Kiểm chứng mô hình dự báo trường sóng vùng vịnh bắc bộ

T¹p chÝ Khoa häc ®hqghn, KHTN & CN, T.xxI, Sè 3PT., 2005 KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh b¾c bé NguyÔn M¹nh Hïng ViÖn C¬ häc NguyÔn Thä S¸o Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn, §HQGHN TrÇn Quang TiÕn Trung T©m KhÝ t−îng Thñy v¨n BiÓn Tãm t¾t: §Ó tiÕn hµnh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé trong khu«n khæ ®Ò tµi cÊp nhµ n−íc KC-09-04 giai ®o¹n 2001 – 2005, “X©y dùng m« h×nh dù b¸o c¸c tr−êng khÝ t−îng thuû v¨n vïng biÓn §«ng”, ®· sö dông m« h×nh WAM ®Ó dù b¸o tr−êng sãng vïng kh¬i biÓn §«ng víi b−íi l−íi tÝnh 1/4 x 1/4 ®é kinh vÜ. §èi víi khu vùc ven bê ®· sö dông m« h×nh tÝnh sãng STWAVE víi b−íc l−íi tÝnh 200m x 200m nh»m tÝnh to¸n chi tiÕt tr−êng sãng t¹i c¸c khu vùc ven bê cöa s«ng. Trong b¸o c¸o c¸c t¸c gi¶ ®· tr×nh bµy c¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng dù b¸o sãng theo hai s¬ ®å nªu trªn. C¸c sè liÖu kiÓm chøng lµ c¸c kÕt qu¶ ®o ®¹c tr−êng sãng b»ng c¸c lo¹i m¸y tù ghi sãng hiÖn ®¹i t¹i khu vùc ven bê biÓn H¶i HËu, Nam §Þnh 1/2003 (øng víi tr−êng sãng trong giã mïa ®«ng b¾c) vµ t¹i khu vùc vïng biÓn Nghi S¬n Thanh Ho¸ 7/2003, øng víi tr−êng sãng trong giã mïa t©y nam. C¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng cho thÊy sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng RMS t¹i c¸c tr¹m LT1, LT2 vïng H¶i HËu vµ Nghi S¬n t−¬ng øng lµ 0.092, 0.138 vµ 0.102, t¹i c¸c tr¹m gÇn bê sai sè t¨ng lªn so víi c¸c tr¹m ngoµi vïng n−íc s©u. Sai sè ®o ®¹c bao gåm c¶ BIAS vµ RMS t¹i H¶i HËu lu«n cao h¬n Nghi S¬n do tr−êng sãng khu vùc H¶i HËu trong giã mïa ®«ng b¾c chÞu t¸c ®éng cña b·i båi phÝa ngoµi cöa Ba L¹t vµ chÞu ¶nh h−ëng cña giã ®Þa ph−¬ng. Tuy nhiªn c¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng ®· chøng minh hoµn toµn cã thÓ sö dông m« h×nh dù b¸o sãng vµo dù b¸o phôc vô thùc tÕ trªn vïng biÓn §«ng vµ ven bê ViÖt Nam. Më ®Çu Dù b¸o sãng lµ mét trong c¸c néi dung nghiªn cøu chÝnh cña ®Ò tµi cÊp nhµ n−íc KC-09-04 giai ®o¹n 2001 − 2005, “X©y dùng m« h×nh dù b¸o c¸c tr−êng khÝ t−îng thuû v¨n vïng biÓn §«ng”. Trong khu«n khæ c¸c nhiÖm vô nghiªn cøu vÒ dù b¸o sãng ®· ®−îc nªu trong ®Ò c−¬ng nghiªn cøu cña ®Ò tµi, ®· sö dông m« h×nh WAM ®Ó tÝnh to¸n dù b¸o tr−êng sãng vïng kh¬i biÓn §«ng víi b−íi l−íi tÝnh 1/4 × 1/4 ®é kinh vÜ (t−¬ng ®−¬ng víi 27km). L−íi tÝnh theo m« h×nh WAM bao qu¸t toµn bé khu vùc tõ 10S ®Õn 230N vµ tõ 990 E ®Õn 1190E . §èi víi khu vùc ven bê ®· sö dông m« h×nh tÝnh sãng STWAVE víi b−íc l−íi tÝnh 200m × 200m nh»m tÝnh to¸n chi tiÕt tr−êng sãng t¹i c¸c khu vùc ven bê cöa s«ng. C¸c l−íi tÝnh sãng ven bê ®−îc lËp theo nguyªn t¾c c¸c trôc tÝnh biªn ngoµi vïng n−íc s©u theo h−íng b¾c nam vµ trôc tÝnh tõ vïng n−íc s©u vµo bê theo h−íng ®«ng t©y. Víi c¸c l−íi tÝnh trªn, trong mét sè c¸c ®Þnh h−íng ®−êng bê lÖch nhiÒu so víi h−íng b¾c nam (vÝ dô ®−êng bê khu vùc tõ Thanh Ho¸ ®Õn §µ N½ng hoÆc ®−êng bê vïng ch©u thæ s«ng Cöu Long v.v...) sÏ kh«ng tèi −u b»ng lo¹i l−íi tÝnh cã trôc song song vµ v−¬ng gãc víi bê biÓn. Tuy nhiªn lo¹i l−íi theo ®Þnh h−íng b¾c nam, ®«ng t©y cã −u viÖt rÊt lín lµ cho phÐp bao phñ toµn bé d¶i ven biÓn n−íc ta mµ 135 NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 136 kh«ng cã khu vùc chång chÐo, ngoµi ra còng cho phÐp x¸c ®Þnh dÔ dµng c¸c ®iÓm dù b¸o sãng ven bê nÕu biÕt täa ®é cña chóng. C¸c m« h×nh tÝnh sãng WAM vµ STWAVE ®Òu lµ lo¹i m« h×nh hiÖn ®¹i hiÖn nay ®ang ®−îc sö dông réng r·i trªn thÕ giíi, tuy nhiªn ®Ó ¸p dông vµo c¸c ®iÒu kiÖn ®Þa ph−¬ng cña c¸c khu vùc vïng n−íc s©u vµ ven bê biÓn §«ng cÇn cã c¸c tÝnh to¸n kiÓm chøng m« h×nh lµ mét phÇn kh«ng thÓ thiÕu ®−îc cña mäi m« h×nh tÝnh to¸n, dù b¸o c¸c yÕu tè ®éng lùc biÓn. Trong ®iÒu kiÖn hiÖn nay, c¸c sè liÖu tù ghi sãng tin cËy ë vïng ven bê hÕt søc hiÕm, c¸c t¸c gi¶ ®· sö dông c¸c sè liÖu tù ghi sãng t¹i hai vïng biÓn thuéc vÞnh B¾c Bé. Trong bµi b¸o nµy, phÇn ®Çu giíi thiÖu vÒ m« h×nh tÝnh sãng ven bê STWAVE sau ®ã ®−a ra c¸c kÕt qu¶ kiÓm chøng m« h×nh tÝnh sãng nhËn ®−îc cho hai vïng ven bê nªu trªn vµ mét sè nhËn xÐt ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ nhËn ®−îc. 1. M« h×nh tÝnh sãng vïng ven bê STWAVE 1.1. C¸c ph−¬ng tr×nh tÝnh to¸n lan truyÒn sãng trong m« h×nh STWAVE T−¬ng t¸c gi÷a sãng vµ dßng ch¶y ®−îc x¸c ®Þnh khi sãng truyÒn trªn mét nÒn dßng ch¶y. C¸c tham sè sãng trÒn nÒn ®ã ®−îc ký hiÖu lµ r gäi lµ t−¬ng ®èi víi dßng ch¶y, cßn c¸c tham sè sãng tuyÖt ®èi lµ . Ph−¬ng tr×nh khuyÕch t¸n sãng trªn nÒn t−¬ng ®èi lµ [2]: a (1) kdthgk 2R =ω víi: tÇn sè gãc, gia tèc träng tr−êng, −ω −g −k sè sãng, −d ®é s©u. Trong hÖ tuyÖt ®èi, ph−¬ng tr×nh nµy cã d¹ng: ( )α−δ+ω=ω coskUra (2) víi: tèc ®é dßng ch¶y, h−íng cña dßng ch¶y so víi trôc , h−íng truyÒn sãng (xem h×nh 1). −U −δ x −α Sè sãng ®−îc tÝnh b»ng ph−¬ng ph¸p lÆp khi thay c¸c yÕu tè cña ph−¬ng tr×nh (1) vµo ph−¬ng tr×nh (2). §Ó tÝnh to¸n c¸c hiÖu øng khóc x¹ vµ n−íc n«ng cÇn cã tèc ®é pha cña sãng , vµ tèc ®é nhãm, trong c¶ hai nÒn chuyÓn ®éng. C gC H×nh 1. S¬ ®å tÝnh sãng trong tr−êng dßng ch¶y KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 137 Trong nÒn chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi ®èi víi dßng ch¶y ta cã: k C rr ω= (3) ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ += kd2 sh kd2 1C 5,0C rgr . (4) H−íng cña tèc ®é pha vµ nhãm lµ α . Trªn nÒn tuyÖt ®èi ta cã: ( )α−δ+= cosUCC ra (5) ( ) ( ) ( )iigrigra UCC += , (6) ë ®©y biÓu thÞ gi¸ trÞ tens¬ cña c¸c thµnh phÇn i x vµ . H−íng cña tèc ®é pha tuyÖt ®èi trïng víi h−íng tia sãng. Tèc ®é nhãm tuyÖt ®èi sÏ x¸c ®Þnh h−íng cña tia sãng do vËy tia sãng trªn h×nh 1 ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau: y ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ δ+α δ+α=µ − cosUcosC sinUsinC tg gr gr1 . (7) Sù kh¸c nhau gi÷a h−íng tia sãng vµ h−íng vu«ng gãc víi front sãng lµ c¬ së ®Ó gi¶i thÝch qu¸ tr×nh t−¬ng t¸c gi÷a sãng vµ dßng ch¶y. NÕu kh«ng cã dßng ch¶y hai h−íng nµy trïng víi nhau, khi cã dßng ch¶y h−íng truyÒn n¨ng l−îng sãng sÏ däc theo tia sãng cßn h−íng truyÒn sãng däc theo h−íng vu«ng gãc víi fr«ng sãng. H−íng nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo: n U k k n d kd2sh C R C irgra ∂ ∂−∂ ∂−=∂ α∂ , (8) víi −R täa ®é theo h−íng cña tia sãng, −n täa ®é theo h−íng vu«ng gãc víi fr«ng sãng. Ph−¬ng tr×nh b¶o toµn phæ sãng ë giai ®o¹n sãng æn ®Þnh däc theo tia sãng cã d¹ng: ( ) ( ) ( ) ∑ ω=ω αωα−µ∂∂ rr agraaiigra S ,EcosCC x C , (9) víi −E mËt ®é n¨ng l−îng sãng (chia cho gwρ ) víi −ρ lµ mËt ®é n−íc, phÇn nguån n¨ng l−îng. −S 1.2. TÝnh khóc x¹ vµ biÕn d¹ng sãng Trong m« h×nh STWAVE tÝnh to¸n khóc x¹ vµ biÕn d¹ng tr−êng sãng khi truyÒn vµo vïng ven bê dùa trªn c¬ së ¸p dông luËt b¶o toµn n¨ng l−îng däc theo tia sãng. HÖ sè biÕn d¹ng cho c¸c thµnh phÇn phæ sãng tÝnh däc theo tia sãng theo ph−¬ng tr×nh (9). Trong tr−êng hîp xuÊt hiÖn dßng ch¶y m¹nh ng−îc chiÒu víi h−íng truyÒn sãng (ë c¸c tuyÕn luång hµng h¶i, cöa l¹ch triÒu vv.. trong pha triÒu rót), sãng cã thÓ bÞ ph¸ huû do dßng ch¶y. HiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn khi ph−¬ng tr×nh khuÕch t¸n kh«ng cã nghiÖm, hay nãi mét c¸ch kh¸c lµ hiÖn t−îng ph¸ huû sãng xuÊt hiÖn khi tèc ®é pha t−¬ng ®èi cña sãng nhá h¬n c−êng ®é cña dßng ch¶y. ë vïng n−íc s©u, hiÖn t−îng nµy xuÊt hiÖn khi c−êng ®é dßng ch¶y lín h¬n 1/4 tèc ®é pha cña sãng trong tr−êng hîp kh«ng cã dßng ch¶y. (0,25 g )2/( πaT , víi lµ chu kú tuyÖt ®èi cña sãng). NÕu tr−êng hîp nµy x¶y ra, n¨ng l−îng sãng sÏ bÞ mÊt. aT NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 138 1.3. TÝnh nhiÔu x¹ NhiÔu x¹ trong m« h×nh STWAVE ®−îc tÝnh trªn c¬ së sù ph©n t¸n n¨ng l−îng sãng theo nguyªn lý lµ ph¼ng: ( ) ( ) ( ) ( )[ ]αω+αω+αω=αω −+ ,E,E 22,0,E55,0,E a1ja1jajaj , (10) víi lµ ký hiÖu cña ®iÓm tÝnh däc bê. Theo ph−¬ng tr×nh trªn sÏ x¶y ra hiÖn t−îng lµ tr¬n n¨ng l−îng sãng ë c¸c vïng bÞ che khuÊt. j 1.4. C¸c nguån truyÒn vµ mÊt m¸t n¨ng l−îng + Sãng ®æ t¹i vïng ven bê: ChØ tiªu sãng ®æ t¹i vïng ven bê lµ tû sè gi÷a ®é cao sãng vµ ®é s©u: 64,0 d H max mo = , (11) ë ®©y lµ ®é cao sãng øng víi m« men bËc 0. ë c¸c cöa vµo cña luång l¹ch, khi ®é dèc cña sãng t¨ng do t¸c ®éng cña dßng ch¶y, sãng sÏ dÔ bÞ ®æ h¬n. Trong tr−êng hîp nµy chØ tiªu sãng ®æ cña Miche (1951) lµ phï hîp nhÊt: moH kdth L 1,0H max mo = . (12) Ph−¬ng tr×nh nµy ®−îc ¸p dông trong m« h×nh ®Ó x¸c ®Þnh giíi h¹n cao nhÊt cña ®é cao sãng. N¨ng l−îng sãng trong d¶i phæ sãng sÏ bÞ gi¶m t¹i mçi tÇn sè vµ h−íng tû lÖ víi sè l−îng n¨ng l−îng bÞ tiªu hao do sãng ®æ trong mçi d¶i tÇn sè vµ h−íng sãng t−¬ng øng. + N¨ng l−îng truyÒn tõ giã cho sãng: Dßng n¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng ®−îc tÝnh theo: g u C85,0F 2 * m w a in ρ ρλ= , (13) víi: −λ hÖ sè biÓu thÞ phÇn n¨ng l−îng cña khÝ quyÓn truyÒn trùc tiÕp cho sãng (0,75), −ρ mËt ®é kh«ng khÝ, tèc ®é pha trung b×nh cña sãng, −mC −*u tèc ®é ma s¸t. N¨ng l−îng mµ phæ sãng nhËn ®−îc sÏ ®−îc tÝnh b»ng c¸ch nh©n dßng n¨ng l−îng víi thêi gian t−¬ng ®−¬ng khi sãng truyÒn qua mét m¾t l−íi: mg cosC x t αβ ∆=∆ , (14) ë ®©y thêi gian t−¬ng ®−¬ng, −∆t −∆x b−íc l−íi tÝnh, −αβ h»ng sè (=0,9 ®èi víi sãng giã), −gC tèc ®é nhãm trung b×nh cña phæ sãng, −mα h−íng sãng trung b×nh øng víi l−íi tÝnh. Trong m« h×nh STWAVE chØ cã sãng thæi theo h−íng tõ biÓn vµo míi ®−îc tÝnh g©y t¸c ®éng ®Õn sãng, ®èi víi c¸c tr−êng hîp giã thæi tõ bê ra hiÖu øng t¸c ®éng cña sãng ®Õn giã ®−îc bá qua. KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 139 + T¸c ®éng t−¬ng t¸c gi÷a c¸c sãng vµ hiÖu øng sãng ®æ b¹c ®Çu N¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng ®−îc ph©n bè d−íi t¸c ®éng cña hiÖn t−îng t−¬ng t¸c phi tuyÕn gi÷a c¸c sãng. N¨ng l−îng nµy ®−îc ph©n bæ tõ khu vùc ®Ønh phæ tíi c¸c thµnh phÇn phæ víi tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao. Trong m« h×nh STWAVE tÇn sè ®Ønh phæ sÏ t¨ng lªn cïng víi ®µ sãng (hoÆc lµ thêi gian truyÒn t−¬ng ®−¬ng däc theo ®µ). Ph−¬ng tr×nh tÝnh ®Õn hiÖu øng thay ®æi ®Ønh phæ nµy lµ: ( ) ( ) 7/3 3/4 * 3/7 ip1ip t g u 5 9 ff − + ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ ∆⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ς−= , (15) víi: −ς hÖ sè kh«ng thø nguyªn (Resio vµ Perrie 1989 [3]), vµ i 1+i lµ c¸c cét trong l−íi tÝnh. N¨ng l−îng mµ phæ sãng nhËn ®−îc ®−îc ph©n bæ trong giíi h¹n c¸c tÇn sè vÒ phÝa gi¶i c¸c tÇn sè thÊp sao cho gi÷ nguyªn d¹ng cña phæ. N¨ng l−îng sãng sÏ bÞ tiªu t¸n chñ yÕu lµ sù t¶i n¨ng l−îng vÒ c¸c tÇn sè cao vµ tiªu t¸n d−íi t¸c ®éng cña hiÖu øng sãng ®æ b¹c ®Çu vµ hiÖu øng rèi, nhít cña n−íc. Tån t¹i sù c©n b»ng ®éng lùc gi÷a n¨ng l−îng cña giã truyÒn cho sãng vµ n¨ng l−îng tiªu hao do hiÖu øng dßng n¨ng l−îng phi tuyÕn cña sãng ph©n t¸n vµo khu vùc tÇn sè cao. Dßng n¨ng l−îng nµy ®−îc tÝnh nh− sau: ( )dkth k Eg P 4/3 2/9 P 3 tot 2/1 E ε=Γ , (16) víi: dßng n¨ng l−îng, −ΓE −ε hÖ sè (=30), −totE tæng n¨ng l−îng cña phæ sãng chia cho ( gwρ ), kP - sè sãng øng víi ®Ønh phæ. N¨ng l−îng phæ sãng bÞ tiªu hao ®−îc tÝnh b»ng c¸ch lÊy tÝch cña dßng n¨ng l−îng víi thêi gian t−¬ng ®−¬ng ®Ó sãng truyÒn däc theo l−íi tÝnh ( trong ph−¬ng tr×nh ) víi t∆ β cho b»ng 1 ®èi víi gi¶i tÇn sãng lõng trong phæ víi β cho b»ng 0,9 ®èi víi gi¶i tÇn sãng giã. 1.5. øng suÊt bøc x¹ Gradient cña øng suÊt bøc x¹ ®−îc tÝnh trong m« h×nh STWAVE ®Ó ®−a ra sè liÖu ®Çu vµo cho m« h×nh tÝnh dßng ch¶y vµ tÝnh n−íc d©ng, n−íc rót do sãng. C¸c tens¬ øng suÊt bøc x¹ sãng ®−îc tÝnh theo lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh: ( ) ( ) α⎥⎦⎤⎢⎣⎡ −+α⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +αρ= ∫∫ d df 5.01cos kd2 shkd21 5,0 ,fEgS 2wxx (17) ( ) α⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ α⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +αρ= ∫∫ d df 2sinkd2shkd215,0 ,fEgS wxy (18) ( ) ( ) α⎥⎦⎤⎢⎣⎡ −+α⎟⎠⎞⎜⎝⎛ +αρ= ∫∫ d df 5,01sin kd2 shkd21 5,0 ,fEgS 2wyy (19) Gradient cña øng suÊt bøc x¹: NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 140 y S x S xyxx x ∂ ∂−∂ ∂−=τ (20) y S x S yyxy y ∂ ∂−∂ ∂−=τ (21) 1.6. D¹ng cña phæ sãng Tr−êng sãng khëi ®iÓm vïng n−íc s©u gåm ®é cao, chu kú vµ h−íng sãng ®−îc tÝnh to¸n d−íi d¹ng phæ hai chiÒu ),( θfE x¸c ®Þnh theo phæ TMA (Texel, Marsen vµ Arsloe [3]) lµ d¹ng ph¸t triÓn cña phæ JONSWAP [3] cã tÝnh ®Õn t¸c ®éng cña ®é s©u ë vïng ven bê. Phæ JONSWAP cã d¹ng: ( ) ( ) ⎟⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ σ − − − γ ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛− π α= 2 p 2 1 f f exp 4 p5 4 2 f f 25,1 exp f2 g fE , (22) ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡= 3 10 2 p U Fg 5.3f ; 22.0 2 10U gF 076,0 − ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡=α ; 71 ≤γ≤ , (23) 07,0=σ khi pff ≤ vµ 09,0=σ khi , pff > víi: −α tham sè tû lÖ, −γ tham sè ®Ønh phæ, −pf tÇn sè øng víi ®Ønh phæ, tèc ®é giã t¹i 10 mÐt trªn mÆt biÓn, −10U −F ®µ sãng. Phæ TMA cã d¹ng: ( ) ( ) ( )d , Sd,S *JONSWAPTMA ωφω=ω , (24) ( ) ( ) ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ +ω=ωφ K shK1 f 1d, ** ; gd* ω=ω , (25) ( ) ( )[ ]dkthf *1* ω=ω − ; ( )*f2K 2* ωω= , (26) víi ( )−d, *ωφ hµm träng l−îng x¸c ®Þnh tõ tû sè cña n¨ng l−îng sãng t¹i vïng biÓn s©u vµ vïng cã ®é s©u . d Phæ hai chiÒu ),( θfE nhËn ®−îc tõ phæ tÇn vµ hµm ph©n bè gãc: ),f(G )f(E),f( E θ=θ , (27) víi hµm ph©n bè gãc. Th−êng hµm ph©n bè gãc ®−îc x¸c ®Þnh kh«ng phô thuéc vµo tÇn sè ( ) vµ ®−îc tÝnh tõ c«ng thøc sau: ( )−θ,fG f ( )θG ( ) θπ=θ 2cos 2 G , víi 090≤θ (28) vµ nã ®−îc gäi lµ hµm ph©n bè gãc theo hµm sè cosin. D¹ng cô thÓ cña hµm ph©n bè gãc nµy ®−îc x¸c ®Þnh theo: KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 141 ( ) ( ) 2 cos 2 1 s 1s 2 G s2 θ−θ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +Γ +Γ π π=θ , (29) víi −θ h−íng trung t©m cña phæ ®−îc x¸c ®Þnh tõ h−íng sãng, −s tham sè hiÖu chØnh cña hµm ph©n bè gãc, khi ∞→s sãng sÏ truyÒn theo mét h−íng, −Γ hµm Gama. 1.7. S¬ ®å sai ph©n STWAVE sö dông s¬ ®å sai ph©n trªn hÖ l−íi to¹ ®é §Ò C¸c. L−íi tÝnh theo h×nh vu«ng ( ). Cã thÓ sö dông ph−¬ng ph¸p l−íi lång ®Ó tÝnh víi c¸c b−íc l−íi tÝnh ph¸c nhau. S¬ ®å l−íi tÝnh ®−îc vÏ trªn h×nh 2. STWAVE thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n trong hÖ l−íi quy −íc, víi trôc yx ∆=∆ x theo h−íng vu«ng gãc víi ®−êng bê (gèc t¹i vïng n−íc s©u), trôc song song víi ®−êng bê. H−íng cña trôc y x (± 87,5 ®é) t¹o ra vïng tÝnh kho¶ng gÇn 180 ®é (nöa mÆt ph¼ng). Trôc y th−êng cã h−íng vu«ng gãc víi ®−êng ®¼ng s©u. Gãc quy −íc cña sãng ®−îc x¸c ®Þnh theo h−íng ng−îc chiÒu kim ®ång hå. C¸c biªn h«ng trong m« h×nh cã thÓ lµ biªn láng hoÆc cøng b»ng c¸ch cho c¸c ®iÓm nót lµ d−¬ng (láng) hoÆc ©m (cøng). C¸c biªn cøng lµm gi¶m sù ph¸t triÓn cña sãng ë gÇn khu vùc biªn nµy v× nã ng¨n sù lan truyÒn n¨ng l−îng sãng tõ h−íng biªn. NÕu biªn h«ng lµ biªn láng th× trong m« h×nh chÊp nhËn gi¶ thiÕt lµ kh«ng tån t¹i gradient ngang qua biªn, cho phÐp n¨ng l−îng truyÒn tõ phÝa ngoµi vµo vïng tÝnh hoÆc tõ trong vïng tÝnh ra ngoµi. H×nh 2. L−íi tÝnh trong m« h×nh STWAVE L−íi tÝnh sãng chi tiÕt vïng ven bê, c¸c sè liÖu phôc vô tÝnh to¸n kiÓm chøng 1.7.1. L−íi tÝnh sãng chi tiÕt vïng ven bê H×nh 3 ®−a ra c¸c l−íi tÝnh sãng chi tiÕt vïng ven bê theo m« h×nh STWAVE cho khu vùc vÞnh B¾c Bé. C¸c l−íi nµy ®−îc x©y dùng theo nguyªn lý sau: + C¸c l−íi ®−îc thiÕt kÕ theo h−íng b¾c nam vµ ®«ng t©y nh»m môc ®Ých phï hîp víi l−íi tÝnh sãng vïng n−íc s©u tõ m« h×nh WAM vµ c¸c l−íi nµy sÏ bao phñ ®−îc toµn bé khu vùc ven bê víi c¸c h−íng ®−êng bê kh¸c nhau. Tuy nhiªn víi lo¹i l−íi tÝnh nh− trªn ®èi víi c¸c khu vùc cã ®Þnh h−íng ®−êng bê lÖch nhiÒu so víi h−íng b¾c nam sÏ kh«ng ph¸t huy ®−îc hiÖu dông b»ng lo¹i l−íi song song víi bê (chøa nhiÒu nót l−íi trªn ®Êt liÒn), vÝ dô nh− c¸c vïng sè 5 vµ 6 trªn h×nh 3. NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 142 + Biªn ngoµi kh¬i cña c¸c l−íi tÝnh ph¶i ®¹t tíi ®é s©u kho¶ng 30 m trë lªn vµ cã chøa c¸c ®iÓm tÝnh cña l−íi tÝnh sãng vïng n−íc s©u tõ m« h×nh WAM. + B−íc tÝnh ®ñ nhá ®Ó phôc vô cho c¸c tÝnh to¸n tr−êng sãng, dßng ch¶y sãng vµ vËn chuyÓn trÇm tÝch khu vùc ven bê. Víi môc tiªu phôc vô kiÓm chøng m« h×nh ®· chän b−íc l−íi 200 m 200 m cho hai l−íi tÝnh sè III vµ Sè IV trªn h×nh 3. B¶ng 1 ®−a ra c¸c th«ng sè cña hai l−íi tÝnh trªn sö dông ®Ó tÝnh sãng chu khu vùc H¶i HËu vµ Nghi S¬n. × B¶ng 1. C¸c th«ng sè cña c¸c l−íi tÝnh phôc vô kiÓm chøng L−íi tÝnh To¹ ®é ®iÓm gèc Sè ®iÓm tÝnh theo trôc X (b¾c nam) Sè ®iÓm tÝnh theo trôc Y (®«ng t©y) Sè III − H¶i HËu X = 708400 Y = 2269200 416 600 Sè IV − Nghi S¬n X = 6577270 Y = 2283330 408 488 H×nh 3. S¬ ®å l−íi tÝnh sãng chi tiÕt vïng ven bê vÞnh B¾c Bé C¸c ®iÓm sè liÖu sãng vïng n−íc s©u tõ m« h×nh WAM vµ c¸c ®iÓm kiÓm chøng 1.7.2. C¸c sè liÖu phôc vô tÝnh to¸n kiÓm chøng §Ó kiÓm chøng quy tr×nh dù b¸o sãng khu vùc biÓn §«ng ®· sö dông c¸c sè liÖu tù ghi sãng t¹i c¸c tr¹m ®o liªn tôc nhiÒu ngµy ë khu vùc H¶i HËu, Nam §Þnh vµ Nghi KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 143 S¬n, Thanh Ho¸. Sè liÖu sãng ®−îc ®o b»ng m¸y ®o sãng DNW-5M (Anh) vµ m¸y ®o sãng VALENPORT 730D. C¸c lo¹i m¸y trªn ®o sãng theo nguyªn lý ¸p suÊt. M¸y ®−îc ®Æt t¹i ®¸y biÓn, trªn gi¸ ®o víi ®é cao cña mµng c¶m øng ¸p suÊt c¸ch ®¸y biÓn 0.6m. TÇn sè ghi ®−îc ®Æt theo chÕ ®é 2Hz cã nghÜa lµ 1 gi©y ghi 2 sè liÖu nh»m cho phÐp ph©n tÝch phæ sãng víi c¸c sãng cã chu kú tõ 1 gi©y trë lªn. Thêi gian cña mçi lÇn ghi liªn tôc lµ 10 phót t¹i H¶i HËu vµ 15 phót t¹i Nghi S¬n. C¸c kÕt qu¶ tù ghi sãng ®−îc xö lý theo phÇn mÒm WAVEAN vµ WAVEPOST do nhµ chÕ t¹o m¸y cung cÊp. Do phÇn mÒm WAVEAN chØ ®−a ra c¸c tham sè thèng kª cña tr−êng sãng nªn ®· sö dông ch−¬ng tr×nh xö lý sè liÖu sãng vµ tÝnh phæ sãng cña CMESRC ®èi víi sè liÖu cña m¸y DNW−5M. a) §ît ®o sãng trong giã mïa ®«ng b¾c, th¸ng 1/2003 t¹i khu vùc H¶i HËu, Nam §Þnh: §−îc tiÕn hµnh trong thêi gian tõ 2/1/2003 ®Õn 9/1/2003. Trong thêi gian ®o ®· ghi ®−îc c¸c sè liÖu sãng kh¸ lín trong c¸c ngµy 5−6/1 víi giã h−íng ®«ng b¾c cùc ®¹i ®¹t tèc ®é 8−10 m/s. §· lËp 2 tr¹m ®o sãng theo mÆt c¾t th¼ng gãc víi bê biÓn: tr¹m LT1 t¹i ®é s©u 8−10 mÐt n−íc vµ tr¹m LT2 t¹i ®é s©u 2−4 mÐt n−íc phô thuéc vµo thuû triÒu. C¸c sè liÖu sãng nªu trªn bao gåm: + Thêi gian ®o, + Sè Obs ghi sãng RNO, + §é cao sãng lín Hs, + §é cao sãng cùc ®¹i sè 1-H1: tõ ®Ønh cùc ®¹i ®Õn bông cùc tiÓu kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i cïng mét sãng, + §é cao sãng cùc ®¹i sè 2-H2: tõ ®Ønh cùc ®¹i ®Õn bông cùc tiÓu cña cïng mét sãng, + §é cao sãng cùc ®¹i : trung b×nh cña 5 sãng cao nhÊt, maxH + Chu kú sãng cùc ®¹i Tmax: trung b×nh cña 5 sãng bªn c¹nh sãng cao nhÊt, maxT + Sè ®Ønh sãng trong chuçi ghi sãng , cN + Chu kú trung b×nh cña tÊt c¶ c¸c sãng cã ®Ønh , cT + Sè ®Ønh sãng c¾t ®−êng trung b×nh , zN + Chu kú trung b×nh cña c¸c sãng c¾t ®−êng trung b×nh , zT + Tham sè bÒ réng cña phæ sãng e , + Sè cét n−íc ghi ®−îc øng víi c¸c sãng , LEN + HÖ sè t¾t dÇn sö dông ®Ó chuyÓn sãng ®o ®−îc tõ tÇng ®o lªn tÇng mÆt , ATTN + Mùc n−íc biÓn trung b×nh trong toµn bé lo¹t ®o . MSL Täa ®é cña c¸c tr¹m ®o t¹i khu vùc H¶i hËu trong hÖ UTM nh− sau: Tr¹m To¹ ®é X [m] To¹ ®é Y [m] LT1 641141 2222997 LT2 637630 2226265 NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 144 b) §ît ®o sãng mïa giã t©y nam, th¸ng 7/2003 t¹i khu vùc Nghi S¬n, Thanh Hãa: Thùc hiÖn trong thêi gian tõ 13 giê ngµy 11/7 ®Õn 13 giê ngµy 18/7/2003. Trong thêi gian nµy ®· ®o ®−îc tr−êng sãng cã h−íng ®«ng nam − ®Æc tr−ng cho tr−êng sãng t¹i khu vùc vÞnh B¾c Bé trong giã mïa t©y nam, kh¸ æn ®Þnh trong toµn bé thêi gian ®o. §· tù ghi sãng t¹i tr¹m liªn tôc NS1 cã ®é s©u trong kho¶ng 7−9 m phô thuéc vµo ®é lín cña thñy triÒu. To¹ ®é cña tr¹m ®o sãng nh− sau: Tr¹m To¹ ®é X [m] To¹ ®é Y [m] NS1 587000 2135000 c) Sè liÖu tr−êng sãng vïng n−íc s©u: Tr−êng sãng vïng n−íc s©u ®−îc tÝnh theo m« h×nh WAM tõ c¸c sè liÖu tr−êng giã trªn b−íc l−íi 0,25 ®é × 0,25 ®é kinh vÜ do ®Ò tµi KC.09.04 cung cÊp. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n tr−êng sãng vïng n−íc s©u ®−îc in ra t¹i c¸c ®iÓm nót l−íi tÝnh phÝa ngoµi kh¬i c¸c ®iÓm tÝnh. Sau khi xem xÐt c¸c kÕt qu¶ tÝnh sãng cña m« h×nh WAM thÊy r»ng tr−êng sãng kh¸ æn ®Þnh t¹i vïng n−íc s©u phÝa ngoµi kh¬i c¸c ®iÓm tÝnh, ®· chän c¸c tham sè sãng t¹i ®iÓm cã to¹ ®é 20,25, 107,00 vµ ®iÓm cã täa ®é 19,00, 106,45 lµm c¸c tham sè sãng vïng n−íc s©u cho hai khu vùc t−¬ng øng lµ H¶i HËu vµ Nghi S¬n (xem h×nh 3). d) Thêi gian vµ c¸c b−íc tiÕn hµnh kiÓm chøng m« h×nh tÝnh sãng: + Do thêi gian cã sè liÖu tù ghi sãng qu¸ ng¾n, chóng t«i ®· kiÓm chøng trùc tiÕp víi c¸c sè liÖu tù ghi, bá qua b−íc hiÖu chØnh m« h×nh. + Thêi gian tiÕn hµnh tÝnh to¸n kiÓm chøng: tõ 10 h ngµy 4/1/2003 ®Õn 1 h ngµy 7/1/2003 cho khu vùc H¶i HËu − Nam §Þnh vµ tõ 13h ngµy 11/7/2003 ®Õn 1 h ngµy 14/7/2003 cho khu vùc Nghi S¬n − Thanh Ho¸ víi sè liÖu sãng tù ghi 8 Obs/ngµy t¹i hai tr¹m liªn tôc thuéc hai khu vùc nªu trªn. + Quy tr×nh tÝnh to¸n kiÓm chøng m« h×nh thùc hiÖn theo c¸c tr×nh tù sau: - TÝnh tr−êng sãng vïng n−íc s©u theo m« h×nh WAM. - TÝnh sãng truyÒn tõ vïng n−íc s©u vµo khu vùc c¸c tr¹m liªn tôc theo m« h×nh STWAVE víi b−íc l−íi 200 m 200 m vµ miÒn tÝnh kh«ng d−íi 500× 300 ®iÓm (däc bê vµ ngang bê). × - So s¸nh vµ ®¸nh gi¸ gi÷a c¸c sè liÖu sãng tÝnh to¸n vµ thùc ®o t¹i c¸c Obs. 2. KÕt qu¶ tÝnh to¸n, kiÓm chøng quy tr×nh dù b¸o sãng, ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ 2.1. KÕt qu¶ tÝnh to¸n, kiÓm chøng quy tr×nh dù b¸o sãng KÕt qu¶ tÝnh to¸n lµ ®· nhËn ®−îc c¸c b¶n ®å tr−êng sãng vïng n−íc s©u tÝnh to¸n theo m« h×nh WAM vµ c¸c b¶n ®å tÝnh sãng t¹i c¸c l−íi vïng ven bê nªu trªn h×nh 3, bao gåm c¸c ®−êng ®¼ng ®é cao sãng, c¸c vect¬ h−íng sãng t¹i c¸c Obs kiÓm chøng. H×nh 4 vµ h×nh 5 ®−a ra mét vÝ dô vÒ tr−êng sãng tÝnh to¸n vïng kh¬i theo m« h×nh WAM vµ tr−êng sãng ven bê theo m« h×nh STWAVE cho Obs ®o ®¹c 10h ngµy 4/1/2003. B¶ng 2 ®−a ra c¸c kÕt qu¶ so s¸nh ®é cao sãng tÝnh to¸n vµ thùc ®o t¹i c¸c tr¹m LT1 vµ LT2 t¹i khu vùc ven bê biÓn H¶i HËu, Nam §Þnh trong ®ît kh¶o s¸t th¸ng 1/2003. KiÓm chøng m« h×nh dù b¸o tr−êng sãng vïng vÞnh B¾c Bé 145 H×nh 4. B¶n ®å tr−êng sãng vïng n−íc s©u tÝnh to¸n theo m« h×nh WAM-10h ngµy 4/1/2003 B¶ng 2. KÕt qu¶ so s¸nh ®é cao sãng tÝnh to¸n vµ thùc ®o t¹i H¶i HËu [1] LT1 LT2 Thêi gian ®o H com H obs H com − H obs (H com − H obs)2 H com H obs H com − H obs (H com − H obs)2 4/1 −10 h 0,35 0,40 −0,05 0,0025 0,34 0,55 −0,21 0,0441 13 h 0,41 0,40 0,01 0,0001 0,35 0,39 −0,04 0,0016 16 h 0,38 0,38 0,00 0,0000 0,43 0,33 0,10 0,0100 19 h 0,41 0,41 0,00 0,0000 0,47 0,51 −0,04 0,0016 22 h 0,37 0,46 −0,09 0,0081 0,37 0,41 −0,04 0,0016 5/1 − 1 h 0,69 0,67 0,02 0,0004 0,60 0,77 −0,17 0,0289 4 h 0,78 0,91 −0,13 0,0169 0,69 0,91 −0,22 0,0484 7 h 0,99 1,06 −0,07 0,0049 0,90 1,10 −0,20 0,0400 10 h 0,96 1,03 −0,07 0,0049 0,88 1,08 −0,20 0,0400 13 h 0,90 1,04 −0,14 0,0196 0,85 0,95 −0,10 0,0100 16 h 0,81 0,63 0,18 0,0324 0,41 0,66 −0,25 0,0625 19 h 0,63 0,77 −0,14 0,0196 0,58 0,69 −0,11 0,0121 22 h 0,68 0,76 −0,08 0,0064 0,60 0,63 −0,03 0,0009 6/1 − 1 h 0,70 0,78 −0,08 0,0064 0,60 0,76 −0,16 0,0256 4 h 0,86 0,98 −0,12 0,0144 0,57 0,60 −0,03 0,0009 7 h 0,69 0,81 −0,12 0,0144 0,39 0,68 −0,29 0,0841 10 h 0,61 0,70 −0,09 0,0081 0,46 0,40 0,06 0,0036 13 h 0,49 0,58 −0,09 0,0081 0,51 0,33 0,18 0,0324 16 h 0,33 0,37 −0,04 0,0016 0,29 0,28 0,01 0,0001 19 h 0,42 0,40 0,02 0,0004 0,32 0,34 −0,02 0,0004 22 h 0,57 0,44 0,13 0,0169 0,50 0,40 0,10 0,0100 7/1 − 1 h 0,33 0,35 −0,02 0,0004 0,28 0,29 −0,01 0,0001 BIAS = − 0,044 ; RMS = 0,092 BIAS = − 0,076 ; RMS (LT2) = 0,138 NguyÔn M¹nh Hïng, NguyÔn Thä S¸o, TrÇn Quang TiÕn 146 §Ó ®¸nh gi¸ møc ®é phï hîp gi÷a c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n vµ thùc ®o ®· sö dông c¸c sai sè thèng kª trung b×nh vÒ ®é lÖch BIAS vµ sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng RMS theo c¸c c«ng thøc sau: (∑ −= ii OPN1BIAS ) , (30) ( ) 2/12ii OPN 1 RMS ⎭⎬ ⎫ ⎩⎨ ⎧ −= ∑ , (31) víi lµ sè tr−êng hîp tiÕn hµnh kiÓm chøng, lµ gi¸ trÞ ®é cao sãng tÝnh to¸n (t¹i b¶ng 2 lµ H com), lµ gi¸ trÞ ®é cao sãng ®o ®¹c (t¹i b¶ng 2 lµ H obs). N iP iO B¶ng 3 ®−a ra c¸c kÕt qu¶ so s¸nh ®é cao sãng tÝnh to¸n vµ thùc ®o t¹i tr¹m NS1 t¹i khu vùc ven bê biÓn Nghi S¬n, Thanh Hãa trong ®ît kh¶o s¸t th¸ng 7/2003 (b¸o c¸o hîp ®ång kiÓm chøng dù b¸o sãng 3/2004). 2.2. Ph©n tÝch vµ ®¸nh gi¸ c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n, kiÓm chøng quy tr×nh dù b¸o sãng C¸c sè liÖu nhËn ®−îc trªn c¸c b¶ng 2 vµ b¶ng 3 cho thÊy: + Sai sè thèng kª trung b×nh vÒ ®é lÖch BIAS t¹i c¸c tr¹m LT1, LT2 vïng H¶i hËu vµ Nghi S¬n t−¬ng øng lµ −0,044, −0,076, −0,038. Sai sè BIAS t¹i c¸c tr¹m t¹i tÊt c¶ c¸c tr¹m ®o ®Òu ©m cã nghÜa lµ gi¸ trÞ ®é cao sãng tÝnh to¸n th−êng nhá h¬n so víi gi¸ trÞ thùc tÕ. T¹i Nghi S¬n vµ tr¹m phÝa ngoµi kh¬i (LT1) H¶i HËu cïng n»m trªn mét kho¶ng ®é s©u nªn sai sè nhá h¬n so víi tr¹m ven bê LT2 t¹i H¶i HËu. + Sai sè trung b×nh b×nh ph−¬ng RMS t¹i c¸c tr¹m LT1, LT2 vïng H¶i HËu vµ Nghi S¬n t−¬ng øng lµ 0,092, 0,138 vµ 0,102 còng cho thÊy t¹i tr¹m s¸t bê cã sai sè lín nhÊt. + Sai sè ®o ®¹c bao gåm c¶ BIAS vµ RMS t¹i H¶i HËu lu«n cao h¬n Nghi S¬n do tr−êng sãng khu vùc H¶i HËu trong giã mïa ®«ng b¾c chÞu t¸c ®éng cña b·i båi phÝa ngoµi cöa Ba L¹t. MÆc dï trong m« h×nh STWAVE ®· tÝnh ®Õn t¸c ®éng cña giã ®Þa ph−¬ng tíi tr−êng sãng khi lan truyÒn (xem c«ng thøc 13) nh−ng trong c¸c tr−êng hîp tr−êng sãng thùc tÕ lµ sãng hçn t¹p (nhiÒu hÖ sãng giã hoÆc sãng giã vµ sãng lõng) sai sè tÝnh to¸n, dù b¸o th−êng lín h¬n so víi c¸c tr−êng hîp tr−êng sãng ®¬n thuÇn lµ sãng giã (1 hÖ) hoÆc sãng