Kiểm nghiệm việc sử dụng mô hình MIKE 21 SW FM mô phỏng chế độ sóng biển đông

Bài viết này trình bày kết quả kiểm định mô hình MIKE 21 SW FM (phổ sóng lưới linh động) trong mô phỏng trường sóng khí hậu trên biển Đông. Việc kiểm định được thực hiện bằng việc so sánh kết quả sóng mô phỏng bởi mô hình MIKE 21 SW và số liệu sóng quan trắc tại trạm Bạch Hổ, số liệu sóng quan trắc từ các vệ tinh của tổ chức AVISO, cũng như kết quả của mô hình WAVEWATCH-III của tổ chức NCEP/NOAA. Kết quả cho thấy độ tin cậy cao của mô hình MIKE 21SW.

1. Giới thiệu chung:

Nước ta có đường bờ biển trải dài trên 3,000 km, toàn bộ nằm trong khu vực biển Đông và vùng vịnh Thái Lan. Biển đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nền kinh tế đất nước với rất nhiều các hoạt động kinh tế liên quan đến biển như đánh bắt, nuôi trồng hải sản, cảng biển và vận tải thủy, du lịch, v.v...  Bên cạnh những mặt lợi thì biển cũng là nguồn gốc của những thiên tai khôn lường. Hàng năm thường xuyên có hàng chục cơn bão đổ bộ vào nước ta gây ra tổn thất nặng nề về người và của, đặc biệt là các cơ sở hạ tầng ven biển như nhà cửa, đê kè, cầu cảng.  Để đối phó với những bất lợi do biển gây ra, việc hiểu rõ chế độ sóng gió khí hậu trên biển Đông là hết sức cần thiết. Do công tác quan trắc trên biển thường là hết sức khó khăn và chi phí rất lớn số liệu sóng gió quan trắc sóng thường rất hạn chế. Trong bối cảnh như vậy, mô hình toán là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu chế độ sóng gió trên biển. Với sự phát triển vượt bậc của khoa học tính toán trong những thập kỷ gần đây, đánh dấu bằng sự ra đời của các lý thuyết phổ sóng và các mô hình tính sóng thế hệ thứ III như WAM, WAVEWATCH-III, SWAN, MIKE 21 SW cũng như các mô hình mô phỏng khí hậu/khí tượng toàn cầu, đã cho phép việc nghiên cứu chế độ sóng gió trên biển thực hiện trên qui mô rộng và bao quát hơn cả về không gian cũng như thời gian.

Việc nghiên cứu chế động sóng gió trên biển Đông bằng mô hình toán là rất có ý nghĩa, là tiền đề cho các nghiên cứu chi tiết hơn và sâu hơn, ví dụ như biến đổi đường bờ và diễn biến hình thái các khu vực cửa sông ven biển ở nước ta. Việc sử dụng mô hình để tính toán trường sóng khí hậu trên biển Đông đã được thực hiện trong một số nghiên cứu trước, cụ thể như Chu và nnk (2004) với mô hình WAVEWATCH-III, Nguyễn Khắc Nghĩa và nnk (2009) với mô hình SWAN, Warachat và nnk (2010) với mô hình WAM. Bài báo này trình bày kết quả kiểm định mô hình MIKE 21 SW FM (phổ sóng lưới linh động) trong mô phỏng trường sóng khí hậu trên biển Đông sử dụng các số liệu sóng quan trắc cũng như kết quả của mô hình WAVEWATCH-III. 

 Hình 1. Phạm vi khu vực nghiên cứu và vị trí các điểm kiểm định mô hình

2. Phương pháp nghiên cứu và số liệu sử dụng

2.1. Phương pháp nghiên cứu

Để kiểm định mô hình MIKE21 SW tính sóng biển Đông, chúng tôi so sánh kết quả sóng mô phỏng từ mô hình này với các số liệu sóng sau: (i) Số liệu sóng thực đo tại trạm Bạch Hổ, (ii) Số liệu sóng quan trắc từ các vệ tinh của tổ chức AVISO của Pháp, và (iii) Kết quả mô phỏng sóng bằng mô hình WAVEWATCH-III của tổ chức NCEP/NOAA của Mỹ.

2.2. Số liệu sử dụng

+ Tài liệu địa hìnhTrong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng tài liệu địa hình SRTM30_PLUS V6.0 của Viện Hải dương học Scripps thuộc đại học California, Mỹ. Đây là bộ số liệu có độ phân giải 30″ × 30″, được xây dựng từ mô hình vệ tinh-trọng lực (satellite-gravity model) trong đó hệ số chuyển đổi trọng lực qua cao độ (gravity-to-topography ratio) được hiệu chỉnh bằng 298 triệu điểm đo sâu hồi âm. Ngoài ra, tại các khu vực ven bờ biển khu vực Nam Bộ từ Vũng Tàu đến Hà Tiên, chúng tôi sử dụng số liệu tổng hợp từ nhiều nguồn như: bình đồ 1:10,000 khu vực cửa Gành Hào, các cửa sông Hậu và sông Tiền, cửa Soài Rạp và vịnh Gành Rái khảo sát năm 2009 và 2010, bình đồ 1:5,000 ven biển Gò Công khảo sát năm 2010, địa hình số hóa từ bản đồ 1: 100,000 do Hải quân xuất bản năm 1982.  

+ Số liệu trường gió

Số liệu trường gió là thông số đầu vào quan trọng nhất đối với mô hình tính toán sóng. Số liệu trường gió nền sử dụng trong nghiên cứu này được trích từ kết quả mô hình khí hậu toàn cầu CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) của Trung tâm dự báo môi trường thuộc Cơ quan quản lý đại dương và khí quyển Mỹ (NCEP/NOAA). Đây là kết quả trường gió thu được từ mô phỏng “phân tích lại” (reanalysis) bao gồm việc hiệu chỉnh mô hình sử dụng các số liệu thực đo từ các hệ thống các trạm quan trắc hải văn toàn cầu nên có độ tin cậy cao. Số liệu trường gió này có từ 1979 ÷ 2009 với bước thời gian là 1 giờ và bước lưới là 0.312o × 0.312o. Đây là bộ số liệu rất tốt phục vụ nghiên cứu khí hậu sóng gió. 

+ Số liệu trường sóng

Số liệu sóng và gió quan trắc tại giàn khoan Bạch Hổ năm 1996 được thu thập phục vụ mục đích kiểm chứng mô hình, trong đó số liệu gió để kiểm tra độ tin cậy của số liệu gió trích xuất từ mô hình CFSR còn số liệu sóng được dùng để kiểm định mô hình MIKE21 SW.

Số liệu sóng quan trắc từ vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp bởi tổ chức AVISO của Pháp. Cụ thể số liệu được sử dụng là bộ sản phẩm trường sóng Ssalto/Duacs được tổng hợp từ số liệu quan trắc của rất nhiều vệ tinh như Jason-1 và -2, Topex/Poseidon, Envisat, GFO, ERS-1 và- 2, và Geosat. Số liệu này chỉ bao gồm chiều cao sóng có nghĩa, có bước thời gian là 1 ngày, bước lưới khá thô 1o × 1o, và hiện sẵn có từ 14/9/2009 đến nay. 

Kết quả sóng mô phỏng của mô hình WAVEWATCH-III sử dụng để so sánh với kết quả mô hình MIKE21 SW cũng được cung cấp bởi NCEP/NOAA. Số liệu này bao gồm các yếu tố như chiều cao sóng có nghĩa, chu kỳ sóng cực đại, và hướng sóng chính trung bình. Số liệu có bước thời gian là 3 giờ, bước lưới 0.5o × 0.5o, hiện sẵn có từ 2005 đến nay. 

3. Kết quả kiểm định mô hình

3.1. Kiểm định bằng số liệu thực đo trạm Bạch Hổ

Hình 2 trình bày so sánh giữa số liệu gió năm 1996 trích xuất từ mô hình CFSR với số liệu gió quan trắc tại giàn khoan Bạch Hổ. Kết quả cho thấy sự phù hợp khá cao giữa kết quả mô hình và số liệu thực đo trong hầu hết thời gian so sánh. Kể cả những thời điểm có sự khác biệt về độ lớn tốc độ gió trong khoảng 3 tháng cuối năm thì mô hình CFSR cũng mô phỏng khá tốt xu thế diễn biến của gió.

Kết quả so sánh giữa chiều cao và hướng sóng truyền tính toán bằng mô hình MIKE21 SW với số liệu sóng thực đo tại giàn khoan Bạch Hổ được thể hiện trên hình 3 và 4. Có thể thấy kết quả tính toán của mô hình phù hợp rất tốt với số liệu thực đo. Kết quả cũng cho thấy mối tương quan chặt chẽ giữa các yếu tố sóng và gió. Tại những thời điểm có sai khác giữa số liệu gió mô phỏng và thực đo thì tương ứng sẽ có sự sai khác giữa sóng tính toán bằng mô hình và số liệu quan trắc.

  Hình 2. So sánh số liệu gió trích xuất từ mô hình CFSR  với số liệu gió quan trắc tại trạm Bạch Hổ năm 1996

Hình 3. So sánh kết quả chiều cao sóng mô phỏng bằng mô hình MIKE21 SW  với số liệu sóng quan trắc tại trạm Bạch Hổ năm 1996

Hình 4. So sánh kết quả hướng sóng mô phỏng bằng mô hình MIKE21 SW  với số liệu hướng sóng quan trắc tại trạm Bạch Hổ năm 1996

3.2. Kiểm định bằng số liệu sóng quan trắc từ vệ tinh và kết quả mô hình WAVEWATCH-III

+ Tại các điểm kiểm định

Việc kiểm định được thực hiện bằng cách so sánh kết quả các yếu tố sóng tính toán bằng mô hình MIKE21 SW với kết quả của mô hình WAVEWATCH-III cũng như số liệu sóng quan trắc từ vệ tinh AVISO tại các điểm kiểm định (P1-P3, Bạch Hổ, và P5-P8, xem hình 1) trong khoảng thời gian từ tháng 10/2009 ÷ 12/2009. Vị trí các điểm kiểm định được lựa chọn nhằm đảm bảo tính đại diện về không gian trên toàn vùng biển nghiên cứu. Trong khoảng thời gian mô phỏng có 2 cơn bão hoạt động trên biển Đông: (1) Cơn bão PARMA hoạt động từ ngày 03/10 ÷ 14/10/2009, đây là cơn bão có diễn biến phức tạp, trước khi đổ bộ vào biển Đông bão đạt cấp 17, nhưng sau suy yếu dần xuống cấp 7; (2) Cơn bão MIRINAE hoạt động từ ngày 31/10 ÷ 02/11/2009, sức gió lớn nhất vùng gần tâm bão là khoảng 23 m/s (cấp 9).

Kết quả cho thấy sự tương đồng cao giữa diễn biến sóng mô phỏng bởi MIKE21 SW, WAVEWATCH-III và số liệu quan trắc từ vệ tinh trên hầu hết các điểm. Mức độ tương đồng cao nhất là tại các điểm P1, P2 là những điểm nằm trong khu vực ít chịu ảnh hưởng của nhiễu động thời tiết do bão nhiệt đới trên biển Đông gây ra. Kết quả cũng cho thấy số liệu chiều cao sóng quan trắc từ vệ tinh nhỏ hơn nhiều so với chiều cao sóng mong đợi tại các thời điểm có bão, cụ thể như thời gian đầu tháng 11/2009 khi cơn bão MIRINAE với sức gió lên tới cấp 9 hoạt động nhưng chiều cao sóng quan trắc bằng vệ tinh chỉ đạt 4.0 m tại các điểm chịu ảnh hưởng trực tiếp là P6, P7, và P8. Chính vì thế nên sự khác biệt giữa mô hình và số liệu quan trắc từ vệ tinh là lớn nhất tại các thời gian có bão hoạt động nói trên. Một điểm cần lưu ý thêm là số liệu trường gió nền từ mô hình CFSR chưa mô tả được trường gió trong các cơn bão, thường là thiên nhỏ. Chính vì vậy, khi mô phỏng trường sóng trong bão thì  trường gió và trường áp suất khí quyển vùng ảnh hưởng bão thường được xây dựng theo phương pháp lý thuyết riêng (Đinh Văn Mạnh, 2008;  Vũ Thị Thu Thủy, 2004; DHI, 2007b).

Kết quả so sánh chu kỳ và hướng sóng cực đại tính toán giữa mô hình MIKE21 SW và WAVEWATCH-III trên hình 5 và 6 cũng cho thấy sự tương đồng cao giữa kết quả dự báo của hai mô hình.

+ Trường sóng trên toàn miền tính toán

Việc kiểm định mô hình MIKE21 SW còn được thực hiện bằng cách so sánh trường sóng tính toán và trường sóng quan trắc từ vệ tinh cũng như trường sóng mô phỏng bằng mô hình WAVEWATCH-III trên toàn bộ phạm vi tính toán của mô hình. Hình 7 so sánh các đường đồng mức chiều cao sóng xây dựng từ kết quả tính toán bằng mô hình MIKE21 SW (đường nét liền) và số liệu quan trắc từ vệ tinh (đường nét đứt) tại thời điểm 12h ngày 12/10/2009, thời điểm có bão PARMA hoạt động. Do độ phân giải của hai số liệu là rất khác nhau, cụ thể là số liệu tính toán từ mô hình MIKE21 SW là mau hơn nhiều so với số liệu sóng vệ tinh, nên sự sai khác giữa các đường đồng mức là không tránh khỏi. Kết quả cũng đã xác nhận lại nhận định trên, tuy nhiên vẫn có thể thấy sự khá phù hợp về phân bố trường sóng không gian giữa hai số liệu. Một lần nữa lại cho thấy tại vùng gần tâm bão,  mô hình cho kết quả chiều cao sóng lớn hơn số liệu quan trắc từ vệ tinh.

Hình 9 cũng cho thấy sự tương đồng cao giữa phân bố trường sóng dự báo bởi mô hình MIKE21 SW và mô hình WAVEWATCH-III

Hình 5. So sánh kết quả chiều cao sóng có nghĩa của mô hình MIKE21 SW với số liệu sóng AVISO và kết quả của mô hình WAVEWATCH-III tại các điểm kiểm định

Hình 6. So sánh kết quả chu kỳ sóng cực đại của mô hình MIKE21 SW với số liệu sóng AVISO và kết quả của mô hình WAVEWATCH-III tại các điểm kiểm định

Hình 7. So sánh kết quả hướng của sóng cực đại  tính toán bằng mô hình MIKE21 SW với kết quả của mô hình WAVEWATCH-III tại các điểm kiểm định

Hình 8. So sánh đường đồng mức chiều cao sóng tính toán bằng mô hình MIKE21 SW với số liệu quan trắc từ vệ tinh tại thời điểm 12h ngày 10/10/2009

   Hình 9. So sánh đường đồng mức chiều cao sóng tính toán bằng mô hình MIKE21 SW với kết quả mô hình WAVEWATCH-III tại thời điểm 18h ngày 11/10/2009

4. Kết luận

Mô hình vùng tính sóng cho toàn biển Đông đã được hiệu chỉnh và kiểm định bằng số liệu thực đo tại trạm Bạch Hổ, số liệu sóng quan trắc từ vệ tinh cũng như kết quả của mô hình WAVEWATCH-III. Kết quả phân tích cho thấy mô hình MIKE 21 SW mô phỏng khá tốt trường sóng khí hậu trên biển Đông so với số liệu thực đo tại trạm Bạch Hổ cũng như số liệu sóng quan trắc từ các vệ tinh. Kết quả hồi tính các đặc trưng sóng (chiều cao sóng có nghĩa Hs, chu kỳ sóng cực đại Tp, hướng sóng cực đại Dp) bằng MIKE 21 SW cũng phù hợp cao với kết quả của mô hình WAVEWATCH-III. Qua nghiên cứu này chúng ta cũng thấy rõ là số liệu gió đầu vào là tác động ngoại sinh chính (tiềm ẩn những yếu tố không chắc chắn) quyết định mức độ chính xác của kết quả sóng mô phỏng.

Tài liệu tham khảo

[1]. Chu P. C., Qi Y., Chen Y., Shi P., and Mao Q., 2004. South China Sea wind-wave characteristics. Part I: Validation of WAVEWATCH-III using TOPEX/Poseidon data. Journal of Atmospheric and Oceanic Tecnology, 21, pp 1718 – 1733.

[2]. DHI, 2007a. MIKE 21 Spectral Wave Module: Scientific Documentation.

[3]. DHI, 2007b. MIKE 21 Toolbox userguide: Generating Cyclone Wind Fields.

[4]. Đinh Văn Mạnh, 2008. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu để cập nhật, chi tiết hóa bộ số liệu cơ bản về triều, nước dâng dọc bờ biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam phục vụ tính toán thiết kế, củng cố nâng cấp đê biển”, Viện Cơ Học, Viện Khoa học Việt Nam.

[5]. Nguyễn Khắc Nghĩa, 2009. Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ “Xác định chiều cao sóng trong tính toán thiết kế đê biển từ Quảng Ninh đến Quảng Nam”, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam.

[6]. Vũ Thị Thu Thủy, 2003. Storm surge modelling for Vietnam’s coast. Master of Science thesis, International Institute for Infrastural Hydraulic and Environmental Engineering, Delft, Netherland.

[7]. Worachat W., Humphries U. W., Wongwise P., Suphat V., and Wiriya L., 2010. Numerical analysis of wave and hydrodynamic models for energy balance and primitive equations. International Journal of Computational Mathematical Science, 4 (8), pp. 365 – 375. 

Tác giả: PGS.TS. Lê Mạnh Hùng, PGS.TS. Tăng Đức Thắng, TS. Nguyễn Duy Khang
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Tạp chí KH&CN Thủy lợi