Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY 1. Khái niệm ban đầu hóa xoáy Ban đầu hóa xoáy là bài toán được đặt ra để nâng cao chất lượng điều kiện ban đầu của mô hình dự báo bão. Cho đến nay, ban đầu hóa xoáy không còn là bài toán xa lạ trong các nghiên cứu ở Việt Nam cũng như trên thế giới, tuy nhiên đây vẫn là một bài toán lớn với nhiều thách thức và thu hút nhiều nhà nghiên cứu.
Bản chất của ban đầu hóa xoáy là xây dựng môt xoáy giả có cấu trúc gần với xoáy thực bằng cách bổ sung thông tin chỉ thị về cơn bão như vị trí tâm quan trắc, tốc độ gió cực đại, thông tin kích thước bão,… Xoáy giả này có cấu trúc, cường độ gần với thực hơn. Theo Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen (2011), kĩ thuật ban đầu hóa xoáy có thể chia làm ba nhóm bao gồm: (1) xây dựng xoáy giả bằng hàm thực nghiệm; (2) xây dựng xoáy giảbằng tích phân mô hình và (3) xây dựng xoáy bằng phương pháp đồng hóa số liệu 3 và 4 chiều với số liệu quan trắc kết hợp với số liệu quan trắc giả (Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen, 2011). Trên cơ sở này, phần tổng quan về ban đầu hóa xoáy trong luận văn sẽ được trình bày theo các cách thực thực hiện ban đầu hóa xoáy như vậy. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề ban đầu hóa xoáy bằng mô hình số trị.
Trong đó, công trình của Kurihara và cộng sự (1993) là một công trình điển hình và đáng chú ý về ban đầu hóa xoáy bằng cách tích phân mô hình. Các tác giả đã tích phân mô hình dự báo bão GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) phiên bản đối xứng để tạo ra thành phần đối xứng của xoáy giả. Trong đó, thành phần xoáy đối xứng được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục (Kurihara và cộng sự 1990, 1993) và xoáy giả cần phải thỏa mãn 3 điều kiện là có cấu trúc đồng nhất và tương tự với xoáy bão thật, cộng thêm khả năng tương thích với mô hình (Kurihara và cộng sự, 1993). Để thực hiện tách bỏ xoáy yếu, nghèo thông tin, sai vị trí, giả thiết được đặt ra rằng phần giá trị của trường bất kỳ gây ra bởi xoáy là giá trị lệch của trường phân tích (chứa xoáy) so với trường môi trường không có xoáy.
Xoáy được tách ra khỏi trường phân tích nhờ sử dụng một phương pháp lọc thích hợp. Phương pháp lọc được chọn sao cho trường môi trường thu được chứa trong nó ít nhất các đặc điểm của trường xoáy. Sau khi tách xoáy yếu, thực hiện xây dựng xoáy nhân tạo. Để phù hợp với cấu 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trúc xoáy trong thực tế, xoáy nhân tạo phải gồm hai thành phần: thành phần đối xứng và thành phần phi đối xứng, các thành phần này được tạo ra nhờ sự kết hợp dữ liệu trong tập số liệu chỉ thị của bão và các thông tin của xoáy yếu tách được từ trường phân tích.
Để đảm bảo quy luật động lực, xoáy nhân tạo được thực hiện thích ứng giữa trường gió và trường độ cao, thực hiện đồng hoá số liệu để hòa hợp giữa các trường động và nhiệt lực cũng như hoà hợp xoáy với trường môi trường. Cuối cùng cài xoáy nhân tạo thu được vào vị trí chính xác của xoáy thực, thu được trường ban đầu của mô hình. Sơ đồ của quá trình tạo xoáy giả có dạng như sau theo nghiên cứu của Kurrihara và cộng sự (Kurihara và cộng sự, 1993). Trong suốt quá trình tích phân, gió tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của quá trình tích phân, thời điểm này thường được lựa chọn là khoảng sau 60h.
Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β- β effect và xoắn β- β gyre) được tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng (Ross, 1992). Sau đó thành phần gió phi đối xứng này được xây dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phương vị của sóng số 1 và sóng số 2. Sau khi các trường gió được xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối xứng và phi đối xứng thì các biến khác được điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc của trường gió.
Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nền quy mô lớn nhận được sau phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd - hav, nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). Khi đã có được trường gió, thì áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị được ước tính bằng cách sử dụng phương trình phân kì. Nhiệt độ sau đó được tính toán từ một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh (Kurihara và cộng sự, 1993).
Theo sơ đồ này, một trường h vô hướng bất kì sẽ tách ra thành hai phần là trường nền hay trường môi trường quy mô lớn hB và trường nhiễu động hD. Tiếp đến, trường nhiễu động hD được tách ra thành hai phần nhiễu động gây ra do xoáy hav và nhiễu động phi xoáy, hay trường mô trường quy mô nhỏ (hD – hav). Tổng của trường môi trường quy mô lớn và trường môi trường quy mô nhỏ là trường môi trường hE. Trường nền được tách ra bằng phép lặp thông qua hàm làm trơn trên lưới kinh vĩ.
Trước tiên, trường h được làm trơn theo chiều vĩ hướng bằng công thức: h λ ,ϕ = hλ ,ϕ + K ( hλ −1,ϕ + hλ +1,ϕ − 2hλ ,ϕ ) (1.1) Trong đó: h là trường cần được làm trơn, λ, ϕ lần lượt là kinh độ, vĩ độ. K là tham số lọc có dạng như sau: 1 2π K= (1 − cos ) −1 (1.2) 2 m Với m là tham số sẽ mang các giá trị khác nhau tương ứng với các bước lặp khác nhau, để áp dụng cho việc làm trơn trường theo công thức (1.1), m lần lượt nhận đúng các giá trị là: 2, 3, 4, 2, 5, 6, 7, 2, 8, 9. Sau khi đã làm trơn và thu được trường h λ ,ϕ. Tiếp theo, trường này được làm trơn theo chiều kinh hướng để xác định trường nền h Bλ ,ϕ : hBλ ,ϕ = h λ ,ϕ + K ( h λ ,ϕ −1 + h λ ,ϕ +1 − 2h λ ,ϕ ) (1.3) Như đã trình bày ở trên Hình 1.1: trường nhiễu động hD được xác định là hiệu của trường ban đầu h và trường nền hB.
Xoáy phân tích được tách ra khỏi hD thông qua phép lọc trên hệ tọa độ cực (r,θ) với gốc tọa độ tại tâm xoáy phân tích. Phép lọc này được biểu diễn như sau: { } hav ( r, θ ) = hD ( r, θ ) − hD ( r0 , θ ) E ( r ) + h D ( r 0 )[1 − E ( r )] (1.4) Trong đó, r0 là bán kính của miền lọc có độ lớn tùy theo mỗi cơn bão, r là bán kính (0 ≤ r ≤ r0) và E(r) là hàm trọng số làm trơn có dạng: 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.5) 1 − e −r0 / l 2 2 Trong đó: l là tham số của phép lọc, quy ước l=1/5r0. Thấy rằng khi r=r0, E(r) tiến đến đơn vị, do đó trường xoáy phân tích không tồn tại ngoài bán kính này (hình 1.2a biểu diễn tỉ lệ giữa độ nhạy của phép lọc đối với bước sóng cho thấy các sóng có độ dài sóng nhỏ hơn 9o sẽ được lọc hoàn toàn, những sóng có độ dài sóng càng lớn thì khả năng lọc sẽ giảm đi, tương ứng với khả năng lọc chỉ còn khoảng 82%, 60%, 32% lần lượt đối với các sóng bước sóng là 15o, 20o,30o. Ở đây những sóng dài tương ứng với trường nền, sóng ngắn hơn ứng với trường nhiều động.2b biểu diễn biến đổi của của hàm trọng số E(r) theo bán kính r trong công thức (1.
Đường thẳng đứng trong hình này biểu diễn độ nhạy của bán kính ảnh hưởng đến phép lọc, với bán kính nằm trong khoảng từ r = r0 – l tới r = r0 phép lọc được thực hiện nhiều nhất, do đây là khoảng bán kính mà nhiễu động phi xoáy tồn tại nhiều nhất. Trường nhiễu động hD được biểu diễn trong công thức 1.4 được coi là nhiễu do xoáy gây ra nên xoáy chỉ tồn tại trong phạm vi chứa nhiễu động. Do đó, trường nhiễu động trung bình được xác định bằng công thức: 1 2π ∫ h D ( r0 ) = hD ( r0 , θ )dθ (1.6) Trong nghiên cứu đối với mô hình GFDL, Kurihara và cộng sự (1993) được xây dựng với cả hai thành phân đối xứng và phi đối xứng. Thành phần xoáy đối xứng được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục.
Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứngβ và xoắn β) 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com được tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng trong nghiên cứu của Kurihara và của Ross (1992). Đối với thành phần gió đối xứng, một phân bố gió theo bán kính và mực mô hình (r,σ) được gọi là phân bố gió mục tiêu được sử dụng để tính toán các trường còn lại có dạng: V ( r, σ ) = F (σ ) Vd ( r ) (1.7) Trong đó: F là một hàm kinh nghiệm thể hiện trọng số của gió tiếp tuyến phương thẳng đứng và Vd là phân bố gió tiếp tuyến tại đỉnh lớp biên có dạng: r r −r B Vd ( r ) = V ( ra )( a ) A ( a ) (1.8) r rb − ra Với ra, rb, A, B là các tham số thực nghiệm.