.png){kind=logo}
Mở đầu
Điều kiện biên tính toán trong các mô phỏng được thực hiện bởi mô hình toán có vai trò đặc biệt quan trọng, quyết định tính đúng đắn của kết quả. Trong nhiều điều kiện biên khác nhau tùy theo chế độ mô phỏng có thể bao gồm mực nước, dòng chảy, sóng, gió...Việc đáp ứng đầy đủ số liệu, đồng thời tính cập nhật của dữ liệu là vấn đề quan trọng trong nghiên cứu. Trong bài báo này trình bày việc sử dụng số liệu từ nguồn số liệu sóng toàn cầu được mô phỏng bởi WWIII đã được hiệu chỉnh và kiểm định qua số liệu vệ tinh NOAA.
Từ khóa: Sóng NOAA, WaveWatch III.
Abstract
The boundary conditions for the simulation are an important role in deciding the accuracy of the calculation results. Depending on specific problems, boundary conditions include water level, wave, flow ... The problem of full enough data, the update data are important. In this paper, the use of data from global wave data sources simulated by WWIII (WaveWatch III) has been calibrated and verified using NOAA satellite data.
I. Giới thiệu chung
Mô hình toán trong lĩnh vực công trình cửa sông ven biển là công cụ hữu hiệu hỗ trợ cho các nghiên cứu, đánh giá chế độ thủy động lực và hình thái khu vực nghiên cứu, đồng thời tạo cơ sở cho chọn lựa giải pháp chỉnh trị phù hợp nhằm giảm tác động bất lợi bởi các yếu tố tự nhiên.
Những thập kỷ gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học tính toán, các mô hình tính toán sóng như WAM, WAVEWATCH III, SWAN, MIKE 21 SW...có thể được dùng nghiên cứu chế độ sóng trên biển với quy mô rộng lớn về không gian và bao quát về thời gian.
Nghiên cứu về sóng toàn Biển Đông được thực hiện với nguồn dữ liệu sóng WWIII kết hợp số liệu sóng vệ tinh được thực hiện qua Mine 21 SW cho kết quả rất tốt (Lê Mạnh Hùng & nnk).
Mô hình MIKE 21 SW được dùng khá nhiều tại Việt Nam và được đánh giá cao về hiệu quả trong nghiên cứu. Tuy nhiên cũng như các mô hình tính toán sóng khác thì điều kiện biên sóng là yêu cầu quan trọng. Với những giới hạn nhất định về nguồn số liệu sóng như việc mua số liệu với kinh phí cao, hoặc thu thập số liệu với độ chính xác thấp, số liệu quan trắc sóng thường chỉ có 3 Obs/ ngày. Như vậy có thể thấy rằng việc chọn được nguồn số liệu phù hợp với số liệu quan trắc và chủ động được về thời gian và kinh phí là ưu điểm đáng kể.
II. Phương pháp nghiên cứu và số liệu sử dụng
1. Phương pháp nghiên cứu
Để đánh giá độ phù hợp của dữ liệu, trong nghiên cứu sử dụng số liệu sóng toàn cầu từ mô hình WWIII đã đươc hiệu chỉnh, kiểm định qua số liệu vệ tinh NOAA từ đó giải mã để trích xuất các tham số sóng (Hs, Tp, Direction). Số liệu giải mã được so sánh với số liệu quan trắc sóng tại một số trạm thuộc vùng biển Việt Nam.
2. Số liệu sử dụng
- Số liệu sóng thực được quan trắc tại một số trạm trong vùng biển Việt Nam. Trong nghiên cứu chọn đại diện 3 trạm cho 3 miền Bắc- Trung- Nam bao gồm trạm Bạch Long Vĩ (Miền Bắc), trạm Cồn Cỏ (Miền Trung), trạm Bạch Hổ (Miền Nam).
- Số liệu sóng toàn cầu được thu thập và giải mã cho 3 trạm kể trên.
Hai loại số liệu trên được dùng để đánh giá tương quan nhằm xem xét mức độ tương đương của hai loại dữ liệu. Sau khi đánh giá tương quan, số liệu giải mã sẽ được dùng làm biên ngoài khơi để mô phỏng chế độ sóng trong thời kỳ khảo sát và đánh giá kết quả tính toán sóng gần bờ. Qua đó kết luận về mức độ phù hợp của kết quả tính toán khi sử dụng số liệu sóng toàn cầu, kết quả về mức độ phù hợp của số liệu sóng toàn cầu với số liệu sóng quan trắc.
III. Kết quả và thảo luận
Kết quả phân tích với dữ liệu mã hóa dưới dạng file định dang Grib2 cho thấy kết quả trường độ cao sóng, hướng sóng và chu kỳ. Hình 1 thể hiện trường độ cao sóng và hướng sóng phạm vi toàn cầu. Số liệu toàn cầu là kết quả được tính toán bởi mô hình WWIII và được hiệu chỉnh qua số liệu vệ tinh của NOAA, bước lưới tính toán 0.50 x 0.50. Từ số liệu toàn cầu, trích rút số liệu sóng tại 1 trạm đại diện gồm Bạch Long Vĩ, Cồn Cỏ, Bạch Hổ (Hình 2).
Kết quả so sánh tham số sóng (Chiều cao, hướng sóng) tại các trạm được thể hiện qua các hình từ Hình 3- Hình 5. Số liệu tại trạm Bạch Long Vĩ được so sánh trong thời gian cả năm 2005 (Hình 3) cho thấy hai nguồn số liệu tương đồng về chiều cao và pha, kết quả đánh giá tương quan đạt R= 0.89 (Hình 6). Tại Cồn Cỏ được so sánh từ 8/2013- 12/2013 cho thấy tương đồng về chiều cao và pha, tuy nhiên sự phù hợp có phần kém hơn tại trạm Bạch Long Vĩ, kết quả đánh giá tương quan đạt R= 0.64 (Hình 6). Tương tự, tại trạm Bạch Hổ, số liệu được đánh giá tương quan đạt R = 0.89 (Hình 6).
Các số liệu quan trắc tại trạm được quan trắc với khoảng cách thời gian 6 tiếng một ốp đo. Số liệu toàn cầu được tính toán với bước lưới 0.5x 0.5 độ và bước thời gian 3 tiếng. Như vậy với độ phù hợp về dữ liệu giữa hai nguồn gồm quan trắc và tính toán mô hình toàn cầu thì số liệu toàn cầu có ưu điểm vượt trội về độ dày của dữ liệu. Ngoài ra, một cách lý tưởng cho rằng số liệu toàn cầu có thể đúng trên toàn miền tính thì có thể cung cấp điều kiện biên sóng cho mô hình nghiên cứu tại bất kỳ khu vực nào kể cả không có trạm quan trắc ngoài thực địa. Số liệu quan trắc sóng không có chu kỳ, vì vậy trong nghiên cứu không so sánh chu kỳ, tuy nhiên với số liệu về chiều cao có tính toán được chu kỳ theo công thức kinh nghiệm (Nguyễn Mạnh Hùng).
Qua nghiên cứu trên đây thấy rằng mức độ tương quan của dữ liệu sóng toàn cầu tại vùng biển miền trung có phần kém hơn so với số liệu tại khu vực miền Bắc và miền Nam. Việc sử dụng số liệu toàn cầu kể trên vào trong nghiên cứu có hợp lý cho nghiên cứu sóng ven bờ hay không ? Để làm rõ vấn đề này, trong nghiên cứu sử dụng số liệu giải mã cho thời gian 11/2015 để làm biên ngoài khơi, thiết lập mô hình và tính toán sóng ven bờ cho thời gian này, kết quả đánh giá như sau:
Sự phù hợp khá tốt giữa giá trị tính toán và thực đo về mực nước. Sai số lớn nhất về giá trị mực nước không quá 15 cm và về pha không quá 30 phút
Về giá trị vận tốc và hướng dòng chảy cũng khá phù hợp, nhất là về pha và hướng. Dòng chảy do triều và sóng trong thời kỳ khảo sát không lớn, giá trị vận tốc lớn nhất tại tầng mặt là 0,22 m/s, trung bình khoảng 0,09 m/s. Giá trị này rất gần với giá trị tính toán trong mô hình (0,07 m/s).
Về các giá trị chiều cao sóng và hướng sóng, có thể thấy sự phù hợp về hướng và độ cao sóng khá tốt. Chỉ trừ một số thời điểm có sự nhảy vọt về chiều cao sóng, đây có thể là do nghững nguyên nhân khách quan khác như tàu thuyền hoạt động gần máy đo, dòng chảy cục bộ tại địa phương v.v...và do thời điểm tính toán ban đầu khi mô hình chưa thật sự ổn định.
Kết luận và kiến nghị
Nghiên cứu trong bài báo đã thu thập 2 nguồn dữ liệu sóng khác nhau bao gồm dữ liệu sóng quan trắc và dữ liệu sóng mô phỏng toàn cầu hiệu chỉnh qua số liệu vệ tinh của NOAA. Dữ liệu sóng quan trắc tại trạm của Việt Nam là dữ liệu đáng tin cậy được dùng trong các tính toán, nghiên cứu về hải dương học cho vùng biển Việt Nam, do đó có thể là cơ sở vững chắc làm căn cứ tham chiếu để đánh giá độ chính xác của bất kỳ nguồn dữ liệu nào khác.
Kết quả nghiên cứu đánh giá độ phù hợp của dữ liệu sóng toàn cầu với sóng quan trắc tại 3 trạm đại diện cho vùng Bắc, Trung, Nam gồm trạm Bạch Long Vĩ, Cồn Cỏ, Bạch Hổ và cho thấy hệ số tương quan đạt từ 0.64- 0.89 tùy trạm như trình bày ở trên.
Ngoài ra, mức độ tin cậy và hiệu quả của dữ liệu được minh chứng qua việc sử dụng số liệu làm biên ngoài khơi cho mô phỏng chế độ sóng, mực nước, dòng chảy trong thời gian khảo sát 11/2015, kết quả cho thấy sự phù hợp giữa số liệu đo đạc và số liệu mô phỏng lại .
Từ kết quả nghiên cứu có thể thấy rằng dữ liệu sóng toàn cầu đáng tin cậy có thể dùng làm điều kiện biên cho các tính toán sóng tại vùng biển Việt Nam. Đặc biệt với ưu điểm vượt trội hẳn so với số liệu quan trắc về độ dày dữ liệu, về vị trí lấy dữ liệu không phụ thuộc trạm đo là những ưu điểm đáng kể để có thể chọn lựa trong mô hình tính toán.
Tài liệu tham khảo
- Lê Mạnh Hùng, Tăng Đức Thắng, Nguyễn Duy Khang. “Kiểm nghiệm việc sử dụng mô hình Mike 21 SW FM mô phỏng chế độ sóng biển Đông”. Tạp chí KHCN Thủy Lợi, Viện KHTLVN
- Nationnal Weather Service. http://polar.ncep.noaa.gov/