Luận văn Nghiên cứu ứng dụng số liệu radar biển vùng vịnh bắc bộ

DANH MỤC CÁC HÌNH .2

MỞ ĐẦU .4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VÀ SỐ LIỆU RADAR BIỂN.6

1.1. Giới thiệu về hệ thống radar biển .6

1.2. Số liệu radar biển.8

1.3. Một số ứng dụng của radar biển.9

1.4. Các nghiên cứu chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ .11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

.15

2.1. Phần mềm tổng hợp trường dòng chảy 2 chiều.15

2.1.1. Tổng hợp dòng chảy 2 chiều từ dữ liệu dòng chảy hướng tâm.15

2.1.2. Phương pháp nội suy đường ranh giới.21

2.2. Mô hình phân tích và dự báo vật thể trôi.23

2.2.1. Giới thiệu chung .23

2.2.1. Mô hình quỹ đạo La-grăngian .24

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VỊNH

BẮC BỘ TỪ DỮ LIỆU RADAR BIỂN.27

3.1. Phân tích số liệu.27

3.1.1. Đánh giá số liệu quan trắc dòng chảy bằng radar biển.27

3.1.2. Xây dựng miền lưới tính và dữ liệu đầu vào .30

3.1.3. Tính toán tổng hợp dòng chảy 2 chiều .32

3.2. Kết quả tính toán, phân tích dòng chảy trung bình tháng vùng Vịnh Bắc

Bộ.34

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU DỰ BÁO THỬ NGHIỆM QUỸ ĐẠO VẬT THỂ

TRÔI.43

4.1. Nghiên cứu thử nghiệm.43

4.2. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy trung bình tháng

Radar biển.43

4.3. Sơ đồ quỹ đạo vật thể trôi sử dụng số liệu dòng chảy thời gian thực từ

radar biển .47

KẾT LUẬN .54

TÀI LIỆU THAM KHẢO .56

Tiếng Việt.56

pdf60 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Ngày: 24/09/2020 | Lượt xem: 270 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu ứng dụng số liệu radar biển vùng vịnh bắc bộ, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
trắc dòng chảy Dòng chảy được quan trắc tại mỗi trạm radar là trường dòng chảy hướng tâm với phạm vi quan trắc tối đa là 300 km, tần suất quan trắc 1 giờ/lần. Các dữ liệu dòng chảy này được truyền về tạm trung tâm và xử lý để tổng hợp thành trường dòng chảy 2 chiều trong phạm vi quan trắc của hệ thống trạm radar. Hình 3: Trường dòng chảy hướng tâm quan trắc lúc 03 giờ ngày 03 tháng 12 năm 2014 tại trạm Nghi Xuân Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn này chỉ tập trung vào nghiên cứu ứng dụng số liệu dòng chảy từ quan trắc bằng radar. 1.3. Một số ứng dụng của radar biển Dự báo các điều kiện thời tiết trên biển: Số liệu radar HF có thể được sử dụng trong việc dự báo điều kiện thời tiết biển (kết hợp với dự báo thời tiết nói chung) cũng như nghiên cứu các điều kiện, 10 trạng thái bề mặt biển trong bão, điều mà trước đây với các thiết bị hải văn đã có rất nhiều khó khăn hoặc không thực hiện được. Phục vụ cho công tác đánh bắt thủy sản Trên cơ sở số liệu từ radar HF ta có được bản đồ hướng và tốc độ dòng chảy biển với những vùng nước xoáy. Kinh nghiệm cho thấy, tâm của những vùng nước xoáy này hội tụ rất nhiều cá và các loại hải sản khác. Vị trí của những tâm xoáy nước này được xác định bằng kinh độ và vĩ độ và sẽ được dự báo cho ngư dân trong việc đánh bắt hải sản. Tại Mỹ và một số nước đã thực hiện dự báo vùng tập trung cá cho thấy, đánh bắt cá tại tâm xoáy nước cho sản lượng nhiều gấp 7-8 lần so với những vùng nước lân cận. Phục vụ cho đánh giá ô nhiễm và lan truyền ô nhiễm biển Một ví dụ cho thấy tác dụng của radar HF trong việc cảnh báo ô nhiễm biển do chất thải ra biển. Năm 2003, thành phố Santa Rosa (Mỹ) dự kiến thải nước thải ra biển tại Vịnh Bodega. Các nhà khoa học đã sử dụng số liệu thu được từ 3 trạm radar HF trong một tuần để mô hình hóa sự lan truyền của chất thải ra biển. Từ mô hình chuyển động (lan truyền) của chất thải cho thấy, thay vì chất thải đi thẳng ra biển, nó lại di chuyển dọc theo bờ biển đến khu vực bảo tồn sinh thái biển, nơi có nhiều dải san hô và như vậy, sẽ có nguy cơ tàn phá khu vực sinh thái vùng biển này. Từ kết quả nghiên cứu trên, chính quyền thành phố đã cho đình chỉ dự án thải nước thải ra biển như ban đầu dự kiến. Mô hình này cũng được áp dụng để đánh giá sự lan truyền của dầu tràn trên biển. Ứng dụng trong cứu hộ cứu nạn trên biển Một ví dụ khác cho thấy, ứng dụng hữu hiệu của radar HF trong cứu hộ cứu nạn trên biển. Trên bản đồ hướng và dòng chảy biển của Radar HF đã xác định điểm một con thuyền bị tai nạn và phát tín hiệu cấp cứu. Sau 30 giờ con thuyền đã trôi đi một quãng xa so với vị trí ban đầu và cần phải xác định hiện tại thuyền đang ở vị trí nào để có thể cứu hộ. Như vậy, với số liệu dòng chảy và sóng thu được, tiến hành xác định hướng và dòng chảy bề mặt biển cùng với phần mềm của radar HF 11 (Codar Leeway) sẽ xác định được vị trí gần sát với thực tế di chuyển của con thuyền và việc cứu hộ cứu nạn trên biển dễ dàng hơn. Ứng dụng trong điều hành tầu thuyền qua lại eo biển, cảng Tại vùng Tokyo và vịnh Sagami, dòng chảy biển rất mạnh và thay đổi liên tục, trong khi có đến 90% tàu thuyền phải qua lại khu vực này. Nếu không có chỉ dẫn và điều hành hàng hải thì sẽ gây nguy hiểm cho tàu bè qua lại. Sử dụng 02 radar HF được lắp đặt tại đây, cung cấp số liệu thời gian thực (real-time) về tốc độ và hướng dòng chảy biển, từ đó có sự điều hành tàu bè qua lại đảm bảo an toàn và hiệu qủa cao nhất. Nhiều cảng biển và căn cứ hải quân trên thế giới sử dụng radar HF vào mục đích này. Ứng dụng trong phối hợp để tăng độ chính xác dự báo số trị Số liệu radar biển được sử dụng kết hợp mô hình số trị trong việc đồng hóa số liệu để tạo trường ban đầu cho các mô hình động lực. Các trường ban có độ chính xác cao góp phần tăng độ chính xác của các kết quả dự báo từ mô hình số trị. 1.4. Các nghiên cứu chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ Vịnh Bắc Bộ nằm ở phía tây của biển, rộng từ 105o36’E đến 109o55’E trải dài từ vĩ tuyến 17oN đến vĩ tuyến 21oN, diện tích khoảng 160.000 km2, chu vi khoảng 1.950 km, trong đó phía bờ Việt Nam là 740 km, chiều dài vịnh là 496 km, nơi rộng nhất là 314 km. Vịnh Bắc Bộ được bao bọc bởi bờ biển miền Bắc Việt Nam ở phía tây, bờ biển Nam Trung Hoa ở phía bắc trong đó có bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam. Bờ biển khúc khuỷu với khoảng hơn 2.300 hòn đảo lớn nhỏ, tập trung chủ yếu ở phía ven bờ Việt Nam. Đặc biệt đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm khoảng giữa vịnh với diện tích 2,5 km2 cách đảo Hòn Dấu, Hải Phòng khoảng 110 km. Khối nước của Vịnh Bắc Bộ chủ yếu giao lưu với Biển Đông qua cửa phía nam của vịnh rộng chừng 230 km và sâu hơn 100 m. Một phần nhỏ nước được trao đổi qua eo biển hẹp (18 km) và không sâu (20 m) Quỳnh Châu. Do độ sâu của biển không lớn nên hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ và vịnh Thái Lan được hình thành chủ yếu 12 do tác động của trường gió thịnh hành trên mặt biển. Tuy nhiên với sự liên kết tương đối chặt chẽ với Biển Đông, quá trình trao đổi nước qua cửa vịnh cũng gây nên tính đa dạng trong phân bố và biến động của hoàn lưu mùa trong các vịnh. Tính đa dạng này còn bị chi phối bởi sự khác biệt của quá trình tương tác biển khí, chủ yếu là tương tác nhiệt, trên các vịnh phụ thuộc vào vị trí địa lý của chúng. Đặc điểm quan trọng của hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ là sự tồn tại trong cả năm của dòng chảy ven bờ tây vịnh. Điều này đã được khẳng định không những bằng các kết quả phân tích số liệu khảo sát từ những năm 1960 (Hình 1, Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1965) [2] mà còn được mô phỏng bằng kết quả mô hình hoá 3D trong mộ số công trình thuộc các đề tài cấp bộ và cấp nhà nước. Bên cạnh hoàn lưu trong dạng xoáy thuận nêu trên, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô hình hoá đều cho thấy sự hiện diện của một xoáy nghịch trên vùng biển phía bắc vịnh trong mùa hè.. Hình 4: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa đông theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] 13 Hình 5: Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa hè theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp Vịnh Bắc Bộ (1964) [2] Các bản đồ hoàn lưu vịnh Bắc Bộ được thể hiện trong Atlas Quốc gia Việt Nam (1999) [1], dựa trên cơ sở phân tích số liệu khảo sát nêu trên.. Nguyên nhân hình thành bức tranh hoàn lưu trong mùa hè trên vịnh Bắc Bộ được mô tả trên đây có thể lý giải bằng sự phân hoá về hướng gió trên vịnh do hoạt động kết hợp của áp thấp bắc Đông Dương và dải hội tụ nhiệt đới. Với hướng gió thịnh hành đông-nam từ Bạch Long Vỹ đến Hải Phòng, Quảng Ninh, sự hình thành hai xoáy đối lập dấu nằm hai phía bắc và nam hoàn toàn khẳng định vai trò của gió trong mùa hè. Trong mùa đông, sự xâm nhập của dòng chảy Biển Đông góp phần làm tăng cường dòng chảy đi về phía nam ven bờ phía tây vịnh. Trong nghiên cứu của Ding và nnk [13], hoàn lưu tầng mặt Vịnh Bắc Bộ 14 trong các tháng mùa xuân, mùa thu và mùa đông tương tự như nhau. Trong các mùa này nước từ phía phía nam đảo Hải Nam đi vào trong vịnh, men theo phía tây đảo Hải Nam đi ngược lên phía bắc vịnh rồi vòng lại theo bờ đông của các tỉnh bắc và bắc trung bộ thoát ra ngoài Vịnh Bắc bộ. Trong các tháng mùa hè hoàn lưu có hướng ngược lại với 3 mùa còn lại của năm. Trong nghiên cứu này, hoàn các xoáy thuận và xoáy nghịch ở trung tâm và phía bắc vịnh không được thể hiện rõ. Nguyên nhân dẫn đến sự thiếu vắng của các hoàn lưu này có thể do số liệu thu thập về dòng chảy chưa đủ để phân tích ra các đặc trưng quy mô nhỏ của hoàn lưu vùng biển này. Hình 6: Sơ đồ hoàn lưu mùa vùng Vịnh Bắc Bộ 1960 -1962 (theo Ding và nnk) [13] 15 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Phần mềm tổng hợp trường dòng chảy 2 chiều 2.1.1. Tổng hợp dòng chảy 2 chiều từ dữ liệu dòng chảy hướng tâm Để tính toán véc tơ dòng chảy tổng cộng, sử dụng phần mềm Seasonde Combine Suite Release 7 [9] được cung cấp bởi hãng CODAR. Phần mềm Combine Suite tiêu chuẩn có thể tính được véc tơ dòng chảy tổng cộng từ 6 trạm radar, trong khi phiên bản nâng cấp hiện nay có thể tính được véc tơ dòng chảy từ 24 trạm radar với tốc độ tính toán nhanh gấp hai lần so với phiên bản tiêu chuẩn. Đây là phần mềm với giao diện thân thiện có thể tạo được các dạng fie đầu radar dạng từ các nguồn khác nhau. Phần mềm được thực hiện trên thuật toán như sau: Bước đầu tiên để xác định lưới bao trùm khu vực là sử dụng chương trình SDsetup để tạo file lưới đầu vào đối với phần mềm tạo véc tơ tổng cộng. Hình 7 minh họa một lưới hình chữ nhật tiêu biểu; tuy nhiên lưới tính để tổng hợp véc tơ tổng cộng có thể có dạng khác và các điểm đặc biệt (ví dụ như các vị trí phao) có thể được thêm vào. Các điểm đường bờ được chỉ ra trong hình 7 được đánh dấu X, được nhận dạng và lưu trong file lưới bằng một kí tự đánh dấu đặc biệt. Hình 7: Một lưới chữ nhật tiêu biểu qua diện tích vùng bao phủ của 3 trạm radar từ xa. Các điểm đường bờ được đánh dấu x 16 Hình 8: Vị trí 2 trạm radar tại 2 điểm A và B. Điểm lưới G được bao quanh bằng một vòng tròn vùng giao thoa chứa véc tơ hướng tâm và tại điểm này phương pháp bình phương tối thiểu được sử dụng để tính véc tơ tổng cộng. Trên hình là các véc tơ hướng tâm từ vị trí B. Tại mỗi điểm lưới, ta muốn tính toán thành phần U, V (thành phân theo vỹ hướng và kinh hướng) của véc vơ dòng chảy tổng cộng. Thông thường tại mỗi điểm lưới có thể có một véc tơ dòng chảy xuyên tâm từ mỗi trạm radar được sử dụng để tính U, V. Trên hình 8, các véc tơ xuyên tâm nằm dọc được xuyên tâm GA, GB. Trên thực tế, một vòng tròn vùng giao thoa với bán kính cụ thể được vẽ tại mỗi điểm lưới và các véc tơ xuyên tâm nằm trong vòng tròn được vẽ đó. Nếu góc giữa hai véc tơ xuyên tâm từ 2 trạm khác nhau nhỏ hơn 10 độ thì véc tơ xuyên tâm đó bị loại bỏ. Thành phần U, V trong véc tơ dòng chảy tổng cộng được tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu từ các véc tơ xuyên tâm trong vòng tròn vùng giao thoa. 17 Hình 9: Để đảm bảo sự chính xác trong việc tính véc tơ dòng chảy tổng cộng tại các điểm lưới, ta phải áp dụng quy tắc với các góc và giữa các đường xuyên tâm từ điểm lưới đối với các trạm radar. Phương pháp bình phương tối thiểu không đúng khi các véc tơ vận tốc xuyên tâm trong vòng tròn vùng giao thoa quá gần nhau hoặc song song. Với hai trạm radar điều này xảy ra khi điểm lưới gần với đường giới hạn giao thoa của hai khu vực (có thể gọi là vùng đường ranh giới) như điểm A trên hình 9 và vị trí xa so với trạm radar như điểm lưới B. Ta xác định giới hạn ổn định cho góc α, β (thông từ 20° đến 30°). Để tính một véc tơ dòng chảy tổng cộng tại một điểm lưới, ta cần ít nhất một cặp véc tơ xuyên tâm thỏa mãn > β. Vùng đường ranh giới được xác định bởi những điểm lưới này thỏa mãn < α. Vùng đường ranh giới có thể được để lại khoảng trống hoặc phép nội suy có thể được thực hiện hiện để lấp những khoảng trống này của véc tơ dòng chảy tổng cộng. 18 Hình 10: Minh họa trường hợp khi đường ranh giới nằm ngoài vùng nước mở. Đường ranh giới giữa các vị trí trạm radar được xác định bằng đường gạch dọc. Hai đường vòng cung đại diện cho các đường biên của khu vực đường ranh giới. Véc tơ dòng chảy tổng cộng S được chia thành thành phần và là thành phần song song và thành phần trực giao đối với đường ranh giới tương ứng. Trong phạm vi vùng đường ranh giới, là trung bình của các vận tốc xuyên tâm khác nhau. Tuy nhiên, các vận tốc xuyên tâm đưa ra rất ít thông tin để tính thành phần trực giao. Bởi vậy, chúng ta chấp nhận thành phần được tính bằng phương pháp bình phương tối thiểu và giá trị được tính bằng nội suy. Với mỗi điểm lưới trong phạm vi vùng đường ranh giới (ví dụ điểm B trên hình 10), ta thấy rằng các điểm lưới gần nhất phía ngoài vùng đường ranh giới với cả hai bên (điểm A và C trên hình 10). Giá trị của tại B được lấy từ nội suy tuyến tính giữa điểm A và C. 19 Hình 11: Minh họa trường hợp đường ranh giới gần với đường bờ. Đường ranh giới giữa vị trị các trạm radar được xác định là đường gạch dọc. Đường cung và đường bờ là các đường biên khu vực đường ranh giới. Khi đường ranh giới nằm gần với đường bờ, ta sử dụng chính đường bờ như là một đường biên của khu vực đường ranh giới. Với mỗi điểm lưới trong khu vực đường biên ranh giới (ví dụ điểm B trong hình 11), ta thấy rằng điểm lưới gần nhất trên khu vực biển của đường ranh giới (điểm A) và điểm lưới gần nhất trên bờ (điểm C). Ta giả sử rằng tại bờ bằng 0. Giá trị của tại điểm B được tính bằng nội suy tuyến tính của giá trị điểm A nằm phía ngoài đường ranh giới và giá trị 0 tại điểm C. 20 Hình 12: Một ví dụ về nội suy trong đường ranh giới khi đường ranh giới nằm ngoài khu vực xa bờ. Tại vùng phía trên của hình vùng đường ranh giới có để lại khoảng trống; tại vùng dưới của hình được lấp đầy bởi các véc tơ được nội suy. Các thông số đầu vào α, β được cho là 30° Hình 13: Một ví dụ về nội suy đường ranh giới khi đường ranh giới gần với đường bờ. Phần trên của hình khu vực đường ranh giới tạo khoảng trống; phần dưới của hình được lấp đầy bởi các véc tơ nội suy. Các thông số đầu vào α, β được cho là 30°. 21 2.1.2. Phương pháp nội suy đường ranh giới Hình 14 cho thấy một vùng đường ranh giới 30°. Nếu thành phần Hướng tâm từ hai vị trí trạm radar tạo thành một góc nhỏ hơn 30°, thành phần theo phương x của véc tơ dòng chảy tổng cộng được tính trong khu vực được cho là không chính xác. Vì vậy, vùng cần được lấp đầy bằng các véc tơ tổng cộng được tính bằng phép nội suy. Hình 14: Vị trí 2 trạm trong sơ đồ tổng hợp véc tơ Tại mỗi điểm với trong khu vực đường ranh giới, hai véc tơ tổng cộng gần nhất phía ngoài vùng đường ranh giới được xác định như trên hình vẽ. Thành phần x của hai véc tơ tổng cộng này được triết xuất và được coi như là điểm cuối (phần màu cam trên nền tối) nằm dọc một đường chứa các điểm lưới. Chú ý rằng trong ví dụ này có một thành phần x âm phía bên phải của vùng đường ranh giới, và một thành phần nhỏ hơn, giá trị dương phá bên trái của vùng. 22 Hình 15: Nội suy theo phương x Thành phần x của hai véc tở tổng cộng bên ngoài vùng đường ranh giới được nội suy tuyến tính qua vùng đường ranh giới, hình thành lên thành phần x được nội suy tại các nứt lưới dọc theo một đường thẳng (như trên đường cam trên hình 15). Hình 16: Tính phân tích theo hướng y 23 Thành phần song song với đường ranh giới (thành phần y) được tính từ phương pháp bình phương tối thiểu của các vận tốc hướng tâm từ hai trạm radar (hai trạm radar được đánh dấu xanh và đỏ trên hình 16). Hình 17: Tổng hợp véc tơ tổng cộng Thành phần - y được tính bằng bình phương tối thiểu và thành phần – x được kết hợp để tính các véc tơ tổng cộng nội suy. Phương thức này được thực hiện tại mỗi điểm lưới trong khu vực đường ranh giới để tạo lên các véc tơ tổng cộng nội suy được quan trắc khi phép nội suy được thực hiện dọc theo đường ranh giới. 2.2. Mô hình phân tích và dự báo vật thể trôi. 2.2.1. Giới thiệu chung Mô hình quỹ đạo La-grăng sử dụng dữ liệu dòng chảy từ hệ thống Rada HF kết hợp với dữ liệu gió được sử dụng để phân tích quỹ đạo trong quá khứ và dự báo của các vật thể. Sự thay đổi trong mô phỏng quỹ đạo được tính theo phương pháp Abascal (2009) [5]. Dựa vào phương pháp này, các thông số mô hình và sự thay đổi được ước đoán bằng giá trị trung bình của các phương pháp tối ưu và được sử dụng để tính toán xác suât phân bố của quỹ đạo của các vật thể. Đối với mỗi bộ dữ liệu 24 của vật thể trôi, mô hình quỹ đạo La- grăng được hiệu chỉnh tới mức thấp nhất các sai số với quỹ đạo thực. Kết quả của quá trình hiệu chỉnh là giá trị trung bình tốt nhất và đạt được 95% quá trình hiệu chỉnh sau mỗi bước hiệu chỉnh thông số. Một bước hiệu chỉnh cuối cùng (trên 95%) sẽ đi vào thực hiện tính toán. Việc phải thực hiện thủ tục này vì có hai lợi ích: (a) quá trình hiệu chỉnh bao gồm nguồn dữ liệu không ổn định để đưa vào các hệ số hiệu chỉnh mô hình, mô tả tối ưu nhất quỹ đạo trong quá khứ và (b) các giá trị của các hệ số có thể đưa thêm ra những thông tin liên quan đến mỗi lực (gió và dòng chảy) trong mô phỏng quỹ đạo. Mỗi quỹ đạo quá khứ được tính bằng các trung bình của phương pháp Monte Carlo sử dụng các kết quả đã đạt được trong quá trình hiệu chỉnh. Độ tin cậy đạt 95% được xác định và được sử dụng để tính toán sai số về khoảng cách giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo mô phỏng. Độ chính xác của mô phỏng được đánh giá thông qua quỹ đạo thực và quỹ đạo trung bình của các thông số thống kê. Trong phần này sẽ giới thiệu mô hình quỹ đạo La- Grăng và phương pháp hiệu chỉnh. 2.2.1. Mô hình quỹ đạo La-grăngian Mô hình được sử dụng trong mô hình kiểm soát lan truyền dầu có tên là TESEO (Abascal et al. 2009) [5]. Mô hình số này bao gồm mô đun vận chuyển và mô đun khí tượng đưa ra quá trình lan truyền dầu trong môi trường biển. Trong luận văn này tập trung vào mô đun vận chuyển để phân tích chuyển động của các vật thể trôi. Mô đun vận chuyển được khai triển từ mô hình vận chuyển La grang hai chiều. Quá trình chuyển động của vật thể được miêu tả bằng việc theo dõi một khu vực đám mây chứa các hạt tương tự như các vật thể. Vị trí của các hạt được tính toán bởi các vị trí đặc biệt trong vận chuyển gây ra do dòng chảy, gió, và khuếch tán rối. Mô hình số giải bởi phương pháp trung bình Euler theo phương trình véc tơ dưới đây: ),(),( txutxu dt xd idia    (1) 25 Trong đó ix  là vị trí hạt và au  và du  và thành phần vận tốc bình lưu và vận tốc khuếch tán theo phương ix  . Vận tốc bình lưu au  được tính dựa vào sự kết hợp tuyến tính của dòng chảy và vận tốc gió như công thức dưới: wDcCa uCuCu   (2) Trong đó cu  là vận tốc dòng chảy bề mặt, wu  là vận tốc gió tại 10 m và Cd hệ số kéo của gió Chú ý rằng phương trình (2) bao gồm một hệ số liên quan đến Cd. Thông thường trong mô hình Lagrange, phần dòng chảy bị ảnh hưởng bởi những hệ số khác. Tuy nhiên để lấy theo một thành phần không ổn định đối với số liệu quan trắc bằng radar, hệ số này sẽ được chọn để giảm thiểu sai số giữa quỹ đạo thực và quỹ đạo tính toán. Vận tốc khuếch tán rối           dd uu , (MaierReimer 1982 [7]) thay đổi theo mỗi bước thời gian t và được tính như sau: t D ud    6 (3) Trong đó D là hệ số khuếch tán có giá trị từ 1–100 m2/s (ASCE 1996) [6]. Mô phỏng quỹ đạo vật thể trôi được thực hiện bằng việc lấy trung bình quỹ đạo, mô hình có thể mô phỏng lan truyền dầu và vật thể trôi thời gian trong quá khứ và dự báo với mục đích là xác định nơi khởi nguồn hoặc vị trí dự báo. Mô hình vận chuyển Lagrange đã được hiệu chỉnh và được thực hiện khi sử dụng dữ liệu từ các phao trôi. Thêm nữa, nó đã đạt được thành công khi thử nghiệm một vài ví dụ về lan truyền dầu thực hiển bởi Văn phòng tìm kiếm cứu nạn Tây Ban Nha và tập đoàn ESEOO (Abascal et al. 2007 [4]; Sotillo et al. 2008 [10]) với hệ số D bằng 56 Để áp dụng phương trình (1), hệ số mô hình Cd và Cc phải được xác định. Giá trị của hệ số kéo của gió Cd thay đổi từ 2,5 đến 4,4% của tốc độ gió, với giá trị 26 trung bình từ 3–3.5 % (ASCE 1996) [6]. Khi gió nhẹ không có sóng đổ, 3,5% của tốc độ gió theo hướng của gió sẽ cho kết quả mô phỏng tốt của các vệt dầu và vật thể trôi vùng ngoài khơi. Hiện nay chưa có số liệu về phao trôi cho việc hiệu chỉnh các hệ số Cd và Cc lên tác giả đã áp dụng các kết quả nghiên cứu của các công trình dã được công bố trước đây vào mô hình để phân tích và dự báo vật thể trôi bằng phần mềm mô hình Codar leeway. Mặt khác phần mềm Codar Leeway chưa tích hợp trường gió vào phân tích và dự báo vật thể trôi, Vì vậy kết quả phân tích và dự báo thử nghệm dưới đây chỉ dựa trên trường dòng chảy quan trắc bằng radar biển và dự báo bằng mô hình dự báo dòng chảy ngắn hạn (STPS). Trong đó hệ số Cc = 0.787, D = 56 m2/s theo Abascal et al. (2009) [5] khi nghiên cứu phân tích quỹ đạo vật thể trôi bằng dữ liệu radar tần số cao vùng biển Tây Ban Nha. 27 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ DÒNG CHẢY VÙNG BIỂN VỊNH BẮC BỘ TỪ DỮ LIỆU RADAR BIỂN 3.1. Phân tích số liệu 3.1.1. Đánh giá số liệu quan trắc dòng chảy bằng radar biển Số liệu radar biển trong quan trắc dòng chảy tầng mặt có độ chính xác phụ thuộc vào môi trường trong phạm vi hoạt động của radar. Với môi trường bình thường sai số trung bình của vận tốc dòng chảy < 7 cm/s và hướng < 10 độ. Theo một nghiên cứu của tác giả Lee et al. (2014) [12] về đánh giá độ chính xác của số liệu radar biển khu vực biển của sông Keum (Hàn Quốc) trong hai mùa mùa đông và mùa hè với số liệu quan trắc từ máy ADCP đưa ra kết luận: Sai số trung bình quân phương của dòng chảy mùa đông < 5.4 cm/s và mùa hè < 10 cm/s. Đánh giá mức độ đầy đủ của nguồn dữ liệu quan trắc bằng radar biển tác giả đã tiến hành phân tích tính toán mật độ dữ liệu quan trắc được trong thời gian từ 05 tháng 6 năm 2012 đến tháng ngày 15 tháng 11 năm 2014 với bước thời gian 1 giờ tại 03 trạm radar và dữ liệu giao thoa của 3 trạm này. Trong đó, số lần quan trắc tại trạm Hòn Dáu là: 11.434, trạm Nghi Xuân 15.163 lần và trạm Đồng Hới là 12.540 lần. Các kết quả phân tích phân bố mật độ số liệu quan trắc dòng chảy tại 03 trạm (hình 18, 19, 20) cho thấy số liệu quan trắc dòng chảy tại 03 trạm có mật độ chưa đồng đều. Số liệu tại trạm Nghi Xuân có phân bố đồng đều nhất, mật độ trung bình 70 – 75 %, trong khi đó trạm Hòn Dáu va Nghi Xuân có mật độ số đạt được 55 – 60 %. Với các phân tích trên nhận thấy rằng các dữ liệu quan trắc dòng chảy tại 03 trạm vùng biển Vịnh Bắc Bộ trong thời gian từ năm 2011 đến nay được một bộ tương đối nhiều, có thể ứng dụng trong việc phân tích chế độ dòng chảy vùng biển Vịnh Bắc Bộ cũng như trong việc nghiên cứu phân tích và dự báo quỹ đạo trôi của vật thể. 28 Hình 18: Phân bố mật độ số liệu quan trắc dòng chảy tại trạm radar Hòn Dáu. Hình 19: Phân bố mật độ số liệu quan trắc dòng chảy tại trạm radar Nghi Xuân 29 Hình 20: Phân bố mật độ số liệu tại trạm Hình 21: Phân bố mật độ số liệu giao thoa của 3 trạm Radar 30 3.1.2. Xây dựng miền lưới tính và dữ liệu đầu vào Dựa trên phạm vi hoạt động của hệ thống trạm Radar tại vùng biển Vịnh Bắc Bộ (hình 22) và kết quả phân tích phân bố mật độ quan trắc được dữ liệu dòng chảy, độ phân giải ngang của mỗi trạm là 5.817 km. Hình 22: Phạm vi hoạt động của Radar và giới hạn miền phân tích dữ liệu Tổng hợp dữ liệu dòng chảy tổng 2 chiều chỉ thực hiện được khi có ít nhất 2 dữ liệu dòng chảy hướng tâm từ các radar trong khu vực lân cận. Căn cứ vào phạm vi hoạt động của 03 trạm Radar biển Hòn Dáu, Nghi Xuân và Đồng Hới tác giả đã xác định phạm vi để xây dựng lưới tính cho phần mềm tổng hợp dòng chảy 2 chiều với các tham số sau: 31 - Giới hạn theo vỹ tuyễn từ 17,7 N đến 21,13 N; - Giới hạn theo kinh tuyến từ 105,0 đến 108,56 E; - Tọa độ tâm lưới: 19024,6’ N; 107000’ E - Điểm lưới theo phương vĩ tuyến: 55 điểm - Điểm lưới theo phương vĩ tuyến: 63 điểm - Bước lưới: 6 km Hình 23: Sơ đồ lưới tính cho phần mềm tổng hợp dòng chảy 2 chiều Các dữ liệu đầu vào cho đầu vào: Dữ liệu đầu vào của phần mềm là các dữ liệu dòng chảy hướng tâm tại các điểm quan trắc của các trạm radar trong hệ thống bao gồm: Vị trí (kinh độ, vĩ độ, vận tốc dòng chảy, hướng dòng chảy) 32 Hình 24: Sơ đồ dòng chảy hướng tâm tại các trạm quan trắc bằng Radar biển 3.1.3. Tính toán tổng hợp dòng chảy 2 chiều Sau khi xây dựng lưới tính và chuẩn bị các dữ liệu dòng chảy hướng tâm tại 03 trạm radar, tiến hành tổng hợp và phân tích dòng chảy hai chiều trên lưới tính đã xây dựng trong thời gian từ ngày 05 tháng 6 năm 2012 đến tháng ngày 15 tháng 11 năm 2014 với bước thời gian 1 giờ. Các kết quả thu được bao gồm các file dữ liệu dòng chảy tổng hợp và phân tích 2 chiều trong thời gian nói trên để làm cơ sở cho việc tính toán dòng chảy trung bình theo các tháng vùng biển Vịnh Bắc Bộ. Dòng chảy trung bình được tính toán như sau: Trước khi tính trung bình, dòng chảy tại mỗi điểm lưới được tách thành 2 thành phần (thành phần theo hướng kinh độ và thành phần theo hướng vỹ độ) sau đó tính trung bình theo tháng của mỗi thành phần vận tốc trên từng điểm lưới. Sau khi có kết quả vận tốc dòng chảy trung 33 bình thành phần, thực hiện tổng hợp véc tơ tổng cộng theo quy tắc cộng véc tơ để tính vận tốc dòng chảy và hướng dòng chảy trung bình tại mỗi điểm lưới, công thức tính trung bình như sau: n u u n i i  1 _ (4) Trong đó: - _ u là vận tốc thành phần trung bình của từng tháng - iu là vận tốc thành phần thời gian thứ i trong mỗi tháng - n là số bước thời gian trong tháng Hình 25: Dòng chảy tổng hợp được tính toán lúc 07 giờ ngày 01 tháng 12 năm 2013 34 3.2. Kết quả tính toán, phân tích dòng chảy trung bình tháng vùng Vịnh Bắc Bộ Với bộ số liệu dòng chảy tổng

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluanvanthacsi_chuaphanloai_439_5357_1870292.pdf
Tài liệu liên quan