Xem mẫu

  1. CHƯƠNG 7 - DỰ BÁO DÒNG CHẢY T í nh và d ự b áo các dòng ch ả y liên quan v ớ i v i ệ c tính các hi ệ n t ượ ng th ủ y tri ề u và dâng rút, các quá trình xáo tr ộ n, ả nh h ưở ng đ ị a hình đ áy, s ự k hông đ ồ ng đ ề u theo chi ề u ngang c ủ a tr ườ ng gió và nhi ề u y ế u t ố k hác. Khó kh ă n trong d ự b áo dòng ch ả y là ở c h ỗ k hông bao gi ờ t rong t ự n hiên g ặ p nh ữ ng dòng ch ả y thu ầ n khi ế t đ ượ c gây b ở i m ộ t l ự c riêng bi ệ t. Các dòng ch ả y quan sát th ấ y trong bi ể n là nh ữ ng dòng ch ả y t ổ ng c ộ ng gây b ở i tác d ụ ng c ủ a nh ữ ng nhâ n t ố k hác nhau: gió, th ủ y tri ề u , l ư u l ượ ng các sông... Vi ệ c xây d ự ng các ph ươ ng pháp d ự b áo dòng ch ả y ti ế n hành theo hai h ướ ng: 1) s ử d ụ ng các k ế t qu ả n ghiên c ứ u lý thuy ế t trên c ơ s ở g i ả i các ph ươ ng trình th ủ y đ ộ ng l ự c h ọ c và 2) xây d ự ng nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c đ ị nh l ượ ng th ự c nghi ệ m gi ữ a các dòng ch ả y và nh ữ ng nhân t ố g ây nên chúng. Nh ữ ng khó kh ă n trong vi ệ c đ ư a các mô hình th ủ y đ ộ ng l ự c h ọ c tính dòng ch ả y đ ế n d ự b áo là xu ấ t phá t t ừ s ự c ồ ng k ề nh trong các th ủ t ụ c tính toán, t ừ c h ỗ k hông đ ủ t à i li ệ u qua n tr ắ c tr ự c ti ế p c ầ n thi ế t. Hi ệ n nay các s ơ đ ồ t h ủ y đ ộ ng l ự c h ọ c tính dòng ch ả y ch ư a ki ể m tra đ ượ c vì không có nh ữ ng s ố l i ệ u quan tr ắ c dòng ch ả y cùng m ộ t lúc trên nh ữ ng vùng n ướ c r ộ ng l ớ n c ủ a bi ể n và đ ạ i d ươ ng. Trong nh ữ ng n ă m g ầ n đ ây quan ni ệ m v ề b ả n ch ấ t các dòn g ch ả y đ ạ i d ươ ng đ ã sâu s ắ c h ơ n nhi ề u nh ờ n hu ữ ng nghiên c ứ u có tính ch ấ t c ơ s ở c ủ a V. B. Stokman, P. S. Linhâykin, A. S. Sarkisian và các nhà khoa h ọ c khác. V. B. Stokman đ ã xác l ậ p đ ượ c r ằ ng s ự k hông đ ồ ng nh ấ t ngang c ủ a tr ườ ng t ố c đ ộ g ió là nhân t ố q uan tr ọ ng trong s ự h ình thành các dongf ch ả y gió ở b i ể n. Lu ậ n đ i ể m này có m ộ t vai trò quy ế t đ ị nh trong khi xây d ự ng các d ự b áo dòng ch ả y. Rõ ràng là trong khi xây d ự ng các d ự b áo dòng ch ả y do gió gây nên c ầ n ph ả i tín h t ớ i ả nh h ưở ng không nh ữ ng c ủ a gió đ ị a ph ươ ng mà còn c ủ a s ự p hâ n b ố g ió và khí áp trên nh ữ ng vùng r ộ ng l ớ n c ủ a bi ể n và đ ạ i d ươ ng. P. S. Linhâykin đ ã m ở đ ầ u cho m ộ t h ướ ng m ớ i trong vi ệ c phát tri ể n lý thuy ế t h ả i l ư u, lý thuy ế t đ ạ i d ươ ng nghiêng áp. Trong các công trình c ủ a mình, ông đ ã nghiên c ứ u c ấ u trúc th ẳ ng đ ứ ng c ủ a các dòng ch ả y do gió gây nên, có tính đ ế n s ự p hân b ố m ậ t đ ộ t rong bi ể n. S ự p hát tri ể n ti ế p theo c ủ a lý th uy ế t đ ạ i d ươ ng nghiêng áp (không đ ồ ng nh ấ t v ề m ậ t đ ộ ) c ó trong các cô ng trình c ủ a A. S. Sarkisian. Ông này đ ã thành l ậ p các s ơ đ ồ s ố t r ị t ính các dòng ch ả y theo tr ườ ng khí áp cho tr ướ c và theo phaan b ố k hông gian c ủ a m ậ t đ ộ n ướ c bi ể n, có k ể đ ế n đ ị a hình đ áy bi ể n. Vì các k ế t qu ả l ý thuy ế t hi ệ n nay ch ư a tìm đ ượ c ứ ng d ụ ng trong th ự c t ế l ậ p d ự b áo dòng ch ả y b ở i nh ữ ng lý do đ ã nêu ở t rên, nên ng ườ i ta c ũ ng chú ý nghiên c ứ u các ph ươ ng pháp th ự c nghi ệ m. Ph ươ ng pháp th ự c nghi ệ m cho phép đ ư a vào các 75
  2. p h ươ ng trình d ự b áo nh ữ ng nhân t ố q uy ế t đ ị nh nh ư g i ó, gra đ ien khí áp, các đ ặ c tr ư ng s ố t r ị t r ườ ng khí áp, các giá tr ị v ậ n t ố c dòng ch ả y có s ẵ n... Trong các m ụ c d ướ i đ ây li ệ t kê nh ữ ng thí d ụ x ây d ự ng các d ự b áo dòng ch ả y bi ể n theo nh ữ ng ph ươ ng pháp khác nhau. 7.1. NHỮNG TƯƠNG QUAN THỰC NGHIỆM GIỮA TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY VÀ GIÓ N g ườ i ta xác nh ậ n r ằ ng y ế u t ố c ơ b ả n gây nên các dòng ch ả y m ặ t ở b i ể n là gió. Đ ã có nhi ề u th ử n ghi ệ m nh ằ m tìm nh ữ ng m ố i ph ụ t hu ộ c th ự c nghi ệ m gi ữ a v ậ n t ố c dòng ch ả y trên m ặ t bi ể n và gió. V ớ i m ụ c đ ích này, ng ườ i ta s ử d ụ ng nh ữ ng d ữ l i ệ u quan tr ắ c tr ự c ti ế p v ề d òng ch ả y b ằ ng nh ữ ng d ụ ng c ụ h ay nh ữ ng cách gián ti ế p khác nhau. Nhìn chung m ố i ph ụ t hu ộ c này có d ạ ng nh ư s a u k U= ( 7.1) v, sin ϕ trong đ ó U − t ố c đ ộ d òng ch ả y ở m ặ t bi ể n, v − t ố c đ ộ g ió, ϕ − v ĩ đ ộ đ ị a đ i ể m tính, k − h ệ s ố t h ự c n ghi ệ m đ ượ c g ọ i là h ệ s ố g ió. Nhi ề u nhà nghiên c ứ u đ ã có ý đ ị nh x ác đ ị nh giá tr ị c ủ a h ệ s ố g ió (E. Palmen, I. M. Soxkin, N. A. Struisky, V. A. Zenhin...), nh ư ng m ỗ i m ộ t l ầ n l ạ i nh ậ n đ ượ c tr ị s ố m ớ i c ủ a h ệ s ố g ió. Theo Ekman h ệ s ố g ió b ằ ng 0,0127, theo Zenhin - b ằ ng 0,02. Có gi ả t huy ế t cho r ằ ng nguyên nhân c ủ a các k ế t qu ả k hông trùng h ợ p nhau nh ư v ậ y là do s ự k hác nhau c ủ a ph ươ ng pháp quan tr ắ c và x ử l ý s ố l i ệ u quan tr ắ c. Nh ư c húng ta đ ã bi ế t, dòng ch ả y trong bi ể n là dòng ch ả y t ổ ng c ộ ng. Đ ể t ách riêng t ừ đ ó thành ph ầ n dòng ch ả y gió thu ầ n khi ế t c ầ n ph ả i lo ạ i tr ừ c ác dòng ch ả y m ậ t đ ộ , dòng ch ả y tri ề u và dòng ch ả y quán tính. Thông th ườ ng nhi ệ m v ụ t rên đ ượ c gi ả i quy ế t b ằ ng cách l ấ y trung bình đ ơ n thu ầ n hình th ứ c t ừ m ộ t s ố l ượ ng l ớ n quan tr ắ c. Cách này không đ ư a đ ế n k ế t q u ả m ong mu ố n. Ngoài ra đ ể x ác đ ị nh h ệ s ố g ió ng ườ i ta dùng các s ố l i ệ u quan tr ắ c gió và dòng ch ả y ở m ộ t đ i ể m. Trong khi đ ó dòng ch ả y t ạ i m ộ t đ i ể m đ ượ c quy ế t đ ị nh không ph ả i b ở i gió ở đ i ể m ấ y mà ch ủ y ế u là gió trên vùng không gian l ớ n xung quanh. Khi xác đ ị nh các h ệ s ố t h ự c nghi ệ m còn nh ữ ng đ i ề u ki ệ n đ ị a lý c ủ a vùng nghiên c ứ u, đ ị a hình đ áy , hình d ạ ng đ ườ ng b ờ , đ ộ s âu đ i ể m tính... c ũ ng ch ư a đ ượ c tính đ ế n. C ũ ng c ầ n chú ý t ớ i v ấ n đ ề t ươ ng tác gi ữ a gió và dòng ch ả y. Torade, Lauford và nhi ề u ng ườ i khác đ ã xác nh ậ n r ằ ng m ố i ph ụ t hu ộ c c ủ a h ệ s ố g ió v ớ i v ậ n t ố c g ió không tuy ế n tính. T ồ n t ạ i m ộ t tr ị s ố t ớ i h ạ n c ủ a t ố c đ ộ g ió (g ầ n 7 m/s), khi v ượ t qua t ố c đ ộ g ió đ ó h ệ s ố g ió bi ế n đ ổ i m ộ t cách nh ả y v ọ t t ừ 0 ,0175 đ ế n 0,0210. S au đ ó h ệ s ố g ió t ă ng d ầ n đ ế n 0,0270 n ế u t ố c đ ộ g ió t ă ng đ ế n 20 m/s. Nh ờ k ế t qu ả t ổ ng h ợ p các tài li ệ u quan tr ắ c dòng ch ả y trên các tr ạ m phao ở b i ể n Bantích Soskin đ ã thi ế t l ậ p m ố i ph ụ t hu ộ c đ ị nh l ượ ng c ủ a h ệ s ố g ió k v à góc l ệ ch c ủ a c ủ a dòng ch ả y so v ớ i h ướ ng gió β v ào nh ữ ng nhân t ố q uy ế t đ ị nh đ ố i v ớ i nh ữ ng vùng n ướ c nông ( H < 35 m) và n ướ c sâu ( H > 35 m). Đ ể x ác đ ị nh đ ạ i l ượ ng k 76
  3. v à β S oskin đ ã xây d ự ng nh ữ ng toán đ ồ ( hình 7.1 và 7.2). Khi H < 35 m) (hình 7.1) k v à β p h ụ t hu ộ c vào đ ộ s âu bi ể n và h ướ ng gió. V ớ i tr ườ ng h ợ p H > 35 m (hình 7.2) k v à β đ ượ c các đ ị nh theo h ướ ng gió và kho ả ng cách đ ế n b ờ t h ẳ ng đ ứ ng. Trong tr ườ ng h ợ p này không xác nh ậ n s ự p h ụ t hu ộ c c ủ a các đ ạ i l ượ ng k v à β v ào đ ộ sâ u bi ể n. Khi tính toán dòng ch ả y c ũ ng c ầ n bi ế t d ữ l i ệ u v ề t h ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió đ ể l àm xu ấ t hi ệ n dòng ch ả y gió ổ n đ ị nh trên m ặ t bi ể n. Trên c ơ s ở p hân tích s ố l i ệ u quan tr ắ c ở b i ể n Bantích Iu. N. Nheronov đ ã nh ậ n đ ượ c r ằ ng trong kho ả ng 16 gi ờ x u ấ t hi ệ n dòng ch ả y ổ n đ ị nh và c ũ ng sau kho ả ng đ ó dòng cha ỷ s ẽ t ắ t n ế u gió ng ừ n g tác đ ộ ng. Khoảng cách kể từ bờ Độ sâu biển Hình 7.2. Biến đổi của góc lệch β và hệ số gió k tùy Hình 7.1. Biến đổi của góc lệch β và hệ số gió k tùy thuộc hướng gió A và độ sâu biển H (đặc thuộc hướng gió A và khoảng cách tới bờ thẳng đứng trưng nước nông) L Trong m ộ t s ố s ơ đ ồ t ính dòng ch ả y gió h ệ s ố g ió đ ượ c xem l à bi ế n t hiên ph ụ t hu ộ c và o cá c đ ặ c tr ư ng sóng bi ể n. Nh ữ ng nghiên c ứ u c ủ a V. V. S huleikin và nh ữ ng ng ườ i khác phát hi ệ n r ằ ng s ự t ruy ề n n ă ng l ượ ng gió ch o sóng x ả y r a do á p su ấ t p hap s t uy ế n c ủ a gió. Đ ạ i l ượ ng áp su ấ t gió liên h ệ v ớ i đ ộ d ố c sóng v à t ố c đ ộ truy ề n s óng. E. G. Nhikiphorov khi xét m ố i liên h ệ c ủ a tr ườ ng sóng gió và t r ườ ng dòng ch ả y đ ã đ i đ ế n k ế t lu ậ n r ằ ng c ầ n xem x ét dòng ch ả y gió nh ư l à m ộ t tín h c h ấ t độ ng l ự c c ủ a sóng gió và t ố c đ ộ d òng ch ả y gió có th ể t ính theo phân b ố các y ế u t ố s ó ng gi ó. H ệ s ố g ió ph ụ t hu ộ c t ố c đ ộ g ió và đ à gió. Trên c ơ s ở n h ữ ng nghiên c ứ u lý thuy ế t đ ã đ ề x ướ ng nh ữ ng ph ươ ng pháp tí nh và d ự bá o d ò ng ch ả y gió có k ể đ ế n h ệ s ố g ió bi ế n đ ổ i. H ệ s ố n à y đ ượ c xem nh ư ph ụ thu ộ c v ào sóng. R. Jam es [9] đ ề n gh ị t ính t ố c đ ộ d òng ch ả y tr ôi th eo t ố c đ ộ 77
  4. g ió, đ à và th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió. Ứ ng su ấ t gió tính theo công th ứ c T = cα ρ α v 2 , (7 . 2) trong đ ó cα − h ệ s ố l ự c m a sát ti ế p tuy ế n là hàm c ủ a m ứ c đ ộ r ố i, do đ ó liên quan t ớ i tr ạ ng thái bi ể n và sóng, ρα − m ậ t đ ộ k hông khí, v − t ố c đ ộ g ió. Đ ể t ính t ố c đ ộ d òng ch ả y gió đ ã l ậ p toán đ ồ ( hình 7.3), nh ữ ng tham s ố đ ầ u vào là t ố c đ ộ g ió, đ à gió và th ờ i gian tác đ ộ ng c ủ a gió. Ph ươ ng pháp này th ườ ng đ ượ c s ử d ụ ng đ ể x ác đ ị nh bình l ư u nhi ệ t b ở i dòng ch ả y khi l ậ p các d ự b áo nhi ệ t đ ộ n ướ c. Hình 7.3. Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo tốc độ gió, đà và thời gian tác động của gió V . S. Krasiuk và E. S. Sauskan c ũ ng đ ề x ướ ng ph ươ ng pháp đ ồ t h ị t ính dòng ch ả y trôi ở đ ạ i d ươ ng có k ể t ớ i áp su ấ t khí quy ể n và sóng. Đ ể l o ạ i tr ừ ả nh h ưở ng c ủ a nh ữ ng nét đ ặ c thù c ủ a gió đ ị a ph ươ ng các tác gi ả n ày đ ề n gh ị đ ặ c tr ư ng đ i ề u ki ệ n gió b ằ ng gra đ ien khí áp. Khi d ự b áo dòng ch ả y gi ả t hi ế t r ằ ng t ố c đ ộ g ió trên bi ể n t ỷ l ệ v ớ i gra đ ien khí áp; h ệ s ố g ió bi ế n đ ổ i theo v ĩ đ ộ đ ị a lý, gi ả m ở c ác v ĩ đ ộ c ao, t ố c đ ộ d òng ch ả y gió liên h ệ v ớ i đ ộ d ố c và đ ộ c ao sóng và s ự p hát tri ể n hoàn toàn c ủ a sóng và dòng ch ả y trôi th ự c t ế s ẽ đ ạ t đ ượ c m ộ t cách đ ồ ng th ờ i; h ướ ng dòng ch ả y trùng v ớ i ti ế p tuy ế n c ủ a đ ườ ng đ ẳ ng áp t ạ i đ i ể m tính dòng ch ả y (n ế u nhìn theo h ướ ng dòng thì bên ph ả i là áp su ấ t cao, bên trái - áp su ấ t th ấ p. Đ ể g i ả m b ớ t công vi ệ c tính toán đ ã l ậ p t oán đ ồ c ho phép xác đ ị nh t ố c đ ộ d òng ch ả y (hình 7.4). Trong cung ph ầ n t ư t h ứ n h ấ t c ủ a toán đ ồ đ ặ t l ướ i đ ộ đ ể x ác đ ị nh gra đ ien áp su ấ t và bán kính cong c ủ a đ ườ ng đ ẳ ng áp R t ính b ằ ng đ ộ k inh tuy ế n t ạ i v ĩ đ ộ đ ang xét. M ỗ i đ ộ c hia c ủ a đ ườ ng n ằ m ngang ứ ng v ớ i m ộ t đ ộ k inh tuy ế n trên các v ĩ đ ộ t ừ 7 0 đ ế n 20 ° N đ ố i v ớ i b ả n đ ồ t ỷ l ệ 1 :1.500.000. Trong cung ph ầ n t ư t h ứ h ai d ẫ n các đ ườ ng con g đ ặ c tr ư ng cho s ự p h ụ t hu ộ c c ủ a t ố c đ ộ g ió vào đ ộ l ón c ủ a gr a đ ien khí áp và v ĩ đ ộ đ i ể m tính. Trong cung ph ầ n t ư t h ứ b a − n h ữ ng đ ườ ng cong nh ơ đ ó tính t ớ i m ố i liên h ệ đ ộ c ong c ủ a các đ ườ ng đ ẳ ng áp và t ố c đ ộ g ió. Trong cung ph ầ n t ư 78
  5. t h ứ t ư − n h ữ ng đ ườ ng cong đ ể x ác đ ị nh t ố c đ ộ d òng ch ả y trôi tu ỳ t hu ộ c vào t ố c đ ộ g ió trên nh ữ ng v ĩ đ ộ k hác nhau ( đồ t h ị n ày đ ượ c d ự ng có s ử d ụ ng h ệ s ố g ió bi ế n đ ổ i). Bán kính cong đ ượ c ch ọ n sao cho vòng tròn v ẽ t ừ t âm trùng v ớ i đ o ạ n đ ườ ng đ ẳ ng áp đ ã cho. Hình 7.4. Toán đồ để tính dòng chảy trôi theo khí áp và sóng 7.2. TÍNH TỐC ĐỘ DÒNG CHẢY THEO TRƯỜNG MẬT ĐỘ NƯỚC VÀ TRƯỜNG KHÍ ÁP S ử d ụ ng s ơ đ ồ d o A. S. Sarkisian xây d ự ng, V. P. Samsonov đ ã tính đ ị a hình m ặ t t ự d o c ủ a đ ạ i d ươ ng và các thành ph ầ n ngang c ủ a dòng ch ả y trong l ớ p m ặ t c ủ a vùng B ắ c Đ ạ i Tây D ươ ng theo tr ườ ng m ậ t đ ộ n ướ c và tr ườ ng gió. Các tính toán được thực hiện cho những điều kiện trung bình nhiều năm cũng như cho những tình huống cụ thể, tức có khả năng ứng dụng vào dự báo. Phân tích các quan tr ắ c dòng ch ả y và n h ữ ng k ế t qu ả l ý thuy ế t cho th ấ y r ằ ng th ờ i gia đ ể h ình thành các dòng ch ả y m ặ t g ầ n b ằ ng m ộ t ngày đ êm. Đ i ề u này cho kh ả n ă ng s ử d ụ ng s ơ đ ồ đ ã xây d ự ng này đ ể t ính nh ữ ng bi ế n đ ộ ng ng ắ n h ạ n c ủ a các dòng ch ả y m ặ t không ổ n đ ị nh d ướ i tác đ ộ ng c ủ a tr ườ ng áp su ấ t khí quy ể n bi ế n đ ổ i. Trên hình 7.5 trình bày m ộ t trong nh ữ ng s ơ đ ồ d òng ch ả y tính toán đ ượ c. Đ ể k i ể m tra k ế t qu ả t ín h toán đ ã s ử d ụ ng nh ữ ng quan tr ắ c dòng c h ả y th ự c hi ệ n b ằ ng máy ghi dòng ch ả y đ ị a đ i ệ n t ừ v à các máy t ự g hi t ạ i các tr ạ m nhi ề u ngày. S ự p hù h ợ p t ươ ng đ ố i t ố t gi ữ a tính toán và quan tr ắ c ch ứ ng t ỏ v ề k h ả n ă ng s ử d ụ ng ph ươ ng pháp trong tính toán và d ự b áo dòng ch ả y đ ạ i d ươ ng. 79
  6. Hình 7.5. Thí dụ về trường dòng chảy tính theo sơ đồ Sarkisian 7.3. DỰ BÁO DÒNG CHẢY Ở BIỂN KHƠI THEO TRƯỜNG KHÍ ÁP T ừ l ý thuy ế t và th ự c nghi ệ m th ấ y r ằ ng dòng ch ả y t ạ i m ộ t đ i ể m b ấ t k ỳ c ủ a đ ạ i d ươ ng ph ụ t hu ộ c vào tác đ ộ ng c ủ a gió trên nh ữ ng vùng r ộ ng l ớ n. Vì v ậ y đ ể n h ậ n đ ượ c k ế t qu ả t ho ả m ãn c ầ n tính đ ế n ả nh h ưở ng c ủ a gió và khí áp trên nh ữ ng kho ả ng không gian l ớ n. N. A. Belinsky và M. G. Glagoleva đ ã s ử d ụ ng ph ươ ng pháp khai tri ể n tr ườ ng khí áp thành chu ỗ i các thành ph ầ n tr ự c giao t ự n hiên vào d ự b áo ng ắ n h ạ n dòng ch ả y ở m ộ t s ố v ùng thu ộ c H ắ c H ả i. Vùng không gian trên đ ó cho tr ườ ng khí á p đ ượ c ch ọ n sao cho t ừ đ ó đ ặ c tr ư ng đ ượ c các quá trình khí quy ể n trên toàn vùng bi ể n. Vect ơ d òng ch ả y đ ượ c bi ể u di ễ n thành các hình chi ế u tu ỳ t ừ ng tr ườ ng h ợ p có th ể l à hình chi ế u lên các h ướ ng đ ị a lý ho ặ c lên các tr ụ c song song và vuông góc v ớ i đ ườ ng b ờ . M ố i liên h ệ g i ữ a các hình chi ế u c ủ a dò ng ch ả y và các h ệ s ố k hai tri ể n tr ườ ng khí áp có d ạ ng u = b1  a ij + c 1 , ( 7.3) v = b 2  a ij + c 2 , trong đ ó b1 v à b2 − c ác h ệ s ố h ồ i quy. Th ờ i h ạ n d ự b áo theo tr ươ ng khí áp th ự c b ằ ng 12 gi ờ đ ố i v ớ i dòng ch ả y m ặ t và 24 gi ờ đ ố i v ớ i các dòng ch ả y sâu . N ế u dùng tr ườ ng khí áp d ự b á o thì th ờ i h ạ n d ự b áo tu ầ n t ự t ă ng lên. 80
nguon tai.lieu . vn