Đánh Giá Vai Trò Ban Đầu Hóa Xoáy Trong Mô Hình HWRF Đối Với Dự Báo Bão Trên Biển Đông

Luận văn thạc sĩ đánh giá vai trò ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên biển Đông, cung cấp cái nhìn sâu sắc về khí tượng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hoan
• Người hướng dẫn: Ts. Hoàng Đức Cường
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khí Tượng Và Khí Hậu Học
• Đề tài: Đánh Giá Vai Trò Ban Đầu Hóa Xoáy Trong Mô Hình HWRF Đối Với Dự Báo Bão Trên Biển Đông
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY
• 1.1. Khái niệm ban đầu hóa xoáy
• 1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình
• 1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm
• 1.4. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu
• 1.5. Tổng quan các nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
• 2.1. Sơ lược về mô hình HWRF
• 2.2. Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF
• 2.3. Phân tích xoáy nhằm loại bỏ xoáy thô từ phân tích toàn cầu trong HWRF
• 2.4. Xoáy giả tạo ra trong mô hình HWRF đối với trường hợp bão yếu
• 2.5. Hiệu chỉnh xoáy bão trước 6 giờ dự báo
• 2.6. Thiết kế thí nghiệm
• 2.7. Số liệu sử dụng
• 2.8. Các chỉ tiêu đánh giá
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF
• 3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana
• 3.2. Thông tin về cơn bão Ketsana (2009)
• 3.3. Thiết kế thí nghiệm
• 3.4. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana
• 3.5. Thử nghiệm cho mùa bão 2009
• 3.6. Thiết kế thí nghiệm
• 3.7. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông
• 3.8. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cường độ bão trên Biển Đông
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đánh Giá Vai Trò Ban Đầu Hóa Xoáy Trong Mô Hình HWRF

Đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF là một chủ đề quan trọng trong nghiên cứu khí tượng. Mô hình HWRF được sử dụng để dự báo bão trên Biển Đông, nơi có nhiều cơn bão mạnh. Việc hiểu rõ về vai trò của hóa xoáy giúp cải thiện độ chính xác của dự báo. Nghiên cứu này sẽ phân tích các phương pháp và kết quả đạt được từ việc áp dụng mô hình HWRF trong dự báo bão.

1.1. Khái Niệm Về Ban Đầu Hóa Xoáy

Ban đầu hóa xoáy là quá trình tái tạo cấu trúc và cường độ của xoáy bão dựa trên các thông tin quan trắc. Quá trình này bao gồm việc loại bỏ các sai số từ mô hình toàn cầu và xây dựng một xoáy giả có cấu trúc gần với thực tế.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình HWRF Trong Dự Báo Bão

Mô hình HWRF là công cụ chính trong việc dự báo bão, đặc biệt là trên Biển Đông. Mô hình này cho phép dự báo với độ chính xác cao hơn nhờ vào việc sử dụng các phương pháp ban đầu hóa xoáy.

II. Vấn Đề Trong Dự Báo Bão Trên Biển Đông

Dự báo bão trên Biển Đông gặp nhiều thách thức do sự phức tạp của quỹ đạo bão và điều kiện khí tượng. Các yếu tố như tác động của bão đến môi trường và con người cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc cải thiện điều kiện ban đầu cho mô hình dự báo là rất cần thiết để giảm thiểu sai số trong dự báo.

2.1. Thách Thức Trong Dự Báo Quỹ Đạo Bão

Quỹ đạo bão trên Biển Đông thường thay đổi nhanh chóng, gây khó khăn cho việc dự báo chính xác. Các yếu tố như gió, áp suất và nhiệt độ đều ảnh hưởng đến sự di chuyển của bão.

2.2. Sai Số Trong Dự Báo Cường Độ Bão

Sai số trong dự báo cường độ bão có thể dẫn đến những thiệt hại nghiêm trọng. Việc cải thiện ban đầu hóa xoáy giúp giảm thiểu sai số này và nâng cao độ chính xác của dự báo.

III. Phương Pháp Ban Đầu Hóa Xoáy Trong Mô Hình HWRF

Có nhiều phương pháp để thực hiện ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng hàm thực nghiệm, tích phân mô hình và đồng hóa số liệu. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kết quả dự báo.

3.1. Phương Pháp Tích Phân Mô Hình

Phương pháp tích phân mô hình giúp tạo ra các thành phần đối xứng của xoáy giả. Điều này cho phép mô hình HWRF có được cấu trúc gần với thực tế hơn.

3.2. Phương Pháp Đồng Hóa Số Liệu

Đồng hóa số liệu là một kỹ thuật quan trọng trong việc cải thiện điều kiện ban đầu cho mô hình. Phương pháp này kết hợp thông tin từ các quan trắc và mô hình để tạo ra một xoáy bão chính xác hơn.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Vai Trò Của Ban Đầu Hóa Xoáy

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc áp dụng ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đã cải thiện đáng kể độ chính xác của dự báo bão. Các thử nghiệm với cơn bão Ketsana cho thấy sự khác biệt rõ rệt trong dự báo quỹ đạo và cường độ bão.

4.1. Thử Nghiệm Với Cơn Bão Ketsana

Cơn bão Ketsana là một ví dụ điển hình cho việc áp dụng mô hình HWRF. Kết quả cho thấy mô hình đã dự báo chính xác hơn về quỹ đạo và cường độ của bão khi sử dụng ban đầu hóa xoáy.

4.2. So Sánh Kết Quả Dự Báo

So sánh giữa các phương pháp dự báo cho thấy rằng việc sử dụng ban đầu hóa xoáy giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác trong dự báo bão.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu về ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đã chỉ ra rằng việc cải thiện điều kiện ban đầu là rất quan trọng. Tương lai của nghiên cứu này sẽ tiếp tục tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để nâng cao độ chính xác của dự báo bão.

5.1. Định Hướng Nghiên Cứu Tương Lai

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các phương pháp ban đầu hóa xoáy và áp dụng công nghệ mới trong dự báo bão.

5.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thực tiễn để nâng cao khả năng dự báo bão, từ đó giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra cho cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Biển Đông trung bình mỗi năm đón nhận từ 10 đến 12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới, đe dọa trực tiếp đến an toàn tính mạng và sinh kế của hàng triệu cư dân ven biển Việt Nam. Điển hình trong mùa bão năm 2009, cơn bão số 9 (Ketsana) đổ bộ vào khu vực Quảng Nam - Quảng Ngãi đã gây ra đợt mưa lũ lịch sử, làm 33 người thiệt mạng, buộc 170.000 người phải sơ tán khẩn cấp và khiến mực nước nhiều con sông tại miền Trung vượt mốc đỉnh lũ năm 1964. Vấn đề cốt lõi đặt ra trong công tác khí tượng là các mô hình dự báo toàn cầu như GFS (độ phân giải 1,0° x 1,0°) thường cung cấp trường ban đầu có xoáy bão thô, cường độ yếu và lệch vị trí so với thực tế, dẫn đến sai số tích lũy nghiêm trọng khi chạy các mô hình khu vực độ phân giải cao.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá định lượng và cấu trúc vai trò của sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình bão chuyên dụng HWRF phiên bản 3.4 (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) đối với việc nâng cao chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão trên Biển Đông. Phạm vi không gian nghiên cứu bao phủ tọa độ từ 15°S đến 45°N và 90°E đến 135°E, tập trung vào chuỗi 53 trường hợp dự báo từ 7 cơn bão tiêu biểu trong mùa bão năm 2009, với case study chuyên sâu là bão Ketsana.

Nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giải quyết bài toán tái tạo cấu trúc vi mô của bão, điều chỉnh bán kính gió cực đại từ mức sai lệch 250 - 400 km xuống sát thực tế 50 - 80 km (so với quan trắc 67 km của JTWC), đồng thời tối ưu hóa các chỉ số sai số vị trí, sai số dọc và sai số ngang trong các hạn dự báo từ 24 đến 72 giờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng hệ phương trình nguyên thủy phi thủy tĩnh mô tả động lực học khí quyển quy mô vừa, kết hợp với các lý thuyết phân tích xoáy kinh điển:

• Lý thuyết lọc không gian Kurihara (1993): Tách trường biến đổi thành trường môi trường quy mô lớn và trường nhiễu động xoáy thông qua toán tử làm trơn nhiều bước, cho phép loại bỏ xoáy thô sai vị trí từ mô hình toàn cầu.
• Lý thuyết xoáy đối xứng và phi đối xứng: Tái tạo thành phần đối xứng trục dựa trên phương trình phân kỳ, cân bằng thủy tĩnh và bổ sung thành phần phi đối xứng sinh ra từ hiệu ứng bình lưu xoáy hành tinh (hiệu ứng Beta và Beta gyres).
• Công thức thực nghiệm áp suất và gió của Fujita (1952) và Rankine: Thiết lập phân bố áp suất mực biển và gradient gió tiếp tuyến để cân chỉnh cấu trúc hình học bão.
• Khái niệm then chốt: Ban đầu hóa xoáy (Vortex Initialization/Bogusing), Cấu trúc lõi nóng (Warm Core), Bán kính gió cực đại (Radius of Maximum Wind - RMW), và Hệ thống đồng hóa số liệu biến phân 3 chiều (GSI 3DVAR).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu bao gồm:

1. Số liệu phân tích và dự báo khí quyển toàn cầu GFS định dạng GRIB1/GRIB2 với độ phân giải lưới 1,0° x 1,0°, tần suất 6 giờ/lần cho các hạn dự báo từ 72 đến 126 giờ.
2. Bộ số liệu quỹ đạo chuẩn (Best-track) và tập tin thông số chỉ thị bão (TC_Vitals) cung cấp bởi Trung tâm Cảnh báo Bão Liên hợp Hoa Kỳ (JTWC).

Quy trình chọn mẫu được thực hiện đồng bộ với cỡ mẫu gồm 53 phiên chạy mô phỏng từ 7 cơn bão hoạt động trên Biển Đông năm 2009 (thời điểm 00Z, 06Z, 12Z và 18Z). Lý do lựa chọn mô hình HWRF v3.4 là khả năng tích hợp lưới lồng di động 3 miền (d01: 27 km, d02: 9 km, d03: 3 km) với 25 mực thẳng đứng, sử dụng sơ đồ tham số hóa đối lưu New GFS simplified Arakawa-Schubert và vi vật lý mây Ferrier. Nghiên cứu thiết kế hai kịch bản đối chứng: phương án không sử dụng ban đầu hóa xoáy (Nobogus) và phương án có ban đầu hóa xoáy khởi động lạnh (Coldstart). Đánh giá chất lượng dựa trên các chỉ tiêu thống kê: sai số vị trí tâm bão (PE), sai số dọc quỹ đạo (ATE), sai số ngang quỹ đạo (CTE), độ lệch áp suất cực tiểu tại tâm (ΔPmin) và sai số tốc độ gió cực đại (ΔVmax).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Khôi phục chân thực cấu trúc lõi nóng thẳng đứng: Tại thời điểm phân tích ban đầu 00H của bão Ketsana (12Z ngày 27/09/2009), kịch bản Coldstart mô phỏng dị thường nhiệt độ tâm bão đạt mức cực đại khoảng 5,5°C so với môi trường, thể hiện rõ dòng thăng nhiệt động lực học tương đồng quan trắc của Hawkins (1968). Ngược lại, phương án Nobogus chỉ tạo ra dị thường nhiệt yếu khoảng 3,0°C với cấu trúc phân tán, thiếu tính hội tụ.
• Thu hẹp bán kính gió cực đại (RMW) về giá trị thực tế: Quan trắc JTWC ghi nhận RMW của bão Ketsana là 67 km. Mô hình chạy Nobogus cho bán kính gió cực đại trải rộng phi thực tế từ 250 đến 400 km. Trong khi đó, sơ đồ ban đầu hóa xoáy Coldstart đã hiệu chỉnh thành công RMW về khoảng 50 - 80 km, giảm hơn 70% độ lệch không gian của hoàn lưu bão.
• Cải thiện độ chính xác trường gió bề mặt mực 10m: Tại thời điểm 00H, tốc độ gió cực đại quan trắc đạt 27,5 m/s. Phương án Coldstart tái tạo được vận tốc 21,0 m/s (sai số -6,5 m/s), vượt trội so với mức 18,0 m/s của Nobogus (sai số -9,5 m/s), giúp giảm khoảng 31,5% sai số vận tốc gió ban đầu.
• Tối ưu hóa sai số quỹ đạo qua 53 thử nghiệm mùa bão 2009: Tổng hợp 53 trường hợp cho thấy sơ đồ ban đầu hóa xoáy kiểm soát tốt sai số dịch chuyển ngang (CTE), hạn chế hiện tượng quỹ đạo bão dự báo bị hút lệch trục do trường dòng dẫn môi trường bị biến dạng khi chưa tách xoáy thô.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nên sự vượt trội của Coldstart nằm ở thuật toán lọc không gian Kurihara: hệ thống bóc tách triệt để xoáy quy mô lớn nghèo nàn từ GFS, sau đó tổng hợp xoáy giả 2 chiều cân bằng đối xứng trục và thành phần phi đối xứng sóng số 1 và số 2. Điều này giúp mô hình triệt tiêu pha điều chỉnh giả tạo (spin-up) trong 6 đến 12 giờ đầu tích phân.

Các phát hiện này hoàn toàn tương đồng với kết luận của Liu (1997) trên mô hình MM5 và Phan Văn Tân (2008) trên mô hình WRF. Để biểu diễn trực quan, các dữ liệu này được thể hiện rõ nét qua biểu đồ mặt cắt thẳng đứng vĩ hướng - kinh hướng của trường dị thường nhiệt và trường gió tiếp tuyến từ mực 1000 hPa đến 100 hPa, kết hợp bảng thống kê sai số ATE/CTE theo từng mốc thời gian 12h, 24h, 48h. Hạn chế duy nhất ghi nhận là trường gió ở vùng hoàn lưu xa tâm bão của Coldstart hơi yếu do toán tử lọc lấy đi một phần động năng môi trường, đòi hỏi cần tiếp tục tinh chỉnh bán kính lọc r0.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa quy trình cài xoáy bão nghiệp vụ tại các cơ quan khí tượng: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia cần đưa sơ đồ ban đầu hóa xoáy HWRF vào hệ thống dự báo tác nghiệp hàng ngày, hướng tới mục tiêu giảm 15 - 20% sai số vị trí đổ bộ trong hạn 24 - 48 giờ, hoàn thành trong giai đoạn 2024 - 2025.
• Tối ưu hóa thuật toán lọc trường nền và đồng hóa vệ tinh GSI 3DVAR: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi Khí hậu chủ trì hiệu chỉnh lại hàm trọng số E(r) nhằm bảo toàn năng lượng gió ngoài biên hoàn lưu bão, tích hợp số liệu thám sát Radar ven biển và vệ tinh địa tĩnh Himawari, thực hiện trong vòng 18 tháng.
• Nâng cấp hạ tầng tính toán và kích hoạt mô hình đại dương POM: Bộ Tài nguyên và Môi trường cần đầu tư hệ thống máy tính hiệu năng cao (HPC) để tăng số mực thẳng đứng của mô hình từ 25 lên 42 mực và kích hoạt mô-đun tương tác khí quyển - hải dương HWRF-POM nhằm cải thiện dự báo cường độ trước năm 2026.
• Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu xoáy bão tham chiếu riêng cho Biển Đông: Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội phát triển thư viện tham số xoáy động lực học thích ứng riêng với bão tương tác không khí lạnh và địa hình miền Trung, nâng cao độ chính xác dự báo áp suất tâm thêm 25% vào năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Dự báo viên tại các trung tâm cảnh báo khí tượng thủy văn: Nắm bắt quy trình kỹ thuật vận hành mô hình HWRF, phương pháp hiệu chỉnh tập tin TC_Vitals và cách xử lý trường ban đầu để nâng cao chất lượng bản tin dự báo bão tác nghiệp.
• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Khí tượng - Hải dương học: Sử dụng làm tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp phân tích xoáy Kurihara, động lực học cấu trúc lõi nóng và phương pháp đánh giá sai số ATE/CTE.
• Kỹ sư phát triển mô hình số trị thời tiết và đồng hóa dữ liệu: Tham khảo cấu trúc ghép nối phần mềm HWRF v3.4, cơ chế dãn lưới xuyên tâm và thuật toán cân bằng trường nhiệt - áp phi thủy tĩnh.
• Cán bộ tham mưu Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng chống Thiên tai: Ứng dụng các phân tích định lượng về sai số dự báo để thiết lập kịch bản ứng phó, phân vùng bán kính gió nguy hiểm và lập phương án sơ tán dân cư sát với diễn biến thực tế.

Câu hỏi thường gặp

• Bản chất của kỹ thuật ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF là gì? Ban đầu hóa xoáy là quy trình toán - động lực nhằm loại bỏ xoáy bão thô, sai lệch từ mô hình toàn cầu, sau đó tái tạo một xoáy giả có cấu trúc nhiệt động lực học cân bằng, đúng vị trí và sát với các thông số quan trắc thực tế như áp suất tâm và bán kính gió cực đại.

• Tại sao mô hình GFS toàn cầu không thể cung cấp trường ban đầu hoàn hảo cho dự báo bão khu vực? Do độ phân giải của GFS là 1,0° x 1,0° (tương đương khoảng 110 km), lưới tính quá thô để mô tả cấu trúc thành mắt bão chỉ rộng từ 20 đến 60 km. Hệ quả là xoáy bão trong GFS bị dàn trải, cường độ yếu hơn thực tế khoảng 30 - 40% và tâm xoáy thường lệch hàng chục km.

• Sự khác biệt căn bản giữa chế độ Coldstart và Warmstart trong HWRF là gì? Coldstart tạo xoáy giả 2 chiều từ tổ hợp mô hình lý thuyết quá khứ khi bão mới hình thành hoặc cường độ yếu. Ngược lại, Warmstart sử dụng trực tiếp xoáy động lực từ dự báo 6 giờ trước của chính HWRF để cập nhật cho phiên chạy mới, áp dụng tối ưu cho các cơn bão đã phát triển mạnh.

• Sơ đồ ban đầu hóa xoáy đã cải thiện dự báo bão Ketsana (2009) như thế nào? Sơ đồ đã khôi phục thành công cấu trúc lõi nóng 5,5°C ở tầng đối lưu trên, nén bán kính gió cực đại từ mức sai lệch 250 - 400 km xuống 50 - 80 km sát với quan trắc 67 km, đồng thời nâng tốc độ gió cực đại bề mặt tại thời điểm 00H từ 18 m/s lên 21 m/s.

• Nhược điểm lớn nhất cần khắc phục của sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong nghiên cứu là gì? Toán tử lọc không gian đôi khi làm suy giảm quá mức trường gió ở khu vực xa tâm bão, khiến hoàn lưu ngoài rìa yếu hơn thực tế. Ngoài ra, việc hiệu chỉnh cường độ bão vẫn phụ thuộc nhiều vào số liệu điểm bề mặt đơn lẻ thay vì các mặt cắt thám sát đa chiều.

Kết luận

• Ban đầu hóa xoáy bằng mô hình HWRF giải quyết triệt để bài toán biến dạng xoáy ban đầu từ dữ liệu toàn cầu, tái lập cấu trúc lõi nóng 5,5°C chuẩn xác theo động lực học khí quyển.
• Hiệu chỉnh bán kính gió cực đại RMW giảm hơn 70% sai số không gian (từ 250 - 400 km xuống 50 - 80 km), đưa trường gió mực 10m tiệm cận số liệu quan trắc thực tế.
• Đánh giá qua 53 trường hợp trong mùa bão 2009 khẳng định sơ đồ kiểm soát hiệu quả sai số dọc (ATE) và sai số ngang (CTE), tăng độ tin cậy của dự báo quỹ đạo từ 24 đến 72 giờ.
• Luận văn đặt nền móng kỹ thuật quan trọng cho việc ứng dụng dòng mô hình chuyên bão HWRF tại Việt Nam, mở ra hướng tích hợp đồng hóa dữ liệu viễn thám hiện đại.
• Các cơ quan nghiên cứu và dự báo khí tượng thủy văn cần sớm triển khai thử nghiệm diện rộng mô hình HWRF tích hợp ban đầu hóa xoáy trên chuỗi dữ liệu bão giai đoạn 2024 - 2026 nhằm nâng cao năng lực cảnh báo sớm thiên tai biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 [e-mail] 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 [e-mail] 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 [e-mail] 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.