Luận án tiến sĩ khí tượng học: Nghiên cứu sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới trong vùng biển Đông bằng mô hình mô phỏng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

MỤC LỤCMo dau

Chương I: Tong quan những nghiên cứu về chuyển động của XTND

1.1 Những nghiên cứu về hiệu ứng chính áp lên chuyển động của XTND

1.2 Những nghiên cứu vẻ hiệu ứng phi chính áp lên chuyển động của XTND1.3 Dự báo quỹ đạo và cường độ của XTND bang mô hình thuỷ động lực

1.3.1 Tổng quan vẻ các loại mô hình

1.3.2 Một số nghiên cứu nhằm tăng độ chính xác của các mô hình dự

báo XTNĐ

1.4 Đặc điểm của XTND trên khu vực Biển Đông và các nghiên cứu về mô

hình số ở Việt nam

1.4.1 Đặc điểm hoạt động của XTND trên khu vực Biển Đông

1.4.2 Những nghiên cứu gần đây về mô hình dự bão số ở Việt Nam

Chương 2: Cơ sở động lực học của mô hình số

mô phỏng chuyển động của XTNĐ

2.1 Động lực học của mô hình chính áp

2.2 Động lực học của mô hình nước nông

2.2.1 Động lực học của mô hình nước nông hai chiều tổng quát

2.2.2 Mô hình nước nông hai chiều của Krishnamurti2.2.3 Mô hình nước nông hai chiều WBAR

2.2.4 Động lực học của mô hình nước nông nhiều lớp khí quyển2.2.4.1 Hệ phương trình mô hình ba lớp tổng quát

2.2.4.2 Mô hình nước nông ba lớp Dengler

2.3 Mô hình thuỷ động khu vực phân giải cao (HRM)2.3.1 Khái quát về HRM

565960

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT

ATNĐ Áp thấp nhiệt đới

BEP Lan truyền hiệu ứng Béta

CLIPER Phương pháp dự báo quỹ đạo bão theo quán tính khí hậu

DBTH Dự báo tổ hợp

DLM Lớp trung bình sâu

D95 Mô hình nước nông 3 lớp mô phỏng bão phat triển bởi Dengler va cong

ĐHQG Đại học Quốc gia

GME Mô hình toàn cầu của Cơ quan Khí tượng Đức

HRM Mô hình số phân giải cao của Cơ quan Khí tượng ĐứcH28 Phiên bản mô hình HRM với độ phân giải ngang 28kmH14 Phiên bản mô hình HRM với độ phân giải ngang 14km

HRS Phiên bản mô hình H28 với miền dự báo nhỏ

HJG Phiên bản mô hình HRM với điều kiện ban đầu của JMA, điều kiện biên

SLM Lớp trung bình nông

SSTB Sai số trung bình

SST Nhiệt độ mặt nước biển

TTDBKTTVTU Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương

Tl Thu nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-500-300mb12 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-DLM-300mbT3 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-700-300mbT4 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-700-500mb

T5 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-SLM-300mb

TBD Thái Bình Dương

XTND Xoáy thuận nhiệt đới

WBAR Mô hình chính áp dự báo bão phát triển bới Weber và cộng sự

W7 Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn 700mb

Ws Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn 500mb

WD Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn lớp trung bình sâuWS Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn lớp trung bình nôngWII-9 Thử nghiệm mô hình WBAR với các sơ đồ cài xoáy từ 1 đến 9

3D-VAR Đồng hóa 3 chiều

Bảng 3.1.

Bảng 3.2.Bảng 3.3.

DANH MUC CAC BANG

Danh sách các thời điểm bat đầu du báo thử nghiệm.

Ký hiệu các thử nghiệm với WBAR.

Sai số dự báo vị trí tâm bão bằng WBAR với các lựa chọn khác nhau củamực dong dan trong thử nghiệm 1.

Ký hiệu các phương án của thử nghiệm D95.

Sai số dự báo vị trí tâm bão trong nghiên cứu lựa chọn sơ đồ đối lưu của

thử nghiệm D95.

Mực khí áp được chọn tiêu biểu cho các lớp của D95 trong T1-TS.

Giá trị của nhiệt độ thế vị, mật độ và độ dày trung bình của các lớp mô

hình cho năm trường hợp thử nghiệm (TI - TS).

Sai số trung bình của dự báo vị trí tâm bão (km), hạn 24h, tương ứng với

5 lựa chọn phân lớp khí quyển (T1-TS).

Sai số dự báo vị trí tam bão (km) bằng H28 và H14, trung bình ba mùa

bão (2002-2004).

Sai số dự báo vị trí tâm (km) bão Mekkhala (0220) và Nepartak (0320)

bằng 5 phiên bản khác nhau của HRM.

Giá trị của sai số dự báo 24h hướng chuyển động của bão bằng 5 mô

Sai số trung bình (SSTB) và phương sai (PS) của dự báo vị trí tâm bão

bảng 5 mô hình khác nhau, hạn dự báo 24h, 48h.

Hình 2.1.

Hình 2.2.Hình 2.3.Hình 2.4.Hình 2.5.Hình 2.6.Hình 2.7.

Hình 2.8.

Hình 2.9.

Hình 3.1.

Hình 3.2.Hình 3.3.Hình 3.4.Hình 3.5.

Hình 3.6.

Hình 3.7.

Hình 3.8.

Hình 3.9.Hình 3.10.

DANH MỤC CÁC HÌNH VE VÀ DO THỊ

Mô hình nước nông cho một lớp khí quyển.

Sơ đồ lưới sử dụng trong mô hình WBAR.Sơ đồ lưới tích phân trong mô hình WBAR.

Mô hình nước nông cho ba lớp khí quyển.

Sơ đồ mô tả các dòng khí vận chuyển tại các mực biên.

Sơ đồ trao đổi thông lượng đối lưu.

Sơ đồ trao đổi thông lượng khi không có đối lưu.

Sơ đồ biểu diễn thông lượng khối thang đứng khả nang đi qua lớp chất

cơn bão.

Đường đi của các cơn bão năm 2002 được thử nghiệm.

Đường đi của các cơn bão năm 2003 được thử nghiệm.

Đường đi của các cơn bão năm 2004 được thử nghiệm.

Ví dụ minh họa kết quả các thử nghiệm WBAR với các mực đẳng áp

khác nhau W7, W5, WD và WS.

Toán đồ biểu diễn giá trị trung bình và phương sai của sai số dự báo

trong thử nghiệm 2 với các sơ đồ cài xoáy khác nhau (WII- WI9).Sơ đồ vị trí các biến trong lưới Arakawa C_của mô hình D95.

Trường gió ban đầu của mô hình toàn cầu JMA, và của mô hình D95 tạithời điểm 00z ngày 25/09/2002.

Cấu trúc khí quyển mộ hình D95.

Sơ đồ phân bố các lớp khí quyển mô hình D95 trong với 5 kiểu chọn

mực khí áp :T1, T2, T3, T4 và TS.

Sơ đồ phân bố các lớp khí quyển để tính trọng số theo độ dáy áp suất của

lớp a) lớp trung bình sau (DM) và b) lớp trung bình nông (SM).

Qũy đạo dự báo của D95 với các lựa chọn phân lớp khí quyển khác nhau(T1, T2, T3, T4 và T5): a) Bão Koni (0308), bat đầu 00z, 20/07/2003, có

độ tán dự báo lớn b) bão Krovanh (0312), bắt đầu 00z, 24/08/2003, cóđộ tán dự báo nhỏ.

Miền tính toán của phiên bản H28, HJG, HRJ (miền to ở ngoài) và của

các phiên bản H14, HRS (miền nhỏ bên trong).

Sai số vị trí tâm bão trung bình, dự báo bằng H14 và H28.

Quỹ đạo dự báo bão Nepartak (0320), bắt đầu 00z, 16/11/2003, bằng các

phiên bản H28, H14, HRS, HJG và HRJ.

Minh họa sai số hệ thống của dự báo 24h về hướng chuyển động của bão

bằng các mô hình khác nhau.

Phân bố tân suất sai số dự báo 24h hướng chuyển động của bão bằng các

mô hình CLIPER, WBAR, D95 và HRM.

Quỹ dao dự báo bằng các mô hình WBAR, D95, HRM và CLIPER, bat

đầu 12z, 03/08/2002, bão Kammuri (0212).

Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình CLIPER, WBAR, D95, H28 vàH14, bat đầu 12z, 24/09/2002, bão Mekkhala (0220).

Các trường phân tích gió và áp trên các mặt đẳng áp 300mb, 500mb và

Quỹ dao dự báo của các mô hình CLIPER, WBAR, D95, H28 và H14,

bat đầu 12z, 16/1 1/2003, bão Nepartak (0320).

Trường đường dòng và độ cao địa thế vị trên mực đẳng áp 700mb tại

12z, 16/11/2003, bão Nepartak (0320).

Phan bo tan suất sai số dự báo 24h vận tốc chuyển động của bão bang

các mô hình CLIPER, WBAR, D95, và HRM.

Quy dao dự báo 24h bang H14 và H28, bat đầu 12z, 21/07/2003, bão

Koni (0308).

Trường khí áp qui về mực biển tại thời điểm phân tích cho 00z,

22/08/2005 của mô hình HRM (độ phân giải 28km-H28).

Quỹ dao dự báo bang CLIPER, WBAR, D95, H28, bat đầu 12z,

11/06/2004, bão Chanthu (0405).

Diễn biến thời gian của khí áp cực tiểu của bão Chanthu (0405).

Phân bố tần suất sai số dự báo vị trí tâm bão của các mô hình hạn 24 giờ.Phân bố tần suất sai số dự báo vi trí tam bão của các mô hình han 48 giờ.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết cua đề tài

Vấn đẻ dự báo tai biến thiên nhiên nói chung, dự báo các hiện tượng thời tiết

khí hau nguy hiểm như bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), mua, lũ lụt hay giông lốc nói

riêng đang đứng trước yêu cầu ngày càng khát khe hơn, nhằm góp phần giảm nhẹ

thiên tai có hiệu quả hơn Bài toán này dang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa

học lớn trên thế giới và sự đầu tư lớn của nhiều Quốc gia và nhiều tổ chức khác nhau.

Ở nước ta, những đòi hỏi mới trong lĩnh vực này đã được thể hiện trong nhiều văn

bản của Nhà nước, nhất là sau thời kỳ xay ra những tai biến thiên nhiên do bão, lũ, lụt

của những năm 1996-2000 gây thiệt hại lớn vẻ người và của cho nhiều vùng đất nướcnhư mưa lũ lớn trên lưu vực sông Hồng, sông Thái bình năm 1996, bão số 5 (Linda)

đổ bộ vào Cà Mâu năm 1997, bão liên tiếp vào Nam Trung bộ năm 1998 v.v Chính

vì vậy Nhà nước ta đã chỉ thị rõ: Phòng chống và hạn chế tác hại của bão lũ và các

thiên tai khác vừa là nhiệm vụ cấp bách trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài.

Việc dự báo bão ở nước ta trước đây chủ yếu dựa vào phương pháp Synốp và

vật lý thống kê Thực tiễn dự báo bão nghiệp vụ trên thế giới cũng như ở nước ta cho

thấy các phương pháp truyền thống cho một kết quả dự báo tương đối ổn định và đáp

ứng được phần nào đòi hỏi của công tác phòng chống thiên tai Tuy nhiên trong nhiều

trường hợp bão có diễn biến phức tạp về qui đạo di chuyển cũng như cường độ thì

những phương pháp truyền thống không đáp ứng được yêu cầu thực tế Nhờ vào sựphát triển của công nghệ thông tin và các phương pháp dự báo số trên thế giới, cùngvới sự mở rộng hợp tác quốc tế, từ những năm 1999-2000 trở lại đây ở Việt Nam đã

có nhiều hệ thống dự báo số được nghiên cứu ứng dụng và đã có những kết quả bước

đầu rất khả quan.

Việc nghiên cứu ứng dụng các mô hình số vào nghiên cứu và dự báo bão và áp

thấp nhiệt đới (gọi chung là xoáy thuận nhiệt đới - XTNĐ) hiện nay ở nước ta có ý

nghĩa khoa học và thực tiễn nhằm nâng cao chất lượng dự báo XTND trên Biển

Đông, phục vụ hiệu quả cho công tác phòng chống thiên tai ở nước ta.

2 Mục dich của luận an

Hiện nay ở nước ta và kể cả ở những Trung tam dự báo bão lớn và hiện đại của

các nước, việc sử dụng song song trong nghiệp vụ nhiều mô hình từ đơn giản đến

phức tạp từ thong kẻ đèn thủy động van rất phố biến Chính vì vậy, việc hiểu biết sâusac các loại mô hình và khả nang dự báo của chúng là vấn đề can thiết được nghiên

cứu Mục đích khoa học của luận án này là nghiên cứu, cập nhật một số mô hình (cả

chính áp và phi chính áp, từ đơn giản đến phức tạp) mô phỏng chuyển động của

XTNĐ Các mô hình sẽ được nghiên cứu từ cơ sở lý thuyết, cấu trúc của bộ mô hìnhtrên máy tính, cài đặt và chạy thử.

Mục dích thứ hai của nghiên cứu này là nghiên cứu cải tiến các mô hình được

lựa chọn, nhằm nâng cao khả năng dự báo của từng mô hình với điều kiện số liệu

hiện có ở nước ta Kết qua của dé tài sẽ là những mô hình đã được chỉnh sửa cải tiếnvà có thể được sử dụng trong dự báo bão nghiệp vụ.

Các mô hình sẽ được chạy thử nghiệm để dự báo bão trên vùng Biển Đông.Kết quả nhận được đem so sánh với nhau và với sản phẩm của nền mô hình số hiện

nay trên thế giới, nhằm rút ra những ưu nhược điểm của từng loại mô hình và khả

năng ứng dụng chúng vào nghiệp vụ trong nước Đây là mục đích thứ ba của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu ba mô hình số cụ thể đại diện cho ba loại môhình chính áp, nước nông ba lớp và mô hình sử dụng hệ phương trình nguyên thủy

vào dự báo bão trong khu vực Biển Đông.

4 Những điểm mới của đề tài

- Đưa ra một tổng quan có tính hệ thống về lý thuyết về nghiên cứu XTND bằng mô

hình số từ đơn giản đến phức tạp.

- Nghiên cứu cải tiến các mô hình, đặc biệt chú trọng đến mô hình nước nông ba lớp

từ một mô hình mô phỏng thành một mô hình dự báo qui đạo bão phù hợp với các

điều kiện số liệu ở nước ta.

to

- Thử nghiệm dự báo dong bộ bang ca ba loại mô hình cho các cơn bão hoạt động

trong vùng Biển Đông của những năm gan đây.

- Đã đánh giá khả năng dự báo của từng loại mô hình trong các trường hợp cụ thể đểnâng cao hiệu quả sử dụng kết qua dự báo qui đạo bão bang mô hình số trong dự báo

nghiệp vụ và định hướng nghiên cứu cải tiến mô hình.

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Có thể sử dụng luận án này để tìm hiểu một cách hệ thống và tương đối đây đủnhững kiến thức mới nhất về các nghiên cứu chuyển động bão bằng mô hình số Các

mô hình đã được nghiên cứu cải tiến trong nghiên cứu này hoàn toàn có thể ứng dụng

trong dự báo qui dao bão ở nước ta, góp phần phục vụ tốt hơn cho công tác phòngchống và giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây ra.

6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp mô hình hóa và phương pháp thống kê.7 Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm 146 trang thuyết minh, 15 bảng biểu, 41 hình vẽ đồ thị Nội

dung của luận án bao gồm phan mở dau, kết luận và 4 chương:

Chương | - Tổng quan những nghiên cứu về chuyển động của XTND;

Chương 2 - Cơ sở động lực học của các mô hình số mô phỏng chuyển động của

Chương 3 - Dự báo qui đạo bão trong Biển Đông bang các mô hình thủy động;

Chương 4 - Phân tích và đánh giá kết quả tính toán;

Kết luận và kiến nghị.

Chương |

TONG QUAN

NHUNG NGHIEN CUU VE CHUYEN DONG CUA

XOAY THUAN NHIET DOI

1.1 NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ HIEU UNG CHÍNH AP LÊN CHUYỂNĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI

Trong nhiều nam qua lý thuyết ve chuyển động của XTND tập trung chủ yếu

vào những hiểu biết cho rằng chuyển động của XTND gay nên bởi các quá trình

chính áp dựa vào sự bảo toàn xoáy tuyệt đối Hai cơ chế cơ bản ở đây là điều khiển

bình lưu bằng dòng môi trường của xoáy tương đối gắn liền với XTND - được gọi làdòng dẫn, và quá trình bình lưu kèm theo tương tác phi tuyến giữa dòng môi trường,

gradien xoáy hành tinh và hoàn lưu xoáy.

Vào cuối những năm 80 có sự phát triển mạnh mẽ trong nghiên cứu chuyển

động của XTNĐ, trong đó đặc biệt nhấn mạnh vào các quá trình động lực Phần lớn

những nghiên cứu này bắt đầu bằng thừa nhận rằng những quá trình cơ bản có thể mô

tả được trong một mô hình chính áp với dòng trung bình của một lớp khí quyển có độsâu nào đó Tuy vậy vẫn chưa biết rõ là thừa nhận trên có giá trị đến đâu Trong bất

kỳ trường hợp nào thì việc nghiên cứu chuyển động xoáy bằng các mô hình chính áp

vẫn có giá trị không thể phủ nhận để bước đầu hiểu được chuyển động thực trong khíquyển phi chính áp.

Ooyama (1982) đã tổng quan những thành tựu về quá trình phát triển quan

niệm lý thuyết và mô hình hoá XTND của hai thập ky 60 và 70, trong đó tác gia đã

nhấn mạnh những hiểu biết về nhận thức Ooyama (1982) hệ thống hoá hiện trạng sựphát triển của ly thuyết về XTND cho đến đầu những năm 1980 theo các giai đoạnphát triển quan trọng của nó Tất nhiên ở đây không có nghĩa là đã có đủ kiến thức để

tái tạo được một XTND thực bằng một mô hình số Tuy các mô hình đã có thể mo

phỏng được những xoáy thuận trên mọi kích thước và cường độ, song kết quả nhận

được vẫn còn xa để gọi là thực.

Holand (1953.1984) cũng đã chỉ ra rang rat nhiều những khía cạnh của chuyểnđộng XTNĐ có thẻ giải thích bảng sử dụng lý thuyết xây dựng trên phương trình

xoáy chính áp Những nghiên cứu trước đây cho thấy tầm quan trọng của bảo toàn

xoáy the doi với chuyên động của XTNĐ Mô hình đơn giản nhất mô phỏng đượchiệu ứng này sử dụng phương trình xoáy chính áp không phân kỳ Holand (1985) đã

nghiên cứu chuyên động của XTND chính từ phương điện này.

DeMaria (1985) cũng đã nghiên cứu chuyển động của XTND bằng mô hìnhchính áp không phan kỳ, trong đó phương trình xoáy chính áp không phan kỳ được

giải trên mặt # vi độ trung bình chu kỳ kép bang phương pháp phổ Kết quả chothấy, gradien xoáy tuyệt đối của dòng dẫn (V¢,) [ trong đó ¢, =(c+ /) - tổng của

xoáy tương đối ¢ và xoáy kéo theo / ] gây nên xoáy phi đối xứng trôi cùng với dòng

dân với một thành phân cùng hướng gradien và thành phần thứ hai vuông góc với

gradien về bên trái Xem xét biến đổi ngang của V¢, cho thấy, quỹ đạo xoáy sẽ thayđổi nhạy hơn trong vùng VỶ¿, >0 so với trong vùng V°c, <0 Mặt khác, quỹ đạoxoáy thay đổi nhiều hơn khi có những biến đổi ở các vùng ngoài (biến đổi kíchthước) so với những biến đổi trong các vùng trong (biến đổi cường độ) của xoáy, vàquỹ đạo xoáy sẽ thay đổi nhạy hơn đối với những biến đổi kích thước trong các vùng

có /Ve,/ lớn Theo DeMaria (1985), bình lưu gió môi trường có tác động bổ sung

đối với chuyển động của xoáy này, nghĩa là trong những khoảng thời gian ngắn, xoáy

môi trường tác động giống như hiệu ứng hành tinh: xoáy đối xứng ban đầu lan truyềntheo hướng của gradien xoáy tuyệt đối quy mô lớn.

Hướng nghiên cứu tính phi đối xứng của Fiorino và Elsberry (viết tắt là FE,1989) đã được Smith, Ulrich và Dietachmayer (SUD, 1990) nghiên cứu phát triển sâu

hơn SUD đã xem xét sự tiến triển đồng thời của tính phi đối xứng cả trong xoáy

tương đối và trong trường hàm dòng Ngược lại với FE, nhóm tác giả SUD đã sử dụngphương pháp tách dòng giữa xoáy và môi trường xoáy do Kasahara và Platzman

(1963) phát triển Theo phương pháp này xoáy là xoáy đối xứng ban đầu, còn môitrường là phần còn lại bao gồm phần phi đối xứng xoáy sinh ra SUD đã có thể giải

thích được sự lớn lên theo thời gian về quy mô và cường độ của phi đối xứng cũng

như sự phát triển của một cấu trúc quy mô hành tỉnh ở vùng trong của xoáy Shapiro

an

và Ooyama (1990) nghiên cứu vai trò của phân kỳ ngang đối với chuyển động xoáy

bang một mô hình nước nông cũng dua ra những kết quả tương tự Hai tác gia này đã

tong quan những nghiên cứu này và chỉ ra rằng, sau | đến 2 ngày điều chỉnh xoáy,dang cấu trúc xoáy bão đối xứng ban đầu trôi vẻ phía tây bac với tốc độ vài ba m/s.

Nguyên nhân của sự trôi này đã được Fiorino và Elsberrry (1989) giải thích, trong đó

sự bảo toàn xoáy tuyệt đối đóng vai trò quyết định Hoàn lưu xoáy xoáy thuận mang

không khí có xoáy tuyệt đối thấp theo hướng bắc trên bờ đông của xoáy và do đó tạora di thường xoáy xoáy nghịch ở bờ đông của xoáy Những xoan phi đối xứng sinh ra

bởi tính dị thường xoáy nay đẩy xoáy về phía bac Bình lưu xoáy thuận của xoắn dochính xoáy làm cho quỹ đạo quay về phía tây bác.

Lý thuyết giải tích gần đúng của Smith và Ulrich (SU, 1991), Smith và Weber

(1992) đã có thể cho ta hiểu biết sâu sắc hơn về động lực học của chuyển động xoáy

nói chung Trong lý thuyết này các tác giả đã áp dụng các thí nghiệm cơ bản, trongđó đã khảo sát chuyển động tiếp theo của một xoáy đối xứng ban đầu trên mặt /Ø, cảkhi tồn tại dòng đứt ngang tương đối yếu Trong trường hợp với những giá trị tham sốgần với XTND thi lý thuyết giải tích gần đúng của SU phù hợp tốt với tính toán củamô hình số tương đương cho khoảng thời gian giữa một đến hai ngày Đó là quỹ đạo

xoáy và sự tiến triển của phi đối xứng xoáy, được gọi là xoắn , được dự báo chính

xác Kết quả nghiên cứu lý thuyết này còn là cơ sở khẳng định tính đúng đắn cho các

kết quả nghiên cứu bằng phương pháp số Những tính toán của SU còn thích hợp cho

một bài toán quan trọng nữa là cài xoáy ("bogus") để ban đầu hoá XTND trên cơ sở

động lực học.

Theo Smith (1992), hai nghiên cứu lý thuyết quan trọng về vấn dé chuyển

động của XTNĐ là của Kasahara và Platzman (1964) và của DeMaria (1985) Cả hai

nghiên cứu này đều khảo sát chuyển động của xoáy chính áp trên mặt /Ø đồng thời

với tồn tại của dòng đứt vĩ hướng, và đã tìm thấy rằng xoáy không trôi ngang đơn

giản bằng dòng này, mà trôi cát qua dòng Tốc độ trôi xác định bởi gradien xoáytuyệt đối của môi trường Bằng tích phân số mô hình chính áp không phân kỳ, Chan

và Williams (1987) đã chỉ ra rằng, khi không tồn tại dòng nền thì một xoáy quy mô

XTNĐ trên mặt Ø bắc bán cầu sẽ trôi về hướng tây bắc với tốc độ vài ba m/s Ho

gọi đây là sự trôi đưa đến sự phát triển tính phi đối xứng của xoáy đối xứng Sựphi đối xứng này thể hiện ở chỏ tâm hàm dòng trở nên di động so với tâm xoáy để cómột thành phân xác định của dòng cắt qua sau này.

Chuyển động và sự tiến triển cúa xoáy xoáy thuận còn được Shapiro (1992)nghiên cứu bang một mô hình ba lớp trong toa độ dang nhiệt thế trên mặt / của môitrường nén được Két qua thé hiện sự phát sinh xoáy tuyệt đối va dao động trong

momen góc tương doi trên mat.

Những nghiên cứu mô hình hoá chính áp (của Adem và Lezama 1960, của

Anthes va Hoke 1975, Chan va Williams 1987, Fiorino và Elsbery 1989) đã khangđịnh rằng xoáy của xoáy quy mô XTND có thé chuyển động với tốc độ cỡ 1-3 m/s vềphía cực và về phía tây do sự biến đổi theo vĩ độ của lực Coriolis Fiorino và Elsbery

(1989) nghiên cứu sâu hơn khía cạnh này và cũng chỉ ra rằng, sự lan truyền nàythông thường là một bình lưu phi tuyến của xoáy xoáy thuận đối xứng bởi dòng tựađồng nhất trong vùng tâm của sự phi đối xứng số sóng phương vị thứ nhất Phi đốixứng này được gọi là xoán beta sinh ra bởi hiệu ứng bóp méo của biến Coriolis Hoànlưu xoáy XTND sinh ra phần bình lưu bổ sung vào chuyển động này va Carr (1989)gọi quá trình này là quá trình tự bình lưu Thực chất, sự phát sinh của xoắn Ø bởixoáy của XTND có thể coi là sự biến dạng của môi trường trong vùng lân cận trực

tiếp của nó Mặc dù những xoan đ thường bao phủ rộng hơn bởi hoàn lưu xoáy thuậnmạnh của xoáy XTND Vậy thì thuật ngữ lan truyền hiệu ứng Ø (BEP) quy cho

chuyển động của xoáy XTND sinh ra bởi xoắn /, mà trong trường hợp tổng quát hơn

bao gồm cả gradien xoáy tương đối môi trường Sự khác nhau thám sát được giữachuyển động XTND va dòng dẫn môi trường của lớp sâu (tức là gió trung bình trong

lớp 850-300 mb trong vòng bán kính 5-7 độ quanh XTNĐ) phù hợp cả về giá trị và

hướng với sự lan truyền về hướng cực và về hướng tây dự báo được bằng mô hình

chính áp.

Những nghiên cứu mô hình hoá chính áp khác (Holland 1983, Chan và

Williams 1987 và FE) cho thấy giá trị và có khi cả hướng của vecto BEP phụ thuộc

nhạy bén vào cấu trúc gió ngoài của XTNĐ Ví dụ: FE chỉ ra rằng, BEP rất nhạy đối

với phan bố gió tiếp tuyến XTND đối xứng phía ngoài 300 km tính từ tâm, nhưng

không nhạy đối với cường độ trong vùng tam của nó Vậy BEP phụ thuộc nhiều vào

cấu trúc XTND trên mien rộng, nhưng rất tiếc là nhiều những nghiên cứu chính áp lại

không biểu diễn chính xác được cấu trúc gió bên ngoài của XTNĐ.

Những nghiên cứu chính áp của Smith (1993) cho ta thấy rằng, giá trị vàhướng trôi xoáy trên mat # được xác định bởi tính phi đối xứng trong xoắn tương đối

8(Ø- gres) Xoan này gan liền với xoáy tuyệt đối trong môi trường tồn tại gradienxoáy tương đối Tác giả đã dùng kỹ thuật phân tích thứ nguyên để nhận được một

phương trình tính tốc độ BEP là một hàm của /j và những tham số đặc trưng choprofin giải tích, ví dụ profin của momen góc !⁄,= F(R,, f,, 8), trong đó V, là tốc độ

BEP cực đại nhận được từ tích phan mô hình chính áp không phân kỳ Tác gia đã biến

đổi và nhận được nhiều dạng khác nhau của V, Tóm lai, các mô hình chính áp môphỏng chuyển động XTNĐ đều cho thấy rằng, cấu trúc gió vùng ngoài của XTNĐxác định hiệu ứng lan truyền Ø (BEP).

Carr và Elsberry (1997) đã phát triển một mô hình vật lý đơn giản nhưng đầy ý

nghĩa vật lý về phân bố gió tiếp tuyến của XTND dựa vào tính gần bao toàn momen

góc Mô hình nay đã cố gắng xác định độ trải rộng của XTND cùng với hai phươngpháp biểu diễn cấu trúc gió ngoài của XTNĐ Đây là một mô hình vật lý cấu trúc giótiếp tuyến xoáy thuận phi đối xứng của XTNĐ, hợp lý đối với những mực áp suấttrong lớp 850-500 mb trong vùng ngoài của bán kính gió cực đại và phía trong của

bán kính trung bình của gió cực tiểu (gió zero) Mô hình có hai tham số phụ thuộc

tinh huống là giá trị địa phương của tham số Coriolis ( ƒ,) và bán kính gió zero Bánkính này chính là độ trải của xoáy thuận trên mực khí áp nào đó thường gọi là R,.

Điều quan trọng là nghiên cứu này chấp nhận hai gần đúng nguyên tắc và cũng đã chỉra được những hạn chế (nhưng vẫn có giá trị ứng dụng) Gần đúng thứ nhất là bỏ qua

hoàn lưu phi đối xứng của XTND nay sinh từ hiệu ứng Ø bao gồm do chuyển độngXTNĐ và do bình lưu phi đối xứng Giả thiết thứ hai là luỹ thừa không đổi của bán

kính để biểu diễn profin gió trong vùng ngoài bán kính gió cực đại từ 850mb đến

500mb Người ta đã chỉ ra hai trường hợp mà mô hình đối xứng trên day không biểu

diễn thích hợp cấu trúc gió vùng ngoài của XTNĐ Thứ nhất là vào thời kỳ bộc lộ của

tính phi đối xứng và biến đổi cấu trúc cực đại Đó là khi XTND liên kết với XTND

khác hoặc với xoáy gió mùa hay tương tác với đất liền Trường hợp thứ hai là khiXTNĐ mạnh lên nhanh hay yếu di nhanh Trong phần lớn trường hợp tham số /j xác

„ git val tro

định bởi vi độ và tham số R, đủ để xác định cường độ gió vùng ngoài R

của điều kiên biên ngoài Dù mô hình kinh nghiệm này không phản ánh được tất cả

các quá trình vật lý gan liền với biến đổi cấu trúc XTNĐ nhưng nó đã làm cho tahiểu biết tốt hơn về bên trong của sự diễn biến cấu trúc gió vùng ngoài của XTNDtrong trường hợp gần bảo toàn tổng của momen góc.

Mô hình phân bố gió tiếp tuyến nêu trên đã được dùng để ban đầu hoá cho

một mô hình số chính áp không phân kỳ trên mặt £ với một phổ rất rộng những kích

thước XTNĐ Sau đó dùng phép phân tích thứ nguyên để chuyển tập hợp những giá

trị BEP dự báo bằng mô hình thành quan hệ hàm số giữa tốc độ lan truyền với cấutrúc gió ngoài của XTNĐ được biểu diễn bởi hai tham số điều chỉnh của mô hình

mômen góc.

1.2 NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU UNG PHI CHÍNH ÁP LÊN CHUYỂN

ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI

Trong nhiều năm qua lý thuyết về chuyển động của XTND tập trung chủ yếuvào những hiểu biết cho rằng chuyển động của XTNĐ gây nên bởi các quá trình

chính áp dựa vào tính bảo toàn xoáy tuyệt đối Hai cơ chế cơ bản ở đây là điều khiểnbình lưu bằng dòng môi trường của xoáy tương đối gắn liền với XTND - được gọi làdòng dẫn, và quá trình bình lưu kèm theo tương tác phi tuyến giữa dòng môi trường,

gradien xoáy hành tinh và hoàn lưu xoáy - được gọi là lan truyền hiệu ứng 2 Theo

Chan (1997) những tương tác này sinh ra trong quá trình phát triển dòng với những sốsóng phương vị khác nhau Các quá trình bình lưu sinh ra do mỗi một số sóng này sẽ

tạo ra sự phân bố xu thế xoáy, sau đó kết hợp với xu thế sinh ra bởi dòng dẫn và cho

ta hướng chuyển động của XTND chính là hướng của dòng dẫn Ngan và Chang

(1995) tìm thấy bối cảnh này chỉ chiếm 70% của 60 trường hợp trong Thử nghiệm

“Chuyển động cua XTND” (TCM-90) Vay 30% trường hợp còn lại cần được giảithích bằng những quá trình phi chính áp Trong những năm gần đây có nhiều nghiên

cứu bằng mô hình số đã nói lên vai trò của đốt nóng phi đoạn nhiệt, độ đứt gió, cấu

9

trúc thang đứng của xoáy, đối lưu, nhiệt do mat nước biển và địa hình trong chuyển

động của XTND Sau day sé tóm lược những kết quả và khái niệm chính từ những

nghiên cứu này.

Mục tiêu của những nghiên cứu hiệu ứng phi chính áp là để thiết lập một lý

thuyết có thể mô tả được những quá trình phi chính dp gây nên chuyển động của khíquyền và do đó cla XTNĐ ngoài dòng dẫn (tức bình lưu của xoáy tương đối).

Anthes (1971) đã phát triển một mô hình cảnh báo phi đối xứng trong toa độ

dang nhiệt độ the để nghiên cứu hiệu ứng đốt nóng tích phân đối với động lực học và

năng lượng học của XTND chin mudi trạng thái ổn định Tác giả đã rút ra kết luậnsau: Giá trị và khoảng cách đến tâm của gió cực đại xác định trước hết bởi sự đốt

nóng trong vùng của bán kính cỡ 100km Những biến đổi lớn của đốt nóng ngoài 100km ảnh hưởng ít đèn gió cực đại, nhưng lại gây nên biến đổi lớn của cường độ dòngphía ngoài Vì mômen góc bảo toàn trong dòng môi trường nên kích thước và cườngđộ của xoáy nghịch mực trên cũng có quan hệ chặt chẽ với đốt nóng trên khoảngcách lớn đến tâm.

Trong nghiên cứu của mình, Wu và Wang (2000) mô phỏng tà áp chuyển

động của XTND trên mặt Ø khi không tồn tại dòng nền Xoáy thuận mô phỏng

chuyển động về phía cực trị địa phương của số sóng phương vị thứ nhất của xoáy thế

(PV) trong tầng đối lưu giữa Cực trị này chính là tổng của những đóng góp của bìnhlưu PV và đốt nóng phi đoạn nhiệt.

Nghiên cứu của Chan, Ko va Lei (2002) đã áp dung ý tưởng của Wu và Wang

(2000) và đã chứng minh được giả thiết cho rằng, chuyển động của XTNĐ sinh ra

chủ yếu do bình lưu ngang (HA) và đốt nóng phi đoạn nhiệt (DH) Tất cả nhữngnghiên cứu thám sát cũng như lý thuyết đều chỉ ra sự đóng góp quan trọng của đối

lưu phi đối xứng vào chuyển động của bão Những thành tích đạt được trong thập kỷqua cho ta hiểu biết tốt hơn về những quá trình phi chính áp của chuyển động XTND.

Tuy nhiên, những kết quả này còn xa mới đạt đến một lý thuyết vạn năng chấp nhận

được đối với chuyển động XTNĐ.

Trong vài thập kỷ qua, động lực học của chuyển động XTNĐ được nghiên cứu

đặc biệt mạnh Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu chi dừng lại ở xoáy chính áp trên mat Ø.Trong khi đó thám sát cho thấy, XTND trên quy mô synôp còn bộc lộ rõ tính tà áp

L0

với một xoáy nghịch mở rộng nhưng tương đối nông trên cao Hơn nữa mô hình chính

áp không thé tính được các quá trình ma sát và phi đoạn nhiệt cũng như vai trò quan

trong của biên nhiệt đới với ne cách là nguồn cúng cap năng lượng quan trong dướidang an nhiệt Những quá trình này có vai trò quyết định đối với sự phát sinh và

mạnh lên của XTNĐ, và do đó tác động đến sự chuyển động của nó Tác động của

tính tà áp khí quyền bộc lộ rõ khi XTNĐ trôi về hướng cực cùng với sự tương tác giữa

nó với dòng xiết hay rãnh trên cao, làm thay đổi quỹ đạo chuyển động của XTNĐ.

Một XTND với dòng xoáy thuận trong tầng đối lưu dưới và dòng xoáy nghịchtrong tầng doi lưu trên có hiệu ứng tích phân Ø trong chiều đứng sẽ gây nên biến đổi

thang đứng của xu thế xoáy tương đối do hiệu ứng /j này Kasahara & Platzmann(1963) đã chỉ ra rằng trong điều kiện đoạn nhiệt, độ đứt gió đứng sẽ gây nên gradien

ngang của xoáy thế và do đó tác động đến chuyển động của bão Quá trình vật lý nàycũng giống như hiệu ứng £ Wu & Emanual (1993) cũng cho rằng sự bảo toàn xoáy

thế sẽ làm cho xoáy nghịch trên cao xuyên sâu xuống và xoáy thuận mực thấp xuyên

lên cao; kết quả sẽ có tác động bổ sung đến dòng dẫn Những nghiên cứu nêu trên

đều chỉ ra khả năng dùng xoáy thế là một tham số nghiên cứu chuyển động của

XTND, đương nhiên cũng làm nay sinh nhiều vấn đề kèm theo Trước hết, các sơ đồtham số hoá đối lưu trong thử nghiệm số có thể đưa đến những phân bố khác nhau

của đối lưu và do đo là cả xoáy thế Điều đó có nghĩa là chuyển động xoáy trong mô

hình số là kết quả của sơ đồ nhiều hơn là kết quả vật lý Sau đó là khái niệm xuyên

sâu xoáy thế theo chiều đứng đòi hỏi thừa nhận khí quyển là ổn định, và do đó phụ

Wu và Emanual (1993, 1994) nghiên cứu tác động phối hợp của xoáy nghịch

trên cao và độ đứt gió đứng đối với chuyển động cua XTND bằng một mô hình tựađịa chuyển hai mực và tim thấy chuyển động của xoáy hoàn toàn bị chi phối bởi độ

đứt gió thang đứng Sự can trở của đối lưu là một hạn chế lớn đối với các mô hình

kho Trong những vùng có đối lưu sâu chuyển động thang đứng sẽ vận chuyển khối

lượng và dong lượng từ mực thấp lên mực cao và do đó làm tăng cường sự lồng ghép

thang đứng giữa những lớp xoáy Shapiro (1992) đã sử dụng một mô hình đảng nhiệt

the ba lớp có tính đến hiệu ứng phi đoạn nhiệt cùng với sự có mặt của dòng xiết gió

tay de nghiên cứu chuyển động của XTND Kết quả nghiên cứu này cho thấy xoáymực giữa chuyền động vẻ phía phải của vùng đứt gió.

Sử dụng mô hình của Anthes (1971), Rosenthal (1971) đã nghiên cứu hiệu ứng

của sự biến đổi các tham số lớp biên, của điều kiện ban đầu và điều kiện biên xungquanh cũng như kích thước miền tính toán đối với sự phát triển và duy trì xoáy môhình Kết quả cho thấy: a) Sự thay đổi của dòng ẩn nhiệt trên biển có vai trò quyếtđịnh đối với sự duy trì và phát triển xoáy thuận mô hình, còn của hiển nhiệt lại ítquan trọng hơn, b) Những thí nghiệm với điều kiện biên xung quanh mở thì cấu trúc

và cường độ giai đoạn chín mudi của xoáy thuận mô hình là ít nhạy đối với nhiễu ban

đầu và kích thước miền tính, song thời gian để đạt được giai đoạn chin mudi lại rất

nhạy đối với những ảnh hưởng này, c) Điều kiện biên xung quanh (đóng hay mở) là

đặc biệt quan trọng đối với sự phát triển và duy trì của XTNĐ, trong đó đối với những

miền tính nhỏ hơn hoặc bảng 2000 km thì xoáy thuận mô hình với biên đóng sẽ yếu

hơn so với xoáy mô hình có biên mở Tuy vậy, cường độ của các hệ thống đóng tăngrõ rệt theo kích thước miền tính Những kết quả này phù hợp định tính với những kếtluận của Ooyama (1969).

Ooyama (1982) đã nhấn mạnh rang, về mặt động lực XTND là sự thiết lập quy

mô vừa có cường độ mạnh kết hợp với một hệ thống nền có quy mô synôp Từ đầu

những năm 1980 với những thám sát bão bằng máy bay cùng với những phân tích lý

thuyết người ta đã diễn giải khá tốt cấu trúc chung, về năng lượng học của cả hệthống và của những thành phần cơ bản của XTND Thực tiễn dự báo ngày càng bộc

lộ nhiều khó khăn hơn về mặt động lực học và không thống nhất một cách rõ ràng với

những phát hiện cơ bản Để cuối cùng có thể có được một lý thuyết thống nhất cần

có sự thay đổi cơ bản trong nhận thức Việc tham số hoá đối lưu cumulus đã là mộtnhân tố kỹ thuật quan trọng để đưa bài toán tương tác đa quy mô về dạng toán họcđơn giản hơn Hon thế nữa, đã có sự biến doi trong nhận thức của các nhà mô hình về

bài toán cơ bản và về sự sắp xếp lại thứ tự ưu tiên Điều đó làm cho tham số hóa là

một thay thẻ chấp nhận được cho mô hình mây chỉ tiết Giá trị và hạn chế của lý

thuyết mới (được gọi là CISK) đã dược chứng minh qua những thử nghiệm bang

những mô hình số phi tuyến Trong lúc đó việc đơn giản hóa toán học trong những sơ

đồ tham số hoá nhất định đã thu hút việc áp dụng những sơ đồ này vào các bài toán

nhiều động nhiệt đới khác, kể cả sóng đông, thay cho cách truyền thống là phân tích

on định tuyến tính.

Cùng với những ưu việt khác của mô hình hoá bảng phương pháp số, con

người đã nâng tam nghiên cứu XTND từ hiểu biết nhận thức của một hệ lý tưởng hoá

đến mô phỏng số chi tiết vé những xoáy thuận thực Trên thực tế, một số mô hình đãquay về tính toán rõ quy mô mây Tuy nhiên, việc tham số hoá toàn bộ mây vẫn là

chưa khả thi Một mô hình có thể rất tốt nếu tất cả những phiền phức với tham số hoá

đối lưu không diễn ra trong quá trình mô hình hoá XTNĐ.

Đến nay các nhà nghiên cứu khí tượng lớn trên thế giới vẫn chưa tìm được

phương pháp tốt nhất để biểu diễn đối lưu cumulus trong mô hình số Điểm khácnhau cơ bản trong quan điểm là ở cách biểu diễn tương tác giữa đối lưu và hoàn lưu

XTND Phan lớn những tham số hoá đối lưu đều thừa nhận rang, sự hội tụ khối lượng

hay ẩm mực thấp là nguyên nhân của sự duy trì đối lưu Emanual & Raymond (1993)và Emanual (1994) đã tổng kết các sơ đồ tham số hoá đối lưu trong mô hình số pháttriển đến nam 1994 Raymond (1994) chi rõ rằng hội tụ ẩm trên đại dương nhiệt đớinóng được kiểm soát chủ yếu bởi nhiệt độ thế tương đương của lớp biên, hội tụ ẩm

mực thấp và chuyển động thang đứng gắn liền với nó là hệ quả của đối lưu chứ không

phải nguyên nhân Quan niệm này của Emanual và Raymond (1993) trái ngược với

những quan niệm trước đây cho rang, sự hội tụ sinh ra do ma sát trong lớp biên lànguyên nhân gây nên đối lưu sâu có tổ chức trong XTNĐ Tuy vậy, vẫn chưa khẳng

định được tư tưởng của Raymond (1994) đúng với XTND đến mức nao.

Dengler và Reeder (1995) đã dùng một mô hình số nước nông không nén ba

lớp đẻ nghiên cứu vai trò của gradien xoáy thế trên đáy, và dị thường xoáy thế mực

trên cùng với tồn tại đứt gió thăng đứng đối với động lực học của chuyển động xoáy

giống XTND Mô hình này còn đưa vào cả tham số hoá các quá trình lớp biên, đối

lưu và trao đổi năng lượng mặt biển theo Ooyama (1969) Kết quả nghiên cứu của

Dengler và Reeder (1995) cho thấy chuyển động của xoáy mực giữa rất nhạy đối với

các kiểu xoáy mực trên Các kiểu xoáy mực trên lại được xác định bởi đối lưu và

tương tác của nó với gió mực giữa Kết quả này còn chỉ ra rằng chuyển động của

xoáy thuận mô hình là rất nhạy đối với các chi tiết của của tham số hoá đối lưu.

Nghiên cứu này cũng còn khang định hiệu ứng của đối lưu quy mô dưới lưới và lamthế nào để tham số hoá chúng là vấn đề còn được hiểu biết rất ít trong mô hình hoá

Su trao đổi nang lượng giữa dai dương và khí quyển phụ thuộc vào nhiệt độ

mặt nước biển (SST) Như ta biết, bão chỉ mạnh lên và duy trì cường độ của nó khi

nhiệt độ mat biển lớn hơn 26,5°C Giá trị này do Palmen lần đầu tiên nhận được nam

1948 Tương tác giữa bão và lớp xáo trộn trên đại dương được nghiên cứu nhiều bằngnhững mô hình hai chiều đối xứng trục (O’Brien va Reid 1967, Elsberry và CS 1976,

Chang 1979) hay bằng mô hình số ba chiều (Khai & Ginis 1991) Sự cản sẽ làm

nước lạnh từ phía dưới lớp tà nhiệt trồi lên lớp xáo trộn đại dương trong vùng tâm của

đối lưu gây nên giảm nhiệt độ biển và do đó làm giảm cường độ bão Sự giảm nhiệtđộ biển kiểu này sẽ càng lớn hơn khi bão chuyển động càng chậm.

Thám sát cho thấy, những cơn bão chuyển động chậm sẽ chuyển động về

những vùng có SST cao hơn Chang & Madala (1980) đã dùng một mô hình số

phương trình nguyên thuỷ 7 mực với dòng gió tây không đổi trên mặt f để nghiên

cứu tách rời tác động của SST đến chuyển động của bão Họ đã tìm thấy bão có xuhướng chuyển động đến những vùng có SST cao hơn khi gradien của SST vuông góc

với dòng môi trường trung bình Thêm vào đó xoáy mô hình sẽ mạnh lên nhiều hơn

nếu vùng của SST cao hơn nằm phía phải của quỹ đạo xoáy Đó là phần đóng góp vàosự phi đối xứng của xoáy gắn liền với chuyển động của bão Tuy vậy, vì độ phân giải

ngang của mô hình còn thô (60km) nên đã không mô tả được vùng tâm trong củaxoáy mô hình.

Bang sử dụng một mô hình nước nông ba lớp Dengler (1995) đã nghiên cứutác động của sự thay đổi điều kiện mặt đất cũng như biến đổi SST đối với quỹ đạo của

bão chuyển động chậm Trong mô hình này Dengler đã đưa vào tham số hoá đối lưu,ma sát và trao đổi năng lượng bé mặt (theo Dengler va Reeder 1995) Bang mô hìnhđơn giản này, tác gia đã nghiên cứu cơ chế đưa đến lệch qũy đạo bão khi dé bộ vào

I4

đất lien Tác giá đã tim thấy quỹ đạo bão rất nhạy với hướng của đường bờ biển vàgiá trị của hệ so can trên đất liên Nếu trong vùng gió ngoài khơi quan sát thấy sự

phan kỳ trong lớp biên sẽ dan tới có chuyển động xuống từ lớp giữa vào lớp biên Kết

qua là tiêu hao khối lượng trong lớp giữa và tác động mạnh đến vị trí của xoán Ø.

Tác gia còn cho thấy su biến doi của cường độ và vị trí của xoán # dẫn đến lệch quỹđạo bão khi bão di sâu vào những vùng có SST khác nhau Đó là kết quả sự biến đổi

cường độ hoàn lưu xoáy.

Tác động của biến đổi SST và ma sát bẻ mặt đến tham số hoá đối lưu theo

những phương thức khác nhau Tác động của SST chỉ giới hạn trong vùng của hội tụlớp biên Sự mạnh lên của xoáy kèm theo phân kỳ hay hội tụ trong lớp biên Tuy vậy,

cấu trúc của trường phân kỳ lớp biên không biến đổi đáng kể Sự khác nhau của ma

sát bề mặt giữa đất và biển ảnh hưởng trực tiếp đến trường động lượng và do đó làm

biến đổi cấu trúc của trường phân kỳ lớp biên, đặc biệt phân kỳ ở phía ngoài, giống

như thám sát thấy Ngược lại, biến đổi cường độ trong xoáy trong những thử nghiệm

về SST lại là nguyên nhân của sự biến đổi cấu trúc và cường độ của xoắn Ø sinh ra

trong độ lệch quỹ đạo như thám sát thấy Kết quả của nghiên cứu trên đây của

Dengler (1995) cho ta hiểu biết thêm về chuyển động của bão khi tồn tại địa hình quy

mô lớn.

1.3 DỰ BAO QUY ĐẠO VÀ CƯỜNG ĐỘ CUA XOÁY THUAN NHIỆT DOI

BANG MÔ HÌNH THUY ĐỘNG LUC

1.3.1 Tổng quan về các loại mô hình

Trong vài thập kỷ cuối trên thế giới đã ứng dụng rộng rãi mô hình động lực

học trong dự báo thời tiết, trong đó đã dự báo được chuyển động của XTND cả trênquy mô toàn cầu và quy mô khu vực Theo tính chất của hệ phương trình cũng như

lịch sử phát triển, có thể phân loại các mô hình số thành ba nhóm lớn là:

a) các mô hình chính áp không phân kỳ,

b) các mô hình nước nông

c) các mô hình dùng hệ phương trình nguyên thủy đầy đủ.

Các mô hình chính áp không phân kỳ được xây dựng trên cơ sở phương trình

xu thế xoáy mô phỏng sự di chuyển của bão như là sự vận chuyển xoáy do quá trìnhbình lưu xoáy trên mặt không phân kỳ Các mô hình tựa địa chuyển và tựa solenoid

thuộc lớp mô hình này Do sự đơn giản, đòi hỏi khả năng tính toán và xử lý số tối

thiểu, đây chính là những mô hình đã thực hiện dự báo thành công đầu tiên trong lịchsử dự báo số Tuy nhiên, vì những sự hạn chế trong việc không thể mô tả các quá

trình phi chính áp trong XTND và ảnh hưởng của môi trường có tinh tà áp mạnh, đưa

ra những dự báo không chính xác nên các mô hình loại này không còn được dùng

trong dự báo nghiệp vụ nữa, thay vào đó là các mô hình phức tạp hơn, có khả năng

mô phỏng các quá trình vật lý gần với khí quyển thực hơn.

Các mô hình nước nông dựa trên hệ phương trình Navie-Stokes đã được trung

bình hoá một phần hay toàn bộ với giả thiết là qui mô ngang lớn hơn qui mô thẳng

đứng rất nhiều, và thỏa mãn điều kiện cân bang thuỷ tĩnh Các mô hình loại này coikhí quyển gồm một hoặc nhiều lớp chất lỏng không nén được và đồng nhất với cáctính chất không đổi như mật độ hoặc nhiệt độ thế vị Mô hình nước nông có thể là hai

chiều (một lớp) hoặc ba chiều (nhiều lớp).

Các mô hình nước nông hai chiều mô tả một lớp khí quyển với các tính chấttrung bình hoá (theo phương thắng đứng) cho lớp đó Đây vẫn là mô hình chính áp vì

giả thiết khí quyển là một lớp đồng nhất theo phương thẳng đứng Do ảnh hưởng của

các quá trình chính áp đến sự di chuyển của bão là tương đối đáng kể nên các mô

hình chính áp loại này vẫn đang được sử dụng trong dự báo bão (ví dụ như mô hìnhLBAR được sử dụng nghiệp vụ tại các Trung tâm Dự báo Bão của Hoa Kỳ) Một lợi

thế khác của cấu trúc một lớp đơn giản là ta có thể dễ dàng hiệu chỉnh trường ban đầusao cho xoáy bão trong mô hình có chuyển động ban đầu tương ứng với chuyển độngcủa xoáy bão thực, điều khó có thể thực hiện được với các mô hình phức tạp, nhiều

tầng Sự hiệu chỉnh tuy đơn giản này lại làm tăng đáng kể độ chính xác của dự báo

qui đạo bão Dựa vào mô hình VICBAR của DeMaria (1989), Weber(2001) đã phattriển mô hình WBAR - một mô hình thuộc dạng này và đã được thử nghiệm cho cáccơn bão ở Đại Tây Dương với kết quả khả quan Trong luận án này, chúng tôi sẽ

nghiên cứu kỹ mô hình này và tiến hành thử nghiệm dự báo chuyển động của bão

trên khu vực Biển Đông.

16

Tuy nhiên, các mô hình loại này van không thể tránh khỏi các nhược điểm cố

hữu của mô hình chính áp là không mô tả được các quá trình phi chính áp như ảnh

hưởng của độ đứt gió thang đứng, các quá trình vận chuyển và xáo tron thang đứng,

cũng như các quá trình phi đoạn nhiệt (ma sát bề mặt, đối lưu) Như vậy, khi cơn bão

chịu ảnh hưởng của các hệ thống có độ tà áp lớn như dưới dòng xiết trên cao hoặc cáchệ thống sóng tà áp (ví dụ như nhiễu động sóng trong trường gió tây trên cao), cấu

trúc thang đứng không đồng nhất của các hệ thống này sẽ không được mô tả trong

mô hình nước nông hai chiều (do phép lấy trung bình theo phương thẳng đứng).

Với cấu trúc thang đứng gồm nhiều lớp được giả thiết là có tính chất đồng

nhất chong lên nhau, các mô hình nước nông ba chiều có thể phần nào mô tả được

cấu trúc thang đứng của khí quyển và các quá trình vật lý liên quan như vận chuyểnvà trao đổi rối thang đứng, đối lưu, ma sát Tuy nhiên, các quá trình trao đổi thẳng

đứng thường được tham số hóa thông qua sự trao đổi (khối lượng, động lượng) giữa

các lớp thay vì có sự mô tả rõ về cơ chế chuyển đổi giữa động năng và thế năng, và

do đó khó có thể mô tả sự chuyển đổi năng lượng trong mô hình sát với thực tế.

Dựa trên sự khởi đầu thành công của Ooyama (1969) trong việc mô phỏng quá

trình phát triển của bão, một loạt các mô hình khác thuộc loại này được phát triển vàsử dụng rộng rãi nhằm mục đích nghiên cứu các khía cạnh khác nhau ảnh hưởng đến

đường đi và phát triển của xoáy bão Các mô hình này thường được sử dụng với xoáy

bão ban đầu và trường môi trường theo một kịch bản mô phỏng nào đó thay vì sử

dụng số liệu thực Dengler (1995) đã phát triển một mô hình nước nông 3 lớp môphỏng chuyển động bão (ký hiệu là D95) Có thể nói đây là cấu trúc tối thiểu để có

thể mô phỏng hoàn lưu thứ cấp trong bão với dòng thổi vào trong lớp khí quyển dưới

cùng (lớp biên), dòng chuyển động thẳng đứng trong thành mắt bão trong lớp giữa,và dòng thổi ra ở lớp trên cùng của tầng đối lưu Với cấu trúc này, mô hình chừngmực nào đó thể hiện được ảnh hưởng của cấu trúc thang đứng của khí quyển tới sự dichuyển và cường độ của bão Các quá trình trao đổi trong phương đứng giữa các lớp

được tham số hoá nhằm mô phỏng được phần nào đó ảnh hưởng của các quá trình đối

lưu sâu đối với sự chuyển động của bão Đây chính là điểm ưu việt của D95 so với

mô hình mô phỏng khí quyến chính áp WBAR, va do đó trong luận án này chúng tôi

17 =

sẽ phát triển D95 thành một mô hình dự báo để nghiên cứu kha nang dự báo chuyển

động của bão trong Biển Dong.

Lớp mô hình cuối cùng và phức tạp nhất là các mô hình sử dụng hệ phươngtrình nguyên thuỷ có độ phân giải ngang và đứng cao, với tham số hoá phức tạp các

quá trình vật lý, đang được áp dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết khu vực - khu vực

hạn chế ở nhiều nước trên thế giới Các mô hình hệ phương trình nguyên thuỷ liên tục

được nghiên cứu cải tiến và trở nên ngày càng phức tạp hơn với các quá trình vật lýkhác nhau được mô phỏng như đối lưu, rối, bức xạ, các quá trình tương tác giữa khí

quyền và bề mặt Nhờ đó, chúng có thể đưa ra dự báo không chỉ đường đi và cường

độ của bão mà cả các yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến đời sống, kinh tế xã hội

như lượng mưa và vùng mưa gây nên do bão hay do ảnh hưởng của bão kết hợp với

các hệ thống thời tiết khác.

Theo miền dự báo, có thể phân các mô hình loại này thành mô hình toàn cầu

và mô hình lãnh thổ giới hạn Các mô hình toàn cầu đòi hỏi phải có hệ thống thu thập

số liệu toàn cầu, hệ thống phân tích số liệu tốt để làm đầu vào cho mô hình, và cuối

cùng là khả năng tính toán nhanh để đưa ra kết quả dự báo kịp thời Trong số các mô

hình toàn cầu hàng đầu thế giới hiện nay về dự báo bão phải kể đến mô hình của

Trung tâm Dự báo Thời tiết Hạn vừa Châu Âu (ECMWF), mô hình AVN va

NOGAPS của Khí tượng Hoa Kỳ, mô hình UKMET của Khí tượng Anh, mô hình

GSM của Khí tượng Nhật Đối với các mô hình lãnh thổ hạn chế, cần thiết phải cóthêm điều kiện biên, thường là lấy từ dự báo của mô hình toàn cầu Hiện nay, có thểcoi mô hình GFDL chuyên dụng để dự báo bão của Phòng Thí nghiệm Động lực Chất

lỏng Địa vật lý của Hoa Kỳ là mô hình phức tạp và hiện đại nhất thuộc loại này.

Các mô hình dự báo lãnh thổ hạn chế khác đang được sử dụng rộng rãi có thểkể ra là: MM5, WRF, HRM và ETA Trong số đó, mô hình HRM được chạy nghiệp

vụ từ năm 2002, và ETA đang được bắt đầu thử nghiệm ở Trung tâm Dự báo Khítượng Thuỷ văn Trung ương Mô hình phân giải cao HRM, đã từng là mô hình dự báo

nghiệp vụ của Cơ quan thời tiết CHLB Đức, sẽ được sử dụng trong luận án này để dựbáo thử nghiệm các cơn bão trên Biển Đông.

Ngoài các phương pháp dựa trên các mô hình số đã được trình bày ở trên,

phương pháp dự báo qui đạo bão theo quán tính khí hau CLIPER (CLImate

PERsisten) cũng được sử dụng rộng rãi tại các Trung tam dự báo bão lớn trên thế gidinhư Trung tam Hon hợp Cảnh báo bão (JTWC), Trung tam Quốc gia Du báo bão(NHC) của Hoa Ky CLIPER được phát triển boi Neumann từ những nam 1970, tiếp

tục được nghiên cứu cai tiến trong các nghiên cứu của Xu va Neumann (1985),

Aberson (1998, 2003) Ngoài ý nghĩa trong dự báo bão nghiệp vụ, CLIPER còn được

coi như một tiêu chuẩn để đánh giá kỹ nang dự báo bão của các mô hình: mô hình

được coi là có kỹ năng dự báo bão nếu cho sai số nhỏ hơn của CLIPER (Aberson,

1998, 2003) Trong nghiên cứu này, chúng tôi cũng sử dụng phương pháp CLIPERvới những biến dau vào tương tự như của Neumann Chi tiết về phương pháp này

được trình bày trong phụ lục 8.

1.3.2 Một số nghiên cứu nhằm tăng độ chính xác của các mô hình dự báo

Lưu trữ nhiều nam sản phẩm dự báo của các mô hình dự báo nghiệp vụ đã cho

phép đánh giá sai số dự báo quỹ đạo XTND bang các mô hình động lực khác nhau,

trên cơ sở đó có thể tìm ra nguyên nhân gây nên sai số dự báo quỹ đạo XTNĐ Phần

lớn những công trình nghiên cứu trong lãnh vực này là của Carr và Elsberry Trong

hai công trình gần đây Carr và Elsberry (2000, Part I và II) đánh giá những dự báoquỹ đạo bão có sai số lớn (dự báo 72h với sai số lớn hơn 550 km) cho vùng Tây-Bắc

Thái Bình Dương năm 1997 bằng mô hình thuỷ động Đó là hệ thống dự báo nghiệp

vụ khí quyển toàn cầu của Navy (NOGAPS) và bằng Mô hình của Phòng thí nghiệm

động lực học chất lỏng địa vật lý (GFDL).

Trong phần nghiên cứu thứ nhất (Part I) Carr và Elsberry đã đánh giá sai số

xẩy ra khi XTNĐ còn chuyển động trong vùng nhiệt đới và kết luận rằng, sai số dựbáo quỹ đạo XTND lớn gần như luôn luôn xẩy ra khi mô hình thuỷ động mô phỏngkhông đúng những cơ chế vật lý thật gây nên chuyển động của XTNĐ Đó là khi

tương tác trực tiếp với một xoáy thuận khác quá mạnh, quỹ đạo XTND yếu di vì dựbáo sai kích thước XTND và kích thước xoáy thuận bên cạnh Kết quả tương tự đốivới những sai số lớn gan liền với cơ chế vật lý của xoáy thuận tương tác gián tiếp với

biến đổi sống do tác động của XTND va sự hình thành rãnh ngược lại.

19

Trong phan thứ har (Part H) Carr và Elsberry nghiên cứu ảnh hưởng của hoàn

lưu vĩ đỏ trung bình den sai số lớn trong dự báo quỹ đạo XTNĐ Nghiên cứu này

nham tìm nguyên nhân của những sai số lớn nêu trên khi XTND chịu tác động thốngtrị của hoàn lưu vĩ độ trung bình Tư tưởng cơ bản về sự tiến triển của hệ thống vĩ độtrung bình là những biến đổi của dòng dẫn sinh ra do sự phát triển, tiêu hao hay vận

chuyển của hoàn lưu vĩ độ trung bình (như xoáy thuận, rãnh, xoáy nghịch hay sống)xay ra vé cơ bản độc lập đối với XTNĐ Những sai số này trước hết gắn liên với ảnh

hưởng của sự phát sinh xoáy thuận vĩ độ trung bình (MCG), sự phát sinh xoáy nghịch

vĩ độ trung bình (MAG), sự suy yếu xoáy nghịch vĩ độ trung bình (MAL) hay sự suy

yếu xoáy thuận vĩ độ trung bình (MCL) có quan hệ với cấu trúc và chuyển động củahoàn lưu vĩ độ trung bình (như rãnh, sống, xoáy thuận hay xoáy nghịch).

Những nghiên cứu về các nguyên nhân dẫn đến sai số là những cơ sở khoa học

cho việc cải tiến các mô hình dự báo cho hoàn thiện hơn Mô hình bão đa lưới lồng di

động (MMM) của Phòng thí nghiệm Động lực Chất long Dia vật lý (GFDL) kết hợp

với phân tích toàn cầu T80 của Trung tâm Khí tượng Quốc gia Hoa Kỳ (NMC) đã có

thể mô phỏng được chuyển động mạnh dần lên của bão Gloria năm 1985 cũng như

nhiều đặc điểm cấu trúc thám sát được của nó như sự phân bố phi đối xứng mạnh của

gió và mưa Tuy vậy, do sự không phù hợp giữa độ phân giải tinh của mô hình bão và

độ phân giải thô của phân tích cùng với sự khác nhau vật lý giữa mô hình bão và mô

hình phân tích đã đưa đến chu kỳ lớn của điều chỉnh xoáy sau khi bắt đầu dự báo Rõ

ràng là xoáy phân tích ban đầu của NMC là quá lớn và quá yếu, và sẽ dẫn đến sai sốtrong quá trình tích phân mô hình Do sự quay chậm của xoáy ban đầu mà mô hình

không dự báo được nên cường độ bão và chuyển động bão dự báo trong thời kỳ đầu

của tích phân mô hình cũng thất thường Vậy rõ ràng là giải quyết được vấn đề mô tảsai xoáy này sẽ cải thiện được độ chính xác dự báo động lực của XTNĐ Vấn đề này

phụ thuộc trước hết vào khả năng và chất lượng thám sát Một biện pháp hữu hiệu nữa

là tạo ra xoáy mô hình thật hơn bằng phương pháp cài xoáy.

XTNĐ xuất hiện và chin mudi đều trên đại dương nhiệt đới, nơi có mật độtrạm thám sát khí tượng truyền thống thưa thớt, nhất là trạm thám không Vì vậy

XTNĐ ở những vị trí nào đó có thể hoàn toàn không được phát hiện trên lưới số liệu

truyền thống Ban thân số liệu vệ tinh và kha năng thay thám sát mat đất và thám

20

khong bang số liệu vệ tinh cũng còn rất han che Gió suy ra từ sự trôi của mây trên

ảnh vệ tinh cho ta thông tin hữu ích vẻ dòng khí trong môi trường xoáy thuận Vì sựnghèo nàn số liệu trên biển nói chung và xung quanh XTND nói riêng, khó có thể dự

báo tốt quỹ đạo bão, dù chỉ trước một hai ngày Reeder (1991) đã khảo sát tỉ mỉ độ

phân giải cần thiết để giải đúng sự phi đối xứng xoáy quan hệ chặt chẽ với chuyển

động bão Phát triển nghiên cứu này Weber và Smith (1995) đã đưa ra một phươngpháp phân tích mới Vì nghèo số liệu nên phải cài số liệu nhân tạo để xác định tâmhoàn lưu ở vị trí thích hợp Tư tưởng của phương pháp này là tạo ra một tập số liệunhân tạo nhờ mô phỏng một xoáy thuận nhiệt đới bằng một mô hình số Mô hình số

này sẽ dùng để dự báo chuyển động tiếp theo của XTNĐ và tập số liệu sẽ là sự thểhiện của khí quyển.

Chi tiết của phương pháp này là: trước hết lấy tích phân phương trình xoáychính áp trên mặt Ø có tồn tại dòng đứt ngang quy mô lớn, trên đó tại thời điểm đầucài vào một xoáy có quy mô XTND và tích phân nó đến 96 giờ Từ đây có thể xác

định được sự tiến triển của dòng và do đó cả quỹ đạo của xoáy với độ chính xác caohơn do dùng lưới phân giải cao Các tác giả đã nghiên cứu khả năng và khó khăn gắnliền với vị trí ban đầu của xoáy, ảnh hưởng xấu đối với dự báo quỹ đạo bão khi giảmđộ phân giải và vai trò quan trọng tương đối của phi đối xứng xoáy phân tích đối với

quỹ đạo xoáy.

Bằng mô hình thuỷ động dựa vào hệ phương trình đầy đủ đã có thể dự báo cả

cường độ của XTNĐ Tuy vậy đến nay kết quả dự báo cường độ bão còn kém xa sovới dự báo quỹ đạo bão Kleinschmidt (1951), Miller (1958) và Malkus & Reihn

(1960) đã tiến hành những nghiên cứu đầu tiên nhằm xác định cường độ cực đại củaXTNĐ (gọi là MPI) Đến nay phần lớn những nghiên cứu về MPI đang là củaEmanual (1986, 1988, 1991 và 1997) và Holland (1997) Trong các mô hình của hai

tác giả này MPI bị thống trị trước hết bởi SST và độ ẩm tương đối bề mặt, bởi độ cao

của mực cân bằng đối lưu và bởi nhiệt độ trung bình của vùng ngoài XTND Thêm

vào đó MPI còn là hàm của cấu trúc nhiệt của tầng khí quyển trên Tuy vậy, các lýthuyết này vẫn bộc lộ rất nhiều yếu điểm và do đó chưa có sức thuyết phục.

Bang lý thuyết cũng như thám sát đều đã khẳng dinh rằng đối lưu, đặc biệt là

đối lưu sâu, có vai trò quan trọng quyết định trong diễn biến cường độ của XTNĐ.

Bởi vậy trong các mô hình dự báo cường độ XTND thì đối lưu, trước hết là đối lưu

sâu được tham số hoá bằng nhiều sơ đồ phức tạp khác nhau (sơ đồ Kuo,

Arakawa-Shubert, Tiedtke, Betts-Miller, Grell) và do đó cũng cho những kết quả khác nhau.

Zhu H và R.K Smith (2002) đã dùng một mô hình XTNĐ ba chiều tối thiểu

để nghiên cứu tách rời và làm rõ vai trò của ba quá trình vật lý quan trọng (đối lưu

nông, sự rơi mưa lạnh và vận chuyển động lượng thẳng đứng bằng đối lưu sau) đốivới cường độ của xoáy thuận nhiệt đới Tác giả đã chỉ ra tác động tách rời của ba quá

mới, và tăng độ phân giải ngang Kết quả cho thấy, những cải tiến trong dự báo nhiệt

đới, thể hiện qua giảm sai số hệ thống là nhờ phản ánh được sự ràng buộc phi đoạn

nhiệt ở nhiệt đới thực hơn.

Sự biến đổi của các trường khí hậu ở nhiệt đới rất nhỏ so với ngoại nhiệt đới,

do đó dự báo nhiệt đới đòi hỏi phải chính xác hơn nhiều về nguyên tắc Một vấn đềkhác được tranh luận là sự thống trị của ép buộc vật lý so với ép buộc động lực Các

tác giả đều cho rằng, những cải tiến trong tham số hoá vật lý sẽ có tác động lớn đến

mô phỏng nhiệt đới giống như quan niệm của Krishnamurti (1985) và Kreshaw(1985) Ngoài ra độ phân giải cũng quan trọng đối với độ chính xác của dự báo.

Nghiên cứu của Tiedtke M., Heckley A., Slingo J đã đánh giá tác động của tổhợp vật lý và tăng độ phân giải ngang đối với sai số hệ thống trong dư báo nghiệp vụcủa ECMWF ở nhiệt đới Sự thiết lập tham số hoá vật lý có ảnh hưởng lớn không

những đối với sai số hệ thống mà còn đến dự báo những nhiễu động cá biệt Những

thay đổi sau đây được đưa vào nghiệp vụ ở ECMWF từ tháng 5/1985: a) Tham số hoá

đối lưu cumulus nông, không mưa; b) Xem xét lại tham số hoá đối lưu cumulus sâu;

c) Sơ đồ phủ mây mới để tính bức xạ (Slingo 1987); d) Tăng độ phân giải ngang Kếtquả là tham số hoá đối lưu cumulus nông đã làm tăng thông lượng ẩm đi từ các lớpbiên cận nhiệt đới Nhờ vậy, nghịch nhiệt gió mậu dịch được duy trì để cho ta cấutrúc của lớp biên với lớp mây nghịch nhiệt Lượng ẩm tăng lên này được chuyển vào

vùng nhiệt đới nhờ gió mau dịch và nhờ đó làm tang nguồn ẩm cho đối lưu sau, cùng

với biển đổi sơ đỏ Kuo đã tao ra lượng mưa lớn hơn và phân bố mưa thật hơn theo địa

lý Giải hội tụ nhiệt đới cũng được cải thiện nhiều và rãnh xích đạo sâu hơn.

14 DAC DIEM CUA XTND TREN KHU VỤC BIỂN ĐÔNG VÀ CÁCNGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH SỐ Ở VIỆT NAM

1.4.1 Đặc điểm hoạt dong của XTND trên khu vực Biển Dong

Bão hoạt động trên khu vực Biển Đông bao gồm bão có nguồn gốc từ Tây bác

Thái Binh Dương (bão Tây bac Thái Bình Dương) và bão có nguồn gốc Biển Đông

(bão Biển Đông) Do vậy, đặc điểm của bão hoạt động trên khu vực Biển Đông vừa

mang đặc thù chung của bão Tây bác Thái Bình Dương vừa mang những nét riêng

biệt của bão Biển Đông Đó là tính chất đặc trưng của bão hoạt động trên một vùngbiển được bao bọc tương đối kín bởi một đại lục rộng lớn ở phía bắc và phía tây, một

hệ thống đảo, quần đảo ở phía đông và nam, kéo dài từ đảo Đài Loan, quần đảo

Phi-lip-pin, dao Palawan tạo thành một vành đai che chắn phía đông.

Theo số liệu 40 năm gần đây (1961- 2000), có 398 cơn bão hoạt động trên khu

vực Biển Đông trong đó có 192 cơn có nguồn gốc tây bắc Thái Bình Dương chiếmkhoảng 48,2%, số còn lại là bão có nguồn gốc Biển Đông Trung bình hàng năm cókhoảng 9,95 cơn bão và 2,38 cơn áp thấp nhiệt đới hoạt động Số năm nhiều bão(nhiều hơn 12 cơn) chiếm tỷ lệ 27,5% và số năm ít bão (ít hơn 8 cơn) cũng chiếm ty

lệ 27,5% Năm 1969 là năm ít bão hoạt động nhất (4 cơn), năm nhiều bão nhất lànăm 1964 (16 cơn).

Bão hoạt động trên Biển Đông xuất hiện hầu hết các tháng trong năm Sốlượng bão, ATND hoạt động trên khu vực Biển Đông tăng dần từ thang III đến thángX và giảm dần đến tháng II năm sau Nếu coi mùa bão bắt đầu khi số lượng bão,ATND xuất hiện trung bình hàng tháng nhiều hon | cơn thì mùa bão ở khu vực Biển

Đông kéo dài 6 thang, từ tháng VI đến tháng XI và tập trung vào các thang VIII, IXvà X, trong đó tháng IX là tháng nhiều bão và ATND hoạt động nhất (2,2 cơn) Các

tháng I, II, HI và IV tan suất xuất hiện bão không đáng kể.

towee

Vung có mật độ hoạt động của bão cao nhất là vùng từ 15°N 22°N: 110°E 120°E Khu vực nam Biển Dong từ 10°N xuống xích dao mật độ hoạt động của bão

-thấp, đặc biệt khu vực ngoài khơi từ Vũng Tàu đến Cà Mau và Vịnh Thái Lan mật độhoạt động của bão hầu như không đáng kể.

Do đặc thù bão hoạt động trên Biển Đông thường ở giai đoạn cuối của quá

trình phát triển (đối với bão có nguồn gốc Tây bác Thái Bình Dương) hoặc ở giaiđoạn hình thành và phát triển (đối với bão có nguồn gốc Biển Đông) nên tính ổn địnhkhông cao Hơn nữa, Biển Đông lại là một vùng biển khá kín với sự tranh chấp của

nhiều hệ thống thời tiết nên đường đi của bão ở khu vực này khá phức tạp cả về

hướng và tốc độ di chuyển Số cơn bão có qui đạo thang, đơn giản chỉ chiếm 47%

tổng số cơn bão hoạt động trên Biển Đông Thông thường loại bão có nguồn gốc từbiển Đông không mạnh, không sâu nhưng lại hay thay đổi hướng đột ngột Dự báochuyển động của loại bão này thường gặp nhiều khó khăn.

1.4.2 Những nghiên cứu gần đây về mô hình dự báo số ở Việt Nam

Kiểu Thị Xin và CS (2001) đã giới thiệu mô hình dự báo số phân giải cao

HRM là mô hình khu vực hạn chế trước đây đã được Cơ quan thời tiết CHLB Đức

(DWD) sử dụng vào dự báo nghiệp vụ Đây là một bộ mô hình nghiệp vụ đầu tiênđược cài đặt và chạy thử nghiệm dự báo cũng như phục vụ cho mục đích nghiên cứutại Trường đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Hiện nay mô hình

HRM cũng đang được sử dụng vào dự báo nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo KTTV

Trung ương Việc chạy song song cùng một bộ mô hình tại một cơ sở dự báo nghiệp

vụ và một cơ sở nghiên cứu đào tạo đã xây dựng được một môi trường tốt cho việcđưa nhanh những tiến bộ khoa học công nghệ vào áp dụng và xây dựng đội ngũ cán

bộ trẻ tiếp cận được với công nghệ mới ngay từ khi còn đang học tại trường đại học.

Trong nghiên cứu tiếp theo, Kiều Thị Xin và CS (2002) đã sử dụng mô hình HRM đểdự báo bão trong Biển Đông, so sánh kết quả dự báo với các mô hình khác trên thế

giới và đã chỉ ra rằng để nâng cao chất lượng dự báo bằng HRM cần có thêm nhiềusố liệu quan trắc và truyền các số liệu này tới các trung tâm tạo ra dự báo toàn cầu,tạo ra trường ban đầu mô tả tốt hơn các hệ thống thời tiết trên Biển Đông, là đầu vào

của mô hình HRM.

Duong Hong Sơn và CS (2002) đã giới thiệu mô hình MM5 là mô hình dự báo

số qui mô vừa thế hệ thứ 5 do Trường đại học Tổng hợp Pennsylvania (PSU) và Trungtam Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ - NCAR xây dựng Các tác gia đã

nghiên cứu chạy thử nghiệm thành công mô hình MMS và hiện nay mô hình nayđang được chạy thử nghiệm nghiệp vụ tại Viện Khí tượng Thủy văn (Bộ Tài nguyên

và Môi trường) từ năm 2003.

Mô hình ETA phiên bản không thủy tĩnh là một trong những mô hình hiện đạinhất hiện nay trên thế giới và hiện đang được sử dụng nghiệp vụ tại nhiều nước (HoaKỳ, Nam Tư, Hy Lạp, Rumani ) Trần Tân Tiến và CS (2004) đã nghiên cứu ứngdụng và đưa vào chạy thử nghiệm mô hình này tại Việt Nam Kết quả dự báo lượngmưa bằng mô hình ETA cho một số trường hợp mưa lớn sinh lũ lụt tại khu vực TrungTrung Bộ rất khả quan, mở ra việc ứng dụng mô hình này cho một hệ thống dự báođịnh lượng lượng mưa cho các mô hình số dự báo thủy văn, giúp giải quyết bài toán

nan giải nhất ở nước ta hiện nay là dự báo lũ lụt trên những lưu vực có độ dốc lớn,thời gian sinh lũ nhanh Mô hình ETA là một trong những mô hình được đánh giá caoở nhiều nước và việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng mô hình này tiến tới áp dụng trong

dự báo thời tiết nguy hiểm có ý nghĩa rất quan trọng, phục vụ tốt hơn cho công tác

phòng chống bão lũ ở Việt Nam Hiện nay mô hình ETA cũng đang được chạy thử

nghiệm nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương (Đỗ Ngoc Thang, Vũ

Duy Tiến, 2003).

Một trong những nghiên cứu mới nhất và qui mô nhất gần đây về mô hình số ởViệt Nam là nghiên cứu ứng dụng mô hình RAMS của Trần Tân Tiến và CS (2004).

Mô hình RAMS (The Regional Atmospheric Modeling System) được Dai học Tổng

Hop Colorado kết hợp với phân viện ASTER- thuộc Mission Research Corporation

phát triển gồm tất cả các khối cần thiết cho việc nghiên cứu và ứng dụng nghiệp vụ:

khối xử lý và ban đầu hoá số liệu, khối mô hình và khối xử lý kết quả, hiển thị đồ

họa Kết quả của các nghiên cứu này chỉ ra rằng mô hình RAMS có thể dự báo rất tốt

các trường khí tượng, đặc biệt là lượng mưa, một trong những vấn đẻ rất hóc búa

trong nghiệp vụ dự báo Mô hình RAMS cho phép sử dụng nhiều lưới lồng nhau do

đó mô tả được ảnh hưởng của các quá trình qui mô nhỏ Việc sử dụng thử nghiệm với

lưới mịn (10km và 2km) cho thấy dòng vượt địa hình và các xoáy ngang qui mô nhỏ

được mô tả tốt hơn dan đến dự báo lượng mua sát với thực do hơn cả về lượng và vị

trí tam mưa Nghiên cứu các sơ đồ tham số hoá đối lưu với mô hình RAMS cho thấy

sơ đồ Kuo phụ thuộc mạnh vào cấu hình lưới của mô hình, trong khi đó sơ đỏ Fritch ít bị phụ thuộc hon và cho kết qua dự báo lượng mưa tốt hơn Kết quả nghiêncứu mới nhất này của nhóm tác giả (Tran Tân Tiến và CS - 2004) hứa hẹn một khảnang ứng dụng mô hình RAMS vào dự báo nghiệp vụ các trường khí tượng, là đầu

Kain-vào quan trọng cho các mô hình dự báo hải văn và thủy văn.

Thực tế dự báo bão cho thấy các mô hình dù là đơn giản hay phức tạp đều cónhững sai số dự báo mang tính hệ thống với một số hình thế Synop nhất định như

Carr và Elsberry (2000) đã chỉ ra Để khác phục những nhược điểm của từng mô

hình riêng lẻ, dự báo to hợp (DBTH) là một hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng

hiện nay tại các trung tâm dự báo trên thế giới Nguyễn Chi Mai và Nguyễn Thu

Hang (2004) đã trình bày những phương pháp DBTH gồm 3 nhóm chính là: 1) Sử

dụng một mô hình số với các điều kiện ban đầu khác nhau; 2) Sử dụng cùng một đầu

vào với các phiên bản khác nhau của một mô hình; 3) Sử dụng kết quả dự báo của các

mô hình khác nhau Với sự phát triển của công nghệ thông tin và các mô hình số

đang chạy nghiệp vụ rất đa dạng hiện nay, nghiên cứu này cũng chỉ ra khả năng ứngdụng DBTH ở Việt Nam là hoàn toàn khả thi Trong nghiên cứu tiếp theo, Nguyễn

Chi Mai va CS (2004) đã thử nghiệm DBTH qui đạo bão bằng phương pháp thống kê

từ kết quả dự báo của các trung tâm quốc tế Kết quả cho thấy DBTH bằng phương

pháp lấy trung bình đơn giản và phương pháp hồi qui tuyến tính cho kết quả ổn địnhvà khả quan, hoàn toàn có thể tiếp tục nghiên cứu cải tiến với các tập số liệu dài hơnđể áp dụng trong dự báo nghiệp vụ.

Đứng trước thực tiễn cần nâng cao độ chính xác của các mô hình dự báo bão,hướng nghiên cứu cài xoáy vào trường ban đầu cũng đã bat đầu được triển khai nhiều

ở Việt Nam Phan Văn Tân và CS (2002) trình bày một sơ đồ cài xoáy cho mô hình

chính áp Việc phân tích trường ban đầu cho ta các thành phần trường môi trường qui

mô lớn và qui mô nhỏ, thành phần xoáy môi trường đối xứng và phi đối xứng Sơ đồ

xây dựng xoáy giả tạo ra xoáy bao gồm các thành phần đối xứng và phi đối xứng.

Trong nghiên cứu này xét tới 9 sơ đồ cài xoáy giả vào trường ban đầu dựa trên sự tổ

hợp các thành phần của môi trường và của xoáy giả nêu trên Bùi Hoàng Hải và Phan

26

Van Tan (2002) đã nghiên cứu thử nghiệm sơ do cài xoáy nói trên cho một số cơn

bão trong Biển Đông Một số thử nghiệm cho thấy việc xây dựng trường ban đầu

bang các phương pháp khác nhau có ảnh hưởng rõ rệt đến kết qua dự báo qui đạo

bão Việc lựa chọn sơ đồ cài xoáy cần phải căn cứ vào đặc điểm, tính chất và vị trí

của bão Cũng theo hướng nghiên cứu này, Nguyễn Thị Minh Phương (2003) đã chỉra rang việc điều chỉnh bán kính hiệu chỉnh lớn nhất trong sơ đồ cài xoáy ban đầu cho

phù hợp với đặc điểm của từng con bão làm tăng đáng kể chất lượng dự báo qui đạo

bão ngay cả trong trường hợp rất khó dự báo khi bão có sự chuyển hướng.

Bên cạnh các mô hình chính áp còn có nhiều hạn chế, người ta còn xây dựngvà phát triển các mô hình tà áp ba chiều phức tạp hơn, trong đó trường ban đầu được

xác định nhờ quá trình ban đầu hoá xoáy trên cơ sở kỹ thuật xây dựng xoáy nhân tạo

ba chiều và cài vào trường phân tích toàn cầu Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải(2003) đã nghiên cứu ứng dụng một sơ đồ cài xoáy ba chiều Xoáy nhân tạo được xây

dựng trên cơ sở kết hợp giữa thành phần đối xứng của xoáy phân tích với thành phần

đối xứng giả thay cho xoáy trong trường phân tích toàn cầu Việc xây dựng xoáy

nhân tạo được thực hiện cho nhiều biến trường khác nhau và trên nhiều mực, dựa trên

các mối quan hệ nhiệt động lực học nên có thể đảm bảo được sự thích ứng giữa các

trường Vị trí tâm xoáy được hiệu chỉnh trên cơ sở những thông tin quan trắc từ tập sốliệu chỉ thị bão và cường độ xoáy nhận được mạnh hơn so với trường phân tích.

Đi sâu hơn theo hướng nghiên cứu cài xoáy ba chiều, Phan Văn Tân và BùiHoàng Hải (2004) đã xây dựng một sơ đồ cài xoáy mới dựa trên sơ đồ cài xoáy của

mô hình dự báo bão TC-LAPS hiện đang được sử dụng nghiệp vụ tại Cơ quan Khí

tượng Oxtralia Kết quả thử nghiệm với các sơ đồ cài xoáy khác nhau và với các bán

kính gió 15m/s khác nhau đã chỉ ra rằng giá trị của bán kính này có ảnh hưởng mạnh

đến kết qua dự báo qui đạo bão, bán kính được chọn quá lớn sẽ làm cho bão chuyểnđộng theo quán tính nhiều hơn và nhanh hơn làm sai lệch qui dao Dự báo tổ hợp từ

các kết quả riêng lẻ cho phép dung hoà các sai số vị trí giữa các phiên bản thử

nghiệm khác nhau.

Tóm lại, ta có thẻ thấy rằng việc nghiên cứu nhằm nâng cao hiểu biết vềXTNĐ trên thế giới đã đạt đến trình độ rất cao Từ những hiểu biết cơ bản như ảnh

hưởng của dong dan đến chuyển động cua bão, đến nay các cơ chế phức tap hơn nhưảnh hưởng của hiệu ứng beta, cau trúc phi đối xứng, ảnh hưởng của cấu trúc thangdứng của khí quyển (đỏ dứt thang đứng), vai trò của tính tà áp, tương tác với các quá

trình qui mô lớn ngoại nhiệt đới, trao đổi rối trong lớp biên dang được nghiên cứungày càng hoàn thiện hơn Gần đây hơn, không những chỉ chuyển động mà cả cơ chếphát sinh và làm thay doi cường độ của bão cũng dang được nghiên cứu và đạt được

những thành tựu đáng kẻ Trong đó, ảnh hưởng của năng lượng bề mặt đại dương, các

cơ chế giải phóng ẩn nhiệt trong bão thông qua đối lưu sâu, và tinh vi hơn nữa là các

quá trình vi vật lý xảy ra bên trong mây cũng dan dần được mô tả để tạo ra bức tranhngày càng hoàn thiện hơn về đối tượng tự nhiên mãnh liệt và lý thú này Tuy vậy,

cũng cần phải nhận thấy rang cho đến nay những hiểu biết đạt được trong lĩnh vực

này vẫn còn xa với bản chất tự nhiên phức tạp của bão và do đó việc nghiên cứuchuyên sâu vẫn còn là bài toán mở trong khí tượng học.

Ở Việt Nam, những nghiên cứu về bão nói chung và sử dụng mô hình số dự

báo qui đạo bão nói riêng được bat đầu từ rất sớm Tuy nhiên chỉ từ năm 2000 trở lạiđây, chúng ta mới bắt đầu tiếp cận được với các mô hình số hiện đại của thế giới cùng

với nguồn số liệu từ các mô hình toàn cầu Trong bối cảnh đó, chúng ta chưa thể có

một sự lựa chọn rộng rãi các mô hình số dự báo bão Chúng tôi sử dụng 3 mô hình

WBAR, Dengler 95 và HRM là những mô hình hiện đại nhất, có được thông qua hợp

tác quốc tế tại thời điểm bắt đầu tiến hành nghiên cứu này.

Kế thừa những kết quả nghiên cứu về XTNĐ, các mô hình số và nguồn số liệu

có được để ứng dụng vào dự báo bão trên Biển Đông là định hướng cho nghiên cứu

này Mô hình WBAR đã được thử nghiệm cho các cơn bão ở Đại Tây Dương với kết

quả khả quan sẽ được thử nghiệm cho bão Biển Đông với việc thay đổi mực dòng dẫn

và hiệu ứng beta thông qua các sơ đồ cài xoáy Mô hình nước nông 3 lớp của Dengler

sẽ được cải tiến thành mô hình dự báo để thử nghiệm dự báo bão trong luận án này.

Mô hình HRM sử dụng hệ phương trình nguyên thuỷ có độ phân giải cao sẽ được

nghiên cứu và thử nghiệm với các phiên bản khác nhau về độ phân giải, miền tính,

điều kiện ban đầu và điều kiện biên.

28

Chương 2

CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH SỐ

MO PHONG CHUYỂN ĐỘNG CUA XTNĐ

Hiện nay, các mô hình số là một công cụ mạnh đang được sử dụng cho việc dự

báo đường đi của XTNĐ bên cạnh hai phương pháp truyền thống và có lịch sử phát

triển lâu dai hơn là 1)Phương pháp phân tích synốp và 2)Phuong pháp vật lý thống kê.Phương pháp phân tích synốp dựa trên việc phân tích các bản đồ thời tiết vàkinh nghiệm dự báo của các dự báo viên, không đòi hỏi công cụ tính toán Cơ sởkhoa học của phương pháp này là coi XTND chuyển động bởi dòng dẫn thường bộc

lộ điển hình trên mực 500 mb Phương pháp này có thể cho kết quả dự báo tốt đối vớihạn dự báo ngán 12 - 24h, nhưng lại có nhược điểm là còn phụ thuộc nhiều vào kinh

nghiệm của dự báo viên.

Phương pháp vật lý thống kê được xây dựng dựa trên nguyên tắc xác định

tương quan (tuyến tính hoặc phi tuyến) giữa chuyển động của bão với nhóm các nhântố dự báo trên cơ sở xem chuyển động của bão là kết quả của sự tương tác giữa cácđặc trưng của bản thân xoáy thuận nhiệt đới, và đặc trưng cho các tính chất của môi

trường xung quanh, tức hệ thống thời tiết xung quanh Phương pháp này tương đối

khách quan, đơn giản, không đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, có thể cho kết quả dự

báo tương đối tốt với các hạn dự báo +12h đến +48h, nhất là đối với các cơn bão có

đường đi ổn định Điểm bất lợi của phương pháp này là ở chỗ nghèo thám sát trên

biển nhiệt đới, nghĩa là nghèo những thông tin về tính chất của của XTND cũng như

về môi trường xung quanh XTNĐ Bởi vậy khó có thể xác định được tương quan

Các mô hình thuỷ động được xây dựng từ đơn giản đến phức tap dựa trên việc

tích phân theo thời gian hệ các phương trình thuỷ động lực học Đặc điểm của mô

hình thuỷ động là biểu diễn tính chất của môi trường bằng phần động lực học của mô

hình Phần vật lý trong mô hình cố gắng phản ánh cơ bản những quá trình vật lý cungcấp năng lượng sinh ra XTND và diễn ra phần lớn chính trong lòng XTND Chính vìvậy ưu điểm nổi bật của mô hình thuỷ động so với phương pháp synốp và vật lý thống

kê là mô hình thuỷ động có the dự báo được những qui đạo bão phức tạp với sự doihướng của bão hoặc su thay doi vận tốc đột ngột trong chuyển động của bão.

2.1 ĐỘNG LỰC HỌC CUA MÔ HÌNH CHÍNH AP

Như ta biết, chuyển động khí quyền quy mô lớn nhiệt đới điển hình là chính

áp, nghĩa là phản kỳ dòng quy mô lớn nhiệt đới rất nhỏ có thể bỏ qua và do đó thoả

mãn định luật bảo toàn xoáy.

Mô hình chính áp không phân kỳ được xây dựng trên cơ sở khái niệm bảo toàn

xoáy Một số thí nghiệm được thực hiện với các mô hình chính áp cũng cho thấy khả

năng sử dụng chúng cho dự báo gió ở nhiệt đới, đặc biệt là ở những mực có phân kỳ

nhỏ [Krischnamurti, 1996].

Mô hình chính áp biểu diễn chuyển động của một chất lỏng đồng nhất, không

dính, không nén được trên mặt cầu quay với tốc độ quay của trái đất Động lực họccủa chuyển động này biểu diễn bằng hai phương trình chuyển động ngang và phương

trình liên tục hai chiều Đây là một giả thiết thô thiển của chuyển động thực Tuy vậy,

trong môi trường nhiệt đới, tức là phía ngoài của đới thời tiết hoạt động mạnh và tại

mực không phân kỳ, dòng khí quyển có thể coi là chính áp Mực này nằm trong lớp

giữa 500-700 mb [Krishnamurti, 1996].

Đối với dòng chính áp từ hai phương trình chuyển động ngang va phương trình

liên tục ta có phương trình xoáy chính áp dưới dạng

trong đó c„ =(5 + /) là xoáy tuyệt đối.

Nếu biểu diễn qua hàm dòng dinh luật bảo toàn xoáy tuyệt đối trên có dạng

đơn giản hơn sau đây

30

Phương trình (2.4) thực tế biểu diễn định luật cân bằng phi tuyến đảo ngược để

xác định độ cao địa thế vị từ trường gió Hai phương trình (2.3) và (2.4) tạo thành một

hệ kín đối với xu thế của dòng chính áp không phân kỳ Trong dòng chính áp khôngphân kỳ, tổng năng lượng của xoáy tuyệt đối, xoáy tuyệt đối bình phương trung bìnhvà động năng trung bình trên một đơn vị khối lượng đều được bảo toàn trong chuyển

Cơ chế quan trọng đối với sự phát triển và duy trì nhiễu động trong động lựchọc chính áp là sự biến đổi từ xoáy đứt sang xoáy cong Sự bảo toàn xoáy tuyệt đối ởđây có nghĩa là trong quá trình chuyển động có sự chuyển đổi giữa xoáy đứt, xoáy

cong và xoáy hành tinh Sự trao đổi năng lượng cơ bản trong động lực học chính áp là

sự chuyển đổi động năng vĩ hướng thành động năng xoáy và ngược lại Thông thường

mô hình chính áp được thiết lập trên cơ sở tích phân hệ phương trình (2.3) và (2.4)

trên một miền hữu hạn với chọn điều kiện biên thích hợp.

Vấn đề cố hữu đối với mô hình lưới miền hữu hạn là vấn đề xác định điều kiệnbiên vì nghiệm của các phương trình này phụ thuộc liên tục vào giá trị biên Tác động

xấu nhất đối với nghiệm mô hình sinh ra do việc xác định biên không hợp lý là sự

xuất hiện sóng trọng trường quán tính phản xạ từ biên vào miền trong của mô hình.Tuy vậy đối với mô hình chính áp không phân kỳ, vấn đề này không phải là trầmtrọng vì sóng trọng trường quán tính không xuất hiện ở đây, và do đó thường sử dụngđiều kiện biên tuần hoàn vĩ hướng (biên Đông-Tây) đốt với trường ban đầu và duy trì

trong suốt quá trình tích phân Trong khi đó đối với hai biên Bac-Nam có thể dùng

điều kiện biên khác nhau Ví dụ có thể sử dụng điều kiện biên mở.

Để ngăn ngừa sự hình thành xoáy lớn vô hạn và động năng tăng vô hạn trong

31