cho ®Õn tËn ngμy Cã lÏ, ®iỊu nμy lμ mô hình ny cho kết thoả mÃn nhu cầu nh thực hnh v ngoi ra, chúng có tốc độ chạy nhanh so với mô hình sóng gió đại thuộc hệ ba v bốn [365] Trong công nghệ tính toán chung xem xét sau đây, sử dụng mô hình phổ tham số Mô hình ny, mặt sử dụng phép tham số hóa trình vận chuyển lợng phi tuyến yếu phổ sóng, nên thuộc loại mô hình hon thiện hệ hai, nhng mặt khác, tính đến tơng tác sóng với lớp biên khí quyển, nên xếp vo loại mô hình sóng gió hệ bốn Nh sau cho thấy, đơn giản, mô hình phổ tham số đa kết tin cậy, vận hnh nhanh, cã thĨ sư dơng thùc hiƯn c¸c tÝnh to¸n nghiƯp vụ thời gian thực v để giải bi toán có tính chất khí hậu cần tính toán liên tục trờng sóng gió nhiều thập nên Chơng vấn đề dự báo nghiệp vụ gió v sãng theo c¸c tr−êng khÝ ¸p 7.1 Tỉng quan vÊn đề Mục đích cuối xây dựng mô hình sãng giã lμ sư dơng chóng tÝnh to¸n chÈn ®o¸n vμ dù b¸o thùc tÕ VÊn ®Ị sư dơng thực tế mô hình tỏ phức tạp hơn, tùy thuộc không vo thân mô hình, m vo chất lợng thông tin xuất phát, l trờng gió hay khí áp mặt đất 429 Kết cục, có đối sánh kết tính toán với liệu quan trắc thực địa l tiêu chí khách quan độ xác tính yếu tố sóng gió v chất lợng mô hình Sự phức tạp so sánh kết tính mô hình với liệu thực địa liên quan tới loạt vấn đề Để thực tính toán cần thông tin xuất phát tin câyk trạng thái khí lớp biên sát đất, bao gồm khí áp, tốc ®é giã, nhiƯt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ Ngoμi ra, cần số liệu quan trắc gió v sóng Hiện đà có mảng liệu quan trắc lớn trạng thái biển đội hoa tiêu quan trắc mắt từ tầu Tuy nhiên, liệu ny cung cấp ớc lợng thô, khó dùng để kiểm tra mô hình toán nên sử dụng số liệu quan trắc máy Đáng tiếc, vấn đề thu nhận số liệu quan trắc máy thờng bỏ ngỏ Từ năm 1994, Viện nghiên cứu Khoa học Bắc Cực v Nam Cực () đà xuất khả thực sử dụng liệu quan trắc đồ sộ thực máy dn khoan thuộc vùng biển Nauy, Greenland v Bắc Hải Vị trí địa lý dn ny đợc hình 7.1 Các số liệu đặn nhập trung tâm điện tín theo kênh trao đổi quốc tế (mà "Ship") Điều ny tạo hội để kiểm tra độ xác dự báo gió mặt đất v sóng viện đặn phát hnh cho vùng biển thuộc Bắc Băng Dơng v Bắc Đại Tây Dơng Các dự báo thực theo hệ phơng pháp dựa sử dụng mô hình phổ tham số [43, 99, 171, 185] Thông tin xuất phát l dự báo khí áp truyền tới từ Trung tâm Châu Âu Dự báo Trung hạn (ECMWF) Để thực nhiệm vụ đặt ra, trớc hết phải tổ chức công tác thu nhận v tích luỹ thông tin quan trắc cách tin cậy, tiến hnh phân loại v phân tích, loại bỏ khiếm khuyết, xếp tơng ứng liệu tính toán v 430 liệu quan trắc theo thời gian v không gian Vấn đề đánh giá độ chÝnh x¸c tÝnh to¸n giã vμ sãng thËm chÝ có số liệu quan trắc cha phải l vấn đề tầm thờng Nảy sinh vấn đề chất lợng v tính đại diện số liệu quan trắc thực dn v phao quan trắc, thiếu thông tin phân thang v chuẩn độ dụng cụ quan trắc cấp tốc độ, hớng gió v độ cao sóng Mặc dù liệu ny đợc truyền theo kênh trao ®ỉi qc tÕ, vÊn ®Ị vỊ ®é chÝnh x¸c cđa chúng l vấn đề bỏ ngỏ Phải nhận xét tốc độ gió v độ cao sóng đợc truyền với độ xác đến nửa mét, điều ảnh hởng tới độ xác ớc lợng Mặt khác quan trắc thực dn đo có tọa độ không trùng với nút lới tính mô hình phải nội suy kết tính cho điểm quan trắc, điều dẫn tới sai sè bỉ sung Nh− vËy kh«ng thĨ kú väng vỊ độ xác cao đánh giá chất lợng tính toán Còn độ xác thân tính toán sóng, tồn số nguồn sai số Trớc hết, l độ xác thông tin xuất phát áp suất khí mặt đất đợc tính toán ECMWF Những sai số không lớn tính khí áp mặt đất dẫn tới sai số đáng kể tÝnh giã vμ sãng ThÝ dô, sai sè tÝnh khí áp ~0,1% dẫn đến sai số tính tèc ®é giã 10% (®èi víi giã 10 m/s), vμ gây sai số tính độ cao sóng gió 20%, sai số tính khí áp ~0,2% gây sai số tốc ®é giã 20% vμ sai sè tÝnh ®é cao sãng gió 50% Vì độc lập đánh giá chất lợng dự báo khí áp mặt đất ECMWF dùng phổ biến phơng pháp dự báo l công việc đáng quan tâm tin khí áp mặt ®Êt trun tõ ECMWF theo m· GRID ®−ỵc thĨ hiƯn nút vùng lới tọa độ cầu v đợc truyền với khoảng gián đoạn thời gian định Tại thông tin đợc thể lới 5o lần 24 giờ, điều ny hiển nhiên l không đủ Vì nảy sinh yêu cầu nội suy giá trị ny theo thời gian lẫn theo không gian Sai số nội suy đơng nhiên góp phần vo tổng sai số chung c¸c tÝnh to¸n tiÕp theo Nguån sai sè thø ba nảy sinh từ phơng pháp tính gió građien, sau l gió mặt đất Nh đà biết, để tính gió mặt đất phải giải bi toán lớp biên khí v cần thông tin trạng thái khí tầng khác Trong thực tế, thờng có thông tin tầng Vì thiếu thông tin buộc phải sử dụng phơng pháp đơn giản hóa tính gió mặt đất cha thâu tóm đợc loạt nhân tố quan trọng Nguồn sai số cuối l thân phơng pháp tính yếu tố sóng Vấn đề ny bỏ ngỏ cho ®Õn tËn ngμy Nguån sai sè nμy phô thuéc vo loạt nhân tố bao gồm phơng diện vật lý vấn đề mô hình hóa toán học sóng gió lẫn nhứng vấn đề thực hóa số phơng trình đạo hm riêng mô tả tiến triển mật độ phổ sóng gió Nh vậy, chất lợng so sánh kết tính toán với liệu quan trắc phụ thc vμo nhiỊu nh©n tè Sai sè ci cïng phơ thuộc vo nhiều nguyên nhân đợc khảo sát tiếp dới Nguồn sai số thứ hai sử dụng thông tin khí áp mặt đất l sai số nội suy thời gian v không gian Vấn đề chỗ thông 431 432 5o hệ tọa độ địa lý Độ gián đoạn không gian v thời gian nh cung cấp khái niệm chung trạng thái trờng khí áp, nhng tỏ thô để thực tính toán sóng biển Hơn nữa, vấn đề độ xác thân thông tin cung cấp theo định dạng đà nêu l vấn đề bỏ ngỏ Với mục đích ớc lợng độ xác tính toán trờng khí áp mặt đất ECMWF đà sử dụng chuỗi trờng khí áp mặt đất di 19 tháng thời kỳ từ 27/7/1994 đến 27/12/1995 Nhờ nội suy giá trị khí áp từ nút lới mặt cầu đà đợc suy điểm có tọa độ trùng với vị trí dn khoan nơi thực quan trắc Kết so sánh giá trị khí áp mặt đất đo đợc dn khoan v số liệu tính toán cđa ECMWF ®· suy vỊ ®iĨm ®o, víi thêi gian báo trớc khác đợc biểu diễn hình 7.2 ad Các trị số ớc lợng thống kê phép so sánh ny dẫn bảng 7.1 Hình 7.1 Vị trí dn quan trắc cố định 7.2 đánh giá độ xác dự báo khí áp mặt đất Trung tâm Châu Âu dự báo trung hạn Trớc đánh giá tính toán gió v sóng, phải đánh giá chất lợng v độ tin cậy thông tin xuất phát khí áp mặt đất ECMWF đợc dùng mô hình tính Đợc biết, ECMWF c¸c tÝnh to¸n vμ dù b¸o tr−êng khÝ ¸p mặt đất thực theo mô hình phổ hon lu khí ton cầu, liệu ban đầu l thông tin quan trắc tham số khí v đại dơng từ mạng lới quan trắc thời tiết ton giới Bản thân kết tính toán ECMWF đợc chuyển tới ngời dùng theo định dạng thoả thuận định Thí dụ, thông tin trờng khí áp mặt đất truyền đợc tiếp nhận nh l thông tin chẩn đoán nh l thông tin dự báo cho 24, 48, 72, 96, 120 v 144 (độ gián đoạn 24 giờ) nút lới 433 Bảng 7.1 Các ớc lợng thống kê so sánh kết tính khí áp mặt đất ECMWF với quan trắc thực địa Thời gian báo trớc dự báo, Ước lợng thống kê 00 (chẩn đoán) Số trờng hợp 24 48 72 96 120 144 547 574 511 488 510 472 478 –0,14 –0,47 –0,68 –0,87 –0,95 –1,05 –1,64 Sai sè trung b×nh 0,81 1,26 2,36 3,40 6,30 6,48 7,74 Chỉ số tản mạn, SI, % 0,12 0,16 0,30 0,45 0,85 0,84 1,01 Sai số bình phơng trung bình (RMSE) 1,19 1,62 3,07 4,57 8,42 8,42 10,15 HƯ sè t−¬ng quan, r 0,99 0,99 0,97 0,92 0,83 0,78 0,68 Sai sè sè häc (BIAS) 434 Hình 7.2 So sánh kết tính khí áp mặt đất a) chẩn đoán 00 giờ; b) dự b¸o 48 giê; c) dù b¸o 96 giê; d) dù báo 144 giờ; 435 ECMWF với quan trắc thực địa: 1) trờng hợp; 2) trờng hợp; 3) trờng hợp; 4) trờng hợp 436 Nh đà thấy hình 7.2 v bảng 7.1, thời gian báo trớc tăng sai số tính toán đơn điệu tăng, hệ số tơng quan giảm Dấu trừ bảng có nghĩa giá trị tính toán cao so với giá trị đo điều kiện ban đầu để thực tính toán theo mô hình hon lu khí Với ba ngy đầu chất lợng tính toán v dự báo giá trị trờng khí áp mặt đất cao Bắt đầu từ ngy thứ t sai số tăng đáng kể, tới ngy thứ sáu, thứ bảy sai số đà lớn đến mức dự báo có ý nghĩa định tính l định lợng Sai số dự báo trờng khí áp hạn chế độ xác tính gió v sóng Vì lý không nên kỳ vọng chất lợng cao dự báo gió v sóng cho ngy thứ sáu thứ bảy Tính gió građien Vấn đề tính gió mặt đất theo trờng áp suất đà đợc xét nhiều công trình [20, 134, 149, 162, 171, 178, 182] Ngμy thËm chí khó m tổng quan đầy đủ công trình đề ti ny Trong trờng hợp tổng quát nhiệm vụ ny quy giải bi toán chuyển động dòng không khí lớp biên khí dới tác ®éng cđa gra®ien ¸p st, lùc Coriolis, lùc ma s¸t (ph©n tư vμ rèi) vμ lùc hÊp dÉn träng tr−êng Nếu cho chuyển động ngang lớn nhiều so với chuyển động thẳng đứng v không tính đến biÕn ®ỉi cđa mËt ®é víi ®é cao líp biên khí quyển, phơng trình chuyển động đợc viết d−íi d¹ng: dU U 1 p   2 z U  (k );  (7.1) dt z x z Các kết so sánh đà dẫn chứng tỏ có vợt trội có tính chất hệ thống giá trị tính toán khí áp mặt đất so với giá trị đo, v tăng dần tăng thời gian báo trớc dự báo (thực vậy, với ngy sai số hệ thống b»ng –0,14 hPa, nh−ng víi ngμy thø b¶y –1,64 hPa) Tuy nhiên, phải nhận thấy để đảm bảo tính xác tốc độ gió v tơng ứng l sóng điều quan trọng l độ xác tính građien áp suất, đơn l giá trị áp suất Những giá trị so sánh trờng khí áp mặt đất dẫn mặt chứng tỏ phù hợp tốt với số liệu quan trắc cho vi ba ngy đầu, mặt khác chứng tỏ sai số tơng đối thấp phép nội suy không gian sử dụng công trình ny để quy giá trị trờng áp suất điểm quan trắc Có lẽ, phù hợp tốt cho ngy đầu thực tế l số liệu đo m dùng để so sánh, nằm gọn diện tích hạn chế (thủy vực Bắc Hải v phần nam biển Nauy v Greenland), v số liệu đợc dùng ECMWF giai đoạn khai thác thông tin lm 437 7.3 Các phơng pháp tính gió mặt đất dU U p    2 zU  (k );  y z dt z  p  g a , z (7.2) (7.3)  U ®ã U   , U , U  vectơ vận tốc; p áp suất; z thnh phần vận tốc góc quay Trái Đất; k  hƯ sè trao ®ỉi rèi;  a  mËt độ không khí Nhận thấy vế trái phơng trình (7.1) v (7.2) biểu diễn đạo hm toμn phÇn theo thêi gian: dU U U U U   U1  U2  U3 ; (7.4) t x y dt z 438 dU U U U U   U1  U2  U3 z dt t x y (7.5) Các phơng trình (7.1)(7.5) với phơng trình liên tục a ( aU )  ( aU )  ( aU )   0  (7.6) t x y z l hệ phơng trình m nghiệm xác định giá trị tốc độ gió lớp biên khí Khó khăn việc giải hệ nμy lμ tÝnh phi tun cđa hƯ vμ hƯ sè trao ®ỉi rèi lμ hμm ch−a biÕt tr−íc cđa täa độ thẳng đứng z Vì lý bi toán thờng đợc đơn giản hóa Đầu tiên xác định gió građien, sau gió građien đợc dẫn xuống lớp biên sát mặt nớc Với trờng áp suất dừng, lực ma sát, từ (7.1)(7.3) tốc độ gió địa chuyển U gstr đợc xác định theo biểu thức U gstr  p , ( a f K ) n p građien ngang n khí áp PhÐp chun sang giã gra®ien U g cho phÐp tÝnh đến số hạng phi tuyến (7.1)(7.5) nhờ tính đến lực ly tâm Đối với đờng đẳng áp với bán kính cong R ngời ta xác định giá trị gió građien theo công thức 4U gstr fK R       f K Trong trờng hợp tổng quát tính gió mặt đất thông qua giải bi toán tơng tác mặt nớc v khí lớp biên Nghiệm đơn giản hóa bi toán đà nhận đợc công trình quen thuộc Monhin Kazanski [149] Mối liên hệ gió građien U g , tốc độ ma sát U * v tham số gồ ghỊ cã d¹ng 2    U*       B ()  A (); ln     f K Z      A U* sin   ,  Ug U g  U  * (7.7) f k sin tham số Coriolis; Ug nhiều hệ phơng pháp chuyển từ gió građien sang gió mặt đất [20, 134, 171, 182, 362] ý định khái quát hóa, xem xét số phơng pháp phổ biến v thử xác định mối liên hệ gió mặt đất đo đợc dn quan trắc v giá trị gió građien tính đợc theo trờng chẩn đoán áp suất mặt đất 1/2 A v B l hm trờng hợp tổng quát phụ thuộc vo phân tầng khí quyển; tham số phân tầng; Z tham số gồ ghề;  0,4  h»ng sè Karman;   gãc gi÷a hớng gió građien v hớng gió tầng 10 mét Tốc độ gió phụ lớp biên sát đất độ cao Z đợc xác định theo công thức (7.8) UZ  NhËn thÊy r»ng c¸c tÝnh to¸n sè nảy sính khó khăn việc xác định bán kính cong R đờng đẳng áp Các hệ phơng pháp tính gió mặt đất Hiện cã 439 (7.9) U*  Z ln    Z0 (7.10) Khó khăn chủ yếu dùng mô hình Monhin Kazanski l chỗ xác định hệ số A v B , hệ số ny l hm trạng thái phân tầng khí Theo liệu công trình [149], phân tầng phiếm định chÊp 440 nhËn A  4,5 , B  1,7 (theo sè liƯu cđa S S Zilitinkevich, 1989) NhiỊu t¸c giả đà xác định giá trị hệ số ny điều kiện phân tầng khác, nhng giá trị nhận đợc khác Khó khăn thứ hai sử dụng mô hình ny l chỗ phần lớn trờng hợp tham số gồ ghề Z v phân tầng lớp biên khí sát đất không xác định Trờng hợp may mắn l biết đợc nhiệt độ không khí tầng cao v nhiệt độ nớc lớp mặt đại dơng Trong công trình [362] tham số mô hình Monhin Kazanski đợc xác định nh sau Chấp nhận tham sè gå ghÒ Z  0,021  U * / g không phụ thuộc vo giai đoạn phát triển sóng, công thức sau đợc đề xuất để tính toán thực tế hệ số A vμ B :  2,2  4,4  A  6,6    1,35  0,6  1,35  0,1U  3,1  g B    0,75  víi víi    2,2;   0; víi   2,2; víi víi  0,75    6,  0,75    6, víi víi (7.11) U g  25 m/s; U g  25 m/s;   6;   0,75, Ta Tw ; Ta nhiệt độ không khí độ cao 10 m; Tw nhiệt độ mặt biển Sử dụng tham số A v B nh hm hiệu nhiệt độ n−íc vμ kh«ng khÝ   Ta  Tw cho phép tính tốc độ động lực v xác định tốc độ gió tầng xét lớp biên, thí dụ độ cao 10 m Tuy nhiên nhận thấy mô hình ny không tính 441 đến biến thiên độ gồ ghề tùy thuộc vo trạng thái mặt biển Nh mô hình có mức đắn nh nhiều dẫn khác việc chuyển từ gió građien sang gió mặt đất, tất sử dụng thông tin: giá trị gió građien v hiệu nhiệt độ nớc v không khí Trong công trình V I Makova [134] sở phân tích số liệu quan trắc đà đề xuất phơng pháp tính gió mặt đất Xuất phát từ tốc độ gió građien U g v hệ số phân tầng , tốc độ gió tầng 10 m (U 10 ) đợc tính theo bảng hệ số chuyển ®æi K T : U 10  K T U g Trong bảng dẫn hiệu chỉnh cho hớng gió, tức góc lệch vectơ tốc độ gió phía tâm xoáy thuận V I Đmov sử dụng nội suy tuyến tính, đà xác hóa trị số trung gian bảng I V Makova v ngoại suy trị số cho vùng phân tầng 0,5 v Tiếp sau sử dụng hệ phơng pháp tính gió mặt đất cải biên theo kiểu nh So sánh số liệu đo tốc độ gió dn khoan cố định với gió građien Thông tin khí tợng thủy văn nhận đợc dn khoan đợc truyền theo kênh trao ®ỉi qc tÕ b»ng m· SHIP gåm khÝ ¸p, nhiƯt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ, tèc ®é giã quy vỊ độ cao 10m mực biển Dùng thông tin ny v trờng chẩn đoán khí áp mặt đất ECMWF 19 tháng, ta so sánh liệu với v xác định hệ số chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất Xuất phát từ trờng chẩn đoán áp suất mặt đất ECMWF v sử dụng biểu thức (7.7) v (7.8) đà tính giá trị gió građien v so sánh với giá trị tốc độ gió quan trắc độ cao 10 m trờng hợp biết nhiệt độ nớc v không khí Nhận thấy tỉ số tốc độ gió quan trắc v gió građien có tính chất ngẫu nhiên Để phân tích thống kê, giá trị gió 442 đà đợc phân chia thnh cấp tùy thuộc vo tốc độ gió građien (cách m/s) v hiệu nhiệt độ nớc v không khí (cách 2o) Vì cấp có số ngẫu nhiên giá trị, nên để ớc lợng giá trị trung bình cấp đà tính giá trị trung vị, đặc trng trung bình ổn định Kết thể bảng 7.2 Nh đà thấy, bảng bao quát dải rộng biến thiên tốc ®é giã (tõ ®Õn 35 m/s) vμ hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ (tõ  ®Õn 8o) Giá trị tỉ số tốc độ gió mặt đất gió građien biến đổi phạm vi từ 1,3 gió yếu (dới m/s) v phân tầng ổn định đến 0,57 gió mạnh (3035 m/s) Bảng 7.2 Các hệ số chuyển đổi từ tốc độ gió građien sang gió mặt đất theo liệu quan trắc (trong ngoặc vuông ghi số trờng hợp) Hiệu nhiệt độ Tw  Ta (oC)  6,0  4,0 Tèc ®é giã gra®ien U g (m/s) 0–5 5–10 10–15 15–20 20–25 0,98 0,83 6,0 8,0 [12] 0,93 [58] 0,93 [351] 0,88 [540] 0,93 [171] 0,97 [41] 0,94 [2] 0,71 [15] 0,78 [208] 0,79 [295] 0,83 [95] 0,84 [42] 0,82 0,75 [5] 0,69 [99] 0,73 [104] 0,71 [52] 0,65 [13] 0,88 0,59 [3] 0,65 [19] 0,61 [32] 0,78 [15] 0,74 [4] 1,02 [2] 0,86 [9] 0,57 [10] 0,91 [2] 1,04 [1] 8,0 10,0 [1] [1] [3] 30–35 0,77 [10] 1,30 [19] 1,22 [120] 1,11 [239] 1,14 [62] 1,00 [15] 1,33 25–30 [1]  4,0  2,0  2,0 0,0 2,0 2,0 4,0 4,0 6,0 0,56 [2] 0,65 [7] 0,66 [8] 0,57 [2] 0,95 [1] 0,74 [1] 443 Trong dấu ngoặc vuông giá trị trung vị ghi số giá trị quan trắc đợc sử dụng Nh đà thấy, cấp có số trờng hợp quan trắc (số điểm) khác Số lợng điểm lớn thuộc cấp gió yếu v gió vừa v phân tầng gần với phiếm định Đối với gió mạnh v phân tầng khác phiếm định số điểm giảm mạnh, chứng tỏ hiệu ứng xáo trộn mạnh lớp biên gió mạnh Điều lý thú l phần lớn trờng hợp gió yếu (dới m/s) giá trị gió mặt đất tỏ lớn gió građien, điều ny, có lẽ ảnh hởng lớp biên sóng lm tăng gió mặt nớc Sử dụng giá trị bảng đà đề xuất quan hÖ xÊp xØ nh− sau cho tØ sè tèc ®é giã mỈt ®Êt vμ giã gra®ien: K T  (1,315  0,210  lnU g ) / exp (U g  0,00152) (7.12) Gãc lƯch cđa tèc ®é gió so với đờng đẳng áp phía tâm xoáy thuËn b»ng   max{1,5  18; 0} (7.13) Các công thức (7.12), (7.13) nhận đợc cho dải rộng tốc độ gió građien (từ 2,5 đến 35 m/s) v hiệu nhiệt độ nớc v không khí (từ đến 8o) Những quan hệ (7.12) v (7.13) xem nh công thức song đề hệ phơng pháp chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất tồn Phân tích so sánh kết tính gió mặt nớc với liệu quan trắc Các phơng pháp tính gió mặt đất dẫn đà đợc thử thách sở so sánh số liệu tính toán với kết đo tốc độ gió thực dn cố định biển Nauy, Greenland v Bắc Hải Trong thời kỳ năm rỡi đà tính gió građien theo số liệu trờng áp suất mặt đất chẩn đoán ECMWF, sau thực chuyển đổi sang gió mặt 444 đất (tại độ cao 10 m mực biển) Vì vấn đề chất lợng số liệu quan trắc cha rõ nên từ số liệu quan trắc đà loại bỏ số liệu nghi ngờ Tại bớc thứ cần thiết phải xác định ảnh hởng phân tầng lớp biên tới tốc độ gió mặt đất Vì ®· tiÕn hμnh tÝnh tèc ®é giã øng víi hiƯu nhiệt độ nớc không khí lấy trung bình năm, sử dụng phơng pháp cải biên V I Makova Chấp nhận hiệu nhiệt độ trung bình năm 2,5 Các kết so sánh tính toán v quan trắc biểu diễn hình 7.3 a,b Sai sè hƯ thèng (xem h×nh 7.3 a) chøng tá r»ng tốc độ gió mặt nớc bị vợt trội rõ rng khoảng thời gian năm hiệu trung bình nhiệt độ nớc v không khí ton vùng nớc đợc dẫn hình 7.3 So sánh kết thấy rằng: kể tới phân tầng lớp khí sát mặt nớc đợc lấy trung bình theo tháng, giảm sai số hệ thống cách đáng kể (xem hình 7.3 a) v giảm thiểu sai số bình phơng trung bình (xem hình 7.3 b) Sau xác định biến trình tháng hiệu nhiệt độ, đà tiến hnh tính toán chẩn đoán tốc độ gió mặt nớc theo ba phơng pháp mô tả cho chu kỳ năm rỡi Kết so sánh với số liệu quan trắc dẫn hình 7.4 Các ớc lợng thống kê tổng quát độ xác tính toán dẫn bảng So sánh sai số ba phơng pháp tính thấy chất lợng tính toán gần nh Công thức (7.12) cho sai số tính toán nhỏ Chất lợng kết tính ba phơng pháp gần nh nói nên phơng pháp tơng tự theo nghĩa sử dụng liệu xuất phát nh v tính tới nhân tố định: gió građien v hiệu nhiệt độ nớc v không khí Bảng 7.3 So sánh ớc lợng thống kê tính toán tốc độ gió số phơng pháp có kể tới biến trình mùa phân tầng theo áp suất mặt đất chẩn đoán ECMWF 19 tháng Hình 7.3 So sánh sai số tính tốc độ gió với phân tầng không đổi WINDI-old (1) v phân tầng biến đổi theo tháng WINDI-new (2): Phơng pháp Ước lợng thống kê Makova a) sai số số học (BIAS); b) sai số bình phơng trung bình (RMSE) Vì hệ số chuyển đổi phụ thuộc vo phân tầng lớp biên xác định theo hiệu nhiệt độ nớc v không khí, nên phải xác định hiệu ny Nhờ số liệu thực đo nhiệt độ dn quan trắc đà tính tốc độ gió v so sánh với số liệu quan trắc Kết so sánh số liệu quan trắc v tính toán, tính đến 445 Số trờng hợp Sai số số học BIAS, m/s Sai số bình phơng trung bình RMSE, m/s Chỉ số tản mạn SI, % Hệ số tơng quan r 446 Strekalova Công thức (7.12) 4758 0,21 2,32 4758 0,32 2,32 4758 0,05 2,26 23,66 0,82 24,11 0,82 22,26 0,83 thấp Bớc lới không gian lớn (5 5o) đà l trơn trờng khí áp, lm giảm mạnh građien lớn áp suất Nếu so sánh sai số tính toán gió mặt đất đà thực với kết công bố chuyên khảo [303], tính gió mặt nớc thực ECMWF cho vùng nớc Bắc Hải theo mô hình hon lu khí quyển, đến kết luận độ xác tính toán ngang với kết ny Có lẽ, sai số bình phơng trung bình tính gió mặt đất 2,02,5 m/s l giá trị điển hình loại mô hình tơng tự Hình 7.4 c So sánh kết tính gió mặt nớc với quan trắc (trẩn đoán 00 giờ) theo công thức (7.12) Hình 7.4 So sánh kết tính gió mặt nớc với quan trắc (chẩn đoán 00 giờ): a) theo mô hình V I Makova; b) theo mô hình S S Strekalova Đồng thời phải nhận xét thực tế tất phơng pháp hạ thấp tốc độ gió lớn so với số liệu quan trắc Điều ny, có lẽ, liên quan không tới phơng pháp chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất, m chủ yếu l thân giá trị gió địa chuyển tính theo građien khí áp bị hạ 447 7.4 Mô hình phổ tham số sóng gió Hệ phơng trình tham số phổ sóng gió Mô hình PM Bi toán xác định phổ sóng điều kiện nớc sâu quy giải phơng trình (2.1) với điều kiện ban ®Çu 448  m0  m0  m0  C sin   C cos   G1 cos (   U ) t R cos  R v điều kiện biên cho trớc Thông tin xuất phát để giải bi toán l tr−êng giã U (, , t ) Cã hai khó khăn cản trở việc sử dụng trực tiếp phơng trình phổ (2.1) để tính sóng điều kiện nớc sâu Thứ l thời gian tính máy tính lớn, nói chung để thực tính toán nghiệp vụ cho thủy vực lớn vấn đề ny l trở ngại tận ngy Khó khăn thứ hai l hm nguồn cha đợc nghiên cứu đầy đủ, điều ny đà bn luận chơng Trong mô hình phổ tham số, khó khăn ny đợc khắc phục cách tăng tốc độ tính toán v sử dụng mối quan hệ thực nghiệm tin cậy để bù lại điều cha rõ chế vật lý trình Chuyển từ phơng trình phổ sang phơng trình tham số đợc thùc hiƯn nh− sau [43, 185] Gi¶ thiÕt phỉ sãng gió l phổ tự mô hình, tức phổ bảo ton dạng nhờ tơng tác phi tuyến yếu, điều ny đợc khẳng định liệu quan trắc v mô hình hóa số [185] Xấp xỉ phỉ lμ mét hμm cđa ba tham sè: tÇn sè cực đại phổ, mômen bậc không v hớng sóng trung b×nh, S  S ( m , m0 ,  , x, y , t ) (d¹ng thĨ cđa phổ dẫn công trình [185] Dùng số toán tử tích phân đợc chọn chuyên dụng [185] tác động lên phơng trình cân lợng sóng (2.1) đa tới hệ phơng trình vi phân phi tuyến tham số phổ: tần số cực đại phổ m , mômen không m0 v h−íng trun sãng tỉng qu¸t  [185] TiÕp theo, có mối phụ thuộc chặt chẽ m0 m0 ( m ) , hệ phơng trình tham số phổ viết mặt cầu (trong hệ tọa độ địa lý) dới dạng sau: 449    D sin   D cos   G2 sin (   U ) R  R cos t (7.14) ij hớng gió, hệ số phiếm hm C , D, G1 , G2 phô thuéc vμo m0 vμ tèc ®é giã U 10 [185] C  c1 g 1 ; m G1  3,38  10 5 ( m U 1,51 )  m m0 ; g D  d1 g 1 ; m G2  1,21  10 5 ( m U 1,51 ) m g (7.15) (7.16) (7.17) (7.18) NhËn thÊy r»ng c¸c phơng trình không kể đến biến thiên góc truyền sóng mặt cầu (trong gọi l gần "tựa cầu" [162]), điều ny sóng gió chịu ảnh hởng trục tiếp gió địa phơng Khi tính truyền sóng lừng khoảng cách ton cầu vấn đề ny đợc giải chặt chẽ hơn, tức có kể đến biến thiên gãc  trun sãng däc theo cung vßng trßn lớn Trong mô hình phổ tham số (quy ớc tiếp sau gäi lμ PM) c¸c tham sè phỉ vμ c¸c biến độ lập đợc quy chuẩn theo tốc độ gió tầng 10 m ( U U 10 ) Nh÷ng hƯ sè b»ng sè c1 vμ d phơ thuộc vo hm phân bố góc, v trờng hợp tổng quát vo giai đoạn phát triển sóng Trong phiên trớc mô hình [171] đà chấp nhËn c1  0,5 vμ d  0,4 Tuy nhiên tính toán kiểm tra 450 theo hệ (7.14)(7.18) đà cho biến thiên chậm m0 so với số liệu thực địa (tình hình nh cịng nhËn thÊy c¸c hƯ tham sè kh¸c) Ng−êi ta phải tiến hnh tính toán tuân theo gọi l điều kiện tạo sóng lý tởng, mômen không không thứ nguyên đợc xấp xỉ hm luỹ thừa ~ ~ thời gian không thứ nguyên T v đ X (dấu ngà quy chuÈn theo tèc ®é giã U 10 ): ~ ~ m  aX b ; (7.19) ~ ~ X cT d (7.20) Gần với số liệu thực địa l tính toán với hệ số c1  0,67 vμ d  0,47 c«ng trình [171] Tuy nhiên lm thay đổi hệ số số đà không đa tới kết mong muốn, v điều l hm luỹ thừa nói nói chung l nghiệm riêng phơng trình thứ hệ Bản thân dạng phơng trình thứ hệ cho phép giải bi toán nghịch: giả sử (7.19), (7.20) l nghiệm riêng phơng trình thứ điều kiện lý tởng, hÃy tìm hệ số phiếm hm Nh vậy, ta cã C 1 d dc / d a bd G  bdc 1/ d g bd a d 1 ( d 1) bd 4 d  bd U bd m0bd g bd 1 bd 2  bd  bd U bd m bd ; (7.21) (7.22) Mối liên hệ tần số cực đại v phơng sai đợc sử dụng dới d¹ng ~ ~  m  0,11 m0 0,34 (7.23) NÕu lÊy hƯ (7.14) víi c¸c hƯ sè phiÕm hm dạng (7.17), (7.18) cho phơng trình thứ hai v (7.15), (7.16) (7.21), (7.22) cho phơng trình thứ lm phận cấu thnh mô hình có tên lμ PM C¸c tÝnh to¸n sãng ë c¸c biĨn thc Bắc 451 Băng Dơng đà đợc thực theo phiên mô hình PM, C v G1 có dạng (7.21), (7.22), a 5,6 10 7 , b  0,84 , c  0,012 , d 1,355 Mô hình tự ho hợp lớp biên v sóng gió Mô hình PD đà chấp nhận tốc độ gió giữ nguyên không đổi dọc theo đ, giá trị độ cao sóng đợc quy chuẩn theo tốc độ gió ny với tất tốc độ gió Bằng cách đà không tính đến hiệu ứng ảnh hởng ngợc lại sóng lên gió, ngời ta đà dùng liệu quan trắc nhận đợc với tốc độ gió trung bình (815 m/s) đem áp dụng cho trờng hợp gió bÃo, mạnh cách vô Gần ngời ta đà tính không đắn cách tiếp cận ny [162] v đề xuất sử dụng số liệu đợc quy chuẩn theo tốc độ động lực để chấn chỉnh mô hình, tạo khả tính đến đặc điểm tơng tác phi tuyến sóng v gió Trong công trình M M Zaslavski, I M Kabatchenco vμ G V Matushevski [162] đà mô tả mô hình thích ứng gió mặt nớc v sóng gió sở khái niệm lý thuyết Trong mục ny thử xây dựng mô hình bán thực nghiệm chuyển động tự ho hợp lớp biên khí v mặt biển dậy sóng Trong đà sử dụng mô hình lớp biên Monhin Kazanski đà mô tả v liệu quan trắc sóng đợc quy chuẩn theo tốc độ động lực I N Đaviđan nhận đợc [162] Lu ý việc quy chuẩn liệu quan trắc theo tốc độ động lực lm cho chúng có tính chất vạn v tạo hội sử dụng chúng để tính sóng tốc độ gió lớn v cách dự báo đợc trờng sóng đặc biệt nguy hiểm cách chất lợng Để xác định hệ số phiếm hm hệ ta sử dụng mối phụ thuộc mômen không không thứ nguyên quy chuẩn 452 theo tốc độ động lực U * v đ không thứ nguyên dới dạng (dÊu G1  * chØ quy chuÈn theo tèc ®é ®éng lùc): * * m0  m0, th (a1 ~*b1 ) x (7.24) d   c  C d / 21 , X *  T*d , (7.25) (7.26) Trong mô hình chấp nhận mối liên hệ sau giai đoạn phát triển sóng v độ gồ ghỊ mỈt biĨn: * Z  0,4* m (7.27) Quan hệ (7.27) I N Đaviđan [162] đề xuất Nó phản ánh kiện giảm độ gồ ghề mặt biển diễn trình phát triển sóng Thế biểu thức (7.27) vo công thức trắc diện logarit vận tốc gió (7.10) cho phép xác định mối liên hệ hệ số trở kháng v giai đoạn ph¸t triĨn sãng    Zg ~    ln  m  ,  0,667 ln    Cd   0,4U ( Z ) tốc độ gió U (Z ) lấy độ cao Z 10 m ln C d  0,267 (7.28) Nh− vËy, ®èi víi hệ số phiếm hm hệ phơng trình (7.14) ta cã ( C   / d d  x*d 1) / d U * ; g U * m0 (7.29) 453 (7.30) / b1 Mômen không phổ liên hệ với tần số cực đại không thứ nguyên quan hệ thực nghiệm dới [162, 185]: * * 0,37(m0 ) 0,34 m    Cd   )  1  * * x*   arcth (m0 / m0, ) 0,5      hệ số trở kháng C d đợc xác ®Þnh qua tèc ®é ®éng lùc  U*  U 10 sh b (2a1 x*1 Mối liên hệ thời gian không thứ nguyên T* v đ không thứ nguyên X * công thức (7.20) đợc biÕn ®ỉi biĨu thøc b d  b1  / d a1 x*1 1 / d (7.31) Hệ phơng trình (7.14) với hệ số phiếm hm (7.17), (7.18), (7.29), (7.30) nh (7.28), (7.20) đợc giải mô hình PD Trong sử dụng quan hƯ (7.20), (7.28), (7.31) Nh÷ng hƯ sè b»ng sè chÊp nhận phiên cuối mô hình PD b»ng: c  0,0075 ; d  1,355 ; a1  1,56  10 4 ; * b1  0,5 ; m0, 3450 Cần nhận xét phiên ny mô hình cho phép quan hệ (7.27) vo (7.9) viết đợc hệ kín phơng trình cho chuyển động tự ho hợp lớp biên khí v chuyển động sóng mặt biển Nghiệm bi toán đợc xác định nhờ giải phơng trình (7.14), tốc độ gió građien có mặt hệ thông qua biểu thức (7.9) v (7.27) Nh tốc độ gió tầng 10 m bị loại khỏi tính toán trung gian Nó đợc xác định nh l kết cuối cung theo công thức (7.10) Để kết thúc mô tả mô hình phổ tham số ta nhận xét giả thiết tự mô hình phổ sóng gió lm sở mô hình tham số, đợc thoả mÃn điều kiện tạo sóng lý tởng, thực tế điều luôn Khi thay đổi tốc độ giã sÏ xt hiƯn sãng lõng, xÊp xØ phỉ sãng lừng 454 tính chất tự mô hình Để mô tả tiến triển v lan truyền sóng lừng cần sử dụng phơng trình phổ cân lợng sóng (2.1) hợp phần phổ Vì lý mô hình tham số sóng gió đợc bổ sung thêm phơng trình cân lợng sóng (2.1) với vế phải không để mô tả trình truyền sóng lừng Để giải số phơng trình phổ cân lợng sóng đà sử dụng phơng pháp bán Lagrange mô tả chơng Trong mô hình đà thực khối tơng tác biểu diễn trao đổi lợng sóng v sóng lừng khuôn khổ bảo ton lợng sóng ton phần [185] Nhờ kết giải số hệ phơng trình với trờng gió cho trớc tính đợc yếu tố sóng: độ cao, chu kỳ, bớc, hớng truyền Kết tính toán kiểm tra Tại giai đoạn tính toán thứ nhận đợc ớc lợng yếu tố sóng cho điều kiện tạo sóng đơn giản nhất: tăng trởng sóng dọc theo đ ứng với giá trị tốc độ gió tầng 10 m không đổi Các tính toán đợc thực theo hai phiên mô hình phổ tham số: theo mô hình mô tả có tính tới phÐp quy chuÈn theo tèc ®é ®éng lùc (PD) vμ theo phiên trớc mô hình (PM) Kết tính toán độ cao sóng trung bình dọc theo đ với tốc độ gió khác thể bảng 7.4 Nhằm mục đích so sánh tỉ mỉ mô hình PM v PD tốc độ gió khác đà tính tham số sau: mômen không phổ v tần số cực ®¹i däc theo ®μ vμ phơ thc vμo thêi gian tác động Bảng 7.4 Biến thiên độ cao sóng trung bình theo đ tốc độ gió U kh¸c U  10 m/s X , km h, m hd , m X , km h, m 50 0,6 0,6 100 1,9 100 0,9 10,8 200 150 1,0 1,0 200 1,2 250 455 U  30 m/s X , km h, m hd , m 2,3 200 4,1 6,0 2,6 3,2 400 5,7 8,1 300 3,2 3,8 600 6,8 9,7 1,1 400 3,6 4,3 800 7,7 11,0 1,3 1,2 500 4,0 4,7 1000 8,5 12,0 300 1,4 1,3 600 4,3 5,1 1200 9,2 13,0 350 1,5 1,3 700 4,6 5,4 1400 9,8 13,8 400 1,6 1,4 800 4,9 5,7 1600 10,4 14,5 450 1,6 1,4 900 5,1 5,9 1800 11,0 15,2 500 1,6 1,4 1000 5,4 6,1 2000 11,5 15,8 1100 5,6 6,3 2400 12,4 16,8 1200 5,8 6,5 2800 13,3 17,7 1300 6,0 6,6 3200 14,0 18,5 1400 6,2 6,7 3600 14,2 19,1 1500 6,3 6,8 4000 14,2 19,5 4400 14,2 19,8 Tõ b¶ng nμy suy ®èi víi nh÷ng tèc ®é giã nhá ®é cao sãng h nhận đợc theo mô hình PM lớn độ cao sóng hd tính theo mô hình PD, tốc độ gió lớn (hơn 15 m/s) quan sát thấy tình ngợc lại độ cao sóng tính theo mô hình PD trở nên lơn nhiều so với độ cao sóng mô hình PM, ngoi khác biệt ny tăng lên tăng tèc ®é giã U  20 m/s hd , m Các giá trị mômen không quy chuẩn theo giá trị tốc độ gió tầng 10 m niểu thị hình 7.5 a Từ hình vẽ thấy rằng, mô hình PM cho giá trị nh mômen không quy 456 chuẩn dọc theo đ (không thứ nguyên, quy chuẩn theo tốc độ gió tầng 10 m) tất tốc độ gió (8, 18,5 v 30 m/s), mô hình PD mômen quy chuẩn tăng nhanh tốc độ gió lớn Mômen không quy chuẩn tốc độ gió 30 m/s hai lần lớn giá trị tơng ứng tốc độ gió m/s Ngoi ra, đờng cong mômen không mô hình PM có điểm gÃy đạt tới giai đoạn sóng phát triển hon ton, tức đạo hm tham số ny theo đ gián đoạn điểm ny, mô hình PD giai đoạn sóng phát triển hon ton đạt tới cách tiệm cận, v tốc độ tăng trởng mômen không diễn phẳng lặng Biến thiên m«men kh«ng cđa phỉ phơ thc vμo thêi gian kh«ng thứ nguyên biểu thị hình 7.5 b Đặc điểm biến thiên tham số gần giống nh biến thiên theo đ Nh vậy, giá trị độ cao sóng quy chuẩn tốc độ gió lớn tăng nhanh so với tốc độ gió nhỏ, dọc theo đ không thứ nguyên lẫn dọc theo thời gian không thứ nguyên Các tính toán đợc đem so sánh với tính toán theo mô hình WAM [303] hình 7.6 Từ so sánh thấy kết tính nói chung phù hợp với kết mô hình WAM Với mô hình WAM quan sát thấy xu thế: mômen không quy chuẩn tăng nhanh tốc độ gió lớn Tuy nhiên sóng phát triển hon ton mô hình PD cho mômen không lớn so với mô hình WAM Có lẽ, xuất vấn đề tự nhiên v cha đợc nghiên cứu đến giá trị tới hạn độ cao sóng sóng phát triển hon ton Hình 7.5 Phụ thuộc mômen không không thứ nguyên vo đ sóng không thứ nguyên (a) v thời gian phát triển sóng không thứ nguyên (b) tốc độ gió khác nhau: – PD 30 m/s; – PD 18,5 m/s; – PD m/s; – PM 30 m/s; – PM 18,5 m/s; – PM m/s 457 458 đoạn ban đầu tình hình ngợc lại Hình 7.6 Phụ thuộc mômen không không thứ nguyên vo đ không thứ nguyên theo mô hình kh¸c nhau: – PD m/s; – PD 18,5 m/s; – PM m/s; – PM 18,5 m/s; – WAM m/s; – WAM 18 m/s Biến thiên tần số cực đại phổ quy chuẩn dọc theo đ không thứ nguyên biểu thị hình 7.7 Thấy tần số cực đại theo mô hình PM v PD biến thiên gần nh v nãi chung phï hỵp víi sè liƯu thùc nghiƯm JONSWAP [267] v mô hình WAM [303] Tuy nhiên nhận thấy đ ~ không thứ nguyên lớn ( X 10 ) tần số cực đại phổ theo mô hình WAM giảm chậm, giữ giá trị lớn so với tính toán Điều ny chứng tỏ mô hình WAM sóng giai đoạn phát triển dốc hơn, giai 459 Hình 7.7 Phụ thuộc tần số không thứ nguyên cực ~ ~ ®¹i f m   m / 2 vμo ®μ không thứ nguyên theo mô hình khác nhau: – WAM; – JONSWAP; – PM; – PD 7.5 Kết thử nghiệm mô hình sóng gió theo liệu quan trắc Các điều kiện ban đầu v điều kiện biên bi toán Sau thực tính toán kiểm tra đà tiến hnh dự báo yếu tố sóng gió biển phần tây Bắc Băng Dơng bao gồm biển Barens, Nauy, Greenland v Bắc Hải 460 Để tính yếu tố sóng vùng nớc đà cho phải đa điều kiện ban đầu v điều kiện biên bi toán Từ biên mở tiếp giáp với Bắc Đại Tây Dơng (xem hình 7.1) sóng gió v sóng lõng víi c¸c u tè sãng ch−a biÕt tr−íc, cã thể truyền vo vùng tính toán Để khắc phục nhợc ®iĨm nμy, vïng tÝnh ®· ®−ỵc më réng nhiỊu, không gồm biển thuộc Bắc Băng Dơng, m phần đáng kể Bắc Đại Tây Dơng Để xác định điều kiện ban đầu thời điểm xác định, việc tính sóng điều kiện ban đầu không ứng với thời ®iĨm tiỊn sư nμo ®ã, tøc t¹i mét thêi ®iĨm "về phía sau" Lm nh l thời điểm xác định, tiếp tục tính sóng, trờng sóng vùng nớc ta quan tâm đà hình thnh đầy đủ, kết tính cã thĨ xem lμ tin cËy VÊn ®Ị lμ ë chỗ lm no xác định khoảng thời gian tiền sử v vùng mở rộng để xác định điều kiện ban đầu thời điểm cố định Câu hái nμy chØ cã thĨ tr¶ lêi sau thùc thí nghiệm số giai đoạn đà định bắt đầu tính sóng có kể tới 72 tiền sử, vùng mở rộng bao gồm không biển quan tâm, m Bắc Đại Tây Dơng, 40o VB Trên hình 7.8 a, b đờng liền nét biểu diễn kết so sánh tính toán với số liệu quan trắc: giá trị hệ số tơng quan v sai số bình phơng trung bình thời gian báo trớc khác dự báo độ cao sóng gió Từ giá trị đà dẫn thấy hệ số tơng quan ngμy thø nhÊt vμ thø hai nhá h¬n so víi ngy thứ ba v thứ t, ngợc lại, sai số bình phơng trung bình ngy thứ v thứ hai lín h¬n so víi ngμy thø ba vμ thø t, dự báo khí áp mặt đất (xem hình 7.2) diễn biến ngợc lại Diễn biến bất th−êng cđa nghiƯm nh− vËy cã thĨ gi¶i thÝch lμ chọn điều kiện ban đầu bi toán không đạt, thời gian tiền sử lấy không đủ di Tuy nhiên, tăng thời gian ny lên ba đến bốn ngy đà không lm thay đổi nghiệm Sau ®· thư më réng thªm vïng tÝnh, tíi 20o VB Chỉ đặc điểm nghiệm bi toán thay đổi Trên hình 7.8 a, b đờng gạch nối biểu diễn đặc điểm nghiệm bi to¸n víi miỊn tÝnh më réng ë ngμy dù b¸o thứ v thứ hai chất lợng nghiệm cải thiện đáng kể, ngy thứ ba thùc tÕ trïng víi nghiƯm cị Nh− vËy ®Ĩ cã đợc nghiệm bi toán vùng nớc biển phần tây Bắc Băng Dơng phải thực tính vùng nớc Bắc Đại Tây Dơng, 20o VB v tính đến tiền sử phát triển sóng không bốn ngy đêm So sánh kết tính sóng với liệu quan trắc giai đoạn đà tính toán yếu tố sóng gió theo trờng gió mặt đất nhận đợc phơng pháp cải biên V I Makova, xuất phát từ trờng khí áp mặt đất chẩn đoán ECMWF Trên hình 7.9 a, b biểu diễn kết tính theo mô hình PD v PM v liệu quan trắc Với tổng số 547 trờng hợp Hình 7.8 So sánh hệ số tơng quan r tính độ cao sóng (a) v sai số bình phơng trung bình RMSE (b) theo vùng tính khác nhau: – vïng n−íc tõ 40o VB; – vïng nớc từ 20o VB 461 462 ớc lợng thống kê độ xác tính toán nh sau: với mô hình PD sai số hệ thống (giá trị trung bình số học) 0,22 m, sai số bình phơng trung bình 0,98 m, số tản mạn SI 28% (đặc trng ny tính cho sóng có độ cao lín h¬n m), hƯ sè t−¬ng quan b»ng 0,82 Với mô hình PM giá trị tơng ứng b»ng 0,33 m, 0,96 m, 31%, 0,81 ThÊy r»ng m« hình PD cho kết có phần Hình 7.10 Các kết tính sóng bÃo theo mô hình PM (a) v PD (b) (Trờng độ cao sóng 5% độ đảm bảo 26-10-1995) Nếu xem xét chi tiết thấy mô hình PD đà hạ thấp độ cao sóng bé so với mô hình PM, với sóng lớn tình hình diễn ngợc lại Hình 7.9 So sánh kết tính độ cao sóng theo mô hình PD (a), PM (b) vμ sè liƯu quan tr¾c 463 464 Kết thử nghiệm mô hình ny cho thấy tốc độ gió bÃo giá trị độ cao sóng tính theo phiên xác hóa mô hình vợt nhiều so với độ cao sóng nhận đợc không qua quy chuẩn theo tốc độ động lực Để minh hoạ hình 7.10 a, b biểu diễn trờng độ cao sóng tính theo hai mô hình tình bÃo Từ hình vẽ thấy rằng: tâm bÃo theo mô hình PD độ cao sóng 13 m, độ cao sóng theo mô hình PM b»ng 10 m Sè liƯu quan tr¾c b»ng m¾t tõ tầu cung cấp sóng thực tế đà cao độ cao m mô hình PD tính đợc Nh cho mô hình PD cho phép nhận giá trị xác độ cao sóng bÃo biển v đại dơng So sánh chất lợng kết tính sóng với mô hình WAM Mục ny đối sánh chất lợng tính toán với kết mô hình sóng gió phổ biến phơng Tây mô hình WAM [303], đợc ngời ta xem nh− mét chn qc tÕ Nãi chung kh«ng thĨ thùc so sánh xác đợc, phải có trờng gió xuất phát v liệu quan trắc vùng nớc m thực tế Vì thực so sánh có tính chất định hớng, sử dụng thông tin có, thí dụ thông tin công bố chuyên khảo [303] Trong bảng 7.5 dẫn ớc lợng độ xác tính độ cao sóng theo mô hình WAM, nhận đợc cho thủy vực Bắc Hải thời kỳ từ 10-1990 đến 4-1991 v cho vùng đại dơng thời kỳ từ 12-1987 đến 11-1988 Từ bảng ny thấy chất lợng tính toán độ cao sóng theo mô hình WAM cho vùng biển Bắc Hải phần no so 465 với đại dơng Nh đà nêu chơng 3, sơ đồ số dùng mô hình WAM thể cha đạt truyền sóng lừng khoảng cách lớn đại dơng Có thể từ nguyên nhân ny, nh không đủ thông tin khí tợng thủy văn xuất phát vùng khơi đại dơng v đó, độ xác thấp tính gió thủy vực ny, giải thích chất lợng tính yếu tố sóng gió Đại Tây Dơng v Thái Bình Dơng so với vùng biển Bắc Hải Bảng 7.5 Các ớc lợng độ xác tính độ cao sóng theo mô hình WAM [303] Trạm (số lợng số liệu) Sai số hệ thống, m Chỉ số tản mạn, % Bắc Hải (NEDWAM) EPF -0,27 25 K-13 -0,12 24 AUK -0,14 24 Aliaska (4657) -0,22 22 Hawai (2061) -0,28 22 C¸c vïng ven bê đông nớc Mỹ (4284) -0,38 37 Các vùng ven bờ bắc nớc Anh (2825) -0,40 29 Đại dơng (WAM) So sánh tính toán theo mô hình PM v PD với tính toán mô hình WAM cho thấy mô hình có độ xác Đối với điều kiện Bắc Hải độ xác mô hình WAM có phần cao hơn, điều ny giải thích chất lợng thông tin xuất phát v độ xác liệu đo sóng cao 466 Hình 7.11 b Trờng độ cao sóng gió tính cho sóng 5% độ đảm bảo theo đồ chẩn đoán lập theo liệu thực Hình 7.11 a Tr−êng ®é cao sãng giã tÝnh cho sãng 5% độ đảm bảo theo trờng khí áp mặt đất ECMWF 467 468 Phân tích kết tính sóng bÃo 26/12/1995 Để minh hoạ xem chất lợng thông tin khí tợng thủy văn xuất phát quan trọng nh no độ xác tính sóng gió, đà phân tích kết tính sóng bÃo 26-121995, vùng đông nam biển Barens, phía nam đảo Međveđge đà chìm tầu lới dê Tình synop ngy 2426/12 bất thờng Nơi diện xoáy thuận sâu với kích thớc đặc trng khoảng 500 km Xoáy thuận lan truyền theo hớng bắc từ phía lục địa châu Âu Những ®iỊu kiƯn synop xt hiƯn giã b·o, g©y sãng lín v đắm tầu diễn hon cảnh liên tiếp thay thÕ ®iỊu kiƯn hoμn l−u Ngμy 25/12/1995 vμo 12 GMT lÃnh thổ phần đông Âu nớc Nga quan sát thấy sống cao áp trải di tới bờ nam biển Barens phần tây Âu nớc Nga nhận thấy xoáy thuận biểu rõ với tâm vùng Kaliningrat Trên miền duyên hải v lÃnh hải phía nam biển Barens ngự trị vùng áp thấp với hai tâm nửa phía bắc biển, vùng áp thấp vừa nói v xoáy nghịch vòng cực mạnh với tâm Cực Bắc quan sát thấy đới giáp ranh građien khí áp lớn Trong thời gian ngy đêm (đến ngy 25/12/1995, 12 giò GMT) trung tâm khí áp đà giữ nguyên, nhng trình tiến triển điều kiện hon lu đà diễn biến đổi Sống cao áp di chuyển phía đông v đà chiếm lĩnh lÃnh thổ tây phần Xibiri Xoáy thuận, trớc hoạt động phần tây Âu nớc Nga, đà tiến sang lÃnh thổ phần đông Âu nớc Nga v dừng lại ảnh hởng phong toả sống cao áp Trên vùng nớc biển Barens hình synop biến đổi đáng kể Vẫn nh trớc, xoáy thuận hai tâm ngự trị phần phía nam biển, gây nên gió 15 m/s vùng chìm tầu Đới giáp ranh građien khí ¸p lín lan réng vỊ phÝa nam, v× vËy 469 dòng không khí phần trung tâm biển từ bắc đảo Novaia Zemlia đến biên giới biển Nauy có hớng bắc đông bắc v tốc độ 1015 m/s Trong 24 tiếp theo, xoáy thuận từ phần đông Âu nớc Nga đà tiến sang nam phần biển Barens, đà diễn trình tái sinh với vùng xoáy thuận phần nam biển Trong thời gian đó, đới giáp ranh građien khí áp lớn trung tâm biển trì v tăng cờng, biểu lộ với xoáy nghịch mạnh với tâm lÃnh thổ Greenland v chịu ảnh hởng trờng xoáy thuận từ phía nam vùng biển Với điều kiện hon lu đà liệt kê, tốc độ gió tới ngy 26/12, 00 vùng đắm tầu tăng lên tới 2025 m/s, hớng bắc Sử dụng trờng khí áp mặt đất ECMWF trªn l−íi  b−íc thêi gian 24 giê vμ néi suy theo thêi gian vμ kh«ng gian, ®· tiÕn hμnh tÝnh c¸c yÕu tè sãng giã theo lới truyền thống Kết tính toán dới dạng trờng độ cao sóng gió đợc thể hình 7.11 a, từ suy độ cao sóng 5% độ đảm bảo không cao 4,5 m vùng nớc phía nam đảo Međveđge Tốc độ gió vùng không 12 m/s hớng bắc đông bắc o Sau đà tiến hnh tính lại cho tình Sử dụng hệ phơng pháp, nhng thông tin xuất phát trờng khí áp mặt đất đợc lấy từ đồ chẩn đoán Phòng thông tin Khí tợng Nghiệp vụ lập đặn vo hạn synop tõ sè liƯu thùc KÕt qu¶ tÝnh thĨ hiƯn hình 7.11 b, từ suy vùng nớc xét độ cao sóng 5% độ đảm bảo đà tới m, tức gần lần vợt kết tính lần trớc Tốc độ gió hớng bắc đà đạt 20 m/s Trờng sóng đợc hợp thnh từ tổng hợp sóng gió địa phơng hớng bắc v sóng lừng hớng đông bắc Khác biệt hai lần tính toán l chỗ: lần 470 thø nhÊt, l−íi kh«ng gian vμ b−íc thêi gian biĨu diễn trờng khí áp mặt đất thô, diễn tả phát triển thực tế tình huống, lm cho xoáy thuận bị "lu mờ" Kết cục l trờng áp bị l trơn đáng, građien bị hạ thấp, v tơng ứng l tốc độ gió tính không Thí dụ vừa cho thấy yếu tố sóng gió khác biệt đến mức no tùy thuộc vo chất lợng thông tin xuất phát trờng áp suất khí 7.6 Phân tích kết tính v nguyên nhân sai số mô hình So sánh sai số tính toán yếu tố khác Sau phân tích sai số tính toán khí áp mặt đất, tốc độ gió v yếu tố sóng nên so sánh sai số tính toán yếu tố ny với Trên hình 7.12 ad thể ớc lợng độ xác tính áp suất khí quyển, tốc độ gió v yếu tố sóng (theo hai mô hình PD v PM) tïy thc vμo thêi gian b¸o tr−íc cđa dù báo Nh đà thấy hình 7.12 a, hệ số tơng quan r (giữa giá trị tính toán v giá trị quan trắc) tất yếu tố đơn điệu giảm Hệ số tơng quan trờng khí áp ECMWF giảm từ 0,99 xuống 0,78 thời gian báo trớc 144 Đối với tốc độ gió giảm từ 0,82 xuống 0,34 Mặc dù hệ số tơng quan tốc độ gió giảm nhanh, nhng hệ số tơng quan độ cao sóng giảm với mức độ chậm hơn: từ 0,82 xuống 0,62 (những giá trị ny gần nh hai mô hình), điều ny chứng tỏ tính "nhớ lâu" trình sóng tới điểm quan trắc đợc phát triển vùng nớc lớn Các hệ số tơng quan nh hm thời gian tất ba yếu tố (áp suất mặt đất, tốc độ gió v độ cao sóng) 471 đợc xấp xỉ tốt công thøc K i  a i exp{ i t i } , (7.32) i 1, , ngoi khí áp mặt đất nhận đợc giá trị tham số nh sau: a1  1,0 ,   4,0  10 6 , 1  2,31 ; ®èi víi tèc ®é giã tuÇn tù ta cã: a  0,83 ,   7,24  10 6 ,   2,36 , độ cao sóng: a3 0,82 ,   6,0  10 5 , 1,71 Nh đà thấy, tham số a , , đặc trng cho chất lợng tính toán yếu tố: tham số a cμng lín ( a  ) vμ c¸c tham số , cng nhỏ chất lợng tính toán cμng tèt Mèi phô thuéc t−êng minh (7.32) cho phÐp biểu diễn hệ số tơng quan trờng tèc ®é giã vμ ®é cao sãng qua hƯ sè tơng quan trờng khí áp mặt đất v nguyên tắc thiết lập mối phụ thuộc định lợng chất lợng tính toán số yếu tố thông qua yếu tố khác Sai số hệ thống BIAS độ cao sóng gió bị giảm với thời gian báo trớc (xem hình 7.12 b), tốc độ gió dao động xung quanh số không, áp suất khí tăng Về sai số bình phơng trung bình RMSE (xem hình 7.12 c) v số tản mạn SI (xem hình 7.12 d): đại lợng ny tăng tuyến tính với thời gian báo trớc Những nguyên nhân sai số liên quan tới sử dụng áp suất mặt đất ECMWF v phơng pháp tính gió Kết vận hnh mô hình đợc giới thiệu công trình ny tỏ lạc quan Đồng thời cần lu ý nguyên nhân xuất sai số có, bắt nguồn từ chỗ không xác việc khôi phục trờng khí áp xuất 472 phát, phơng pháp tính gió građien v gió mặt đất, sai số thân mô hình sóng gió v sơ đồ giải số mô hình nh sai số quan trắc sóng diễn trờng khí áp mặt đất lu ý nguyên nhân sau đây: khoảng thời gian hạn tính xảy biến đổi đáng kể građien áp suất, dẫn đến biến đổi lớn tốc độ v hớng gió; độ gián đoạn không gian mảng số liệu không cho phép mô tả cấu trúc không gian thnh tạo synop; So sánh kết tính với số liệu quan trắc máy cho thấy có phù hợp thoả mÃn Trong trờng hợp điều kiện tạo sóng khác nhiều với điều kiện lý tởng, thí dụ tâm xoáy thuận qua vùng quan trắc, hay xảy sai số lớn giá trị tính toán sóng v số liệu đo Điều ny l độ gián đoạn thông tin nhập vo 24 giờ, bớc không gian lới ngang với kích thớc thnh tạo xoáy thuận Trong trờng hợp nh nên dùng bớc thời gian v không gian nhỏ Về sai số tính gió mặt đất, nguyên nhân liên quan với tính thô mô hình sử dụng Có lẽ tính gió phải kể đến tính không dừng v đặc điểm phân bè theo ®é cao cđa giã L−u ý r»ng chuyển từ gió địa chuyển sang gió mặt đất đa số phơng pháp dùng chấp nhận trắc diện gió logarit, không tơng ứng với thực tế Do xuất sai số xác định tốc độ gió tới m/s [20, 134] Hình 7.12 So sánh hệ sè t−¬ng quan r (a), sai sè sè häc BIAS (b), sai số bình phơng trung bình RMSE (c), số tản mạn (d) tính toán v quan trắc với thời gian báo trớc khác nhau: 1- áp suÊt; - tèc ®é giã; - ®é cao sãng (PM); - ®é cao sãng (PD) Trong sè nguồn sai số liên quan tới cách biểu 473 Nhợc điểm phơng pháp l không tính tới dòng xiết lớp biên khí Đợc biết, tốc độ gió thực điều kiện bÃo biển đạt giá trị hai lần lớn trị số tính toán theo građien áp suất [20, 134] Có lẽ xây dựng phơng pháp hon thiện phải tính đến liệu thám không khí quyển, có građien nhiệt độ lớp biên 474 không khí, theo quan trắc nhiều nh nghiên cứu dòng xiết thờng liên quan tới tợng nghịch nhiệt v front khí 7.7 Những kết ln chÝnh Sai sè tÝnh sãng biĨn phơ thc vμo nhiều nguyên nhân v trớc hết vo chất lợng trờng khí áp xuất phát v độ xác tính gió, chất lợng mô hình toán v độ xác liệu quan trắc dùng để so sánh gồm bắc phần v trung phần Đại Tây Dơng Sai số tính yếu tố sóng gió theo mô hình phổ tham số khác với sai số tính toán mô hình WAM Mô hình phổ tham số sóng gió mới, ®ã sư dơng phÐp quy chn theo tèc ®é gió động lực, diễn tả đợc chuyển động tự ho hợp lớp biên khí gần mặt nớc v mặt biển dậy sóng Các thử nghiệm mô hình đà cho biết có khả tính sóng bÃo với độ xác cao so với mô hình đồng loại đà có trớc So sánh khí áp mặt đất truyền từ Trung tâm châu Âu Dự báo Trung hạn với liệu đo dn quan trắc cho thấy độ xác dự báo áp suất đủ cao thời gian báo trớc đến ngy Từ ngy thứ t chất lợng dự báo bắt đầu hẳn, dó l nguyên nhân suy giảm độ xác tính toán yếu tố khí tợng khác Sai số lớn tính gió v sóng bắt nguồn từ độ gián đoạn thời gian v không gian thô trờng khí áp truyền từ ECMWF nh mô hình tính gió Sái số bình phơng trung bình tính gió mặt đất 23 m/s, lớn hơn, l sai số điển hình phần lớn hệ phơng pháp tính dùng, điều lm hạn chế độ xác tính toán c¸c u tè sãng giã TriƠn väng tiÕp theo cđa h−íng nghiªn cøu nμy liªn quan tíi sù tÊt u phải tính đến hiệu ứng front, quy mô vừa v không dừng, tính đến chi tiết tơng tác dòng không khí với độ gồ ghề biến thiên mặt biển Các kết tính toán số trờng sóng gió biển phần phía tây Bắc Băng Dơng chứng tỏ khả "nhớ lâu" trình sóng, sóng tới vùng điểm chúng đợc quan trắc, đợc phát triển vùng nớc rộng, bao 475 Chơng Ước lợng độ cao cực trị sóng gió vùng ven bê 8.1 TÝnh cÊp thiÕt cđa vÊn ®Ị NhËp đề Sự phát triển mạnh khai thác dầu khí biển năm gần v nhu cầu tất yếu xây dựng loại công trình kỹ thuật khai thác dầu khí, có công trình vùng nớc thềm lục địa, đà đặt đòi hỏi cao phơng pháp tính toán tác động môi trờng lên công trình Một nhân tố quan trọng định độ bền v ổn định công trình kỹ thuật biển l sóng biển Tuy nhiên, chế độ sóng biển vùng thềm thờng đợc nghiên cứu cha đầy đủ, điều ny liên quan tới thực tế thiếu vắng quan trắc tin cậy đủ di lẽ sử dụng để tính toán giá trị cực trị sóng Những ớc lợng 476 ... đ không thứ nguyên X * công thức (7 .2 0) đợc biến đổi biểu thức b d  b1  / d a1 x*1 / d (7 .3 1) Hệ phơng trình (7 .1 4) với c¸c hƯ sè phiÕm hμm (7 .1 7) , (7 .1 8), (7 .2 9), (7 .3 0) cịng nh (7 .2 8), (7 .2 0). .. ; (7 .2 1) (7 .2 2) Mối liên hệ tần số cực đại v phơng sai đợc sử dụng dới dạng ~ ~ m  0,11 m0 0,34 (7 .2 3) NÕu lÊy hÖ (7 .1 4) với hệ số phiếm hm dạng (7 .1 7) , (7 .1 8) cho phơng trình thứ hai v (7 .1 5), ... (7 .1 5), (7 .1 6) (7 .2 1), (7 .2 2) cho phơng trình thứ lm phận cấu thnh mô hình có tên l PM Các tính toán sóng biển thuộc Bắc 451 Băng Dơng đà đợc thực theo phiên mô hình PM, C v G1 có dạng (7 .2 1), (7 .2 2),