Khoá luận tốt nghiệp: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY TRONG MÔ HÌNH CHÍNH ÁP

MỞ ĐẦU Bão là một trong những hiện tượng thời tiết nguy hiểm mà con người luôn phải đối mặt. Ở vùng nhiệt đới, đặc biệt là vùng Tây Bắc Thái Bình Dương, bão thường xảy ra với tần suất lớn, gây nhiều thiệt hại lớn về người và của. Ngày nay, khi Trái Đất đang có xu hướng nóng lên thì sức tàn phá, mức độ nguy hiểm và phức tạp của bão cũng tăng lên. Do đó bão luôn được các nhà khí tượng quan tâm nghiên cứu nhằm tìm ra các phương pháp có hiệu quả dự báo đường đi và điểm đổ bộ của bão. Bài toán dự báo bão là một bài toán hết sức phức tạp, do chưa hiểu hết bản chất của bão dẫn đến những khó khăn trong việc xây dựng các mô hình dự báo bão. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, rất nhiều mô hình dự báo bão đã ra đời và được đưa vào ứng dụng trong dự báo nghiệp vụ tại nhiều trung tâm dự báo. Như đã biết các phương pháp dự báo bão được chia thành 3 nhóm chính: • Các phương pháp phân tích synop. • Các phương pháp vật lý thống kê. • Các mô hình số trị. Phương pháp synop: chủ yếu sử dụng hệ thống các bản đồ hình thế thời tiết và dựa trên khái niệm dòng dẫn đường. Phương pháp này không đòi hỏi các điều kiện về số liệu và công cụ tính toán, cho các dự báo tốt đối với các hạn dự báo ngắn 12-24h, song lại có nhược điểm là mang tính chủ quan, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm của các dự báo viên. Phương pháp thống kê: dựa trên mối quan hệ thống kê giữa tốc độ và hướng di chuyển của xoáy bão với các tham số khí tượng khác nhau, qua đó xây dựng các phương trình dự báo. Các phương pháp này có đặc điểm là tương đối khách quan, đơn giản, không đòi hỏi các điều kiện về số liệu ban đầu cũng như công cụ tính toán, cung cấp những dự báo tương đối tốt cho các hạn dự báo 12-48h, nhất là đối với các cơn bão có đường đi ổn định. Phương pháp sử dụng các mô hình số trị: dựa trên việc giải các phương trình toán học mô tả trạng thái của khí quyển để đưa ra được các yếu tố thời tiết trong tương lai. Trong các phương pháp trên thì phương pháp số trị mang nhiều ưu điểm nhất, các nghiên cứu và thử nghiệm từ trước tới nay đã cho thấy nhiều mô hình số đem lại những dự báo khá chính xác so với thực tế. Đặc điểm của mô hình số trị là mô tả đầy đủ các quá trình vật lý tác động đến chuyển động của bão trong quá trình tương tác và phát triển của chúng, song lại đòi hỏi về số liệu và phương tiện tính toán. Các mô hình số trị cho phép dự báo quĩ đạo bão thông qua việc tích phân các phương trình mô tả động lực học khí quyển một cách khách quan, tính được các biến khí tượng một cách định lượng. Các mô hình này thường sử dụng trường phân tích và dự báo của các mô hình toàn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện phụ thuộc trong quá trình tích phân. Tuy nhiên do sự thưa thớt của số liệu quan trắc trong vùng biển nhiệt đới, cộng thêm với sự chưa hoàn chỉnh trong động lực và vật lý, cũng như độ phân giải quá thô của các mô hình toàn cầu thường mô phỏng không đúng vị trí, cường độ, và kích thước của các xoáy thuận nhiệt đới. Để khắc phục những sai sót trong trường ban đầu này, người ta đã sử dụng phương pháp ban đầu hóa xoáy. Một trong những phương pháp ban đầu hóa xoáy thường được sử dụng là cài xoáy nhân tạo. Phương pháp này bao gồm 2 quá trình sau:  Tách bỏ một cách hợp lí xoáy yếu, sai vị trí ra khỏi trường gió ban đầu, còn lại thành phần trường nền.  Thay vào vị trí xoáy ban đầu một xoáy đối xứng nhân tạo có vị trí tâm và cường độ phù hợp hơn với xoáy bão thực, xoáy nhân tạo này được tạo ra dựa trên cấu trúc bão và các thông tin chỉ thị bão để cài vào trường nền đã được hiệu chỉnh tạo trường gió ban đầu. Các phương pháp ban đầu hóa xoáy đã được ứng dụng cả trong những mô hình 2 chiều đơn giản đến những mô hình 3 chiều đầy đủ và thực tế đã chứng tỏ rằng trong đa số các trường hợp việc ban đầu hóa xoáy đã góp phần nâng cao chất lượng dự báo một cách đáng kể. Tuy nhiên trong các nghiên cứu trước đây, các nhà nghiên cứu thường ít quan tâm tới việc biểu diễn tương tác giữa thành phần môi trường xung quanh bão và thành phần bất đối xứng của bão. Dựa trên những lý thuyết đã có, trong khóa luận của mình, em đã ban đầu hóa xoáy lý tưởng, khảo sát sự thay đổi quỹ đạo xoáy với các giá trị β khác nhau, so sánh với thực tế trên mặt địa lý và sự thay đổi một số thông số trong profile gió tiếp tuyến dùng trong ban đầu hóa xoáy trong mô hình chính áp 2 chiều để đưa ra một số nhận xét ban đầu. Từ đó đưa ra một hướng nghiên cứu về khả năng lựa chọn profile gió phù hợp để có thể ứng dụng vào thực tế dự báo. Nội dung chính của khóa luận gồm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về các mô hình số trị dự báo bão và lý thuyết chuyển động của xoáy trong mô hình chính áp. Chương 2: Mô hình chính áp và ban đầu hóa xoáy. Chương 3: Kết quả các thử nghiệm. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY TRONG MÔ HÌNH CHÍNH ÁP 1.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH XOÁY 1.1.1. Lịch sử các mô hình số trị dự báo bão Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, các mô hình dự báo bão cũng ngày càng được nghiên cứu và ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ tại nhiều trung tâm dự báo quốc gia và quốc tế. Ngay từ những năm 1950 đã có một số tác giả sử dụng phương pháp động lực để dự báo như Sasaki (1955), Kasahara (1957). Vì trong thời kì này máy tính chưa phát triển nên việc tính toán rất khó khăn và phức tạp, vì vậy những mô hình số trị chính áp càng trở nên cần thiết để xử lí những hoàn lưu quy mô nhỏ. Dần dần, những mô hình nguyên thủy ra đời và đựơc ứng dụng trong dự báo nghiệp vụ. Mô hình chính áp đầu tiên được nghiên cứu và phát triển bởi Tracy vào cuối những năm 1950 và đầu những năm 60. Mô hình này được ứng dụng vàp dự báo quỹ đạo bão cho vùng Đại Tây Dương. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian này, khả năng tính toán và công nghệ máy tính chưa phát triển nên mô hình chính áp đầu tiên này có sai số lớn hơn cả những mô hình thống kê đơn giản. Cho đến cuối những năm 60, một mô hình chính áp mới được đưa vào dự báo nghiệp vụ đầu tiên tại Trung tâm bão quốc gia Hoa Kì là mô hình Sanbar. Đây là mô hình chính áp không phân kì 2 chiều có độ phân giải 154km do Sander và Burpee phát triển từ những năm 1968 và được chạy nghiệp vụ trong suốt những năm 70 cho vùng Bắc Đại Tây Dương. Mô hình Sanbar tích phân phương trình xoáy chính áp không phân kì để dự báo trường hàm dòng. Trường đầu vào là trường gió phân tích khách quan được lấy trung bình trong lớp khí quyển từ 1000 -100 mb dựa trên số liệu thám sát cao không. Mô hình Sanbar cho kết quả dự báo khả quan so với các mô hình thống kê như Hurran và Cliper. Trong những năm 70 và 80 Sanbar cho những dự báo tốt hơn khi sử dụng gió thám sát bằng máy bay ảnh mây vệ tinh và lưới tinh hơn so với lúc đầu. Tuy nhiên mô hình Sanbar chỉ được chạy nghiệp vụ tại Trung tâm bão Hoa Kì cho tới năm 1989. Tới đầu thập niên 90, mô hìn

MỞ ĐẦU Bão tượng thời tiết nguy hiểm mà người phải đối mặt Ở vùng nhiệt đới, đặc biệt vùng Tây Bắc Thái Bình Dương, bão thường xảy với tần suất lớn, gây nhiều thiệt hại lớn người Ngày nay, Trái Đất có xu hướng nóng lên sức tàn phá, mức độ nguy hiểm phức tạp bão tăng lên Do bão ln nhà khí tượng quan tâm nghiên cứu nhằm tìm phương pháp có hiệu dự báo đường điểm đổ bão Bài toán dự báo bão toán phức tạp, chưa hiểu hết chất bão dẫn đến khó khăn việc xây dựng mơ hình dự báo bão Ngày nay, với phát triển khoa học kĩ thuật, nhiều mơ hình dự báo bão đời đưa vào ứng dụng dự báo nghiệp vụ nhiều trung tâm dự báo Như biết phương pháp dự báo bão chia thành nhóm chính:  Các phương pháp phân tích synop  Các phương pháp vật lý thống kê  Các mơ hình số trị Phương pháp synop: chủ yếu sử dụng hệ thống đồ hình thời tiết dựa khái niệm dịng dẫn đường Phương pháp khơng địi hỏi điều kiện số liệu cơng cụ tính tốn, cho dự báo tốt hạn dự báo ngắn 12-24h, song lại có nhược điểm mang tính chủ quan, phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm dự báo viên Phương pháp thống kê: dựa mối quan hệ thống kê tốc độ hướng di chuyển xốy bão với tham số khí tượng khác nhau, qua xây dựng phương trình dự báo Các phương pháp có đặc điểm tương đối khách quan, đơn giản, khơng địi hỏi điều kiện số liệu ban đầu công cụ tính tốn, cung cấp dự báo tương đối tốt cho hạn dự báo 1248h, bão có đường ổn định Phương pháp sử dụng mơ hình số trị: dựa việc giải phương trình tốn học mơ tả trạng thái khí để đưa yếu tố thời tiết tương lai Trong phương pháp phương pháp số trị mang nhiều ưu điểm nhất, nghiên cứu thử nghiệm từ trước tới cho thấy nhiều mơ hình số đem lại dự báo xác so với thực tế Đặc điểm mơ hình số trị mơ tả đầy đủ trình vật lý tác động đến chuyển động bão trình tương tác phát triển chúng, song lại đòi hỏi số liệu phương tiện tính tốn Các mơ hình số trị cho phép dự báo quĩ đạo bão thông qua việc tích phân phương trình mơ tả động lực học khí cách khách quan, tính biến khí tượng cách định lượng Các mơ hình thường sử dụng trường phân tích dự báo mơ hình tồn cầu làm điều kiện ban đầu điều kiện phụ thuộc trình tích phân Tuy nhiên thưa thớt số liệu quan trắc vùng biển nhiệt đới, cộng thêm với chưa hoàn chỉnh động lực vật lý, độ phân giải thô mơ hình tồn cầu thường mơ khơng vị trí, cường độ, kích thước xốy thuận nhiệt đới Để khắc phục sai sót trường ban đầu này, người ta sử dụng phương pháp ban đầu hóa xốy Một phương pháp ban đầu hóa xốy thường sử dụng cài xốy nhân tạo Phương pháp bao gồm trình sau:  Tách bỏ cách hợp lí xốy yếu, sai vị trí khỏi trường gió ban đầu, cịn lại thành phần trường  Thay vào vị trí xốy ban đầu xốy đối xứng nhân tạo có vị trí tâm cường độ phù hợp với xoáy bão thực, xoáy nhân tạo tạo dựa cấu trúc bão thông tin thị bão để cài vào trường hiệu chỉnh tạo trường gió ban đầu Các phương pháp ban đầu hóa xốy ứng dụng mơ hình chiều đơn giản đến mơ hình chiều đầy đủ thực tế chứng tỏ đa số trường hợp việc ban đầu hóa xốy góp phần nâng cao chất lượng dự báo cách đáng kể Tuy nhiên nghiên cứu trước đây, nhà nghiên cứu thường quan tâm tới việc biểu diễn tương tác thành phần môi trường xung quanh bão thành phần bất đối xứng bão Dựa lý thuyết có, khóa luận mình, em ban đầu hóa xốy lý tưởng, khảo sát thay đổi quỹ đạo xoáy với giá trị β khác nhau, so sánh với thực tế mặt địa lý thay đổi số thơng số profile gió tiếp tuyến dùng ban đầu hóa xốy mơ hình áp chiều để đưa số nhận xét ban đầu Từ đưa hướng nghiên cứu khả lựa chọn profile gió phù hợp để ứng dụng vào thực tế dự báo Nội dung khóa luận gồm chương: Chương 1: Tổng quan mơ hình số trị dự báo bão lý thuyết chuyển động xoáy mơ hình áp Chương 2: Mơ hình áp ban đầu hóa xốy Chương 3: Kết thử nghiệm CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XỐY TRONG MƠ HÌNH CHÍNH ÁP 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH XOÁY 1.1.1 Lịch sử mơ hình số trị dự báo bão Cùng với phát triển khoa học kĩ thuật, mơ hình dự báo bão ngày nghiên cứu ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ nhiều trung tâm dự báo quốc gia quốc tế Ngay từ năm 1950 có số tác giả sử dụng phương pháp động lực để dự báo Sasaki (1955), Kasahara (1957) Vì thời kì máy tính chưa phát triển nên việc tính tốn khó khăn phức tạp, mơ hình số trị áp trở nên cần thiết để xử lí hồn lưu quy mơ nhỏ Dần dần, mơ hình nguyên thủy đời đựơc ứng dụng dự báo nghiệp vụ Mơ hình áp nghiên cứu phát triển Tracy vào cuối năm 1950 đầu năm 60 Mơ hình ứng dụng vàp dự báo quỹ đạo bão cho vùng Đại Tây Dương Tuy nhiên, khoảng thời gian này, khả tính tốn cơng nghệ máy tính chưa phát triển nên mơ hình áp có sai số lớn mơ hình thống kê đơn giản Cho đến cuối năm 60, mơ hình áp đưa vào dự báo nghiệp vụ Trung tâm bão quốc gia Hoa Kì mơ hình Sanbar Đây mơ hình áp khơng phân kì chiều có độ phân giải 154km Sander Burpee phát triển từ năm 1968 chạy nghiệp vụ suốt năm 70 cho vùng Bắc Đại Tây Dương Mơ hình Sanbar tích phân phương trình xốy áp khơng phân kì để dự báo trường hàm dịng Trường đầu vào trường gió phân tích khách quan lấy trung bình lớp khí từ 1000 -100 mb dựa số liệu thám sát cao không Mơ hình Sanbar cho kết dự báo khả quan so với mơ hình thống kê Hurran Cliper Trong năm 70 80 Sanbar cho dự báo tốt sử dụng gió thám sát máy bay ảnh mây vệ tinh lưới tinh so với lúc đầu Tuy nhiên mơ hình Sanbar chạy nghiệp vụ Trung tâm bão Hoa Kì năm 1989 Tới đầu thập niên 90, mơ hình Vicbar Mark DeMaria nghiên cứu ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ thay cho mô hình Sanbar Đây mơ hình áp phổ lưới lồng xây dựng dựa phương pháp biểu diễn phổ thay sử dụng sơ đồ sai phân hữu hạn Tuy nhiên, thiếu thốn số liệu quan trắc dẫn đến việc biểu diễn không xác cấu trúc trường xốy trường ban đầu Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp xây dựng xoáy nhân taọ, đồng thời số liệu thám trắc máy bay ảnh mây vệ tinh sử dụng Do Vicbar cho kết dự báo khả quan mơ hình dự báo nghiệp vụ sử dụng trước Tuy nhiên trình giải phương trình hệ lưới lồng lại phức tạp năm 1997 Horsfall cải tiến Vicbar thành mơ hình Lbar để đưa vào dự báo nghiệp vụ Điểm khác biệt Lbar sử dụng khai triển chuỗi theo hàm sin điều hòa khơng sử dụng lưới lồng Do Lbar đơn giản đồng thời thử nghiệm chứng tỏ Lbar cho dự báo tốt Vicbar Cũng khoảng thời gian này, mơ hình áp khơng phân kì Baro nghiên cứu đưa vào dự báo nghiệp vụ trung tâm nghiên cứu khí tượng Australia Mơ hình sử dụng sơ đồ barnes q trình phân tích khách quan Quỹ đạo dự báo thu cách tích phân phương trình xốy áp khơng phân kì sử dụng sơ đồ sai phân bán thời gian lagrangian Điều kiện ban đầu điều kiện biên lấy từ mơ hình tồn cầu Australia Trong q trình ban đầu hóa xốy, dạng profile gió tiếp tuyến đối xứng Holland đựoc sử dụng với vài thay đổi nhỏ Các thử nghiệm Baro cho thấy mơ hình cho cung cấp dự báo quỹ đạo có giá trị Năm 2001, Weber nghiên cứu phát triển mơ hình áp Wbar dựa ý tưởng ban đầu hóa Smith sơ đồ tăng cường xốy, mơ hình nước nơng Các thử nghiệm cho thấy khả dự báo Wbar tốt nhiều so với mô hình Cliper gần tương đương với mơ hình tà áp GFDL Wbar cho sai số nhỏ trường hợp bão mạnh, bão có bán kính ảnh hưởng nhỏ, bão mà thời điểm tích phân có vĩ độ lớn 15 độ, bão di chuyển tương đối ổn định tốc độ di chuyển nhanh Tuy mơ hình áp nói hầu hết dựa khái niệm dịng dẫn, coi xốy bão xốy quy mơ nhỏ, cài vào trường quy mơ lớn, tính tới q trình quy mơ lớn mà chưa tính tới chuyển động quy mơ xốy Do tới năm 2001, mơ hình Mudbar Fulton nghiên cứu ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ cho kết dự báo tốt Mubar dựa mơ hình Vicbar sử dụng đa lưới, sử dựng phương trình xốy áp khơng phân kì có sửa đổi có cài xốy Mubar cho kết tương tự Lbar tính tốn lại đơn giản so với Lbar Các mơ hình số nghiên cứu phát triển từ đơn giản tới phức tạp Ban đầu mơ hình áp khơng phân kì chiều đơn giản, đến mơ hình nước nơng nhiều lớp Trong năm gần đây, nhờ phát triển vượt bậc máy tính, ngồi mơ hình áp, người ta xây dựng mơ hình có độ phân giải cao có động lực vật lý phức tạp Cho đến nay, nhiều mơ hình tà áp chiều đựợc ứng dụng cho dự báo quỹ đạo cường độ bão mơ hình hệ phương trình ngun thủy GFDL, mơ hình dự báo cường độ bão SHIOR, SHIPS Ngồi mơ hình tồn cầu phát triển nên dự báo bão mà khơng cần mơ hình riêng biệt khác MFR, NCEP, UKMO, UKMET, NOGAPS,… Mặc dù vậy, mơ hình áp đơn giản cho dự báo có giá trị, đựơc sử dụng dự báo nghiệp vụ nhiều trung tâm dự báo lớn trung tâm bão quốc gia Hoa Kỳ Đồng thời mô hình áp thường đựơc sử dụng cho dự báo tổ hợp có động lực đơn giản địi hỏi thời gian tính tốn 1.1.2 Phương pháp phân tách xốy ban đầu hóa xốy Như biết mục đích phương pháp ban đầu hóa xốy bão thay xốy phân tích khơng xác trường ban đầu xoáy nhân tạo cho biểu diễn gần cấu trúc xoáy bão thực Trước tiên phải thực việc tách bỏ xoáy yếu khỏi trường phân tích tồn cầu Để thực việc tách bỏ xốy yếu, sai vị trí, người ta giả thiết phần giá trị trường gây xốy giá trị lệch trường phân tích chứa xốy so với trường mơi trường khơng có xốy Xốy tách khỏi trường phân tích nhờ phương pháp lọc thích hợp Phương pháp lọc chọn cho trường mơi trường thu chứa đặc điểm trường xoáy Phương pháp ban đầu hóa xốy thực dựa sở lý thuyết chuyển động xoáy Cùng với đời phương pháp dự báo bão cơng trình nghiên cứu lý thuyết chuyến động xoáy phát triển từ đơn giản đến phức tạp:  Các nghiên cứu thời kì đầu xoáy thuận nhiệt đới chuyển động theo lý thuyết dịng dẫn tức dịng mơi trường xung quanh bão định hoàn toàn chuyển động bão hướng vận tốc  Các nghiên cứu giai đoạn 1980-1990 cho thấy chuyển động xoáy bão tổng hợp hai trình: Sự tương tác xốy dịng (lý thuyết dịng dẫn) Sự tương tác dịng mơi trường xung quanh bão thành phần xoáy bất đối xứng bão, tạo tương tác xoáy trường xoáy Trái Đất (hiệu ứng beta) Theo lý thuyết phân tích tác giả R.Smith W.Urich (1990,1991), R.Smith N.Davision H.Weber (2001)[10,11] xoáy thuận nhiệt đới coi xoáy bất đối xứng, trường khí tượng F phân tích thành thành phần trường F E thành phần trường xoáy F V : (1.1) F F E  F V Trong F trường khí tượng F E thành phần trường F V thành phần trường xoáy Các thành phần trường F E thành phần trường xốy F V lại phân tích tiếp thành thành phần trường quy mô lớn F EL thành phần trường quy mô nhỏ F ES , cịn thành phần trường xốy đựợc phân tích thành thành phần trường xoáy đối xứng F VS thành phần trường xoáy bất đối xứng F VA : Trong đó: F E  F EL  F ES (1.2) F V  F VS  F VA (1.3) F EL thành phần trường quy mô lớn F ES thành phần trường quy mô nhỏ F VS thành phần trường xoáy đối xứng F VA thành phần trường xoáy bất đối xứng Các tác giả rằng: Vectơ chuyển động xốy thuận nhiệt đới V TC xấp xỉ tổng vectơ chuyển động thành phần trường quy mô lớn V EL thành phần trường xoáy bất đối xứng V VA : (1.4) V TC V EL  V VA Sơ đồ phân tích ban đầu hóa xốy xây dựng dựa nguyên lý Các bước phân tích ban đầu hóa xốy tiến hành theo bước sau:  Tách xoáy thuận nhiệt đới F V gồm thành phần trường quy mô lớn thành phần trường quy mô nhỏ khỏi trường gió, cịn lại trường F E  Dựa sở thành phần xoáy đối xứng ban đầu thông tin thị bão, xây dựng thành phần xoáy đối xứng F BS  Xây dựng thành phần xoáy bất đối xứng F BA dựa nguyên tắc vectơ chuyển động xoáy thuận nhiệt đới 12 cuối V TC tổng vectơ vận tốc trường quy mô lớn xung quanh bão V EL vectơ vận tốc thành phần bất đối xứng bão V VA  Hiệu chỉnh thành phần môi trường F E xung quanh bão cho vectơ chuyển động thực bão tổng vectơ thành phần trường quy mô lớn thành phần xoáy bất đối xứng Thành phần môi trường F E hiệu chỉnh vùng có bán kính hiệu chỉnh lớn RNMAX (km)  Xoáy thuận F BV tổng thành phần đối xứng F BS bất đối xứng F BA vừa tạo thành đưa trở lại vào vị trí xốy thuận ban đầu trường F E , ta trường ban đầu với xoáy thuận nhiệt đới ban đầu hóa Xốy đối xứng nhân tạo xây dựng nhiều phương pháp khác dựa hiểu biết cấu trúc xốy thuận nhiệt đới, thơng tin thị bão thơng tin xốy yếu đựơc tách từ trường phân tích Để đảm bảo quy luật động lực, xốy nhân tạo đựơc thực thích ứng trường gió trường độ cao địa vị thực đồng hóa số liệu để hịa hợp trường động lực nhiệt lực, hòa hợp trường xốy với dịng mơi trường[4] Ở nước ta mơ hình số có ban đầu hóa xốy số tác giả nghiên cứu thử nghiệm, mang lại số kết định Sau số cơng trình nước tiêu biểu có liên quan tới phân tích ban đầu hóa xốy[4]: Năm 1991, PGS, TS Trịnh Văn Thư tạo xốy nhân tạo có dạng xốy đối xứng Rankin để dự báo đường bão biển Đơng đưa nhận xét: (1) xốy nhân tạo đối xứng Rankin có kích thước R= 650 km cho kết dự báo bão khả quan (2) việc tăng kích thước xốy Rankin làm cho quỹ đạo bão dịch phía Bắc so với quỹ đạo thực (3) việc dùng số liệu vận tốc gió cực đại gần tâm Trung tâm dự báo bão Hải quân Mỹ Guam +10m/s để tạo xoáy nhân tạo cho kết dự báo tốt so với sử dụng trực tiếp số liệu Năm 2000, 2001, Nguyễn Thị Minh Phương sử dụng mơ hình áp với sơ đồ ban đầu hóa xốy bất đối xứng để dự báo bão NIKI hoạt động biển Đông đổ vào Việt Nam Kết dự báo cho thấy tính ưu việt rõ rệt sơ đồ ban đầu hóa xốy chất lượng dự báo quỹ đạo bão cần thiết nghiên cứu kĩ lưỡng để chọn tham số phù hợp với điều kiện phức tạp hồn lưu khí quy mơ lớn khu vực đặc trưng xoáy thuận nhiệt đới hoạt động biển Đông áp dụng sơ đồ này.Tới năm 2005, luận án tiến sĩ mình, thơng qua việc thử nghiệm bão TED (1995) WUKONG (2000) hoạt động biển Đông, Nguyễn Thị Minh Phương có số cải tiến dự báo bão biển Đơng, là: (1) Lựa chọn bán kính lớn RNMAX lần bán kính vùng gió 30kts (hoặc bán kính đường đẳng áp đóng kín ngồi cùng) (2) hiệu chỉnh cách tính thành phần xoáy bất đối xứng nhằm khắc phục xu hướng lệch Bắc dự báo Năm 2001, Đề tài khoa học công nghệ độc lập cấp nhà nước “Nghiên cứu áp dụng mơ hình số cơng nghệ cao cho mục đích dự báo chuyển động bão vùng biển Việt Nam” PGS, TS khoa học Kiều Thị Xin làm chủ nhiệm áp dụng mơ hình áp với sơ đồ ban đầu hóa xốy WBAR để dự báo thử nghiêm quỹ đạo số bão họat động biển Đông Tây Bắc Thái Bình Dương năm 2000-2001 Kết thử nghiệm cho thấy: 10 Trong thử nghiệm khảo sát chuyển động xoáy trường hợp rm =40km rm =80km Ta có quỹ đạo xoáy trường hợp sau:  rm = 40 km Hình 3.4: Quỹ đạo xốy trường hợp rm = 40 km, Vm = 30 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Có thể thấy xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc, quỹ đạo cong trường hợp Trong vòng 72 xoáy di chuyển khoảng 850 km, khoảng 30 đầu, xoáy lệch Bắc nhiều trường hợp đầu, khoảng thời gian sau, xoáy lại lệch Bắc hơn, di chuyển với tốc độ không ổn định  rm = 80 km 38 rm = 80 km, Vm=30m/s, R15= 400km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 3.5: Quỹ đạo xốy trường hợp rm = 80 km, Vm = 30 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình 2.3 ta thấy xốy di chuyển theo hướng Tây Bắc với quỹ đạo ổn định Trong vịng 72 xốy di chuyển khoảng 850 km, thấy trường hợp này, xốy có xu hướng lệch Bắc nhiều trường hợp đầu, đồng thời di chuyển trường hợp So sánh trường hợp với trường hợp ban đầu: 39 Hình 3.6: Quỹ đạo xoáy trường hợp Mỗi điểm nút cách rm = 40 m/s rm = 60 m/s rm = 80 m/s Nhìn vào hình vẽ ta thấy tăng rm quỹ đạo khoảng thời gian đầu lệch Bắc hơn, sau lại lệch phía bắc nhiều hơn, giảm rm quỹ đạo khoảng thời gian đầu lệch Bắc nhiều hơn, sau lại lệch phía bắc lệch phía tây nhiều Đồng thời tăng rm xốy chuyển động với tốc độ có quỹ đạo ổn định Tuy nhiên thấy thay đổi rm quỹ đạo không bị biến đổi nhiều 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC GIÓ CỰC ĐẠI 40 Trong thử nghiệm ta khảo sát chuyển động xoáy trường hợp Vm=25m/s Vm =35m/s Ta có quỹ đạo xốy trường hợp sau:  Vm = 25m/s Hình 3.7: Quỹ đạo xoáy trường hợp rm = 60 km, Vm = 25 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Trong trường hợp thay đổi Vmax xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc, vòng 72 quãng đường khoảng 850km, trường hợp này, xốy di chuyển khơng đều, khoảng 24 đầu 24 cuối xoáy di chuyển quãng đường ngắn nhiều so với khoảng thời gian Đồng thời độ lệch Bắc xoáy nhỏ trường hợp ban đầu  Vm = 35m/s 41 rm = 60km, Vm= 35m/s, R15= 400km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 3.8: Quỹ đạo xoáy trường hợp rm = 60 km, Vm = 35 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình vẽ ta thấy: xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc, vòng 72 quãng đường khoảng 850km Trong trường hợp này, xoáy di chuyển ổn định hơn, độ lệch Bắc xoáy lớn trường hợp đầu So sánh trường hợp với trường hợp ban đầu: 42 Hình 3.9: Quỹ đạo xốy trường hợp Mỗi điểm nút cách Vm = 25 m/s Vm = 30 m/s Vm = 35 m/s Có thể thấy: Khi tăng Vm quỹ đạo lệch phía Bắc nhiều hơn, ngược lại, giảm Vm quỹ đạo lệch phía Tây nhiều Đồng thời tăng Vmax xốy chuyển động 3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA BÁN KÍNH VÙNG GIĨ 30KTS(HAY R15) 43 Trong thử nghiệm thứ bán kính vùng gió 30kts sử dụng R15 = 200 km, R15 = 300 km, R15 = 500 km Ta có quỹ đạo xốy trường hợp sau:  R15 = 200km Hình 3.10: Quỹ đạo xoáy trường hợp rm = 60 km, Vm = 30 m/s, R15 = 200 km Mỗi điểm nút cách Từ hình 3.8 ta thấy: xốy chuyển động theo hướng Tây Bắc với quỹ đạo gần đường thẳng, độ lệch Bắc lớn hơn, góc lệch khoảng 52 độ, vòng 72 khoảng 560 km, độ di chuyển xoáy 2.2 m/s Như xoáy di chuyển chậm nhiều so với trường hợp R15 = 300 km  R15 = 300km 44 rm=60km, Vm = 30m/s, R15= 300km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 3.11: Quỹ đạo xoáy trường hợp rm = 60 km, Vm = 30 m/s, R15 = 300 km Mỗi điểm nút cách Tương tự, xoáy chuyển động theo hướng Tây Bắc,do có hiệu ứng β độ lệch Bắc lớn hơn, vòng 72 khoảng 750 km, tốc độ di chuyển trung bình khoảng 2.9 m/s khoảng thời gian đầu cuối xoáy di chuyển chậm  R15 = 500km 45 rm = 60km, Vm = 30 m/s, R15 = 500km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 3.12: Quỹ đạo xoáy trường hợp rm = 60 km, Vm = 30 m/s, R15 = 500 km Mỗi điểm nút cách Xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc, độ lệch Bắc nhỏ hơn, di chuyển nhanh so với trường hợp trên, vịng 72 giờ, xốy di chuyển khoảng 910 km, với tốc độ khoảng 3.5 m/s Trong khoảng 18 đầu 18 cuối xoáy di chuyển với tốc độ chậm 46 So sánh trường hợp với trường hợp ban đầu: Hình 3.13: Quỹ đạo xốy trường hợp R15 = 200 km R15 = 300 km R15 = 400 km R15 = 500 km Nhìn vào hình vẽ ta thấy: Với R15 =200km xoáy di chuyển chậm với tốc độ 7.8km/h so với 10.4km/h R 15 =300km 11.8km/h R15 =400km, 47 với R15 =500km xoáy di chuyển nhanh hơn, tốc độ 12.8 km/h Điều chứng tỏ R15 có ảnh hưởng lớn tới chuyển động xoáy bão Qua khảo sát trường hợp ứng với giá trị khác R 15 ta nhận thấy tốc độ di chuyển trung bình xốy tăng R15 tăng lên Vậy liệu có liên hệ R15 với vận tốc xốy khơng? Vẽ mối liên quan R 15 tốc độ xoáy ta kết hình vẽ đây: Hình 3.14: Quan hệ tốc độ di chuyển với bán kính vùng gió 30kts Hình 3.14 cho ta thấy tốc độ di chuyển xốy tăng cách tuyến tính với bán kính vùng gió 30kts Vì khơng đủ thời gian để nghiên cứu sâu, khóa luận em khảo sát thay đổi bán kính vùng gió 30kts trường hợp nên chưa đủ để tìm hàm tốn học xác biểu diễn mối quan hệ hai đại lượng này, mà đưa nhận xét tổng quan ban đầu 48 KẾT LUẬN Qua thử nghiệm nhận thấy trường hợp có khác quỹ đạo di chuyển xoáy Kết thu cụ thể sau: Thử nghiệm 1: Xét vĩ đội khác tốc độ di chuyển xốy biến đổi không đáng kể, vĩ độ lớn quỹ đạo lệch Bắc nhiều hơn, độ lệch nhỏ Trên mặt địa lý góc lệch Bắc xốy tăng lên, tới 49° so với 45°trên mặt beta, với profile gió ban đầu hóa xốy Thử nghiệm 2: Thay đổi rm tốc độ di chuyển khơng thay đổi nhiều Tăng rm quỹ đạo xoáy ổn định hơn, khoảng thời gian đầu lệch Bắc ít, sau lệch Bắc nhiều Giảm rm cho kết ngược lại Thử nghiệm 3: Vm thay đổi tốc độ di chuyển khơng thay đổi nhiều Vm lớn độ lệch quỹ đạo hướng Bắc lớn, xoáy di chuyển Thử nghiệm 4: Tốc độ di chuyển xoáy thay đổi rõ rệt R15 thay đổi Khi R15 giảm xốy di chuyển với tốc độ chậm hơn, lệch Bắc nhiều hơn, R15 lớn xốy chuyển động nhanh, lệch Bắc Như thử nghiệm cho biến đổi chuyển động xoáy với mức độ khác Những khác biệt xoáy khảo sát mặt phẳng khác nhau, với ban đầu hóa xốy khác Một điều dễ nhận thấy vĩ độ khảo sát xốy ảnh hưởng tới chuyển động xốy Trên mặt địa lý góc lệch xốy lớn mặt beta Bán kính gió cực đại vận tốc gió cực đại khơng làm biến đổi nhiều tốc độ xốy, mà thay đổi chút độ lệch Bắc xốy Trong đó, bán kính vùng gió 30kts làm thay đổi đáng kể tốc độ di chuyển xốy Bán kính vùng gió lớn tốc độ di chuyển xoáy tăng Nghiên cứu khóa luận lần nhấn mạnh tầm quan trọng ành hưởng lớn ban đầu hóa xốy lần khẳng định lại lý thuyết 49 chuyển động xoáy mặt beta Smith (2004) Qua em bước đầu hiểu vai trò thành phần profile gió dùng ban đầu hóa xốy, ảnh hưởng vĩ độ mặt phẳng khảo sát xoáy khác Qua thử nghiệm ta thấy tốc độ di chuyển xoáy mặt địa lý mặt beta gần sát với nhau, mặt địa lý quỹ đạo lệch Bắc góc lệch khơng q lớn Từ thấy lý thuyết beta cho kết sát với thực tế mặt địa lý Từ nghiên cứu ban đầu cho ta thử nghiệm việc lựa chọn profile gió phù hợp ban đầu hóa xốy khả ứng dụng lý thuyết beta kết dự báo có khả ứng dụng vào thực tế 50 Tài liệu tham khảo Bùi Hoàng Hải (2008), “Nghiên cứu phát triển ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xốy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bão Việt Nam”, Luận án tiến sĩ khí tượng học, Đại học khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia, Hà Nội Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân (2002), “Khảo sát ảnh hưởng trường ban đầu hóa đến chuyển động bão mơ hình áp dự báo bão khu vực biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng thủy văn, 8(500), tr.17-25 Lê Ngọc Phan (2008), “Khảo sát chuyển động bão mơ hình áp”, Khóa luận tốt nghiệp khóa 49, Trường đại học khoa học tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Thị Minh Phương (2003), “Lựa chọn tham số cho sơ đồ ban đầu hóa xốy mơ hình áp dự báo đường bão biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng thủy văn, 12(516), tr.13-22 Nguyễn Thị Minh Phương (2005), “Nghiên cứu áp dụng phương pháp ban đầu hóa xốy mơ hình số trị áp dự báo đường xốy thuận nhiệt đới biển Đơng”, Luận án tiến sĩ địa lý, Viện khí tượng thủy văn, Hà Nội Trần Tân Tiến (1999), “Phương pháp dự báo số trị”, NXB Đại học quốc gia, Hà Nội DeMaria, M (1985), “Tropical Cyclone Motion in a Nondivergent Barotropic Model”, Monthly Weather Review, (113), pp 1199-1209 Holland, G.J (1983), “Tropical Cyclone Motion Environmental Interaction plus a Beta effect”, J Atmos Sci, (40), pp 328-341 Krishnamurti T.TN and L.Bounoua (1996), “An Introduction to Numberical Weather Prediction Techniques” 10 Smith R K (2004), “Lectures on Tropical Cyclone” 51 11 Smith, R.K and W.Urich (1990) “An Analytical Theory of Tropical Cyclone Motion Using a Barotropic Model”, J Atmos Sci, (47), pp 1973-1986 12 Weber, H.C (2001), “Huricane Track Predition with a New Barotropic Model”, Monthly Weather Review, (129), pp.1834-1858 52 ... CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XỐY TRONG MƠ HÌNH CHÍNH ÁP 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH XOÁY 1.1.1... hợp để ứng dụng vào thực tế dự báo Nội dung khóa luận gồm chương: Chương 1: Tổng quan mơ hình số trị dự báo bão lý thuyết chuyển động xoáy mơ hình áp Chương 2: Mơ hình áp ban đầu hóa xốy Chương... tiến mơ hình dự báo số trị nước tiên tiến cho phù hợp với điều kiện hồn lưu khí khu vực tiếp thu áp dụng mơ hình vào dự báo bão nước ta 1.2 LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XỐY TRONG MƠ HÌNH CHÍNH ÁP 1.2.1