Đề tài " Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão " potx

Tên gọi của xoáy thuận nhiệt đới – bão của các khu vực Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấpngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu.. Trên ảnh mây vệ tinh,

Lời cảm ơn

Trong quá trình làm khóa luận này, em xin chân thành cảm ơn trườngĐại Học Khoa Học Tự Nhiên, Khoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải DươngHọc đã quan tâm tạo điều kiện cho em được học tập và công tác trong suốt

4 năm qua và hoàn thành xong khóa luận này

Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và anh chị làm việc tạiKhoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải Dương Học đã giúp đỡ tạo điều kiệncho em để em hoàn thiện xong khóa luận Đặc biệt em xin chân thành cảm

ơn sâu sắc tới ThS Vũ Thanh Hằng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tậntình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Một lần nữa em xin chân thành cảmơn

Hà Nội tháng 05 năm 2008

Sinh viên

Nguyễn Thị Ái Quyên

MỤC LỤC

TRANG

Mở đầu 3

Chương 1 Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão 4

1.1 Định nghĩa và phân loại 4

1.1.1 Đinh nghĩa 4

1.1.2 Phân loại 5

1.3 Độ mạnh, cường độ và kích thước của bão 5

1.4 Các điều kiện hình thành xoáy thuận nhiệt đới – bão 6

1.5 Những đức trưng cơ bản của bão 7

1.5.1 Trường nhiệt áp 7

1.5.2 Trường chuyển động 8

1.5.3 Hệ thống mây 9

1.6 Các giai đoạn phát triễn của bão 10

1.6.1 Giai đoạn hình thành 10

1.6.2, Giai đoạn trẻ 11

1.6.3 Giai đoạn chín muồi 11

1.6.4 Giai đoạn ta rã 12

Chương 2 Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới 13

2.1 Các phương trình chuyển động 13

2.2 Lực nổi 14

2.3 Hoàn lưu sơ cấp 16

2.4 Sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão 18

2.5 Dự báo sự di chuyển của bão 19

2.5.1 Xác định tâm bão 19

2.5.1.1 xác định tâm bão theo trường áp 19

2.5.1.2 Xác định tâm bão theo góc nghiêng của dòng khí ở gần tâm bão 20

2.5.1.3 Phương pháp xác định tâm bão bằng ảnh mây vệ tinh 21

2.5.2 Dự báo quỹ đạo bão 21

2.5.2.1 Phương pháp quán tính và phượng pháp khí hậu 21

2.5.2.2 Phương pháp synốp 22

2.6 Sự tan rã của bão 25

Chương 3 Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình HRM 28

3.1 Khía quát về mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HRM 28

3.2 Một số chỉ tiêu đánh giá sai số quỹ đạo bão 34

3.3 Nguồn số liệu 35

3.4 Kết quả đánh giá sai số quỹ đạo bão và phân tích 36

Kết luận 44

Tài liệu tham khảo 45

Mở đầu

Xoáy thuận nhiệt đới - bão là một hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm đối vớicác hoạt động kinh tế xã hội cũng như đời sống của con người Hệ quả thời tiết màbão gây ra chẳng hạn như mưa lớn gây lũ lụt, sóng mạnh gió giật có sức tàn phánặng nề gây thiệt hại về vật chất cũng như tính mạng con người Chính vì vậy cácnhà khí tượng cần phải nghiên cứu về bão và đưa ra những phương pháp dự báocường độ và quỹ đạo bão

Khu vực Tây Thái Bình Dương là một trong những khu vực tập trung nhiềubão nhất và có cường độ mạnh hơn so với các đại dương khác trên thế giới Chính

vì vậy, việc tìm hiểu hoạt động của bão tại khu vực này và bão ảnh hưởng tới ViệtNam là rất cần thiết Trong khóa luận này, em tìm hiểu về cơ chế vật lý và một sốphương pháp dự báo sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão Bên cạnh đó,thử nghiệm chạy mô hình HRM cho 6 cơn bão (cơn bão Kino, Krovanh, Nepatak,Chanthu, Vicenter và Damrey) với thời hạn dự báo 48h và phân tích đánh giá sai

số dự báo quỹ đạo bão của mô hình

Cấu trúc khóa luận gồm có 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão

Chương 2 Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự dichuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão

Chương 3 Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão của mô hình HRMKết luận

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI – BÃO

1.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI

1.1.1 Định nghĩa

Theo Atkinson (1971): ‘’Bão là xoáy thuận quy mô synốp không có front,phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưuxác định’’

Bão là hệ thống khí áp thấp có đường đẳng áp khép kín gần tròn vớigradient khí áp ngang và tốc độ gió rất lớn Trong nghiệp vụ dự báo, người ta phânbiệt áp thấp nhiệt đới khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm nhỏ hơn 17,2m/s và bãokhi tốc độ gió cực đại ở trung tâm bằng và lớn hơn 17,2m/s

Hình 1.1 Tên gọi của xoáy thuận nhiệt đới – bão của các khu vực

Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấpngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu Trong những điều kiện thuận lợi vùng

áp thấp này có thể khơi sâu thêm, gió vùng quanh trung tâm mạnh lên trở thành ápthấp nhiệt đới và sau đó là bão Trong giai đoạn phát triển ổn định có thể thấy mắtbão, khu vực đường kính 30-40km với khí áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu Dotrong mắt bão có dòng giáng nên nhiệt độ ở đây cao hơn xung quanh, ít mây hayquang mây Trên ảnh mây vệ tinh, màn mây trong bão ở giai đoạn đầu là sự tậptrung của các đám mây tích và vũ tích lớn, sau một thời gian các tập hợp mây tíchnày có thể tạo thành dải mây có dạng xoáy về phía trung tâm Trong giai đoạnthuần thục, mắt bão mới xuất hiện dưới dạng một hay hai chấm đen ở trung tâmbão.

1.1.2 Phân loại

Dựa vào tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm xoáy thuận nhiệt đới,

tổ chức khí tượng thế giới (WMO: World Meteorological Organization) quy địnhphân loại xoáy thuận nhiệt đới thành:

1/ Áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression): Là xoáy thuận nhiệt đới với

hoàn lưu mặt đất giới hạn bởi một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độgió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6- cấp 7)

2/ Bão nhiệt đới (Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với các đường

đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 17,2 đến 24,4m/s(cấp 8- cấp 9)

3/ Bão mạnh (Severe Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ

gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6m/s (cấp 10- cấp 11)

4/ Bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độgió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 32,7m/s trở lên (trên cấp 11)

Hình 1.2 Hình ảnh của một xoáy thuận nhiệt đới – bão

a, ảnh mây vệ tinh; b, mô tả cấu trúc của một cơn bão

1.3 ĐỘ MẠNH, CƯỜNG ĐỘ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA BÃO

Độ mạnh được xác định bởi tốc độ gió lấy trung bình theo không gian

trong phạm vi khoảng từ 100km đến 250km tính từ tâm bão

Cường độ được xác định bởi tốc độ gió cực đại hay áp suất mực biển cực

tiểu Cường độ xoáy thuận nhiệt đới khác nhau rất nhiều Căn cứ vào quyết địnhcủa hội nghị khí tượng thế giới, đã chia xoáy thuận nhiệt đới làm 4 loại theo cườngđộ: áp thấp nhiệt đới, bão nhiệt đới, bão mạnh, bão rất mạnh

Kích thước của cơn bão được xác định là bán kính trung bình của tốc độ

gió mạnh ( 17m/s) hay của đường đẳng áp khép kín ngoài cùng (ROCI) Quantrắc cho thấy kích thước và độ mạnh của cơn bão có quan hệ chặt chẽ với nhau,tuy nhiên lại không quan hệ tốt với cường độ bão Thông thường, sự tăng cường

độ thì sẽ dẫn tới tăng độ mạnh và sự giảm cường độ ở tâm thì sẽ làm giảm hoànlưu phía ngoài của bão

Kích thước mang tính khí hậu học được thiết lập tốt ở khu vực Đại TâyDương và Bắc Thái Bình Dương Tính trung bình, những cơn bão nhiệt đới cókích thước là 1.50độ vĩ, lớn hơn so với các cơn bão ở Đại Tây Dương Nhữngxoáy thuận nhiệt đới kích thước nhỏ (ROCI < 20 độ vĩ) thường xẩy ra vào đầumùa bão (tháng 8), và những xoáy thuận nhiệt đới kích thước lớn (ROCI >100 độvĩ) xuất hiện vào cuối mùa (tháng 10) Xoáy thuận nhiệt đới có kích thước lớntrung bình thường thấy ở 300độ vĩ bắc

Phân loại theo quan trắc dựa theo kích thước mắt bão [nhỏ (bán kính 

15km), trung bình (16-30km), lớn (30-120km), và không tồn tại thành mắt bão]cho thấy mối tương quan giữa cường độ và độ mạnh

1.4 CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI-BÃOBão là một xoáy thuận nhiệt đới được cấu trúc bởi khối khí nóng ẩm vớidòng thăng rất mạnh xung quanh mắt bão, tạo thành hệ thống mây mưa xoáy vàovùng trung tâm bão Năng lượng bão là ẩn nhiệt ngưng kết của lượng hơi nước

khổng lồ bốc hơi từ mặt biển Bão chỉ hình thành khi có sự phối hợp của các nhân

tố nhiệt động lực và trong hình thế synốp nhất định

1/ Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ

26-270C) bảo đảm nước bốc hơi mạnh cung cấp năng lượng ngưng kết lớn cho hệthống bão

2/ Thông số coriolis có giá trị đủ lớn tạo xoáy Bão thường hình thành tronggiới hạn vĩ độ 5-200 hai bên xích đạo

3/ Dòng cơ bản có độ đứt thẳng đứng của gió yếu, bảo đảm cho sự tập trungcủa dòng ẩm vào khu vực bão trong thời gian đầu của sự hình thành bão

4/ Ở trên cao, trường khí áp phải phân kỳ để bảo đảm sự giải tỏa khối lượngkhông khí hội tụ ở mặt đất và duy trì bão

5/ Ở mặt đất phải có nhiễu động áp thấp ban đầu

1.5 NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO

1.5.1 Trường nhiệt áp

Do chuyển động giáng, nhiệt độ không khí trong mắt bão lớn rõ rệt so vớikhu vực xung quanh Theo chiều cao, đặc điểm này càng thể hiện rõ Trên hình 1.3các mặt đẳng nhiệt theo chiều cao càng có dạng vồng lên Kết quả tính toán mớiđây của R.K.Smith (2005) cho thấy phần sát đất của bão có nhiệt độ thấp hơnxung quanh Phía trên mực này mới là lõi nóng trong mắt bão Hệ quả của lõi nóngnày là sự giãn ra vồng lên theo chiều cao của mặt đẳng áp trong khu vực trung tâm

và cả khu vực mắt bão (biểu diễn bằng đường liền nét trên hình 1.3) ở khu vựctrung tâm bão do bậc khí áp ở khu nóng lớn hơn khu vực xung quanh Chính vìvậy, nếu ở mặt đất mặt đẳng áp trong bão có dạng hình phễu rất sâu thì theo chiềucao mặt đẳng áp giảm độ nghiêng của nó

Bão có dòng khí nóng ẩm bốc lên cao rất mạnh xung quanh thành mắt bão.Hoàn lưu này vận chuyển năng lương nhiệt, ngưng kết thành thế năng và từ thếnăng chuyển thành động năng Quá trình ngưng kết này thể hiện ở dải mây mưaxoáy vào tâm xung quanh thành mắt bão

Hình 1.3 Sơ đồ mặt cắt thẳng đứng của một cơn bão Đường liền nét là đường đẳng

áp cơ bản từ 1000mb đến 100mb Đường đứt nét là đường đẳng nhiệt Đường cong nét liền đậm phân chia nhiệt độ tăng đáng kể xung quanh lõi bão (Palmen, 1948).

Khác với xoáy thuận ngoại nhiệt đới có dạng đường đẳng áp hình ôvan, bão

có các đường đẳng áp gần tròn và với gradient khí áp ở gần vùng trung tâm rất lớn(tới 20mb/100km, lớn gấp 10 lần so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới)

1.5.2 Trường chuyển động

Gradient khí áp ngang rất lớn ở mặt đất tạo nên trường gió rất mạnh, tốc độgió trong bão trên 17,2m/s và có thể vượt quá 100m/s gây ra sức tàn phá lớn Dòngkhí rất mạnh hội tụ vào tâm và cuốn lên cao với tốc độ thẳng đứng trong mây vũtích 5-10m/s (hay lớn hơn) xung quanh thành mắt bão Ở đỉnh bão là hệ thống ápcao giải tỏa khối lượng không khí rất lớn hội tụ vào tâm bão ở mặt đất, duy trì khí

áp rất thấp ở vùng trung tâm, đồng thời duy trì hoàn lưu trong bão

Trên hình 1.4 biểu diễn trường tốc độ (m/s) được xây dựng trên mặt cắt quacơn bão mô tả phân bố tốc độ gió theo khoảng cách tới tâm bão và theo chiều cao

Ta có thể thấy ngoài khu vực mắt bão lặng gió là khu vực gió cực đại bao quanhthành mắt bão với tốc độ 30m/s lan từ độ cao khoảng 0,5km lên tới 6km (vùng tôđậm) Khu vực có tốc độ gió 20m/s lan đến tận độ cao gần 12km Càng cách xatâm bão ra phía rìa bão tốc độ gió càng giảm, ở khoảng cách 1000km tốc độ gióchỉ còn lại 5m/s Càng lên cao phạm vi gió hướng xoáy thuận (thể hiện bằng tốc

độ dương) thu hẹp lại, rõ nhất là từ mực 12km Từ mực này gió chuyển dần sanghoàn lưu xoáy nghịch (thể hiện bằng tốc độ âm) theo chiều kim đồng hồ với tốc độkhoảng 5m/s như thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4 Mặt cắt thẳng đứng của tốc độ gió tiếp tuyến (m/s) (Izawa, 1954)

Phân bố ba chiều của chuyển động trong xoáy thuận nhiệt đới được biểudiễn bởi gió tiếp tuyến, gió hướng tâm và từ tâm ra ngoài và đường dòng Tốc độgió tiếp tuyến cực đại tại mặt đất nằm ở phía phải cơn bão so với hướng chuyểnđộng từ đông sang tây trên tất cả các mực Tại mặt đất tốc độ gió tiếp tuyến cựcđại có thể tới 20m/s, tăng gấp đôi (40m/s) tại mực 1km và thực tế không đổi đến

độ cao 9km, sau đó giảm dần theo độ cao 3km đến độ cao 15km

Đường dòng chuyển từ dạng xoáy trôn ốc đơn thuần ở mặt đất sang dạnggần tròn đồng tâm ở mực 1km Kích thước của hoàn lưu tăng theo chiều cao Phíatrên 12km chỉ có hoàn lưu xoáy thuận nhỏ ở gần tâm còn bao quanh là các vònghoàn lưu xoáy nghịch với các dòng khí thổi ra từ tâm bão

- Lớp dưới cùng 0-3km là lớp dòng đi vào có thành phần hướng tâm,lớp dòng vào mạnh nhất là ở gần mặt đất từ 0-1km

- Lớp giữa khoảng 3-7km, dòng khí chủ yếu là thành phần tiếp tuyến,thành phần hướng tâm rất nhỏ

- Lớp dòng đi ra từ 7km đến đỉnh của bão, cực đại của dòng đi ra cóthành phần từ tâm ta ngoài của bão chín muồi ở gần độ cao 12km

1.5.3 Hệ thống mây

Cấu trúc chủ yếu của hệ thống mây là mây đối lưu “dải mây mưa” có dạngxoắn trôn ốc về phía tâm bão Trên ảnh mây vệ tinh đó là các đĩa mây khổng lồđường kính tới 1000-2000km với dải mây tích mầu trắng chuyển động cuốn vàotâm Dòng thăng tập trung ở dải này, dải có vận tốc 20-30m/s Vận chuyển nhiệt

và vận chuyển thế năng thành động năng chủ yếu xẩy ra ở dải mây mưa Diện tíchcủa dải mây giảm theo chiều cao do có dòng thổi ra tới độ cao trên 10km chỉ còn5%, mây chỉ giới hạn trong bán kính 400km, chiều cao của mây tích từ 15-20km.

Hình 1.5 Dải mây trong bão

Giai đoạn trước bão (a), Giai đoạn bão (b), Giai đoạn bão mạnh (c)

Không khí nóng ẩm trong bão hội tụ rất mạnh vào khu vực trung tâm vàbốc lên cao trong cột xoáy bão, ngưng kết lại tạo thành các dải mây vũ tích baoquanh mắt bão lan tới 15-20 km Khi bão chín muồi màn mây ti mở ra, nhìn trênảnh mây vệ tinh ta thấy một chấm đen trong màn mây bão đã gần tròn, bão càngmạnh đường viền khu vực này càng thấy rõ Khu vực mắt bão có đường kính từ30-40km, đây là khu vực quang mây, do dòng giáng trong mắt bão Mây tích baoquanh mắt bão quay ngược chiều kim đồng hồ theo hoàn lưu xoáy thuận, còn dảimây ti trên đỉnh bão quay theo chiều kim đồng hồ hoàn lưu xoáy nghịch

Nếu đường kính của bão khoảng 500km, chiều cao phát triển của mây tích

là 10km thì ta có thể thấy hệ thống mây bão chứa khối lượng nước lớn Khốilượng nước lớn là nguồn của những trận mưa lớn kết hợp với gió mạnh Khi ngưngkết tạo thành hệ thống mây trong bão, lượng hơi nước này cung cấp một lượng ẩn nhiệtkhổng lồ, đó chính là nguồn năng lượng duy trì hoàn lưu với gió rất mạnh và sự quangmây trong bão có thể duy trì trong nhiều ngày

Hình 1.6 Sơ đồ mặt cắt thẳng đứng qua hệ thông mây và mắt bão tương ứng với

hướng di chuyển của bão từ đông sang tây (mũi tên)-Ci: mây ti trên cao (trái) Màn

mây bão trên Biển Đông (phải).

Tốc độ dòng thăng trong bão rất lớn, có thể đạt tới 30-35m/s và lên đến độcao lớn, trên 10km, tạo thành cột không khí chuyển động xoáy rất mạnh tạo nênkhối mây bão khổng lồ Đến một độ cao nào đó dòng thăng yếu hẳn đi, tỏa ra xungquanh tạo nên dòng khí thổi ngang từ vùng tâm bão ra ngoài rìa bão tạo thànhnhững màn mây mỏng vươn ra rất xa ngoài vùng gió bão

1.6 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA BÃO

Đời sống trung bình của bão khoảng 7-8 ngày đêm tính từ thời điểm phátsinh, phát triển cho đến khi đi vào bờ hoặc tan rã trên biển Tuy nhiên có một sốcơn bão chỉ kéo dài vài giờ, và cũng có những cơn bão tồn tại trên 15 ngày hoặclâu hơn nữa Theo Riehl (1979) có thể chia quá trình hình thành và phát triển củabão thành 4 giai đoạn:

1.6.1 Giai đoạn hình thành

Bão xuất hiện từ một nhiễu động có sẵn trong trường dòng nhiệt đới, phầnlớn (khoảng 80% trường hợp) bão hình thành liên quan với dải hội tụ nhiệt đới.Tuy nhiên, không phải nhiễu động nào cũng phát triễn thành bão Quá trình khơisâu thường diễn ra chậm chừng vài ngày đủ thời gian để gió tản mạn trong khuvực rộng lớn được sắp xếp lại, tạo thành các dòng khí xoáy hội tụ đưa không khínóng ẩm vào tâm Cũng có trường hợp mắt bão hình thành và hiện rõ chỉ trongvòng 24h Trong giai đoạn hình thành gió có cường độ bão chỉ thấy ở mực thấp.Gió mạnh nhất tập trung ở phần hướng về phía cực và phía đông nếu bão hìnhthành trong sóng đông và gió có hướng biến đổi nếu bão hình thành trong rãnh

xích đạo Khi tốc độ gió cực đại tại vùng trung tâm vượt quá 17,2m/s, áp thấpnhiệt đới trở thành bão Trị số áp suất ở tâm giảm tới khoảng 1000mb.

Nếu đối lưu ổn định thì hoàn lưu mực thấp cũng có thể dẫn đến sự hìnhthành dải mây hình xoắn vào tâm

1.6.2 Giai đoạn trẻ

Không phải tất cả các xoáy thuận nhiệt đới đạt tốc độ gió cấp bão trong giaiđoạn hình thành đều phát triển thành bão, nhiều xoáy thuận tan đi sau 24h Một sốkhác di chuyển trên một khoảng cách lớn như là một tâm áp thấp nhiệt đới Nếu có

sự tăng cường thì khí áp thấp nhất giảm nhanh xuống dưới 1000mb Gió có cường

độ bão hình thành một dải bao quanh trung tâm xoáy Mô hình mây biến đổi từ dảiđường tố sang dạng dải xoáy về phía trung tâm Ở phía dưới thấp, dòng hội tụ vàotâm có thể chưa bao quát phạm vi lớn nhưng trên cao có thể có dòng phân kỳ từtâm xoáy

1.6.3 Giai đoạn chín muồi

Đặc điểm của giai đoạn này là khí áp ở tâm bão không tiếp tục giảm và tốc

độ gió cực đại cũng ngừng tăng lên Phạm vi hoàn lưu bão với tốc độ gió sức bão

mở rộng Giai đoạn chín muồi có khi kéo dài tới một tuần Nếu trong giai đoạn trẻphạm vi gió mạnh, sức bão chỉ giới hạn trong phạm vi bán kính 30-50km thì tronggiai đoạn này có thể mở rộng trên 300km Khu vực thời tiết xấu nhất nằm ở phíaphải so với hướng dịch chuyển của bão

Quy mô của bão trong giai đoạn chín muồi biến đổi rất lớn Thậm chí khikhí áp ở tâm bão thấp hơn 950mb, bán kính bão có khi chỉ 100-200km Nếu khí áptính trung bình đồng thời là 100mb cho toàn khu vực bão có bán kính 1000km thìkhối lượng của nó là 3x1013 với hai bậc đại lượng lớn hơn Khối lượng này ngangvới khối lượng khí áp thấp Alêut Bão trong giai đoạn chín muồi cũng phải trải quacác giai đoạn tăng cường và suy yếu không đều, kéo dài trong vài ngày, thường đó

là trường hợp bão tương tác với hoàn lưu ôn đới Sự biến đổi ngắn hạn của tốc độgió chừng 10% trong khoảng 1 giờ

1.6.4 Giai đoạn tan rã

Khi bão di chuyển vào đất liền do điều kiện địa hình, lực ma sát tăng lên vànhất là khả năng cung cấp ẩm cho bão mất đi nên kích thước của bão giảm đi rất

nhanh Sau một thời gian ngắn (khoảng từ 1-2 ngày) thì bão tan rã hoàn toàn, đôikhi có thể tồn tại dưới dạng một áp thấp nhiệt đới và cho mưa lớn trên một phạm

vi rộng Trên biển bão cũng có thể tan rã khi gặp vùng nước lạnh như ở Tây BắcThái Bình Dương Trên đất liền và trên biển bão có thể vòng quanh rìa cao áp cậnnhiệt và đi vào miền ôn đới, không khí lạnh xâm nhập vào khu vực bão trở thànhmột xoáy thuận ngoại nhiệt đới

CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRƯỞNG THÀNH VÀ SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY

THUẬN NHIỆT ĐỚI

2.1 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG

Các phương trình nguyên thủy của chuyển động bao gồm phương trìnhđộng lượng ngang, phương trình thủy tĩnh, phương trình liên tục, phương trìnhnhiệt động lực và phương trình trạng thái đối với chuyển động không ma sát trongmột hệ tọa độ quay trên mặt phẳng f có thể biểu diễn dưới dạng tọa độ cực, hìnhtrụ (r, , z) như sau:

r

p fv

r

v z

u u

r

v r

u u

uv z

v v

r

v r

v u

t

(2.2)

g z

p z

r

v r

11

v r

là thông số coriolis, plà áp suất ,  là nhiệt độ thế vị,

dt

d

là tốc độ đốt nòng phiđoạn nhiệt,  k

p

p/ *



 là hàm Exner, R là hằng số khí riêng, K R/c p, c p lànhiệt dung đẳng áp, p* 1000mb Nhiệt độ được xác định bởi T . Đối vớichuyển động quy mô bão, có thể gần đúng thủy tĩnh, khi đó phương trình (2.3) códạng:

g z

Nhân phương trình (2.2) với r và thực hiện một biến đổi ta được:

r

v r

M u t

M

(2.8)trong đó

2 )

1(rv r2f

lệ với sự chênh lệch mật độ giữa phần tử khí và môi trường dọc theo bề mặt đó

Một biểu thức tương tự cho lực nổi dưới dạng (2.10) có thể nhận được bằngcách xuất phát bằng phương trình động lượng thẳng đứng và thế áp suất p bằng

tổng của áp suất tham khảo p ref và nhiễu động áp suet p' Đại lượng p ref đượcxác định từ cân bằng thủy tĩnh với giá trị mật độ tham khảo p ref thường được lấybằng mật độ môi trường Trong thực tế, mật độ môi trường không được xác địnhmột cách duy nhất mà là giá trị mật độ được lấy trung bình theo phương ngangtrên một miền đủ lớn xung quanh phần tử khí Bỏ qua lực ma sát, gia tốc thẳngđứng trên một đơn vị khối lượng có thể viết dưới dạng:

z

p Dt

Tuy nhiên, đạo hàm này phá vỡ giả thiết là khí áp địa phương (phần tử) bằng vớicủa môi trường khi tính b Một cách tổng quát, cách khai triển trên cho thấy lựcnổi không xác định đồng nhất vì nó phụ thuộc vào việc lựa chọn mật độ thamkhảo Tuy nhiên, tổng của lực nổi và gradient nhiễu động áp suất trên một đơn vịkhối lượng là đồng nhất Nếu chuyển động là thủy tĩnh, gradient nhiễu động khí áp

và lực nổi là bằng nhau và ngược dấu, nhưng chúng vẫn duy trì đồng nhất

Sử dụng phương trình trạng thái (PRT, trong đó R là hằng số khíriêng) và biểu thức thông thường của nhiệt độ thế vị ảo, lực nổi trên một đơn vịkhối lượng có thể viết dưới dạng:

ref

p

p g

chính xác bởi vì thế cơ bản lực nổi phụ thuộc vào nhiễu động mật độ và số hạngnày hiệu chỉnh việc tính toán nhiễu động mật độ trên cơ sở nhiễu động nhiệt độ thế

vị ảo Nếu số hạng gradient nhiễu động trong khí áp trong biểu thức (2.11) đượcviết dưới dạng hàm Exner hoặc nhiễu động khí áp thí số hạng thứ 2 trong biểuthức (2.12) không xuất hiện trong biểu thức lực nổi Biểu thức (2.12) cũng có hiệulực đối với một xoáy quay nhanh, khi đó tồn tại thành phần theo hướng bán kínhcủa lực nổi Khi có mây, ta phải tính đến ảnh hưởng ủa ngưng kết đối với lực nổituy nhiên ở đây bỏ qua hiệu ứng này

2.3 HOÀN LƯU SƠ CẤP

Giả thiết rằng dòng ở trạng thái dừng ( / t  0) và bỏ qua hoàn lưu thứcấp, tức là ta giả thiết vận tốc theo hướng bán kính bằng không Khi đó phươngtrình (2.1) trở thành phương trình gió gradien:

r

p fv

minh họa sự cân bằng

gió gradien trong hoàn

lưu sơ cấp của một

xoáy thuận nhiệt đới

Lấy /z Eq.(2.13) và /r Eq.(2.2) và khử bỏ khí áp, ta nhận đượcphương trình gió nhiệt:

z

C z

C r

Biểu diễn tổng của lực ly tâm và lực Coriolis trên một đơn vị khối lượng.Đây là một phương trình vi phân từng phần bậc nhất tuyến tính đối với ln /a,với  a a z là giá trị mật độ tại bán kính R và độ cao z Các đặc trưng củaphương trình thỏa mãn

dr dz C g (2.16)

Các đường đặc trưng là các bề mặt đẳng áp, bởi vì một sự dịch chuyển nhỏ dr, dzdọc theo mặt đẳng áp thỏa mãn p/rdrp/zdz0 Sử dụng phương trìnhthủy tĩnh p/zg và cân bằng gió gradien p/rC cho ta phương trìnhcủa các đường đặc trưng Lưu ý rằng gradien khí áp trên một đơn vị khối lượng

1 / p/r,0,p/z C,0, g xác định “lực trọng trường tổng quát” g e (Hình2.2) sự biến đổi mật độ dọc theo đường đặc trưng phải thỏa mãn phương trình:

z

C g dr

bán kính – độ cao của các đường

đẳng áp trong một xoáy quay

nhanh biểu diễn các lực tác động

lên một phần tử khí bao gồm lực

trọng trường g trên một đơn vị

khối lượng, tổng của lực ly tâm

và lực Coriolis trên một đơn vị

khối lượng Cv2/r fv Lưu ý rằng các bề mặt đẳng áp vuông góc với “lực trọng trường tổng quát” địa phương g e C,0, g Lực Archimedes  g  e ref nghiêng lên trên và hướng vào trong trong khi đó trọng lực g e nghiêng xuống dưới và

hướng ra ngoài Do đó lực tác động lên phần tử trên một đơn vị khối lượng là

trình (2.16) cho ta độ cao của bề mặt khí áp có giá trị là p a z tại bán kính R Tiếptheo từ (2.17) đối với một xoáy chính áp v/z0,  là hằng số dọc theo mộtmặt đẳng áp, tức là   p với T v cũng là một hằng số Lưu ý rằng

Những phân tích trên cho thấy một dòng xoáy dừng bất kỳ với trường vậntốc u  0,vr,z,0 là một nghiệm của hệ phương trình cơ bản từ (2.1) đến (2.6)khi trường mật độ thỏa mãn (2.14) Willoughby (1990) đã cho thấy theo quan trắchoàn lưu sơ cấp của một cơn bão gần như ở trạng thái cân bằng gió nhiệt do đónhững phân tích trên đây là cần thiết để hiểu biết cấu trúc của hoàn lưu này Tuynhiên ở đây đã bỏ qua hoàn lưu thứ cấp gắn liền với u và  khác không và đã bỏqua hiệu ứng của ma sát gần bề mặt

2.4 SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI - BÃO

Quỹ đạo của một cơn bão là đường nối của các vị trí liên tiếp của cơn bãoqua các giai đoạn tồn tại của nó Vị trí của nó được xác định theo trường áp,trường gió và theo ảnh mây vệ tinh Quỹ đạo được xác định một cách chính xáchơn, được coi là quỹ đạo chuẩn

Quỹ đạo trung bình nhiều năm (quỹ đạo khí hậu) của bão là đường nối cácđiểm có tần suất xuất hiện bão cực đại trên ô vuông kinh vĩ độ của khu vực nhấtđịnh

Dạng parabol đặc trưng của các quỹ đạo quy định bởi cơ chế bão di chuyểntheo dòng dẫn đường, dòng không chịu ảnh hưởng nhiễu động của bão ở rìa hướng

về phía Tây Nam và Tây Bắc của cao áp cận nhiệt Tuy nhiên nhiều cơn bão chỉ đitheo dòng dẫn trong một thời gian, sau đó đổ bộ vào đất liền và tan đi Khi có quỹ

đạo hướng từ Đông Đông Nam lên Tây Tây Bắc có dạng gần thẳng như trongtrường hợp các cơn bão từ tháng 8 đến tháng 12 ở Thái Bình Dương và BiểnĐông Một số cơn bão mạnh có thể có nội lực lớn có thể di chuyển theo nhiềudạng quỹ đạo khác nhau, có khi thắt nút một hay nhiều lần

Ta hãy xét tác động của một nội lực đối với sự di chuyển Theo Rossby, nộilực của bão có thể được biểu diễn bằng công thức:

Từ biểu thức trên ta cũng thấy nội lực của bão tỉ lệ thuận với tốc độ quay vàphạm vi của bão, tốc độ quay của bão càng lớn thì phạm vi của bão và nội lực củabão càng lớn, bão cũng có khả năng di chuyển theo tác động của nội lực Cótrường hợp bão cắt ngang qua áp cao cận nhiệt, nghĩa là cắt ngang qua dòng dẫnđường và di chuyển về phía cực

Ngoại lực tác động đối với sự di chuyển của bão thông qua dòng dẫn đườngcủa môi trường Ở miền nhiệt đới, dòng dẫn đường đối với các bão chủ yếu làdòng khí ở rìa phía nam, phía tây và tây bắc của cao áp cận nhiệt Nguyên lý dòngdẫn đường đối với bão cũng là nguyên lý dòng dẫn đường tại mực 700 và 500mbđối với xoáy mặt đất miền ôn đới

Một vấn đề quan trọng cần giải quyết đầu tiên là xác định mực dòng dẫnđường dòng dẫn đường phù hợp nhất đối với bão Kết quả nghiên cứu của nhiềuchuyên gia đã chỉ ra rằng do trọng tâm của bão nằm ở gần mặt đất nên dòng dẫnđường không thể nằm ở quá cao Các kết quả tính toán mối tương quan giữađường đi của bão và dòng dẫn mực 300mb đều không cho kết quả tốt

2.5 DỰ BÁO SỰ DI CHUYỂN CỦA BÃO

2.5.1 Xác định tâm bão

2.5.1.1 Xác định tâm bão theo trường áp

Với giả thiết mặt đẳng áp ở mặt đất trong vùng trung tâm bão là hình phễu,với các đường đẳng áp khép kín trong và gần như đồng tâm, ta có thể xác định tâmbão bằng cách lấy đường trung trực của ba đoạn đường đẳng áp bao quanh tâmbão (Hình 2.3) Khi đó trung tâm bão sẽ là điểm giữa của hình tam giác tạo nênbởi sự giao nhau của ba đường trung trực Sai số của phương pháp này sẽ lớn khibão chuyển động nhanh và gần tới bờ lục địa vì khi đó đường đẳng áp và phân bốkhí áp không còn đối xứng so với tâm bão.

Hình 2.3 Đường nét đứt là đường trung trực của các đoạn đẳng áp AB, CD và EF.

Điểm O là tâm của xoáy

2.5.1.2 Xác định tâm bão theo góc nghiêng của dòng khí ở gần tâm bão

Phương pháp này được xây dựng trên giả thiết là các dòng khí hội tụ vàotâm bão với cùng một góc nghiêng Tính trung bình góc này từ 20 – 400 Chẳnghạn với góc nghiêng là 200 thì đoạn đường dòng hướng vào tâm (đường đứt nét)hợp với véctơ tiếp tuyến với đường dòng sẽ tạo thành góc 900 + 200 = 1100 (Hình2.4) Điểm giữa của tam giác tạo nên bởi ba đoạn đường dòng hướng tâm là củabão

Hình 2.4 Mũi tên chỉ hướng gió quan trắc trong vòng hoàn lưu bão Đường đứt hợp

với hướng gió góc 110 0 (Eduardo, 1985).

Trên đất liền do mạng lưới khí tượng dày đặc hơn nên ta có thể sử dụng khí

áp mặt đất để xác định tâm bão Trong trường hợp bão di chuyển trên đất liền thì

ta có thể xác định thời điểm xẩy ra giá trị cực tiểu khí áp phối hợp với hướng gió

để xác định tâm bão Tuy nhiên, khi bão suy yếu và có sự biến dạng của trường áp

do ma sát mặt đất sai số sẽ lớn

2.5.1.3 Phương pháp xác định tâm bão bằng ảnh mây vệ tinh

Số liệu vệ tinh cho phép quan trắc bão ở khu vực không có quan trắc mặtđất Dùng tài liệu vệ tinh có thể xác định tâm bão theo hướng các đặc điểm hệthống mây vùng trung tâm bão hay nối các ảnh mây thành một đoạn phim để theogiõi sự phát triển của độ xoáy của dải mây và từ đó xác định tâm bão Khi mắt bãohiện rõ trên ảnh mây vệ tinh thì tâm hình học của mắt bão được coi gần đúng làtâm bão Khi tâm bão chưa hiện rõ thì tâm có thể chệch khỏi vùng mây trung tâm

2.5.2 Dự báo quỹ đạo bão

2.5.2.1 Phương pháp quán tính và phương pháp khí hậu

Phương pháp quán tính dựa trên giả thiết là hiệu ứng tổng hợp của các lựctác động tới cơn bão trong thời đoạn đã qua sẽ tiếp tục tác động với cùng xu thếtrong thời kỳ cần dự báo Đây là phương pháp đơn giản, nhưng cho kết quả chấpnhận được trong vòng 12h nếu bão di chuyển ổn định, không chuyển hướng do sựbiến đổi của dòng dẫn đường Để dự báo bằng phương pháp quán tính ta phải có ítnhất 2 vị trí đầu tiên của cơn bão để xác định được hướng và tốc độ di chuyển củabão Giả thiết rằng trong 12h tới bão vẫn di chuyển theo hướng và tốc độ như 12hqua ta có thể xác định được quỹ đạo của bão trong 12h tới Nếu có 3 trung tâm quỹđạo liên tiếp trên quỹ đạo ta có thể xác định quỹ đạo trong tương lai Cần lưu ý làtheo những quỹ đạo thực của bão trong các thời đoạn ngắn hơn ta có thể điềuchỉnh các quỹ đạo bão để đạt mức chính xác cao hơn

Phương pháp khí hậu được thực hiện trên cơ sở các kết quả thống kê nhiềunăm đối với quỹ đạo bão Theo quỹ đạo bão nhiều năm trên mạng ô vuông kinh vĩnhất định, người ta sẽ xác định quỹ đạo trung bình nhiều năm theo từng tháng vàquỹ đạo trung bình nhiều năm sẽ là đường nối các điểm có tần số lớn nhất như bản

đồ quỹ đạo bão trung bình ở Việt Nam và Biển Đông

Tốc độ di chuyển của bão cũng có thể tính trên cơ sở số liệu khí hậu trungbình của các chùm quỹ đạo bão hay cho từng khu vực và thời gian nhất định.Véctơ dịch chuyển của bão theo phương pháp khí hậu sẽ được xác định cho quỹđạo và vận tốc di chuyển theo kết quả thống kê khí hậu.

Véctơ tổng hợp của 2 phương pháp này là:

trong đó Sp là véctơ di chuyển của bão tính theo phương pháp quán tính, còn S c

là véctơ di chuyển của bão theo phương pháp khí hậu Theo véctơ tổng hợp này ta

có thể xác định điểm đổ bộ của bão khi bão gần tới đất liền

Hiện 2 phương pháp này cho kết quả có thể chấp nhận được đối với các cơnbão ở khu vực có tần suất bão tương đối cao

2.5.2.2 Phương pháp Synốp

Phương pháp dòng dẫn đường

Phương pháp dự báo sự di chuyển của bão bằng phương pháp Synốp dựatrên cơ sở quy tắc dòng dẫn đường như đã áp dụng đối với xoáy thuận ngoại nhiệtđới Thường người ta dùng mực dòng dẫn cho các cơn bão chủ yếu là 700mb Cònđối với cơn bão phát triển mạnh thì mực dòng dẫn là 500mb Để xác định vị trí códòng dẫn đường bằng cách từ tâm bão người ta kẻ một đường vuông góc vớihướng chuyển động của bão và trên khoảng cách 5-80 Tùy theo quy mô của bão

mà người ta xác định điểm mà tại đó có dòng dẫn đường, và điểm đó được gọi làđiểm “kiểm tra” (Chin, 1970)

Sử dụng dòng dẫn đường này có thể xác định hướng và tốc độ di chuyểncủa bão Trên cơ sở đó dự đoán quỹ đạo bão trong tương lai

Phương pháp hệ thống dự báo hướng di chuyển của bão

a Mô hình chuẩn

Trong mô hình chuẩn, rãnh ôn đới dịch chuyển tới miền nhiệt đới tách ápcao cận nhiệt thành 2 bộ phận, phía đông và phía tây