Phân tích trạng thái bất ổn định của khí quyển trong một số trường hợp thời tiết đặc biệt ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN ĐỨC ANH PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI BẤT ỔN ĐỊNH CỦA KHÍ QUYỂN TRONG MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP THỜI TIẾT ĐẶC BIỆT Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRẦN ĐỨC ANH PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI BẤT ỔN ĐỊNH CỦA KHÍ QUYỂN TRONG MỘT SỐ TRƢỜNG HỢP THỜI TIẾT ĐẶC BIỆT Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tƣợng Khí hậu học Mã số: 60 44 02 22 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ THANH HẰNG Hà Nội – Năm 2015 LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS.Vũ Thanh Hằng, ngƣời tân tình bảo hƣớng dẫn tơi q trình học tập hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy cô cán Khoa Khí tƣợng – Thủy văn Hải dƣơng học cung cấp cho kiến thức chuyên môn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất suốt thời gian học tập thực hành khoa Tôi xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trƣờng Đại học khoa học tự nhiên tạo điều kiện cho tơi có thời gian hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, ngƣời thân bạn bè, ngƣời ln dành cho tơi quan tâm động viên, tình u thƣơng tạo điều kiện tốt để tơi có động lực học tập, phấn đấu suốt thời gian học tập trƣờng TRẦN ĐỨC ANH MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI LƢU 1.1 Khái quát đối lƣu khí 1.2 Bất ổn định khí 1.3 Tổng quan nghiên cứu liên quan đến trạng thái khí ngồi nƣớc nƣớc 1.3.1 Tổng quan nƣớc 1.3.2 Tổng quan nƣớc 11 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP VÀ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 14 2.1 Giới thiệu số bất ổn định 14 2.1.1 Chỉ số K 14 2.1.2 Chỉ số SWEAT (Severe WEAther Threat index) 15 2.1.3 Năng lƣợng đối lƣu tiềm (CAPE) 16 2.1.4 Convective Inhibition (CIN) 18 2.1.5 Chỉ số BRN (Bulk Richardson’s Number) 19 2.2 Số liệu nghiên cứu 20 2.2.1 Số liệu mặt đất 20 2.2.2 Số liệu cao không 23 2.3 Các bƣớc tính tốn nghiên cứu 24 CHƢƠNG 3: MỘT SỐ KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ .28 3.1 Kết số bất ổn định theo hình 28 3.2 Kết số bất ổn định theo không gian & thời gian 32 3.3 Kết vài trƣờng hợp đặc biệt khu vực Hà Nội 39 KẾT LUẬN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Giản đồ nhiệt động lực trục ngang nhiệt độ, trục đứng Log P Hình 2.1 Vùng lƣợng để gia tốc cho phần tử dịch chuyển thẳng đứng (CAPE) 17 Hình 2.2 Vùng lƣợng âm cản trở gia tốc thẳng đứng (CIN) 19 Hình 2.3: Giao diện chƣơng trình RAOB 25 Hình 2.4 Biểu diễn dạng số liệu trƣớc tính tốn 26 Hình 2.5 Biểu diễn dạng số liệu sau tính tốn 27 Hình 3.1 Biểu đồ tần suất số K, SWEAT: (a), (c) hình rãnh thấp; (b), (d) hình bão, áp thấp nhiệt đới .30 Hình 3.2 Biểu đồ tần suất số CAPE, CIN, BRN: (a), (c), (e) hình rãnh thấp; (b), (d), (f) hình bão, áp thấp nhiệt đới .31 Hình 3.3 Biểu đồ phân bố số theo tháng trạm .33 Hình 3.4 Giản đồ tụ điểm số CAPE với số K, SWEAT, CIN BRN .34 Hình 3.5 Biểu đồ tần suất số K .35 Hình 3.6 Biểu đồ tần suất số SWEAT 36 Hình 3.7 Biểu đồ tần suất số CAPE .37 Hình 3.8 Biểu đồ tần suất số CIN 38 Hình 3.9 Biểu đồ tần suất số BRN 39 Hình 3.10 Biểu diễn biến thiên theo ngày số SWEAT K hình gây mƣa lớn Rãnh thấp, Bão & ATNĐ, ITCZ, KKL 40 Hình 3.11 Biểu diễn biến thiên theo ngày số CAPE, CIN, BRN hình gây mƣa lớn Rãnh thấp, Bão & ATNĐ, ITCZ, KKL 41 Hình 3.12 Giản đồ nhiệt động lực ngày 15/08/2012 43 Hình 3.13 Giản đồ nhiệt động lực ngày 16/08/2012 44 Hình 3.14 Giản đồ nhiệt động lực ngày 19/08/2012 45 Hình 3.15 Giản đồ nhiệt động lực ngày 19/08/2012 46 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các ngƣỡng số CAPE .17 Bảng 2.2 Phân bố đợt mƣa lớn diện rộng theo tháng năm từ năm 2010 đến năm 2013 21 Bảng 2.3 Các hình synốp gây mƣa lớn diện rộng phạm vi nƣớc .23 Bảng 3.1 Giá trị trung bình số đổi lƣu .28 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ATNĐ Áp thấp nhiệt đới BRN Số BRN (Bulk Richardson's Number) CAPE Năng lƣợng đối lƣu tiềm (Convective Available Potential Energy) CIN Độ ngăn chặn đối lƣu (Convective Inhibition ) ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới KKL Khơng khí lạnh LCL Mực ngƣng kết (Lifting Condensation Level) LFC Mực đối lƣu tự (Level of Free Convection) LI số nâng (Lifted Index) LNB Mực độ trung tính (Level of Neutrat Buoyancy) TT số lƣợng tổng cộng (Total Totals index) SI Chỉ số SI (Showaller Index) SWEAT Chỉ số SWEAT ( Severe WEAther Threat index) MỞ ĐẦU Bão, giông, mƣa lớn… tƣợng thời tiết đặc biệt nguy hiểm, gây thiệt hại to lớn ngƣời, tiền kinh tế xã hội môi trƣờng Một điều kiện quan trọng liên quan đến hình thành tƣợng thời tiết nguy hiểm phát triển đối lƣu nói chung trạng thái ổn định tĩnh tầng đối lƣu Rất nhiều số nhằm đánh giá cách định lƣợng độ ổn định tĩnh tầng đối lƣu đƣợc đề xuất ứng dụng dự báo thời tiết từ nhiều năm qua nhằm đƣa cảnh báo dự báo đƣợc tƣợng thời tiết nguy hiểm liên quan đến đối lƣu Chính vậy, việc đánh giá dự báo, cảnh báo sớm tƣợng thời tiết đặc biệt có ý nghĩa, giúp cho có kế hoạch khẩn cấp để ứng phó, đối phó với mƣa bão từ ban đầu nhằm giảm thiểu tối đa thiệt hại mƣa bão gây Việc đánh giá cảnh báo sớm đƣợc xây dựng dựa số bất ổn định đối lƣu Dựa ngƣỡng cảnh báo số bất ổn định đối lƣu, ta xác định đƣợc mức độ, cƣờng độ lƣợng mƣa, thời gian xác suất xảy nhƣ mở rộng theo không gian tƣợng thời tiết nguy hiểm Đây lý khiến tơi muốn khẳng định tính cấp thiết ý nghĩa thực tiễn đề tài luận văn thạc sỹ với tên: “ Phân tích trạng thái bất ổn định khí số trƣờng hợp thời tiết đặc biệt Việt Nam” Chỉ số bất ổn định khí đƣợc dùng tƣơng đối hiệu hỗ trợ phƣơng pháp synop để dự báo mƣa giơng, hỗ trợ tích cực cho đa để cảnh báo mƣa giơng cách xác bán kính hoạt động hiệu dụng trạm đa Trong nghiên cứu này, số liệu cao không khứ ứng với điều kiện thời tiết đặc biệt nhƣ bão, mƣa lớn, giông đƣợc sử dụng để tính tốn số bất ổn định đối lƣu cho khu vực Việt Nam Từ lựa chọn số ngƣỡng cảnh báo thích hợp để ứng dụng việc cảnh báo tƣợng thời tiết đặc biệt tƣơng lai Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn dự kiến phân thành chƣơng, bố cục nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan đối lƣu Chƣơng 2: Phƣơng pháp số liệu nghiên cứu Chƣơng 3: Một số kết đánh giá Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỐI LƢU 1.1 Khái quát đối lƣu khí Tất chuyển động chất lỏng trƣờng trọng lực ổn định khác mật độ chất lỏng đƣợc gọi chuyển động đối lƣu Chính mà tồn động khí đại dƣơng trái đất đối lƣu tạo “ Đối lưu chuyển động nhiệt trực tiếp dòng quy mô tương đối nhỏ tác dụng trường trọng lực lên phân bố thẳng đứng bất ổn định dịng khối ” Theo ( Đối lƣu khí – Trần Tân Tiến) Dịng đối lƣu đƣợc tìm thấy nhiều nơi nhiều quy mơ, đối lƣu có vai trò vận chuyển nhiệt, ẩm, động lƣợng theo phƣơng thẳng đứng Chuyển động đối lƣu khí chịu trách nhiệm cho việc phân bố nhiệt từ vùng xích đạo vĩ độ cao từ bề mặt lên Sự phát triển đối lƣu ẩm – đối lƣu sâu có vai trị quan trọng trung tâm chu trình lƣợng khí quyển, biểu sở động lực học khí nói chung động lực học xoáy thuận nhiệt đới-bão, mƣa lớn, giơng, lốc … nói riêng Tuy đến hiểu biết ngƣời trình vật lý gắn liền với đối lƣu ẩm tƣơng tác chúng với dịng quy mơ lớn chƣa hồn chỉnh, nên biểu diễn chúng mơ hình khí cịn chƣa thật xác so với mong muốn cần đƣợc bƣớc hoàn thiện Theo nghiên cứu cho thấy, cấu trúc hệ thống đối lƣu sâu phụ thuộc vào giá trị cấu trúc profin độ đứt gió thẳng đứng với giá trị lƣợng bất ổn định 1.2 Bất ổn định khí Phƣơng pháp chung để đánh giá độ ổn định khí đối lƣu đánh giá lực phần tử khí di chuyển quãng đƣờng xác định Ta xét dịch chuyển theo phƣơng thẳng đứng ( ζ ) phần tử Từ hình 3.5 nhận thấy ba trạm tần suất số K với ngƣỡng 30 chiếm ƣu thế, ngƣỡng thuận lợi để đối lƣu phát triển Đặc biệt tần suất với K ≥ 35 trạm 50%, trạm Hà Nội ~65%, trạm Đà Nẵng ~55%, trạm TPHCM ~55% Riêng trạm TPHCM khơng có giá trị K < 25 mà tập trung chủ yếu ngƣỡng (30:35) ngƣỡng 35, vài lần ngƣỡng (25:30) Nhƣ thấy số K trạm TPHCM thể tính bất ổn định mạnh so với trạm Hà Nội trạm Đà Nẵng Hình 3.6 Biểu đồ tần suất số SWEAT So sánh biểu đồ tần suất số SWEAT Trạm hình 3.6 cho ta thấy dạng phân bố theo ngƣỡng tƣơng đối giống Các ngƣỡng tập trung nhiều khoảng (200:250] ngƣỡng chƣa đủ lớn để khả giông Trong ngƣỡng có giá trị lớn 300, thuận lợi cho đối lƣu hình thành tần suất xuất trạm Hà Nội Đà Nẵng lớn so với trạm TPHCM 36 Hình 3.7 Biểu đồ tần suất số CAPE Tƣơng tự dạng phân bố tần suất số CAPE biểu diễn hình 3.7 cho thấy trạm có dạng tƣơng tự giống Tần suất lớn tập trung chủ yếu ngƣỡng nhỏ 1000 (trạm Hà Nội TPHCM nhỏ 80% trạm Đà Nẵng 80%), giảm nhanh ngƣỡng lớn Riêng trạm Hà Nội có số lần xuất ngƣỡng từ 3000 đến 4000, hai trạm lại khơng có lần ngƣỡng Trong phân bố tần suất số CIN hình 3.8 ba trạm cho thấy dạng phân bố trạm Hà Nội Đà Nẵng không giống với trạm TPHCM Hai trạm Hà Nội Đà Nẵng tƣơng đồng nhau, đa phần số CIN có giá trị tuyệt đối lớn 100 trạm TPHCM lại khơng có lần xuất ngƣỡng Mà số CIN trạm TPHCM có giá trị tuyệt đối lại tập trung chủ yếu khoảng từ 50 đến 100 Chỉ số CIN có giá trị lớn ( giá trị tuyệt đối nhỏ, dƣới 30) tần suất xuất nhƣ chƣa thuận lợi cho đối lƣu phát triển 37 Biểu đồ cột màu xanh biểu diễn số lần xuất khoảng ngƣỡng Biểu đồ điểm màu đỏ biểu diễn tần suất xuất khoảng ngƣỡng Hình (a) trạm Hà Nội Hình (b) trạm Đà Nẵng Hình (c) trạm TPHCM Hình 3.8 Biểu đồ tần suất số CIN Hình 3.9 biểu diễn phân bố tần suất số BRN theo ngƣỡng Dạng phân bố số trạm tƣơng tự với tần suất cao tập trung chủ yếu khoảng ngƣỡng 50, khoảng ngƣỡng nằm có tần suất nhỏ không đáng kể Tần suất trạm TPHCM khoảng ngƣỡng >50 chiếm ~60% lớn so với trạm Hà Nội Đà Nẵng, nhƣ độ đứt gió tƣơng đối yếu CAPE lớn thuận lợi cho phát triển dông đa ổ 38 Biểu đồ cột màu xanh biểu diễn số lần xuất khoảng ngƣỡng Biểu đồ điểm màu đỏ biểu diễn tần suất xuất khoảng ngƣỡng Hình (a) trạm Hà Nội Hình (b) trạm Đà Nẵng Hình (c) trạm TPHCM Hình 3.9 Biểu đồ tần suất số BRN 3.3 Kết vài trƣờng hợp đặc biệt khu vực Hà Nội Trong đợt mƣa lớn khu vực miền bắc, lựa chọn đợt mạnh điển hình cho hình để tính tốn số đợt mƣa lớn thời kỳ trƣớc, sau đợt mƣa ngày nhằm xem xét thay đổi theo thời gian số ứng với phát triển hình thời tiết Hình Rãnh thấp gây mƣa lớn từ ngày 26-28/08/2010 lƣợng mƣa phổ biến trung bình từ 100-200 mm, đợt mƣa từ ngày 16-19/08/2012 với lƣợng mƣa phổ biến 100200mm hình Bão & ATNĐ gây mƣa, đợt mƣa từ 10-12/09/2011 với lƣợng mƣa phổ biến từ 100-200mm hình ITCZ gây mƣa, hình KKL gây mƣa cho đợt mƣa 13-16/12/2013 với lƣợng mƣa phổ biến từ 100-200mm Sau tính tốn ta thu đƣợc kết nhƣ sau : Các hình 3.10, hình 3.11, biểu diễn biến trình ngày số đợt mƣa lớn mạnh hình gây Đƣờng màu xanh da trời biểu diễn số hình Rãnh 39 thấp, đƣờng màu đỏ biểu diễn số hình Bão, ATNĐ, đƣờng màu xanh biểu diễn số hình ITCZ, đƣờng màu tím biểu diễn số hình KKL 400 Thời kỳ trước Thời kỳ Thời kỳ sau 60 40 300 20 200 K SWEAT Thời kỳ trước Thời kỳ Thời kỳ sau 100 -20 (a) (b) -40 Hình 3.10 Biểu diễn biến thiên theo ngày số SWEAT K hình gây mưa lớn Rãnh thấp, Bão & ATNĐ, ITCZ, KKL Trong hình 3.10 biểu diễn biến thiên theo ngày số SWEAT K đợt mƣa lớn hình gây Hai số hình KKL thể thay đổi rõ rệt so với hình lại, giá trị SWEAT tăng dần từ trƣớc thời kỳ mƣa lớn đạt giá trị cực đại ngày chuẩn bị xuất mƣa lớn (SWEAT=347) giảm dần đợt mƣa giảm sâu xuống ngƣỡng 100 sau đợt mƣa Giá trị K hình KKL trƣớc mƣa lớn xảy nhỏ chí có ngày K1000 giảm dần sau đợt mƣa (hình 3.2a) Ngƣợc với CAPE CIN hai hình Rãnh thấp, ITCZ nhỏ giá trị tuyệt đối thƣờng 3000 41 (ngƣỡng bất ổn định mạnh) Tƣơng ứng với giá CAPE lớn giá trị tuyệt đối CIN Bão & ATNĐ lại nhỏ nên thuận lợi cho đối lƣu phát triển mạnh Trên Hình 3.3 Giản đồ nhiệt động lực ngày trƣớc sau đợt mƣa Vào lúc 12Z ngày 15/8 trƣớc đợt mƣa ngày, giá trị tuyệt đối CIN nhỏ tồn lớp biên khí nghĩa hầu nhƣ khơng có chế cản đối lƣu cịn CAPE đạt giá trị dƣơng lớn (CAPE=2410 J/kg), theo 2.1.3 mà ngƣỡng cho thấy lƣợng tiềm cho đối lƣu bất ổn định vừa Sáng ngày 16/8 ngày đầu đợt mƣa lúc bão số đƣợc hình thành xuất biển Đông, CIN đạt giá trị tuyệt đối không 40 J/kg lớp biên (nghĩa chế cản đối lƣu yếu), CAPE đạt giá trị dƣơng lớn (CAPE=3362 J/kg) Xem xét profin gió tƣơng ứng cho thấy gió lớp biên tăng đặn theo độ cao không tồn vùng âm đáng kể độ đứt gió lớp biên điều kiện đủ để tạo mƣa lớn đối lƣu phát triển mạnh mẽ Những giá trị lớn phi thƣờng CAPE vào trƣớc thời kỳ bão đổ cho ta suy nghĩ điều kiện bất ổn định mạnh mẽ đất liền nhƣ thuận lợi cho bão phát triển, đặc biệt vùng đổ Đến ngày 19/8 ngày cuối đợt mƣa, giá trị tuyệt đối CIN giữ nguyên giá trị cũ khoảng 40J/kg, CAPE giảm mạnh 1944 J/kg Ngày 20/8 ngày sau đợt mƣa, thời gian bão đổ vào đất liền tan nhƣng số CIN, CAPE có giá trị cao nhƣng tốc độ gió giảm, lƣợng ẩm thấp không thuận lợi cho đối lƣu phát triển 42 Hình 3.12 Giản đồ nhiệt động lực ngày 15/08/2012 (nguồn: http://weather.uwyo.edu) 43 Hình 3.13 Giản đồ nhiệt động lực ngày 16/08/2012 (nguồn: http://weather.uwyo.edu) 44 Hình 3.14 Giản đồ nhiệt động lực ngày 19/08/2012 (nguồn: http://weather.uwyo.edu) 45 Hình 3.15 Giản đồ nhiệt động lực ngày 19/08/2012 (nguồn: http://weather.uwyo.edu) Tóm lại, từ tất giá trị nhận đƣợc lƣợng bất ổn định mơi trƣờng khí khu vực tăng dần bão dịch chuyển vào khu vực ảnh hƣởng Khi bão đổ vào tan rã giá trị giảm dần, giá trị nhiệt, ẩm không thuận lợi để đối lƣu phát triển Các giá trị thể khí mơi trƣờng có bất ổn định cực mạnh, làm bão trì đƣợc cƣờng độ nhƣ suy yếu mang đến lƣợng nƣớc lớn phi thƣờng gây đợt mƣa lớn 46 KẾT LUẬN Sau tiến hành đánh giá định lƣợng, đánh giá theo ngƣỡng phân tích số bất ổn định đối lƣu điều kiện mƣa lớn diện rộng rút số kết luận nhƣ sau: Giá trị trung bình số K có tần suất lớn ngƣỡng >30 thuận lợi cho đối lƣu phát triển, giá trị nhƣ tần suất xuất hình rãnh thấp gây mƣa lớn cao so với hình khác (ngƣỡng >35 chiếm 60%) Các số thƣờng lớn tháng đến tháng năm khu vực TPHCM tần suất nhiều so với khu vực Hà Nội Đà Nẵng Giá trị trung bình số SWEAT ba trạm nhƣ hình gây mƣa có tần suất tập trung ngƣỡng từ 200 đến 250 (đây ngƣỡng chƣa đủ khả để phát triển đối lƣu) Giá trị số SWEAT lớn hình ITCZ gây mƣa, trạm Hà Nội & TPHCM lớn vào khoảng tháng năm trạm Đà Nẵng tập trung vào tháng 8, tháng Trong hai hình gây mƣa lớn (hình rãnh thấp, hình bão ATNĐ), khoảng 70% giá trị CAPE 3000 J/kg) lƣợng cản CIN gần nhƣ không đáng kể, thuận lợi để đối lƣu phát triển Tại khu vực ngƣỡng số CIN, Hà Nội, Đà Nẵng (