Dự báo dao động không tuần hoàn của mực nước

Biến thiên mực nước trong biển xảy ra dưới tác động của những nhân tố chủ yếu sau: các lực tạo triều, dòng nước sông, bốc hơi, mưa, áp suất khí quyển và gió. Dự báo biến thiên của mực nước biển chủ yếu thực hiện cho những vùng gân bờ và các cảng biển. Trong trường hợp đó những nhân tố như địa hình đáy biển, hình dạng của đường bờ gần điểm cần dự báo là những đặc điểm quan trọng quyết định sự biến thiên mực nước dưới tác dụng của các lực.

Trong tự nhiên hệ thống chuyển động phức tạp của các khối nước thường do kết quả tác động của tất cả những yếu tố đó. Các dao động tuần hoàn (thủy triều) đã được nghiên cứu khá kỹ và việc dự báo chúng quy về việc lập các bảng thuỷ triều.

Ở trình độ hiện nay, nhiều mô hình thủy động số trị giải bài toán tính và dự báo nước dâng trong gió mạnh và trong bão đã được xây dựng và triển khai và kết quả thử nghiệm tỏ ra rất hiệu quả. Trong chương này chỉ xét những dự báo dao động mực nước dựa trên các phương pháp thống kê đã được sử dụng phổ biến trong nghiệp vụ các cơ quan dự báo thủy văn biển.

Nếu trong biển quan trắc được những dao động tuần hoàn và không tuần hoàn của mực nước thì nhiệm vụ của người nghiên cứu dự báo là phải tách riêng được phần tuần hoàn và phần không tuần hoàn. Bài toán này được giải quyết theo những cách khác nhau. Trường hợp đơn giản nhất là có số liệu tính toán về dao động tuần hoàn của mực nước và bài toán quy về tìm hiệu giữa mực nước tổng cộng Ht size 12{H rSub { size 8{t} } } {}và phần tuần hoàn Hth size 12{H rSub { size 8{ ital "th"} } } {} để tách được phần không tuần hoàn Hkth size 12{H rSub { size 8{ ital "kth"} } } {}:

Ht−Hth=Hkth size 12{H rSub { size 8{t} } - H rSub { size 8{ ital "th"} } =H rSub { size 8{ ital "kth"} } } {}.

Đại lượng dao động không tuần hoàn cũng có thể nhận bằng cách: trên đường cong dao động tổng cộng của mực nước (hình 6.1), bằng phương pháp đồ thị, nối các điểm giữa đoạn nối nước ròng và nước lớn để nhận một đường cong là trơn hơn và đó cũng là đường cong dao động không tuần hoàn của mực nước cần nhận. Khi không có các dao động không tuần hoàn thì đường cong này trùng hợp với mực nước trung bình.

Mực nước trung bình xác định bằng cách lấy trung bình các số đo trên thước đo nước hay băng triều ký trong khoảng thời gian dài. Tùy từng bài toán cần giải quyết, người ta có thể tính mực nước trung bình ngày, trung bình tháng, trung bình mùa, năm hay nhiều năm.

Loại dao động tuần hoàn từ mực nước tổng cộng

Những dao động tuần hoàn của mực nước có thể có quy mô ngắn hạn (từ một giờ đến vài ngày), quy mô mùa và nhiều năm.

Dao động dâng rút không tuần hoàn của mực nước thể hiện mạnh nhất ở các vùng ven bờ. Ở một số nơi nước dâng rút mạnh có thể gây nên những khó khăn to lớn cho việc đi lại của tàu thuyền và những tổn thất kinh tế khác.

Trong nhiều trường hợp việc phân tích sự dâng rút mực nước trong trường gió tại các bờ đối diện cho phép kết luận về những hướng gió chủ yếu quyết định biến động mực nước tại mỗi vùng bờ. Dạng tường minh nhất để thực hiện việc này là dựng những đường cong biến thiên mực nước có kèm theo những mũi tên chỉ hướng và cường độ gió tương tự như hình 6.2.

Được biết rằng do dòng chảy gió mà các khối nước di chuyển từ vùng này tới vùng khác. Khi kích thước thủy vực không lớn và trong điều kiện gió mạnh, ổn định thì ở bờ đón gió quan trắc thấy nước dâng, ở bờ khuất gió - nước rút. Gió là một trong những nguyên nhân chính của các dao động không tuần hoàn của mực nước biển. Khi xét ảnh hưởng của gió lên dao động dâng rút mực nước cần tính tới hướng, tốc độ và thời gian tác động của gió.

Bài toán xác định hướng gió nước rút và hướng gió nước dâng có thể giải quyết bằng cách tính độ lặp lại của nước rút và nước dâng với những hướng gió khác nhau. Thí dụ, đối với một vùng bờ nào đó nếu ta lập được bảng tần suất (độ lặp lại) của nước rút theo các hướng gió như sau:

thì có thể kết luận chắc chắn rằng các hướng gió chủ yếu gây nên nước rút tại vùng đang xét là gió tây tây bắc và gió tây bắc sau đó là gió tây; các hướng gió khác không gây rút nước.

Khi phân tích các hiện tượng dâng rút mực nước cần chú ý đến ảnh hưởng của thời gian hoạt động của gió với vận tốc khác nhau. Trường gió gây nên biến đổi mực nước ở các vùng bờ thông qua dòng chảy vận chuyển nước tới điểm cần dự báo. Được biết các gió cường độ trung bình cần một khoảng thời gian cỡ một hai ngày để hình thành nên trường dòng chảy ổn định. Những gió có thể mạnh, nhưng tác động tức thời không kéo dài thường không gây nên những biến đổi mực nước một cách đáng kể. Trong khi đó gió cường độ không quá lớn, nhưng hoạt động ổn định với thời gian dài có thể gây biến đổi mực nước đáng kể.

Một trong những phương pháp dự báo ngắn hạn biến đổi mực nước là phương pháp dựa trên việc tính tới tác động của gió thông quan trường khí áp đặc trưng bởi hiệu số áp suất khí quyển ở hai trạm. Hiệu số này thường được gọi là građien khí áp hiệu dụng.

Người ta thường phân tích các bản đồ synop để suy xét về tác động của các tình thế synop tới sự dâng hay rút nước. Phải định ra các nhóm trường nước dâng cao hay thấp, nghiên cứu đặc điểm của trường khí áp trong cùng thời kỳ để thiết lập được sự phân bố điển hình của các đường đẳng khí áp trong thời gian trước khi và trong khi xảy ra dâng nước hoặc rút nước.

Để có được đặc trưng số của trường khí áp người ta thường tính hiệu áp suất không khí giữa hai trạm cách nhau đủ xa, hiệu này gọi là građien hiệu dụng. Tuỳ hình dạng và đặc điểm vùng bờ cần dự báo người ta có thể tính một hoặc nhiều građien hiệu dụng (hình 6.3).

Khi xây dựng đồ thị biến đổi của građien khí áp và mực nước có thể tìm được sự lệch pha trong hai quá trình và sự lệch pha đó dùng làm thời gian báo trước của dự báo.

Bước tiếp theo là xây dựng mối phụ thuộc của độ cao mực nước dâng hay rút vào giá trị của các graddien hiệu dụng. Dạng tổng quát của các mối phụ thuộc dự báo như sau:

H=f(H0,G0), size 12{H=f ( H rSub { size 8{0} } ,G rSub { size 8{0} } ) ,} {} (6.1)

trong đó H− size 12{H - {}} {} mực nước dự báo, H0− size 12{H rSub { size 8{0} } - {}} {} mực nước tại thời điểm lập dự báo, G0− size 12{G rSub { size 8{0} } - {}} {} građien áp suất tại thời điểm lập dự báo.

Những mối phụ thuộc dạng này được xây dựng cho nhiều nơi. Thời gian báo trước thường bằng 6-12 giờ. Với thời gian báo trước này thì nói chung độ đảm bảo của dự báo khá cao.

Nhược điểm của phụ thuộc dạng (6.1) là các hệ số bằng số trong các biểu thức đối với pha nước dâng và pha nước rút thường khác nhau. Vì vậy phải tìm những biểu thức dự báo cho riêng từng pha nước dâng hoặc pha nước rút. Tuy nhiên trong thực hành dự báo không thể biết được khi nào thì dùng mối phụ thuộc của pha nước dâng, khi nào thì dùng mối phụ thuộc của pha nước rút, đặc biệt là ở những thời điểm chuyển pha.

Trường hợp tính một (a) và hai (b) građien hiệu dụng tuỳ hình dạng đường bờ

trong nhiều trường hợp độ biến đổi của građien khí áp theo thời gian có thể là chỉ số của sự biến đổi tiếp theo của quá trình mực nước.

Nếu tính tới đặc điểm vừa nêu thì phương trình dự báo mực nước có thể biểu diễn dưới dạng

Hn=f(Hn−1,ΔGn−1,n), size 12{H rSub { size 8{n} } =f ( H rSub { size 8{n - 1} } ,ΔG rSub { size 8{n - 1,n} } ) ,} {} (6.2)

trong đó Hn− size 12{H rSub { size 8{n} } - {}} {} mực nước dự báo, Hn−1− size 12{H rSub { size 8{n - 1} } - {}} {} mực nước tại thời điểm lập dự báo, ΔGn−1,n=Gn−1−Gn(Gn−1− size 12{ΔG rSub { size 8{n - 1,n} } =G rSub { size 8{n - 1} } - G rSub { size 8{n} } " " ( G rSub { size 8{n - 1} } - {}} {} građien khí áp tại thời điểm lập dự báo, Gn− size 12{G rSub { size 8{n} } - {}} {} građien khí áp tại thời điểm n, lấy theo bản đồ synop dự báo).