Giáo trình DỰ BÁO THỦY VĂN BIỂN - Chương 5 potx

Những sóng này không ổn định và sau khi ngừng c truyền động năng cho sóng th ất pháp tuyến của gió lên s nh lên, năng lượng của các thành phần phổ tăng tuyến tính v ời gian đủ dài, thì s

CHƯƠNG 5 - DỰ BÁO SÓNG BIỂN

Tính và dự báo sóng ở biển và đại dương cần thiết cho những lĩnh vực kinh tế như hàng hải, đóng tàu và khai thác tàu, cảng, các thủy công trình trên bờ và thềm

trưng của sóng biển thì quan trọng nhất là những độ cao sóng cực đại, vì những sóng l

ỹ đã lập các b

độ dài sóng thì người ta xét sóng nước sâu, nếu độ sâu biển nhỏ hơn nửa độ dài sóng − sóng nước nông

sóng lừng Sóng gió là sóng gây bởi gió và chịu

và sóng lừng gọi

là sóng h

ạt động đa dạng của các ngành này c trưng sóng ở những vùng khác nh

ớn luôn luôn là mối nguy hiểm nhất đối với tàu và các thủy công trình

Các ngành kinh tế cần những loại dự báo sóng khác nhau: có thể là những đặc trưng xác suất (chế độ) của sóng trong thời kỳ dài và cũng có thể là những yếu tố sóng trong một thời điểm cụ thể hàng ngày Hình thức tiện dụng nhất để thể hiện

dự báo sóng là những bản đồ sóng, trên đó các độ cao sóng và chu kỳ sóng được biểu diễn bằng các đường đẳng trị Đã vài thập kỷ nay các nước như Nga và M

ản đồ dự báo sóng cho các vùng đại dương Những bản đồ này có giá trị

to lớn đối với ngành hàng hải, đặc biệt từ khi xuất hiện dịch vụ đảm bảo những đường bơi tối ưu cho các tàu viễn dương

5.1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ SÓNG BIỂN

Sự phát triển, lan truyền và tắt dần của sóng ở nước sâu và nước nông diễn ra khác nhau và các phương pháp dự báo sóng cũng được xây dựng riêng cho từng trường hợp Nếu độ sâu biển lớn hơn nửa

Trong biển phân biệt sóng gió và

tác động của gió Sóng lừng là sóng lan truyền trong vùng tạo sóng sau khi gió yếu đi hoặc gió thay đổi hướng hoặc sóng đi từ vùng tạo sóng đến vùng khác, nơi có các đặc trưng gió khác Có thể có sóng lừng lan truyền trong khi hoàn toàn không có gió Hệ thống sóng hình thành do tổng hợp các sóng gió

ỗn hợp

Trong tính toán và dự báo sóng cũng phân biệt sóng ba chiều và sóng hai chiều Thực tế dự báo sóng thường đề cập đến sóng hai chiều Những đặc trưng cơ bản được dự báo của sóng hai chiều gồm độ cao h, chu kỳ T , độ dài λ , tốc độ truyền C, hướng truyền ψ

Độ cao sóng là độ cao của đỉnh sóng so với đáy sóng Chu kỳ − khoảng thời gian hai đỉnh sóng kế tiếp đi qua một điểm cố định trên biển Trên băng ghi sóng (hình 5.1) chu kỳ xác định bằng khoảng thời gian trên trục hoành giữa hai đỉnh sóng kế tiếp nhau Độ dài − khoảng cách ngang giữa hai đỉnh sóng kế tiếp trên trắc

diện sóng vẽ theo hướng ruyt ền sóng Tốc độ truyền sóng - quãng đường di chuyển đỉnh sóng hay đáy sóng theo hướng truyền sóng trong một đơn vị thời gian khi sóng tiến lan truyền trên biển Hướng truyền sóng - hướng trung bình lan truyền sóng xác định theo nhiều sóng

Mùc sãng trung b×nh

§Ønh sãng

Ngän sãng

§¸y sãng Ch©n sãng

1 phót

Hình 5.1 Hình dạng một đoạn băng ghi sóng

Chu kỳ, độ dài và tốc độ truyền sóng liên hệ với nhau bằng những biểu thức

T

g T

2 =

=

=

πλ

2 2

2

= π

λ , (5.1)

C

4

C g g

T = 2πλ = 2π =0,6 Năng lượng toàn phần của sóng

2

8

1

gh

W = ρ (5.2) trong đó g gia tốc trọng lực, − ρ− mật độ nước

dạng Bên cạnh nhữnh sóng rất nhỏ có những sóng lớn (hình 5.1) Sự đa dạng của các yếu tố sóng trong những giai đoạn phát triể

thống kê nhất định Bằng con đường lý thuyết hoặc thực nghiệm xử lý những băng

nhữn

sóng ở biển trong gió mạnh và

n sóng tuân theo những quy luật

ghi sóng đ nhận được các hàm ân bố hay hàm

g hàm phân bố, có thể xác định trị số của một yếu tố sóng với độ đảm bảo bất

kỳ, nếu biết trị số trung bình của nó

5.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA SÓNG BIỂN VÀ CÁC YẾU TỐ TẠO SÓNG

Do tác động của dòng không khí trên mặt biển lúc đầu phẳng lặng hình thành dao động của các hạt nước Trên mặt biển xuất hiện những sóng nhỏ hình dạng đều

đặn - gọi là các sóng mao dẫn vì vai trò quyết định đối với hình thành các sóng này là lực căng bề mặt của nước Những sóng này không ổn định và sau khi ngừng

c truyền động năng cho sóng th

ất pháp tuyến của gió lên s

nh lên, năng lượng của các thành phần phổ tăng tuyến tính v

ời gian

đủ dài, thì sóng s

ri

ó

gió chúng tắt nhanh do độ nhớt của nước Nếu gió tiếp tụ

ì dưới tác động của trọng lực và lực căng bề mặt các sóng phát triển dần và chuyển thành sóng trọng lực Năng lượng tổng cộng của sóng liên tục tăng Hình thành chuyển động sóng phức tạp Xuất hiện những sóng với chu kỳ, độ cao, độ dài

và tốc độ truyền rất khác nhau, tức hình thành phổ sóng gió

Cơ chế truyền năng lượng gió cho sóng được các nhà nghiên cứu quan niệm rất khác nhau [18] V M Makaveev cho rằng gió truyền năng lượng cho sóng nhờ ứng suất tiếp tuyến của gió Iu M Krưlov giải thích cơ chế truyền năng lượng bằng ứng suất pháp tuyến và tiếp tuyến của gió V V Shuleikin bằng thực nghiệm

đã chỉ ra rằng năng lượng truyền cho sóng chủ yếu nhờ áp su

ườn đón gió của sóng

Theo lý thuyết của Phillips và Miles thì sự phát triển phổ sóng gió diễn ra do hai cơ chế vật lý ứng với những giai đoạn phát triển sóng Cơ chế cộng hưởng của Phillips giải thích sự phát sinh các sóng gió Nhờ những tính chất rối của gió, những kích thước của những cuộn xoáy trong gió trùng với độ dài sóng thì xảy ra

sự cộng hưởng làm sóng mạ

ới thời gian cho đến khi sự bất đồng đều của mặt nước dậy sóng tác động trở lại trường áp suất trong lớp không khí sát mặt nước Sự tăng trưởng tiếp theo của sóng, khi bắt đầu có sự phản ứng lại của sóng đối với những thăng giáng áp suất không khí được giải thích bằng lý thuyết Miles Theo Miles áp suất không khí tỷ lệ với năng lượng sóng và sự tăng trưởng sóng diễn ra theo quy luật hàm mũ Sự chuyển hoá từ tăng trưởng tuyến tính sang tăng trưởng theo quy luật hàm mũ được quyết định bởi tương quan giữa vận tốc đối lưu của gió v∗ và tốc độ pha sóng C

Sự tăng trưởng theo hàm mũ diễn ra cho đến khi những hiệu ứng phi tuyến do sóng

đổ bắt đầu đóng vai trò chủ yếu Cơ chế Miles tỏ ra hiệu quả nhất với những tần số sóng cao Với những tần số sóng trung bình và thấp, tức khi suy giảm tương tác giữa rối khí quyển và sóng thì lý thuyết Miles khác nhiều so với quan trắc

Những nhân tố chính quyết định sự phát triển sóng g m: tốc độ gió, thời gi n hoạt động của gió, đà − độ dài khoảng không gian kể từ điểm tính sóng về phía ngược chiều gió tác động cho tới nơi gió thay đổi đáng kể về hướng hoặc tới đường bờ khuất gió, và độ sâu biển nơi tính sóng Nếu gió cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian rất lớn trên đại dương trong th

ẽ tăng trưởng cho đến khi đạt trạng thái phát triển hoàn toàn ứng với tốc độ gió đang xét Khi đó phổ sóng sẽ bao gồm toàn dải chu kỳ, độ dài và tốc

độ sóng (về lý thuyết từ 0 đến ∞) Độ cao, chu kỳ, độ dài và tốc độ sóng sẽ chỉ phụ thuộc vào một tham số − tốc độ gió v Trong trường hợp này tốc độ gió càng lớn thì thời gian cần để sóng phát triển hoàn toàn càng lớn Vì vậy với những tốc

độ gió rất lớn, sóng rất ít khi đạt sự phát triển hoàn toàn bởi các gió lớn thường không kéo dài

Nếu sóng chưa đạt sự phát t ển hoàn toàn thì ngoài tốc độ gió, sự tăng trưởng

sẽ phụ thuộc vào thời gian tác động của gi và đà, và xảy ra ba tình huống chính:

1 Gió cường độ và hướng không đổi tác động trên khoảng không gian lớn, nhưng thời gian hoạt động nhỏ Sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi thời gian hoạt động của gió

5.3 T

triển sóng với các yếu

tố tạ

2 Gió cường độ và hướng không đổi hoạt động trong khoảng thời gian đủ dài, nhưng đà nhỏ, thì sự phát triển của sóng bị hạn chế bởi đà

3 Nếu cả thời gian tác động của gió và đà đều có hạn, thì sự phát triển của sóng phụ thuộc vào yếu tố nào hạn chế sự tăng trưởng của sóng nhiều hơn

ÍNH CÁC YẾU TỐ SÓNG GIÓ BIỂN SÂU VÀ VÙNG NƯỚC NÔNG

Phương trình cân bằng năng lượng sóng liên hệ sự phát

o sóng có dạng

D

M EU x t

E

−

= + ∂ ( )

∂ ∂

∂ (5.3)

trong đó E− năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích mặt biển có sóng, tốc

độ v

tản mát, i gian,

−

U

ận chuyển năng lượng sóng, M v − năng lượng sóng nhận được từ gió, E D − năng lượng mất do t− thờ x− đà Phương trình cân bằ

lượng sóng dưới dạng như trên gọi là phương trình Maka

Kết quả giải phương trình cân bằng năng lượng sóng dẫn tới những biểu thức

ữa

dự

lượng sóng dẫn đến nhữn

(5.4)

và bi

ng năng veev

liên hệ gi các tham số sóng với các yếu tố tạo sóng như tốc độ gió, đà và thời gian hoạt động của gió Từ đó xây ng thành phương pháp tính và dự báo sóng trong thực hành

Một trong những kết quả giải phương trình cân bằng năng

g biểu thức liên hệ các tham số sóng và các yếu tố tạo sóng thuộc về V V Shuleikin Ông nhận được biểu thức tăng độ cao sóng theo thời gian tác động của gió đối với sóng phát triển

τ

η =1−e− ,

ểu thức liên hệ giữa độ cao sóng và đà đối với sóng ổn định

2

2 2 arcth

ξ = − , (5.5) trong đó η− độ cao sóng không thứ nguyên bằng

∞

h h , τ tham số thời gian không − thứ nguyên bằng

∞

T

t

, ξ− tham số khoảng cách không thứ nguyên

∞

vT

x

bằng Những tham số ứ nguyên này liên hệ với những giá

sóng và các đặc trưng sóng theo những biểu thức sau:

,

1

∞

∞

x T

t

−

h độ cao tới hạn của sóng ứng với tốc độ gió đã cho, T − chu kỳ tới hạn của

=

=

τ (5.6) Trong các công thức trên đã dùng các ký hiệu: h− độ cao sóng tính bằng mét,

sóng ứng với tốc độ gió đã cho, v− tốc độ gió tính bằng m/s, thời gian tác

t

x đà sóng tính bằng km, nhữ ệ số

Các độ cao và chu kỳ t ạn c a sóng tính th

ợc xây dựng t

Để tính các yếu tố ương pháp S

, thời gian tác động của gi đ

− ,k k

eo các cô

ng thứ

2 1

ng thức:

ng h

ới h

sóng theo ph

ó t ,

ủ

∞

à sóng

2

0205 ,

h∞ = (5.7)

v

T =0,526 (5.8) Trong thực hành tính các yếu tố sóng những cô c trên đây đư

hành các toán đồ (các hình 5.2−5.5)

huleikin cần cho trước tốc độ gió

Tính sóng đối với biể c hiện th

hình

n sâu thự eo trình tự sau [12,18]: Nhờ toán đồ 5.2 xác định h∞ và T∞ ứng với tốc độ gió v đã cho Sau đó xác định thời gian không thứ nguyên

∞

T

t

và đà không thứ nguyên

∞

vT

ủa

x

Th ữ trị nhận được c

eo nh ng giá

∞

T

t

và

∞

vT

định) Sóng phát triển là sóng gió với những tham số sóng tăng theo thời gian, còn sóng ổn định là sóng gió với các tham số sóng không biến đổi trong khoảng thời gian đang xét Nếu m

x

nhờ toán đồ hình 5.3 xá định trạng thái sóng (phát triển hay ổc n

ể

đi  x , t  nằm thấp hơ ng cong trên toán đồ hình 5.3 thì só đang phát triển, khi đó theo giá trị



∞

đườ

ng



∞

T

t

xác định η trên toán đồ hình 5.4a, còn nếu điểm nằm cao hơn đường cong trên toán đồ hình 5.3 thì sóng ổn định và theo giá trị

∞

vT

x

xác định η trê

đại l

n sóng: độ cao són the ượ

t

ng

oán đồ hình 5.4b Cuối cùng tính các đặc trưng

g h o η nhận được, còn chu k sóng và bỳ ước sóng tìm theo toán đồ hình 5.5

Tính các đặc trưng sóng trên vùng nước nông tương tự như trình tự trên, tuy nhiên trong trường hợp này khi tìm η trên các toán đồ hình 5.4 phải căn cứ vào chỉ tiêu nước nông

gH

v

K = , (5.9)

với v− tốc độ gió (m/s), g gia tốc trọng lực (m/s2), − H độ sâu biển tại điểm − tính sóng (m)

Trong thực hành cũng s ụ ột phương pháp khá đặc trưng sóng gió dựa theo những công t hự nghiệm c

nghiên cứu thiết kế công trình bi n Liên bang (L ng công thức

ử d hức t

ng m c ể

c tính iên bang Nga) Nh

các ữ

ủa Viện hải dương quốc gia và Viện này có dạng:

- Đối với biển sâu:

4 5

12 5 3

0013 , 0

0042

,











=













=

v

gt v

h v

gx v

(5.10) 34

, 0

70

,











=













=

v

gt v

T g v

gx T

- Đối với biển nông:

v

, 7

, 18

, 07

, 0

5 5

2

2 2













=













=

v

h v

T g

v

gH v

h H

(5.11)

với h x− độ cao sóng trung bình ứng với đà và tốc độ gió đã cho, h t − độ cao song trung bình ứng với thời gian tác động và tốc độ gió đã cho, T x− chu kỳ sóng trung bình ứng với đà và tốc độ gió đã cho, T t − chu k

gian tác động và tốc độ gió đã cho,

ỳ sóng trung bình ứng với thời

x− đà sóng (km), thời gian tác động của

−

v H− độ sâu biển (m), g− gia tốc trọng lực (m/s2),

−

H

h cao sóng trung bình trên nước nông (m)

5.4 PHƯƠNG PHÁP LẬP DỰ BÁO SÓNG ĐỐI VỚ NG ĐẠI DƯƠNG

5.4.1 Dự báo số trị trường sóng trên ở phương pháp lý thuyết

Cơ sở ủa phương pháp này là sơ đồ tính sóng c Shuleikin đã trình bày ở 5.2

độ

I VÙ

cơ s

mục

ủa sóng chỉ phụ thuộc vào thời gian tác động của gió Giả thiết rằng tốc độ và hướng gió không biến đổi

sóng

hụ thuộc của độ cao sóng không thứ nguyên vào thời gian không thứ nguy

Xét trường hợp sóng chưa ổn định, khi sự phát triển c

khoảng thời gian 6 giờ Người ta chỉ dự báo độ cao và

, vì các đặc trưng này quan trọng nhất đối với hàng hải

Sự p

ên có dạng





























−

−

=

∞

6 , 0

30 , 1 exp 1

T

t

η (5.12)

Căn cứ vào công thức (5.7) và (5.8) công thức (5.12) có thể viết lại thành

























−

−

526 , 0 30 , 1 exp 1 0205 , 0

v

t v

trong đó độ cao sóng (m), tốc độ gió (m/s), thời gian tác động của gió (giờ)

Thời gian cần cho sóng phát triển đến độ cao quan trắc được tại thời điểm lập



−

dự báo xác định theo công thức

66 , 1 2

3 , 1 526

, 0







−

t 0,0205 (5.14)

1 ln





























−

v h

ió yếu đi người ta sử dụng công thức của K M Sirotov:

Để tính độ cao sóng khi g

























+

−

=

k

t h

h

78 , 3 7 , 14

exp 6 ,

trong

i điểm đầu quá trình tắt sóng, t− thời gian (giờ),

(5.15)

đó h− độ cao sóng tại thời điểm cuối chu kỳ tắt sóng đang xét, h0 − độ cao

Δ

Δ

t

v

−

=

tuyệt đố a gia tốc âm của gió

Tính toán dự báo sóng được thực hiện từng bước 6 giờ Trường sóng ứng với thời điểm được tính theo trường sóng xuất phát tại thời điểm và các trường

yể

kê dự báo trường sóng đại dương

ờn gười ta thấy rằng nên sử dụng trực tiếp trường khí áp

gió

trường khí áp lấy cách nhau 6 hoặc

iết lập những mối phụ thuộc dự báo đã sử dụng dữ liệu quan trắc về sóng

và kh

i củ

6

gió dự báo tại các thời điểm t và t Trường khí áp được tính chu n thành trường gió trong máy tính

5.4.2 Phương pháp vật lý thống

n

Tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn (Nga) Z K Abuziarov [2,3] đã xây dựng phương pháp dự báo trường sóng cho vùng Bắc Đại Tây Dương trên cơ sở xử lý thống kê những quan trắc sóng của các tàu thời tiết và tàu tuyến và thiết lập những mối phụ thuộc giữa trường sóng và trư g khí áp

Đối với dự báo sóng n

quát một không gian lớn trên đại dương chứ không phải là

Và trong trường hợp này trường áp suất được khai triển thành hàm giải tích của tọa độ (khai triển Chebưsev hoặc khai triển thành các thành phần trực giao tự nhiên)

Xét mối phụ thuộc của độ cao sóng với các

12 giờ, có thể tính tới một cách gần đúng trạng thái không ổn định của gió,

và do đó, sự phát triển của sóng gió và sóng lừng trong thời gian và không gian Cách tiếp cận này thuận lợi ở chỗ không còn cần thiết phải xác định đà sóng và

thời gian tác động của gió

Để th

í áp có trong lưu trữ của Trung tâm Khí tượng Thủy văn Liên bang Nga [14] Những số liệu về độ cao và hướng truyền sóng lấy từ các bản đồ cho một mạng lưới cố định các điểm tính sóng trên Bắc Đại Tây Dương Để dự báo được cả độ cao và hướng sóng, tại mỗi điểm tính đã xét một vectơ quy ước hướng theo hướng

truyền sóng ψ Độ lớn của vectơ là giá trị độ cao sóng Sau đó tính những hình chiếu

h

của các vectơ h x , lên các trục tọa độ (các phương kinh tuyến và vĩ tuyến) h y

theo các công thức

cos ,

h

h x = y = (5.16) Khi đó độ cao sóng và hướng truyền sóng dự báo bằng













= +

=

y

x y

h

h 2 2, ψ arctg (5.17)

Đối với mỗi điểm tính trên mạng đã nêu đã thiết lập được những mối phụ thuộc dự báo dạng

[ ( 12), ( 12)] )

( n = 2 ij n − y n −

h

, ) 12 ( ), 12 ( )

( n = 1 ij n − x n −

h

(5.16)

ở đ và những đại lượng cần dự báo ứng với thời điểm các

hệ số

các hình chiếu của vectơ sóng ứng với thời đ ờ

5.4.3 Tính sóng lừng

áo theo 5 xác đ

cuối khoả đó Nế

điểm dự báo không

ãng đường (hải lý) sóng lừng đi được sau thời gian

ây )h x(t n

c thời đi

− ) ( n

y t h

− ) 12

m dự báo

−

ij

n B

t , iểm 12 gi

khai triển trường khí áp ứng với thời điểm 12 giờ trước thời điểm dự báo, )

12

( n−

x t

h và h y(t n−

Kh ng s ng từ vùng bão đi tới điểm nằm ngoài bão xác theo bảng 5.1 [12] Biết độ cao sóng ở vùng bão, hướng truyền sóng và thời gian dự

b , bảng 1 ịnh khoảng cách mà sóng lừng sẽ đi được và độ cao sóng ở

ng cách u biết con đường sóng lừng đi thì có thể nhận định về khả năng sóng lừng có đi đến

độ cao sóng lừng h (m) ở cuối quãng đường đó

t , giờ

6 12 18 24 30

Độ cao sóng ban đầu (m)

D h D h D h D h D h

10 110 8,0 2 20 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 11 0 3 ,5 17 0 3 ,1 24 0 2 ,9 30 0 2, 5

4 40 3 ,2 90 2,8 1 40 2,6 1 90 2,3 2 40 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 − −

Trường hợp trên vùng d á ó h ố g y đ sóng bão tắt

những điều kiện xác suất c t c ng cho tình huố gió trung bình

ự b o c tìn hu ng ió ếu i và các

c xác định heo bảng 5.2 [12] B ng ày

Hình 5.2 Toán đồ xác định độ ca và chu kỳ

sóng tới hạn theo tốc độ

o h∞

gió ∞

T

v

Sãn ®

Sã

Hình 5.3 Toán đồ xác định giai đoạn

phát triển sóng

g æn Þnh

ng ph¸t triÓn

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)

n đồ xác định chu kỳ

và bước sóng

T

Hình 5.5 Toá

λ

Bảng 5.2 Những trị số xác suất nhất của độ cao các sóng tắt d (m)

tại điểm tính sau những khoảng thời gian

ần h

t khác nhau

, giờ t

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