Xem mẫu
- CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN
T ính và d ự b áo sóng ở b i ể n và đ ạ i d ươ ng c ầ n thi ế t cho nh ữ ng l ĩ nh v ự c kinh t ế
n h ư h àng h ả i, đ óng tàu và khai thác tàu, c ả ng, các th ủ y công trình trên b ờ v à th ề m
l ụ c đ ị a, b ả o v ệ b ờ . Trong ho ạ t đ ộ ng đ a d ạ ng c ủ a các ngành này c ầ n bi ế t thông tin
v ề s óng bi ể n, nh ữ ng đ ặ c tr ư ng sóng ở n h ữ ng vùng khác nh au. Trong s ố n h ữ ng đ ặ c
tr ư ng c ủ a sóng bi ể n thì quan tr ọ ng nh ấ t là nh ữ ng đ ộ c ao sóng c ự c đ ạ i, vì nh ữ ng
són g l ớ n luôn luôn là m ố i n guy hi ể m nh ấ t đ ố i v ớ i tàu và các th ủ y công trình.
Các ngành kinh t ế c ầ n nh ữ ng lo ạ i d ự b áo sóng khác nhau: có th ể l à nh ữ ng đ ặ c
tr ư ng xác su ấ t (ch ế đ ộ ) c ủ a sóng trong th ờ i k ỳ d ài và c ũ ng có th ể l à nh ữ ng y ế u t ố
s óng trong m ộ t th ờ i đ i ể m c ụ t h ể h àng ngày. Hình th ứ c ti ệ n d ụ ng nh ấ t đ ể t h ể h i ệ n
d ự b áo sóng là nh ữ ng b ả n đ ồ s óng, trên đ ó các đ ộ c ao sóng và chu k ỳ s óng đ ượ c
bi ể u di ễ n b ằ n g các đ ườ ng đ ẳ ng tr ị . Đ ã vài th ậ p k ỷ n ay các n ướ c nh ư N ga và M ỹ đ ã
l ậ p các b ả n đ ồ d ự b áo sóng cho các vùng đ ạ i d ươ ng. Nh ữ ng b ả n đ ồ n ày có giá tr ị
t o l ớ n đ ố i v ớ i ngành hàng h ả i, đ ặ c bi ệ t t ừ k hi xu ấ t hi ệ n d ị ch v ụ đ ả m b ả o nh ữ ng
đ ườ ng b ơ i t ố i ư u cho các tàu vi ễ n d ươ ng.
5.1. KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN
S ự p hát tri ể n, lan truy ề n và t ắ t d ầ n c ủ a sóng ở n ướ c sâu và n ướ c nông di ễ n ra
khác nhau và các ph ươ ng pháp d ự b áo sóng c ũ ng đ ượ c xây d ự ng riêng cho t ừ ng
tr ườ ng h ợ p. N ế u đ ộ s âu bi ể n l ớ n h ơ n n ử a đ ộ d à i sóng thì ng ườ i ta xét sóng n ướ c
sâu, n ế u đ ộ s âu bi ể n nh ỏ h ơ n n ử a đ ộ d ài sóng − s óng n ướ c nông.
Trong bi ể n phân bi ệ t sóng gió và sóng l ừ ng. Sóng gió là sóng gây b ở i gió và
ch ị u tác đ ộ ng c ủ a gió. Sóng l ừ ng là sóng lan truy ề n trong vùng t ạ o s óng sau khi
gió y ế u đ i ho ặ c gió thay đ ổ i h ướ ng ho ặ c sóng đ i t ừ v ùng t ạ o sóng đ ế n vùng khác,
n ơ i có các đ ặ c tr ư ng gió khác. Có th ể c ó sóng l ừ ng lan truy ề n trong khi hoàn toàn
không có gió. H ệ t h ố ng sóng hình thành do t ổ ng h ợ p các sóng gió và sóng l ừ ng g ọ i
là sóng h ỗ n h ợ p.
Trong tính toán và d ự b áo sóng c ũ ng phân bi ệ t sóng ba chi ề u và sóng hai
chi ề u. Th ự c t ế d ự b áo sóng th ườ ng đ ề c ậ p đ ế n sóng hai chi ề u. Nh ữ ng đ ặ c tr ư ng c ơ
b ả n đ ư ợ c d ự b áo c ủ a sóng hai chi ề u g ồ m đ ộ c ao h , chu k ỳ T , đ ộ d ài λ , t ố c đ ộ
t ruy ề n C , h ướ ng truy ề n ψ .
Đ ộ c ao sóng là đ ộ c ao c ủ a đ ỉ nh sóng so v ớ i đ áy sóng. Chu k ỳ − k ho ả ng th ờ i
gian hai đ ỉ nh sóng k ế t i ế p đ i qua m ộ t đ i ể m c ố đ ị nh trên bi ể n. Trên b ă ng ghi sóng
(hình 5.1) chu k ỳ x ác đ ị nh b ằ ng kho ả ng th ờ i gian trên tr ụ c hoành gi ữ a hai đ ỉ nh
sóng k ế t i ế p nhau. Đ ộ d ài − k ho ả ng cách ngang gi ữ a hai đ ỉ nh sóng k ế t i ế p trên tr ắ c
60
- d i ệ n sóng v ẽ t heo h ướ ng t ruy ề n sóng. T ố c đ ộ t r uy ề n sóng - quãng đ ườ ng di chuy ể n
đ ỉ nh sóng hay đ áy sóng theo h ướ ng truy ề n sóng trong m ộ t đ ơ n v ị t h ờ i gian khi
sóng ti ế n lan truy ề n trên bi ể n. H ướ ng truy ề n sóng - h ướ ng trung bình lan truy ề n
sóng xác đ ị nh theo nhi ề u sóng.
§Ønh sãng
M ùc sãng trung b×nh
Ngän sãng
§ ¸y sãng Ch©n sãng
1 phót
Hình 5.1. Hình dạng một đoạn băng ghi sóng
C hu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c đ ộ t ruy ề n sóng liên h ệ v ớ i nhau b ằ ng nh ữ ng bi ể u th ứ c
λ gλ
C= = = 1,56T ,
2π
T
2π 2 g2
λ= T = 1,56T 2 ,
C= (5.1)
2π
g
2πλ 2π
T= = C = 0,64C
g g
N ă ng l ượ ng toàn ph ầ n c ủ a sóng
1
W = ρgh 2 ( 5.2)
8
trong đ ó g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c, ρ − m ậ t đ ộ n ướ c.
Các sóng c ủ a m ộ t h ệ són g ở b i ể n trong gió m ạ nh và b ão có đ ặ c đ i ể m r ấ t đ a
d ạ ng. Bên c ạ nh nh ữ nh sóng r ấ t nh ỏ c ó nh ữ ng sóng l ớ n (hình 5.1). S ự đ a d ạ ng c ủ a
các y ế u t ố s óng trong nh ữ ng giai đ o ạ n phát tri ể n sóng tuân theo nh ữ ng quy lu ậ t
th ố ng kê nh ấ t đ ị nh. B ằ ng con đ ườ ng lý thuy ế t ho ặ c th ự c nghi ệ m x ử l ý nh ữ ng b ă ng
ghi sóng đ ã nh ậ n đ ượ c các hàm ph ân b ố h ay hàm độ đ ả m b ả o các y ế u t ố s óng. N h ờ
n h ữ n g h àm phân b ố , có th ể x ác đ ị nh tr ị s ố c ủ a m ộ t y ế u t ố s óng v ớ i đ ộ đ ả m b ả o b ấ t
k ỳ , n ế u bi ế t tr ị s ố t rung bình c ủ a nó.
5.2. SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG
D o tác đ ộ ng c ủ a dòng không khí trên m ặ t bi ể n lúc đ ầ u ph ẳ ng l ặ ng hình thành
dao đ ộ ng c ủ a các h ạ t n ướ c. Trên m ặ t bi ể n xu ấ t hi ệ n nh ữ ng sóng nh ỏ h ình d ạ ng đ ề u
61
- đ ặ n - g ọ i là c ác sóng mao d ẫ n vì vai trò quy ế t đ ị nh đ ố i v ớ i hình thành các sóng
này là l ự c c ă ng b ề m ặ t c ủ a n ướ c. Nh ữ ng sóng này không ổ n đ ị nh và sau khi ng ừ ng
gi ó chúng t ắ t nhanh do đ ộ n h ớ t c ủ a n ướ c. N ế u gió ti ế p t ụ c truy ề n đ ộ ng n ă ng cho
sóng th ì d ướ i tác đ ộ ng c ủ a tr ọ ng l ự c và l ự c c ă ng b ề m ặ t các sóng phát tri ể n d ầ n và
chuy ể n thành sóng tr ọ ng l ự c. N ă ng l ượ ng t ổ ng c ộ ng c ủ a sóng liên t ụ c t ă ng. Hình
t hành chuy ể n đ ộ ng sóng ph ứ c t ạ p. Xu ấ t hi ệ n nh ữ ng sóng v ớ i chu k ỳ , đ ộ c ao, đ ộ d ài
và t ố c đ ộ t ruy ề n r ấ t khác nhau, t ứ c hình thành ph ổ s óng gió.
C ơ c h ế t ruy ề n n ă ng l ượ ng gió cho sóng đ ượ c các nhà nghiên c ứ u quan ni ệ m
r ấ t khác nhau [18]. V. M. Makaveev cho r ằ ng gió truy ề n n ă ng l ượ ng cho sóng nh ờ
ứ ng su ấ t ti ế p tuy ế n c ủ a gió. Iu. M. Kr ư lov gi ả i thích c ơ c h ế t ruy ề n n ă ng l ượ ng
b ằ ng ứ ng su ấ t pháp tuy ế n và ti ế p tuy ế n c ủ a gió. V . V. Shuleikin b ằ ng th ự c nghi ệ m
đ ã ch ỉ r a r ằ ng n ă ng l ượ ng truy ề n cho sóng ch ủ y ế u nh ờ á p su ấ t ph áp tuy ế n c ủ a gió
lên s ườ n đ ón gió c ủ a sóng.
Theo lý thuy ế t c ủ a Phillips và Miles thì s ự p hát tri ể n ph ổ s óng gió di ễ n ra do
hai c ơ c h ế v ậ t lý ứ ng v ớ i nh ữ ng giai đ o ạ n phát tri ể n sóng. C ơ c h ế c ộ ng h ưở ng c ủ a
Phillips gi ả i thích s ự p hát sinh các sóng gió. Nh ờ n h ữ ng tính ch ấ t r ố i c ủ a gió,
nh ữ ng kích th ướ c c ủ a nh ữ ng cu ộ n xoáy trong gió trùng v ớ i đ ộ d à i sóng thì x ả y ra
s ự c ộ ng h ưở ng làm sóng m ạ nh lên, n ă ng l ượ ng c ủ a các thành ph ầ n ph ổ t ă ng t uy ế n
tính v ớ i th ờ i gian cho đ ế n khi s ự b ấ t đ ồ ng đ ề u c ủ a m ặ t n ướ c d ậ y sóng tác đ ộ ng tr ở
l ạ i tr ườ ng áp su ấ t trong l ớ p không khí sát m ặ t n ướ c. S ự t ă ng tr ưở ng ti ế p theo c ủ a
sóng, khi b ắ t đ ầ u có s ự p h ả n ứ ng l ạ i c ủ a sóng đ ố i v ớ i nh ữ ng th ă ng giáng áp su ấ t
không khí đ ượ c g i ả i thích b ằ ng lý thuy ế t Miles. Theo Miles áp su ấ t không khí t ỷ l ệ
v ớ i n ă ng l ượ ng sóng và s ự t ă ng tr ưở ng sóng di ễ n ra theo quy lu ậ t hàm m ũ . S ự
c huy ể n hoá t ừ t ă ng tr ưở ng tuy ế n tính sang t ă ng tr ưở ng theo quy lu ậ t hàm m ũ đ ượ c
quy ế t đ ị nh b ở i t ươ ng quan gi ữ a v ậ n t ố c đ ố i l ư u c ủ a gió v∗ v à t ố c đ ộ p ha sóng C .
S ự t ă ng tr ưở ng theo hàm m ũ d i ễ n ra cho đ ế n khi nh ữ ng hi ệ u ứ ng phi tuy ế n do sóng
đ ổ b ắ t đ ầ u đ óng vai trò ch ủ y ế u. C ơ c h ế M iles t ỏ r a hi ệ u qu ả n h ấ t v ớ i nh ữ ng t ầ n s ố
s óng cao. V ớ i nh ữ ng t ầ n s ố s óng trung bình và th ấ p, t ứ c khi suy gi ả m t ươ ng tác
gi ữ a r ố i khí quy ể n và sóng thì lý thuy ế t Miles khác nhi ề u so v ớ i quan tr ắ c.
Nh ữ ng nhân t ố c hính quy ế t đ ị nh s ự p hát tri ể n sóng g ồ m: t ố c đ ộ g i ó, th ờ i gi a n
ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió, đ à − đ ộ d ài kho ả ng không gian k ể t ừ đ i ể m tính sóng v ề p hía
ng ượ c chi ề u gió tác đ ộ ng cho t ớ i n ơ i gió thay đ ổ i đ áng k ể v ề h ướ ng ho ặ c t ớ i
đ ườ ng b ờ k hu ấ t gió, và đ ộ s âu bi ể n n ơ i tính sóng. N ế u gió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng
không đ ổ i tác đ ộ ng trên kho ả ng không gian r ấ t l ớ n trên đ ạ i d ươ ng trong th ờ i gian
đ ủ d ài, thì sóng s ẽ t ă ng tr ưở ng cho đ ế n khi đ ạ t tr ạ ng thái phát tri ể n hoàn toàn ứ ng
v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ang xét. Khi đ ó ph ổ s ón g s ẽ b ao g ồ m toàn d ả i chu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c
đ ộ s óng (v ề l ý thuy ế t t ừ 0 đ ế n ∞ ). Đ ộ c ao, chu k ỳ , đ ộ d ài và t ố c đ ộ s óng s ẽ c h ỉ
p h ụ t hu ộ c vào m ộ t tham s ố − t ố c đ ộ g ió v . Trong tr ườ ng h ợ p này t ố c đ ộ g ió càng
l ớ n thì th ờ i gian c ầ n đ ể s óng phát tri ể n hoàn toàn càng l ớ n. Vì v ậ y v ớ i nh ữ ng t ố c
đ ộ g ió r ấ t l ớ n, sóng r ấ t ít khi đ ạ t s ự p hát tri ể n hoàn toàn b ở i các gió l ớ n th ườ ng
không kéo dài.
N ế u sóng ch ư a đ ạ t s ự p hát t ri ể n hoàn toàn thì ngoài t ố c đ ộ g ió, s ự t ă ng tr ưở ng
s ẽ p h ụ t hu ộ c vào th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gi ó và đ à, và x ả y ra ba tình hu ố ng chính:
62
- 1 . G ió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng không đ ổ i tác đ ộ ng trên kho ả ng không gian l ớ n,
nh ư ng th ờ i gian ho ạ t đ ộ ng nh ỏ . S ự p hát tri ể n c ủ a sóng b ị h ạ n ch ế b ở i th ờ i gian
ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió.
2. Gió c ườ ng đ ộ v à h ướ ng không đ ổ i ho ạ t đ ộ ng trong kho ả ng t h ờ i gian đ ủ d ài,
nh ư ng đ à nh ỏ , thì s ự p hát tri ể n c ủ a sóng b ị h ạ n ch ế b ở i đ à.
3. N ế u c ả t h ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gi ó và đ à đ ề u có h ạ n, thì s ự p hát tri ể n c ủ a
sóng ph ụ t hu ộ c vào y ế u t ố n ào h ạ n ch ế s ự t ă ng tr ưở ng c ủ a sóng nhi ề u h ơ n.
5.3. TÍNH CÁC YẾU TỐ SÓNG GIÓ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NÔNG
P h ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng liên h ệ s ự p hát t ri ể n s óng v ớ i các y ế u
t ố t ạ o sóng có d ạ ng
∂E ∂
+ ( EU ) = M v − E D ( 5.3)
∂t ∂x
trong đ ó E − n ă ng l ượ ng sóng trên m ộ t đ ơ n v ị d i ệ n tích m ặ t bi ể n có sóng, U − t ố c
đ ộ v ậ n chuy ể n n ă ng l ượ ng sóng, M v − n ă ng l ượ ng sóng nh ậ n đ ượ c t ừ g ió, E D −
n ă ng l ượ ng m ấ t do t ả n mát, t − t h ờ i gian, x − đ à. Ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng
l ượ ng sóng d ướ i d ạ ng nh ư t rên g ọ i là ph ươ ng trình Maka veev.
K ế t qu ả g i ả i ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng d ẫ n t ớ i nh ữ ng bi ể u th ứ c
liên h ệ g i ữ a các tham s ố s óng v ớ i các y ế u t ố t ạ o sóng nh ư t ố c đ ộ g ió, đ à và th ờ i
gian ho ạ t đ ộ ng c ủ a gió. T ừ đ ó xây d ự ng thành ph ươ ng pháp tính và d ự b áo sóng
trong th ự c hành.
M ộ t trong nh ữ ng k ế t qu ả g i ả i ph ươ ng trình cân b ằ ng n ă ng l ượ ng sóng d ẫ n đ ế n
nh ữ n g bi ể u th ứ c liên h ệ c ác tham s ố s óng và các y ế u t ố t ạ o sóng thu ộ c v ề V . V.
Shuleikin. Ông nh ậ n đ ượ c bi ể u th ứ c t ă ng đ ộ c ao sóng theo th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a
gió đ ố i v ớ i sóng phát tri ể n
η = 1 − e −τ , (5.4)
và bi ể u th ứ c liên h ệ g i ữ a đ ộ c ao sóng và đ à đ ố i v ớ i sóng ổ n đ ị nh
1 1
ξ = 2arcthη − 2η 2 , (5.5)
2
h
trong đ ó η − đ ộ c ao sóng không th ứ n guyên b ằ ng , τ − t ham s ố t h ờ i gian không
h∞
t x
, ξ − t ham s ố k ho ả ng cách không th ứ n guyên b ằ ng
th ứ n guyên b ằ ng . Nh ữ ng
vT∞
T∞
th am s ố không th ứ n guyên này liên h ệ v ớ i nh ữ ng giá tr ị c ụ t h ể c ủ a các y ế u t ố t ạ o
sóng và các đ ặ c tr ư ng sóng theo nh ữ ng bi ể u th ứ c sau:
t x h
τ = k1 ξ = k2 η=
, , . ( 5.6)
T∞ vT∞ h∞
Trong các công th ứ c trên đ ã dùng các ký hi ệ u: h − độ c ao són g tính b ằ ng mét,
h∞ − đ ộ c ao t ớ i h ạ n c ủ a sóng ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ã cho, T∞ − c hu k ỳ t ớ i h ạ n c ủ a
63
- s ón g ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió đ ã cho, v − t ố c đ ộ g ió tính b ằ ng m/s, t − th ờ i g ian tác
đ ộ ng c ủ a gió tính b ằ ng gi ờ , x − đ à sóng tính b ằ ng km, k1 , k 2 − nh ữ ng h ệ s ố .
Các đ ộ c ao và chu k ỳ t ớ i h ạ n c ủ a sóng tính th eo các cô ng th ứ c:
h∞ = 0,0205v 2 ( 5.7)
T∞ = 0,526v . (5.8)
Trong th ự c hành tính các y ế u t ố s óng nh ữ ng cô ng th ứ c trên đ ây đ ư ợ c xây
d ự ng t hành các toán đ ồ ( các hình 5.2 − 5.5).
Để t ính các y ế u t ố sóng theo ph ươ ng pháp S huleikin c ầ n cho tr ướ c t ố c đ ộ g ió
v , th ờ i g ian tác đ ộ ng c ủ a gi ó t , đ à sóng x v à đ ộ s âu bi ể n t ạ i đ i ể m tính sóng H .
Tính sóng đ ố i v ớ i bi ể n sâu th ự c hi ệ n th eo trình t ự s au [12,18]: Nh ờ t oán đ ồ
hình 5 .2 xác đ ị nh h∞ v à T∞ ứ ng v ớ i t ố c đ ộ g ió v đ ã cho. Sau đ ó xác đ ị nh th ờ i gian
t x
không th ứ n guyên v à đ à không th ứ n guyên . Th eo nh ữ ng giá t r ị n h ậ n đ ượ c
T∞ vT∞
t x
của và n h ờ t oán đ ồ h ình 5.3 xá c đ ị nh tr ạ ng thái sóng (phát tri ể n hay ổ n
T∞ vT∞
đị nh) . Sóng phát tri ể n là sóng gió v ớ i nh ữ ng tham s ố s óng t ă ng theo th ờ i gian, còn
sóng ổ n đ ị nh là sóng gió v ớ i các tham s ố s óng không bi ế n đ ổ i trong kho ả ng th ờ i
x t
, n ằ m th ấ p h ơ n đườ ng cong trên toán đ ồ h ình 5.3
gian đ ang xét. N ế u đ i ể m
vT∞ T∞
t
x ác đ ị nh η t rên toán đ ồ h ình 5.4a,
thì só ng đ ang phát tri ể n, khi đ ó theo giá tr ị
T∞
còn n ế u đ i ể m n ằ m cao h ơ n đ ườ ng cong trên toán đ ồ h ình 5.3 thì sóng ổ n đ ị nh và
x
x ác đ ị nh η t rê n t oán đ ồ h ình 5.4b. Cu ố i cùng tính các đ ặ c tr ư ng
theo giá tr ị
vT∞
sóng: đ ộ c ao són g h the o đạ i l ượ ng η n h ậ n đ ượ c, còn chu k ỳ sóng và b ướ c sóng
tìm theo toán đ ồ h ình 5.5.
Tính các đ ặ c tr ư ng sóng trên vùng n ướ c nông t ươ ng t ự n h ư t rình t ự t rên, tuy
nhiên trong tr ườ ng h ợ p này khi tìm η t rên các toán đ ồ h ình 5.4 ph ả i c ă n c ứ v ào ch ỉ
t iêu n ướ c nông
v
K= , (5.9)
gH
v ớ i v − t ố c đ ộ g ió (m/s), g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c (m/s2), H − đ ộ s âu bi ể n t ạ i đ i ể m
tính sóng (m).
Trong th ự c hành c ũ ng s ử d ụ ng m ộ t ph ươ ng pháp khá c tính các đặ c tr ư ng sóng
gió d ự a theo nh ữ ng công t h ứ c t h ự c n ghi ệ m c ủ a Vi ệ n h ả i d ươ ng qu ố c gia và Vi ệ n
nghiên c ứ u thi ế t k ế c ông trình bi ể n Liên bang (L iên bang Nga). Nh ữ ng công th ứ c
này có d ạ ng:
64
- - Đ ố i v ớ i bi ể n sâu:
5
1
gx gt
ghx ght
3 12
= 0,0042 2 = 0,0013
2 2
v
v
v v
( 5.10)
1 1
gx gt
gTx gTt
5 4
= 0,70 2 = 0,34
v v v
v
- Đ ố i v ớ i bi ể n nông:
3
gH 5
gh H
= 0,07 2 ,
v2 v
( 5.11)
3
gh 5
gT
= 18,7 2 ,
v
v
v ớ i hx − đ ộ c ao sóng trung bình ứ ng v ớ i đ à và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, ht − đ ộ c ao song
trung bình ứ ng v ớ i th ờ i gian tác đ ộ ng và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, Tx − c hu k ỳ s óng trung
bình ứ ng v ớ i đ à và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, Tt − c hu k ỳ s óng trung bình ứ ng v ớ i th ờ i
gian tác đ ộ ng và t ố c đ ộ g ió đ ã cho, x − đ à sóng (km), t − th ờ i gian tá c đ ộ ng c ủ a
gió (gi ờ ), v − t ố c đ ộ g ió (m/s), H − đ ộ s âu bi ể n (m), g − g ia t ố c tr ọ ng l ự c (m/s2),
hH − đ ộ c ao sóng trung bì nh trên n ướ c nông (m).
5.4. PHƯƠNG PHÁP LẬP DỰ BÁO SÓNG ĐỐI VỚI VÙNG ĐẠI DƯƠNG
5.4.1. Dự báo số trị trường sóng trên cơ sở phương pháp lý thuyết
C ơ s ở c ủ a ph ươ ng pháp này là s ơ đ ồ t ính sóng c ủ a Shuleikin đ ã trình bày ở
m ụ c 5 .2.
Xét tr ườ ng h ợ p sóng ch ư a ổ n đ ị nh, khi s ự p hát tri ể n c ủ a sóng ch ỉ p h ụ t h u ộ c
vào th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió. Gi ả t hi ế t r ằ ng t ố c đ ộ v à h ướ ng gió không bi ế n đ ổ i
trong kho ả ng th ờ i gian 6 gi ờ . Ng ườ i ta ch ỉ d ự b áo đ ộ c ao và h ướ ng lan truy ề n
sóng , vì các đ ặ c tr ư ng này quan tr ọ ng nh ấ t đ ố i v ớ i hàng h ả i.
S ự p h ụ t hu ộ c c ủ a đ ộ c ao sóng không th ứ n guyên vào th ờ i gian không th ứ
n guy ên có d ạ ng
t
0,6
η = 1 − exp − 1,30 . (5.12)
T
∞
C ă n c ứ v ào công th ứ c (5.7) và (5.8) công th ứ c (5.12) có th ể v i ế t l ạ i thành
t
0, 6
2
h = 0,0205v 1 − exp − 1,30 , (5.13)
0,526v
trong đ ó h − đ ộ c ao sóng (m), v − t ố c đ ộ g i ó (m/s), t − th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a g ió
(gi ờ ) .
Th ờ i gian c ầ n cho sóng phát tri ể n đ ế n đ ộ c ao quan tr ắ c đ ượ c t ạ i th ờ i đ i ể m l ậ p
65
- d ự b áo xác đ ị nh t heo công th ứ c
1, 66
h
ln 1 −
0,0205v 2
t = 0,526v − . (5.14)
1,3
Đ ể t ính đ ộ c ao sóng khi g ió y ế u đ i ng ườ i ta s ử d ụ ng công th ứ c c ủ a K. M.
S irotov:
t
− ,
h = 1,6h0 exp (5.15 )
14,7 + 3,78
k
trong đ ó h − đ ộ c ao sóng t ạ i th ờ i đ i ể m cu ố i chu k ỳ t ắ t sóng đ ang xét, h0 − đ ộ c ao
Δv
sóng t ạ i th ờ i đ i ể m đ ầ u quá t rình t ắ t sóng, t − t h ờ i gian (gi ờ ), k = − − g iá tr ị
Δt
t uy ệ t đ ố i c ủ a gia t ố c âm c ủ a gió.
Tính toán d ự b áo sóng đ ượ c th ự c hi ệ n t ừ ng b ướ c 6 gi ờ . Tr ườ ng sóng ứ ng v ớ i
th ờ i đ i ể m t n+6 đ ượ c tính theo tr ườ ng sóng xu ấ t ph át t ạ i th ờ i đ i ể m t n và các tr ườ ng
gió d ự b áo t ạ i các th ờ i đ i ể m t n v à t n + 6 . Tr ườ ng khí áp đ ượ c tính chu y ể n thành
tr ườ ng gió trong máy tính.
5.4.2. Phương pháp vật lý thống kê dự báo trường sóng đại dương
T ạ i Trung tâm Khí t ượ ng Th ủ y v ă n (Nga) Z. K. Abuziarov [2,3] đ ã xây d ự ng
ph ươ ng pháp d ự b áo tr ườ ng sóng cho vùng B ắ c Đ ạ i Tây D ươ ng trên c ơ s ở x ử l ý
th ố ng kê nh ữ ng quan tr ắ c sóng c ủ a các tàu th ờ i ti ế t và tàu tuy ế n và thi ế t l ậ p nh ữ ng
m ố i ph ụ t hu ộ c gi ữ a tr ườ ng sóng và tr ư ờ n g khí áp.
Đ ố i v ớ i d ự b áo sóng n g ườ i ta th ấ y r ằ ng nên s ử d ụ ng tr ự c ti ế p tr ườ ng khí áp
b ao quát m ộ t không gian l ớ n trên đ ạ i d ươ ng ch ứ k hông ph ả i là nh ữ ng d ữ l i ệ u v ề
g ió. Và trong tr ườ ng h ợ p nà y tr ườ ng áp su ấ t đ ượ c khai tri ể n thành hàm gi ả i tích
c ủ a t ọ a đ ộ ( khai tri ể n Cheb ư sev ho ặ c khai tri ể n thành các thành ph ầ n tr ự c giao t ự
n hiên).
Xét m ố i ph ụ t hu ộ c c ủ a đ ộ c ao sóng v ớ i các tr ườ ng khí áp l ấ y cách nhau 6
ho ặ c 12 gi ờ , có th ể t ính t ớ i m ộ t cách g ầ n đ úng tr ạ ng thái không ổ n đ ị nh c ủ a gió,
và do đ ó, s ự p hát tri ể n c ủ a sóng gió và sóng l ừ ng trong th ờ i gian và không gian.
Cách ti ế p c ậ n này thu ậ n l ợ i ở c h ỗ k hông còn c ầ n thi ế t ph ả i xá c đ ị nh đ à sóng và
th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió.
Đ ể t h i ế t l ậ p nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c d ự b áo đ ã s ử d ụ ng d ữ l i ệ u quan tr ắ c v ề s óng
và kh í áp có trong l ư u tr ữ c ủ a Trung tâm Khí t ượ ng Th ủ y v ă n Liên bang Nga [14].
Nh ữ ng s ố l i ệ u v ề đ ộ c ao và h ướ ng truy ề n sóng l ấ y t ừ c ác b ả n đ ồ c ho m ộ t m ạ ng
l ướ i c ố đ ị nh các đ i ể m tính sóng trên B ắ c Đ ạ i Tây D ươ ng. Đ ể d ự b áo đ ượ c c ả đ ộ
c ao và h ướ ng sóng, t ạ i m ỗ i đ i ể m t ính đ ã xét m ộ t vect ơ q uy ư ớ c h ướ ng theo h ướ ng
66
- t ruy ề n s óng ψ . Đ ộ l ớ n c ủ a vect ơ l à giá tr ị đ ộ c ao sóng h . Sau đ ó tính nh ữ ng hình
ch i ế u c ủ a các v ect ơ hx , hy l ên các tr ụ c t ọ a đ ộ ( các ph ươ ng kinh tuy ế n và v ĩ t uy ế n)
theo các công th ứ c
hx = h sinψ , h y = h cosψ . ( 5.16)
Khi đ ó đ ộ c ao sóng và h ướ ng truy ề n sóng d ự b áo b ằ ng
ψ = arctg hx h .
h = hx2 + h y ,
2
(5.17)
y
Đ ố i v ớ i m ỗ i đ i ể m tính trên m ạ ng đ ã nêu đ ã thi ế t l ậ p đ ượ c nh ữ ng m ố i ph ụ
t hu ộ c d ự b áo d ạ ng
[ ]
hx (t n ) = f 1 Bij (t n − 12), hx (t n − 12) ,
( 5.16)
) = f [B − 12)].
ij (t n − 12), h y (t n
h y (t n 2
ở đ ây hx (t n ) v à h y (t n ) − nh ữ ng đ ạ i l ượ ng c ầ n d ự b áo ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m t n , Bij − c ác
h ệ s ố khai tri ể n tr ườ ng khí áp ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m 12 gi ờ t r ướ c th ờ i đ i ể m d ự b áo,
hx (t n − 12) v à h y (t n − 12) − c ác hình chi ế u c ủ a v ect ơ s óng ứ ng v ớ i th ờ i đ i ể m 1 2 gi ờ
tr ướ c th ờ i đ i ể m d ự b áo.
5.4.3. Tính sóng lừng
Kh ả n ă ng s óng l ừ ng t ừ v ùng bão đ i t ớ i đ i ể m n ằ m n goài bão xác đ ị nh theo
b ả ng 5.1 [12]. Bi ế t đ ộ c ao sóng ở v ùng bão, h ướ ng truy ề n sóng và th ờ i gian d ự
b áo , theo b ả ng 5. 1 xác đ ị nh kho ả ng cách mà sóng l ừ ng s ẽ đ i đ ượ c và đ ộ c ao sóng ở
cu ố i kho ả n g cách đ ó. N ế u bi ế t con đ ườ ng sóng l ừ ng đ i thì có th ể n h ậ n đ ị nh v ề k h ả
n ă ng sóng l ừ ng có đ i đ ế n đ i ể m d ự b áo không.
Bảng 5.1. Quãng đường D (hải lý) sóng lừng đi được sau thời gian t và
độ cao sóng lừng h (m) ở cuối quãng đường đó
t , giờ
Độ cao sóng
6 12 18 24 30
ban đầu (m)
D h D h D h D h D h
10 110 8,0 220 6,4 350 5,2 475 4,4 600 4,0
9 100 7,2 200 5,8 310 4,9 430 4,4 560 3,4
8 90 6,4 180 5,2 275 4,6 380 3,8 495 3,3
7 80 5,6 160 4,6 240 4,2 335 3,5 420 3,2
6 65 4,8 135 4,1 205 3,7 290 3,2 370 2,8
5 50 4,0 110 3,5 170 3,1 240 2,9 300 2,5
4 40 3,2 90 2,8 140 2,6 190 2,3 240 1,9
3 30 2,3 70 2,0 110 1,7 150 1,5 180 1,3
− −
2 20 1,5 50 1,3 75 0,8 100 0,7
T r ườ ng h ợ p trên vùng d ự b á o c ó tìn h hu ố ng g i ó y ế u đ i và các s óng bão t ắ t
d ầ n, thì đ ộ c ao sóng đ ượ c xác đ ị nh t heo b ả ng 5.2 [12]. B ả ng n ày đượ c l ậ p cho
nh ữ ng đ i ề u ki ệ n xác su ấ t c ao nh ấ t , đ ặ c t r ư ng cho tình hu ố ng gi ả m g ió trung bình.
67
- Sãng æn ®Þnh
Sãng ph¸t triÓn
Hình 5.2. Toán đồ xác định độ cao h∞ và chu kỳ T∞ Hình 5.3. Toán đồ xác định giai đoạn
sóng tới hạn theo tốc độ gió v phát triển sóng
Hình 5.4. Toán đồ xác định độ cao sóng biển sâu và biển nông
(a − sóng chưa ổn định và b − sóng ổn định)
Hình 5.5. Toán đồ xác định chu kỳ T
và bước sóng λ
68
- Bảng 5.2. Những trị số xác suất nhất của độ cao các sóng tắt dần h (m)
tại điểm tính sau những khoảng thời gian t khác nhau
t , giờ
Độ cao sóng
ban đầu, (m) 6 12 18 24 30
10 8.3 6.8 5.9 5.2 4.6
9 7.5 6.2 5.5 4.7 3.9
8 6.7 5.6 5.1 4.3 3.6
7 5.9 5.1 4.4 3.7 3.0
6 5.1 4.4 4.0 3.2 2.8
5 4.3 3.6 3.2 2.8 2.4
4 3.3 2.9 2.6 2.4 2.2
3 2.4 2.2 2.1 2.0 1.9
2 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3
69
nguon tai.lieu . vn
