Mô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu Thủy

Mô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu ThủyMô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu ThủyMô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu ThủyMô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu ThủyMô hình thích hợp cho các cơn bão đổ bộ vào nước ta ThS. Vũ Thị Thu Thủy

Mô hình thích hợp cho bão đổ vào nước ta Ths Vũ Thị Thu Thuỷ Khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt: Đất nước ta phải gánh chịu ảnh hưởng bị thiệt hại hàng năm bão gây Việc nghiên cứu mô hình hoá bão khu vực có ý nghĩa quan trọng Bài báo trình bày kết nghiên cứu mô hình hoá bão đổ vào nước ta thông qua việc diễn tả trường gió khí áp Tác giả khảo sát nhiều mô hình gió khí áp khác dựa kết đo đạc số trận bão điển hình chọn mô hình phù hợp cho mô trường khí áp trường gió bão mô hình Fujita mô hình xoáy cải tiến Rankine Kết trường gió khí áp bão sử dụng để tính toán dự báo nước dâng bão vùng ven biển phục vụ cho công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai Đặt vấn đề Việt Nam nằm khu vực ổ bão lớn giới vùng Tây Bắc Thái Bình Dương Dải ven biển Việt Nam với nhiều khu vực kinh tế quan trọng vùng đông dân cư thường dễ bị tổn thương thiên tai bão nước dâng bão gây Nước dâng bão không đe doạ tính mạng tài sản người mà sở hạ tầng công trình ven bờ, xói lở bờ biển, làm hỏng lớp bảo vệ đập chắn sóng, mỏ hàn, tạo thành hố dươí chân công trình gây ổn định sụt lở công trình (đê, kè) Vì việc mô dự báo trước mực nước dâng bão có ý nghĩa thiết thực việc phòng chống giảm nhẹ tác hại thiên tai Tuy nhiên nước dâng bão bị ảnh hưởng thay đổi khí áp gió trình phát triển trận bão Việc tính toán nước dâng bão muốn xác cần phải có thông tin xác diễn biến trường khí áp trường gió bão Để có thông tin cách đầy đủ phải sử dụng đến mô hình mô trường khí áp trường gió bão Gió bão bắc bán cầu chuyển động dạng xoáy ngược chiều kim đồng hồ hướng vào tâm không dọc theo vòng tròn đồng tâm với tâm bão Mắt bão hay tâm bão đặc trưng vùng có áp suất thấp (po) gió nhẹ áp suất tăng nhanh theo khoảng cách từ tâm bão đến vùng có gió mạnh tăng từ từ đến mức độ ổn định áp suất khí bình thường (pn=1at=1013mb) Những bão thường xuyên đổ vào nước ta có đặc điểm nhỏ sâu, có nghĩa bán kính ảnh hưởng nhỏ , độ giảm áp tâm bão vùng có gió mạnh lại lớn Cụ thể bán kính thường từ 40- 100km , vận tốc gió lớn đạt 50m/s Để mô tác động bão dòng chảy trước hết phải mô bão, tức mô trường áp suất trường gió khu vực có bão Để tìm mô hình thích hợp cho việc mô tả trường áp suất trường gió với bão vùng, tác giả sử dụng thông tin đường bão gọi Best Track Trung tâm cảnh báo bão (JTWC) Trung tâm liệu khí hậu quốc gia (NCDC) Mỹ Thông tin gồm thời gian, vị trí địa lý, áp suất nhỏ mặt nước tâm bão, vận tốc gió lớn tiếng Và giá trị thực đo trạm hải văn (từ Trung tâm Khí tượng thuỷ văn quốc gia) ba trận bão điển hình gần Dan (12-13/10/1989 đổ vào Hà Tĩnh), Frankie (22-23/7/1996 vào Ninh Bình) Wukong (8-10/9/2000 vào Hà Tĩnh) Mô hình mô trường khí áp Trong bão, khí áp giảm dẫn đến tăng mực nước biển Trong hệ cân mực nước tăng lên 1cm tương ứng với mức giảm áp 1mb vùng nước sâu ảnh hưởng áp suất đáng kể, nhiên vào khu vực nước nông ảnh hưởng lại giảm so với ảnh hưởng trường gió, đóng vai trò quan trọng việc tạo trường gió Trường áp suất nhận dựa vào quan trắc dự báo vùng thiếu số liệu, ta sử dụng mô hình mô bão việc dùng mô hình bão lý tưởng Nhiều mô hình đưa áp dụng nhiều nơi giới mô hình Bierknes, Takahashi, Fujita, Mayers hay Jelesnianski Các mô hình có dạng hàm mũ với thông số po -áp suất tâm bão (đã biết), pn=1at=1013mb, R - khoảng cách từ tâm bão đến vùng có vận tốc gió lớn nhất, tham số r khoảng cách từ tâm bão đến điểm cần tính áp suất Trong bán kính R thường xuyên thay đổi theo thời gian phát triển bão xác định dựa vào số liệu thực đo Trong phần nghiên cứu này, tác giả xác định giá trị R theo phương pháp bình phương tối thiểu sai số mô hình toán số liệu thực đo với tiêu chuẩn đánh giá mô hình sai số quân phương (RMSE) nhỏ sử dụng Microsoft Excel Solver Bảng trình bày kết tính toán mô hình cho bán kính R sai số quân phương RMSE trận bão Dan Bảng Kết tính R sai số RMSE mô hình bão Dan Mô hình Thời gian R(km) RMSE(mb) Bierknes Takahashi Fujita Mayers Jelesnianski Bierknes Takahashi Fujita Mayers Jelesnianski 12-10-89 18:00 159 71 61 65 80 1.6 3.0 2.7 2.8 2.6 13-10-89 00:00 141 75 61 67 79 0.9 1.6 1.1 1.3 1.0 13-10-89 06:00 132 89 64 73 77 2.3 1.7 1.1 1.2 1.5 13-10-89 12:00 124 88 57 65 65 4.3 1.9 2.4 2.1 3.5 13-10-89 18:00 192 141 94 109 110 2.7 1.7 1.9 1.8 2.4 2.4 Trung bình 2.0 1.9 1.8 2.2 Với kết tính toán cho trận bão, mô hình Fujita cho điểm tính toán gần với điểm thực đo với sai số quân phương nhỏ nhất, đồng thời với mô hình ta thu giá trị phù hợp bán kính tương ứng với điểm có vận tốc gió lớn Do đó, mô hình Fujita chọn mô hình thích hợp để mô tả trường gió cho trận bão khu vực Mô hình Fujita viết dạng p a (r ) p n pn p0 r R (1) Hình cho thấy thích hợp mô hình Fujita với giá trị thực đo 6:00 ngày 10/9/2000 bão Wukong 1015 1010 Khí áp, Pa(mb) 1005 1000 Thực đo 995 Bierknes Takahashi 990 Fujita Mayers 985 Jelesnianski 980 100 200 300 400 Khoảng cách từ tâm bo, r(km) Hình Các mô hình khí áp cho trận bão Wukong Mô hình mô trường gió ảnh hưởng thành phần ứng suất tiếp gây gió thể lực kéo lớp nước bề mặt Thành phần quan trọng gây nước dâng bão vùng nước nông ven gần bờ Thực trường gió bão mạnh, không đối xứng với hướng khác Vận tốc gió thay đổi nhanh hướng độ lớn tạo nên xoáy khiến cho dòng chảy rât phức tạp Tuy nhiên để áp dụng thực tế, trường gió bão có thể mô tả mô hình toán với việc coi bão lý tưởng Wr W Vf y F P r Vân tốc gió gồm hai thành phần: thành phần liên quan đến di chuyển tâm bão (F), thành phần khác liên quan đến chênh x O lệch áp suất (Wr) Véctơ vận tốc gió tổng cộng (W) kết hợp hai véctơ thành phần khác hướng độ lớn hai điểm bên trái bên phải đường bão (Hình 2) Hình Véctơ vận tốc gió Véctơ vận tốc gió tổng cộng (W) biểu diễn theo phương x y hệ toạ độ Đề-các sau: W x Fx Wrx F cos C1 Wr cos(90 o ) o W y Fy Wry F sin C1Wr sin(90 ) X (2) Trong : C1: hệ số kinh nghiệm, lấy từ 0,6-0,8 : góc trục x đường nối tâm bão với điểm tính toán (được xác định từ toạ độ tâm bão điểm tính toán) : góc tạo trục x hướng dịch chuyển bão (xác định từ thông tin đường bão) : góc tạo thành phần Wr với tiếp tuyến đường tròn Theo Phadke ( ) tính sau r (0 r R ) 10 R , r (r ) 20 25 1, ( R r 1.2 R) R 25 , (r 1.2 R) (3) F thành phần vận tốc gió liên quan đến di chuyển tâm bão, theo Jelesnianski Rr F Vf (4) R r2 với Vf: vận tốc di chuyển tâm bão Theo công thức F=0 tâm, sau tăng dần lên 0,5Vf nơi có vận tốc gió lớn (R) sau đo giảm dần bên đến Thành phần Wr xác định từ cân lực ly tâm quay khối khí với chênh lệch áp suất lực Coriolis (f) công thức (5) Tuy nhiên lực Coriolis thường nhỏ so với hai lực nên bỏ qua r P fr fr Wr r (5) Để mô tả thành phần vận tốc sử dụng nhiều công thức kinh nghiệm mô hình xoáy Rankine cải tiến, SLOSH, Holland, DeMaria, hay Fujita Các mô hình biểu diễn quan hệ vận tốc gió điểm theo vận tốc gió lớn Wmax khoảng cách từ tâm đến điểm cần tính toán Mỗi mô hình có tham số riêng (ngoại trừ mô hình SLOSH Fujita) mà xác định dựa vào số liệu thực đo Để lựa chọn số mô hình mô hình phù hợp nhất, tác giả sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu với tiêu chuẩn sai số quân phương nhỏ Việc lựa chọn mô hình tiến hành với số liệu biết bão Dan, Frankie Wukong Bảng trình bày ví dụ kết tính toán tham số mô giá trị RMSE cho trận Wukong Hình mô hình gió bão cho trận bão Dan sau hiệu chỉnh tham số hệ số kinh nghiệm C1 Từ kết tính toán phân tích cho thấy mô hình xoáy Rankine cải tiến mô hình phù hợp để mô tả trường gió bão Mô hình thể công thức (6) X R Wmax , (r R) r W (r ) r Wmax R , (r R) (6) Theo mô hình giá trị vận tốc điểm có khoảng cách nhỏ bán kính R có quan hệ bậc nhất, tức thay đổi nhanh, đạt tới giá trị Wmax giảm từ từ theo dạng hàm mũ khoảng cách tăng lên Tham số X hiệu chỉnh khoảng từ 0,3 đến 0,8 để tương thích với giá trị thực đo Thực tế qua trận bão hệ số tương đối ổn định lấy X=0,8 Mô hình xoáy Rankine cải tiến chọn việc cho giá trị RMSE trung bình nhỏ với tính toán quan hệ sát với điểm thực đo so với mô hình khác, giá trị vận tốc lớn Wmax tính toán mô hình tương đương với giá trị thực đo Ngoài ra, ảnh hưởng hệ số kinh nghiệm C1 với mô hình không đáng kể tương đối ổn định qua trận bão với C1=0,8 Trong với mô hình khác hệ số C1 thay đổi qua trận bão trí trình phát triển bão, có trường hợp thấp nhiều so với giá trị thường gặp từ 0,6-0,8 Điều quan trọng với việc mô tả trường gió bão với điều kiện thiếu số liệu thực đo Một điều dễ nhận thấy là, sai số mô hình gió so với giá trị thực đo tương đối lớn, điều cố thể giải thích có số điểm có giá trị khác biệt, nằm xu với điểm khác Đó điểm đo nằm bên phải đường bão lại nằm đảo nên ảnh hưởng địa hình cản trở nhiều so với điểm đo đất liền Bảng Các tham số giá trị RMSE mô hình gió cho trận bão Wukong Mô hình Wmax Thời gian (m/s) X b B RMSE(m/s) Rankine DeMaria Holland Rankine SLOSH DeMaria Holland Fujita 08-09-00 18:00 36.0 0.8 0.6 1.63 3.39 3.37 3.72 3.42 3.80 09-09-00 00:00 36.0 0.8 0.6 1.63 3.40 3.57 4.29 3.33 3.35 09-09-00 06:00 30.9 0.8 0.6 1.56 3.34 3.36 3.35 3.44 3.50 09-09-00 12:00 28.3 0.8 0.6 1.53 4.27 4.24 4.62 4.52 4.38 09-09-00 18:00 25.7 0.8 0.6 1.50 4.80 4.79 5.27 4.90 4.80 10-09-00 00:00 25.7 0.8 0.6 1.50 5.41 5.72 5.78 5.55 5.93 10-09-00 06:00 25.7 0.8 0.6 1.50 3.85 3.89 3.92 4.27 4.62 4.07 4.13 4.42 4.20 4.34 Trung bình RMSE Vận tốc gió bão Dan lúc 12:00 13-10-1989 35 Wind speed, W(m/s) 30 25 Observed Rankine 20 SLOSH DeMaria 15 Holland 10 Fujita 0 100 200 300 400 500 Distance, r(km) Hình Quan hệ điểm tính toán thực đo vận tốc gió cho bão Dan Kết luận kiến nghị Đối với vùng ven biển nước ta ứng dụng mô hình Fujita để mô tả trường khí áp trường gió bão sử dụng mô hình xoáy cải tiến Rankine Kết trường khí áp trường gió từ mô hình sử dụng làm đầu vào cho mô hình thuỷ động lực học để tính toán nước dâng bão phục vụ cho công tác dự báo phòng chống thiên tai Tuy nhiên kết nghiên cứu tiến hành cho trận bão gần đây, để nâng cao tính tin cậy mô hình cần thiết phải sử dụng số liệu đo đạc nhiều trận bão khác nhau, đặc biệt số liệu khơi Tài liệu tham khảo Vũ Thị Thu Thuỷ, 2003, MscTheis H.E.136- Storm surrge modelling for Viet nams coast Phạm Văn Ninh, 1992, The storm surge model, UNDP Project VIE/87/020, Hanoi Le Trong Dao, Nguyen Tai Hoi, Truong Van Bon, Bui Xuan Thong, 2000, Storm Surge Disaster Study, Disaster Management Unit, UNDP Project VIE/97/002, Hanoi Le Van Thao, Bui Thi Bich, Pham Duc Thi, 2000, Storms and Tropical Depressions Disaster Study in Vietnam, Disaster Management Unit, UNDP Project VIE/97/002, Hanoi Disaster Management Unit, 1999 Storm and Tropical Depression Study in Vietnam, UNDP Project /VIE/97/002 - Support to Disaster Management System in Viet Nam McGregor, G R., 1995 The tropical cyclone hazard over the South China Sea 19701989, Applied Geography, pp 35- 52 Siutable model for storms in the Vietnam coastal area Our country frequently suffers from typhoons caused serious damage Study to simulate typhoons in the related area is important This article presents results of modelling typhoons hit the Vietnamese coast by describing typhoon wind field and pressure field The author investigated several models based on observations of recently typical storms and found out the most suitable models for representing typhoons These are the Fujita model for describing typhoon pressure field and the modified Rankine vortex model for presenting typhoon wind field The results of typhoon pressure and wind fields can be used for computation of storm surge models for the Vietnamese coast and helpful for preventation and mitigation disasters ABSTRACT: ... lớn Do đó, mô hình Fujita chọn mô hình thích hợp để mô tả trường gió cho trận bão khu vực Mô hình Fujita viết dạng p a (r ) p n pn p0 r R (1) Hình cho thấy thích hợp mô hình Fujita với giá... thiếu số liệu, ta sử dụng mô hình mô bão việc dùng mô hình bão lý tưởng Nhiều mô hình đưa áp dụng nhiều nơi giới mô hình Bierknes, Takahashi, Fujita, Mayers hay Jelesnianski Các mô hình có dạng... gió từ mô hình sử dụng làm đầu vào cho mô hình thu động lực học để tính toán nước dâng bão phục vụ cho công tác dự báo phòng chống thiên tai Tuy nhiên kết nghiên cứu tiến hành cho trận bão gần