Mô hình hóa toán học sóng gió trong đại dương bất đồng nhất không gian ( Đại học quốc gia Hà Nội ) - Chương 9 doc

Trong chương nμy sẽ cung cấp một hướng dẫn tổng quát về giải bμi toán dựa trên sử dụng sự biến động trường sóng gió quy mô không gian-thời gian khác nhau cho phép giải quyết toμn bộ tập

523 524

xấp xỉ các độ cao sóng nước nông theo quy luật loga tự nhiên đối

với khoảng tin cậy 95%), các giá trị độ cao sóng có thể xảy ra 1

lần trong 100 năm dao động trong giới hạn 9,6 – 10,2 m ở đây

mới chỉ nêu ra khoảng tin cậy nhỏ nhất chỉ phụ thuộc vμo số

thμnh phần của chuỗi thời gian Ngoμi ra còn cần bổ sung độ

chính xác tính sóng theo mô hình vμ xu thế biến thiên các điều

kiện tạo sóng trong 50 vμ 100 năm tiếp theo mμ ta chưa biết

trước Việc kiểm định mô hình đã thực hiện trước đây cho thấy

không phát hiện thấy sai số hệ thống trong một dải khá rộng

các điều kiện tạo sóng, còn sai số ngẫu nhiên đối với các giá trị

độ cao sóng không vượt ra ngoμi giới hạn 0,5m

Kết luận Trong công trình nμy đã tiến hμnh ước lượng các

độ cao sóng cực trị có thể xảy ra 1 lần trong 5, 10, 25, 50 vμ 100

năm trên mỏ dầu khí “Prirazlomnaia” ở biển Pêtrora Để có các

ước lượng đã sử dụng cách tiếp cận tổng hợp xuất phát từ phân

tích số liệu quan trắc tầu vμ tính toán theo mô hình số về sóng

gió Trong công trình lần đầu tiên thực hiện tính liên tục trường

sóng gió trong thời kỳ lịch sử 35 năm

Khi ước lượng giá trị các yếu tố sóng cực trị vượt ra ngoμi

giới hạn chuỗi 35 năm vμ có thể xảy ra 1 lần trong 50 vμ 100

năm đã nảy sinh vấn đề thiếu nghiên cứu đầy đủ về những quy

luật phân bố sóng nhiều năm trên nước nông Vì lý do đó, đầu

tiên đã tính các ước lượng cực trị trên hướng sóng nguy hiểm

của nước sâu, sau đó chuyển đổi sang nước nông có tính tới sự

biến dạng sóng Cách tiếp cận nμy có thể được dùng để giải

quyết các bμi toán tương tự trong các vùng biển ven bờ khác

Chương 9 Mô hình sóng gió tổng quát

9.1 sử dụng các mô hình quy mô không gian - thời gian khác nhau trong mô hình sóng gió tổng quát

Trong nhiều bμi toán khoa học vμ thực tế xuất nảy sinh yêu cầu khách quan xác định các yếu tố sóng ở một vùng cục bộ nμo

đó, thậm chí ở một điểm riêng biệt Đương nhiên muốn vậy phải giải bμi toán tổng quát hơn, bởi vì trường sóng ở một điểm được hình thμnh nhờ tác động của những điều kiện địa phương vμ sự phát triển sóng trên toμn vùng nước biển

Để tính sóng gió theo các mô hình toán cần cho thông tin xuất phát về độ sâu thủy vực, tốc độ gió vμ dòng chảy Tuy nhiên muốn có được thông tin xuất phát nμy đôi khi khá khó khăn Thí dụ, hiện nay các trường tốc độ gió dự báo vμ chẩn

đoán được tính toán bằng các mô hình hiện đại về hoμn lưu khí quyển ở những trung tâm khí tượng thủy văn lớn vμ không phải luôn luôn có được để thực hiện các tính toán kỹ thuật Trong khi giải quyết các bμi toán khí hậu, phải tính toán các trường gió vμ sóng trong những trận bão xảy ra trong quá khứ, thì sos liệu hoμn toμn không có vμ người ta buộc phải dùng các bản đồ synop lμm thông tin xuất phát Nảy sinh câu hỏi: lμm thế nμo xác định tốc độ gió trên vùng nước nếu thông tin về khí áp mặt

đất chỉ có trên một số bản đồ thời tiết riêng lẻ hay thậm chí dưới dạng một số giá trị đo tại các trạm bao quang vùng biển Rõ rμng việc xác định các yếu tố sóng thậm chí ở một vùng cục bộ

525 526

đòi hỏi giải bμi toán khí tượng thủy văn chung hơn vμ sử dụng

cách tiếp cận tổng hợp

Trong chương nμy sẽ cung cấp một hướng dẫn tổng quát về

giải bμi toán dựa trên sử dụng sự biến động trường sóng gió quy

mô không gian-thời gian khác nhau cho phép giải quyết toμn bộ

tập hợp các vấn đề với độ chính xác chấp nhận được cho một

loạt bμi toán ứng dụng

Biến động không gian-thời gian của trường sóng gió có một

dải khá rộng các quy mô: từ quy mô toμn cầu, được đo bằng

hμng nghìn kilômét trên các đại dương vμ các biển, đến các quy

mô địa phương, thí dụ trong các vùng ven bờ, nơi biến thiên

trường sóng được quan sát thấy trên các khoảng cách vμi trăm

hay thậm chí vμi chục mét ở các chương trước đã cho thấy rằng

bμi toán về tiến triển sóng gió trong đại dương quy về việc giải

hệ phương trình (5.1), (5.2), dưới dạng tổng quát khá phức tạp

vμ khó thực hiện thậm chí khi có các máy tính mạnh Vì vậy

nên sử dụng tính đa quy mô trong biến động không gian-thời

gian của trường sóng gió để tạo ra một mô hình tổng quát tối ưu

về sóng gió liên kết những trường hợp riêng của lời phát biểu

bμi toán tổng quát, sao cho từng trường hợp trong đó có thể thực

hiện tương đối đơn giản

Để giải bμi toán có thể thử liên kết các mô hình toán quy

mô khác nhau, trước tiên khôi phục trường áp trên toμn thủy

vực biển vμ theo đó tính tốc độ gió Sau đó sử dụng số liệu về

trường gió lμm thông tin xuất phát, có thể tính các yếu tố sóng

gió trên toμn bộ vùng nước sâu của biển vμ sử dụng chúng lμm

các điều kiện biên xuất phát để giải bμi toán biến dạng sóng

trong vùng ven bờ cục bộ cụ thể Như vậy trong khuôn khổ một

mô hình tổng quát có thể tạo ra bức tranh phân bố không gian

các yếu tố sóng không chỉ cho toμn thủy vực biển, nơi quy mô

không gian đặc trưng của sự biến đổi trường sóng bị quy định bởi các kích thước của bản thân thủy vực cũng như kích thước của các thμnh tạo khí quyển, mμ còn cho một vùng ven bờ cục

bộ có tính đến những chi tiết địa hình đáy có ảnh hưởng tới sự biến dạng sóng vμ đổ nhμo sóng ở dải ven bờ

Năm 1990 chúng tôi đã xây dựng một chương trình cho máy tính các nhân thực hiện mô hình tổng quát sóng gió Chương trình có tên quy ước “ALL-WAVES” Hiện nay đã xây dựng phiên bản hoμn thiện thứ tư rất phổ dụng ở nước ta vμ ngoại quốc để giải quyết một loạt bμi toán thực dụng

9.2 Sơ đồ chung tính sóng gió

Với tư cách một thí dụ, ta xét ứng dụng mô hình tổng quát

sóng gió (“ALL-WAVES”) cho thủy vực Hắc Hải Thủ vực được

chọn ngẫu nhiên ở đới ven bờ duyên hải Bungari, tại lμng Scorpilovxi có trạm ghi sóng của Viện hải dương học Viện hμn lâm Khoa học Bungari Trên cơ sở trạm nμy, trong thời kỳ 1990–1992 đã tiến hμnh một cuộc thí nghiệm quốc tế đo gió vμ sóng ở vùng khơi vμ ven bờ biển, kể cả trong đới sóng vỗ bờ Lãnh đạo công tác về phía Bungari lμ giám đốc Viện hải dương học Viện hμn lâm Khoa học Bungari, giáo sư Z Belberov, phía Nga – giáo sư I N Đaviđan Các thμnh viên tham gia công tác gồm các đồng nghiệp Bungari, các cộng tác viên Viện hμn lâm Khoa học Ba Lan vμ các đại diện Viện WoodHoll (Mỹ) Các kết quả đo, dưới đây có dẫn một số, đã cho phép chúng tôi thực hiện kiểm định mô hình tổng quát

Tái lập trường khí áp mặt đất Sơ đồ chung sóng gió

được thể hiện trên hình 9.1, ở đây diễn tả các giai đoạn tuần tự giải bμi toán Giai đoạn thứ nhất lμ tái lập trường khí áp mặt

đất trên vùng nước biển Để tính trường áp trên toμn biển đã sử

527 528

dụng dữ liệu các bản đồ synop Thêm vμo đó lμ các số liệu đo khí

áp mặt đất tại các trạm khí tượng thủy văn bao quanh biển

(hình 9.2) Việc tái lập trường áp trên toμn biển được thực hiện

theo chương trình nội suy spline lập phương kép Sau đó tính

giá trị áp suất tại các nút vùng lưới đều Toμn thủy vực Hắc Hải

bao bởi vùng lưới gồm 13 16 nút với bước 0,5o

theo kinh tuyến

vμ 1,0o

theo vĩ tuyến, tổng số nút bằng 92

Hình 9.1 Sơ đồ chung tính sóng gió

Tính gió Gió građiên được tính theo các phương pháp diễn

tả trong chương 8 Khi sử dụng chương trình nội suy spline, tốc

độ gió theo građien khí áp mặt đất được xác định nhờ lấy đạo

hμm giải tích các biểu thức tương ứng mô tả mặt khí áp, cho

phép nhận được giá trị chính xác hơn của tốc độ gió so với các

hiệu hữu hạn thông thường vẫn dùng trong các phương pháp số

Gió mặt nước trên thủy vực được tính có kể đến phân tầng lớp

biên khí quyển tuân theo chương 8

Tính sóng gió trên vùng nước sâu Các yếu tố sóng gió

được tính dựa trên giải phương trình cân bằng mật độ phổ tác

động sóng (5.1) Bμi toán chia thμnh hai phần: tính sóng trên nước sâu, tức trên phần biển khơi vμ tính biến dạng sóng trong vùng nước ven bờ

Trên nước sâu khi không có dòng chảy phương trình (5.1)

được đơn giản hoá, vμ tính sóng gió được thực hiện trên cơ sở mô hình phổ tham số sóng gió mô tả ở chương 8 Chúng tôi chỉ nhắc lại rằng mô hình gồm hai khối Một khối giải hệ phương trình tương đối với các tham số xấp xỉ phổ, đó lμ mômen không của phổ m vμ hướng truyền sóng tổng quát  Sóng lừng được tính 0

bằng phương pháp phổ rời rạc Tương tác giữa sóng lừng vμ sóng gió được thực hiện trong khuôn khổ định luật bảo toμn năng lượng

Tiếp theo kết quả tính các yếu tố sóng trên nước sâu (tại

điểm nước sâu gần vùng tính toán ven bờ) được dùng lμm các

điều kiện biên xuất phát để giải bμi toán biến dạng sóng trong

đới ven bờ biển

Khôi phục địa hình đáy biển ở vùng ven bờ Nhân tố

cần thiết để tính biến dạng sóng lμ thông tin về độ sâu ở đới nước nông ven bờ Lưu ý rằng vấn đề về ảnh hưởng của độ chính xác diễn tả độ sâu tới nghiệm bμi toán không phải lμ vấn đề tầm thường

Do vận chuyển các trầm tích đáy diễn ra trong thời gian bão

mμ liên tục biến đổi độ sâu các vùng ven bờ vμ các bản đồ độ sâu hiện tồn không phản ánh được Vì vậy phải lμm chính xác những giá trị độ sâu thực bằng số liệu đo mới nhất Để thực hiện tính toán đã xây dựng mảng độ sâu mang thông tin khách quan hơn Bổ sung cho những số liệu lấy từ các bản đồ độ sâu, mảng nμy chứa các giá trị độ sâu thực vμ toạ độ viền bờ biển

vμ tồn tại các đạo hμm bậc hai liên tục trong toμn miền xác định của các đối số  x , , tại đó các phương trình đặc trưng được tích y

phân

Hình 9.3 Sơ đồ tính biến dạng sóng trong đới ven bờ Hắc Hải (vùng bờ

Bungari): 1 - các điểm tính; 2 - các tia truyền hợp phần phổ

Sử dụng mảng độ sâu vμ chương trình nội suy lưới, đã tính mảng độ sâu tại các nút miền lưới tính với bước 250 250 m

531 532

Mảng độ sâu tính toán gồm gần 90 nghìn giá trị độ sâu Bản đồ

độ sâu khôi phục bằng cách như vậy được biểu diễn trên hình

8.3 Như đã thấy nó phục hồi khá tốt những chi tiết địa hình

của vùng ven bờ Hắc Hải giữa mũi Kaliakra vμ mũi Emine

Biến dạng sóng gió trong đới ven bờ Sóng gió trong đới

ven bờ được tính dựa trên mô hình sóng gió nước nông mô tả ở

chương 9, có tính tới ảnh hưởng gió, tiêu tán, ma sát đấy vμ

khúc xạ sóng trên nước nông

Nhận xét rằng trong phiên bản đầu tiên của mô hình tổng

quát sóng gió trong vùng ven bờ đã tính tới các hiệu ứng ma sát

đáy vμ khúc xạ, điều nμy lμm cho kết quả khá phù hợp với số

liệu quan trắc trong trường hợp gió yếu vμ truyếnóng lừng [99]

Tuy nhiên để tính biến dạng sóng bão thì chỉ tính tới những cơ

chế ấy chưa đủ, phải kẻ đến ảnh hưởng của gió vμ chuyển sang

mô hình biển nông

Mô phỏng sự tiến triển sóng trong đới ven bờ Giai đoạn

cuối cùng trong sơ đồ chung tính sóng gió (xem hình 9.1) lμ tính

các yếu tố trong đới ven bờ Với tư cách lμ những điều kiện biên

xuất phát của bμi toán ta sử dụng giá trị các yếu tố sóng đã

nhận được trên cơ sở tính toán biến dạng phổ sóng trong đới ven

bờ đã thực hiện trong giai đoạn trước Tuy nhiên, khác với giải

bμi toán khúc xạ, khi đó khoảng cách giữa các nút lưới số cho

giá trị độ sâu bằng hμng trăm mét, ở đới ven bờ phải diễn tả bề

mặt đáy một ccáh chi tiết hơn Khoảng cách đặc trưng giữa các

nút phải đủ nhỏ để diễn tả được những chi tiết địa hình đáy

như các van cát hay các rãnh sâu trên đó sự đổ nhμo sóng diễn

ra mạnh Mặt khác, số điểm nút phải không quá lớn để mảng độ

sâu cần thiết không chiếm nhiều bộ nhớ thao tác vμ thời gian

máy tính không quá lớn Như vậy trong mô hình đã dùng lưới

số với bước không gian 10 m, tại đó cho các độ sâu được cho theo

số liệu đo chi tiết nhất dọc theo tuyến trạm Skorpilovxi

Phương trình động học (5.1) thường dùng để mô tả toán học phổ sóng gió, trong đới ven bờ sẽ không dùng được vì tác động của các quá trình phi tuyến mạnh liên quan tới đổ nhμo sóng Trong khi tiến hμnh tính toán thực tế sẽ sử dụng những mô hình tham số đơn giản hơn dựa trên dữ liệu thực nghiệm Thí

dụ về mô hình như vậy lμ mô hình khá nổi tiếng của J Battjes [208] đã nêu trong mục 8.3 Mô hình nμy cũng được chúng tôi dùng trong sơ đồ tính chung

Giải bμi toán quy về tích phân phương trình (8.45) cho một trắc diện độ sâu H ( y x, ) đã định vμ các giá trị xuất phát của tần

số cực đại phổ max vμ độ cao sóng trung bình h cho trước trên

biên Kết quả xác định được giá trị trung bình độ cao sóng dọc theo quỹ đạo truyền sóng Cùng với tính toán độ cao trung bình

h còn đồng thời tính biến thiên mực biển trung bình ( y x, )theo phương trình 8.46) của lý thuyết M S Longuet-Higgins vμ

J Stewart [313]

Kết quả cuối cùng của mô hình ta nhận được giá trị độ cao, bước sóng trung bình vμ mực biển trung bình trong đới ven bờ dọc theo quỹ đạo truyền sóng

9.3 So sánh các kết quả tính theo mô hình tổng quát với số liệu đo

Sử dụng mô hình tổng quát đã mô tả đã tiến hμnh tính sóng trên vùng khơi Hắc Hải vμ sự biến dạn sóng ở vùng trạm Skorpilovxi Dưới đây sẽ dẫn kết quả tính theo mô hình vμ số liệu đo trong một trận bão diễn ra từ ngμy 30/11 đến 4/12/1990 Trong trận bão nμy tình thế synop được quy định bởi một xoáy thuận di chuyển trên hướng đông bắc Dữ liệu xuất phát

533 534

để tính toán lμ giá trị khí áp được cho tại các điểm cơ sở Các kết

quả khôi phục áp suất khí quyển, gió vμ sóng biểu diễn trên các

hình 9.4–9.7 Trê hình 9.4 cho thấy trường áp trên thủy vực Hắc

Hải ngμy 2/12, 21 giờ, những điểm cho áp suất trên hình ký

hiệu bằng các vòng tròn nhỏ

Hình 9.4 Khôi phục trường áp trong bão, thời điểm 21 giờ 2/12/1990

Hình 9.5 Trường gió trong bão, thời điểm 21 giờ 2/12/1990

Hình 9.6 Biến thiên tốc độ gió vμ độ cao sóng trung bình trong

bão 30/11-4/12/1990 tại điểm 45 (xem hình 9.2): 1 - độ cao sóng

trung bình h ; 2 - hướng, tốc độ gió U

Hình 9.7 Giá trị tính vμ đo độ

cao sóng trung bình vμ nước dâng trong sóng ở vùng ven bờ trên nền biến

đổi độ sâu:

a) tính huống 21 giờ 2/12/1990 b) 00 giờ 3/12/1990

1 - độ sâu H

2 - độ cao sóng trung bình h

3 - mực biển trung bình 

4 - số liệu đo

535 536

Trường gió trong thời gian nμy biểu diễn trên hình 9.5

Trên hình 9.6 cho thấy biến thiên tốc độ gió, hướng gió vμ độ cao

sóng trung bình ở điểm nước sâu nằm gần vùng ven bờ trạm

Skorpilovxi Kết quả tính vμ đo sóng vùng ven bờ biểu diễn trên

hình 9.7 a, b Dọc quỹ đạo truyền sóng tới bờ thể hiện giá trị độ

cao sóng trung bình vμ biến đổi mực biển trung bình gây bởi

nước dâng trong sóng Để tiện biểu diễn trên hình vẽ độ cao

sóng vμ nước dâng trong sóng được tăng lên 10 lần vμ biểu diễn

trên nền biến thiên độ sâu

Từ hình vẽ thấy rằng độ cao sóng tính vμ đo khá phù hợp,

chứng tỏ khả năng của mô hình Điều quan trọng lμ ở đây thực

hiện so sánh các kết quả cuối cùng của mô hình, nhận được xuất

phát từ khí áp, thông qua nhiều tính toán trung gian liên tiếp

như tính tố độ gió, các yếu tố sóng trên nước sâu, sau đó các yếu

tố sóng trên nước nông

Mô hình tổng quát sóng gió (ALL-WAVES) có tính năng

chạy nhanh vμ có thể sử dụng trên các máy tính cá nhân thông

thường Nó không có một giới hạn cứng nμo trong khai thác vμ

vì vậy sẽ vμ đang được dùng để tính sóng trong nhiều vùng biển

vμ đại dương khác nhau

Kết luận

Việc nghiên cứu sóng gió trong Đại dương Thế giới được thực hiện bởi nỗ lực của các nhμ khoa học nhiều quốc gia vμ đã trở thμnh đối tượng nghiên cứu quốc tế Minh chứng về điều nμy lμ số lượng khổng lồ những công trình khoa học, bao gồm các chuyên khảo công bố gần đây vμ giμnh cho việc khảo sát vμ mô hình hoá số về sóng gió [162, 303, 320] Cuốn chuyên khảo nμy lμ tiếp nối logic của những ấn phẩm đã nêu trong đó trọng tâm chính giμnh cho khảo sát ảnh hưởng của tính chất mặt cầu trái đất, các dòng chảy bất đồng nhất, nước nông tới sự hình thμnh cấu trúc phổ sóng trong đại Đương Thế giới Những kết luận chính như sau

1 Với mục đích khảo sát ảnh hưởng của các bất đồng nhất không gian của đại dương lên sóng gió trong Đại dương Thế giới

vμ xuất phát từ những luận điểm vật lý chung đã phát biểu bμi toán tổng quát về mô hình hoá sự tiến triển phổ sóng gió Thiết lập bμi toán dựa trên giải phương trình động học trên mặt cầu

có tính tới những yếu tố tạo sóng cơ bản: sự cung cấp năng lượng từ gió cho sóng, sự tái phân bố năng lượng phi tuyến yếu trong phổ, sự tiêu tán năng lượng sóng, sự biến dạng sóng khi

có mặt dòng chảy bất đồng nhất , nước nông

Căn cứ vμo tính phức tạp của việc giải bμi toán, để khảo sát bμi toán đã đề xuất cách tiếp cận dựa trên phân tích các quy mô biến động không gian vμ thời gian của hiện tượng tự nhiên được nghiên cứu Việc ước lượng các quy mô tác động của những cơ chế vật lý khác nhau hình thμnh cấu trúc phổ sóng gió đã cho phép đơn giản hoá việc phân tích nghiệm bμi toán vμ lμm rõ những cơ chế hiệu dụng nhất trong vùng địa lý cụ thể Lưu ý

537 538

rằng ở đây phân tích phương diện hình học của nghiệm bμi toán

(điều nμy nên hiểu như lμ mô tả sự lan truyền các chùm sóng

trong không gian pha) Phương diện hình học của nghiệm được

mô tả không chỉ bằng vế phải, mμ cả bằng vế trái của phương

trình động học

2 Trọng tâm chính trong chuyên khảo giμnh cho mô tả các

kết quả khảo sát sự phát triển sóng khi có mặt dòng chảy bất

đồng nhất Các dòng chảy ảnh hưởng tới sự phát sinh sóng bởi

gió cũng như tới sự biến dạng sóng Chúng không chỉ gây nên

những biến đổi mạnh phổ vμ các yếu tố sóng (với dòng chảy

ngược độ cao sóng có thể biến đổi một số lần), mμ còn có thể lμm

xuất hiện các sóng dị thường trong đại dương, gây va chạm các

tầu đại dương vμ những hậu quả khủng khiếp

Phương pháp nghiên cứu hiệu quả nhất lμ sử dụng phép

gần đúng quang hình học, phương pháp nμy kết hợp với nghiệm

phương trình cân bằng mật độ phổ tác động sóng cho phép đưa

ra sự mô tả đúng nhất về diễn biến của các sóng vμ loại bỏ

những kỳ dị diễn biến nghiệm xuất hiện ở lân cận các điểm tụ

tia Sử dụng cách tiếp cận phổ nμy tạo ra khả năng thu được

những kết quả chi tiết tính biến dạng các yếu tố sóng trên dòng

chảy ứng với một số tổ hợp các tham số quyết định Đã cho thấy

rằng ảnh hưởng đồng thời của dòng chảy bất đồng nhất vμ

những gồ ghề đáy thủy vực có thể gây nên những biến đổi

trường sóng mμ ta không thể diễn tả được bằng cách đơn thuần

lấy tổng các hiệu ứng do dòng chảy vμ độ sâu riêng lẻ tạo ra

Nhược điểm của phương pháp có thể lμ cách tiếp cận phổ

không dưa ra khả năng mô tả hình dạng sóng, vì pha sóng

không được xem xét, điều nμy rất quan trọng, thí dụ như để giải

thích diễn biến của các sóng dị thường trong đại dương Ngoμi

ra, trong khi thu hẹp phổ tần số - góc, tức đối với các sóng đơn

sắc có thể xuất hiện những kỳ dị trong nghiệm bμi toán Vì lý do nμy, song song với nghiệm bμi toán dựa trên cách tiếp cận phổ,

3 Ngoμi việc giải quyết những vấn đề liệt kê trên đây, tác giả cho rằng cần thiết dừng lại ở một số vấn đề khảo sát những cơ chế vật lý hình thμnh phổ sóng trên nước sâu Thực vậy, trong chuyên khảo đã dẫn một trong những thuật toán hữu hiệu nhất để tính tích phân tác động mô tả quá trình tương tác phi tuyến yếu trong phổ sóng gió Sử dụng các phương pháp tích phân số độ chính xác cao nhất đã nhận được những kết quả tính tin cậy vμ đã xem xét những hiệu ứng khá tinh tế như sự vận chuyển năng lượng phi tuyến yếu tới những hợp phần phổ truyền ngược gió, cho phép giải thích cơ chế vật lý lμm xuất hiện các sóng tương ứng

Đồng thời một số vấn đề quan trọng vẫn còn bỏ ngỏ, chẳng hạn như vấn đề về tiêu tán năng lượng sóng trong sóng gió Sự

tan tới sóng, chủ đề nμy có thể không cần thiết đối với chúng ta nên

không được dịch trong bản dịch nμy (ND)

539 540

thiếu vắng một lý thuyết tiêu tán đủ căn cứ vẫn như trước đây

đang để cho một số giả thuyết thiếu cơ sở về một số cơ chế hình

thμnh cấu trúc phổ sóng tồn tại Kết quả khảo sát đã chứng tỏ

rằng cơ chế tiêu tán sẽ khác nhau về căn bản nếu nó tác động

trong những khoảng tần khác nhau của phổ tần số Thực vậy,

nếu ở vùng tần thấp quá trình tiêu tán lμ do sự tương tác của

sóng với rối, thì ở vùng tần cao tiêu tán liên quan tới sự đổ nhμo

đỉnh sóng vμ lμ một cơ chế hoμn toμn phi tuyến

Tồn tại một vấn đề khác chưa giải quyết, đó lμ ảnh hưởng

của các hiệu ứng quy mô vừa trong sự hình thμnh cấu trúc phổ

sóng gió Thí dụ, đã chỉ ra rằng sự tính đến những tựa dao động

của phổ tần số có thể lμm tăng đáng kể hiệu quả tái phân bố

năng lượng phi tuyến yếu trong phổ sóng vμ bằng chính cái đó

dẫn tới nghi ngờ đối với một loạt những kết luận có tính nguyên

tắc về giá trị định lượng của các cơ chế vật lý khác hình thμnh

nên phổ sóng

Thông thường, khi giải quyết nhiều bμi toán thực tế tính

sóng trong biển bước không gian bằng hμng chục vμ hμng trăm

kilômét, còn thông tin về gió mặt đất được nhập với bước thời

gian 3 giờ hoặc hơn Cách tiếp cận truyền thống như vậy không

cho phép tính tới “các hiệu ứng dưới lưới”, tức không diễn tả

được những chi tiết quy mô nhỏ hơn trong sự tiến triển trường

sóng gió nhưng có thể có ý nghĩa rất quan trọng

Bμi toán mô tả không gian vμ thời gian một cách đủ chi tiết

về trường gió liên quan tới những vấn đề chung của khí tượng

học, phụ thuộc vμo trạng thái khoa học nμy nói chung cũng như

vμo chất lượng thông tin synop áp dụng vμo nhiệm vụ tính

sóng gió, ở đây nảy sinh một loạt các vấn đề đặc thù, thí dụ, lμm

thế nμo để tính tới những biến thiên quy mô vừa của tốc độ như

gió dật vμ dông? Phân tầng lớp biên khí quyển ảnh hưởng trong

khi đó như thế nμo? Tất cả những cái đó có thể ảnh hưởng ra sao tới độ chính xác tính sóng gió? Lμm thế nμo để tham số hoá những hiệu ứng quy mô vừa trong các mô hình sóng gió?

4 Trong chuyên khảo đã dẫn những thí dụ giải các bμi toán thực dụng có sử dụng các mô hình toán sóng gió vμ xét hai bμi toán quan trọng nhất theo quan điểm thực tiễn Bμi toán thứ nhất xuất phát từ nhu cầu tính vμ dự báo trạng thái mặt biển trong hμng hải Bμi toán thứ hai do cần thiết thực hiện các tính toán kỹ thuật về áp lực lên những công trình chịu tác động sóng Đã chỉ ra rằng ước lượng các sóng cực trị (lặp lại 1 lần trong 50 vμ 100 năm) tin cậy nhất có thể nhận

được không phải trên cơ sở tính toán sóng trong một số trận bão lựa chọn riêng lẻ, mμ nhờ thực hiện tính toán liên tục trong một thời kỳ lịch sử dμi

Đồng thời phải lưu ý rằng, khả năng thực tế hiện thực hoá các bμi toán thực tế phụ thuộc không những vμo chất lượng các mô hình toán, mμ còn vμo một loạt những hoμn cảnh khác bao gồm trước hết độ chính xác thông tin xuất phát được dùng trong tính toán Sai số của thông tin xuất phát thường lμm cho nỗ lực của các nhμ khoa học hướng tới hoμn thiện các mô hình sóng gió trở nên vô vọng Vì vậy, trong khi giải quyết những bμi toán thực tế nên sử dụng cách tiếp cận có cân nhắc, thâu tóm toμn diện sự phức tạp của vấn đề

Trong nhiều bμi toán khoa học vμ thực tế nảy sinh yêu cầu xác định các giá trị yếu tố sóng ở một vùng cục bộ nμo đó thậm chí ở một điểm riêng biệt Dễ hiểu rằng trong trường hợp đó vẫn phải giải một bμi toán chung hơn, vì trường sóng tại mỗi

điểm được hình thμnh vừa do kết quả tác động của những điều kiện địa phương, vừa do sự phát triển của sóng trên toμn thủy vực biển ở đây xuất hiện vấn đề xây dựng công nghệ tính sóng

541 542

sao cho: một mặt thâu tóm được toμn bộ tập hợp các quá trình

diễn ra trong khí quyển vμ trong đại dương ảnh hưởng tới sự

phát triển sóng gió, mặt khác đủ đơn giản để có thể thực hiện

trong khi giải quyết nhiều nhiệm vụ kỹ thuật

Với mục đích đó, trong chuyên khảo đã mô tả một mô hình

tổng quát về sóng gió có tính tới sự biến động không gian-thời

gian đa quy mô của trường sóng vμ thống nhất các trường hợp

riêng của lời phát biểu bμi toán đầy đủ Mô hình tổng quát cho

phép tái tạo bức tranh phân bố không gian các yếu tố sóng

không chỉ trên toμn thủy vực biển, nơi quy mô biến động ngang

đặc trưng của trường sóng bị quy định vừa bởi các kích thước

của bản thân thủy vực, vừa bởi các kích thước của những thμnh

tạo khí quyển tương ứng, mμ còn trong một vùng ven bờ cục bộ

có tính đến các chi tiết của địa hình đáy có ảnh hưởng tới sự

biến dạng sóng vμ sự đổ nhμo sóng ở đới ven bờ

Tμi liệu tham khảo

1990 335 с

7 Атлас океанов Атлантический и Индийский океаны Л.: Изд-во

ГУНиО МО, 1977 С 204207

8 Баренблатт Г И., Лейкин И А., Казьмин А С и др Сулой в Белом море Докл АН СССР, 1985, Т 281, № 6, С 1435 1439

9 Басович А Я., Баханов В В О трансформации поверхностных волн на неоднородном течении Изв АН СССР ФАО 1979 Т 15,

№ 6 С 660665

10 Басович А Я., Таланов В И О трансформации поверхностных волн на неоднородных течениях Изв АН СССР ФАО 1977, Т

13, № 7 С 766773

11 Басович А Я., Баханов В В., Таланов В И Влияние ных внутренних волн на ветровое волнение Воздействие крупно- масштабных внутренних волн на морскую поверхность Горький:

интенсив-Изд-во ИПФ АН СССР, 1982 С 8 30

12 Белберов 3 К и др Принципы создания ветроволнового атласа Болгарского сектора Черного моря: Тез науч.-техн конфер Проблемы берегозашиты в условиях болгарского Черноморского побережья Варна, 1990 С 59

13 Большаков А Н., Бурдюков В М., Гродский С А.,

Кудрявцев В Н Определение спектра энергонесущих ностных волн по изображению солнечного блика Исследование

поверх-Земли из космоса 1988 № 5 С 1118

14 Браславский А П Расчет ветровых волн Тр ГГИ 1952 Вып

35 С 94158

15 Бровиков И С Статистические характеристики элементов ветровых волн Тр ГОИН 1954 Вып 26 С 147 194

16 Букатов А Е., Букатова О М Поверхностные волны конечной амплитуды в бассейне с битым льдом Изв РАН ФАО 1993 Т

29, № 3 С 421425

17 Букатов А Е., Черкесов Л В Влияние ледяного покрова на

1989, № 5 С 3647

31 Грушин В А., Ильин Ю Л., Лазарев А Л и др Синхронные оптические и контактные исследования пространственно- спектральных характеристик морского волнения Исследования

Земли из космоса 1986 № 2 С 5767

32 Гумбель Э Статистика экстремальных значений М.: Мир,

1965 450 с

33 Гутшабаш Е Ш., Лавренов И В Спектральная модель трансформации ветрового волнения в прибрежной зоне при наличии горизонтально-неоднородных течений Морской гидро-

физический журнал 1988 № 5 С 1521

34 Гутшабаш Е Ш., Лавренов И В Спектральная модель формации ветрового волнения на горизонтально- неоднородном течении с учетом изменяющейся глубины бассейна Тез докл Ш

транс-съезда Советских океанологов Секция физики и экологии океана Л.: Гидрометеоиздат, 1987 С 7980

35 Гутшабаш Е Ш., Лавренов И В Трансформация зыби на течении Мыса Игольного Изв АН СССР ФАО 1986 Т 22, № 6

7382

39 Давидан И.Н., Лавренов И В К вопросу о "дисбалансе" энергии в низкочастотной области развитого ветрового волнения Изв

АН СССР ФАО 1991 Т 27, № 8 С 853 861

40 Давидан И Н., Лопатухин Л И На встречу со штормами Л.:

гео-52 Дулов В., Кудрявцев В Н Отображение неоднородностей течений в состоянии океана Морской гидрофизический журнал

1989 № 4 С 313

53 Ефимов В В Динамика волновых процессов в пограничных слоях атмосферы и океана Киев: Наукова думка, 1981 255 с

54 Ефимов В В., Полников В Г Численное моделирование ветрового волнения Киев: Наукова Думка, 1991 240 с

55 Ефимов В В., Полников В Г Численные эксперименты по моделированию ветрового волнения Океанология 1985 Т 25, №

5 С 725732

56 Ефимов В В., Соловьев Ю П Частотно-угловые спектры и дисперсионное соотношение в ветровых волнах Изв АН СССР

ФАО 1979 Т 15, № 11 С 11811196

57 Ефимов В В., Кривицкий Б Б., Соловьев Ю П Изучение зависимости энергии морских ветровых волн от разгона

60 3аславский М М Об узконаправленном приближении ческого уравнения для спектра ветровых волн Изв АН СССР,

кинети-ФАО 1989 Т 25, № 4 С 402410

61 3аславский М М О длинноволновом обрезании спектра ветровых волн Изв АН СССР ФАО 1989 Т 25, № 11 С 1187

1194

62 3аславский М М., Красицкий В П О волновых флуктуациях параметров спектра ветровых волн Океанология 1993 Т 33, №

1 С 2126