hợp và giữa lƣới lồng đƣợc thể hiện nhƣ trên hình 2-10.
Hình 2-3: Cấu trúc lưới lồng của mô hình SuWAT (Nguồn: Nguyễn Bá Thủy, 2016)
Kết luận Chƣơng II
Trong chƣơng này, luận văn trình bày khái quát về đặc điểm tự nhiên cũng nhƣ các loại hình thiên tai chủ yếu ảnh hƣởng đến khu vực nghiên cứu. Nội dung chính của chƣơng này là tập trung trình bày cơ sở lý thuyết của các mô
hình sẽ triển khai nghiên cứu, áp dụng tính toán nƣớc dâng và ngập lụt do nƣớc dâng. Các mô hình này đều đã đƣợc nghiên cứu và kiểm nghiệm nhiều trong thực tế. Hiện nay mô hình SWAN (dự báo sóng) và SuWAT (dự báo nƣớc dâng) đang chạy dự báo nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia, Tổng cục Khí tƣợng Thủy văn. Do tính toán mô phỏng và dự báo ngập lụt do nƣớc dâng là bài toán phức tạp nên hiện nay việc áp dụng các mô hình số mới chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu.
Kết quả triển khai áp dụng mô hình số tính toán nƣớc dâng và mô phỏng ngập lụt do nƣớc dâng sẽ đƣợc trình bày chi tiết trong chƣơng III.
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Xây dựng miền tính, lƣới tính cho khu vực nghiên cứu 3.1. Xây dựng miền tính, lƣới tính cho khu vực nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, mô hình tính toán đƣợc thiết kế trên lƣới lồng 03 lớp. Nhằm mô phỏng trƣờng sóng, nƣớc dâng bão cho khu vực miền Trung (từ Nghệ An đến Phú Yên), sẽ sử dụng cấp trúc lƣới lồng 02 lớp. Bên cạnh đó, với mục tiêu tính toán ngập lụt do nƣớc dâng bão cũng nhƣ mô phỏng ngập lụt do nƣớc dâng bão theo một số kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực ven biển tỉnh Quảng Nam, lƣới lồng lớp thứ 3 có độ phân giải chi tiết sẽ đƣợc sử dụng.
- Lưới tính Biển Đông: đây là miền tính lớn nhất đƣợc xây dựng với độ phân giải ngang là 4 phút (khoảng 7.46km x 7.46km), bao phủ từ vĩ độ 01o- 25oN, kinh độ 99o
- 121oE.
- Lưới tính khu vực Nghệ An-Phú Yên: đây là lƣới tính đƣợc thiết lập để mô phỏng sóng cho khu vực nghiên cứu với độ phân giải ngang khoảng 1.87km.
- Lưới tính khu vực Quảng Nam: đây là lƣới tính đƣợc thiết lập để mô phỏng ngập lụt do nƣớc dâng bão với độ phân giải ngang khoảng 0.47km (gồm cả dữ liệu địa hình đáy biển và địa hình trên cạn).
Bảng 3-1: Thông tin lưới tính mô phỏng sóng, nước dâng bão cho khu vực biển Nghệ An-Phú Yên
Lƣới tính Biển Đông Lƣới tính khu vực Nghệ An-Phú Yên
Giới hạn 01 o N -25oNvà 99oN -121oN 12.5oN - 19.5oN và 105.0oE - 112.0oE Độ phân giải 7.46km 1.87km
Bảng 3-2: Thông tin về miền tính và lưới tính mô phỏng ngập lụt do nước dâng bão cho khu vực Quảng Nam
Miền tính, lƣới tính Quảng Nam
Miền tính:
14.8oN - 16.2oN và 107.2oE - 109.0oE Độ phân giải: 0.47km
3.2. Một số kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình
3.2.1. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình SWAN tính toán sóng biển
Mô hình SWAN đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này hiện đang đƣợc triển khai trong dự báo nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia. Mô hình SWAN đã đƣợc hiệu chỉnh và kiểm nghiệm trong nhiều kịch bản thực tế: dự báo hàng ngày, dự báo sóng trong gió mùa và dự báo sóng trong bão, áp thấp nhiệt đới [21]. Trong khuôn khổ luận văn, tác giả chỉ đƣa ra một số kết quả kiểm nghiệm trong hình 3-1.
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3-1: (a) Kết quả dự báo sóng bằng mô hình SWAN lúc 0Z ngày 28/09/2009; (b) Số liệu sóng vệ tinh của AVISO lúc 00Z ngày 28/09/2009; (c) Kết quả dự báo sóng bằng mô hình SWAN lúc 0Z ngày 28/09/2009; (d) Số liệu
3.2.2. Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình SuWAT tính toán nước dâng bão
Trƣớc khi sử dụng các mô hình số để tính toán mô phỏng cần thiết phải có bƣớc kiểm định. Trên thực tế, hiện nay mô hình SuWAT đang đƣợc sử dụng trong công tác dự báo nghiệp vụ nƣớc dâng bão tại Trung tâm Dự báo khí tƣợng thủy văn quốc gia, Tổng cục Khí tƣợng Thủy văn, Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng. Do đó, mô hình đã đƣợc hiệu chỉnh và kiểm định trong tính toán nƣớc dâng trong nhiều cơn bão quá khứ. Trong báo cáo nghiên cứu của luận văn chỉ đƣa ra một số ít kết quả kiểm nghiệm mô hình SuWAT.
Kết quả so sánh nƣớc dâng bão tính nƣớc tại Vũng Tàu trong bão Linda cho các trƣờng hợp: (a) không xét sóng và (b) xét đến sóng đƣợc thể hiện qua hình 3-2. Hình 3-3 đƣa ra kết quả so sánh nƣớc dâng bão tính toán theo phƣơng án có tính đến và không tính đến ảnh hƣởng của thủy triều trong bão Frankie (năm 1996). Qua đó cho thấy tác động của sóng làm tăng độ cao mực nƣớc dâng tổng cộng trong bão. Khi tính đến ảnh hƣởng của sóng, mô hình cho kết quả sát với thực tế hơn.
(a)
(b)
Hình 3-2: So sánh nước dâng bão tính nước tại Vũng Tầu trong bão Linda cho các trường hợp: (a) không xét sóng và (b) xét đến sóng
(a)
(b)
Hình 3-3: So sánh nước dâng bão trong bão Frankie tại: (a) Hòn Dấu và (b) Hòn Ngư cho các trường hợp: không xét đến ảnh hưởng của sóng
Ảnh hƣởng của sóng đến nƣớc dâng bão đƣợc thể hiện trên hình 3-4. Khi xét ảnh hƣởng của sóng độ cao và phạm vi nƣớc dâng bão đã đƣợc mở rộng đáng kể so với trƣờng hợp không xét đến ảnh hƣởng của sóng.
(a) (b)
Hình 3-4:Phân bố nước dâng bão lớn nhất trong bão Wukong tháng 9/2000. (a) không xét đến sóng, (b) xét đến sóng
3.3 Kết quả mô phỏng tác động của cơn bão Ketsana (2009) cho khu vực Nghệ An-Phú Yên Nghệ An-Phú Yên
3.3.1 Lý do lựa chọn và kịch bản mô phỏng cơn bão Ketsana
Với mục tiêu chính là mô phỏng ngập lụt do nƣớc dâng bão có xét đến kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực ven biển Quảng Nam, Luận văn phải chọn lựa cơn bão có cƣờng độ mạnh đổ bộ hoặc ảnh hƣởng trực tiếp đến khu vực nghiên cứu. Do vậy, cơn bão đƣợc chọn để tính toán mô phỏng là bão Ketsana năm 2009. Bởi vì bão Ketsana có cƣờng độ đạt cấp 11, nằm trong nhóm bão xuất hiện nhiều nhất trong giai đoạn từ 1961 đến 2014. Bão Ketsana có tốc độ di chuyển nhanh, tâm bão đổ bộ và ảnh hƣởng trực tiếp tới khu vực ven biển tỉnh Quảng Nam, đây là con bão có mức tàn phá lớn, gây thiệt hại cả về ngƣời và ảnh hƣởng nghiêm trọng đến đời sống kinh tế xã hội các tỉnh khu vực Trung Bộ nói chung và khu vực ven biển tỉnh Quảng Nam nói riêng.
Bão Ketsana: Sáng ngày 23 tháng 9 năm 2009, một vùng áp thấp ở phía Đông miền Trung của Philippin đã mạnh lên thành ATNĐ và mạnh lên thành bão trong ngày 26/9 và có tên quốc tế là Ketsana. Đây là cơn bão thứ 16 hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dƣơng trong năm 2009. Bão Ketsana di chuyển với tốc độ nhanh và là cơn bão số 9 trên Biển Đông.
Tham số bão Ketsana đƣợc đƣa ra trong bảng 3-3. Dữ liệu về tham số bão (best track) đƣợc lấy từ website của Cơ quan khí tƣợng Nhật Bản (JMA). Trên hình 3-5 là ảnh chụp vệ tinh của bão Ketsana. Quỹ đạo bão Ketsana theo dữ liệu best track đƣợc thể hiện trên hình 3-6.
Bảng 3-3: Số liệu tham số bão Ketsana, năm 2009 (nguồn: JMA)
Thời gian (GMT) Vị trí tâm bão Pmin
(Hpa)
Vmax (km/h)
Năm Tháng Ngày Giờ Vĩ độ Kinh Độ
2009 09 25 00 14.2 127.9 1000 37
Thời gian (GMT) Vị trí tâm bão Pmin (Hpa)
Vmax (km/h)
Năm Tháng Ngày Giờ Vĩ độ Kinh Độ
2009 09 25 12 14.7 125.3 998 46 2009 09 25 18 14.9 123.7 996 56 2009 09 26 00 15.1 122.4 994 65 2009 09 26 06 15.1 121.2 990 74 2009 09 26 12 15.4 119.5 990 78 2009 09 26 18 15.3 117.7 990 83 2009 09 27 00 15.2 116.5 985 93 2009 09 27 06 15.2 115.5 985 93 2009 09 27 12 15.6 114.5 980 102 2009 09 27 18 15.7 113.7 975 111 2009 09 28 00 15.8 112.8 970 118 2009 09 28 06 15.8 111.9 960 130 2009 09 28 12 16.0 111.1 960 130 2009 09 28 18 16.0 110.2 960 130 2009 09 29 00 15.5 109.5 960 130 2009 09 29 06 15.4 108.9 965 130 2009 09 29 12 15.3 108.4 980 108 2009 09 29 18 15.3 107.9 990 83 2009 09 30 00 15.3 107.6 994 65 2009 09 30 06 15.3 107.1 998 56 2009 09 30 12 15.2 105.9 1000 40 2009 09 30 18 15.1 105.0 1002 30
Hình 3-5: Ảnh vệ tinh của cơn bão Ketsana lúc 09 giờ 00 ngày 27/9/2009 (nguồn: Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia)
3.3.2. Kết quả mô phỏng trường gió và khí áp
Bảng 3-4 đƣa ra so sánh giữa kết quả tính toán mô phỏng tốc độ gió bằng mô hình bão Fujita trong bão Ketsana tại một số trạm. Qua đó cho thấy, về cơ bản mô hình mô phỏng tƣơng đối sát với thực tế. Tuy nhiên, tại vị trí tâm bão dữ liệu phù hợp hơn so với vị trí xa tâm bão. Tại khu vực tâm bão, thƣờng cao hơn so với kết quả quan trắc.
Bảng 3-4: So sánh giữa dữ liệu mô phỏng tốc độ gió trong bão Ketsana và quan trắc tại trạm Cồn Cỏ (Quảng Trị) và Lý Sơn (Quảng Ngãi)
Trạm: Cồn Cỏ (Quảng Trị) Trạm: Lý Sơn (Quảng Ngãi)
Giờ (Hà nội) Quan trắc (m/s) Tính toán (m/s) Giờ (Hà nội) Quan trắc (m/s) Tính toán (m/s) 2009092707 4 2 2009092707 9 7 2009092713 6 3 2009092713 9 7 2009092719 6 3 2009092719 9 8 2009092801 6 4 2009092801 13 11 2009092807 8 7 2009092807 15 13 2009092813 10 7 2009092813 21 20 2009092819 8 8 2009092819 23 21 2009092901 12 9 2009092901 25 26 2009092907 12 9 2009092907 27 30 2009092913 13 10 2009092913 5 12 2009092919 17 13 2009092919 10 8 2009093001 11 9 2009093001 6 7 2009093007 9 7 2009093007 8 5 2009093013 9 5 2009093013 8 6 2009093019 7 5 2009093019 7 4
Trƣờng áp và trƣờng gió lúc trong bão Ketsana mô phỏng bằng mô hình bão Fujita đƣợc thể hiện qua các hình trong hình 3-7. Nhận thấy rằng, khi mô phỏng gió, áp bằng mô hình bão nói chung thì cơ bản chỉ mô phỏng tƣơng đối sát gió, áp ở vùng gần tâm bão, nhƣng khu vực xa tâm bão rất khó chính xác.
(a) (b)
Hình 3-7: (a) Mô phỏng trường áp trong bão Ketsana (00UTC, 29/09/2009); (b) Mô phỏng trường gió trong bão Ketsana (00UTC, 29/09/2009)
Bên cạnh việc thiết lập trƣờng gió, áp bằng mô hình bão giải tích, tác giả cũng đƣa ra trƣờng gió, áp theo phƣơng án trung bình tổ hợp giữa dữ liệu mô phỏng bằng mô hình Fujita với dữ liệu tái phân tích. Đồng thời cũng so sánh độ tin cậy giữa dữ liệu mô phỏng bằng mô hình Fujita và phƣơng án trung bình tổ hợp để lựa chọn dữ liệu làm đầu vào cho các mô hình mô phỏng sóng và nƣớc dâng bão. Dƣới đây sẽ đƣa ra một số kết quả mô phỏng trung bình tổ hợp và những đánh giá, phân tích giữa kết quả mô phỏng bằng mô hình Fujita, phƣơng án trung bình tổ hợp với số liệu quan trắc thực tế tại một số trạm đo khí tƣợng thủy văn. Hình 3-8 thể hiện trƣờng gió, khí áp trong bão Ketsana mô phỏng theo phƣơng án trung bình tổ hợp. So sánh giữa kết quả tính toán mô phỏng tốc độ gió mạnh nhất trong bão Ketsana tại một số trạm đƣợc thể hiện trong bảng 3-5.
Qua phân tích cho thấy, khi mô phỏng bằng mô hình Fujita, kết quả mô phỏng thƣờng cao hơn so với quan trắc, nhất là tại tâm bão. Tại khu vực xa tâm bão, kết quả mô phỏng Fujita thƣờng không sát với thực tế. Với dữ liệu mô phỏng trung bình tổ hợp, kết quả mô phỏng có xu hƣớng nhỏ hơn thực tế nhƣng đối với khu vực xa tâm bão thì kết quả mô phỏng vẫn khá tốt và ổn định. Điều đó cho thấy, khi sử dụng dữ liệu tổ hợp sẽ tối ƣu hơn chỉ sử dụng kết quả mô phỏng bằng mô hình Fujita. Chính vì thế, tác giả sẽ sử dụng trƣờng gió, áp tính theo phƣơng án trung bình tổ hợp làm đầu vào cho các mô hình tính toán mô phỏng sóng và nƣớc dâng bão.
Bảng 3-5: So sánh kết quả mô phỏng tốc độ gió mạnh nhất trong bão Ketsana
TT Khu vực Quan trắc (m/s) Tính toán mô phỏng (m/s) Fujita Trung bình tổ hợp 1 Hòn Ngƣ (Nghệ An) 16 m/s 13 m/s 14 m/s 2 Kỳ Anh (Hà Tĩnh) 14 m/s 12 m/s 12 m/s 3 Đồng Hới (Quảng Bình) 14 m/s 13 m/s 13 m/s 4 Đông Hà (Quảng Trị) 13 m/s 12 m/s 12 m/s 5 Huế (Thừa Thiên Huế) 11 m/s 10 m/s 9 m/s 6 Sơn Trà (Đà Nẵng) 22 m/s 20 m/s 23 m/s 7 Tam Kỳ (Quảng Nam) 16 m/s 17 m/s 14 m/s