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 Trong đó, phương pháp phân tích synop và phương pháp vật lý thống kê tuy đơn giản, nhưng lại không hiệu quả đối với các hạn dự báo dài, và với một số cơn bão có đường đi phức tạp. Trong khi các mô hình số trị đã khắc phục được những nhược điểm trên. 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 dự báo quỹ đạo bão 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 XTNĐ. Để khắc phục những sai sót trong trường ban đầu này, người ta đã sử dụng phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng cách: +Tách xoáy thực nghèo số liệu 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 được tạo ra dựa trên các thông tin chỉ thị bão để cài vào trường nền đã được hiệu chỉnh tạo trường gió ban đầu Xoáy đối xứng nhân tạo được xây dựng bằng rất nhiều phương pháp khác nhau. Sau đây là một số công trình trong nước tiêu biểu có liên quan tới phân tích và ban đầu hóa xoáy: Năm 1991, PGS, TS Trịnh Văn Thư đã tạo ra xoáy nhân tạo có dạng xoáy đối xứng Rankin để dự báo đường đi của bão trên biển Đông và đưa ra nhận xét: - Xoáy Rankin có kích thước R= 650 km cho kết quả dự báo bão khả quan. - Tăng kích thước xoáy Rankin làm cho quỹ đạo bão dịch về phía Bắc so với quỹ đạo thực. Năm 2000, 2001, Nguyễn Thị Minh Phương đã có những cải tiến trong dự báo bão biển Đông: -Lựa chọn bán kính hiệu chỉnh lớn nhất RNMAX = 4*R30 - Hiệu chỉnh cách tính thành phần xoáy bất đối xứng nhằm khắc phục xu hướng lệch Bắc của các cơn bão: CXV = SPD*cos (0.85*DIR) –CXE CYV= SPD*cos (0.85*DIR) - CYE Năm 2001, PGS, TS Kiều Thị Xin áp dụng mô hình chính áp với sơ đồ ban đầu hóa xoáy WBAR đã cho thấy: - Trường số liệu ban đầu hóa xoáy thể hiện rõ cấu trúc của xoáy - Sử dụng số liệu tại tầng trung bình cho sai số nhỏ hơn sử dụng số liệu tại các mực đẳng áp riêng lẻ 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 bão trong công thức hiệu chỉnh dòng nền, và thay đổi một số thông số trong profile gió tiếp tuyến dung trong ban đầu hóa xoáy và đưa ra một số nhận xét ban đầu. Nội dung chính của khóa luận gồm 4 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: Khảo sát chuyển động của xoáy trong mô hình chính áp Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của hiệu chỉnh dòng nền đến quỹ đạo dự báo trong mô hình WBAR 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 hình Vicbar do Mark DeMaria nghiên cứu đã được ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ thay cho mô hình Sanbar. Đây là mô hình chính áp phổ lưới lồng được xây dựng dựa trên phương pháp biểu diễn phổ thay vì sử dụng các sơ đồ sai phân hữu hạn. Tuy nhiên, cũng do sự thiếu thốn về số liệu quan trắc dẫn đến việc biểu diễn không chính xác cấu trúc trường xoáy trong các trường ban đầu. Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp cũng là xây dững xoáy nhân taọ, đồng thời các số liệu thám trắc bằng máy bay và ảnh mây vệ tinh cũng được sử dụng . Do đó Vicbar cho kết quả dự báo khả quan hơn các mô hình dự báo nghiệp vụ đã được sử dụng trước đó Tuy nhiên quá trình giải phương trình trên hệ lưới lồng lại quá phức tạpdo đó năm 1997 Horsfall đã cải tiến Vicbar thành mô hình Lbar để đưa vào dựb áo nghiệp vụ. Điểm khác biệt là Lbar sử dụng khai triển chuỗi theo các hàm sin điều hòa và không sử dụng lưới lồng. Do đó Lbar đơn giản hơn đồng thời các thử nghiệm cũng chứng tỏ rằng Lbar cho dự báo tốt hơn Vicbar Cũng trong khoang thời gian này, mô hình chính áp không phân kì Baro đã được nghiên cứu và đưa vào dự báo nghiệp vụ tại trung tâm nghiên cứu khí tượng Australia. Mô hình sử dụng sơ đồ barnes trong quá trình phân tích khách quan Quỹ đạo dự báo thu được bằng cách tích phân phương trình xoáy chính áp không phân kì và sử dụng sơ đồ sai phân bán thời gian lagrangian. Điều kiệnban đầu và điều kiện biên được lấy từ mô hình toàn cầu Australia. Trong quá trình ban đầu hóa xoáy, dạng profile gió tiếp tuyến đối xứng của Holland đựoc sử dụng với một vài thay đổi nhỏ. Các thử nghiệm của Baro đã cho thấy mô hình này cho cung cấp những dự báo quỹ đạo có giá trị. Năm 2001, Weber đã nghiên cứu và phát triển mô hình chính áp Wbar dứa trên ý tưởng ban đầu hóa của Smith và một sơ đồ tăng cường xoáy, một mô hình nước nông. Các thử nghiệm cho thấy khả năng dự báo của Wbar tốt hơn nhiều so với mô hình Cliper và có thể gần tương đương với mô hình tà áp GFDL. Wbar cho sai số nhỏ trong các trường hợp bão mạnh, bão có bán kính ảnh hưởng nhỏ, bão mà tại thời điểm tích phân có vĩ độ lớn hơn 15 độ, bão di chuyển tương đối ổn định và tốc độ di chuyển nhanh. Tuy vậy các mô hình chính áp nói trên hầu hêt chỉ dựa trên khái niệm dòng dẫn, và coi xoáy bão là một xoáy quy mô nhỏ, được cài vào trong trường quy mô lớn, chỉ tính tới các quá trình quy mô lớn mà chưa tính tới chuyển động quy mô xoáy. Do đó tới năm 2001, mô hình Mudbar do Fulton nghiên cứu đã được ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ và cho kết quả dự báo tốt. Mubar dựa trên nền mô hình Vicbar nhưng sử dụng đa lưới, sử dựng phương trình xoáy chính áp không phân kì có sửa đổi và có cài xoáy. Mubar cho kết quả tương tự Lbar nhưng tính toán lại đơn giản hơn so với Lbar. Các mô hình số được nghiên cứu và phát triển từ đơn giản tới phức tạp. Ban đầu là những mô hình chính áp không phân kì 2 chiều đơn giản, đến những mô hình nước nông nhiều lớp.Trong những năm gần đây, nhờ sự phát triển vượt bậc của máy tính, ngoài các mô hình chính áp, người ta đã xây dựng được các mô hình có độ phân giải cao và có động lực và vật lý phức tạp. Cho đến nay, nhiều mô hình tà áp 3 chiều đã đựợc ứng dụng cho dự báo quỹ đạo và cường độ bão như mô hình hệ phương trình nguyên thủy GFDL, mô hình dự báo cường độ bão SHIOR, SHIPS. Ngoài ra các mô hình toàn cầu cũng phát triển nên có thể dự báo được bão mà không cần các mô hình riêng biệt khác như MFR, NCEP, UKMO, UKMET, NOGAPS, … Mặc dù vậy, các mô hình chính áp đơn giản vẫn cho các dự báo có giá trị, và vẫn đang đựơc sử dụng trong dự báo nghiệp vụ tại nhiều trung tâm dự báo lớn như trung tâm bão quốc gia Hoa Kỳ. Đồng thời các mô hình chính áp thường đựơc sử dung cho dự báo tổ hợp do có động lực đơn giản và đòi hỏi về thời gian tính toán it. 1.1.2. Phương pháp phân tách xoáy và ban đầu hóa xoáy Các công trình nghiên cứu về lý thuyết chuyến động của xoáy đã được phát triển từ đơn giản đến phức tạp: - Theo lý thuyết dòng dẫn thì dòng môi trường xung quanh bão quyết định hoàn toàn chuyển động của bão cả về hướng và vận tốc. - Các nghiên cứu trong giai đoạn 1980-1990 cho thấy : chuyển động của xoáy bão là sự tổng hợp của hai quá trình: + Sự tương tác giữa xoáy và dòng nền ( lý thuyết dòng dẫn) + Sự tương tác giữa dòng môi trường xung quanh bão và thành phần xoáy bất đối xứng của bão, được tạo ra bởi sự tương tác giữa xoáy và trường xoáy của Trái Đất (hiệu ứng beta). Theo lý thuyết phân tích của các tác giả R.Smith và W.Urich(1990,1991), R.Smith và H.Weber (1993,1995), N.Davision và H.Weber(2001) xoáy thuận
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 Trong đó, phương pháp phân tích synop phương pháp vật lý thống kê đơn giản, lại không hiệu hạn dự báo dài, với số bão có đường phức tạp Trong mơ hình số trị khắc phục nhược điểm Đặc điểm mơ hình số trị mơ tả đầy đủ q trình vật lý tác động đến chuyển động bão trình tương tác phát triển chúng, song lại địi hỏi số liệu phương tiện tính tốn Các mơ hình số trị dự báo quỹ đạo bão thường sử dụng trường phân tích dự báo mơ hình tồn cầu làm điều kiện ban đầu điều kiện phụ thuộc q 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 q thơ mơ hình tồn cầu thường mơ khơng vị trí, cường độ, kích thước XTNĐ Để khắc phục sai sót trường ban đầu này, người ta sử dụng phương pháp ban đầu hóa xốy cách: +Tách xốy thực nghèo số liệu khỏi trường gió ban đầu, lại thành phần trường +Thay vào vị trí xốy ban đầu xốy đối xứng nhân tạo tạo dựa thông tin thị bão để cài vào trường hiệu chỉnh tạo trường gió ban đầu Xốy đối xứng nhân tạo xây dựng nhiều phương pháp khác Sau số cơng trình nước tiêu biểu có liên quan tới phân tích ban đầu hóa xốy: 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: - Xốy Rankin có kích thước R= 650 km cho kết dự báo bão khả quan - Tăng kích thước xốy Rankin làm cho quỹ đạo bão dịch phía Bắc so với quỹ đạo thực Năm 2000, 2001, Nguyễn Thị Minh Phương có cải tiến dự báo bão biển Đơng: -Lựa chọn bán kính hiệu chỉnh lớn RNMAX = 4*R30 - Hiệu chỉnh cách tính thành phần xoáy bất đối xứng nhằm khắc phục xu hướng lệch Bắc bão: CXV = SPD*cos (0.85*DIR) – CXE CYV= SPD*cos (0.85*DIR) CYE Năm 2001, PGS, TS Kiều Thị Xin áp dụng mơ hình áp với sơ đồ ban đầu hóa xốy WBAR cho thấy: - Trường số liệu ban đầu hóa xốy thể rõ cấu trúc xoáy - Sử dụng số liệu tầng trung bình cho sai số nhỏ sử dụng số liệu mực đẳng áp riêng lẻ Dựa lý thuyết có, khóa luận mình, em ban đầu hóa xốy lý tưởng, khảo sát thay đổi quỹ đạo bão công thức hiệu chỉnh dòng nền, thay đổi số thơng số profile gió tiếp tuyến dung ban đầu hóa xốy đưa số nhận xét ban đầu Nội dung khóa luận gồm chương: Chương 1: Tổng quan mơ hình số trị dự báo bão lý thuyết chuyển động xốy mơ hình áp Chương 2: Khảo sát chuyển động xốy mơ hình áp Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng hiệu chỉnh dòng đến quỹ đạo dự báo mơ hình WBAR CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY TRONG MƠ HÌNH CHÍNH ÁP 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ DỰ BÁO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÁCH XỐY 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 ngun 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, mô 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 dòng Trường đầu vào trường gió phân tích khách quan lấy trung bình lớp khí từ 1000 -100 mb dựa số liệu thám sát cao khơng Mơ hình Sanbar cho kết dự báo khả quan so với mô 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 mơ 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 khơng xác cấu trúc trường xoáy trường ban đầu Để khắc phục nhược điểm này, phương pháp xây dững 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 q trình giải phương trình hệ lưới lồng lại phức tạpdo năm 1997 Horsfall cải tiến Vicbar thành mơ hình Lbar để đưa vào dựb áo nghiệp vụ Điểm khác biệt Lbar sử dụng khai triển chuỗi theo hàm sin điều hịa khơng sử dụng lưới lồng Do Lbar đơn giản đồng thời thử nghiệm chứng tỏ Lbar cho dự báo tốt Vicbar Cũng khoang thời gian này, mô 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 kiệnban đầu điều kiện biên lấy từ mô 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 dứa 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 mơ 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 hêt dựa khái niệm dịng dẫn, coi xốy bão xốy quy mơ nhỏ, cài vào trường quy mô 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 mô 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 mơ hình áp thường đựơc sử dung cho dự báo tổ hợp có động lực đơn giản địi hỏi thời gian tính tốn it 1.1.2 Phương pháp phân tách xoáy ban đầu hóa xốy Các cơng trình nghiên cứu lý thuyết chuyến động xoáy phát triển từ đơn giản đến phức tạp: - Theo lý thuyết dòng dẫn dịng mơi trường xung quanh bão định hồn 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 H.Weber (1993,1995), N.Davision H.Weber(2001) 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 xoáy F V lại phân tích tiếp thành thành phần trường quy mô lớn F EL thành phần trường quy mơ nhỏ F ES , cịn thành phần trường xốy đựợc phân tích thành thành phần trường xoáy đối xứng F VS thành phần trường xốy 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 xoáy thuận nhiệt đới xấp xỉ tổng vectơ chuyển động thành phần V trường quy mơ lớn F EL thành phần trường xốy bất đối xứng F VA TC Sơ đồ phân tích ban đầu hóa xốy xây dựng dựa ngun lý Các bước phân tích ban đầu hóa xoáy tiến hành sau: Tách xoáy thuận nhiệt đới F V gồm thành phần trường quy mô lớn thành phần trường quy mơ nhỏ khỏi trường gió, cịn lại trường F E Dựa cỏ 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 vectơ vận tốc thành phần bất đối xứng bão 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 xốy bất đối xứng Thành phần mơi trường F E hiệu chỉnh vùng có bán kính hiệu chỉnh lớn RNMAX (km) Xốy thuận F BV tổng thành phần đối xứng F BS bất đối xứng F BA vừa tạo thành đưa trở lại vào vị trí xoáy thuận ban đầu trường F E , ta trường ban đầu với xoáy thuận nhiệt đới ban đầu hóa 1.2 LÝ THUYẾT CHUYỂN ĐỘNG CỦA XỐY TRONG MƠ HÌNH CHÍNH ÁP 1.2.1 Chuyển động xoáy đối xứng Chuyển động xoáy thuận nhiệt đới mơ hình áp khơng phân kỳ Mark DeMaria (1985) nghiên cứu Trong cơng trình mình, tác giả sử dụng xốy đối xứng với tốc độ gió tiếp tuyến cho bởi: V 2.Vm (r / rm ) exp{-a(r/rm ) b } (r/rm ) (1.1) Trong V gió tiếp tuyến, r bán kính từ tâm xốy, Vm xấp xỉ cực đại gió tiếp tuyến (đúng cho a=0), rm xấp xỉ bán kính gió cực đại.Hàm mũ cộng vào cho tốc độ V giảm với r tăng, b hệ số.Các hệ số chọn cho mặt cắt gió tiếp tuyến nằm ngồi bán kính cực đại nằm mặt cắt xốy thuận lớn nhỏ (Hình 1.1) Mặt cắt gió tiếp tuyến Hình 1.1 biểu diễn gió tiếp tuyến V hàm bán kính r xốy định nghĩa (1.1) với Vm 30ms , rm 80km, a 10 b=6 (đường liền).Đường đứt biểu diễn gió tiếp tuyến mực 800mb cho xốy thuận lớn (L) nhỏ (S) Dịng dẫn đường tuyến tính Trường hợp β = 0, giả sử xoáy đối xứng định nghĩa (1.1) gắn vào dịng cố định với thành phần gió ngang u v Khi trì xoáy tương đối mặt phẳng β: (u ) (v ) v 0 t x y (1.2) viết thành: u v 0 t x y (1.3) Xoáy đối xứng định nghĩa (1.1) cộng vào dòng địa phương biến đổi theo y hầu hết miền mơ hình Mặc dù trường xốy xốy trở nên phi đối xứng, xoáy chuyển động với tốc độ dòng địa phương Dòng dẫn đường với gradient xốy Một ví dụ đơn giản ảnh hưởng gradient xốy dịng ảnh hưởng gradient xoáy Trái Đất lên chuyển động xoáy đối xứng qua trục Mark DeMaria nêu Adem (1956) nghiên cứu hiệu ứng β cách giải chuỗi Taylor phương trình áp khơng phân kỳ Những kết cho thấy xoáy thuận đối xứng bắt đầu chuyển động phía Tây sau lên phía Bắc Mark DeMaria cho biết nghiên cứu Kasahara Platzman ảnh hưởng gradient xoáy tương đối gradient xoáy Trái Đất đánh giá đồng thời quan tâm gradient xốy tuyệt đối Ngồi nghiên cứu Mark DeMaria, Smith (2004) [2] đưa số phương pháp hiệu khác phương pháp hàm dòng- xoáy toán phân tách xoáy 1.2.2 Phương pháp hàm dịng - xốy Phương pháp hàm dịng xốy phương pháp hữu hiệu để giải tốn hai chiều chất lỏng đồng khơng nén Với hệ tọa độ Đề Các (x, y), với trục x hướng theo hướng Đông, trục y hướng theo hướng Bắc, độ xoáy tương đối định nghĩa: v u x y (1.4) thỏa mãn phương trình: f u f v f 0 t x y (1.5) u, v thành phần vận tốc gió theo trục x y, f tham số Coriolis Phương trình liên tục cho chất lỏng khơng nén là: u v 0 x y (1.6) hàm dòng tương ứng định nghĩa: u , y v x (1.7) ta có: 2 2 x y (1.8) Phương trình (1.8) phương trình cho phép tính biết , tính đạo hàm riêng cấp dạng elip cho phép tính biết Khi biết , tính u, v từ (1.7) Hệ phương trình giải phương pháp số theo bước sau: Với phân bố ban đầu t = 0, tính phân bố vận tốc ban đầu từ (1.7) phân bố độ xoáy ban đầu từ (1.8) Hoặc có phân bố độ xốy ban đầu tính cách giải phương trình (1.8) tính phân bố vận tốc ban đầu từ (1.7) Sử dụng phương trình (1.5) để tính phân bố độ xốy bước thời gian mới, t = t Sau giải phương trình (1.8) t để tính phân bố hàm dịng (1.7) để tính phân bố vận tốc Lặp lại bước để tính cho bước thời gian 1.2.3 Bài toán phân tách xoáy Một điều dễ nhận thấy định nghĩa xoáy bão trường trung bình theo phương vị xung quanh tâm xốy, trường phần dư định nghĩa “môi trường” Phương pháp chia nhỏ minh hoạ tốn học sau: Chúng ta cho gió tổng cộng biểu diễn u u s U us kí hiệu trường vận tốc đối xứng U môi trường định nghĩa s = k us = k U k véctơ đơn vị theo trục thẳng đứng Sau phương trình: ( f ) u ( f ) v ( f ) 0 t x y chia nhỏ thành phương trình: s c(t ). s 0 t (1.9) Và: u s ( f ) (U c). s U ( f ) t (1.10) Phương trình (1.9) xốy đối xứng di chuyển với tốc độ c (1.10) phương trình cho xốy phi đối xứng Khi giải phương trình để (x,t), tính hàm dịng phi đối xứng tương ứng cách sử dụng phương trình (1.8) dạng 2 a Tốc độ di chuyển xốy, c, lấy tính tốc độ u c ka tâm xốy Sau phương trình (1.9) trở thành: s 0 t phương trình xốy trở thành: u s ( f ) (U c). s (U c).( f ) t (1.11) 1.2.4 Chuyển động xoáy mặt beta Một toán khác nghiên cứu tiến triển xoáy ban đầu đối xứng mặt khơng có dịng Bán cầu Bắc Bài toán nhiều tác giả nghiên cứu sử dụng phương pháp số vào cuối thập kỷ 80 kỷ trước Trong toán này, phân bố độ xoáy tuyệt đối ban đầu + f không đối xứng quanh tâm xốy Phương trình (1.5) cho biết + f bảo toàn, thời điểm ban đầu, phần tử khí di chuyển theo đường trịn xung quanh tâm xốy Trường hợp đơn giản để xác định phi đối xứng, giả thiết chuyển động dịng khơng khí giữ đường tròn xung quanh tâm 10 Trường hợp Thay đổi Rmax: Rmax = 40km Rmax = 80km Trường hợp Thay đổi Vmax: Vmax = 25km Vmax = 35km Trường hợp Thay đổi R15 : S1 = 200 km S2 = 300 km S3 = 500 km S3 = 500 km 2.2.1.Trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 30 m/s, R15 = 400 km Ta có quỹ đạo di chuyển xoáy sau: Rm = 60km,Vm = 30m/s, R15 = 400 km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.1: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 30 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình 2.1 ta thấy xốy di chuyển theo hướng Tây Bắc Trong vịng 72 xốy di chuyển khoảng 850 km, di chuyển không đều, 20 khoảng 18 đầu 18 cuối xoáy di chuyển quãng đường ngắn khoảng thời gian khác 2.2.2 Thay đổi Rmax Ta có quỹ đạo xoáy trường hợp sau: Rmax = 40 km Rm = 40km, Vm = 30 m/s, R15 = 400 km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.2: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 40 km, Vmax = 30 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Có thể thấy xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc Trong vịng 72 xốy di chuyển khoảng 850 km, thấy khoảng 30 đầu, xoáy lệch Bắc nhiều trường hợp đầu, khoảng thời gian sau, xốy lại lệch Bắc hơn, di chuyển với tốc độ không ổn định Rmax = 80 km 21 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 2.3: Quỹ đạo xoáy trường hợp Rmax = 80 km, Vmax = 30 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình 2.3 ta thấy xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc 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: 22 Thay đổi Rmax 700 600 500 km 400 300 200 R=60km R=60km R=40km R=40km R=80km R=80km 100 -800 -600 -400 -200 0 200 km Hình 2.4: Quỹ đạo xoáy trường hợp Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình vẽ ta thấy tăng Rmax quỹ đạo khoảng thời gian đầu lệch Bắc hơn, sau lại lệch phía bắc nhiều hơn, giảm Rmax quỹ đạo khoảng thời gian đầu lệch Bắc nhiều hơn, sau lại lệch phía bắc lệch phía tây nhiều Đồng thời tăng Rmax xốy chuyển động 2.2.2 Thay đổi Vmax Ta có quỹ đạo xốy trường hợp sau: Vmax = 25m/s 23 Rm=60km, Vm = 25m/s, R15 = 400 km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.5: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 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 Vmax = 35m/s 24 Rm = 60km, Vm= 35m/s, R15= 400km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.6: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 35 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách 25 Nhìn vào hình vẽ ta thấy: xốy 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: Thay đổi Vmax 700 600 500 km 400 300 200 V=30 V=30 V=25 V=25 V=35 V=35 100 -800 -600 -400 -200 0 200 km Hình 2.7: Quỹ đạo xốy trường hợp Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình vẽ ta thấy: Khi tăng Vmax quỹ đạo lệch phía Bắc nhiều hơn, ngược lại, giảm Vmax quỹ đạo lệch phía Tây nhiều Đồng thời tăng Vmax xoáy chuyển động ổn định 2.2.2 Thay đổi R15 Ta có quỹ đạo xốy trường hợp sau: R15 = 200km 26 m = 60km, m = 30 m/s, R15 = 200km 700 600 500 km 400 300 200 100 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.8: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 35 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Nhìn hình vẽ ta thấy: xốy chuyển động theo hướng Tây Bắc,nhưng độ lệch Bắc lớn hơn, vòng 72 khoảng 450 km, có quỹ đạo tương đối ổn định R15 = 300km 27 Hình 2.9: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 35 m/s, R15 = 400 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 740 km, khoảng thời gian đầu cuối xoáy di chuyển chậm R15 = 500km 28 Hình 2.10: Quỹ đạo xốy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 35 m/s, R15 = 400 km Mỗi điểm nút cách Xoáy di chuyển theo hướng Tây Bắc, độ lệch Bắc nhỏ hơn, di chuyển nhanh hơn, vòng 72 giờ, xoáy di chuyển khoảng 920 km, khoảng 18 đầu 18 cuối xoáy di chuyển với tốc độ chậm So sánh trường hợp với trường hợp ban đầu: 29 Thay đổi R15 700 600 500 km 400 300 S=400 S1=200 S3=300 S4=500 200 100 -800 -600 -400 -200 0 200 km Hình 2.11: Quỹ đạo xốy trường hợp Mỗi điểm nút cách Nhìn vào hình vẽ ta thấy: Khi R15 giảm xốy di chuyển với tốc độ chậm hơn, lệch Bắc nhiều hơn, tăng R15 xốy di chuyển nhanh lệch Bắc 2.3 KẾT LUẬN Qua thử nghiệm nhận thấy trường hợp có khác quỹ đạo di chuyển xoáy Kết thu cụ thể sau Trường hợp 1: Tăng Rmax quỹ đạo xoáy ổn định hơn, khoảng thời gian đầu lệch Bắc ít, sau lệch Bắc nhiều Giảm Rmax cho kết ngược lại Trường hợp 2: Vmax lớn độ lệch quỹ đạo hướng Bắc lớn, xoáy di chuyển ổn định Trường hợp 3: R15 lớn xốy chuyển động nhanh, lệch Bắc 30 CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU CHỈNH DÒNG NỀN ĐẾN QUỸ ĐẠO DỰ BÁO TRONG MƠ HÌNH WBAR 3.1 MƠ HÌNH WBAR Wbar bao gồm sơ đồ tăng cường xốy, mơ hình nước nơng đựơc định nghĩa hệ tọa độ địa lý Trường gió phân tích dự báo mơ hình tồn cầu xử dụng điều kiện biên phụ thuôc thời gian sau loại bỏ đặc điểm không mong muốn xốy yếu khơng xác định Mơ hình WBAR có sử dụng kỹ thuật phân tích tạo xốy nhân tạo dựa thơng tin thị bão.Độ cao địa vị điều chỉnh tương ứng với trường gió cách giải phương trình Diverang khơng tuyến tính Sơ đánh giá cho thấy nhiều trường hợp WBAR cho kết dự báo khả quan, bão mạnh, ổn định Tuy nhiên, WBAR mơ hình áp nên có hệ thống thời tiết phức tạp, đặc biệt bão bị hệ thống tà áp mạnh khống chế sai số dự báo lớn 3.1.1.Phương trình Mơ hình dựa hệ phương trình nước nơng bao gồm phương trình chuyển động ngang phương trình liên tục có dạng sau: U E V t a cos (3.1) V E U t a (3.2) h (hU ) cos (hV ) hV sin t a cos (3.3) Trong U, V thành phần gió, h độ cao địa vị, a bán kính trái đất, g gia tốc trọng trường, Ω tần số quay trái đất φ, λ vĩ độ kinh độ tương ứng, E gh (U V ) lượng tổng cộng η xoáy tuyệt đối định nghĩa sau: acos V U cos U sin 2 sin (3.4) Các phương trình rời rác hóa theo phương pháp sai phân hữu hạn với độ xác bậc Trong bước sử dụng sơ đồ sai phân Euler tiến 31 bước sử dụng sở đồ sai phân Adams- bashforth bậc Bước thời gian đựơc xác định tự động theo tiêu chuẩn CFL Miền tích phân lưới trịn phụ vào cường độ bão, có tâm tâm bão di chuyển theo thời gian Điều kiện biên cập nhật theo thời gian khoảng nằm bán kính Ra Rb cho trước theo cơng thức: ( U, V , h ) ( U, V , h ) old (1 Q) Q( U, V , h ) B (3.5) Trong đó: Q 0.5 cos(S ) , S (r R A ) /( R B R A ) với R A r R B Trường độ cao địa vị tương ứng tính nhờ giải phương trình cân phi tuyến có dạng: 2U 2U 2V 2V V cos cos V U λ λ λ U U U V V sin cos U sin fa cos λ λ λ U V V cos 2U sin fa cos cos cos V sin λ λ U cos f aU cos f sin cos a ga cos 2 h U (3.6) Q trình phân tích ban ban đầu hóa thự lưới xen kẽ Trường ban đầu mơ hình minh họa sau: Trường ban đầu = Trường phân tích tồn cầu (loại bỏ xốy phân tích) + Xốy nhân tạo Trong xốy đối xứng nhân tạo kết hợp xốy đối xứng phân tích xoáy đối xứng giả xây dựng từ thong tin thị bão Profile gió tiếp tuyến đối xứng giả đựơc tính theo cơng thức (2.20) đựơc trình bày chương 1 r V Vm exp 1 rm b 32 r rm b (2.20) Với V vectơ gió tiếp tuyến hàm bán kính r, Vm gió tiếp tuyến cức đại, b hệ số thực nghiệm đặc trưng cho kích thước xốy nhân tạo, tham số xác định dạng profile phía ngồi tính cho trước bán kính mà tốc độ gió đến giá trị cụ thể đó, chẳng hạn cho R15 (bán kính tốc độ gió tiếp tuyến đạt 15m/s) cho R5 (bán kính tốc độ gió tiếp tuyến đạt 5m/s) Dạng profile khắc phục gãy khúc profile Rankine kiểm sốt thơng số mơ tả phân bố gió dễ dàng thơng qua tham số b Trên thực tếa Vm đựoc lấy 0.8 lần giá trị đựơc ước lượng từ dự báo nghiệp vụ Bán kính R5 đựơc xác định dựa theo bán kính ảnh hưởng r1 theo cơng thức: r5 250 r1 (3.7) Trong áp dụng sơ đồ ban đầu hoá bão hoạt động Biển Đông, tác giả nghiên cứu đặc trưng hồn lưu khí qui mơ lớn khu vực cấu trúc bão Biển Đông , thơng qua thử nghiệm tính tốn tiến hành số cải tiến khiến cho sơ đồ thể tốt tương tác thành phần hoàn lưu khí qui mơ lớn bão hiệu chỉnh cơng thức tính thành phần xốy bất đối xứng nhằm khắc phục thiên hướng lệch Bắc dự báo quĩ đạo bão Các cải tiến là: i Lựa chọn "bán kính hiệu chỉnh lớn nhất" RNMAX bốn lần bán kính vùng gió 30 kts (hoặc bán kính đường đẳng áp đóng kín ngồi cùng) bão thời điểm xuất phát dự báo thay cho đặt tham số cố định 2000 km bước trình phân tích ban đầu hố xốy nêu Cải tiến có ý nghĩa lớn: biểu diễn đắn thành phần dịng mơi trường thành phần bất đối xứng bão Biển Đông, thể tương tác hai thành phần dẫn đến việc chất lượng dự báo quĩ đạo bão nâng cao rõ rệt, kể điểm bão chuyển hướng [1] ii Hiệu chỉnh cơng thức tính thành phần xoáy bất đối xứng nhằm khắc phục thiên hướng lệch Bắc dự báo quĩ đạo bão Cải tiến thứ hai mang lại hiệu tốt : làm giảm cách rõ rệt khuynh hướng lệch Bắc dự 33 báo quĩ đạo bão Biển Đơng dẫn đến tăng độ xác dự báo [2] Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10 - Viện KH KTTV & MT 254 34 ... Vmax = 25m/s 23 Rm=60km, Vm = 25m/s, R 15 = 400 km 700 600 50 0 km 400 300 200 100 -700 -600 -50 0 -400 -300 -200 -100 km Hình 2 .5: Quỹ đạo xoáy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 25 m/s, R 15 = 400... Vmax = 35m/s 24 Rm = 60km, Vm= 35m/s, R 15= 400km 700 600 50 0 km 400 300 200 100 -700 -600 -50 0 -400 -300 -200 -100 km Hình 2.6: Quỹ đạo xoáy trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 35 m/s, R 15 = 400... Thay đổi Vmax: Vmax = 25km Vmax = 35km Trường hợp Thay đổi R 15 : S1 = 200 km S2 = 300 km S3 = 50 0 km S3 = 50 0 km 2.2.1.Trường hợp Rmax = 60 km, Vmax = 30 m/s, R 15 = 400 km Ta có quỹ đạo