TẠP CHi KHOA HỌC ĐHQGHN. KHTN & CN, T.xx. sò 3PT . …repository.vnu.edu.vn/bitstream/11126/4403/3/TC_001016.pdf · cho phép lựa chọn những con đường vận tải

TẠP CHi KHOA HỌC ĐHQGHN. KHTN & CN, T.xx. sò 3PT . 2004

Ứ N G D Ụ N G M Ô H ÌN H W AM D ự B Á O T R Ư Ờ N G S Ó N G B IE N Đ Ô N G

VÀ M Ô H ÌN H SW A N D ự BÁ O T R Ư Ờ N G S Ó N G V E N BỜ

N guyễn T h ọ S áoKhoa K hi tượng ■ Thủy uăn và Hải dương học

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội

T rầ n Q u a n g T iến

Trung tám K hi tượng Thuv vãn Biên

Tóm tắt: Bài này trình bày những nguyên lý cơ bản của mô hình sóng WAM và SWAN dựa trên phổ 2 chiểu và ứng dụng của chúng. Nhũng mô hình này cho phép tinh toán và dự báo trường sóng biển khơi và vùng ven bờ. Các hiệu ứng tiêu tán năng lượng sóng do ma sát đáy, bạc đầu sóng, sóng vỡ, đồng thời tương tác phi tuyến bậc cao và ánh hướng dòng chảy được xét đến. Kết quá tính toán cho biên Đông và vùng ven bò Nghi Sơn - Thanh Hoá cho thấy khá năng ứng dụng rấ t hiện thực. Trong tương lai, đế năng cao độ chính xác của trường sóng dự báo cho biển Đỏng cần xét đến trường dòng chảy trong toàn biến.

M ở đầu

Hoạt động của con người trên đại dương, biến cả và vùng ven bờ phụ thuộc chủ yếu vào thời tiết và trạn g thái m ặt biển, đặc biệt là vào điều kiện sóng mà thường là yếu tố quyết định trong việc hạn chế hoặc hoàn toàn làm ngừng trệ các công việc trên biển. Nhũng thông tin chính xác vể điều kiện sóng thực tê hoặc dự báo có ý nghĩa thực tiễn rấ t lỏn vì nó cho phép lựa chọn những con đường vận tải thuỷ thuận lợi n h ất và bố tr í hợp lý thời gian, địa điểm thực hiện các công việc trên biên, do đó không chỉ đảm bảo sự an toàn mà còn làm tăng hiệu quả hoạt dộng kinh tếbièn.V ới mục đích đó, đã hình thành các phương pháp thực hành dự báo sóng giỏ, sóng lừng trong đại dương, biển và vùng ven bờ. Có 2 hướng giái quyết vấn để này. Thứ nhất: thực hiện các mô hình tính toán sóng đầy đủ với độ chính xác cao đối với phố và không phổ. Thử hai: th iế t lập các công thức kinh nghiệm và các chĩ dẫn thực hãnh để dự báo sóng trong những điểu kiện cụ th ể [7], Nội dung bài này thực hiện theo hưống thứ nhất.

Mô hình tính toán và dự báo sóng gió th ế hệ 3 WAM dược p h át triển tạ i Viện Khí tượng Max-Planck ỏ Hamburg (Đức) bởi K. Hasselmann, p. Janssen , G. Komen (Hà Lan), L. Zambreski và H. G un ther (Anh) vào năm 1988. Cho đến nay WAM và người bạn song hành với nó là mô hình WAVEWATCH III vẫn là các mô hình hiện đại n h ất mô tả sự phát triển và lan truyền sóng trong đại dương có xét đến độ cong của trá i đất. WAM đã được cài đặt cho khoảng 35 cơ quan trên th ế giới và sử dụng cho nghiên cửu và ứng dụng nghiệp vụ. Nó cũng được áp dụng cho việc đồng n h ất dữ liệu sóng từ vệ tinh. Mô hình liên tục được cập nhật, đã có bốn phiên bản được công bố. Phiên bản cuối cùng, phiên bản 4, là một cải tiến về mặt kỹ th u ậ t của phiên bản 3, thực hiện bởi H. G unther và bổ sung thêm cơ chế đưa gió vào bdi P. Janssen (1991). Khi có một phiên bản mỏi của mô hình, những thành viên của nhóm

29

30_ Nguyen Thọ Sâo. Trân Quung Tic»

WAM được thông báo. Mô hình WAM đã được một số cơ sở ở Việt Nam tìm hiếu và áp dụng, phiên bản chính chạy trên hệ điều hành UNIX hoặc LINUX, nhóm tác giả bài này đã có một ít sửa đổi để biên dịch bằng Digital Visual Fortran 6 .6 , chạy trên WINDOWS XP. Đồng thời, nhóm tác giả không sù dụng bộ chương trình hậu xử lý của WAM, tự viết chương trình tru y xuất kết quả cho chương trình GRADS hoặc TECPLOT đê thê hiện kết quá trường gió và trường sóng.

Để tính toán trường sóng trong vùng nước nông vối địa hình phức tạp có th ê sử dụng các mô hình như STWAVE và SWAN. SWAN cũng là mô hình sóng th ế hệ ba, tính toán phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng, tính lan truyền sóng từ nước sâu vào vùng nước nông ven bờ và đồng thòi trao đôi năng lượng với gió thông qua hàm nguồn cùng sự tiêu tân nàng lượng sóng. Mô hình này dược xây dựng và phát triển bới Delf University of Technology, Hà Lan.

Không chi’ các nước thuộc khu vực Bắc Đại Tây Dương, các nước thuộc khu vực Thái Bình Dương thường sử dụng WAM và SWAN đế dự báo nghiệp vụ. Riêng khu vực APEC, hội thảo về sóng được tồ chức mỗi năm một lần, Hội nghị lần thử 10 đã tồ chửc tạ i Việt Nam năm 2003.

1. Mô h ìn h WAM [2]

Mô hình WAM mô tả sự tiến triển của phổ sóng hai chiểu băng phương trình :

dF t 3(ộF) Ô(ÌF) | a(9F)dt dệ ô), æ

trong đó: F- m ật độ phổ ứng với (f, 0, (ị), X), f - tần số, 0 - hướng, (ị) - vĩ độ , À • kinh độ, s - hàm nguồn, ộ,?.,G • là su ấ t biến đối vị tr í và hướng lan truyền của sóng.

Hàm nguồn s được biểu th ị bằng tổng của gió dầu vào s„„ tiêu tả n do bạc đầu sóng s rtl#, v à l a n t r u y ề n p h i t u y ê n s„ ;:

s = s in + s di8+ s nl (2 )

Số hạng gió đầu vào lấy theo Snyder và nnk. (1981). Gió đầu vào và những số hạng tiêu tán của mô hình sóng này là một phát triển dựa trên lý thuyết tựa tuyến tính của Janssen vể p h át sinh sóng gió (Janssen 1989, 1991). Sóng m ật lấy dộng lượng từ luồng không khi và bơi vậy ứng suất trong lớp m ặt phụ thuộc cả vào tốc độ gió và ứng suất sóng Tw. Sự tăng trưởng sóng phụ thuộc vào vận tốc ma sát u ., và độ đài nhám Z0. s ố hạng gió đầu vào được cho bằng;

Sin = (3)vói F phô hai chiểu và y là tốc độ tàng trương cúa sóng.

Theo Miles, đối với phân bô’ gió lô-ga-rít, Ỵ chỉ phụ thuộc vào hai tham số:

X = u * c o s ( 0 - ( p ) / c v à n = (4)

với u. - vận tốc m a sát, 0 - hướng lan truyền sóng, (p - hướng gió, c - vận tóc pha của sóng,và Z0- độ dài nhám.

úiig dụng mõ hình WAM tlụ báo nường sóng biến Dóng. 31

Tốc độ tăn g trưởng phụ thuộc vào độ nhám thông qua n , mà dến lượt nó phụ thuộc vào trạng thái biển. Tốc độ tãng trưỏng, liên quan với tần số góc co như sau:

y - hằng sô’ Karm an, (i,„ = 1,2 • hằng số và n = kZr là chiểu cao tối hạn phi thừ nguyên (k • số sóng. Zc - chiều cao tới hạn. xác định bàng Ư0(Z = Zc) = C).

ứ ng suất ĩ của luồng không khí trên sóng phụ thuộc vào trạng thái biền, từ sự cản bằng động lượng của không khí:

Trong thực hành, ửng su ất sóng T„ lấy theo hướng gió. Hằng sô a chọn theo quan hệ Charnock đối với sức cán trên sóng, s ố hạng tiêu tán lấy theo Komen và nnk., (1984), dựa trên lý thuyết sóng bạc đầu cùa K. H asselmanns (1974).

Đề nhận được cán bảng năng lượng ớ những tần số cao, tiêu tán bởi sự bạc đầu sóng được bô sung bằng số hạng k~' như sau:

ơ đây c dl, = 4,5 là hằng số, E là độ biến thiên sóng tổng cộng, k là số sóng, (ứ và k là tần số góc và số sóng trung bình.

Sự phụ thuộc của hệ số tỷ lệ vào bình phương của tầ n số là phù hợp với hàm tiêu tán sóng bạc đầu, đã được dần xuất bới Hasselmann (1974). Sô’ hạng nguồn phi tuyến là một

epxa (5)trong đó (6)

(7)

(8)(9)

ở đây, L là độ cao trung bình ò trên sóng và Tw là ứng suất sóng, bằng:

Tw = p w JwyFcos(0 - <í>)dfd0 (10)

S j„ =-Yd*’

y,i = — C.|lsM(k"E)2 (k /k + (k /k )2)

(11)(12)

(13)

(14)

E = JjF(f,0)dfdO (15)

Nguyổn Thọ Sá». Trán Quang Tiến

tham số của những tương tác phi tuyến được đề xuất bởi H asselm ann và nnk. (1981 và 1985). Lời giải số của WAM hạn chế bởi tiêu chuản CFL thể hiện sự ràng buộc cúa bước thời

gian theo bước không gian nhỏ nhất.

Như vậy WAM biểu thị tinh vật lý của sự tiến triển sóng, phù hợp vói kiến thức hiện đại, giải phương trình truyền sóng mà không bị ràng buộc về dạng phổ, cho phép xét hiệu ửng khúc xạ do ảnh hưởng của dòng chảy và nước nông. Chương trình viết cho WAM chạy cho bất kỳ lưới địa phương hoặc toàn cầu với tập hợp dữ liệu dịa hình sẵn có. Bước thời gian tính và độ phân giải có th ể tuỳ chọn, thực hiện trên lưới kinh vĩ hoặc lưới carthesian. Mỏ hình truy xuất chiều cao sóng có nghĩa, hướng và tần số sóng trung bình, chiểu cao và hướng sóng lừng trung bình, và phô sóng 2 chiều tạ i những thời điểm và diêm lưới được chọn. Có th ể chạy trong kiểu lưới lồng. Trong lưới thô, phổ được nội suy theo không gian và thòi gian cho những điểm biên của lưới tinh và mô hình chạy lại trên lưới tinh. Mô hình WAM thích hợp cho vùng nước có độ sâu > 20m.

2. Mỏ h ìn h SWAN [3]

Mô hình này cho phép tính toán các đặc trưng sóng vùng gần bờ, trong hồ và vùng cửa sông từ các điều kiện địa hình, gió và dòng chảy. Trong mô hình, sóng được mô tả bằng phổ m ật độ tác động hai chiều, thích hợp trong những điểu kiện phi tuyến. SWAN sử dụng phổ m ật độ tác động N(ỗ,0), bởi vì khi có m ật dòng chảy m ật độ tác động được báo toàn trong khi phô m ật độ năng lượng thì không. Các biên độc lập là tần số 5 và hướng sóng 9. Mật độ tác động được tính bằng m ật độ nảng lượng chia cho tần số.

Sự tiến triển của phó sóng được mô tả bằng phương trình cân bằng tác động phô viết trong toạ độ Đềcác:

— N + — C XN + — C VN + — C 0 N + — C e N = - (16 )d t ô x ô y d a <30 o

Thành phần đầu trong vế trái là biến thiên của phổ m ật độ tác động theo thcú gian. Thành phần thứ hai và thứ ba là sự lan truyền cùa phô m ật độ tác động trong không gian địa lý (với vận tốc CK và Cy tương ứng trong hướng X và y). T hành phàn th ứ tư biểu thị sự thay đổi của tần sô dưới ảnh hưởng của độ sâu và dòng chảy (với vận tốc Cí). Thành phần thứ năm biểu thị hiệu ứng khúc xạ do tác động của độ sâu và dòng chảy v ế phái của phương trình biểu th ị các nguồn năng lượng sóng được cung cấp và tiêu tá n trong quá trình truyền sóng, với s là hàm nguồn.

Trong hệ toạ độ địa lý phương trình có thể viết dưới dạng:

— N + — C ,N + (cosipr' — C .c o s ip N t— C„N + — C . N . 5 (17)õ t Õk Ô(Ị> ỡơ 09 õ

Vối K - kinh độ, <ị> • vĩ độ.

Năng lượng truyền từ gió cho sóng được mô tả thông qua hai cơ chế: cơ chế cộng hưởng (Phillips, 1957) và cơ chế phản hồi (Miles, 1957). G iá trị nguồn năng lượng cúa gió

Oilu dụng mỏ hình VVAM dự b;

tương ửng với hai cơ chế trẽn được biểu thị bằng tống của quá trình tăng tuyên tính và quá trìn h tảng theo hàm mũ. Giá trị hàm nguồn có dạng:

S in (ơ,0) = A + BE(o,0) (18)

với A là hệ sô tảng tuyến tinh, B là hệ sô tâng theo hàm mũ. Hệ sô A và B phụ thuộc vào tần số và bước sóng đồng thời phụ thuộc vào vận tốc và hướng cúa gió.

H ệ sô tă n g tu yế n t ín h A

Biêu thức cùa Cavaleri và Malanotile-Rizzli (1981) được sử dụng đê loại bỏ sự táng trường sóng tại các tần số thấp hơn tần số Pierson-Moskowitz.

, 1,5. KTrg 2 2n

-[U .m ax[o .cos(0-0W)]]‘, H , U Ỉ = C DU?o

H = exp(-(ơ/ơ*PM)"‘ ) và ơpM = 2ji (19)

với 0 là hướng gió, H là giá trị lọc và 5mi, là tần sô đính phố trong trạng thái phát triển đầy đú theo Pierson và Moskowitz(1964).

Hệ s ố tá n g th eo h à m m ủ B

Công thức của Kome e t al (1984):

B = max[o,0.25-^-Í28— cos(e-9w ) - l ] ] ơ (20)L pw L c ph JJ

với C|lh là vặn tốc pha, p., và pw là m ật độ không khí và nước.

Mất m át năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của sóng, ma sát đáy và sóng vđ do ánh hưởng của độ sâu đia hình.

S ự bạc đ ầ u sóng

Sự bạc đầu sóng chu yếu phụ thuộc vào độ dốc cúa sóng. Trong mô hình sóng th ế hệ ba, sự bạc đầu sóng dựa vào mô hình mạch động của Hasselman:

Sds \y(ơ.0) = - r ơ — E(ơ,Q) (21)k

với o,k là tần sô’ và sô sóng trung bình, r là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng. Hệ số r tính theo Janssen có dạng:

í k ìí — ĩ

s (1 - 5) + 8 —l k j1 S pm J

(22)ỏ đây C ,|,, ô và m là các hệ sô”, s là độ dốc sóng tông hợp (SpM là giá tr ị đôi vỏi phô Pierson-

Moskowitz).

M a sá t đ á y

Ma sát đáy sử dụng trong SWAN dựa trên thực nghiệm của JONSWAP, mô hình sức

34_ Nguyổit Thọ Sáo. Trán Quang Tiốn

cản của Collins(1972) và mô hình nhớt rôì của Madsen(1980):

s dg,b(ơ,0) = -C bottom g2 E(o,e) (23)g sh (kd)

ỏ đây Cbouon, là hệ sô ma sá t đáy, phụ thuộc vào vận tốc quỹ đạo sóng:

2J*. —2U* = f | — £----- E(ơ,0)dơd0 (24)

J 0J s h 2 (kd)

Só n g võ do ả n h h ư ở n g củ a độ sá u

Tiêu tán năng lượng trong trường sóng ngẫu nhiên là do quá trìn h sóng vờ dưới tác động của độ sâu. Trong SWAN sử dụng mô hình sóng vỡ dựa trên hiện tượng bore của Battjes và Janssen (1987). Tỉ lệ trung bình m ất m át năng lượng trên một đơn vị bể rộng cùa vùng tính phụ thuộc vào hệ sô phần năng lượng m ất m át do sóng vô D,„|.

D‘« = - 4 “ “ Q» ( ể ) H " (25)

Vối City =1, Qb là phân sô sóng vờ .

Công thức hàm nguồn năng lượng sóng vỡ có dạng:

S febr<0 ,8 ) = £œ -E(o,O ) (26)

với Hm= Ỵ.d là chiểu cao sóng cực đại, Y là hệ sô'sóng võ, d là độ sâu.

Tươ ng tá c p h i tu yế n g iữ a cá c sóng

Quá trình này truyển năng lượng sóng từ đĩnh phồ’ tới các tần sô' th ấp hon và cao hơn. Tuơng tác sóng bặc bón chiêm ưu thê trong sự tiên triến rủa phô sõng tạ i vùng nước sâu, xấp xi tương tác riêng (DLA) của Hasselmann(1985). Hàm nguồn cho dưói dạng:

s nl4 (ơ,e) = S*nI4(a,0) + s “ 4 (ơ,0) (27)

S*H (ơ,0) = 2ỎSnl4 ( a 1ơ ,0 )- SSnI4 ( a 2ơ ,0 )- ôSnl4 ( a 3 ơ,0) (28)

vói a , = l ,a a = l+x và a 3 = 1-X, X là hệ sô lấv bằng 0,25. D ấu + ớ chỉ sô trên biểu thị sóng bậc bốn cơ bản, dấu ++ biêu thị sóng bặc bốn thử yếu.

Trong vùng nước nông tương tác giữa các sóng bậc ba truyền nãng lượng từ tần sốthấp sang tần sô' cao hơn. Theo Lumped (LTA) của Eldeberky và B attjes, hàm nguồn códạng:

s n|3(ơ,0) = s - 13(ơ,0) + s ; l3(a ,0 ' (29)

với

Sn13(ơ,0) = maxjo,aBB27tCCgJ2|sin(p)|ỊE2(ơ/2,0)-2E(ơ/2.0)E(ơ.0)ỊỊ (30)

ủhg dụng mò hình \V'AM dự bão irưìmg NQnụ hiiin Đỏng. 35

s I;!;j(ơ,0) = - 2 s ;13{2ơ.G) (31)

với ct,i, là hệ sô tỷ lệ có thế hiệu chỉnh.

Ngoài các hiệu ứng vừa kể, SWAN còn xét đến hiệu ửng nước dâng do sóng. SWAN có khả nủng tính: lan truyền sóng, khúc xạ sóng do thay đổi độ sâu đáy và do dòng chảy, bị vật chắn và phản xạ do dòng chảy ngược hướng, tiêu tán năng lượng đo hiện tượng bạc đầu sóng, sóng vờ và m a sá t đáy, tương tác sóng bậc ba và bậc bốn. Vì là mô hình tính toán sóng trong vùng nước nông ven bờ, cho nên đẽ tinh toán cần có điêu kiện sóng tại biên nước sâu. Đẽ giải quyết vấn để này SWAN có thể lấy dữ liệu từ kết quả của các mô hình WAM, WAVE WATCH III.

3. Á p d ụ n g m ô h ìn h WAM t ín h to á n trư ờ n g só n g ch o b iển Đ ông

S ố liệu đ ịa h ìn h

Mô hình toàn cầu hiện tại sử dụng lưới kinh vĩ không đểu 3°, một sô biên ven lục địa sử dụng lưới 0,5°. Với biên Đông đã sử dụng lưới tính có độ phân giải là 0,25° X 0,25" kinh vĩ, phạm vi: từ -1° s đến 23° N và từ 99° E đến 119° E. Số liệu địa hinh [L,4] do Dự án Việt Nam - Na Uy cung cấp và được nhóm khai thác mô hình hiệu chĩnh với số liệu được cập n hật mới n h ất tạ i các vùng biển Việt Nam. Có thế sử dụng độ phân giái cao hơn nhưng thời gian tính toán sẽ tâng lên, bước thòi gian thích hợp là 1200 giây = 20 phút.

S ố liệu g ió

Đả sử dụng gió đầu vào là trường gió trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12, theo tài liệu của NOAA. Với các bài toán dự báo, sử dụng trường gió U 10 lấy từ kết quả tính toán của mô hình RAMS.

K ết q uả t in h toán

Đã chia ra 24 hướng (mô hình sóng cho toàn cầu sừ dụng 12 hướng) và 25 tán số, tán số thấp n h ất là 0,04177248 s l. Tham số C[) trong quá trình tính toán được mô hình ngầm định là:

CD = 1,2875 X 10 3 đối với u ,0 < 7 ,5 m /s

CD = (0,8 + 0,065 X Ư,n ) X 10 1 đối với u ,0 < 7,5 m/s,

tuy nhiên, người sử dụng có thể thay đôi khi cần thiết. Việc tăng giảm hệ số này 10% không cho thấy sự thay đổi các đặc trưng sóng một cách rõ rệt.

a) Với kết quả tính trường sóng tru n g bình tháng từ mô hình WAM có thế đưa ra các đặc điếm chính về chê độ sóng trung bình ở biển Đông như sau:

36 Ngnyồn Thọ -Sáo. Trãi) Ọmmg Tiớii

H ình 1. Hướng gió và độ cao sóng (dm) tinh toán trung bình tháng I (a.b) vã tháng VII (c.d)

Ong dụng mò hình WAM dự báo 1 rường sóng hiến Đống-

Hình 2. Hoa sóng tại Gồn Có (1992-2001) tháng 1 (a) và tháng VII (b)

Tháng 1 sóng có hướng thịnh hành là Đông Bắc, độ cao sóng trung bình giảm dần từ ngoài khơi vào bờ và từ vùng Đông Băc xuếng Tây Nam. Tại vịnh Bắc Bộ độ cao sóng trung bình dao động từ 0,6m - 1,2 m. Tại vùng biên miển Trung từ Đà Nẵng đến Nha Trang dộ cao sóng trung bình dao động từ l,2m - '2m. Tại vùng bien Vũng Tàu đến mùi Cà Mau dộ cao sóng tru n g bình dao động t.ừ 1 m - 2m. Tháng 7 ngoài khdi sóng có hướng thịnh hành là Tây Nam: vùng vịnh Bấc Bộ sóng có hướng thịnh hành là hướng Nam. Độ cao sóng trung bình khoảng 0 ,8 m. Vùng biển miền Trung từ Đà Năng đến Nha Trang sóng có hướng thịnh hành là hiíớng Nam, độ cao sóng trung bình dao động từ 0,8m - l,5m . Vùng biên từ Vũng Tàu đến mùi Cà Mau sóng có hướng thịnh hành là Tây Nam, độ cao sóng trung bình dao động từ 0,8m - l,4m.

Nói chung hướng sóng trùng với hướng gió. Kết quả tính toán của mô hình WAM đã được so sánh, kiếm chửng với số liệu đo đạc sóng nhiều nAm tại trạm KTHV cồn cỏ vê hướng sóng thịnh hành và độ cao sóng. Theo thống kê sô’ liệu tại cồ n c ỏ 10 năm gần dãy nhất (1992-2001) thì chế độ sóng ớ đây phù hợp với chế độ gió và có hai mùa rõ rệt. Độ cao sóng tru n g bình tháng giao động từ 0,6 đến 1,7 m, phần ldn sóng m ạnh quan trắc được trong thời kỳ từ tháng X đến tháng I và trong bão. Sóng trong mùa Đông Bắc bắt đầu từ tháng X cho đến tháng III năm sau, hướng thịnh hành là Bắc và Đông Bắc chiếm tần suất từ 45 đến 75% (xem hình 2), độ cao trung binh 0,8-0,9 m, độ cao sóng lỏn n h ất đ ạ t 6 m. Sóng trong m ùa Tây Nam b ắt đầu từ thăng VI đến tháng VIII, hướng thịnh hành là Tây Nam, chiếm tầ n su ât từ 44 đến 60%, độ cao sóng trung bình đạt 0,7-0,8 m, độ cao sóng lớn nhât đạt 4,5 m.

38_ Nguyẻn Tho Sáo. TrÃii Quung TÍỐII

b) Để kiểm chứng dự báo độ cao sóng đã sử dụng sô’ liệu tự ghi sóng đo liên tục nhiều ngày ở Hải Hậu, Nam Định. Số liệu sóng được đo bằng máy đo sóng DNW-5M tại 2 trạm trong hệ UTM: LTl (X= 641141m, Y= 2222997m) và LT2 (X= 637630m, Y= 2226265m). Trong thời gian từ 2/1/2003 đến 9/1/2003 đã ghi được các sô’ liệu sóng khá lớn (l,06m và l,10m) trong ngày 5/1 với gió hướng đông bắc, tỗc độ cực đại 8-10m/s. Trường sóng biến Đông tính theo mô hỉnh WAM từ số liệu gió trên bưóc lưới 0,25” X 0,25” cho trên hình 3.

B ảng 1 . Độ cao sóng thực đo H (m) tại Hải Hậu

T h ờ i g ia n đo T ra m LT1 T ra m LT2

4/1 -lOh 0,40 0,55

13h 0,40 0,39

16h 0,38 0,33

19h 0,41 0,51

22h 0,46 0,41

5/1 -lh 0,67 0,77

4h 0,91 0,91

7h 1,06 1,10

lOh 1,03 1,08

13h 1,04 0,95

16h 0,63 0,66

19h 0,77 0,69

22h 0,76 0,63

6/1 - lh 0 ,7 8 0 ,7 6

4h 0 ,9 8 0,60

7h 0 ,8 1 0,68

lO h 0,70 0,40

13h 0,58 0,33

16h 0,37 0,28

19h 0,40 0,3422h 0 ,4 4 0,40

7/1 - l h 0,35 0 ,2 9

úng dụng mỏ hình WAM cli/ báo Irường sóng hiến Đòng..

çrrî-r

ỲmỊỈỆầ

OÍĨI2’/ J ỈÍ7 5 ,’ị .

il i/IK u p :W ỊỊ f8 ỉ i i i t t i J i y / ' jm f t i V t i w i W / , W ij i Y i i Ị i Ị Ị Ị Ỵị Ỗ iV I * /// H *12 5 ^ ỹ

Ỉ ü T i 11 j J J j / l 11

M f t O / r r•. * >/>. v>. i ÚÍÌ i î Ĩ

«.iiïïïjÿî / t / i i U U ) . ri ! m ! n u' t a n n i n .

Hinh 3. Bán dồ trường sóng biển Đông tính to án theo mô h ìn h WAM, lOh ngày 4/1/2003

Hình 3 chỉ là một ví dụ tính toán vào lúc 10 giđ 4/1/2003, gồm các đường đẳng độ cao sóng, các vectơ hướng sóng trên toàn biển Đông. Hướng sóng thịnh hành là Đông Bắc, tại vị tr í gần Hải Hậu độ cao sóng tính toán nằm trong khoáng 0,5-0,75 m (thực đo là 0,4m và0,55m). Tuy nhiên vào những ngày có sóng lớn sau đó như 5-6/1/2003, độ cao sóng tính toán thường nhó hơn giá trị quan trắc 20-30cm.

4. Á p d ụ n g m ỏ h ìn h SW A N t í n h to á n t r ư ờ n g s ó n g v e n b ờ

Đ ịa h ìn h

Chọn vùn£ Nghi Sơn, nằm trong khoảng 19015'N-19050'N và 105°45'E-105n57’E thuộc địa bàn tỉnh Thanh Hoá. Bò biển có hướng chạy theo chiểu Bắc Nam, hình dạng đường bờ khúc khuýu, có nhiều mùi d ất nhô ra biển và nhiêu đáo nhỏ. Vùng gần bò độ sáu nước tương đối nhỏ, đáy biên phăng, độ dốc đáy nhỏ hơn 0,001. Lý do chọn vùng này là có sẵn số liệu đo sóng và dòng chảy tại điếm có toạ độ UTM là X = 587000m, Y = 2135000 m. Sô liệu địa hình được số hoả từ bản đồ UTM ti lệ 1: 50.000. Hệ trục toạ độ lấy trục X vuông góc với

40_ Nguyỏn Thọ Sáo. Trán Quang Tiến

đường bờ, trục y song song vối đường bờ, Lưới tính toán Ax = 400 m, Ay = 450 m, với số nú t lưới tương ừng theo X là 100 và y là 100.

Thòi gian tính toán b ắ t đầu từ 19 giờ 11/07/2003 dến 10 giò 13/07/2003, tổng thòi gian là 38 giò.

Sô liệu só n g tạ i biên

Bảng 2. Các yếu tố sóng tại biên

Biên phía Nam Biên phía ĐôngThời gian Hs(m) T(s) HướngO Hs(m) T(s) Hướng(°)

19g/11/07 0,6 5,0 139 0,65 5,0 13922gll/07 0,58 5,0 138 0,62 5,0 138OIr/12/07 0,60 5,0 136 0,65 5,0 13604r/12/07 0,61 5,0 136 0,67 5,0 13607g/12/07 0,60 6,0 135 0,68 6,0 13510r/12/07 0,55 6,0 138 0,65 6,0 13813«/12/07 0,50 6,0 137 0,58 6,0 13716g/12/07 0,49 6,0 138 0,56 6,0 13819g/12/07 0,48 6,0 137 0,53 6,0 13722g/12/07 0,50 6,0 131 0,50 6,0 13101g/13/07 0,62 4,0 125 0,64 4,0 12504 r/13/07 0,72 4,0 120 0,74 4,0 12007R/13/07 0,79 4,0 117 0,83 4,0 11710k/13/07 0,78 4,0 110 0,87 4,0 110

Dòng chảy dược lấy từ số liệu thực do tại trạm nói trên và giá th iế t đồng nhất trên toàn miền. Số liệu gió được lấy tại điểm (19,25°N 106,00"E) theo giờ tính toán với giá thiết trường gió là đểu trên toàn miên.

Bàng 3. Dòng chảy thực đo

Thời gianTram X = 587000m, Y = 2135000 m

Vân tốc trung bình(m/s) Hướng(°)19g/l 1/07 0,45 23022g 11/07 0,15 120Olg/12/07 0,3 4504g/12/07 0,4 5007g/l2/07 0,2 6010g/12/07 0,4 10013g/12/07 0,35 15016r/ 12/07 0,4 210

19r/ 12/07 0,5 25022k/ 12/07 0.2 1200U/13/07 0,25 9004g/13/07 0,5 7007g/13/07 0.4 30

1 Oe/13/07 0,35 60

úhg dụng mô hình WAM dự báo Irường sổng biển Dông.. 41

K ết q u ả t ín h toán

B áng 4. Sóng tính toán và quar. trác tại trạm X = 587000m, Y = 2135000 m

Thời gianSô liệu sóng quan trắc Tính toán không xét dòng

chảyTính toán sóng khi xét

dòng chảyHs(m) Tp(s) Hướng(°) Hs(m) Tp(s) HướngO Hs(m) Tp(s) Hướng(°)

19*11/07 0,59 5,5 157 0,60 5,0 138 0,58 5,0 14322r11/07 0,61 5,5 117 0,57 5,0 141 0,59 5,0 14201gl2/07 0,37 5,8 163 0,59 5,0 138 0,58 5,0 13704í? 12/07 0,49 6,5 135 0,60 6,0 137 0,58 6,0 14107gl2/07 0,63 5,5 146 0,61 6,0 141 0,61 6,0 14010g/12/07 0,65 6,0 142 0,56 5,0 141 0,59 5,0 13413g 12/07 0,59 5,8 151 0,50 5,0 141 0,53 5,0 13916gl2/07 0,46 5,4 152 0,49 6,0 143 0,47 6,0 14219R12/07 0,31 6,2 153 0,46 6,0 145 0,44 6,0 14222*12/07 0,47 5,3 159 0,47 6,0 141 0,49 6,0 13801gl3/07 0,49 5,6 145 0,51 4,0 128 0,49 4,0 12504gl3/07 0,85 5,6 147 0,75 5,0 127 0,72 5,0 13007gl3/07 0,90 5,7 136 1,08 5,0 121 1,01 5,0 1241 Og 13/07 0,88 5,5 145 1,06 5,0 124 1,03 5,0 126

Từ sô liệu trên ta nhận được các đường cong (hình 5) biểu diễn độ cao sóng tính toán và quan trắc.

Thời gian (giờ)

Hình 5. Độ cao sóng trạm V6

i l Nguyỗn Thọ Sáo. Trán Quang Tien

H ìn h 6. Phổ sóng trạm V6 19g 12/07/2003

Từ bảng 4 và hình 5, 6 biếu diễn độ cao sóng và phố sóng, thấy rằng độ cao sóng tính toán bằng mô hình so vói giá trị quan trắc tương đối phù hợp, đặc biệt khi xét đến tác động của dòng chảy so với trường hợp không kể đến dòng chảy. Điểu đó cho thấy dòng chảy có tác động n h ất định tới quá trình sóng trong vùng này, hạn chế ở đáy là sô' liệu dòng cháy chi có tại một điểm.

5. K ết lu ậ n

Với các mô hình WAM và SWAN, có thể tính toán trường sóng thay đổi theo thòi gian, trường này phụ thuộc vào điều kiện gió và địa hình. Kết hợp 2 mô hình này có thể dự báo trường sóng cho cả vùng nước sâu và nước nóng. Thông tin về trường sóng dự báo bởi WAM có thể tham khảo khi tiến hành các hoạt động trên biển. Mô hình SWAN có thê sử dụng đê tính toán phục vụ th iết kế các công trình ven biển.

Khả năng ứng dụng mô hình WAM và SWAN rấ t hiện thực. Hiện nay, từ kết quả gió truy xuất từ mô hình RAMS, thường xuyên cỏ thể dự báo trường sóng cho toàn biên Đông với thời đoạn 3 giờ hoặc 6 giờ. Các kết quả được thông báo trên trang Web của khoa KT-TV- HDH, trường Đại học KHTN.

Mô hình WAM cho những kết quả phù hợp với thực tế, đặc biệt là hướng sóng. Tuy nhiên bản thán mô hình WAM cũng có nhũng hạn chê’ riêng của nó, ví dụ kết quá thường thiên nhỏ so với thực đo. Điểu này thường xảy ra khi không xét đến tác động của dòng chảy [5,6], hoặc miền tính toán nhỏ nên tác động thực sự của gió chưa phát huy h ết (6). Mô hình SWAN cho kết quả khá tốt, có thể do việc lấy bước lưới tính khá chi tiết. Độ chính xác của trường gió dự báo bởi mô hình RAMS là điểu kiện quyết định độ chính xác của trường sóng

úng dụng mổ hình W AM tlợ báo nường sóng biển Dỏng. 43

tính toán bởi WAM, đến lượt mình kết quả mô hình WAM lại ảnh hướng đến độ chính xác của trường sóng tính toán bằng mô hình SWAN.

N hững để xuất cho nghiên cứu chê độ sóng biển Đông trong tương lai là:

1- Xét ánh hưởng dòng chảy gió trong toàn biển Đông lên trường sóng [6],

2- Xét khả năng tính lưới lồng với dộ phân giải mịn hơn tạ i vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái Lan, hoặc kết nôi tự động WAM-SWAN [2,3],

3- Tính toán dự báo trường sóng cho các thòi đoạn 3 giờ hoặc 6 giờ, nhưng sử dụng kết quả dự báo trường gió 1 giờ [5] từ mô hình RAMS,

4- Tính toán trưòng sóng trong bão.

TÀI LIỆU THAM-KHẢO

1. S. Hasselmann. p. Janssen, G. Komen, L. Zambreski, H. Gunther, The WAM Model, User Manual, Hamburg, 1992.

2. Delf University of Technology, SW AN Cycle III Verion 40.31, User Guide, Delf, 20043. Trần Quang Tiến, Khà năng ửng dụng mô hình sóng WAM và mô hình sóng ven bò SWAN

đề tính trường sóng ven bờ làm đầu vào cho bài toán tính dòng vận chuyển bùn cát, Tạp chi KTTV 4(496), Hà Nội, 2002.

4. Li Jie, Yu Zhowen, Operation o f WAM Model in China, Proceedings of The 10th Workshop on Ocean Models, Hanoi, Vietnam 2003.

5. Zang Hong et al, Coupled Ocean Circulation and Wind-Wave Models With Data Simulation Using Altimeter Statistics, Sigapore, 2002.

6. Trung tâm Nghiên cứu KTTV Liên bang Nga, Hướng dẫn dự báo thuỷ văn biến, s. Peterburg, 1994. (tiếng Nga)

VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci„ & Tech.. T.xx. N„3AP., 2004

A PPL IC A T IO N S O F WAM AND SW AN M O D ELS FO R PR ED ICTIN G W AVES IN T H E SO UTH CH IN A SEA A ND COASTAL AREAS

Nguyen Tho SaoDepartment o f Hydro-Meteorology & Oceanography

College o f Science, VNU

T ra n Q u a n g T ien

Marine Hydrometeorological Center

T his paper describes the principles of the wave models WAM and SWAN based on 2D spectra and their capabilities. These models can be used to sim ulate and predict waves and swells in seas and coastal areas. The dissipation effects due to bottom friction, w hitecapping, wave breaking and nonlinear wave-wave interactions and currents are considered as well. The resu lts of calculations for the South China Sea and coastal area of Nghi Son-Thanh Hoa show good agreem ents with observed data. To increase accuracy, the cu rren t pa tterns in the sea m ust be included.