Chương 5 Các đặc trưng của sóng do gió tạo ra

Ch−¬ng 5 C¸C §ÆC TR¦NG CñA SãNG DO GIã T¹O RA 5.1 C¬ chÕ t¹o sãng do giã 5.1.1 Profile vËn tèc giã vµ øng suÊt giã trªn mÆt biÓn kh¬i Lo¹i trõ mét sè rÊt Ýt lo¹i sãng g©y ra do c¸c nguyªn nh©n kh¸c (nh− do tµu thuyÒn ®i qua v.v...) th× sãng biÓn lµ do giã t¹o ra. Giã t¸c ®éng lªn mÆt n−íc mét øng suÊt nhÊt ®Þnh. øng suÊt nµy th«ng th−êng ®−îc ®¹i diÖn b»ng vËn tèc ma s¸t. VËn tèc giã trªn mÆt biÓn th−êng ®−îc biÓu diÔn b»ng mét chØ sè lµ ®é cao ®o vËn tèc giã tÝnh b»ng m tõ mùc n−íc biÓn (MWL) . ThÝ dô, biÓu thÞ vËn tèc giã t¹i ®é cao 10 m trªn mùc n−íc biÓn. Gi¸ trÞ vËn tèc giã nµy th−êng ®−îc chÊp nhËn ®Ó sö dông cho hÇu hÕt c¸c ho¹t ®éng trªn biÓn. Mét gi¸ trÞ rÊt th«ng dông cña vËn tèc giã lµ gi¸ trÞ t¹i ®é cao 19,5m, bëi v× nhiÒu m¸y ®o vËn tèc giã trªn c¸c tµu lín ®−îc ®Æt ë ®é cao nµy. Tèc ®é giã cã thÓ ®−îc ®o b»ng m/s, km/h, dÆm/giê, hay knots (h¶i lý trªn giê). C¸c gi¸ trÞ nµy liªn hÖ víi nhau nh− sau: 1 m/s = 3.6 km/h = 2.24 dÆm/h = 1.94 knots Profile tèc ®é giã trªn biÓn kh¬i ®−îc Pierson (1964) chÊp nhËn lµ tèc ®é giã do Sheppard (1958) ®Ò nghÞ cho c¸c ®iÒu kiÖn cña biÓn kh¬i lµ ( ) kyCUU y /10/ln1/ 2/11010 += (5.1) víi lµ vËn tèc giã t¹i ®é cao y trªn mÆt biÓn, lµ mét hÖ sè trë kh¸ng phô thuéc vµo vËn tèc giã, vµ k lµ h»ng sè von Karman (= 0.4). øng suÊt giã t¸c ®éng lªn bÒ mÆt n−íc ®−îc cho nh− sau: yU 10C 2 *uaρτ = (5.2) víi aρ lµ mËt ®é kh«ng khÝ vµ u lµ vËn tèc ma s¸t gÇn mÆt n−íc. øng suÊt nµy cßn cã thÓ ®−îc biÓu thÞ nh− sau: * 2 yya UCρτ = (5.3) víi lµ hÖ sè trë kh¸ng, biÕn ®æi theo vËn tèc giã. øng suÊt nµy bÞ ¶nh h−ëng bëi ®é ghå ghÒ cña mÆt n−íc do sãng g©y ra. yC 52 Gi¸ trÞ cña hÖ sè nh− trong ph−¬ng tr×nh (5.1) ®· ®−îc Sheppard (1958) vµ Wilson (1960) rót ra, vµ ®−îc Wu (1969) tæng kÕt l¹i. Silvester (1974a) ®· dïng mét sè kÕt qu¶ ®Ó vÏ ®å thÞ vµ ®Ò nghÞ mét mèi liªn hÖ sau: 10C 2/1 1010 00065.0 UC = (5.4) ®èi víi nhá h¬n 15 m/s vµ mét gi¸ trÞ kh«ng ®æi = 0.0024 víi lín h¬n hoÆc b»ng 15 m/s. ThÕ vµo ph−¬ng tr×nh (5.1) cho ta c¸c gi¸ trÞ cña vËn tèc giã t¹i c¸c ®é cao nh− chØ ra trªn h×nh 5.1. Gi¸ trÞ cña hÖ sè nµy t¹i c¸c ®é cao kh¸c ®−îc rót ra nhê sö dông ph−¬ng tr×nh (5.1). 10U 10C 10U H×nh 5.1 Liªn hÖ gi÷a vËn tèc giã t¹i 10m vµ 19.5m trªn mùc n−íc biÓn 5.1.2 C¸c lý thuyÕt vÒ c¬ chÕ t¹o sãng do giã Giã cã thÓ t¹o ra dßng ch¶y trong biÓn do t¸c dông mét øng suÊt vµo bÒ mÆt biÓn, hoÆc lµ t¹o sãng do c¸c biÕn ®éng ¸p suÊt. Mét khi ®· cã giã th× sÏ cã nh÷ng xo¸y rèi do giã g©y ra. C¸c xo¸y rèi nµy ®−îc giã vËn chuyÓn ®i theo h−íng giã, ®ång thêi chuyÓn ®éng lªn xuèng phÝa trªn bÒ mÆt n−íc. Nh÷ng biÕn ®éng ¸p suÊt g©y ra do chuyÓn ®éng cña c¸c xo¸y rèi nµy sÏ t¹o ra nh÷ng dao ®éng trªn bÒ mÆt n−íc vµ nh− vËy t¹o ra sãng. Dßng ch¶y do giã t¹o ra trªn bÒ mÆt còng ¶nh h−ëng tíi n−íc ë mét ®é s©u nµo ®ã. Sù lâm cña bÒ mÆt n−íc g©y ra bëi c¸c xo¸y rèi lµ rÊt nhá, tuy nhiªn, khi ®−îc duy tr× trong mét kho¶ng thêi gian nµo ®ã cïng víi phÇn låi lªn cña mÆt n−íc do nã t¹o ra, nã sÏ ph¸t triÓn. §iÒu nµy còng gièng nh− mét luång giã ch¹y trªn mÆt n−íc nh− trong h×nh 5.2 mµ ®é lín cña tèc ®é giã sÏ t¹o nªn mét b−íc sãng nµo ®ã. NÕu nh− luång giã ®øng yªn th× sÏ kh«ng cã sãng t¹o thµnh. NÕu nh− nã chuyÓn ®éng chËm th× phÇn lâm xuèng sÏ tù biÕn mÊt. Tuy nhiªn, 53 nÕu nh− nã chuyÓn ®éng víi tèc ®é b»ng víi tû lÖ gi÷a b−íc sãng vµ chu kú, sãng sÏ lín lªn. Rèi trong kh«ng khÝ lµ rèi ba chiÒu, v× vËy, c¸c chç lâm lµ ngÉu nhiªn c¶ vÒ kh«ng gian vµ thêi gian. Nh− vËy, sãng ®−îc t¹o thµnh t¹i rÊt nhiÒu h−íng mµ chØ nh÷ng sãng chuyÓn ®éng cïng tèc ®é víi c¸c xo¸y rèi lµ lín lªn. Gãc céng h−ëng víi h−íng giã cµng lín th× chu kú sãng cµng nhá, vµ sãng cã chu kú lín nhÊt lµ sãng chuyÓn ®éng theo h−íng giã. Luồng gió H×nh 5.2 Sãng g©y ra bëi mét luång giã chuyÓn ®éng (Theo Silvester vµ Hsu, 1997) Mét khi giã ®· thæi th× nã sÏ t¹o ra rÊt nhiÒu sãng cã ®é cao vµ chu kú kh¸c nhau. Mét khi sãng ®· t¹o ra ®−îc mét kho¶ng thêi gian ®ñ dµi, c¸c sãng ng¾n sÏ ph¸t triÓn ®Õn mét ®é cao tíi h¹n nµo ®ã vµ sau ®ã nã sÏ bÞ vì. C¸c sãng dµi còng gióp cho c¸c qu¸ tr×nh nµy b»ng c¸ch lµm gi¶m b−íc sãng cña c¸c sãng ng¾n n»m trªn ®Ønh cña nã (Longuet Higgins vµ Stewart 1960; Wu 1971) vµ lµm cho chóng vì trªn mÆt tr−íc cña c¸c sãng nµy (hiÖn t−îng sãng b¹c ®Çu). §©y còng lµ mét ph−¬ng ph¸p dÞch chuyÓn n¨ng l−îng tõ c¸c sãng thµnh phÇn ng¾n tíi c¸c sãng thµnh phÇn dµi vµ lµm t¨ng ®é cao cña c¸c sãng thµnh phÇn dµi. Khi mµ ®µ vµ thêi gian t¸c ®éng cña giã t¨ng lªn, tæng n¨ng l−îng cña sãng sÏ t¨ng lªn tíi khi b·o hoµ vµ tÊt c¶ n¨ng l−îng giã hÊp thô ®−îc sÏ bÞ tiªu t¸n do sãng vì. Tr¹ng th¸i nµy ®−îc gäi lµ sãng ph¸t triÓn hoµn toµn hay FAS. Khi ®ã c¸c ®Æc tr−ng sãng phô thuéc vµo tèc ®é giã dõng mµ kh«ng phô thuéc vµo ®µ hay thêi gian t¸c ®éng cña giã. ë ®©y sÏ tr×nh bµy ng¾n gän bèn giai ®o¹n t¹o sãng x¶y ra ®ång thêi, ®· ®−îc Silvester (1974a) vµ rÊt nhiÒu nhµ nghiªn cøu kh¸c th¶o luËn rÊt kü. C¸c c¬ chÕ nµy lµ céng h−ëng, dßng c¾t, hiÖu øng che ch¾n vµ sãng vì. Phillips (1957) ®· cã nh÷ng ®ãng gãp ®¸ng kÓ cho ngµnh h¶i d−¬ng häc b»ng c¸ch ®Ò ra r»ng c¸c nhiÔu ®éng ngÉu nhiªn cña ¸p suÊt trªn bÒ mÆt n−íc lµ nguån gèc cña chuyÓn ®éng sãng. C¸c dao ®éng ¸p suÊt nµy ph¶i t¸c ®éng trong mét kho¶ng thêi gian ®¸ng kÓ trong lóc chuyÓn ®éng trªn mÆt n−íc víi mét vËn tèc b»ng vËn tèc truyÒn sãng. C¸c xo¸y rèi nhá gÇn mÆt n−íc chuyÓn ®éng chËm h¬n c¸c xo¸y rèi lín n»m c¸ch xa mÆt n−íc h¬n. Tuy nhiªn, c¸c sãng cã chu kú kh¸c nhau cã thÓ ®−îc t¹o thµnh ®ång thêi, vµ nh− ®· tr×nh bµy ë trªn, c¸c sãng 54 nhá h¬n ph¸t triÓn nhanh h¬n. Nh÷ng dao ®éng nµy kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i lan truyÒn theo h−íng giã, mµ cã thÓ lan truyÒn theo mét h−íng t¹o víi h−íng giã mét gãc nµo ®ã. Qu¸ tr×nh céng h−ëng nµy chØ ¸p dông cho c¸c sãng cã ®é cao rÊt nhá vµ kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi nghiªn cøu liªn kÕt biÓn khÝ. Sau qu¸ tr×nh b¾t ®Çu nµy, c¸c qu¸ tr×nh t¹o sãng kh¸c x¶y ra. §ång thêi víi thêi ®iÓm mµ Phillips c«ng bè lý thuyÕt cña m×nh, Miles (1957) ®−a ra lý thuyÕt dßng ch¶y c¾t dùa trªn ph©n bè logarit cña vËn tèc giã theo ph−¬ng th¼ng ®øng. Tuy r»ng bá qua c¸c dao ®éng rèi, lý thuyÕt nµy tÝnh ®Õn ¸p suÊt t¸c dông theo ph−¬ng th¼ng ®øng víi bÒ mÆt n−íc. Nã gi¶ thiÕt r»ng mÆt n−íc ban ®Çu bÞ nhiÔu ®éng khi cã giã thæi ë phÝa trªn sÏ t¹o ra nh÷ng vïng hót vµ nÐn kh«ng cïng pha víi sãng. §iÒu ®ã g©y ra lùc t¸c ®éng lªn mÆt sau cña ®Ønh sãng lµm cho mÆt n−íc t¹i ®©y chuyÓn ®éng xuèng phÝa d−íi. ViÖc nµy gióp cho sãng ph¸t triÓn. Tuy nhiªn, lý thuyÕt nµy trë nªn bÊt cËp khi mµ c¸c ®−êng dßng t¸ch khái bÒ mÆt ®Ønh sãng. Khi ®ã, sù ph¸t triÓn cña sãng cÇn ®−îc gi¶i thÝch b»ng mét sè c¬ chÕ kh¸c. Stewart (1961) ®· lµm viÖc nµy. Hai lý thuyÕt trªn bæ sung cho nhau v× r»ng céng h−ëng do rèi t¹o ra nh÷ng dao ®éng ban ®Çu víi mét phæ chu kú réng, trong khi dßng ch¶y c¾t gióp cho c¸c sãng ng¾n h¬n ph¸t triÓn. Céng h−ëng t¹o ra sù gia t¨ng n¨ng l−îng mét c¸ch tuyÕn tÝnh, trong khi c¬ chÕ thø hai t¹o ra sù gia t¨ng n¨ng l−îng theo hµm mò. C¸c sãng cã vËn tèc truyÒn gÇn víi tèc ®é giã (hay c/U 0.8) cã thÓ ®¹t tíi ®é dèc tíi h¹n (H/L) chØ b»ng c¸ch ph¸t triÓn theo c¬ chÕ céng h−ëng. C¸c sãng ng¾n h¬n (c << U) sÏ v−ît qua giai ®o¹n ph¸t triÓn tuyÕn tÝnh vµ ph¸t triÓn theo hµm mò tr−íc khi ®¹t tíi giíi h¹n nµy. Phillips vµ Katz (1961) ®· tÝnh thêi gian thùc hiÖn viÖc chuyÓn ®æi nµy ®èi víi c¸c sãng cã chu kú kh¸c nhau. Longuet-Higgins vµ nh÷ng ng−êi kh¸c (1963) ®· ®o sãng b»ng phao vµ kÕt luËn r»ng 90% dao ®éng ¸p suÊt kh«ng khÝ lµ phèi hîp víi sãng vµ chØ 10% lµ phèi hîp víi rèi do giã. → chuyÓn ®éng h¹t cña c¸c sãng lín vector vì cña c¸c sãng nhá giã c¾t m¹nh H×nh 5.3: Sù chuyÓn dÞch ®éng n¨ng cã thÓ cã tõ c¸c sãng ng¾n bÞ vì cho c¸c sãng cã chu kú dµi (theo Silvester vµ Hsu, 1997) Sãng tiÕp tôc ph¸t triÓn qu¸ c¸c ®iÒu kiÖn ®−îc Miles dù b¸o b»ng mét c¬ chÕ gäi lµ hiÖu øng che ch¾n. §iÒu nµy cã nghÜa lµ tån t¹i mét lùc hót ë mÆt tr−íc vµ mét lùc ®Èy ë mÆt sau cña c¸c sãng ®· h×nh thµnh. Stanton (1937) ®· kh¼ng ®Þnh sù tån t¹i cña c¬ chÕ nµy vµ nhê nã mµ 55 Jeffreys (1925) ®· gi¶i thÝch qu¸ tr×nh h×nh thµnh sãng mét c¸ch hoµn chØnh. ChØ cã ¸p suÊt t¸c dông theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mÆt n−íc lµ ®−îc tÝnh ®Õn cßn lùc t¸c dông theo ph−¬ng tiÕp tuyÕn víi bÒ mÆt lµ bÞ bá qua. V× c¸c h¹t n−íc t¹i ®Ønh sãng chuyÓn ®éng theo h−íng giã, d−êng nh− lµ bÊt kú mét øng lùc nµo t¸c ®éng lªn nã còng cã xu h−íng gia t¨ng ®−êng kÝnh cña quü ®¹o h¹t, tøc lµ gia t¨ng ®é cao sãng. Hino (1966) liªn kÕt c¸c ph−¬ng tr×nh cña Phillips vµ Miles mµ kh«ng dïng mét yÕu tè thùc nghiÖm nµo. ¤ng ®· chøng minh r»ng ë tr¹ng th¸i FAS, ®ãng gãp cña ¸p suÊt trong øng lùc toµn phÇn ®¹t tíi 100%, trong lóc t¹i ®Çu ®ãn giã cña ®µ, ®ãng gãp nµy chØ lµ 50%. §iÒu nµy cã thÓ hiÓu ®−îc lµ v× ®é ghå ghÒ cña bÒ mÆt n−íc t¨ng lªn däc theo ®µ, vµ nh− vËy cho phÐp giã t¸c ®éng tèt h¬n tíi sãng. Tr¹ng th¸i æn ®Þnh sÏ ®¹t tíi khi mµ n¨ng l−îng hÊp thô ®−îc tõ giã ®−îc tiªu t¸n bëi sãng vì, rèi, nhiÒu hiÖu øng kh¸c vµ dßng ch¶y giã. Sãng vì lµ mét phÇn rÊt quan träng cña qu¸ tr×nh t¹o sãng mµ nhiÒu nhµ nghiªn cøu cho lµ mét c¬ chÕ tiªu t¸n n¨ng l−îng. Tuy nhiªn, khi mµ sãng vì, nh− ®· chØ ra trªn h×nh 5.3, ®éng n¨ng cã thÓ ®−îc chuyÓn ®æi sang chuyÓn ®éng quü ®¹o cña c¸c h¹t n−íc mÆt. Qu¸ tr×nh vì trªn ®Ønh cña c¸c sãng dµi h¬n cã thÓ ®−îc gia t¨ng nhê tèc ®é giã. Tuy nhiªn, khi mµ tèc ®é lan truyÒn cña c¸c sãng dµi nµy tiÖm cËn tíi vËn tèc giã, (C/U = 1.0), qu¸ tr×nh nµy suy gi¶m vµ do vËy kÕt thóc qu¸ tr×nh gia t¨ng n¨ng l−îng. Longuet-Higgins (1969) ®· ®−a ra c¬ së lý thuyÕt cho qu¸ tr×nh chuyÓn ®æi n¨ng l−îng tõ c¸c sãng ng¾n h¬n tíi c¸c sãng dµi h¬n. ¤ng ph¸t biÓu r»ng "Khi mµ c¸c sãng ng¾n suy gi¶m nhanh chãng v× buéc ph¶i vì trªn mÆt tr−íc cña c¸c sãng dµi, n¨ng l−îng cña c¸c sãng dµi ®−îc gia t¨ng nhanh chãng. C¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy r»ng c¬ chÕ nµy cã kh¶ n¨ng truyÒn n¨ng l−îng cho sãng biÓn víi mét tèc ®é quan tr¾c ®−îc." t¨ng theo hµm mò t¨ng theo quy luËt tuyÕn tÝnh Khu vùc tû lÖ víi n¨ng l−îng trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt ®¹i d−¬ng sãng vì vßng/gi©y H×nh 5.4 Phæ n¨ng l−îng ®Æc tr−ng cho sãng ®¹i d−¬ng Chuçi sè liÖu ®o ®¹c sãng t¹i mét sè ®iÓm trong ®¹i d−¬ng cã thÓ ®−îc ph©n tÝch ®Ó cho ta n¨ng l−îng cña c¸c thµnh phÇn theo tÇn sè (f). Ph©n bè n¨ng l−îng theo tÇn sè nµy cã thÓ ®−îc vÏ thµnh ®å thÞ, nh− ®å thÞ trªn h×nh 5.4, mµ ë ®ã n¨ng l−îng ®−îc ®o b»ng b×nh ph−¬ng biªn ®é cña mçi sãng thµnh phÇn víi tÇn sè f. 56 5.1.3 Sãng giã vµ sãng lõng NÕu nh− sãng vÉn ®ang ®−îc t¹o thµnh vµ duy tr× nhê giã, sãng ®−îc gäi lµ sãng giã. Sãng ®· rêi khái khu vùc t¹o sãng vµ ph©n t¸n trªn biÓn ®−îc gäi lµ sãng lõng. Mçi lo¹i sãng cã c¸c tÝnh chÊt riªng biÖt vµ ¶nh h−ëng kh¸c nhau tíi ®éng lùc häc ven bê. Sãng giã: C¸c dao ®éng cña bÒ mÆt n−íc lµ rÊt phøc t¹p, bao gåm c¸c sãng cã b−íc sãng vµ ®é cao kh¸c nhau, lan truyÒn theo c¸c h−íng kh¸c nhau. V× vËy, qu¸ tr×nh nµy t¹o ra c¸c sãng chÝnh cã ®é dèc lín, vµ chóng lµm cho c¸c sãng nhá vì ra trªn mÆt cña chóng. §iÒu nµy lµm cho c¸c sãng dèc h¬n trë thµnh bÊt ®èi xøng vµ dèc h¬n ë mÆt tr−íc. C¸c ®Æc tr−ng nµy lµm cho sãng giã dÔ dµng bÞ vì vµ nh− vËy nh÷ng vïng n−íc n«ng hay dßng ch¶y ng−îc dÔ dµng tiªu t¸n nh÷ng sãng nµy. B¶n chÊt ®a h−íng cña sãng giã ®−îc vÏ trªn h×nh 5.5, víi c¸c sãng ë ®Çu giã chñ yÕu lµ c¸c sãng ng¾n vµ lan truyÒn theo h−íng giã. TiÕn thªm vÒ phÝa cuèi giã ta thÊy r»ng c¸c sãng lín h¬n vµ dµi h¬n cã xu h−íng lan truyÒn theo h−íng giã h¬n, nh−ng kh«ng ph¶i hoµn toµn nh− vËy. §iÒu nµy mang l¹i tÇm quan träng cña chiÒu réng ®µ trong qu¸ tr×nh t¹o sãng, bëi v× c¸c sãng ng¾n lan truyÒn theo mét h−íng xiªn víi h−íng giã cÇn ph¶i ®¹t tíi sù bÊt æn ®Þnh vµ vì ®Ó n¨ng l−îng cña chóng biÕn thµnh n¨ng l−îng cña c¸c sãng dµi h¬n. Mét ®µ rÊt hÑp sÏ kh«ng cho phÐp ®iÒu nµy x¶y ra, lo¹i trõ trong m« h×nh m¸ng sãng hay vùc s©u gÇn cöa s«ng khi mµ ph¶n x¹ sãng x¶y ra. S¬ ®å ph©n bè n¨ng l−îng theo h−íng cña sãng ®−îc vÏ trªn h×nh 5.6, víi c¸c ®−êng trung b×nh vµ ¸p dông riªng rÏ cho c¸c sãng ng¾n vµ dµi. Nh− ta ®· thÊy, mét phÇn n¨ng l−îng ®−îc vËn chuyÓn gÇn nh− lµ theo c¸c h−íng vu«ng gãc víi h−íng vector giã c¶ hai bªn. θ2cos θ4cos ChiÒu dµi ®µ ChiÒu réng ®µ H−íng giã H×nh 5.5 D¹ng ®Ønh ®Æc tr−ng cña sãng däc theo ®µ (Theo Silvester vµ Hsu, 1997) 57 Sãng ng¾n nhÊt Trung b×nh Trung b×nh Sãng dµi nhÊt Gãc t¹o thµnh víi h−íng giã trung b×nh N¨ng l−îng sãng t−¬ng ®èi H×nh 5.6 Ph©n bè n¨ng l−îng theo h−íng trong c¸c sãng cã chu kú kh¸c nhau trong ®iÒu kiÖn giã ®Æc biÖt (Theo Silvester vµ Hsu, 1997) Sãng lõng: C¸c sãng cã mét chu kú nµo ®ã trong ®µ sÏ cã mét h−íng ph¸t triÓn tèi −u, nh− ta thÊy trªn h×nh 5.4. Mét khi ®· ®−îc t¹o thµnh, c¸c sãng nµy sÏ lan truyÒn theo h−íng cho tr−íc vµ ®i ra khái miÒn giã lín hay b·o. C¸c sãng nµy ®−îc gäi lµ sãng lõng vµ lan truyÒn qua mét kho¶ng c¸ch rÊt dµi, thËm chÝ lµ v−ît ®¹i d−¬ng. Trong miÒn cuèi giã hay miÒn ph©n t¸n, nh− thÊy trªn h×nh 5.6, c¸c sãng ph©n t¸n theo h×nh trßn vµ theo c¸c tia tõ cuèi cña ®µ. Ph¹m vi cña ®Ønh sãng Vïng tiªu t¸n §é réng cña n¨ng l−îng sãng Phæ tån t¹i trong cïng thêi gian H−íng giã Tho¸t ra Ph¹m vi cña h−íng sãng lõng H×nh 5.8 Phæ sãng vµ sù lan truyÒn sãng trong vïng ph©n t¸n (Theo Silvester vµ Hsu, 1997) 58 PhÇn lín n¨ng l−îng sãng tËp trung vµo kho¶ng 30o xung quanh vector tèc ®é giã. PhÇn cña n¨ng l−îng FAS lan truyÒn tíi bÊt cø ®iÓm nµo cuèi giã ®−îc quyÕt ®Þnh bëi gãc t¹o bëi hai ®−êng th¼ng nèi hai biªn giíi cña ®µ tíi ®iÓm ®ã. §iÓm ®ã cµng ë xa th× gãc cµng nhá vµ cµng Ýt n¨ng l−îng tõ vïng giã m¹nh ®−îc lan truyÒn tíi. Nh− vËy, chiÒu réng cña ®µ cã tÇm quan träng rÊt lín ®èi víi kÝch th−íc cña c¸c sãng lõng trong vïng ph©n t¸n, hay ®«i khi ®−îc gäi lµ vïng suy gi¶m, bëi v× n¨ng l−îng cña sãng kh«ng bÞ tiªu t¸n mµ chØ bÞ ph©n t¸n réng ra. Kho¶ng c¸ch cµng lín th× cµng Ýt sãng cã thÓ t−¬ng t¸c, vµ nh− vËy lµ ®é cao sãng cµng gi¶m. Sãng trong ph¹m vi ®µ cã thÓ æn ®Þnh trong mét kho¶ng thêi gian nµo ®ã sau mét kho¶ng thêi gian æn ®Þnh t¹i mét ®iÓm cho tr−íc. Tuy nhiªn, trong miÒn ph©n t¸n sãng lõng sÏ thay ®æi liªn tôc bëi v× c¸c sãng dµi h¬n sÏ tíi mét ®iÓm nµo ®ã tr−íc, sau ®ã lµ c¸c sãng cã chu kú trung b×nh víi ®é cao lín h¬n, vµ sau cïng lµ c¸c sãng nhá víi chu kú ng¾n nÕu nh− chóng cã thÓ tíi ®iÓm ®ã. §iÒu nµy ®−îc biÓu thÞ b»ng phæ sãng t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau trong ph¹m vi miÒn ph©n t¸n nh− trªn h×nh 5.8. PhÇn diÖn tÝch phÝa bªn d−íi ®−êng cong phæ diÔn t¶ ®é cao sãng thèng kª , hay ®é cao trung b×nh cña 1 phÇn 3 sè sãng lín nhÊt (th−êng ®−îc xem lµ ®é cao sãng cã nghÜa), th−êng ®−îc dïng trong thiÕt kÕ kü thuËt. Trong vïng tam gi¸c, l©n cËn phÇn cuèi giã cña ®µ, tÊt c¶ c¸c sãng thµnh phÇn chuyÓn ®éng ®ång thêi vµ nh− vËy d¹ng bÒ mÆt biÓn còng phøc t¹p y nh− ë trong ®µ, trõ viÖc sãng kh«ng bÞ vì. 3/1H ®−êng ®i cña hoµn l−u lôc ®Þa sãng lõng lín sãng lõng nhá H×nh 5.9 Quü ®¹o cña c¸c c¬n b·o trong kho¶ng 40-60o ®é vÜ (Davies, 1964) Mét ®Æc ®iÓm n÷a cña sãng lõng lµ tÝnh bÊt biÕn cña h−íng sãng t¹i c¸c ®iÓm kh¸c nhau ë trªn bê. MÆc dï ®µ sãng cã thÓ tr¶i réng theo mét vÜ ®é, c¸c sãng lõng xuÊt hiÖn tõ vïng nµy tËp trung trong mét d¶i h−íng hÑp, ®Æc biÖt lµ khi chóng bÞ khóc x¹ qua mét thÒm lôc ®Þa n«ng tr−íc khi vµo tíi ®−êng bê. Nh− ta ®· thÊy trªn h×nh 5.8, c¸c sãng ®i qua mét ®iÓm c¸ch xa ®µ sãng cã h−íng rÊt gÇn nhau. ThËm chÝ nÕu nh− ®µ sãng dÞch chuyÓn sang bªn mét chót, 59 c¸c sãng xuÊt hiÖn tõ ®µ vÒ c¬ b¶n lµ cã cïng h−íng. Mét ®Æc ®iÓm quan träng cña sãng b·o trªn ®¹i d−¬ng lµ chóng ®−îc g©y ra bëi c¸c c¬n b·o di chuyÓn tõ t©y sang ®«ng gi÷a c¸c vÜ ®é 40o tíi 60o ë c¶ hai b¸n cÇu, nh− chØ ra trªn H×nh 5.9 (Davies 1964). Quü ®¹o cña c¸c c¬n b·o dao ®éng tõ b¾c tíi nam theo mïa. Mét sè c¸c c¬n b·o thËm chÝ v−ît qua vÜ tuyÕn 30o trong mét kho¶ng thêi gian ng¾n. Nh− ta ®· thÊy trong hoµn l−u giã t¹i mçi b¸n cÇu, c¸c sãng b·o m¹nh nhÊt, vµ nh− vËy lµ c¸c sãng lõng chÝnh, lan truyÒn tõ h−íng ®«ng tíi xÝch ®¹o. Do vËy bê t©y cña c¸c lôc ®Þa lu«n tiÕp nhËn c¸c sãng lõng tõ h−íng ®ã. ë c¸c bê ®«ng sãng lõng tíi tõ phÇn ®u«i c¸c c¬n b·o di chuyÓn tõ bê ra kh¬i. Tr−êng sãng ë ®©y ®−îc bæ sung bëi c¸c sãng lõng vµ sãng b·o gi÷a c¸c vÜ ®é 10o vµ 25o t¹i c¶ hai b¸n cÇu. C¸c sãng nµy cã xu h−íng lan truyÒn vÒ phÝa t©y vµ ®i khái ®−êng xÝch ®¹o. V× vËy, chÕ ®é sãng t¹i c¸c bê phÝa ®«ng vµ phÝa t©y lôc ®Þa cã thÓ kh¸c nhau mét c¸ch ®¸ng kÓ. ThËm chÝ t¹i vÞ trÝ mµ t©m b·o ë gÇn víi mét bê biÓn tr−íc khi v−ît qua nã, c¸c sãng lõng sÏ tËp trung vµo mét d¶i hÑp trong lóc c¸c sãng b·o t¹i n−íc s©u cã thÓ tr¶i ra mét d¶i rÊt réng, nh− chØ ra trªn h×nh 5.10. b·o m¹nh sãng yÕu sãng lõng yÕu sãng lõng Chó ý m¹nh h H×nh 5. Sãng tíi tõ c¸c c¬n b·o ë gÇn mét bê biÓn 60 C¸c sãng lõng cã ®é cao nhá so víi b−íc sãng, hay lµ ®é dèc cña chóng (H/L) lµ nhá. Do ®ã chóng cã d¹ng h×nh sin vµ rÊt bÒn v÷ng. Khi mµ chóng v−ît qua ®¹i d−¬ng, quü ®¹o chuyÓn ®éng cña c¸c h¹t n−íc kh«ng ®¹t tíi ®¸y vµ do vËy chóng mÊt rÊt Ýt n¨ng l−îng. Mét ®Æc tÝnh kh¸c cña sãng lõng lµ chóng cã kho¶ng thêi gian tån t¹i dµi h¬n. CÇn mét kho¶ng thêi gian dµi h¬n cho c¸c sãng cã chu kú kh¸c nhau ®i qua mét ®iÓm c¸ch xa ®µ h¬n lµ thêi gian chóng tån t¹i trong ph¹m vi ®µ. Snodgrass vµ nh÷ng ng−êi kh¸c (1966) ghi sãng t¹i n¨m ®iÓm c¾t ngang Th¸i B×nh D−¬ng tõ vïng “biÓn ®éng 40” (40, 50o S) tíi Alaska. Hä thÊy r»ng: “Cø mét hay hai tuÇn l¹i thÊy mét chuçi sãng liªn quan tíi mét c¬n b·o lín ë nam b¸n cÇu, g©y ra mét “sù kiÖn” ®¸ng kÓ, mµ cã thÓ t×m ®−îc dÊu vÕt qua toµn bé ®¹i d−¬ng.” C¸c sãng lõng bÞ suy gi¶m rÊt Ýt khi lan truyÒn ra khái vïng mµ chóng ®−îc t¹o ra. Qu¸ tr×nh suy gi¶m m¹nh mÏ nhÊt x¶y ra víi c¸c thµnh phÇn cã chu kú nhá lµ do chóng ph©n t¸n t¹i c¸c gãc lín ®èi víi h−íng giã. 5.2 M« t¶ sãng giã ( )tζMÆt n−íc biÓn Thêi gian H×nh 5.11 MÆt n−íc biÓn nh− lµ mét hµm cña thêi gian trong c¬n b·o gÇn Petten, Hµ lan, c¸ch bê 3500 m, ngµy 1 th¸ng 1 n¨m 1995 (Holthuijsen vµ Battjes, 2002). B−íc ®Çu tiªn cña viÖc m« t¶ sãng giã lµ xem xÐt chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña bÒ mÆt n−íc t¹i mét vÞ trÝ nµo ®ã trªn mÆt biÓn. Khi ®ã, ta sÏ thÊy lµ sãng giã ®−îc biÓu thÞ b»ng mét hµm kh¸ ngÉu nhiªn phô thuéc thêi gian. Cã thÓ biÓu thÞ sù biÕn ®æi kh«ng gian cña bÒ mÆt n−íc khi cã sãng b»ng c¸ch xem r»ng cã sù t−¬ng tù gi÷a biÕn ®æi kh«ng gian vµ biÕn ®æi thêi gian cña mÆt n−íc. MÆt n−íc khi cã sãng giã, biÓu thÞ b»ng ( )tζ th−êng lµ kh¸ hçn lo¹n vµ kh«ng cho phÐp 61 m« t¶ nã b»ng mét ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh. Nãi chung, kh«ng thÓ dù b¸o ®−îc ( )tζ v× nã lµ mét hµm ngÉu nhiªn cña thêi gian. H·y xem xÐt mét kho¶ng thêi gian D ®ñ ng¾n ®Ó cã thÓ coi c¸c ®iÒu kiÖn sãng lµ dõng, nh−ng ®ñ dµi ®Ó cã thÓ lÊy ®−îc c¸c gi¸ trÞ trung b×nh cã ý nghÜa. §èi víi c¸c quan tr¾c trªn biÓn, kho¶ng thêi gian nµy th−êng ®−îc lÊy lµ 15-30 phót. Gi¸ trÞ trung b×nh cña ( )tζ ®−îc gi¶ thiÕt lµ b»ng kh«ng. Mét ®o¹n b¨ng ghi sãng trong mét c¬n b·o thùc nh− ®· tr×nh bµy ë trªn ®−îc cho trªn H×nh 5.11. H×nh 5.12 §Þnh nghÜa mét sãng b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p c¾t ®−êng kh«ng tõ d−íi lªn vµ c¾t ®−êng kh«ng tõ trªn xuèng (Theo Holthuijsen vµ Battjes, 2002) Cho dï mét ng−êi quan tr¾c sãng nghiÖp d− ®Õn thÕ nµo ch¨ng n÷a, hä còng cã xu h−íng chó ý vµo c¸c sãng lín. Nh÷ng quan tr¾c viªn ®· ®−îc ®µo t¹o còng lµm nh− thÕ. ThÝ dô, c¸c quan tr¾c sãng b»ng m¾t tõ c¸c tµu ®−îc b¸o c¸o h»ng ngµy cho m¹ng l−íi cña Tæ chøc KhÝ t−îng ThÕ giíi (WMO). C¸c ®¸nh gi¸ nµy lµ dùa trªn c¸c h−íng dÉn cña WMO r»ng c¸c ®¸nh gi¸ b»ng m¾t cÇn dùa trªn ®é cao vµ chu kú trung b×nh cña 15 tíi 20 sãng lín nhÊt trong mét lo¹t nhãm sãng. C¸c ®Æc tr−ng sãng trung b×nh ®−îc gäi lµ ®é cao vµ chu kú sãng cã nghÜa, ký MÆt n−íc biÓn MÆt n−íc biÓn ®−ê