2.1 Số liệu
2.1.2 Các đặc trưng khí tượng được lựa chọn để nghiên cứu
Trong nội dung luận văn, tôi đã lựa chọn đặc trưng dị thường xoáy thế và dị thường xốy tương đối (dựa trên gió kinh hướng và vĩ hướng) để phân tích đưa ra hình thế đặc trưng tiêu biểu trong những ngày trước khi có mưa lớn xảy ra, ngay trong ngày có mưa lớn và thời điểm từ 1 đến 3 ngày sau khi có mưa lớn xảy ra tại khu vực Bắc Bộ. Dị thường xốy sẽ được tính tốn từ tổ hợp trễ giá trị xoáy tại thời điểm 1, 2, 3 ngày trước và 1, 2, 3 ngày sau khi có mưa lớn xảy ra tại Bắc Bộ trừ đi giá trị trung bình theo từng tháng có mưa lớn xảy ra tại khu vực Bắc Bộ của 15 năm nghiên cứu. Trong đó, xốy thế, xốy tương đối và các giá trị dị thường xoáy vừa được đề cập này sẽ được tính theo các cơng thức ở dưới đây. Ngày có mưa lớn sẽ được xác định dựa trên số liệu quan trắc tại các trạm trên khu vực Bắc Bộ trong 15 năm (2001-2015).
2.1.2.1 Xoáy tương đối
Xốy, một số đo vi mơ của sự quay trong chất lỏng, là một trường vector và được xác định bằng độ xoắn của tốc độ. Xoáy tương đối là độ xoắn của vận tốc tương đối 𝑈 (công thức 1).
Tuy vậy, trong động lực học khí quyển quy mơ lớn, chúng ta quan tâm chủ yếu đến thành phần thẳng đứng của xoáy tương đối, được ký hiệu là 𝜉.
𝜉 = 𝑘. (∇ × 𝑈) (2)
Những vùng của 𝜉 lớn dương (âm) có xu hướng phát triển của xoáy thuận ở
Bắc (Nam) bán cầu. Như vậy, sự phân bố xoáy tương đối là một chỉ tiêu cảnh báo rất tốt cho việc phân tích thời tiết.
Trong hệ tọa độ Đề các:
𝜉 = 𝜕𝑣
𝜕𝑥−𝜕𝑢
𝜕𝑦 (3)
2.1.2.2 Xoáy thế
Từ những năm 40 và 50 của thế kỷ 20, trục tọa độ khí áp đã được sử dụng rộng rãi trong nghiệp vụ. Trục toạ độ nhiệt độ thế vị cũng hình thành cùng thời gian trên nhưng do khó khăn trong việc tính tốn và nội suy theo chiều thẳng đứng của nhiệt độ thế vị nên phải phải mãi đến năm 1985 với nghiên cứu của Hoskin [8] và cộng sự về việc sử dụng các bản đồ xoáy thế trên mặt đẳng nhiệt độ thế vị (gọi tắt là bản đồ xoáy thế) trong nghiệp vụ, cũng như sự phát triển của máy tính, bản đồ xốy thế mới thực sự được biết đến rộng rãi trong giới nghiên cứu khí tượng trên thế giới.
Ưu điểm của nhiệt độ thế vị là tính bảo tồn của nó trong mơi trường đoạn nhiệt, khơng ma sát. Do đó, một phần tử khí sẽ ln di chuyển trên một mặt đẳng nhiệt độ thế vị nhất định nếu khơng xảy ra các q trình phi đoạn nhiệt (ví dụ: đốt nóng, giải phóng ẩn nhiệt). Xốy thế trên mặt đẳng nhiệt độ thế vị cũng có đặc điểm tương tự, trong môi trường đoạn nhiệt, khơng ma sát, xốy thế sẽ được bảo toàn. Đây là một đặc tính quan trọng giúp cho xoáy thế trên mặt đẳng nhiệt độ thế vị được sử dụng để giám sát sự di chuyển của các phần tử khí. Sử dụng kết hợp các bản đồ xoáy thế ở các bước thời gian liên tiếp sẽ giúp dự báo viên hình dung rõ ràng hơn chuyển động trong khí quyển của các phần tử khí so với việc sử dụng các bản đồ độ cao địa thế vị trên mặt đẳng áp.
Hệ tọa độ nhiệt độ thế vị ra đời cùng thời gian với hệ tọa độ khí áp. Tuy nhiên, hệ tọa độ khí áp lại được sử dụng phổ biến hơn trong các trung tâm dự báo nghiệp vụ trên
độ thế vị địi hỏi phải tính tốn các bước trung gian như: tính tốn nhiệt độ thế vị từ nhiệt độ, khí áp và tỷ xáo trộn của hơi nước (độ ẩm) theo công thức:
(4)
trong đó là nhiệt độ thế vị, T là nhiệt độ, p0 = 1000 mb là khí áp tiêu chuẩn, p là khí áp, là hằng số Poisson, = 0.2854 cho khí quyển khơ và = 0.2854(1-
0.24rv) với rv là tỷ số xáo trộn của hơi nước (water vapor mixing ratio), sau đó các yếu tố khí tượng khác như gió, nhiệt, ẩm… được nội suy về các mực đẳng nhiệt độ thế vị khác nhau, ví dụ: 315K, 330K và 350K đặc trưng cho 3 tầng khí quyển thấp, trung và cao. Trường khí tượng được nội suy và tính tốn trên mặt đẳng nhiệt độ thế vị phổ biến nhất là xoáy thế.
Xốy thế (PV) là sự lưu thơng tuyệt đối của một phần khơng khí được giới hạn giữa hai bề mặt đẳng nhiệt độ thế vị. Nếu xốy thế được phân tích trên bề mặt đẳng nhiệt độ thế vị thì khi đó nó sẽ được gọi là xoáy thế đẳng nhiệt độ thế vị (insentropic PV - IPV).
Cơng thức tính xốy thế trên mặt đẳng nhiệt độ thế vị lần đầu được đưa ra bởi Ertel năm 1942:
, (5)
trong đó g là gia tốc trọng trường, f là xoáy hành tinh, là xoáy tương đối trên mực đẳng nhiệt độ thế vị, là nhiệt độ thế vị và p là áp suất của mực đẳng
nhiệt độ thế vị. Đơn vị xoáy thế là PVU, trong đó 1PVU= 10−6𝑚−2𝑠−1𝐾𝑘𝑔−1. Sau khi nghiên cứu các đặc trưng đa biến dị thường khí tượng tại khu vực trong các cấp độ mưa lớn xảy ra tại khu vực Bắc Bộ, lựa chọn nhân tố dự báo để làm đầu vào cho mơ hình k điểm gần nhất để dự báo xác suất mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ.