MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Các yếu tố hải văn nói chung và sóng biển nói riêng có tác động mạnh đến các công trình trên và ven biển, các phương tiện giao thông đường biển, các hoạt động kinh tế trên biển. Chính vì vậy từ lâu sóng biển đã được nghiên cứu trên nhiều phương diện khác nhau. Kiến thức và dữ liệu đã tích lũy được về sóng biển ngày càng phong phú và chi tiết.
Trong nghiệp vụ tính toán, dự báo sóng biển, đóng góp lớn nhất và hiệu quả nhất là việc ứng dụng công nghệ, kỹ thuật hiện đại để giải bằng phương pháp số các mô hình động lực sóng biển và quản lý dữ liệu đầu vào và đầu ra. Ngày nay, phương pháp này được đánh giá là hiệu quả, tin cậy và ổn định. Phương pháp này đã thay thế phương pháp Synop và phương pháp kinh nghiệm trong dự báo sóng biển, các phương pháp này đang được dùng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tính toán dự báo sóng bằng mô hình số trị đã được thực hiện ở nhiều cơ quan, đơn vị, viện nghiên cứu, trường đại học.
và tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, kết quả dự báo sóng bằng mô hình số trị WAM, SWAN được sử dụng vào dự báo hằng ngày. Tuy nhiên, các nghiên cứu và ứng dụng này mới chỉ tập trung vào việc sử dụng các công cụ mô hình toán hiện đại được hiệu chỉnh và kiểm định trong một thời đoạn nhất định và đưa ra các mô phỏng phù hợp với thời điểm đó mà chưa quan tâm nhiều tới việc sử dụng các số liệu vệ tinh, số liệu từ ra đa kết hợp với các số liệu quan trắc có được tại các vị trí khác nhau trên toàn miền tính để đưa vào đồng hoá số liệu nhằm nâng cao độ tin cậy dự báo sóng bằng mô hình số trị, cũng như trong công tác tái phân tích nhằm có được bộ số liệu chi tiết và chính xác hơn. Hơn nữa, việc hiệu chỉnh và kiểm định số liệu mới chỉ được áp dụng đối với một vài chuỗi số liệu nên chưa bảo đảm lựa chọn được bộ tham số phù hợp nhất. Việc hiệu chỉnh cũng chủ yếu được thực hiện thủ công và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện.
Vì vậy cần có một công cụ hữu ích hơn nhằm hiệu chỉnh và kiểm định các tham số mô hình một cách bài bản, khoa học và được thực hiện đồng thời với nhiều loại số liệu nhằm tìm bộ tham số phù hợp nhất phục vụ tốt hơn việc tính toán dự báo. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Các nghiên cứu về quy trình tính toán và dự báo sóng có tính đến các phương pháp đồng hoá số liệu khác nhau đã được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và mang lại kết quả khả quan. Trong khi đó, vấn đề đồng hoá số liệu vẫn còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Bên cạnh đó, các nghiên cứu xác định các tham số trong đồng hoá số liệu cũng còn khá sơ xài chưa có đánh giá chi tiết, cụ thể đối với từng tham số.
Xuất phát từ những lý do đã nêu trên, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đồng hoá số liệu phục vụ mô hình dự báo sóng” sẽ góp phần vào việc gia tăng độ chính xác trong công tác tính toán, dự báo sóng biển ở Việt Nam. Luận điểm bảo vệ của luận án 1. Bằng việc áp dụng phương pháp hiệu chỉnh mô hình tự động SWAN-CI trong khu vực Biển Đông đã đưa ra được bộ tham số powk - tỉ lệ giữa số sóng thông thường với số sóng trung bình và tham số cutfr - tỉ lệ giữa tần số sóng cực đại và tần số sóng trung bình ít ảnh hưởng đến kết quả tính toán còn các tham số CDS2 - tốc độ tiêu tán sóng do sóng bạc đầu và tham số powst - tỉ lệ giữa độ dốc phổ sóng thông thường với độ dốc phổ sóng Pierson-Moskowitz lại có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng SWAN-CI là công cụ hiện đại và hữu ích không chỉ nâng cao hiệu quả trong việc lựa chọn tham số cho mô hình SWAN một cách khách quan mà còn làm giảm sai số tính toán và cải thiện được chất lượng dự báo.
Chất lượng dự báo sóng không chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn tham số của mô hình mà còn chịu tác động của các điều kiện biên, điều kiện ban đầu đưa vào mô hình và các tham số đồng hoá số liệu của phương pháp lọc Kalman tổ hợp (EnKF). Bằng việc áp dụng phương pháp lọc Kalman tổ hợp và mô hình sóng SWAN ở khu vực Biển Đông cho nhiều loại số liệu quan trắc, đo đạc từ nhiều nguồn khác nhau đã đưa ra được bộ các tham số tốt nhất trong đồng hoá số liệu không chỉ làm giảm sai số tính toán trong giai đoạn đồng hoá số liệu mà còn làm tăng độ chính xác của dự báo trong khoảng từ 1 đến 24 giờ cũng như tiếp tục ảnh hưởng đến kết quả dự báo trong khoảng từ 25 đến 48 giờ. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là việc ứng dụng phương pháp hiệu chỉnh mô hình tự động, phương pháp đồng hóa số liệu vào mô hình dự báo sóng và ứng dụng thử nghiệm cho khu vực Biển Đông.
Phạm vi nghiên cứu: phạm vi không gian nghiên cứu của luận án là khu vực Biển Đông và chi tiết cho vùng biển Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp SWAN-CI và lọc Kalman tổ hợp (EnKF) và mô hình sóng SWAN nhằm làm giảm sai số của mô hình trong tính toán tái phân tích số liệu cũng như gia tăng độ chính xác trong tính toán dự báo sóng biển. Những đóng góp mới của luận án 1. Đóng góp thứ nhất của luận án: đã đề xuất được dải giá trị các tham số chung và các giá trị cụ thể cho các tham số này đối với các loại số liệu khác nhau cho mô hình SWAN ở khu vực Biển Đông.
Các kết quả cũng cho thấy SWAN-CI có thể hiệu chỉnh đồng thời nhiều tham số mô hình với nhiều loại số liệu khác nhau trên khu vực Biển Đông hiệu quả và tin cậy. Đóng góp thứ hai của luận án: đã lựa chọn và thử nghiệm thành công phương pháp lọc Kalman tổ hợp kết hợp với mô hình SWAN và đưa ra được bộ tham số đồng hoá số liệu nhằm cập nhật lại điều kiện ban đầu và các điều kiện biên thông qua đánh giá khách quan trường sóng tính toán và số liệu quan trắc. Kết quả cho thấy chất lượng tính toán được cải thiện trong giai đoạn đồng hoá số liệu phục vụ tốt hơn công tác tính toán tái phân tích trường sóng. Bên cạnh đó việc đồng hoá số liệu còn làm tăng độ chính xác của dự báo trong khoảng từ 1 đến 24 giờ cũng như tiếp tục cải thiện được kết quả dự báo trong khoảng từ 25 đến 48 giờ so với dự báo thông thường.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Kết quả của luận án đã góp phần bổ sung và hoàn thiện quy trình tính toán dự báo sóng. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của luận án được áp dụng để nâng cao chất lượng tính toán tái phân tích trường sóng và nâng cao chất lượng dự báo sóng cho khu vực Biển Đông và chi tiết cho vùng biển Việt Nam. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cấu trúc của luận án Ngoài lời cam đoan, lời cảm ơn, danh sách các từ viết tắt, bảng biểu, hình vẽ, mục lục, tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận án bao gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu tính toán, dự báo sóng trên thế giới và việc nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam cũng như tình hình nghiên cứu, áp dụng phương pháp đồng hoá số liệu trên thế giới và ở Việt Nam.
Chƣơng 2: Mô tả sơ lược lịch sử phát triển đồng hoá số liệu, mô tả sơ bộ các phương pháp đồng hoá số liệu theo từng nhóm phương pháp, giới thiệu sơ bộ về mô hình tính toán sóng SWAN, hệ thống phần mềm OpenDA và đưa ra các chỉ số để đánh giá sai số giữa kết quả tính toán và số liệu thực đo. Chƣơng 3: Trình vày về các số liệu đã được thu thập và xử lý nhằm phục vụ cho luận án, thiết lập mô hình nhằm mô phỏng trường sóng Biển Đông, nghiên cứu lựa chọn các tham số trong mô hình SWAN và các tham số đồng hoá số liệu cho phương pháp lọc Kalman tổ hợp trong OpenDA và tính toán thử nghiệm đối với các số liệu từ trạm phao, số liệu ra đa biển, số liệu đo đạc tại trạm MSP1 và số liệu vệ tinh qua đó đánh giá được tác động của việc hiệu chỉnh cũng như đồng hoá số liệu đến kết quả tính toán tái phân tích cũng như đến việc dự báo sóng trong 24 giờ và trong 48 giờ. Kết luận – Kiến nghị: Tóm tắt lại các kết quả chính đã đạt được trong luận án, trình bày các điểm mới, các nội dung còn tồn tại trong luận án nhằm kiến nghị về khả năng áp dụng các kết quả của luận án trong thực tế cũng như các nội dung cần tiếp tục được triển khai và nghiên cứu tiếp. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1.
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SÓNG VÀ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU 1. Tổng quan về việc nghiên cứu tính toán và dự báo sóng 1. Các nghiên cứu trên thế giới Sóng biển là một trong những yếu tố hải văn có tác động mạnh đến các công trình trên và ven biển, các phương tiện giao thông đường biển, các hoạt động kinh tế trên biển. Đã có nhiều thống kê về các thiệt hại do sóng gây ra đối với người và của.
Chính vì vậy, sóng biển đã được nghiên cứu trên nhiều phương diện khác nhau. Kiến thức và dữ liệu đã tích lũy được về sóng biển là vô cùng to lớn. Từ năm 1947 việc nghiên cứu dự báo sóng gió đã được Sverdrup và Munk [58] thực hiện. Các tác giả này đã xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa các đặc trưng của gió và sóng để dự báo điều kiện sóng trong đó chủ yếu nhằm dự báo độ cao và chu kỳ sóng.
Đến năm 1955, Pierson và nnk [53] trình bày phương pháp phân tích phổ để mô phỏng sóng biển hiệu quả và thuận tiện hơn dựa trên việc chồng chập một số sóng điều hòa ngẫu nhiên.