DSpace at VNU: Ứng dụng mô hình wam dự báo trường sóng biển Đông và mô hình wam dự báo trường sóng ven bờ

TẠPCHi KHOAHỌCĐHQGHN. KHTN&CN, T.xx. sò 3PT . 2004
Ứ N G D Ụ N G M Ô H ÌN H W A M D ự B Á O T R Ư Ờ N G S Ó N G B I E N Đ Ô N G
V À M Ô H ÌN H SW A N D ự B Á O T R Ư Ờ N G S Ó N G V E N B Ờ
N guyễn T họ Sáo
Khoa K h i tượng ■Thủy uăn và H ải dương học
Trường Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG Hà Nội
T rầ n Q u a n g T iế n
Trung tám K h i tượng T huv vãn Biên
T óm tắt: Bài này trình bày những nguyên lý cơ bản của mô hình sóng WAM
và SWAN dựa trên phổ 2 chiểu và ứng dụng của chúng. Nhũng mô hình này cho
phép tinh toán và dự báo trường sóng biển khơi và vùng ven bờ. Các hiệu ứng tiêu
tán năng lượng sóng do ma sát đáy, bạc đầu sóng, sóng vỡ, đồng thời tương tác phi
tuyến bậc cao và ánh hướng dòng chảy được xét đến. Kết quá tính toán cho biên
Đông và vùng ven bò Nghi Sơn - Thanh Hoá cho thấy khá năng ứng dụng rấ t hiện
thực. Trong tương lai, đế năng cao độ chính xác của trường sóng dự báo cho biển
Đỏng cần xét đến trường dòng chảy trong toàn biến.
Mở đầu
Hoạt động của con người trên đại dương, biến cả và vùng ven bờ phụ thuộc chủ yếu
vào thời tiết và trạ n g thái m ặt biển, đặc biệt là vào điều kiện sóng m à thường là yếu tố
quyết định trong việc h ạn ch ế hoặc hoàn toàn làm ngừng trệ các công việc trê n biển. Nhũng
thông tin chính xác vể điều kiện sóng thực tê hoặc dự báo có ý nghĩa thực tiễn r ấ t lỏn vì nó
cho phép lựa chọn những con đường vận tải th u ỷ th u ận lợi n h ấ t và bố trí hợp lý thời gian,
địa điểm thực hiện các công việc trên biên, do đó không chỉ đảm bảo sự an toàn mà còn làm
tăn g hiệu quả hoạt dộng kinh tếbièn.V ới mục đích đó, đã hình th àn h các phương pháp thực
hàn h dự báo sóng giỏ, sóng lừng trong đại dương, biển và vùng ven bờ. Có 2 hướng giái
quyết vấn để này. T hứ nhất: thực hiện các mô hình tín h toán sóng đầy đủ với độ chính xác
cao đối với phố và không phổ. Thử hai: th iế t lập các công thức kinh nghiệm và các chĩ dẫn
thực hãn h để dự báo sóng trong những điểu kiện cụ th ể [7], Nội dung bài này thực hiện theo
hưống th ứ nhất.
Mô hình tín h toán và dự báo sóng gió th ế hệ 3 WAM dược p h á t triển tạ i Viện Khí
tượng M ax-Planck ỏ H am burg (Đức) bởi K. H asselm ann, p. Jan sse n , G. Komen (Hà Lan), L.

Zam breski và H. G u n th er (Anh) vào năm 1988. Cho đến nay WAM và người bạn song hành
với nó là mô hình WAVEWATCH III vẫn là các mô hìn h hiện đại n h ấ t mô tả sự phát triển
và lan truyền sóng trong đại dương có xét đến độ cong của trá i đất. WAM đã được cài đặt
cho khoảng 35 cơ qu an trê n t h ế giới và sử dụng cho nghiên cửu và ứng dụng nghiệp vụ. Nó
cũng được áp dụng cho việc đồng n h ấ t dữ liệu sóng từ vệ tinh. Mô hìn h liên tục được cập
nhật, đã có bốn phiên b ản được công bố. Phiên bản cuối cùng, phiên bản 4, là m ột cải tiến về
m ặt kỹ th u ậ t của phiên bản 3, thực hiện bởi H. G unther và bổ sung thêm cơ ch ế đưa gió vào
bdi P. Jan sse n (1991). Khi có một phiên bản mỏi của mô hình, những th àn h viên của nhóm

29


Nguyen Thọ Sâo. Trân Quung Tic»

30_

WAM được thông báo. Mô hình WAM đã được một số cơ sở ở Việt Nam tìm hiếu và áp dụng,
phiên bản chính chạy trê n hệ điều hàn h UNIX hoặc LINUX, nhóm tác giả bài này đã có một
ít sửa đổi để biên dịch bằng Digital Visual F ortran 6 .6 , chạy trê n WINDOWS XP. Đồng thời,
nhóm tác giả không sù dụng bộ chương trìn h hậu xử lý của WAM, tự viết chương trìn h tru y
xuất kết quả cho chương trìn h GRADS hoặc TECPLOT đê th ê hiện k ết quá trường gió và
trường sóng.
Để tín h toán trườ ng sóng trong vùng nước nông vối địa hình phức tạ p có th ê sử dụng
các mô hình nh ư STWAVE và SWAN. SWAN cũng là mô hình sóng th ế hệ ba, tín h toán phổ
sóng hai chiều bằng cách giải phương trìn h cân bằng tác động sóng, tính lan truyền sóng từ
nước sâu vào vùng nước nông ven bờ và đồng thòi trao đôi năn g lượng với gió thông qua hàm
nguồn cùng sự tiêu tân nàn g lượng sóng. Mô hình này dược xây dựng và p h át triển bới Delf
U niversity of Technology, H à Lan.
Không chi’ các nước thuộc khu vực Bắc Đại Tây Dương, các nước thuộc khu vực Thái
Bình Dương thường sử dụng WAM và SWAN đế dự báo nghiệp vụ. R iêng khu vực APEC,

hội thảo về sóng được tồ chức mỗi năm một lần, Hội nghị lần thử 10 đã tồ chửc tạ i Việt Nam
năm 2003.
1. Mô h ìn h WAM [2]
Mô hình WAM mô tả sự tiến triển của phổ sóng hai chiểu băng phương trìn h :
dF t 3(ộF)

dt

dệ

Ô(ÌF) | a(9F)

ô),

æ

trong đó: F- m ật độ phổ ứng với (f, 0, (ị), X), f - tầ n số, 0 - hướng, (ị) - vĩ độ , À • kinh độ,
s - hàm nguồn, ộ,?.,G • là s u ấ t biến đối vị trí và hướng lan truyền của sóng.
Hàm nguồn s được biểu th ị bằng tổng của gió dầu vào s„„ tiêu tả n do bạc đầu sóng
s rtl#, v à l a n t r u y ề n p h i t u y ê n s„ ;:

s = s i n + s di8+ s nl

(2 )

Số hạn g gió đầu vào lấy theo S nyder và nnk. (1981). Gió đầu vào và những số hạng
tiêu tá n của mô hình sóng này là một phát triển dựa trê n lý th u y ết tự a tuyến tính của
Janssen vể p h á t sinh sóng gió (Janssen 1989, 1991). Sóng m ật lấy dộng lượng từ luồng
không khi và bơi vậy ứng s u ấ t trong lớp m ặt phụ thuộc cả vào tốc độ gió và ứng su ất sóng
Tw. Sự tăn g trưởng sóng phụ thuộc vào vận tốc ma sát u., và độ đài nh ám Z0. s ố hạn g gió

đầu vào được cho bằng;
Sin =

(3)

vói F phô hai chiểu và y là tốc độ tàng trương cúa sóng.
Theo M iles, đối với ph ân bô’ gió lô-ga-rít, Ỵchỉ phụ thuộc vào hai th am số:
X = u * c o s (0 - ( p )/c v à n =

với u. - vận tốc m a sát,
và Z0- độ dài nhám .

0

(4 )

- hướng lan truyền sóng, (p- hướng gió, c - vận tóc pha của sóng,


úiig dụng mõ hình WAMtlụ báo nường sóng biến Dóng.

31

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

(5)
(6)

epxa

trong đó

y - hằn g sô’ K arm an, (i,„ = 1,2 • hằng số và n = kZr là chiểu cao tối h ạn phi thừ nguyên (k • số
sóng. Zc - chiều cao tới hạn. xác định bàng Ư0(Z = Zc) = C).
ứ n g s u ấ t ĩ của luồng không khí trên sóng phụ thuộc vào trạ n g thái biền, từ sự cản
bằng động lượng của không khí:
(7)

(8)
(9)
ở đây, L là độ cao trung bình ò trê n sóng và Tw là ứng s u ấ t sóng, bằng:
Tw

= p w JwyFcos(0 - <í>)dfd0

Trong thự c hành, ửng s u ấ t sóng

T„

(10)

lấy theo hướng gió. H ằng sô a chọn theo quan hệ

Charnock đối với sức cán trên sóng, s ố hạng tiêu tá n lấy theo Komen và nnk., (1984), dựa
trê n lý thuyết sóng bạc đ ầu cùa K. H asselm anns (1974).
Đề nh ận được cán bảng năng lượng ớ những tầ n số cao, tiêu tá n bởi sự bạc đầu sóng
được bô su ng bằng số hạng k~' như sau:
S j„ =-Yd*’
y,i = —C.|lsM(k"E)2 ( k / k + ( k / k ) 2)

(11)
(12)

ơ đây c dl, = 4,5 là hằng số, E là độ biến thiên sóng tổng cộng, k là số sóng, (ứ và k là tần số
góc và số sóng tru n g bình.
(13)

(14)
E = JjF(f,0)dfdO

(15)

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


Nguyổn Thọ Sá». Trán Quang Tiến

tham số của những tương tác phi tuyến được đề xuất bởi H asselm ann và nnk. (1981 và
1985). Lời giải số của WAM hạn chế bởi tiêu chuản CFL th ể hiện sự rà n g buộc cúa bước thời
gian theo bước không gian nhỏ nhất.
Như vậy WAM biểu thị tin h v ật lý của sự tiến triển sóng, phù hợp vói kiến thức hiện
đại, giải phương trìn h truyền sóng mà không bị ràng buộc về dạng phổ, cho phép xét hiệu
ửng khúc xạ do ảnh hưởng của dòng chảy và nước nông. Chương trìn h viết cho WAM chạy
cho b ất kỳ lưới địa phương hoặc toàn cầu với tậ p hợp dữ liệu dịa hình sẵn có. Bước thời gian
tính và độ phân giải có th ể tuỳ chọn, thực hiện trê n lưới kinh vĩ hoặc lưới carthesian. Mỏ
hình tru y x u ất chiều cao sóng có nghĩa, hướng và tầ n số sóng tru n g bình, chiểu cao và
hướng sóng lừng tru n g bình, và phô sóng

2

chiều tạ i những thời điểm và diêm lưới được

chọn. Có th ể chạy trong kiểu lưới lồng. Trong lưới thô, phổ được nội suy theo không gian và
thòi gian cho những điểm biên của lưới tinh và mô hình chạy lại trê n lưới tinh. Mô hình
WAM thích hợp cho vùng nước có độ sâu > 20m.
2. M ỏ h ìn h SWAN [3]
Mô hình này cho phép tính toán các đặc trư ng sóng vùng gần bờ, trong hồ và vùng
cửa sông từ các điều kiện địa hình, gió và dòng chảy. Trong mô hình, sóng được mô tả bằng
phổ m ật độ tác động hai chiều, thích hợp trong những điểu kiện phi tuyến. SWAN sử dụng
phổ m ật độ tác động N(ỗ,0), bởi vì khi có m ật dòng chảy m ật độ tác động được báo toàn trong
khi phô m ật độ năng lượng thì không. Các biên độc lập là tần s ố 5 và hướng sóng 9. M ật độ
tác động được tính bằng m ật độ nảng lượng chia cho tần số.
Sự tiến triển của phó sóng được mô tả bằng phương trìn h cân bằng tác động phô viết
trong toạ độ Đềcác:
— N + — C XN + — C VN + — C 0 N + — C e N = dt
ôx
ôy
da
<30
o

(1 6 )

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

truyền sóng, với s là hàm nguồn.
Trong hệ toạ độ địa lý phương trìn h có th ể viết dưới dạng:
— N + — C ,N + (cosipr' — C .c o s ip N t— C„N + — C . N . 5
õt

Õk

Ô(Ị>

ỡơ

09

õ

(17)

Vối K - kinh độ, <ị>• vĩ độ.
Năng lượng truyền từ gió cho sóng được mô tả thông qua hai cơ chế: cơ ch ế cộng
hưởng (Phillips, 1957) và cơ ch ế phản hồi (Miles, 1957). G iá trị nguồn năn g lượng cúa gió


Oilu dụng mỏ hình VVAMdự b;

tương ửng với h ai cơ chế trẽn được biểu thị bằng tống của quá trìn h tăn g tuyên tính và quá
trìn h tản g theo hàm mũ. Giá trị hàm nguồn có dạng:
S in (ơ,0) = A + BE(o,0)

(18)

với A là hệ sô tảng tuyến tinh, B là hệ sô tâng theo hàm mũ. Hệ sô A và B phụ thuộc vào
tầ n số và bước sóng đồng thời phụ thuộc vào vận tốc và hướng cúa gió.
H ệ sô t ă n g tu y ế n tí n h A
Biêu thức cùa C avaleri và M alanotile-Rizzli (1981) được sử dụng đê loại bỏ sự táng
trường sóng tại các tần số th ấp hơn tần số Pierson-Moskowitz.
,

1,5. KTr

-[U .m ax [o .c o s(0 -0 W)]]‘, H ,

U Ỉ = C DU?o

g 2 2n

H = exp(-(ơ/ơ*PM)"‘ ) và ơpM =

2 ji

(19)

với 0 là hướng gió, H là giá trị lọc và 5mi, là tần sô đính phố trong trạ n g th ái p h át triển đầy
đú theo Pierson và Moskowitz(1964).
H ệ s ố tá n g th e o h à m

m ủ

B

Công thức của Kome e t al (1984):

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

pw L

c ph

(20)

JJ

với C|lh là vặn tốc pha, p., và pw là m ật độ không khí và nước.
M ất m át năng lượng khi truyền sóng gây ra do ba quá trình: sự bạc đầu của sóng, ma
sát đáy và sóng vđ do ánh hưởng của độ sâu đia hình.
S ự bạc đ ầ u s ó n g
Sự bạc đầu sóng chu yếu phụ thuộc vào độ dốc cúa sóng. Trong mô hình sóng th ế hệ
ba, sự bạc đầu sóng dựa vào mô hình mạch động của Hasselman:
S ds \y(ơ.0) = - r ơ —E(ơ,Q)
k

(21)

với o,k là tầ n sô’ và sô sóng trung bình, r là hệ số phụ thuộc vào độ dốc sóng. Hệ số r tính
theo Jan sse n có dạng:
í
kì
s (1 - 5) + 8 —
l

í— ĩ
k j 1 S pm J

(22)

ỏ đây C ,|,, ô và m là các hệ sô”, s là độ dốc sóng tông hợp (S pM là giá trị đôi vỏi phô PiersonMoskowitz).
M a sá t đáy
Ma s á t đáy sử dụng trong SWAN dựa trên thực nghiệm của JONSW AP, mô hình sức


Nguyổit Thọ Sáo. Trán Quang Tiốn

34_

cản của Collins(1972) và mô hình nhớt rôì của Madsen(1980):
s dg,b(ơ,0) = -C bottom

g2
E(o,e)
g sh (kd)

(23)

ỏ đây Cbouon, là hệ sô ma s á t đáy, phụ thuộc vào vận tốc quỹ đạo sóng:
U*

2J*. —2
= f | — £----- E(ơ,0)dơd0
J 0J s h 2 (kd)

(24)

S ó n g võ d o ả n h h ư ở n g c ủ a độ s á u
Tiêu tá n năn g lượng trong trường sóng ngẫu nhiên là do quá trìn h sóng vờ dưới tác
động của độ sâu. T rong SWAN sử dụng mô hình sóng vỡ dựa trê n hiện tượng bore của
B attjes và Jan sse n (1987). Tỉ lệ tru n g bình m ất m át năng lượng trê n m ột đơn vị bể rộng cùa
vùng tính phụ thuộc vào hệ sô phần năng lượng m ất m át do sóng vô D,„|.
D‘« = - 4 “ “ Q» ( ể ) H "

(25)

Vối City =1, Qb là phân sô sóng vờ .
Công thức hàm nguồn năng lượng sóng vỡ có dạng:
S febr<0 , 8 ) = £ œ -E (o,O )

(26)

với Hm= Ỵ.d là chiểu cao sóng cực đại, Ylà hệ sô'sóng võ, d là độ sâu.
T ư ơ n g tá c p h i tu y ế n g iữ a c á c só n g
Quá trìn h này truyển năng lượng sóng từ đĩnh phồ’ tới các tầ n sô' th ấ p hon và cao hơn.
Tuơng tác sóng bặc bón chiêm ưu th ê trong sự tiên triến rủ a phô sõng tạ i vùng nước sâu,
xấp xi tương tác riêng (DLA) của Hasselmann(1985). Hàm nguồn cho dưói dạng:
s nl4 (ơ,e) = S*nI4(a,0) + s “ 4 (ơ,0)

(27)

S*H (ơ,0) = 2ỎSnl4 ( a 1ơ ,0 )- SSnI4 ( a 2 ơ ,0 )- ôSnl 4 ( a 3 ơ,0)

(28)

vói a , = l,a a = l+x và a 3 = 1-X, X là hệ sô lấv bằng 0,25. D ấu + ớ chỉ sô trê n biểu thị sóng bậc
bốn cơ bản, dấu ++ biêu thị sóng bặc bốn th ử yếu.
Trong vùng nước nông tương tác giữa các sóng bậc ba truyền n ãn g lượng

từ tầ n số

thấp sang tầ n sô' cao hơn. Theo Lum ped (LTA) của Eldeberky và B attjes, hàm

nguồn có

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

(29)

với

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


35

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

s I;!;j(ơ,0) = - 2 s ; 13{2ơ.G)

(31)

với ct,i, là hệ sô tỷ lệ có th ế hiệu chỉnh.
Ngoài các hiệu ứng vừa kể, SWAN còn xét đến hiệu ửng nước dâng do sóng. SWAN có

khả nủng tính: lan truyền sóng, khúc xạ sóng do thay đổi độ sâu đáy và do dòng chảy, bị vật
chắn và ph ản xạ do dòng chảy ngược hướng, tiêu tá n năng lượng đo hiện tượng bạc đầu
sóng, sóng vờ và m a s á t đáy, tương tác sóng bậc ba và bậc bốn. Vì là mô hình tính toán sóng
trong vùng nước nông ven bờ, cho nên đẽ tinh toán cần có điêu kiện sóng tại biên nước sâu.
Đẽ giải quyết vấn để này SWAN có th ể lấy dữ liệu từ k ết quả của các mô hình WAM,
WAVEWATCH III.
3. Á p d ụ n g m ô h ìn h WAM t í n h to á n trư ờ n g s ó n g c h o b iể n Đ ô n g
S ố liệ u đ ị a h ìn h
Mô hình toàn cầu hiện tại sử dụng lưới kinh vĩ không đểu 3°, một sô biên ven lục địa
sử dụng lưới 0,5°. Với biên Đông đã sử dụng lưới tín h có độ ph ân giải là 0,25° X 0,25" kinh

vĩ, phạm vi: từ -1° s đến 23° N và từ 99° E đến 119° E. Số liệu địa hinh [L,4] do Dự án Việt
Nam - N a Uy cung cấp và được nhóm khai thác mô hình hiệu chĩnh với số liệu được cập
n h ật mới n h ấ t tạ i các vùng biển Việt Nam. Có thế sử dụng độ phân giái cao hơn nhưng thời
gian tín h toán sẽ tân g lên, bước thòi gian thích hợp là 1200 giây = 20 phút.
S ố liệ u g ió
Đả sử dụng gió đầu vào là trường gió trung bình th án g từ th án g 1 đến tháng 12, theo
tài liệu của NOAA. Với các bài toán dự báo, sử dụng trường gió U 10 lấy từ kết quả tính toán
của mô hình RAMS.
K ết q u ả ti n h to á n
Đã chia ra 24 hướng (mô hình sóng cho toàn cầu sừ dụng 12 hướng) và 25 tá n số, tán
số thấp n h ấ t là 0,04177248 s l. Tham số C[) trong quá trìn h tín h toán được mô hình ngầm
định là:
CD = 1 ,2875 X 10 3 đ ối với u ,0 < 7 ,5 m /s

CD= (0,8 + 0,065 X Ư,n ) X 10 1đối với u

,0

< 7,5 m/s,

tuy nhiên, người sử dụng có thể thay đôi khi cần thiết. Việc tăn g giảm hệ số này 10% không
cho thấy sự thay đổi các đặc trư ng sóng một cách rõ rệt.
a)
Với kết quả tính trường sóng tru n g bình th án g từ mô hình WAM có thế đưa ra các
đặc điếm chính về chê độ sóng tru n g bình ở biển Đông như sau:


36

Ngnyồn Thọ -Sáo. Trãi) Ọmmg Tiớii

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


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

Hình 2. Hoa sóng tại Gồn Có (1992-2001) tháng 1 (a) và tháng VII (b)
T háng 1 sóng có hướng thịnh hành là Đông Bắc, độ cao sóng tru n g bình giảm dần từ
ngoài khơi vào bờ và từ vùng Đông Băc xuếng Tây Nam. Tại vịnh Bắc Bộ độ cao sóng trung
bình dao động từ 0,6m - 1,2 m. Tại vùng biên miển Trung từ Đà N ẵng đến Nha T rang dộ
cao sóng tru n g bình dao động từ l,2m - '2m. Tại vùng bien Vũng Tàu đến mùi Cà M au dộ
cao sóng tru n g bình dao động t.ừ 1 m - 2m. T háng 7 ngoài khdi sóng có hướng thịnh hành là
Tây Nam: vùng vịnh Bấc Bộ sóng có hướng thịnh hàn h là hướng Nam. Độ cao sóng trung
bình khoảng 0 ,8 m. Vùng biển miền T rung từ Đà N ăng đến N ha T rang sóng có hướng thịnh
h àn h là hiíớng Nam, độ cao sóng tru n g bình dao động từ 0,8m - l,5m . Vùng biên từ Vũng
Tàu đến mùi Cà Mau sóng có hướng thịnh hành là Tây Nam, độ cao sóng tru n g bình dao
động từ 0,8m - l,4m .
Nói chung hướng sóng trù n g với hướng gió. Kết quả tính toán của mô hình WAM đã
được so sánh, kiếm chửng với số liệu đo đạc sóng nhiều nAm tại trạm KTHV cồ n c ỏ vê

hướng sóng thịnh hàn h và độ cao sóng. Theo thống kê sô’ liệu tại c ồ n c ỏ 10 năm gần dãy

nhất (1992-2001) thì chế độ sóng ớ đây phù hợp với chế độ gió và có hai mùa rõ rệt. Độ cao
sóng tru n g bình tháng giao động từ 0,6 đến 1,7 m, phần ldn sóng m ạnh qu an trắc được
trong thời kỳ từ th án g X đến th án g I và trong bão. Sóng trong m ùa Đông Bắc bắt đầu từ
th án g X cho đến th án g III năm sau, hướng thịnh hàn h là Bắc và Đông Bắc chiếm tần su ất
từ 45 đến 75% (xem hình 2), độ cao tru n g binh 0,8-0,9 m, độ cao sóng lỏn n h ấ t đ ạ t 6 m. Sóng
trong m ùa Tây Nam b ắ t đầu từ th ăn g VI đến th án g VIII, hướng thịnh hàn h là Tây Nam,
chiếm tầ n s u â t từ 44 đến 60%, độ cao sóng tru n g bình đạt 0,7-0,8 m, độ cao sóng lớn nhât
đ ạt 4,5 m.


Nguyẻn Tho Sáo. TrÃii Quung TÍỐII

38_

b)
Để kiểm chứng dự báo độ cao sóng đã sử dụng sô’ liệu tự ghi sóng đo liên tục nhiề
ngày ở Hải Hậu, Nam Định. S ố liệu sóng được đo bằng máy đo sóng DNW-5M tại 2 trạm
trong hệ UTM: L T l (X= 641141m, Y= 2222997m) và LT2 (X= 637630m, Y= 2226265m).
Trong thời gian từ 2/1/2003 đến 9/1/2003 đã ghi được các sô’ liệu sóng khá lớn (l,06m và
l,10m ) trong ngày 5/1 với gió hướng đông bắc, tỗc độ cực đại 8-10m/s. Trường sóng biến
Đông tính theo mô hỉnh WAM từ số liệu gió trên bưóc lưới 0,25” X 0,25” cho trê n hình 3.
B ảng 1 . Độ cao sóng thực đo H (m) tại Hải Hậu
T h ờ i g ia n đ o

T ra m LT1

T r a m LT2

4/1 -lOh

0,40

0,55

13h

0,40

0,39

16h

0,38

0,33

19h

0,41

0,51

22h

0,46

0,41

5/1 -lh

0,67

0,77

4h

0,91

0,91

7h

1,06

1,10

lOh

1,03

1,08

13h

1,04

0,95

16h

0,63

0,66

19h

0,77

0,69

22h

0,76

0,63

6/1 - lh

0 ,7 8

0 ,7 6

4h

0 ,9 8

0,60

7h

0 ,8 1

0,68

lO h

0,70

0,40

13h

0 ,5 8

0,33

16h

0,37

0,28

19h

0,40

0,34

22h

0 ,4 4

0,40

7/1 - l h

0,35

0 ,2 9


ỳng dng m hỡnh WAM cli/ bỏo Irng súng hin ũng..

ỗrrợ-r

m

OI2
IK

u

p:

W f8 i iit t i J i y / ' j

m ftiV tiw iW /,
W i j i Y i i i i

V I * /// H *12 5 ^

/ J 7 5 , .

il i/

ỹ T i 11 j J J j / l 11
ftO /rr
.i *è
>/>i. ợv>.

M

ô.iiùùùj

ợ/t/iiU U ) .
ri ! m ! n u

't a n n i n .

H inh 3. Bỏn d trng súng bin ụng tớnh

to ỏ n

theo mụ h ỡn h WAM, lOh ngy 4/1/2003

Hỡnh 3 ch l m t vớ d tớnh toỏn vo lỳc 10 gi 4/1/2003, gm cỏc ng ng cao
súng, cỏc vect hng súng trờn ton bin ụng. Hng súng thnh hn h l ụng Bc, ti v
trớ gn Hi H u cao súng tớnh toỏn nm trong khoỏng 0,5-0,75 m (thc o l 0,4m v
0,55m). Tuy nhiờn vo nhng ngy cú súng ln sau ú nh 5-6/1/2003, cao súng tớnh toỏn

thng nhú hn giỏ tr quan trc 20-30cm.
4. p d n g m h ỡ n h S W A N t ớ n h t o ỏ n t r n g s ú n g v e n b

a h ỡn h
Chn vựnÊ Nghi Sn, nm trong khong 19015'N-19050'N v 10545'E-105n57E thuc
a bn tnh T hanh Hoỏ. Bũ bin cú hng chy theo chiu Bc Nam , hỡnh dng ng b
khỳc khuýu, cú nhiu mựi d t nhụ ra bin v nhiờu ỏo nh. Vựng gn bũ sỏu nc
tng i nh, ỏy biờn phng, dc ỏy nh hn 0,001. Lý do chn vựng ny l cú sn s
liu o súng v dũng chy ti im cú to UTM l X = 587000m, Y = 2135000 m. Sụ liu
a hỡn h c s ho t bn UTM ti l 1: 50.000. H trc to ly tr c X vuụng gúc vi


Nguyỏn Thọ Sáo. Trán Quang Tiến

40_

đường bờ, trụ c y song song vối đường bờ, Lưới tính toán Ax = 400 m, Ay = 450 m, với số nú t
lưới tương ừng theo X là 100 và y là 100.
Thòi gian tính toán b ắ t đầu từ 19 giờ 11/07/2003 dến 10 giò 13/07/2003, tổng thòi gian
là 38 giò.
S ô liệ u s ó n g t ạ i biên
Bảng 2. Các yếu tố sóng tại biên
Thời gian
19g/11/07
22gll/07
OIr/12/07
04 r/12/07
07g/12/07
10r/12/07
13«/12/07

16g/12/07
19g/12/07
22g/12/07
01g/13/07
04 r/ 13/07
07R/13/07
10k/13/07

Hs(m)
0,6
0,58
0,60
0,61
0,60
0,55
0,50
0,49
0,48
0,50
0,62
0,72
0,79
0,78

Biên phía Nam
T(s)
5,0
5,0
5,0
5,0

6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
6,0
4,0
4,0
4,0
4,0

HướngO
139
138
136
136
135
138
137
138
137
131
125
120
117
110

Hs(m)
0,65
0,62

0,65
0,67
0,68
0,65
0,58
0,56
0,53
0,50
0,64
0,74
0,83
0,87

Biên phía Đông
Hướng(°)
T(s)
139
5,0
5,0
138
136
5,0
5,0
136
135
6,0
6,0
138
6,0
137

138
6,0
6,0
137
6,0
131
4,0
125
4,0
120
117
4,0
110
4,0

Dòng chảy dược lấy từ số liệu thực do tại trạm nói trê n và giá th iế t đồng n h ất trên
toàn miền. S ố liệu gió được lấy tại điểm (19,25°N 106,00"E) theo giờ tính toán với giá thiết
trường gió là đểu trên toàn miên.
Bàng 3. Dòng chảy thực đo
Thời gian
19g/l 1/07
22g 11/07
O lg/12/07
04g/12/07
07g/l2/07
10g/12/07
13g/12/07
16r/ 12/07
19r/ 12/07
22 k/ 12/07

0U /13/07
04g/13/07
07g/13/07
1Oe/13/07

Tram X = 587000m, Y = 2135000 m
Vân tốc trung bình(m/s)
Hướng(°)
230
0,45
0 ,15
120
45
0,3
0,4
50
0,2
60
0,4
100
0,35
150
0,4
210
250
0,5
0.2
120
90
0,25

70
0,5
30
0.4
60
0 ,35


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

41

K ết q u ả t í n h to á n
B áng 4. Sóng tính toán và quar. trác tại trạm X = 587000m, Y = 2135000 m
Sô liệu sóng quan trắc
Thời gian
19*11/07
22 r 11/07
01gl2/07
04í? 12/07
07gl2/07
10g/12/07
13g 12/07
16gl2/07
19R12/07
22*12/07
01gl3/07
04gl3/07
07gl3/07
1Og 13/07

Hs(m)
0,59
0,61
0,37
0,49
0,63
0,65
0,59
0,46
0,31
0,47
0,49
0,85
0,90
0,88

Tp(s)
5,5
5,5
5,8
6,5
5,5
6,0
5,8
5,4
6,2
5,3
5,6
5,6

5,7
5,5

Hướng(°)
157
117
163
135
146
142
151
152
153
159
145
147
136
145

Tính toán không xét dòng Tính toán sóng khi xét
dòng chảy
chảy
Hs(m) Tp(s) HướngO Hs(m) Tp(s) Hướng(°)
138
0,58
5,0
143
0,60
5,0
141

0,59
5,0
142
0,57
5,0
5,0
138
0,58
5,0
137
0,59
137
0,58
141
0,60
6,0
6,0
6,0
141
0,61
6,0
140
0,61
0,56
5,0
141
0,59
5,0
134
5,0

141
0,53
5,0
139
0,50
0,47
0,49
6,0
143
6,0
142
0,46
6,0
145
0,44
6,0
142
0,47
6,0
141
0,49
6,0
138
0,51
4,0
128
0,49
4,0
125
0,72

130
0,75
5,0
127
5,0
1,08
5,0
121
1,01
5,0
124
1,06
5,0
124
126
1,03
5,0

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

Thời gian (giờ)

H ình 5. Độ cao sóng trạm V6


Nguyỗn Thọ Sáo. Trán Quang Tien

il

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

Từ bảng 4 và hình 5, 6 biếu diễn độ cao sóng và phố sóng, th ấy rằ n g độ cao sóng tính
toán bằng mô hình so vói giá trị quan trắc tương đối phù hợp, đặc biệt khi xét đến tác động
của dòng chảy so với trường hợp không kể đến dòng chảy. Điểu đó cho thấy dòng chảy có tác
động n h ấ t định tới quá trìn h sóng trong vùng này, hạn ch ế ở đáy là sô' liệu dòng cháy chi có
tại một điểm.
5. K ế t lu ậ n
Với các mô hình WAM và SWAN, có th ể tính toán trường sóng thay đổi theo thòi gian,
trường này phụ thuộc vào điều kiện gió và địa hình. Kết hợp 2 mô hình này có th ể dự báo
trường sóng cho cả vùng nước sâu và nước nóng. Thông tin về trường sóng dự báo bởi WAM
có thể tham khảo khi tiến hàn h các hoạt động trên biển. Mô hình SWAN có thê sử dụng đê
tính toán phục vụ th iết k ế các công trìn h ven biển.
Khả năng ứng dụng mô hình WAM và SWAN rấ t hiện thực. Hiện nay, từ kết quả gió
truy xuất từ mô hình RAMS, thường xuyên cỏ th ể dự báo trường sóng cho toàn biên Đông
với thời đoạn 3 giờ hoặc 6 giờ. Các k ết quả được thông báo trên tran g Web của khoa KT-TVHDH, trường Đại học KHTN.
Mô hình WAM cho những k ết quả phù hợp với thực tế, đặc biệt là hướng sóng. Tuy
nhiên bản th án mô hình WAM cũng có nhũng hạn chê’ riêng của nó, ví dụ kết quá thường
thiên nhỏ so với thực đo. Điểu này thường xảy ra khi không xét đến tác động của dòng chảy
[5,6], hoặc miền tính toán nhỏ nên tác động thực sự của gió chưa p h át huy h ế t (6). Mô hình
SWAN cho k ết quả khá tốt, có th ể do việc lấy bước lưới tín h khá chi tiết. Độ chính xác của
trường gió dự báo bởi mô hình RAMS là điểu kiện quyết định độ chính xác của trường sóng


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

43

tín h toán bởi WAM, đến lượt m ình k ết quả mô hình WAM lại ản h hướng đến độ chính xác
của trường sóng tính toán bằng mô hình SWAN.

N hững để x u ất cho nghiên cứu chê độ sóng biển Đông trong tương lai là:
1- Xét án h hưởng dòng chảy gió trong toàn biển Đông lên trường sóng [6],
2- Xét khả năng tín h lưới lồng với dộ phân giải mịn hơn tạ i vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái
Lan, hoặc k ết nôi tự động WAM-SWAN [2,3],
3- T ính toán dự báo trường sóng cho các thòi đoạn 3 giờ hoặc 6 giờ, nhưng sử dụng
k ết quả dự báo trường gió 1 giờ [5] từ mô hìn h RAMS,
4- T ính toán trưòng sóng trong bão.

TÀI LIỆU THAM-KHẢO
1.
2.
3.

4.
5.
6.

S. Hasselmann. p. Janssen, G. Komen, L. Zambreski, H. Gunther, The WAM Model, User
Manual, Hamburg, 1992.
Delf University of Technology, SW AN Cycle III Verion 40.31, User Guide, Delf, 2004
Trần Quang Tiến, Khà năng ửng dụng mô hình sóng WAM và mô hình sóng ven bò SWAN
đề tính trường sóng ven bờ làm đầu vào cho bài toán tính dòng vận chuyển bùn cát, Tạp chi
K TT V 4(496), Hà Nội, 2002.
Li Jie, Yu Zhowen, Operation o f WAM Model in China, Proceedings of The 10th Workshop
on Ocean Models, Hanoi, Vietnam 2003.
Zang Hong et al, Coupled Ocean Circulation and Wind-Wave Models With Data Simulation
Using Altimeter Statistics, Sigapore, 2002.
Trung tâm Nghiên cứu KTTV Liên bang Nga, Hướng dẫn dự báo thuỷ văn biến, s.
Peterburg, 1994. (tiếng Nga)
VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci„ & Tech.. T.xx. N„3AP., 2004

A P P L IC A T IO N S O F WAM AND SW AN M O D E L S F O R P R E D IC T IN G
W A V ES IN T H E S O U T H C H IN A S E A A N D C O A STA L AR EA S
Nguyen Tho Sao
Departm ent o f Hydro-Meteorology & Oceanography
College o f Science, VN U
T r a n Q u a n g T ie n
M arine Hydrometeorological Center
T his paper describes th e principles of th e wave models WAM and SWAN based on 2D
spectra and th eir capabilities. These models can be used to sim ulate and predict waves and
swells in seas and coastal areas. The dissipation effects due to bottom friction,
w hitecapping, wave breaking and nonlinear wave-wave interactions and currents are
considered as well. The resu lts of calculations for th e South C hina S ea and coastal are a of
Nghi Son-Thanh Hoa show good agreem ents w ith observed data. To increase accuracy, the
cu rren t p a tte rn s in th e sea m ust be included.