เสวนาหัวข้อ 10 ปี สึนามิ ภูเก็ต...

ระบบการตรวจวดสนามดวย HF Radar และ แบบจ าลองการเคลอนตวของสนาม

ดร.วฒนา กนบว

ผอ.ศนยอตนยมวทยาทะเล

กรมอตนยมวทยา

เสวนาหวขอ 10 ป สนาม ภเกตพรอม จดขนโดยองคการบรหารสวนจงหวดภเกตรวมกบศนยปองกนและบรรเทาสาธารณภยเขต 18 ภเกต

วนท 25 ธนวาคม 2557 ณ โรงแรมดวงจตตรสอรทแอนดสปา ต าบลปาตอง อ าเภอกะท จงหวดภเกต

Tsunami



3D Animation showing Formation of a Tsunami (1).mp4

Tsunami



Anatomy of a Tsunami.mp4

สนามในประเทศไทย เสวนาหวขอ 10 ป สนาม ภเกตพรอม จดขนโดยองคการบรหารสวนจงหวดภเกตรวมกบศนยปองกนและบรรเทาสาธารณภยเขต 18 ภเกต


tsunami_racha.mov

NVEExport.0009.mpg

NVEExport.0003.mpg

ลกษณะทเปนเอกลกษณของเรดารความถสง (HF Radar) 1 - คลนวทยความถสง (High-frequency (HF) Radar) มความถอยในชวง 3 ถง 30 MHz ซงจะมความยาว

คลนตงแต 10 ถง 100 เมตร เรดารใชความถจนถง 50 MHz สญญาณ HF ซงมโพราไรเซชนในแนวตงเดนทางบนพนผวน าซงคณสมบตน าไฟฟาและสามารถเดนทางไดดเกนเสนสดสายตา (Line-of Sight) ซงมระยะทางไกลกวาระยะทเรดารโดยทวไปทใชคลนไมโครเวฟไมสามารถมองเหนไดถง ฝนและหมอกไมมผลกระทบตอสญญาณ HF

- ทะเลมพนผวไมเรยบซงประกอบดวยคลนน าตางๆทมคาบตางกน เมอสญญาณเรดารชนคลนทะเล (Ocean Wave) ทมความยาว 3-50 เมตร สญญาณจะสะทอนในหลายทศทาง ดงนนพนผวทะเลสามารถท าตวเสมอน Diffraction Grating ทมขนาดใหญ

- สญญาณเรดารจะสะทอนกลบมาโดยตรงยงแหลงก าเนดของมนกตอเมอสญญาณเรดารสะทอนจากคลนทมความยาวคลนเทากบครงหนงของความยาวคลนของสญญาณทสงออกไป และคลนนนเดนทางในแนวรศมออกจากหรอเขาหาเรดาร สญญาณเรดารซงเปนคลนแมเหลกไฟฟาตางๆทถกสะทอนนนจะบวกแบบเสรมกนซงเปนผลใหเกดก าลงงานสะทอนกลบทแขงแรงทความยาวคลนหนงๆทแมนย า สงนเปนทรกนวาคอทฤษฎ Bragg (Bragg Principle) และปรากฎการณ “Bragg Scattering” ทความถของ SeaSonde (4-50 MHz) คาบตางๆของคลนทะเลทท าใหเกดปรากฎการณ Bragg Scattering นนอยระหวาง 1.5 และ 5 วนาท



ลกษณะทเปนเอกลกษณของเรดารความถสง (HF Radar) 2 สงทท าใหเรดารความถสง (HF RADAR) มประโยชนอยางยงส าหรบ Current Mapping คอคลนทะเลทมความสมพนธกบความยาวคลนของ HF มปรากฎอยเสมอ รายการขางลางนแสดงความถ HF 3 แบบ ทใชท างานทวไป และความยาวคลนของทะเลทท าใหเกด Bragg Scattering - การสงดวยสญญาณความถ 25 MHz => คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลน 12 เมตร => คลนทะเลทมความยาวคลน 6 เมตร - การสงดวยสญญาณความถ 12 MHz => คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลน 25 เมตร => คลนทะเลทมความยาวคลน 12.5 เมตร - การสงดวยสญญาณความถ 5 MHz => คลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลน 60 เมตร => คลนทะเลทมความยาวคลน 30 เมตร

- ทไดกลาวมาถงตรงน มความจรง 3 อยางทเรารเกยวกบ Bragg Wave นนคอ ความยาวคลน คาบ และทศทาง เนองจากเรารความยาวคลนของคลน เราจงรความเรวของมนอยางแมนย าจาก Dispersion Relation ส าหรบน าลก

- สญญาณทกลบมาม Doppler-Frequency Shift ในกรณทไมมกระแสคลน Doppler-Frequency Shift จะมาถงดวยความถทเราร



ลกษณะทเปนเอกลกษณของเรดารความถสง (HF Radar) 3 • แตทวา Doppler-Frequency Shift ทสงเกตไดจะไมตรงกบความเรวของคลนตามทฤษฎทเดยวนกเนองจาก

Doppler-Frequency Shift นนรวมถง ความเรวของคลนตามทฤษฎ บวกกบ อทธพลของกระแสคลนตอความเรวของคลนในแนวรศม (ออกจากหรอเขาหาเรดาร)

• ความลกของอทธพลของกระแสคลนตอคลนเหลานขนอยกบคาบหรอความยาวของคลน กระแสทมอทธพลตอ Bragg Wave อยในชวงบนของคอลมนน า (Water Column) (หรอชวงบนของ 2.5 เมตรเมอสญญาณทสงมความถ 4-6 MHz) ดงนนเมอความเรวของคลนตามทฤษฎลบดวยขอมลเกยวกบ Doppler เรากสามารถหาความเรวในแนวรศมของกระแสทผวได

• การใชหลายเรดารทตงอยมากกวาหนงมมมองเพอดกลมของคลนเดยวกน สวนประกอบตางๆของความเรวของกระแสทผวในแนวรศมสามารถน ามารวมกนเพอหาเวคเตอรรวมของความเรวของกระแสน าทผว (Total Surface Current Velocity) ได



•ดงนนกรมอตนยมวทยาจงไดจดตงโครงการจดหาระบบเตอนภยพบตอตนยมวทยาทะเล เพอทจะเฝาระวงภยพบตทางทะเล

•เรดารตรวจวดคลนและกระแสน าเปนเพยงสวนหนงของโครงการ ซงใชในการตรวจวดคลนและกระแสน า



วตถประสงค

-เพอตรวจวดระบบกระแสน ำ คลนลมแรง และคลนพำยซดฝง

- เพอตรวจวดระบบกระแสน ำและคลนยกษสนำม

การตดตงชายฝงทะเลอาวไทย

การตดตงชายฝงทะเลอนดามน



λO λO

λR

Bragg Sea Echo

A B C

Freq

MHz

λR

meters

λO

meters

T

seconds

5 60 30.0 4.4

13 23 11.5 2.7

25 12 6.0 2.0

42 7 3.6 1.5

λR = 2λO

Strong reflection off surface waves of

half the radar wavelength

หลกการของ Bragg

λR



สถานทตดตง HF Radar บรเวณภาคใตฝงตะวนตก

Approximate Total Vector Coverage for

the Phuket and Phang-Nga Sites.



ภาพการตดตง HF Radar



บทน า

- ระบบการเฝาระวงสนามทมอยกบโปรแกรมสรางแบบจ าลองคอมพวเตอรทเตอนกบความเปนไปไดของการเกดแผนดนไหวใหญทสรางใหเกดสนาม และความพยายามทจะคาดการณความรนแรงและสถานททจะเกดแผนดนไหว

- ระบบ HF Radar ในปจจบนมการตดตงและใชงานอยางตอเนองตามชายฝงทะเลหลายแหงทวโลก เพอท าการตรวจวดกระแส และคลนมหาสมทร ซงตรวจวดไดไกลถง 200 กโลเมตร นอกชายฝงทะเล

- ซอฟแวรเฝาระวงสนามสามารถท างานเพอการเตอนภยเมอมการตรวจจบสนามได - ขอมลเหลานจะสามารถใชไดกบหนวยงานทองถนและจะมประโยชนถาการสอสารระหวางประเทศลมเหลว - ระบบ HFRadar พรอมใชส าหรบการตรวจวดกระแสน าและคลนมหาสมทร ยงสามารถในการตรวจจบคลนสนามด

กอนทสนามจะมาถงทชายฝงทะเลในหลายพนทชายฝงทะเล - เวลาทใชในการเตอนภยเพมขนเมอความกวางของไหลทวปในทะเลมมาก



RutHgtƒƒ.avi

- (a) Height profile as tsunami arrives at the edge of the continental shelf,

- (b), (c) height profiles at successive half-hour intervals,

- (d) horizontal water particle velocity:

- (e), (f) velocity profiles at successive half-hour intervals.



3D Animation showing Formation of a Tsunami (1).mp4

RutHgtƒƒ.avi

RutCurƒƒ.avi

Modeled Example of Solitary Wave Feature Propagating Across Constant-Depth Bottom

2 1

Dog

2

t2 0

2v 1

Dog

2v

t2 0

Same wave equation for height & 1-D velocity



Constƒƒ.avi

Modeled Example of Solitary Height Wave on U. S. East Coast Variable-Depth Shelf

Wave equation for variable depth

Depth profile of shelf

d 1

g

2

t2 0



Modeled Example of Solitary Particle Velocity on U. S. East Coast Variable-Depth Shelf

Wave equation for variable depth

Depth profile of shelf

d v 1

g

2v

t2 0



ลกษณะปกตทวไปของ Seasonde

Radial

ลกษณะเฉพาะของ

SeaSond

e

Tsunami Radial เมอ Tsumnami มาถงไหลทวปไดครงชวโมง


SeaSond

e

Tsunami Radial เมอ Tsumnami มาถงไหลทวปไดหนงชวโมง


SeaSond

e

Tsunami Radial เมอ Tsumnami มาถงไหลทวปไดหนงชวโมงครง


SeaSond

e

Tsunami Radial เมอ Tsumnami มาถงไหลทวปไดสองชวโมง

คณสมบตของสนามเปนคลนตน (shallow-water waves) โดยความเรวคลนเดยวและคลนกลมมคาเทากน และมสตรสมการดงน

where h4000, the height of the tsunami in deep water and d are expressed in meters.



โดยท g คอแรงโนมถวงของโลก เทอมของควำมสงของสนำมถกแสดงใหมควำมสมพนธกบคำควำมลกน ำทะเล ซงถกก ำหนดไวท 4000 เมตร



การหมนวนของผวหนาน าทะเลมากสดหรอความเรวพาตเคลส าหรบความลกของน า d ถกก าหนดไวดงน

ควำมสมพนธระหวำงคำบคลน P และ ควำมยำวคลน ถกใหไวโดยสมกำรกำรกระจำยน ำตน ซงนนำมกำรเปลยนแปลงของควำมยำวคลนกบควำมลกน ำ

เวลาส าหรบสนามทจะใชระยะทาง L ยกเลกทจดเรดารถกใหไวในเทอมของความเรวคลนเดยว

- ส าหรบสนาม ความเรวคลนเดยวหรอคลนกลมมความเรวมากกวาความเรวโคจร

(orbital velocities)

- แตจากสมการท (1) มนจะชาลงในพนทน าตน as d1/2, เพมการเตอนภยจากเวลาของการตรวจจบสญญาณสนาม

- จากสมการท (2) และ (3) ความสงของคลนจะเพมขน as d–1/4, ขณะทความเรวพาตเคลมากทสดเพมเรวมาก as d–3/4, เพมสญญาณทจะถกเหนไดจากเรดาร



HR Radar ท างานอยางไร

- HR Radar สงคลนทเราก าหนดคาความถ และไดรบคาการสะทอนกลบปฐมภม และทตยภม จากการกระจายของแบรก (Bragg scattering) อยางฟงกชนของความเรวคลน และความเรวกระแสน า

- สถานภาพทะเล และขอมลคลนสามารถถกดงออกมาจากรปรางและความเขมของพลงงานคลนทสะทอนกลบมา



HR Radar ท างานอยางไร

- HF Radar ใชกำรก ำหนดควำมถเพอก ำหนดระยะทำงในกำรตรวจวดคลนจำกสญญำณทสะทอนกลบมำเปนลกษณะวงกลม

- วงกลมแรกใชกำรขยำยออกไปโดยประมำณคอทละ 3

กโลเมตร



When the current velocity field is dominated by tsunami velocities

which are typically coherent over bands parallel to the depth

contours, the value of Q(x) will increase sharply. We use the criterion

Q(x) > 1 to indicate the presence of a tsunami in a given band.

The component of this velocity

radial to the radar is given by:

We then define a parameter Q(x) for each band as the absolute value

of the average radial velocity normalized by the standard deviation:

Each composite radial velocity Vr is

normalized as follows:



http://www.oceansky.tmd.go.th/nfs_seasonde/data/Tsunami_PHUK/?C=M;O=A



http://www.oceansky.tmd.go.th/nfs_seasonde/data/Tsunami_PNGR/



SiTProS: Fast and Real-Time Simulation of Tsunami Propagation Siam Tsunami Propagation Simulator Model (SiTProS)



แบบจ าลองการเคลอนตวของสนาม

The SiTProS Model and Numerical Simulation



SiTProS Model – shallow water equation



SiTProS Model – 2D grid system



SiTProS Model – approximation (model 1)



SiTProS Model - Calculation

From where u(n+1) may be calculated as:

1 1

, , , 1, , 1, , 1 , , 12

2 2 2

2 2 2

( ) ( ) ( )

n n n n n n n n n

i j i j i j i j i j i j i j i j i jU U U U U U U U Ua

t x y

1 2 1

, 1, 1, , 1 , 1 , , ,4 2n n n n n n n n

i j i j i j i j i j i j i j i jU C U U U U U U U

.;

a tC h x y

h

Substitute all terms in the wave equation, finally you get the equation 4 when C and h are given below of

this page. This equation is for fully wave equation, but the calculation is slower than the previous model of

our tsunami generation. The first program, we ignored the term -4U(n,i,j) and +2U(n,i,j)



Initial Condition


1

, 0,i jU Ocean

1

, 0,i jU Land

1

, 0 ,i jU f fault

1

, 0 ,

1

, ,

,

0,

i j i j

i j i j

U f r R

U r R

R

values at n=1 as the initial conditions

What are the values at n=0?

We apply a zero-gradient initial condition

, this means

22 1 1 1

, 1, 1, , 1

1 1 1

, 1 , ,

(2

4 )

i j i j i j i j

i j i j i j

CU U U U

U U U

substitute this into (4), then we get




Boundary Condition

4 boundaries are free (open).

, 1 , 1

n n

i j i jU U

,0 ,2

n n

i iU U

0, 2,

n n

j jU U 1, 1,

n n

i j i jU U

1 2

, 1, , 1 , 1

1

, , ,

1; (2

4 ) 2 ;

n n n n

i j i j i j i j

n n n

i j i j i j

i U C U U U

U U U

1 2

, 1, , 1 , 1

1

, , ,

1; (2

4 ) 2 ;

n n n n

i j i j i j i j

n n n

i j i j i j

i i U C U U U

U U U

1 2

, 1, 1, , 1

1

, , ,

1; ( 2

4 ) 2 ;

n n n n

i j i j i j i j

n n n

i j i j i j

j U C U U U

U U U

1 2

, 1, 1, , 1

1

, , ,

1; ( 2

4 ) 2 ;

n n n n

i j i j i j i j

n n n

i j i j i j

j j U C U U U

U U U



Algorithm for Wave Propagation

how does this algorithm work? (to save memory)

U[new] U[old] U[new]

1 2 1

, 1, 1, , 1 , 1 , , ,4 2n n n n n n n n

i j i j i j i j i j i j i j i jU C U U U U U U U

1

,

n

i jU can be assigned to 1

,

n

i jU for next iteration before calculation.



(minute)

SiTProS Model – approximation (model 2)



SiTProS Model – computing grid



SiTProS Model – fault parameters



SiTProS Model - Algorithm



Results – tsunami propagation

Click Image



Tsunami-TestAndaman.gif


0

100

200

300

400

500

600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Computed

Observing




Observing

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

0 100 200 300 400 500 600 Computed



Rendering Panel

Parameters and Output Setup Panel

- การเตอนภยพบตเนองจากสนาม ตองใชขอมลผลการตรวจวดทางทะเลหลายแบบ เชน ขอมลแผนดนไหวใหญในทะเลขอมลผลการตรวจวดระดบน า ขอมลทนตรวจวดสนาม หรอผลการตรวจวดความกดของน าเนองจากคลนสนาม ขอมลผลการตรวจวดคลนจาก HF Radar เพอจะน ามาบรณาการ เพอวนจฉย และใชเตอนภย

- ชายฝงภาคใตฝงตะวนตกของประเทศไทยมพนทไหลทวปทคอนขางยาว ดงนนเมอเกดสนามเราจะเหนการแตกฟองขาวของคลนสนามมาแตไกล จงท าให HF Radar สามารถตรวจจบคลนสนามได ซงเราจะมเวลาเตอนภยไดประมาณ 30 นาท

- ศนยอตนยมวทยาทะเลรวมกบ ดร.สมพร ชวยอารย ไดจดท าแบบจ าลองการเคลอนตวของสนามทชอวา SiTProS = Siam Tsunami

Propagation Simulator

- ซอฟแวรตวนสามารถค านวณเวลาการเคลอนทเขามาสฝงของสนามได

ในลกษณะสามมต ซงจะชวยในการเตอนภย บรหารจดการการอพยพหนภยของประชาชนตามชายฝงทะเล

- การเตอนภยสนามจะตองใชเทคโนโลยสมยใหมในการเฝาระวงภย และการเตอนภย

- แตทส าคญทสด ประชาชนตองเขาใจภย มสวนรวมในการอพยพหลบภยอยางมระเบยบวนย



เอกสารอางอง

• Rutgers Institute of Marine and Coastal Science http://marine.rutgers.edu/mrs/codar/waves/projectmain.html

• National Ocean Service http://www.ocean.us/documents/docs/Harlan_WaveMeasurements.ppt-link.pdf

• Center for coastal physical oceanography at Old Dominion University

http://www.ccpo.odu.edu/Circulation/summer1997.html

• National Data Buoy Center http://www.ndbc.noaa.gov

• Scripps Institute of Oceanography http://sdcoos.ucsd.edu/technology/operation.cfm

• Anderson, K., and S. Litvin, The use of CODAR high frequency radar to attain wave height measurements.

http://marine.rutgers.edu/mrs/codar/waves/projectmain.html

• Barrick, D. E. 1972b: Remote sensing of sea-state by radar. in Remote Sensing of the Troposphere, ed. V. E. Derr 12-1

to 12-46.

• Lipa B. J. & D. E. Barrick, 1982: Analysis methods for narrow-beam high-frequency radar seaecho: NOAA Technical

Report ERL 420-WPL 56. Engineering, OE-8, 226-253.

• Lipa B. J. & D. E. Barrick, 1986: Extraction of sea state from HF radar sea echo: Mathematical theory and modeling:

Radio Science 21, 81-100.

• Ocampo-Torres, F. J. (1998). Spatial variations of directional wave spectra in coastal regions. In: Proc. Provision and

Engineering/ Operational Applications of Ocean Wave Data, UNESCO, Paris, 21-25 September, 1998. pp21-30,

WMO/TD No. 938, IOC, MeteoFrance, CNES.



เสวนาหัวข้อ 10 ปี สึนามิ ภูเก็ต...

Documents