Mô hình hóa toán học sóng gió trong đại dương bất đồng nhất không gian ( Đại học quốc gia Hà Nội ) - Chương 7 doc

cho ®Õn tËn ngμy nay. Cã lÏ, ®iỊu nμy lμ do các mô hình ny cho những
kết quả thoả mÃn nhu cầu của các nh thực hnh v ngoi ra, chúng có
tốc độ chạy nhanh so với những mô hình sóng gió hiện đại hơn thuộc thế
hệ ba v bốn [365].
Trong công nghệ tính toán chung sẽ xem xét sau đây, chúng tôi
sử dụng mô hình phổ tham số. Mô hình ny, một mặt do nó sử dụng
phép tham số hóa quá trình vận chuyển năng lợng phi tuyến yếu
trong phổ sóng, nên nó thuộc loại các mô hình hon thiện thế hệ hai,
nhng mặt khác, vì trong nó tính đến sự tơng tác sóng với lớp biên
khí quyển, nên có thể xếp vo loại mô hình sóng gió thế hệ bốn. Nh
sau đây sẽ cho thấy, mặc dù khá đơn giản, mô hình phổ tham số đa
ra các kết quả khá tin cậy, hơn nữa vận hnh nhanh, có thĨ sư dơng
thùc hiƯn c¸c tÝnh to¸n nghiƯp vơ trong thời gian thực v để giải
quyết các bi toán có tính chất khí hậu cần tính toán liên tục trờng
sóng gió trong nhiều thập nên.

Chơng 7
những vấn đề dự báo nghiƯp vơ giã vμ
sãng theo c¸c tr−êng khÝ ¸p

7.1. Tỉng quan vấn đề

Mục đích cuối cùng xây dựng các mô hình sóng gió l sử
dụng chúng trong tính toán chẩn ®o¸n vμ dù b¸o thùc tÕ. VÊn
®Ị sư dơng thùc tế các mô hình tỏ ra phức tạp hơn, bởi vì tùy
thuộc không chỉ vo bản thân các mô hình, m còn vo chất
lợng thông tin xuất phát, đó l trờng gió hay khí áp mặt đất.
429

Kết cục, chỉ có đối sánh các kết quả tính toán với dữ liệu quan
trắc thực địa l tiêu chí khách quan về độ chính xác tính các

yếu tố sóng gió v chất lợng mô hình.
Sự phức tạp khi so sánh các kết quả tính mô hình với dữ
liệu thực địa liên quan tới một loạt vấn đề. Để thực hiện tính
toán cần thông tin xuất phát tin câyk về trạng thái khí quyển
trong lớp biên sát đất, bao gồm khí áp, tốc độ gió, nhiệt độ nớc
v không khí. Ngoi ra, cần những số liệu quan trắc về gió v
sóng. Hiện nay đà có những mảng dữ liệu quan trắc khá lớn về
trạng thái biển do đội hoa tiêu quan trắc bằng mắt từ tầu. Tuy
nhiên, những dữ liệu ny cung cấp một ớc lợng quá thô, khó
có thể dùng để kiểm tra các mô hình toán. ở đây chỉ nên sử
dụng các số liệu quan trắc máy. Đáng tiếc, vấn đề thu nhận các
số liệu quan trắc máy thờng vẫn còn bỏ ngỏ.
Từ năm 1994, ở Viện nghiên cứu Khoa học Bắc Cực v Nam
Cực () đà xuất hiện khả năng hiện thực sử dụng các dữ
liệu quan trắc đồ sộ thực hiện bằng máy trên các dn khoan
thuộc các vùng biển Nauy, Greenland v Bắc Hải. Vị trí địa lý
của các dn ny đợc chỉ ra trên hình 7.1. Các số liệu đều đặn
nhập về trung tâm điện tín của theo các kênh trao đổi
quốc tế (mà "Ship"). Điều ny tạo cơ hội để kiểm tra độ chính
xác dự báo gió mặt đất v sóng do viện đều đặn phát hnh cho
các vùng biển thuộc Bắc Băng Dơng v Bắc Đại Tây Dơng.
Các dự báo thực hiện theo một hệ phơng pháp dựa trên sử
dụng mô hình phổ tham số [43, 99, 171, 185]. Thông tin xuất
phát l các dự báo khí áp truyền tới từ Trung tâm Châu Âu Dự
báo Trung hạn (ECMWF). Để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, trớc
hết phải tổ chức công tác thu nhận v tích luỹ thông tin quan
trắc một cách tin cậy, tiến hnh phân loại v phân tích, loại bỏ
khiếm khuyết, sắp xếp tơng ứng giữa các dữ liệu tính toán v
430

dữ liệu quan trắc theo thời gian v không gian.
Vấn ®Ị ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c tÝnh to¸n giã vμ sóng thậm
chí khi có các số liệu quan trắc vẫn cha phải l vấn đề tầm
thờng. Nảy sinh những vấn đề về chất lợng v tính đại diện
của số liệu quan trắc thực hiện trên các dn v phao quan trắc,
bởi vì thiếu thông tin về phân thang v chuẩn độ các dụng cụ
quan trắc đối với các cấp tốc độ, hớng gió v độ cao sóng. Mặc
dù những dữ liệu ny đợc truyền theo các kênh trao đổi quốc
tế, vấn đề về độ chính xác của chúng vẫn còn l vấn đề bỏ ngỏ.
Phải nhận xét rằng tốc độ gió v độ cao sóng đợc truyền với độ
chính xác đến nửa mét, điều đó luôn ảnh hởng tới độ chính xác
của những ớc lợng của chúng tôi. Mặt khác các quan trắc
thực hiện trên những dn đo có tọa độ không trùng với các nút
trên lới tính của mô hình. ở đây phải nội suy các kết quả tính
cho các điểm quan trắc, điều đó cũng dẫn tới những sai sè bỉ
sung. Nh− vËy kh«ng thĨ kú väng vỊ độ chính xác cao khi đánh
giá chất lợng các tính toán của chúng tôi.
Còn về độ chính xác của bản thân các tính toán sóng, ít nhất
tồn tại một số nguồn sai số. Trớc hết, đó l độ chính xác của
thông tin xuất phát về áp suất khí quyển mặt đất đợc tính toán
ở ECMWF. Những sai số không lớn khi tính khí áp mặt đất có thể
dẫn tới những sai số đáng kể khi tính gió v sóng. Thí dụ, sai số
tính khí áp ~0,1% có thể dẫn đến sai sè tÝnh tèc ®é giã 10% (®èi
víi giã 10 m/s), v gây sai số tính độ cao sóng gió 20%, còn sai số
tính khí áp ~0,2% gây sai số tèc ®é giã 20% vμ sai sè tÝnh ®é cao
sãng gió 50%. Vì vậy độc lập đánh giá chất lợng các dự báo khí
áp mặt đất của ECMWF dùng phổ biến trong các phơng pháp dự
báo cũng l một công việc đáng quan tâm.

tin khí áp mặt đất truyền từ ECMWF theo mà GRID đợc thể
hiện tại các nút của vùng lới đều tọa độ cầu v đợc truyền
với khoảng gián đoạn thời gian nhất định. Tại thông
tin đợc thể hiện trên lới 5 5o một lần trong 24 giờ, điều ny
hiển nhiên l không đủ. Vì vậy nảy sinh yêu cầu nội suy
những giá trị ny cả theo thêi gian lÉn theo kh«ng gian. Sai sè
néi suy đơng nhiên cũng góp phần vo tổng sai số chung của
các tính toán tiếp theo.
Nguồn sai số thứ ba nảy sinh từ phơng pháp tính gió
građien, sau đó l gió mặt đất. Nh đà biết, để tính đúng gió
mặt đất phải giải bi toán lớp biên khí quyển v cần thông tin
về trạng thái khí quyển trên các tầng khác nhau. Trong thùc tÕ,
chóng ta th−êng chØ cã th«ng tin trên một tầng. Vì thiếu thông
tin buộc chúng ta phải sử dụng những phơng pháp đơn giản
hóa tính gió mặt đất cha thâu tóm đợc một loạt những nhân
tố quan trọng.
Nguồn sai số cuối cùng l bản thân phơng pháp tính các
yếu tố sóng. Vấn đề ny bỏ ngỏ cho ®Õn tËn ngμy nay. Nguån sai
sè nμy phô thuéc vμo một loạt các nhân tố bao gồm cả các
phơng diện vật lý của vấn đề mô hình hóa toán học sãng giã
lÉn nhøng vÊn ®Ị hiƯn thùc hãa b»ng sè các phơng trình đạo
hm riêng mô tả sự tiến triển của mật độ phổ sóng gió.
Nh vậy, chất lợng so sánh các kết quả tính toán của
chúng ta với dữ liệu quan trắc phụ thuộc vo nhiều nhân tố. Sai
số cuối cùng phụ thuộc vo nhiều nguyên nhân sẽ đợc khảo sát
tiếp dới đây.

Nguồn sai số thứ hai khi sử dụng thông tin khí áp mặt đất
l sai số nội suy thời gian v không gian. Vấn đề ở chỗ th«ng
431

432


5 5o hệ tọa độ địa lý. Độ gián đoạn không gian v thời gian nh
vậy cung cấp một khái niệm chung về trạng thái trờng khí áp,
nhng tỏ ra khá thô để thực hiện tính toán sóng biển. Hơn nữa,
vấn đề về độ chính xác của bản thân thông tin cung cấp theo
định dạng đà nêu còn l vấn đề bỏ ngỏ.
Với mục đích ớc lợng độ chính xác tính toán trờng khí
áp mặt đất của ECMWF chúng tôi đà sử dụng một chuỗi trờng
khí áp mặt đất di 19 tháng trong thời kỳ từ 27/7/1994 đến
27/12/1995. Nhờ nội suy các giá trị khí áp từ các nút lới đều
trên mặt cầu đà đợc suy về các điểm có tọa độ trùng với vị trí
các dn khoan nơi thực hiện quan trắc. Kết quả so sánh các giá
trị khí áp mặt đất đo đợc trên các dn khoan v các số liệu
tính toán của ECMWF đà suy về điểm đo, với thời gian báo
trớc khác nhau đợc biểu diễn trên các hình 7.2 ad. Các trị số
ớc lợng thống kê của phép so sánh ny dẫn trong bảng 7.1.

Hình 7.1. Vị trí các dn quan trắc cố định

7.2. đánh giá độ chính xác dự báo khí áp mặt đất của
Trung tâm Châu Âu dự báo trung hạn

Trớc khi đánh giá các tính toán gió v sóng, phải đánh giá
chất lợng v độ tin cậy của thông tin xuất phát khí áp mặt
đất của ECMWF đợc dùng trong các mô hình tính. Đợc biết, ở
ECMWF các tính toán v dự báo trờng khí áp mặt đất thực
hiện theo mô hình phổ hon lu khí quyển ton cầu, trong đó

dữ liệu ban đầu l thông tin quan trắc về các tham số khí quyển
v đại dơng từ mạng lới quan trắc thời tiết ton thế giới. Bản
thân các kết quả tính toán của ECMWF đợc chuyển tới ngời
dùng theo một định dạng thoả thuận nhất định. Thí dụ, thông
tin về trờng khí áp mặt đất truyền về đợc tiếp nhận
nh l thông tin chẩn đoán cũng nh l thông tin dự báo cho 24,
48, 72, 96, 120 v 144 giờ (độ gián đoạn 24 giờ) ở các nút lới
433

Bảng 7.1. Các ớc lợng thống kê so sánh kết quả tính khí áp mặt đất
của ECMWF với quan trắc thực địa
Thời gian báo trớc của dự báo, giờ
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 số trung bình

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

Hệ số tơng 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 các kết quả tính khí áp mặt đất
a) chẩn đoán 00 giờ; b) dự báo 48 giê; c) dù b¸o 96 giê; d) dù b¸o 144 giờ;

435

của ECMWF với quan trắc thực địa:
1) 1 trờng hợp; 2) 2 tr−êng hỵp; 3) 3 tr−êng hỵp; 4) 4 tr−êng hỵp

436


Nh đà thấy trên hình 7.2 v bảng 7.1, khi thời gian báo
trớc tăng thì các sai số tính toán đơn điệu tăng, hệ số tơng
quan giảm. Dấu trừ trong bảng có nghĩa rằng các giá trị tính
toán cao hơn so với các giá trị đo.

điều kiện ban đầu để thực hiện tính toán theo mô hình hon
lu khí quyển.

Với ba ngy đầu chất lợng của các tính toán v dự báo giá

trị của trờng khí áp mặt đất khá cao. Bắt đầu từ ngy thứ t
sai số tăng đáng kể, tới các ngy thứ sáu, thứ bảy thì sai số đÃ
lớn đến mức dự báo chỉ có thể có ý nghĩa định tính chứ không
phải l định lợng nữa. Sai số dự báo trờng khí áp hạn chế độ
chính xác tính gió v sóng. Vì lý do đó không nên kỳ vọng một
chất lợng cao của dự báo gió v sóng cho các ngy thứ sáu thứ
bảy.

Tính gió građien. Vấn đề tính gió mặt đất theo trờng áp
suất đà đợc xét trong nhiều công trình [20, 134, 149, 162, 171,
178, 182]. Ngμy nay thËm chÝ khã mμ tæng quan đầy đủ các
công trình về đề ti ny. Trong trờng hợp tổng quát nhiệm vụ
ny quy về giải bi toán chuyển động của dòng không khí trong
lớp biên khí quyển dới tác động của građien áp suất, lực
Coriolis, lực ma sát (phân tử v rối) v lực hấp dẫn trọng
trờng. Nếu cho rằng các chuyển động ngang lớn hơn nhiều so
với chuyển động thẳng đứng v không tính đến biến đổi của mật
độ với độ cao trong lớp biên khí quyển, các phơng trình chuyển
động đợc viết dới dạng:
dU 1
U 1
1 p

 2 z U 2 
(k
);

(7.1)
dt
z

 x
z

C¸c kÕt quả so sánh đà dẫn còn chứng tỏ có sự vợt trội có
tính chất hệ thống giữa giá trị tính toán khí áp mặt đất so với
giá trị đo, v nó tăng dần khi tăng thời gian báo trớc của dự
báo (thực vậy, với ngy đầu tiên sai số hệ thèng b»ng –0,14 hPa,
nh−ng víi ngμy thø b¶y –1,64 hPa). Tuy nhiên, phải nhận thấy
rằng để đảm bảo tính chính xác tốc độ gió v tơng ứng l sóng
thì điều quan trọng l độ chính xác tính građien áp suất, chứ
không phải đơn thuần l giá trị áp suất.
Những giá trị so sánh trờng khí áp mặt đất dẫn trên đây
một mặt chứng tỏ về sự phù hợp khá tốt với số liệu quan trắc
cho vi ba ngy đầu, mặt khác cũng chứng tỏ về sai số tơng
đối thấp của phép nội suy không gian sử dụng trong công trình
ny để quy các giá trị trờng áp suất về các điểm quan trắc.
Có lẽ, sự phù hợp tốt cho ngy đầu cũng do một thực tế l
những số liệu đo m chúng tôi dùng để so sánh, nằm khá gọn
trên một diện tích hạn chế (thủy vực Bắc Hải v phần nam các
biển Nauy v Greenland), v chính những số liệu đó đợc
dùng ở ECMWF ở giai đoạn khai thác thông tin lm những
437

7.3. Các phơng pháp tính gió mặt ®Êt

dU 2
U 2
1 p



 2 zU 1 
(k
);
 y
z
dt
z



p
 g a ,
z

(7.2)
(7.3)


U
trong ®ã U   1 , U 2 , U 3   vect¬ vËn tèc; p  ¸p suÊt;  z 

thμnh phÇn vËn tèc gãc quay Trái Đất; k hệ số trao đổi rối;
a mật độ không khí.
Nhận thấy các vế trái của những phơng trình (7.1) v (7.2)
biểu diễn các đạo hm toμn phÇn theo thêi gian:
dU 1 U 1
U 1
U 1
U 1


 U1
 U2
 U3
;
(7.4)
t
x
y
dt
z
438


dU 2 U 2
U 2
U 2
U 2

 U1
 U2
 U3
.
z
dt
t
x
y

(7.5)

C¸c phơng trình (7.1)(7.5) cùng với phơng trình liên tục
a  ( aU 1 )  ( aU 2 ) ( aU 3 )


0

(7.6)
t
x
y
z
l một hệ phơng trình m nghiệm của nó xác định giá trị của
tốc độ gió trong lớp biên khí quyển. Khó khăn chính của viƯc
gi¶i hƯ nμy lμ tÝnh phi tun cđa hƯ vμ hƯ sè trao ®ỉi rèi lμ hμm
ch−a biÕt tr−íc cđa tọa độ thẳng đứng z . Vì lý do đó bi toán
thờng đợc đơn giản hóa. Đầu tiên xác định gió građien, sau
đó gió građien đợc dẫn xuống lớp biên sát mặt nớc.
Với trờng áp suất dừng, không có lực ma sát, từ (7.1)(7.3)
tốc độ gió địa chuyển U gstr đợc xác định theo biểu thức
U gstr

p
1
,
( a f K ) n

p
građien ngang của
n
khí áp. Phép chuyển sang gió građien U g cho phép tính đến

những số hạng phi tuyến trong (7.1)(7.5) nhờ tính đến lực ly
tâm. Đối với những đờng đẳng áp với bán kính cong R ngời
ta xác định giá trị gió građien theo công thøc
 4U gstr
fK R 
  1  
 f
2
K


Trong trờng hợp tổng quát tính gió mặt đất có thể thông
qua giải bi toán tơng tác giữa mặt nớc v khí quyển trong
lớp biên. Nghiệm đơn giản hóa của bi toán đà nhận đợc
trong công trình quen thuộc của Monhin Kazanski [149]. Mối
liên hệ giữa gió građien U g , tốc độ ma sát U * v tham sè gå
ghỊ cã d¹ng
2
2



U*
1 


 
 B ()  A 2 ();
ln


2

  f K Z 0





A U*
sin 
,
Ug

U g

U
*

(7.7)

ở đây f k 2 sin tham số Coriolis;

Ug

nhiều hệ phơng pháp chuyển từ gió građien sang gió mặt đất
[20, 134, 171, 182, 362]. ở đây không có ý định khái quát hóa,
chúng tôi chỉ xem xét một số phơng pháp phổ biến nhất v thử
xác định mối liên hệ giữa gió mặt đất đo đợc trên các dn quan
trắc v giá trị gió građien tính đợc theo trờng chẩn đoán áp

suất mặt đất.






1/2


.



ở đây A v B l các hm trong trờng hợp tổng quát phụ thuộc
vo phân tầng khí quyển; tham số phân tầng; Z 0 tham số
gồ ghÒ;   0,4  h»ng sè Karman;   góc giữa hớng gió
građien v hớng gió tại tầng 10 mét.
Tốc độ gió trong phụ lớp biên sát đất tại độ cao Z đợc xác
định theo công thức

(7.8)
UZ

Nhận thấy rằng trong các tính toán số đôi khi nảy sính khó
khăn trong việc xác định đúng bán kính cong R của các đờng
đẳng áp.
Các hệ phơng pháp tính gió mặt đất. Hiện nay có
439

(7.9)

U* Z
ln
Z0



.



(7.10)

Khó khăn chủ yếu khi dùng mô hình Monhin Kazanski l
ở chỗ xác định các hệ số A v B , những hệ số ny l những
hm của trạng thái phân tầng khí quyển. Theo những dữ liệu
của công trình [149], đối với phân tầng phiếm định có thể chấp
440


nhËn A  4,5 , B  1,7 (theo sè liệu của S. S. Zilitinkevich,
1989). Nhiều tác giả đà xác định các giá trị của các hệ số ny
đối với các điều kiện phân tầng khác, nhng các giá trị nhận
đợc còn rất khác nhau.
Khó khăn thứ hai khi sử dụng mô hình ny l ở chỗ trong
phần lớn trờng hợp tham số gồ ghề Z 0 v phân tầng lớp biên
khí quyển sát đất không xác định. Trờng hợp may mắn nhất l
biết đợc nhiệt độ không khí tại một tầng cao v nhiệt độ nớc
lớp mặt đại dơng.

Trong công trình [362] các tham số trong mô hình Monhin
Kazanski đợc xác định nh sau. Chấp nhận tham số gå ghÒ
2
Z 0  0,021  U * / g không phụ thuộc vo giai đoạn phát triển
sóng, những công thức sau đây đợc đề xuất để tính toán thực
tế c¸c hƯ sè A vμ B :
 2,2  4,4

A 0
 6,6


  1,35  0,6
 1,35  0,1U  3,1

g
B
6


 0,75


víi
víi

0    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,

ở đây Ta Tw ; Ta nhiệt độ không khí tại độ cao 10 m; Tw
nhiệt độ mặt biển.
Sử dụng các tham số A v B nh những hm của hiệu
nhiệt độ nớc v kh«ng khÝ   Ta  Tw cho phÐp tÝnh tốc độ
động lực v xác định tốc độ gió tại một tầng đang xét trong lớp
biên, thí dụ tại độ cao 10 m.
Tuy nhiên nhận thấy rằng trong mô hình ny không tính
441

đến biến thiên của độ gồ ghề tùy thuộc vo trạng thái mặt biển.

Nh vậy mô hình có cùng mức đúng đắn nh nhiều chỉ dẫn
khác về việc chuyển từ gió građien sang gió mặt đất, vì tất cả
đều chỉ sử dụng cùng một thông tin: giá trị gió građien v hiệu
nhiệt độ nớc v không khí.
Trong công trình của V. I. Makova [134] trên cơ 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 tại tầng 10 m (U 10 ) đợc tính theo một bảng hệ số chuyển
đổi K T : U 10 K T U g . Trong bảng còn dẫn hiƯu chØnh  cho
h−íng giã, tøc gãc lƯch cđa vect¬ tốc độ gió về phía tâm xoáy
thuận. V. I. Đmov sử dụng nội suy tuyến tính, đà chính xác
hóa các trị số trung gian của bảng I. V. Makova v ngoại suy các
trị số cho vùng phân tầng 0,5 v 4 . Tiếp sau đây sẽ sử
dụng hệ phơng pháp tính gió mặt đất cải biên theo kiểu nh
vậy.
So sánh số liệu đo tốc độ gió trên các dn khoan cố
định với gió građien. Thông tin khí tợng thủy văn nhận
đợc trên các dn khoan đợc truyền theo các kênh trao đổi
quốc tế bằng mà SHIP gồm khí áp, nhiệt độ nớc v không khí,
tốc độ gió quy về độ cao 10m trên mực biển. Dùng thông tin ny
v trờng chẩn đoán khí áp mặt đất của ECMWF trong 19
tháng, ta so sánh các dữ liệu với nhau v xác định các hệ số
chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất.

Xuất phát từ các trờng chẩn đoán áp suất mặt đất của
ECMWF v sử dụng các biểu thức (7.7) v (7.8) đà tính ra các
giá trị gió građien v so sánh với các giá trị tốc độ gió quan trắc
ở độ cao 10 m đối với các trờng hợp biết nhiệt độ nớc v không
khí. Nhận thấy tỉ số giữa tốc độ gió quan trắc v gió građien có
tính chất ngẫu nhiên. Để phân tích thống kê, những giá trị gió

442


đà đợc phân chia thnh các cấp tùy thuộc vo tốc độ gió
građien (cách nhau 5 m/s) v hiệu nhiệt độ nớc v không khí
(cách nhau 2o). Vì trong mỗi cấp có một số ngẫu nhiên các giá
trị, nên để ớc lợng giá trị trung bình trong một cấp đà tính
các giá trị trung vị, một đặc trng trung bình ổn định nhất. Kết
quả thể hiện trong bảng 7.2. Nh đà thấy, bảng bao quát một
dải khá rộng biến thiên tèc ®é giã (tõ 0 ®Õn 35 m/s) vμ hiƯu
nhiƯt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ (tõ  6 ®Õn 8o). Giá trị tỉ số tốc độ
gió mặt đất trên gió građien biến đổi trong phạm vi từ 1,3 đối
với gió yếu (dới 5 m/s) v phân tầng ổn định đến 0,57 đối với
gió mạnh (3035 m/s).
Bảng 7.2. Các hệ số chuyển đổi từ tốc độ gió građien sang gió mặt đất
theo dữ liệu quan trắc (trong ngoặc vuông ghi số trờng hợp)
Hiệu
nhiệt độ
Tw Ta (oC)

6,0.. 4,0

Tốc độ 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

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 dÊu ngoặc vuông của mỗi giá trị trung vị ghi số giá
trị quan trắc đợc sử dụng. Nh đà thấy, trong mỗi cấp có số
trờng hợp quan trắc (số điểm) khác nhau. Số lợng điểm lớn
nhất thuộc về các cấp gió yếu v gió vừa v phân tầng gần với
phiếm định. Đối với các gió mạnh v phân tầng khác phiếm
định số điểm giảm mạnh, chứng tỏ hiệu ứng xáo trộn mạnh
trong lớp biên khi gió mạnh. Điều lý thú l phần lớn trờng hợp
gió yếu (dới 5 m/s) giá trị gió mặt đất tỏ ra lớn hơn gió građien,
điều ny, có lẽ do ảnh hởng lớp biên sóng lm tăng gió mặt
nớc.
Sử dụng các giá trị trong bảng đà đề xuÊt mét quan hÖ xÊp
xØ nh− sau cho tØ sè tốc độ gió mặt đất v gió građien:
K T (1,315  0,210  lnU g ) / exp (U g  0,00152) .
(7.12)
Gãc lƯch cđa tèc ®é giã so với đờng đẳng áp về phía tâm
xoáy thuận bằng
max{1,5 18; 0} .
(7.13)
Các công thức (7.12), (7.13) nhận đợc cho một dải khá rộng
các tốc độ gió građien (tõ 2,5 ®Õn 35 m/s) vμ hiƯu nhiƯt ®é n−íc
vμ không khí (từ 6 đến 8o). Những quan hệ (7.12) v (7.13) có
thể xem nh những công thức song đề đối với những hệ phơng
pháp chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất hiện đang tồn
tại.
Phân tích so sánh kết quả tính gió mặt nớc với dữ

liệu quan trắc. Các phơng pháp tính gió mặt đất dẫn trên
đây đà đợc thử thách trên cơ sở so sánh số liệu tính toán với
kết quả đo tốc độ gió thực hiện trên các dn cố định ở các biển
Nauy, Greenland v Bắc Hải. Trong một thời kỳ một năm rỡi
đà tính gió građien theo số liệu trờng áp suất mặt đất chẩn
đoán của ECMWF, sau đó thực hiện chuyển đổi sang giã mỈt
444


đất (tại độ cao 10 m trên mực biển). Vì vấn đề chất lợng số liệu
quan trắc còn cha rõ nên từ số liệu quan trắc đà loại bỏ những
số liệu nghi ngờ.
Tại bớc thứ nhất cần thiết phải xác định ảnh hởng của
phân tầng lớp biên tới tốc độ gió mặt đất. Vì vậy đà tiến hnh
tính tốc độ gió ứng với hiệu nhiệt độ nớc không khí lấy trung
bình năm, sử dụng phơng pháp cải biên của V. I. Makova.
Chấp nhận hiệu nhiệt độ trung bình năm bằng 2,5 . Các kết
quả so sánh tính toán v quan trắc biểu diễn trên 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 trong khoảng thời gian cả một năm.

hiệu trung bình của nhiệt độ nớc v không khí trên ton vùng
nớc cũng đợc dẫn trên hình 7.3. So sánh kết quả thấy rằng:
nếu kể tới phân tầng lớp khí quyển sát mặt nớc đợc lấy trung
bình theo từng tháng, thì có thể giảm sai số hệ thống một cách
đáng kể (xem hình 7.3 a) v cũng giảm thiểu sai số bình phơng
trung bình (xem hình 7.3 b).
Sau khi xác định biến trình tháng của hiệu các nhiệt độ, đÃ
tiến hnh tính toán chẩn đoán tốc độ gió mặt nớc theo ba
phơng pháp mô tả ở trên cho chu kỳ một năm rỡi. Kết quả so

sánh với số liệu quan trắc dẫn trên hình 7.4. Các ớc lợng
thống kê tổng quát về độ chính xác tính toán dẫn trong bảng 7.
So sánh các sai số của ba phơng pháp tính thấy rằng chất
lợng tính toán gần nh nhau. Công thức (7.12) cho sai số tính
toán nhỏ nhất. Chất lợng kết quả tính của ba phơng pháp
gần nh nhau nói nên rằng các phơng pháp ấy tơng tự nhau
theo nghĩa cùng sử dụng những dữ liệu xuất phát nh nhau v
cùng tính tới những nhân tố quyết định: gió građien v hiệu các
nhiệt độ nớc v không khí.
Bảng 7.3. So sánh các ớc lợng thống kê các tính toán tốc độ gió bằng
một số phơng pháp có kể tới biến trình mùa của phân tầng theo áp suất
mặt đất chẩn đoán của ECMWF trong 19 tháng

Hình 7.3. So sánh các sai số tính tốc độ gió với phân tầng không đổi
WINDI-old (1) v phân tầng biến đổi theo các tháng WINDI-new (2):

Phơng pháp

Ước lợng thống kê
Makova

a) các sai số số học (BIAS); b) các 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 đầu tiên phải
xác ®Þnh hiƯu nμy. Nhê sè liƯu thùc ®o nhiƯt ®é trên từng dn
quan trắc đà tính tốc độ gió v so sánh với số liệu quan trắc. Kết
quả so sánh số liệu quan trắc v tính toán, trong đó 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 quá lớn (5 5o) đà l trơn trờng khí
áp, lm giảm mạnh những građien lín cđa ¸p st.
NÕu so s¸nh sai sè c¸c tÝnh toán gió mặt đất đà thực hiện
với các kết quả công bố trong chuyên khảo [303], trong đó tính
gió mặt nớc thực hiện ở ECMWF cho vùng nớc Bắc Hải theo
mô hình hon lu khí quyển, thì có thể đi ®Õn kÕt ln r»ng ®é
chÝnh x¸c tÝnh to¸n cđa chóng tôi ngang bằng với các kết quả
ny. Có lẽ, sai số bình phơng trung bình tính gió mặt đất bằng
2,02,5 m/s l giá trị điển hình của loại mô hình tơng tự.

Hình 7.4 c. So sánh kết quả tính gió mặt nớc với quan trắc
(trẩn đoán 00 giờ) theo công thức (7.12)

Hình 7.4. So sánh kết quả 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 cũng phải nhận xét rằng thực tế tất cả các
phơng pháp đều hạ thấp những tốc độ gió lớn so với số liệu
quan trắc. Điều ny, có lẽ, liên quan không chỉ tới phơng pháp
chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất, m chủ yếu l do
bản thân giá trị gió địa chuyển tính theo građien khí áp bị hạ
447

7.4. Mô hình phổ tham số về sóng gió
Hệ phơng trình đối với các tham số phổ sóng gió.

Mô hình PM. Bi toán xác định phổ sóng đối với điều kiện nớc
sâu quy về giải phơng trình (2.1) với những điều kiện ban đầu
448


 m0
1  m0
1  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 trờng gió U (, , t ) .
Có hai khó khăn cản trở việc sử dụng trực tiếp phơng
trình phổ (2.1) để tính sóng trong điều kiện nớc sâu. Thứ nhất
l thời gian tính trên máy tính khá lớn, nói chung để thực hiện
các tính toán nghiệp vụ cho những thủy vực lớn thì vấn đề ny
vẫn l trở ngại cho đến tận ngy nay. Khó khăn thứ hai l hm
nguồn cha đợc nghiên cứu đầy đủ, về điều ny đà bn luận ở
chơng 4. Trong mô hình phổ tham số, những khó khăn ny
đợc khắc phục bằng cách tăng tốc độ tính toán v sử dụng
những mối quan hệ thực nghiệm tin cậy để bù lại những điều
cha rõ về cơ chế vật lý của quá trình.
Chuyển từ phơng trình phổ sang các phơng trình tham số
đợc thực hiện nh sau [43, 185]. Giả thiết phổ sóng gió l phổ

tự mô hình, tức phổ bảo ton dạng của nó nhờ sự tơng tác phi
tuyến yếu, điều ny đợc khẳng định bằng dữ liệu quan trắc v
mô hình hóa bằng số [185]. Xấp xØ cđa phỉ lμ mét hμm cđa ba
tham sè: tÇn số cực đại phổ, mômen bậc không v hớng sóng
trung b×nh, S  S ( m , m0 ,  , x, y , t ) (d¹ng cơ thĨ cđa phổ dẫn
trong công trình [185]. Dùng một số toán tử tích phân đợc chọn
chuyên dụng [185] tác động lên phơng trình cân bằng năng
lợng sóng (2.1) có thể đa tới một hệ các phơng trình vi phân
phi tuyến đối với các tham số phổ: tần số cực đại phổ m ,
mômen không m0 v hớng truyền sóng tổng quát [185].
Tiếp theo, do có mối phụ thuộc khá chặt chẽ m0 m0 ( m ) , hệ
phơng trình đối với các tham số phổ viết trên mặt cầu (trong
hệ tọa độ địa lý) dới dạng sau:

449

1
1

D sin 
 D cos 
 G2 sin (  U )
R
R cos
t
(7.14)
ở đây ij hớng gió, còn các 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 trong các phơng trình không kể đến biến
thiên của góc khi truyền sóng trên mặt cầu (trong cái gọi l
gần đúng "tựa cầu" [162]), điều ny có thể đúng đối với sóng gió
chịu ảnh hởng trục tiếp của gió địa phơng. Khi tính truyền
sóng lừng trên những khoảng cách ton cầu vấn đề ny đợc
giải quyết chặt chẽ hơn, tức có kể đến biến thiên của góc khi
truyền sóng dọc theo cung vòng tròn lớn.
Trong mô hình phổ tham sè (quy −íc tiÕp sau gäi lμ PM) c¸c
tham số phổ v các biến độ lập đợc quy chuẩn theo tốc độ gió
trên tầng 10 m ( U U 10 ).

Nh÷ng hƯ sè b»ng sè c1 vμ d 1 phơ thc vμo hμm ph©n bè
gãc, vμ trong tr−êng hợp tổng quát vo giai đoạn phát triển
sóng. Trong các phiên bản trớc đây của mô hình [171] đà chấp
nhận c1  0,5 vμ d 1  0,4 . Tuy nhiên các tính toán kiểm tra
450


theo hệ (7.14)(7.18) đà cho ra biến thiên chậm hơn của m0 so
với số liệu thực địa (tình hình nh vËy cịng nhËn thÊy trong c¸c
hƯ tham sè kh¸c). Ng−êi ta phải tiến hnh tính toán tuân theo
cái gọi l những điều kiện tạo sóng lý tởng, trong đó mômen
không không thứ nguyên đợc xấp xỉ bằng hm luỹ thừa của
~
~
thời gian không thứ nguyên T v đ X (dấu ngà trên chỉ sự
quy chuẩn theo tốc độ gió U 10 ):
~
~
m 0  aX b ;
(7.19)
~
~
X  cT d .
(7.20)
Gần đúng nhất với số liệu thực địa l các tÝnh to¸n víi hƯ sè
c1  0,67 vμ d 1 0,47 trong công trình [171]. Tuy nhiên lm
thay đổi chỉ bằng các hệ số bằng số đà không đa tới kết quả
mong muốn, v điều đó l do những hm luỹ thừa nói trên nói
chung không phải l nghiệm riêng của phơng trình thứ nhất
của hệ. Bản thân dạng của phơng trình thứ nhất của hệ cho

phép giải bi toán nghịch: giả sử (7.19), (7.20) l nghiệm riêng
của phơng trình thứ nhất đối với điều kiện lý tởng, hÃy tìm
các hệ số phiếm hm. Nh vậy, ta có

C

1 d
dc 1 / d a bd

G 1  bdc

1/ d

g

1
bd
a

d 1
2 ( d 1)
bd 4 d  4
bd U
bd
m0bd

g

bd 1
bd 2

 bd 4
bd U bd m bd
0

.

;

(7.21)
(7.22)

Mối liên hệ giữa 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) với các hệ số phiếm hm dạng (7.17),
(7.18) cho phơng trình thứ hai v (7.15), (7.16) hoặc (7.21),
(7.22) cho phơng trình thứ nhất lm bộ phận cấu thnh thì mô
hình có tên l PM. Các tính toán sóng ở các biển thuộc Bắc
451

Băng Dơng đà đợc thực hiện theo một phiên bản của mô hình
PM, C v G1 có dạng (7.21), (7.22), trong ®ã a  5,6  10 7 ,
b  0,84 , c  0,012 , d  1,355 .
Mô hình tự ho hợp lớp biên khi quyển v sóng gió.
Mô hình PD. ở trên đà chấp nhận rằng tốc độ gió giữ nguyên
không đổi dọc theo đ, còn những giá trị độ cao sóng đợc quy
chuẩn theo tốc độ gió ny đúng với tất cả các tốc độ gió. Bằng

cách đó đà không tính đến hiệu ứng ảnh hởng ngợc lại của
sóng lên gió, vì ngời ta đà dùng những dữ liệu quan trắc nhận
đợc với các tốc độ gió trung bình (815 m/s) đem áp dụng cho
những trờng hợp gió bÃo, mạnh hơn một cách vô căn cứ. Gần
đây ngời ta đà chỉ ra tính không đúng đắn của cách tiếp cận
ny [162] v đề xuất sử dụng những số liệu đợc quy chuẩn
theo tốc độ động lực để chấn chỉnh mô hình, tạo ra khả năng
tính đến đặc điểm tơng tác phi tuyến giữa sóng v gió. Trong
công trình của M. M. Zaslavski, I. M. Kabatchenco v G. V.
Matushevski [162] đà mô tả một mô hình cùng thích ứng gió
mặt nớc v sóng gió trên cơ sở những khái niệm lý thuyết.

Trong mục ny sẽ thử xây dựng một mô hình bán thực
nghiệm về chuyển động tự ho hợp của lớp biên khí quyển v
mặt biển dậy sóng. Trong đó đà sử dụng mô hình lớp biên của
Monhin Kazanski đà mô tả ở trên v các dữ liệu quan trắc
sóng đợc quy chuẩn theo tốc độ động lực do I. N. Đaviđan
nhận đợc [162]. Lu ý rằng việc quy chuẩn các dữ liệu quan
trắc theo tèc ®é ®éng lùc lμm cho chóng cã tÝnh chất vạn năng
hơn v tạo cơ hội sử dụng chúng ®Ĩ tÝnh sãng trong tèc ®é giã
lín vμ b»ng c¸ch đó dự báo đợc trờng sóng đặc biệt nguy hiểm
một cách chất lợng hơn.
Để xác định các hệ số phiếm hm của hệ ta sử dụng mối
phụ thuộc giữa mômen không không thứ nguyên quy chuẩn
452


theo tốc độ động lực U * v đ không thứ nguyên dới dạng (dấu

G1

* chỉ quy chuẩn theo tèc ®é ®éng lùc):
*
*
m0  m0, th 2 (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 giữa giai đoạn
phát triển sóng v độ gồ ghỊ mỈt biĨn:
*
Z 0  0,4* .
m

(7.27)

Quan hƯ (7.27) do I. N. Đaviđan [162] đề xuất. Nó phản ánh
sự kiện giảm độ gồ ghề mặt biển diễn ra trong quá trình phát
triển sóng. Thế biểu thức (7.27) vo công thức của trắc diện
logarit vận tốc gió (7.10) cho phép xác định mối liên hệ giữa hệ

số trở kháng v giai đoạn phát triển sóng



Zg
~
ln m  ,
 0,667 ln 
2


Cd
  0,4U ( Z )



ở đây tốc độ gió U (Z ) lấy tại ®é cao Z  10 m.
ln C d 

0,267

(7.28)

Nh− vËy, ®èi víi c¸c hƯ sè phiÕm hμm cđa hƯ c¸c phơng
trình (7.14) ta có
(
C 1 / d d  x*d 1) / d U * ;

g
.

U * m0

(7.29)

453

(7.30)

1 / b1

.

Mômen không của phổ liên hệ với tần số cực đại không thứ
nguyên bằng quan hệ thực nghiệm dới ®©y [162, 185]:
*
*  0,37(m0 ) 0,34 .
m

2


  Cd .



)



1


*
*
x*   arcth (m0 / m0, ) 0,5 





ë đây hệ số trở kháng C d đợc xác định qua tốc độ động lực
U*

U
10

sh

b
(2a1 x*1

ở đây

Mối liên hệ giữa thời gian không thứ nguyên T* v đ
không thứ nguyên X * trong công thức (7.20) đợc biến ®ỉi
thanh biĨu thøc

b
4 d  b1  1 / d a1 x*1 1 / d

(7.31)

Hệ phơng trình (7.14) với các hƯ sè phiÕm hμm (7.17),
(7.18), (7.29), (7.30) cịng nh− (7.28), (7.20) đợc giải trong mô
hình PD. Trong đó sử dụng các quan hệ (7.20), (7.28), (7.31).
Những hệ số bằng số chấp nhận trong phiên bản cuối cùng của
mô hình PD b»ng: c  0,0075 ; d  1,355 ; a1  1,56  10 4 ;
*
b1  0,5 ; m0, 3450 .

Cần nhận xét rằng phiên bản ny của mô hình cho phép khi
thế quan hệ (7.27) vo (7.9) sẽ viết đợc một hệ kín các phơng
trình cho chuyển động tự ho hợp của lớp biên khí quyển v
chuyển động sóng của mặt biển. Nghiệm của bi toán đợc xác
định nhờ giải các phơng trình (7.14), tốc độ gió građien có mặt
trong hệ thông qua các biểu thức (7.9) v (7.27). Nh vậy tốc độ
gió tại tầng 10 m bị loại khỏi các tính toán trung gian. Nó đợc
xác định nh l kết quả cuối cung theo công thức (7.10).
Để kết thúc mô tả mô hình phổ tham số ta nhận xét rằng
giả thiết về tự mô hình của phổ sóng gió lm cơ sở của mô hình
tham số, đợc thoả mÃn đối với những điều kiện tạo sóng lý
tởng, trong thực tế điều đó không phải luôn luôn ®óng. Khi
thay ®ỉi tèc ®é giã sÏ xt hiƯn sãng lõng, xÊp xØ phæ sãng lõng
454


không có tính chất tự mô hình. Để mô tả sù tiÕn triĨn vμ lan
trun sãng lõng cÇn sư dơng phơng trình phổ cân bằng năng
lợng sóng (2.1) đối với từng hợp phần phổ. Vì lý do đó mô hình
tham số sóng gió đợc bổ sung thêm một phơng trình cân bằng
năng lợng sóng (2.1) với vế phải bằng không để mô tả quá

trình truyền sóng lừng.
Để giải số phơng trình phổ cân bằng năng lợng sóng đÃ
sử dụng phơng pháp bán Lagrange mô tả trong chơng 3.
Trong mô hình đà thực hiện khối tơng tác biểu diễn sự trao đổi
năng lợng giữa các sóng v sóng lừng trong khuôn khổ bảo
ton năng lợng sóng ton phần [185]. Nhờ kết quả giải số hệ
phơng trình với trờng gió cho trớc tính đợc các yếu tố sóng:
độ cao, chu kỳ, bớc, hớng truyền.
Kết quả tính toán kiểm tra. Tại giai đoạn tính toán thứ
nhất nhận đợc các ớc lợng yếu tố sóng cho các 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 hiện
theo hai phiên bản của mô hình phổ tham số: theo mô hình mô
tả ở trên có tính tới phÐp quy chuÈn theo tèc ®é ®éng lùc (PD) vμ
theo phiên bản trớc đây của mô hình (PM). Kết quả tính toán
độ cao sóng trung bình dọc theo đ với những tốc độ gió khác
nhau thể hiện trong bảng 7.4.

Nhằm mục đích so sánh tỉ mỉ hơn giữa các mô hình PM v PD
đối với những tốc độ gió khác nhau đà tính các tham số sau:
mômen không của phổ v tần số cực đại dọc theo đ v phụ
thuộc vo thời gian tác động.
Bảng 7.4. Biến thiên độ cao sóng trung bình theo đ đối với những tốc độ
gió U kh¸c nhau

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

Từ bảng ny suy ra đối với những tốc độ gió nhỏ độ cao sóng
h nhận đợc theo mô hình PM lớn hơn độ cao sóng hd tính theo
mô hình PD, trong khi đối với những tốc độ gió lớn (hơn 15 m/s)
quan sát thấy tình huống ngợc lại độ cao sóng tính theo mô
hình PD trở nên lơn hơn nhiều so với độ cao sóng của mô hình
PM, ngoi ra sự khác biệt ny tăng lên khi tăng tốc độ gió.

U 20 m/s
hd , m

Các giá trị mômen không quy chuẩn theo giá trị tốc độ gió
tại tầng 10 m niểu thị trên hình 7.5 a. Từ hình vẽ thấy rằng, mô
hình PM cho những giá trị nh nhau của mômen không quy
456


chuẩn dọc theo đ (không thứ nguyên, cũng quy chuẩn theo tốc
độ gió tại tầng 10 m) đối với tất cả các tốc độ gió (8, 18,5 v 30
m/s), trong khi ở mô hình PD mômen quy chuẩn tăng nhanh
hơn đối với những tốc độ gió lớn. Mômen không quy chuẩn đối
với tốc độ gió 30 m/s hơn hai lần lớn hơn giá trị tơng ứng đối
với tốc độ gió 8 m/s. Ngoi ra, đờng cong mômen không của mô
hình PM có điểm gÃy khi đạt tới giai đoạn sóng phát triển hon
ton, tức đạo hm của tham số ny theo đ gián đoạn tại điểm
ny, trong khi đối với mô hình PD giai đoạn sóng phát triển
hon ton đạt tới một cách tiệm cận, v tốc độ tăng trởng
mômen không diễn ra phẳng lặng hơn.
Biến thiên mômen không của phổ phụ thuộc vo thời gian
không thứ nguyên biểu thị trên hình 7.5 b. Đặc điểm biến thiên
của tham số gần giống nh biến thiên theo đ. Nh vậy, các giá
trị độ cao sóng quy chuẩn đối với các tốc độ gió lớn tăng nhanh
hơn so với các tốc độ gió nhỏ, cả dọc theo đ không thứ nguyên
lẫn dọc theo thời gian không thứ nguyên.
Các tính toán của chúng tôi đợc đem so sánh với những
tính toán theo mô hình WAM [303] trên hình 7.6. Từ so sánh
thấy rằng kết quả tính nói chung phù hợp với kết quả của mô
hình WAM. Với mô hình WAM cũng quan sát thấy xu thế:
mômen không quy chuẩn tăng nhanh hơn đối với những tốc độ
gió lớn. Tuy nhiên đối với sóng phát triển hon ton mô hình

PD cho những mômen không lớn hơn so với mô hình WAM. Có
lẽ, ở đây xuất hiện vấn đề tự nhiên v cha đợc nghiên cứu
đến cùng về những giá trị tới hạn của độ cao sóng đối với sóng
phát triển hon ton.
Hình 7.5. Phụ thuộc của mômen không không thứ nguyên vo đ sóng
không thứ nguyên (a) v thời gian phát triển sóng không thứ nguyên
(b) đối với các tốc độ gió khác nhau: 1 – PD 30 m/s; 2 – PD 18,5 m/s;
3 – PD 8 m/s; 4 – PM 30 m/s; 5 – PM 18,5 m/s; 6 – PM 8 m/s

457

458


đoạn ban đầu thì tình hình ngợc lại.

Hình 7.6. Phụ thuộc của mômen không không thứ nguyên vo đ không
thứ nguyên theo các mô hình khác nhau: 1 PD 8 m/s; 2 – PD 18,5 m/s;
3 – PM 8 m/s; 4 – PM 18,5 m/s; 5 – WAM 8 m/s; 6 WAM 18 m/s

Biến thiên tần số cực đại phổ quy chuẩn dọc theo đ không
thứ nguyên biểu thị trên hình 7.7. Thấy rằng tần số cực đại
theo mô hình PM v PD biến thiên gần nh nhau vμ nãi chung
phï hỵp víi sè liƯu thùc nghiƯm JONSWAP [267] v mô hình
WAM [303]. Tuy nhiên có thể nhận thấy rằng đối với những đ
~
không thứ nguyên lớn ( X 10 4 ) tần số cực đại phổ theo mô hình
WAM giảm khá chậm, giữ giá trị lớn hơn so với các tính toán
của chúng tôi. Điều ny chứng tỏ rằng trong mô hình WAM
sóng ở các giai đoạn phát triển dốc hơn, trong khi ở các giai

459

Hình 7.7. Phụ thuộc của tần số không thứ nguyên cực
~
~
đại f m m / 2 vo đ không thứ nguyên theo các mô
hình khác nhau: 1 WAM; 2 – JONSWAP; 3 – PM; 4 – PD

7.5. KÕt quả thử nghiệm mô hình sóng gió theo dữ
liệu quan trắc
Các điều kiện ban đầu v điều kiện biên của bμi
to¸n. Sau khi thùc hiƯn c¸c tÝnh to¸n kiĨm tra đà tiến hnh dự
báo các yếu tố sóng gió trên các biển phần tây của Bắc Băng
Dơng bao gồm biển Barens, Nauy, Greenland v Bắc Hải.
460


Để tính các yếu tố sóng trên vùng nớc đà cho phải đa ra
các điều kiện ban đầu v các điều kiện biên đúng của bi toán.
Từ biên mở tiếp giáp với Bắc Đại Tây Dơng (xem hình 7.1)
sóng gió vμ sãng lõng víi c¸c u tè sãng ch−a biÕt trớc, có thể
truyền vo vùng tính toán. Để khắc phục nhợc điểm ny, vùng
tính đà đợc mở rộng ra nhiều, không chỉ gồm các biển thuộc
Bắc Băng Dơng, m cả một phần đáng kể của Bắc Đại Tây
Dơng. Để xác định các điều kiện ban đầu tại thời điểm xác
định, việc tính sóng bắt đầu từ các điều kiện ban đầu bằng
không ứng với một thời điểm tiền sử no ®ã, tøc t¹i mét thêi
®iĨm "vỊ phÝa sau". Lμm nh− vậy l để cho tại thời điểm xác
định, bắt đầu từ đó tiếp tục tính sóng, trờng sóng trên vùng
nớc ta quan tâm đà hình thnh đầy đủ, kết quả tÝnh tiÕp theo

cã thĨ xem lμ tin cËy. VÊn ®Ị l ở chỗ lm thế no xác định
khoảng thời gian tiền sử v vùng mở rộng để xác định đúng
những điều kiện ban đầu tại thời điểm cố định. Câu hái nμy chØ
cã thĨ tr¶ lêi sau khi thùc hiƯn thí nghiệm số.

ở giai đoạn đầu tiên đà quyết định bắt đầu tính sóng có kể
tới 72 giờ tiền sử, còn vùng mở rộng bao gồm không chỉ các biển
quan tâm, m cả Bắc Đại Tây Dơng, bắt đầu từ 40o VB. Trên
hình 7.8 a, b đờng liền nét biểu diễn kết quả so sánh các tính
toán với số liệu quan trắc: các giá trị hệ số tơng quan v sai số
bình phơng trung bình đối với thời gian báo trớc khác nhau
của dự báo độ cao sóng gió. Từ những giá trị đà dẫn thấy rằng
hệ số tơng quan ë ngμy thø nhÊt vμ thø hai nhá h¬n so với
ngy thứ ba v thứ t, ngợc lại, sai số bình phơng trung bình
ở ngy thứ nhất v thứ hai lín h¬n so víi ngμy thø ba vμ thø t−,
trong khi đó dự báo khí áp mặt đất (xem hình 7.2) diễn biến
ngợc lại.

Diễn biến bất thờng của nghiệm nh vậy có thể giải thích
l do chọn các điều kiện ban đầu của 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 đó cũng đÃ
thử mở rộng thêm vùng tính, tới 20o VB. Chỉ khi đó đặc điểm
nghiệm bi toán mới thay đổi căn bản. Trên hình 7.8 a, b các
đờng gạch nối biểu diễn đặc điểm nghiệm mới của bi to¸n víi
miỊn tÝnh më réng. ë ngμy dù b¸o thø nhất v thứ hai chất
lợng nghiệm cải thiện đáng kể, còn bắt đầu từ ngy thứ ba nó
thực tế trùng với nghiệm cũ. Nh vậy để có đợc nghiệm đúng
của bi toán trên vùng nớc các biển phần tây Bắc Băng Dơng
phải thực hiện tính cả trên vùng nớc Bắc Đại Tây Dơng, ít

nhất bắt đầu từ 20o VB v tính đến tiền sử phát triển sóng
không ít hơn bốn ngy đêm.
So sánh kết quả tính sóng với dữ liệu quan trắc. ở
giai đoạn tiếp theo đà tính toán các yếu tố sóng gió theo các
trờng gió mặt đất nhận đợc bằng phơng pháp cải biên của V.
I. Makova, xuất phát từ trờng khí áp mặt đất chẩn đoán của
ECMWF. Trên hình 7.9 a, b biểu diễn các kết quả tính theo mô
hình PD v PM v dữ liệu quan trắc. Với tổng số 547 trờng hợp

Hình 7.8. So sánh các hệ số tơng quan r tính độ cao sóng (a)
v sai số bình phơng trung bình RMSE (b) theo c¸c vïng tÝnh
kh¸c nhau: 1 – vïng n−íc tõ 40o VB; 2 – vïng n−íc tõ 20o VB

461

462


các ớc lợng thống kê về độ chính xác tính toán nh sau: với
mô hình PD sai số hệ thống (giá trị trung bình số học) bằng 0,22
m, sai số bình phơng trung bình 0,98 m, chỉ số tản mạn
SI 28% (đặc trng ny tính cho các sóng có ®é cao lín h¬n 2
m), hƯ sè t−¬ng quan b»ng 0,82. Với mô hình PM các giá trị
tơng ứng bằng 0,33 m, 0,96 m, 31%, 0,81. Thấy rằng mô hình
PD cho kết quả có phần khá hơn.

Hình 7.10. Các kết quả tính sóng trong bÃo theo các mô hình PM (a) v PD
(b) (Trờng độ cao sóng 5% độ đảm bảo 26-10-1995)

Nếu xem xét chi tiết hơn sẽ thấy rằng mô hình PD đà hạ

thấp độ cao của các sóng bé so với mô hình PM, trong khi với các
sóng lớn tình hình diễn ra ngợc lại.

Hình 7.9. So sánh các kết quả tính độ cao sóng theo
các mô hình PD (a), PM (b) vμ sè liƯu quan tr¾c

463

464


Kết quả thử nghiệm các mô hình ny cho thấy rằng đối với
các tốc độ gió bÃo các giá trị độ cao sóng tính theo phiên bản
chính xác hóa của mô hình có thể vợt nhiều so với các độ cao
sóng nhận đợc không qua quy chuẩn theo tốc độ động lực. Để
minh hoạ trên hình 7.10 a, b biểu diễn các trờng độ cao sóng
tính theo cả hai mô hình trong cùng một tình huống bÃo. Từ các
hình vẽ thấy rằng: ở tâm bÃo theo mô hình PD độ cao sãng b»ng
13 m, trong khi ®é cao sãng theo mô hình PM bằng 10 m. Số
liệu quan trắc bằng mắt từ tầu cung cấp căn cứ để cho rằng
sóng trong thực tế đà cao hơn độ cao m mô hình PD tính đợc.
Nh vậy có thể cho rằng mô hình PD cho phép nhận những giá
trị chính xác hơn của độ cao sóng bÃo trên biển v đại dơng.
So sánh chất lợng kết quả tính sóng với mô hình
WAM. Mục ny đối sánh chất lợng các tính toán của chúng tôi

với các kết quả của một mô hình sóng gió phổ biến nhất ở
phơng Tây mô hình WAM [303], đợc ngời ta xem nh một
chuẩn quốc tế. Nói chung không thể thực hiện so sánh chính
xác đợc, bởi vì phải có cùng các trờng gió xuất phát v dữ liệu

quan trắc trên cùng một vùng nớc m trong thực tế không có.
Vì vậy chỉ có thể thực hiện so sánh có tính chất định hớng, sử
dụng thông tin hiện có, thí dụ thông tin công bố trong chuyên
khảo [303].
Trong bảng 7.5 dẫn các ớc lợng về độ chính 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 các vùng đại dơng thời
kỳ từ 12-1987 đến 11-1988.
Từ bảng ny thấy rằng chất lợng tính toán độ cao sóng
theo mô hình WAM cho vùng biển Bắc Hải phần no khá hơn so
465

với đại dơng. Nh đà nêu trong chơng 3, sơ đồ số dùng trong
mô hình WAM thể hiện cha đạt sự truyền sóng lừng trên
những khoảng cách lớn ở đại dơng. Có thể từ nguyên nhân
ny, cũng nh do không đủ thông tin khí tợng thủy văn xuất
phát ở vùng khơi đại dơng v do đó, độ chính xác thấp khi tính
gió trên thủy vực ny, có thể giải thích vì sao chất lợng tính
các yếu tố sóng gió ở Đại Tây Dơng v Thái Bình Dơng kém
hơn so với vùng biển Bắc Hải.
Bảng 7.5. Các ớc lợng độ chính 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

Các vùng ven bờ đông nớc Mỹ (4284)

-0,38

37

Các vùng ven bờ bắc nớc Anh (2825)

-0,40

29

Đại dơng (WAM)

So sánh các tính toán theo các mô hình PM v PD của
chúng tôi với các tính toán của mô hình WAM cho thấy các mô
hình có cùng độ chính xác. Đối với điều kiện Bắc Hải độ chính
xác của mô hình WAM có phần cao hơn, điều ny có thể giải
thích bằng chất lợng thông tin xuất phát v độ chính xác dữ
liệu đo sóng cao hơn.
466


Hình 7.11 b. Trờng độ cao sóng gió tính cho sóng 5% độ đảm bảo theo các bản đồ chẩn đoán lập theo dữ liệu thực

Hình 7.11 a. Trờng độ cao sóng gió tính cho sóng 5% độ đảm bảo theo trờng khí áp mặt đất của
ECMWF

467
468


Phân tích kết quả tính sóng trong bÃo 26/12/1995. Để
minh hoạ xem chất lợng thông tin khí tợng thủy văn xuất
phát quan trọng nh thế no đối với độ chính xác tính sóng gió,
chúng tôi đà phân tích kết quả tính sóng trong cơn bÃo 26-121995, khi đó ở vùng đông nam biển Barens, phía nam đảo
Međveđge đà chìm một tầu lới dê. Tình huống synop các ngy
2426/12 rất bất thờng. Nơi đây hiện diện một 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 điều kiện synop
xuất hiện gió bÃo, gây sóng lớn v đắm tầu diễn ra trong hon
cảnh liên tiếp thay thế điều kiƯn hoμn l−u.

Ngμy 25/12/1995 vμo 12 giê GMT trªn l·nh thổ phần đông
Âu nớc Nga quan sát thấy một sống cao áp trải di tới bờ nam
biển Barens. ở phần tây Âu nớc Nga nhận thấy một xoáy
thuận biểu hiện rõ với tâm trên vùng Kaliningrat. Trên miền
duyên hải v lÃnh hải phía nam biển Barens ngự trị một vùng
áp thấp với hai tâm. ở nửa phía bắc biển, giữa vùng áp thấp
vừa nói v xoáy nghịch vòng cực mạnh với tâm trên Cực Bắc
quan sát thấy một đới giáp ranh građien khí áp lớn.
Trong thời gian một ngy đêm (đến ngy 25/12/1995, 12 giò
GMT) các trung tâm khí áp cơ bản đà giữ nguyên, nhng trong
quá trình tiến triển của các điều kiện hon lu đà diễn ra
những biến đổi. Sống cao áp di chuyển về phía đông v đÃ
chiếm lĩnh lÃnh thổ tây phần Xibiri. Xoáy thuận, trớc đó hoạt
động ở phần tây Âu nớc Nga, đà tiến sang lÃnh thổ phần đông
Âu nớc Nga v dừng lại do ảnh hởng phong toả của sống cao

áp. Trên vùng nớc biển Barens hình thế synop không có gì
biến đổi đáng kể. Vẫn nh trớc, xoáy thuận hai tâm ngự trị ở
phần phía nam biển, gây nên gió 15 m/s trên vùng chìm tầu.
Đới giáp ranh građien khí áp lớn lan rộng về phía nam, vì vậy
469

dòng không khí trên 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 giờ tiếp theo, xoáy thuận từ trên phần đông Âu
nớc Nga đà tiến sang nam phần biển Barens, tại đây đà diễn
ra quá trình tái sinh với vùng xoáy thuận trên phần nam biển.
Trong thời gian đó, đới giáp ranh građien khí áp lớn ở trung
tâm biển vẫn duy trì v tăng cờng, biểu lộ với một xoáy nghịch
mạnh với tâm trên lÃnh thổ Greenland v chịu ¶nh h−ëng cđa
tr−êng xo¸y thn tõ phÝa nam vïng biĨn. Với những điều kiện
hon lu đà liệt kê, tốc độ gió tới ngy 26/12, 00 giờ ở vùng đắm
tầu tăng lên tới 2025 m/s, hớng bắc.
Sử dụng các trờng khí áp mặt đất của ECMWF trên lới
5 5 bớc thêi gian 24 giê vμ néi suy theo thêi gian v không
gian, đà tiến hnh tính các yếu tố sóng gió theo lới truyền
thống. Kết quả tính toán dới dạng trờng độ cao sóng gió đợc
thể hiện trên hình 7.11 a, từ đây suy ra độ cao sóng 5% độ đảm
bảo không cao hơn 4,5 m trên vùng nớc phía nam đảo
Međveđge. Tốc độ gió trong vùng không quá 12 m/s trên hớng
bắc đông bắc.
o

Sau đó đà tiến hnh tính lại cho cùng tình huống. Sử dụng
cùng hệ phơng pháp, nhng thông tin xuất phát về trờng khí

áp mặt đất đợc lấy từ các bản đồ chẩn đoán do Phòng thông tin
Khí tợng Nghiệp vụ lập đều đặn vo các hạn synop từ
số liệu thực. Kết quả tính thể hiện trên hình 7.11 b, từ đó suy ra
trên vùng nớc đang xét độ cao sóng 5% độ đảm bảo đà tới 7 m,
tức gần 2 lần vợt trên kết quả tính lần trớc. Tốc độ gió hớng
bắc đà đạt 20 m/s. Trờng sóng đợc hợp thnh từ tổng hợp các
sóng gió địa phơng hớng bắc v sóng lừng hớng đông bắc.
Khác biệt căn bản giữa hai lần tính toán l ở chỗ: trong lần
470


thø nhÊt, l−íi kh«ng gian vμ b−íc thêi gian biĨu diễn trờng khí
áp mặt đất quá thô, không thể diễn tả sự phát triển thực tế của
tình huống, lm cho xoáy thuận bị "lu mờ". Kết cục l trờng áp
bị l trơn quá đáng, građien của nó bị hạ thấp, v tơng ứng l
tốc độ gió tính ra không đúng.
Thí dơ võa råi cho thÊy c¸c u tè sãng giã có thể khác biệt
đến mức no tùy thuộc vo chất lợng thông tin xuất phát về
trờng áp suất khí quyển.
7.6. Phân tích kết quả tính v nguyên nhân sai số
của mô hình
So sánh các sai số tính toán các yếu tố khác nhau. Sau
khi phân tích các sai số tính toán khí áp mặt đất, tốc độ gió v các
yếu tố sóng nên so sánh các sai số tính toán những yếu tố ny với
nhau. Trên hình 7.12 ad thể hiện các ớc lợng về độ chính xác
tính áp suất khí quyển, tốc độ gió v các yếu tố sóng (theo hai mô
hình PD v PM) tùy thuộc vo thời gian báo trớc của dự báo.

Nh đà thấy trên hình 7.12 a, hệ số tơng quan r (giữa các
giá trị tính toán v các giá trị quan trắc) đối với tất cả các yếu

tố đều đơn điệu giảm. Hệ số tơng quan của trờng khí áp
ECMWF giảm từ 0,99 tại 0 giờ xuống 0,78 tại thời gian báo
trớc 144 giờ. Đối với tốc độ gió giảm từ 0,82 xuống 0,34. Mặc
dù hệ số tơng quan của tốc độ gió giảm nhanh, nhng hệ số
tơng quan của độ cao sóng giảm với mức độ chậm hơn: từ 0,82
xuống 0,62 (những giá trị ny gần nh nhau đối với cả hai mô
hình), điều ny chứng tỏ về tính "nhớ lâu" của quá trình vì
sóng đi tới điểm quan trắc đợc phát triển trên một vùng nớc
khá lớn. Các hệ số tơng quan nh những hm của thời gian đối
với tất cả ba yếu tố (áp suất mặt đất, tốc độ gió v độ cao sóng)
471

đợc xấp xỉ khá tốt bằng c«ng thøc

K i  a i exp{ i t i } ,

(7.32)

ở đây i 1, 3 , ngoi ra đối với khí áp mặt đất có thể nhận đợc
những giá trị tham số nh sau: a1 1,0 ,  1  4,0  10 6 ,
1  2,31 ; đối với tốc độ gió tuần tự ta có: a 2  0,83 ,

 2  7,24  10 6 , 2 2,36 , còn đối với ®é cao sãng: a3  0,82 ,
 3  6,0  10 5 ,  3  1,71 . Nh− đà thấy, những tham số a , ,
đặc trng cho chất lợng các tính toán các yếu tố: tham sè a
cμng lín ( a  1 ) vμ các tham số , cng nhỏ thì chất lợng
tính to¸n cμng tèt.
Mèi phơ thc t−êng minh (7.32) cho phÐp biểu diễn các hệ
số tơng quan của các trờng tốc ®é giã vμ ®é cao sãng qua hƯ sè
t−¬ng quan của trờng khí áp mặt đất v về nguyên tắc có thể

thiết lập mối phụ thuộc định lợng về chất lợng tính toán một
số yếu tố thông qua các yếu tố khác.
Sai số hệ thống BIAS đối với độ cao sóng gió bị giảm một ít
với thời gian báo trớc (xem hình 7.12 b), còn đối với tốc độ gió thì
nó dao động xung quanh số không, trong khi đó đối với áp suất
khí quyển nó luôn tăng. Về sai số bình phơng trung bình RMSE
(xem hình 7.12 c) v chỉ số tản mạn SI (xem hình 7.12 d): những
đại lợng ny tăng tuyến tính với thời gian báo trớc.
Những nguyên nhân của các sai số liên quan tới sử
dụng áp suất mặt đất của ECMWF v phơng pháp tính
gió. Kết quả vận hnh của mô hình đợc giới thiệu trong công
trình ny tỏ ra rất lạc quan. Đồng thời cũng cần lu ý rằng
nguyên nhân xuất hiện các sai số có thể có, có thể bắt nguồn từ
chỗ không chính xác của việc khôi phục trờng khí áp xuất
472


phát, của phơng pháp tính gió građien v gió mặt đất, của
những sai số của bản thân mô hình sóng gió v sơ đồ giải số của
mô hình cũng nh các sai số quan trắc sóng.

diễn trờng khí áp mặt đất có thể lu ý những nguyên nhân sau
đây:
trong khoảng thời gian giữa các hạn tính có thể xảy ra
những biến đổi đáng kể về građien áp suất, dẫn ®Õn nh÷ng biÕn
®ỉi lín vỊ tèc ®é vμ h−íng giã;
– độ gián đoạn không gian của mảng số liệu không cho phép
mô tả đúng cấu trúc không gian của các thnh tạo synop;
So sánh các kết quả tính với số liệu quan trắc bằng máy cho
thấy có sự phù hợp khá thoả mÃn. Trong những trờng hợp khi

các điều kiện tạo sóng khác nhiều với những điều kiện lý tởng,
thí dụ khi các tâm xoáy thuận đi qua vùng quan trắc, thì hay
xảy ra sai số lớn giữa giá trị tính toán sóng v số liệu đo. Điều
ny l do độ gián đoạn của thông tin nhập vo bằng 24 giờ, còn
bớc không gian của lới ngang bằng với kích thớc của thnh
tạo xoáy thuận. Trong những trờng hợp nh vậy nên dùng
bớc thời gian v không gian nhỏ hơn.
Về sai số tính gió mặt đất, nguyên nhân chính liên quan với
tính thô của mô hình sử dụng. Có lẽ khi tính gió phải kể đến
tính không dừng v đặc ®iĨm ph©n bè theo ®é cao cđa giã. L−u ý
r»ng khi chuyển từ gió địa chuyển sang gió mặt đất đa số các
phơng pháp hiện dùng chấp nhận trắc diện gió logarit, không
tơng ứng với thực tế. Do đó xuất hiện sai số xác định tốc độ gió
tới 5 m/s [20, 134].

Hình 7.12. So sánh các hệ số tơng quan r (a), sai sè sè häc BIAS (b), sai
sè b×nh phơng trung bình RMSE (c), chỉ số tản mạn (d) của các tính toán
v quan trắc với thời gian báo trớc khác nhau: 1- áp suất; 2 - tốc độ giã; 3
- ®é cao sãng (PM); 4 - ®é cao sóng (PD)

Trong số những nguồn sai số chính liên quan tới cách biểu
473

Nhợc điểm nữa của phơng pháp l không tính tới các
dòng xiết trong lớp biên khí quyển. Đợc biết, tốc độ gió thực
trong điều kiện bÃo trên biển có thể đạt giá trị hai lần lớn hơn
trị số tính toán theo građien áp suất [20, 134]. Có lẽ khi xây
dựng những phơng pháp hon thiện hơn phải tính đến dữ liệu
thám không khí quyển, trong đó có građien nhiệt độ ở lớp biên
474

không khí, vì theo quan trắc của nhiều nh nghiên cứu các dòng
xiết thờng liên quan tới hiện tợng nghịch nhiệt v các front
khí quyển.
7.7. Những kết luận chính

Sai số tính sóng biển phụ thuộc vo nhiều nguyên nhân v
trớc hết vo chất lợng các trờng khí áp xuất phát v độ
chính xác tính gió, chất lợng mô hình toán v độ chính xác dữ
liệu quan trắc dùng để so sánh.

gồm bắc phần v trung phần Đại Tây Dơng.
Sai số tính các yếu tố sóng gió theo mô hình phổ tham số ít
khác với sai số tính toán của mô hình WAM. Mô hình phổ tham
số sóng gió mới, trong ®ã sư dơng phÐp quy chn theo tèc ®é giã
®éng lực, diễn tả đợc chuyển động tự ho hợp của lớp biên khí
quyển gần mặt nớc v mặt biển dậy sóng. Các thử nghiệm mô
hình đà cho biết rằng nó có khả năng tính sóng bÃo với độ chính
xác cao hơn so với những mô hình đồng loại đà có trớc đây.

So sánh khí áp mặt đất truyền từ Trung tâm châu Âu Dự
báo Trung hạn với dữ liệu đo trên các dn quan trắc cho thấy độ
chính xác dự báo áp suất đủ cao đối với thời gian báo trớc đến
3 ngy. Từ ngy thứ t chất lợng các dự báo bắt đầu kém hẳn,
dó l nguyên nhân suy giảm độ chính xác tính toán các yếu tố
khí tợng khác.
Sai số khá lớn trong tính gió v sóng bắt nguồn từ độ gián
đoạn thời gian v không gian quá thô của trờng khí áp truyền
từ ECMWF cũng nh chính mô hình tính gió.

Sái số bình phơng trung bình tính gió mặt đất 23 m/s, đôi
khi lớn hơn, l sai số điển hình đối với phần lớn các hệ phơng
pháp tính hiện dùng, điều đó lm hạn chế độ chính x¸c tÝnh
to¸n c¸c u tè sãng giã. TriƠn väng tiÕp theo cđa h−íng nghiªn
cøu nμy liªn quan tíi sù tÊt yếu phải tính đến các hiệu ứng
front, quy mô vừa v không dừng, tính đến những chi tiết tơng
tác của dòng không khí với độ gồ ghề biến thiên của mặt biển...
Các kết quả tính toán số trờng sóng gió trên các biển phần
phía tây Bắc Băng Dơng chứng tỏ về khả năng "nhớ lâu" của
quá trình sóng, bởi vì các sóng đi tới vùng điểm chúng đợc
quan trắc, đợc phát triển trên một vùng nớc khá rộng, bao
475

Chơng 8
Ước lợng các độ cao cực trị
của sóng gió trong vùng ven bê
8.1. TÝnh cÊp thiÕt cđa vÊn ®Ị
NhËp ®Ị. Sù phát triển mạnh khai thác dầu khí trên biển
những năm gần đây v nhu cầu tất yếu xây dựng các loại công
trình kỹ thuật khai thác dầu khí, trong đó có các công trình ở
các vùng nớc thềm lục địa, đà đặt ra đòi hỏi cao đối với các
phơng pháp tính toán tác động của môi trờng lên các công
trình. Một trong những nhân tố quan trọng nhất quyết định độ
bền v ổn định của các công trình kỹ thuật biển l sóng biển.

Tuy nhiên, chế độ sóng biển ở các vùng thềm thờng đợc
nghiên cứu rất cha đầy đủ, điều ny liên quan tới thực tế thiếu
vắng những quan trắc tin cậy đủ di lẽ ra có thể sử dụng để
tính toán các giá trị cực trị của sóng. Những ớc lợng về các
476