Kết cục, chỉ có đối sánh các kết quả tính toán với dữ liệu quan trắc thực địa lμ tiêu chí khách quan về độ chính xác tính các yếu tố sóng gió vμ chất lượng mô hình.. Nảy sinh những vấn đ
Trang 1429 430
cho đến tận ngμy nay Có lẽ, điều nμy lμ do các mô hình nμy cho những
kết quả thoả mãn nhu cầu của các nhμ thực hμnh vμ ngoμi ra, chúng có
tốc độ chạy nhanh so với những mô hình sóng gió hiện đại hơn thuộc thế
hệ ba vμ bốn [365]
Trong công nghệ tính toán chung sẽ xem xét sau đây, chúng tôi
sử dụng mô hình phổ tham số Mô hình nμy, một mặt do nó sử dụng
phép tham số hóa quá trình vận chuyển năng lượng phi tuyến yếu
trong phổ sóng, nên nó thuộc loại các mô hình hoμn thiện thế hệ hai,
nhưng mặt khác, vì trong nó tính đến sự tương tác sóng với lớp biên
khí quyển, nên có thể xếp vμo loại mô hình sóng gió thế hệ bốn Như
sau đây sẽ cho thấy, mặc dù khá đơn giản, mô hình phổ tham số đưa
ra các kết quả khá tin cậy, hơn nữa vận hμnh nhanh, có thể sử dụng
thực hiện các tính toán nghiệp vụ trong thời gian thực vμ để giải
quyết các bμi toán có tính chất khí hậu cần tính toán liên tục trường
sóng gió trong nhiều thập nên
Chương 7 những vấn đề dự báo nghiệp vụ gió vμ
sóng theo các trường khí áp
7.1 Tổng quan vấn đề
Mục đích cuối cùng xây dựng các mô hình sóng gió lμ sử
dụng chúng trong tính toán chẩn đoán vμ dự báo thực tế Vấn
đề sử dụng thực tế các mô hình tỏ ra phức tạp hơn, bởi vì tùy
thuộc không chỉ vμo bản thân các mô hình, mμ còn vμo chất
lượng thông tin xuất phát, đó lμ trường gió hay khí áp mặt đất
Kết cục, chỉ có đối sánh các kết quả tính toán với dữ liệu quan trắc thực địa lμ tiêu chí khách quan về độ chính xác tính các yếu tố sóng gió vμ chất lượng 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 nước
vμ không khí Ngoμi ra, cần những số liệu quan trắc về gió vμ sóng Hiện nay đã 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 nμy cung cấp một ước lượng 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 thường vẫn còn bỏ ngỏ
Từ năm 1994, ở Viện nghiên cứu Khoa học Bắc Cực vμ Nam Cực (ААНИИ) đã xuất hiện khả năng hiện thực sử dụng các dữ
liệu quan trắc đồ sộ thực hiện bằng máy trên các dμn khoan thuộc các vùng biển Nauy, Greenland vμ Bắc Hải Vị trí địa lý của các dμn nμy được chỉ ra trên hình 7.1 Các số liệu đều đặn nhập về trung tâm điện tín của ААНИИ theo các kênh trao đổi
quốc tế (mã "Ship") Điều nμy tạo cơ hội để kiểm tra độ chính xác dự báo gió mặt đất vμ sóng do viện đều đặn phát hμnh cho các vùng biển thuộc Bắc Băng Dương vμ Bắc Đại Tây Dương Các dự báo thực hiện theo một hệ phương pháp dựa trên sử dụng mô hình phổ tham số [43, 99, 171, 185] Thông tin xuất phát lμ các dự báo khí áp truyền tới từ Trung tâm Châu Âu Dự
báo Trung hạn (ECMWF) Để thực hiện nhiệm vụ đặt ra, trước
hết phải tổ chức công tác thu nhận vμ tích luỹ thông tin quan trắc một cách tin cậy, tiến hμnh phân loại vμ phân tích, loại bỏ khiếm khuyết, sắp xếp tương ứng giữa các dữ liệu tính toán vμ
Trang 2431 432
dữ liệu quan trắc theo thời gian vμ không gian
Vấn đề đánh giá độ chính xác tính toán gió vμ sóng thậm
chí khi có các số liệu quan trắc vẫn chưa phải lμ vấn đề tầm
thường Nảy sinh những vấn đề về chất lượng vμ tính đại diện
của số liệu quan trắc thực hiện trên các dμn vμ phao quan trắc,
bởi vì thiếu thông tin về phân thang vμ chuẩn độ các dụng cụ
quan trắc đối với các cấp tốc độ, hướng gió vμ độ cao sóng Mặc
dù những dữ liệu nμy được truyền theo các kênh trao đổi quốc
tế, vấn đề về độ chính xác của chúng vẫn còn lμ vấn đề bỏ ngỏ
Phải nhận xét rằng tốc độ gió vμ độ cao sóng được truyền với độ
chính xác đến nửa mét, điều đó luôn ảnh hưởng tới độ chính xác
của những ước lượng của chúng tôi Mặt khác các quan trắc
thực hiện trên những dμn đo có tọa độ không trùng với các nút
trên lưới 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 số bổ
sung Như vậy không thể kỳ vọng về độ chính xác cao khi đánh
giá chất lượng 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 Trước hết, đó lμ độ chính xác của
thông tin xuất phát về áp suất khí quyển mặt đất được 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 vμ sóng Thí dụ, sai số
tính khí áp ~0,1% có thể dẫn đến sai số tính tốc độ gió 10% (đối
với gió 10 m/s), vμ gây sai số tính độ cao sóng gió 20%, còn sai số
tính khí áp ~0,2% gây sai số tốc độ gió 20% vμ sai số tính độ cao
sóng gió 50% Vì vậy độc lập đánh giá chất lượng các dự báo khí
áp mặt đất của ECMWF dùng phổ biến trong các phương pháp dự
báo cũng lμ một công việc đáng quan tâm
Nguồn sai số thứ hai khi sử dụng thông tin khí áp mặt đất
lμ sai số nội suy thời gian vμ không gian Vấn đề ở chỗ thông
tin khí áp mặt đất truyền từ ECMWF theo mã GRID được thể
hiện tại các nút của vùng lưới đều tọa độ cầu vμ được truyền với khoảng gián đoạn thời gian nhất định Tại ААНИИ thông tin được thể hiện trên lưới 5 5o
một lần trong 24 giờ, điều nμy hiển nhiên lμ không đủ Vì vậy nảy sinh yêu cầu nội suy những giá trị nμy cả theo thời gian lẫn theo không gian Sai số nội suy đương nhiên cũng góp phần vμo tổng sai số chung của các tính toán tiếp theo
Nguồn sai số thứ ba nảy sinh từ phương pháp tính gió građien, sau đó lμ gió mặt đất Như đã biết, để tính đúng gió mặt đất phải giải bμi toán lớp biên khí quyển vμ cần thông tin
về trạng thái khí quyển trên các tầng khác nhau Trong thực tế, chúng ta thường chỉ có thông tin trên một tầng Vì thiếu thông tin buộc chúng ta phải sử dụng những phương pháp đơn giản hóa tính gió mặt đất chưa thâu tóm được một loạt những nhân
Như vậy, chất lượng so sánh các kết quả tính toán của chúng ta với dữ liệu quan trắc phụ thuộc vμo nhiều nhân tố Sai
số cuối cùng phụ thuộc vμo nhiều nguyên nhân sẽ được khảo sát tiếp dưới đây
Trang 3433 434
Hình 7.1 Vị trí các dμn 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
Trước khi đánh giá các tính toán gió vμ sóng, phải đánh giá
chất lượng vμ độ tin cậy của thông tin xuất phát – khí áp mặt
đất của ECMWF được dùng trong các mô hình tính Được biết, ở
ECMWF các tính toán vμ dự báo trường khí áp mặt đất thực
hiện theo mô hình phổ hoμn lưu khí quyển toμn cầu, trong đó
dữ liệu ban đầu lμ thông tin quan trắc về các tham số khí quyển
vμ đại dương từ mạng lưới quan trắc thời tiết toμn thế giới Bản
thân các kết quả tính toán của ECMWF được chuyển tới người
dùng theo một định dạng thoả thuận nhất định Thí dụ, thông
tin về trường khí áp mặt đất truyền về ААНИИ được tiếp nhận
như lμ thông tin chẩn đoán cũng như lμ thông tin dự báo cho 24,
48, 72, 96, 120 vμ 144 giờ (độ gián đoạn 24 giờ) ở các nút lưới
5 5o hệ tọa độ địa lý Độ gián đoạn không gian vμ thời gian như vậy cung cấp một khái niệm chung về trạng thái trường khí áp, nhưng 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 đã nêu còn lμ vấn đề bỏ ngỏ
Với mục đích ước lượng độ chính xác tính toán trường khí
áp mặt đất của ECMWF chúng tôi đã sử dụng một chuỗi trường
khí áp mặt đất dμi 19 tháng trong thời kỳ từ 27/7/1994 đến 27/12/1995 Nhờ nội suy các giá trị khí áp từ các nút lưới đều trên mặt cầu đã được suy về các điểm có tọa độ trùng với vị trí các dμn khoan nơi thực hiện quan trắc Kết quả so sánh các giá trị khí áp mặt đất đo được trên các dμn khoan vμ các số liệu
tính toán của ECMWF đã suy về điểm đo, với thời gian báo
trước khác nhau được biểu diễn trên các hình 7.2 a–d Các trị số
ước lượng thống kê của phép so sánh nμy dẫn trong bảng 7.1
Bảng 7.1 Các ước lượng thống kê so sánh kết quả tính khí áp mặt đất
của ECMWF với quan trắc thực địa
Thời gian báo trước của dự báo, giờ
Chỉ số tản mạn, SI, % 0,12 0,16 0,30 0,45 0,85 0,84 1,01 Sai số bình phương
trung bình (RMSE) 1,19 1,62 3,07 4,57 8,42 8,42 10,15
Hệ số tương quan, r 0,99 0,99 0,97 0,92 0,83 0,78 0,68
Trang 4435 436
Hình 7.2 So sánh các kết quả tính khí áp mặt đất
a) chẩn đoán 00 giờ; b) dự báo 48 giờ; c) dự báo 96 giờ; d) dự báo 144 giờ;
của ECMWF với quan trắc thực địa:
1) 1 trường hợp; 2) 2 trường hợp; 3) 3 trường hợp; 4) 4 trường hợp
Trang 5437 438
Như đã thấy trên hình 7.2 vμ bảng 7.1, khi thời gian báo
trước tăng thì các sai số tính toán đơn điệu tăng, hệ số tương
quan giảm Dấu trừ trong bảng có nghĩa rằng các giá trị tính
toán cao hơn so với các giá trị đo
Với ba ngμy đầu chất lượng của các tính toán vμ dự báo giá
trị của trường khí áp mặt đất khá cao Bắt đầu từ ngμy thứ tư
sai số tăng đáng kể, tới các ngμy thứ sáu, thứ bảy thì sai số đã
tính chất hệ thống giữa giá trị tính toán khí áp mặt đất so với
giá trị đo, vμ nó tăng dần khi tăng thời gian báo trước của dự
báo (thực vậy, với ngμy đầu tiên sai số hệ thống bằng –0,14 hPa,
nhưng với ngμy thứ bảy –1,64 hPa) Tuy nhiên, phải nhận thấy
rằng để đảm bảo tính chính xác tốc độ gió vμ tương ứng lμ sóng
thì điều quan trọng lμ độ chính xác tính građien áp suất, chứ
không phải đơn thuần lμ giá trị áp suất
Những giá trị so sánh trường khí áp mặt đất dẫn trên đây
một mặt chứng tỏ về sự phù hợp khá tốt với số liệu quan trắc
cho vμi ba ngμy đầu, mặt khác cũng chứng tỏ về sai số tương
đối thấp của phép nội suy không gian sử dụng trong công trình
nμy để quy các giá trị trường áp suất về các điểm quan trắc
Có lẽ, sự phù hợp tốt cho ngμy đầu cũng do một thực tế lμ
những số liệu đo mμ chúng tôi dùng để so sánh, nằm khá gọn
trên một diện tích hạn chế (thủy vực Bắc Hải vμ phần nam các
biển Nauy vμ Greenland), vμ chính những số liệu đó được
dùng ở ECMWF ở giai đoạn khai thác thông tin lμm những
điều kiện ban đầu để thực hiện tính toán theo mô hình hoμn lưu khí quyển
7.3 Các phương pháp tính gió mặt đất
Tính gió građien Vấn đề tính gió mặt đất theo trường áp
suất đã được xét trong nhiều công trình [20, 134, 149, 162, 171,
178, 182] Ngμy nay thậm chí khó mμ tổng quan đầy đủ các công trình về đề tμi nμy Trong trường hợp tổng quát nhiệm vụ nμy quy về giải bμi toán chuyển động của dòng không khí trong lớp biên khí quyển dưới tác động của građien áp suất, lực Coriolis, lực ma sát (phân tử vμ rối) vμ lực hấp dẫn trọng trường Nếu cho rằng các chuyển động ngang lớn hơn nhiều so với chuyển động thẳng đứng vμ không tính đến biến đổi của mật
độ với độ cao trong lớp biên khí quyển, các phương trình chuyển
động được viết dưới dạng:
)(
z
U k z
U x
p t
z
U k z
U y
p t
vectơ vận tốc; p áp suất; z thμnh phần vận tốc góc quay Trái Đất; k hệ số trao đổi rối;
U U x
U U t
U t d
3 1 2 1 1 1 1
Trang 6439 440
z
U U y
U U x
U U t
U t
d
3 2 2 2 1 2 2
U x
U t
a a
a
(7.6)
lμ một hệ phương trình mμ nghiệm của nó xác định giá trị của
tốc độ gió trong lớp biên khí quyển Khó khăn chính của việc
giải hệ nμy lμ tính phi tuyến của hệ vμ hệ số trao đổi rối lμ hμm
chưa biết trước của tọa độ thẳng đứng z Vì lý do đó bμi toán
thường được đơn giản hóa Đầu tiên xác định gió građien, sau
đó gió građien được dẫn xuống lớp biên sát mặt nước
Với trường áp suất dừng, không có lực ma sát, từ (7.1)–(7.3)
tốc độ gió địa chuyển U gstr được xác định theo biểu thức
n
p f
U
K a gstr
ở đây f k 2sin tham số Coriolis;
những số hạng phi tuyến trong (7.1)–(7.5) nhờ tính đến lực ly
tâm Đối với những đường đẳng áp với bán kính cong R người
ta xác định giá trị gió građien theo công thức
12
/
K
gstr K
U R
f
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 đường
đẳng áp
Các hệ phương pháp tính gió mặt đất Hiện nay có
nhiều hệ phương 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 phương pháp phổ biến nhất vμ thử xác định mối liên hệ giữa gió mặt đất đo được trên các dμn quan trắc vμ giá trị gió građien tính được theo trường chẩn đoán áp suất mặt đất
Trong trường hợp tổng quát tính gió mặt đất có thể thông qua giải bμi toán tương tác giữa mặt nước vμ khí quyển trong lớp biên Nghiệm đơn giản hóa của bμi toán đã nhận được trong công trình quen thuộc của Monhin – Kazanski [149] Mối liên hệ giữa gió građien U , tốc độ ma sát g U vμ tham số gồ *
ghề có dạng
,sin
;)()
(ln
U
U A
A B
Z f
U U
21
(7.9)
ở đây A vμ B lμ các hμm trong trường hợp tổng quát phụ thuộc
vμo phân tầng khí quyển; tham số phân tầng; Z0 tham số
gồ ghề; 0,4 hằng số Karman; góc giữa hướng gió građien vμ hướng gió tại tầng 10 mét
Tốc độ gió trong phụ lớp biên sát đất tại độ cao Z được xác
Trang 7441 442
nhận 5A4, , 7B1, (theo số liệu của S S Zilitinkevich,
1989) Nhiều tác giả đã xác định các giá trị của các hệ số nμy
đối với các điều kiện phân tầng khác, nhưng các giá trị nhận
được còn rất khác nhau
Khó khăn thứ hai khi sử dụng mô hình nμy lμ ở chỗ trong
phần lớn trường hợp tham số gồ ghề Z vμ phân tầng lớp biên 0
khí quyển sát đất không xác định Trường hợp may mắn nhất lμ
biết được nhiệt độ không khí tại một tầng cao vμ nhiệt độ nước
lớp mặt đại dương
Trong công trình [362] các tham số trong mô hình Monhin –
Kazanski được xác định như sau Chấp nhận tham số gồ ghề
g U
0 0021 không phụ thuộc vμo giai đoạn phát triển
sóng, những công thức sau đây được đề xuất để tính toán thực
0 với 0
2,2;
0 với4422,
;
,,
;,
,,
;,
,
750 với 750
6;
với 6
m/s25
6,0,75
với131035
1
m/s25
6,0,75
với 6035
ở đây T a T w; T a nhiệt độ không khí tại độ cao 10 m; T w
nhiệt độ mặt biển
Sử dụng các tham số A vμ B như những hμm của hiệu
nhiệt độ nước vμ không khí T a T w cho phép tính tốc độ
động lực vμ 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 nμy không tính
đến biến thiên của độ gồ ghề tùy thuộc vμo trạng thái mặt biển Như vậy mô hình có cùng mức đúng đắn như 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 vμ hiệu nhiệt độ nước vμ không khí
Trong công trình của V I Makova [134] trên cơ sở phân tích số liệu quan trắc đã đề xuất phương pháp tính gió mặt đất Xuất phát từ tốc độ gió građien U vμ hệ số phân tầng g , tốc độ gió tại tầng 10 m (U10) được tính theo một bảng hệ số chuyển
đổi K : T U10 K T U g Trong bảng còn dẫn hiệu chỉnh cho hướng gió, tức góc lệch của vectơ tốc độ gió về phía tâm xoáy thuận V I Đưmov sử dụng nội suy tuyến tính, đã chính xác hóa các trị số trung gian của bảng I V Makova vμ ngoại suy các trị số cho vùng phân tầng 0,5 vμ 4 Tiếp sau đây sẽ sử dụng hệ phương pháp tính gió mặt đất cải biên theo kiểu như vậy
So sánh số liệu đo tốc độ gió trên các dμn khoan cố
định với gió građien Thông tin khí tượng thủy văn nhận
được trên các dμn khoan được truyền theo các kênh trao đổi
quốc tế bằng mã SHIP gồm khí áp, nhiệt độ nước vμ không khí,
tốc độ gió quy về độ cao 10m trên mực biển Dùng thông tin nμy
vμ trường chẩn đoán khí áp mặt đất của ECMWF trong 19
tháng, ta so sánh các dữ liệu với nhau vμ xác định các hệ số chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất
Xuất phát từ các trường chẩn đoán áp suất mặt đất của
ECMWF vμ sử dụng các biểu thức (7.7) vμ (7.8) đã tính ra các
giá trị gió građien vμ so sánh với các giá trị tốc độ gió quan trắc
ở độ cao 10 m đối với các trường hợp biết nhiệt độ nước vμ không khí Nhận thấy tỉ số giữa tốc độ gió quan trắc vμ gió građien có tính chất ngẫu nhiên Để phân tích thống kê, những giá trị gió
Trang 8443 444
đã được phân chia thμnh các cấp tùy thuộc vμo tốc độ gió
građien (cách nhau 5 m/s) vμ hiệu nhiệt độ nước vμ không khí
(cách nhau 2o
) Vì trong mỗi cấp có một số ngẫu nhiên các giá
trị, nên để ước lượng giá trị trung bình trong một cấp đã tính
các giá trị trung vị, một đặc trưng trung bình ổn định nhất Kết
quả thể hiện trong bảng 7.2 Như đã thấy, bảng bao quát một
dải khá rộng biến thiên tốc độ gió (từ 0 đến 35 m/s) vμ hiệu
nhiệt độ nước vμ không khí (từ 6 đến 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 (dưới 5 m/s) vμ phân tầng ổn định đến 0,57 đối với
gió mạnh (30–35 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 trường hợp)
định số điểm giảm mạnh, chứng tỏ hiệu ứng xáo trộn mạnh trong lớp biên khi gió mạnh Điều lý thú lμ phần lớn trường hợp gió yếu (dưới 5 m/s) giá trị gió mặt đất tỏ ra lớn hơn gió građien,
điều nμy, có lẽ do ảnh hưởng lớp biên sóng lμm tăng gió mặt nước
Sử dụng các giá trị trong bảng đã đề xuất một quan hệ xấp
xỉ như sau cho tỉ số tốc độ gió mặt đất vμ gió građien:
),
(exp/)ln,,
max{1518 0
(7.13) Các công thức (7.12), (7.13) nhận được cho một dải khá rộng các tốc độ gió građien (từ 2,5 đến 35 m/s) vμ hiệu nhiệt độ nước
vμ không khí (từ –6 đến 8o
) Những quan hệ (7.12) vμ (7.13) có thể xem như những công thức song đề đối với những hệ phương pháp chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất hiện đang tồn tại
Phân tích so sánh kết quả tính gió mặt nước với dữ liệu quan trắc Các phương pháp tính gió mặt đất dẫn trên
đây đã được thử thách trên cơ sở so sánh số liệu tính toán với kết quả đo tốc độ gió thực hiện trên các dμn cố định ở các biển Nauy, Greenland vμ Bắc Hải Trong một thời kỳ một năm rưỡi
đã tính gió građien theo số liệu trường áp suất mặt đất chẩn
đoán của ECMWF, sau đó thực hiện chuyển đổi sang gió mặt
Trang 9445 446
đất (tại độ cao 10 m trên mực biển) Vì vấn đề chất lượng số liệu
quan trắc còn chưa rõ nên từ số liệu quan trắc đã loại bỏ những
số liệu nghi ngờ
Tại bước thứ nhất cần thiết phải xác định ảnh hưởng của
phân tầng lớp biên tới tốc độ gió mặt đất Vì vậy đã tiến hμnh
tính tốc độ gió ứng với hiệu nhiệt độ nước – không khí lấy trung
bình năm, sử dụng phương 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 vμ quan trắc biểu diễn trên hình 7.3 a,b
Sai số hệ thống (xem hình 7.3 a) chứng tỏ rằng tốc độ gió mặt
nước bị vượt trội rõ rμng trong khoảng thời gian cả một năm
Hình 7.3 So sánh các sai số tính tốc độ gió với phân tầng không đổi
WINDI-old (1) vμ phân tầng biến đổi theo các tháng WINDI-new (2):
a) các sai số số học (BIAS); b) các sai số bình phương trung bình (RMSE)
Vì hệ số chuyển đổi phụ thuộc vμo phân tầng lớp biên xác
định theo hiệu nhiệt độ nước vμ không khí, nên đầu tiên phải
xác định hiệu nμy Nhờ số liệu thực đo nhiệt độ trên từng dμn
quan trắc đã tính tốc độ gió vμ so sánh với số liệu quan trắc Kết
quả so sánh số liệu quan trắc vμ tính toán, trong đó tính đến
hiệu trung bình của nhiệt độ nước vμ không khí trên toμn vùng nước cũng được dẫn trên hình 7.3 So sánh kết quả thấy rằng: nếu kể tới phân tầng lớp khí quyển sát mặt nước được lấy trung bình theo từng tháng, thì có thể giảm sai số hệ thống một cách
đáng kể (xem hình 7.3 a) vμ cũng giảm thiểu sai số bình phương trung bình (xem hình 7.3 b)
Sau khi xác định biến trình tháng của hiệu các nhiệt độ, đã tiến hμnh tính toán chẩn đoán tốc độ gió mặt nước theo ba phương pháp mô tả ở trên cho chu kỳ một năm rưỡi Kết quả so sánh với số liệu quan trắc dẫn trên hình 7.4 Các ước lượng thống kê tổng quát về độ chính xác tính toán dẫn trong bảng 7
So sánh các sai số của ba phương pháp tính thấy rằng chất lượng tính toán gần như nhau Công thức (7.12) cho sai số tính toán nhỏ nhất Chất lượng kết quả tính của ba phương pháp gần như nhau nói nên rằng các phương pháp ấy tương tự nhau theo nghĩa cùng sử dụng những dữ liệu xuất phát như nhau vμ cùng tính tới những nhân tố quyết định: gió građien vμ hiệu các nhiệt độ nước vμ không khí
Bảng 7.3 So sánh các ước lượng thống kê các tính toán tốc độ gió bằng
một số phương pháp có kể tới biến trình mùa của phân tầng theo áp suất
mặt đất chẩn đoán của ECMWF trong 19 tháng
bình RMSE, m/s
2,32 2,32 2,26
Chỉ số tản mạn SI, % 23,66 24,11 22,26
Trang 10447 448
Hình 7.4 So sánh kết quả tính gió mặt nước 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
phương pháp đều hạ thấp những tốc độ gió lớn so với số liệu
quan trắc Điều nμy, có lẽ, liên quan không chỉ tới phương pháp
chuyển đổi từ gió građien sang gió mặt đất, mμ chủ yếu lμ do
bản thân giá trị gió địa chuyển tính theo građien khí áp bị hạ
thấp Bước lưới không gian quá lớn (5 5o) đã lμ trơn trường khí
áp, lμm giảm mạnh những građien lớn của áp suất
Nếu so sánh sai số các tính toán gió mặt đất đã thực hiện với các kết quả công bố trong chuyên khảo [303], trong đó tính
gió mặt nước thực hiện ở ECMWF cho vùng nước Bắc Hải theo
mô hình hoμn lưu khí quyển, thì có thể đi đến kết luận rằng độ chính xác tính toán của chúng tôi ngang bằng với các kết quả nμy Có lẽ, sai số bình phương trung bình tính gió mặt đất bằng 2,0–2,5 m/s lμ giá trị điển hình của loại mô hình tương tự
Hình 7.4 c So sánh kết quả tính gió mặt nước với quan trắc
(trẩn đoán 00 giờ) theo công thức (7.12)
7.4 Mô hình phổ tham số về sóng gió
Hệ phương trình đối với các tham số phổ sóng gió
Mô hình PM Bμi toán xác định phổ sóng đối với điều kiện nước
sâu quy về giải phương trình (2.1) với những điều kiện ban đầu
Trang 11449 450
vμ điều kiện biên cho trước Thông tin xuất phát để giải bμi
toán lμ trường gió U(,,t)
Có hai khó khăn cản trở việc sử dụng trực tiếp phương
trình phổ (2.1) để tính sóng trong điều kiện nước sâu Thứ nhất
lμ 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 nμy
vẫn lμ trở ngại cho đến tận ngμy nay Khó khăn thứ hai lμ hμm
nguồn chưa được nghiên cứu đầy đủ, về điều nμy đã bμn luận ở
chương 4 Trong mô hình phổ tham số, những khó khăn nμy
được khắc phục bằng cách tăng tốc độ tính toán vμ sử dụng
những mối quan hệ thực nghiệm tin cậy để bù lại những điều
chưa rõ về cơ chế vật lý của quá trình
Chuyển từ phương trình phổ sang các phương trình tham số
được thực hiện như sau [43, 185] Giả thiết phổ sóng gió lμ phổ
tự mô hình, tức phổ bảo toμn dạng của nó nhờ sự tương tác phi
tuyến yếu, điều nμy được khẳng định bằng dữ liệu quan trắc vμ
mô hình hóa bằng số [185] Xấp xỉ của phổ lμ một hμm của ba
tham số: tần số cực đại phổ, mômen bậc không vμ hướng sóng
trung bình, SS(m,m0,,x,y,t) (dạng cụ thể của phổ dẫn
trong công trình [185] Dùng một số toán tử tích phân được chọn
chuyên dụng [185] tác động lên phương trình cân bằng năng
lượng sóng (2.1) có thể đưa tới một hệ các phương trình vi phân
phi tuyến đối với các tham số phổ: tần số cực đại phổ , m
mômen không m vμ hướng truyền sóng tổng quát [185] 0
Tiếp theo, do có mối phụ thuộc khá chặt chẽ m0 m0(m), hệ
phương trình đối với các tham số phổ viết trên mặt cầu (trong
hệ tọa độ địa lý) dưới dạng sau:
)(
sincos
cossin
)(
coscos
cossin
U
U
G R
D R
D t
G
m R
C
m R
C t m
0
11
11
(7.14)
ở đây ij hướng gió, còn các hệ số phiếm hμm C,D,G1,G2 phụ thuộc vμo m vμ tốc độ gió 0 U [185] 10
1 1
Trong mô hình phổ tham số (quy ước tiếp sau gọi lμ PM) các
tham số phổ vμ các biến độ lập được quy chuẩn theo tốc độ gió trên tầng 10 m (UU10)
Những hệ số bằng số c vμ 1 d phụ thuộc vμo hμm phân bố 1
góc, vμ trong trường hợp tổng quát vμo giai đoạn phát triển sóng Trong các phiên bản trước đây của mô hình [171] đã chấp nhận 5c1 0, vμ d10,4 Tuy nhiên các tính toán kiểm tra
Trang 12451 452
theo hệ (7.14)–(7.18) đã cho ra biến thiên chậm hơn của m so 0
với số liệu thực địa (tình hình như vậy cũng nhận thấy trong các
hệ tham số khác) Người ta phải tiến hμnh tính toán tuân theo
cái gọi lμ những điều kiện tạo sóng lý tưởng, trong đó mômen
không không thứ nguyên được xấp xỉ bằng hμm luỹ thừa của
thời gian không thứ nguyên T~ vμ đμ X~ (dấu ngã trên chỉ sự
quy chuẩn theo tốc độ gió U ): 10
b X a
m~ 0 ~ ; (7.19)
d T c
X~ ~ (7.20) Gần đúng nhất với số liệu thực địa lμ các tính toán với hệ số
67
0
c vμ d1 0,47 trong công trình [171] Tuy nhiên lμm
thay đổi chỉ bằng các hệ số bằng số đã không đưa tới kết quả
mong muốn, vμ điều đó lμ do những hμm luỹ thừa nói trên nói
chung không phải lμ nghiệm riêng của phương trình thứ nhất
của hệ Bản thân dạng của phương trình thứ nhất của hệ cho
phép giải bμi toán nghịch: giả sử (7.19), (7.20) lμ nghiệm riêng
của phương trình thứ nhất đối với điều kiện lý tưởng, hãy tìm
các hệ số phiếm hμm Như vậy, ta có
bd
d bd d bd bd
d bd
d
dc C
1 0
4 4 1 2 1 1
; (7.21)
bd
bd bd
bd bd
bd bd
bdc G
1 0
4 2 1 1 1
dưới dạng
34 0 011
0, ~ ,
m m (7.23) Nếu lấy hệ (7.14) với các hệ số phiếm hμm dạng (7.17),
(7.18) cho phương trình thứ hai vμ (7.15), (7.16) hoặc (7.21),
(7.22) cho phương trình thứ nhất lμm bộ phận cấu thμnh thì mô
hình có tên lμ PM Các tính toán sóng ở các biển thuộc Bắc
Băng Dương đã được thực hiện theo một phiên bản của mô hình
PM, C vμ G có dạng (7.21), (7.22), trong đó 1 7
106
,
840,
b , 012c0, , 355d1,
Mô hình tự hoμ hợp lớp biên khi quyển vμ sóng gió
Mô hình PD ở trên đã chấp nhận rằng tốc độ gió giữ nguyên
không đổi dọc theo đμ, còn những giá trị độ cao sóng được quy chuẩn theo tốc độ gió nμy đúng với tất cả các tốc độ gió Bằng cách đó đã không tính đến hiệu ứng ảnh hưởng ngược lại của sóng lên gió, vì người ta đã dùng những dữ liệu quan trắc nhận
được với các tốc độ gió trung bình (8–15 m/s) đem áp dụng cho những trường hợp gió bão, mạnh hơn một cách vô căn cứ Gần
đây người ta đã chỉ ra tính không đúng đắn của cách tiếp cận nμy [162] vμ đề xuất sử dụng những số liệu được quy chuẩn theo tốc độ động lực để chấn chỉnh mô hình, tạo ra khả năng tính đến đặc điểm tương tác phi tuyến giữa sóng vμ gió Trong công trình của M M Zaslavski, I M Kabatchenco vμ G V Matushevski [162] đã mô tả một mô hình cùng thích ứng gió mặt nước vμ sóng gió trên cơ sở những khái niệm lý thuyết Trong mục nμy sẽ thử xây dựng một mô hình bán thực nghiệm về chuyển động tự hoμ hợp của lớp biên khí quyển vμ mặt biển dậy sóng Trong đó đã sử dụng mô hình lớp biên của Monhin – Kazanski đã mô tả ở trên vμ các dữ liệu quan trắc sóng được quy chuẩn theo tốc độ động lực do I N Đaviđan nhận được [162] Lưu ý rằng việc quy chuẩn các dữ liệu quan trắc theo tốc độ động lực lμm cho chúng có tính chất vạn năng hơn vμ tạo cơ hội sử dụng chúng để tính sóng trong tốc độ gió lớn vμ bằng cách đó dự báo được trường sóng đặc biệt nguy hiểm một cách chất lượng hơn
Để xác định các hệ số phiếm hμm của hệ ta sử dụng mối phụ thuộc giữa mômen không không thứ nguyên quy chuẩn
