Chương 1: Tổng quan các công trình nghiên cứu năng lượng bão Trong chương này trình bày về lý thuyết năng lượng bão, trên cơ sở đó giới hạn phạm vi tổng quan về năng lượng bão nhiệt đới. Tổng quan các công trình nghiên cứu về diễn biến của năng lượng bão, về quan hệ giữa hoạt động của bão với SST, với dòng xiết cận nhiệt đới và về dự báo hạn mùa đối với bão và năng lượng bão. Trên cơ sở tổng quan đưa ra các vấn đề cần nghiên cứu về năng lượng bão tích lũy trên Biển Đông. Chương 2: Số liệu, phương pháp nghiên cứu diễn biến và dự báo năng lượng bão Trong chương này trình bày về các số liệu được sử dụng trong nghiên cứu và các phương pháp phân tích thống kê trong đánh giá xu thế diễn biến năng lượng bão, mối quan hệ thống kê với các yếu tố môi trường và xây dựng phương trình dự báo chỉ số năng lượng bão trên Biển Đông.
Chương 3: Diễn biến năng lượng bão và mối quan hệ với nhiệt độ mặt nước biển, với dòng xiết cận nhiệt đới Trong chương này trình bày về đặc điểm diễn biến năng lượng bão dựa trên số liệu bão của JTWC và JMA. Trên cơ sở số liệu tái phân tích của NCEP/NCAR, SST và bức xạ sóng dài phân tích mối tương quan giữa năng 6 lượng bão tích lũy trên Biển Đông với SST và với dòng xiết cận nhiệt đới. Khả năng ứng dụng SST ở vùng biển phía Đông Nam Nhật Bản và cường độ dòng xiết cận nhiệt đới để dự báo năng lượng bão tích lũy trên Biển Đông Nội dung chính là ứng dụng các thông tin về SST ở biển phía Đông Nam Nhật Bản, gió vĩ hướng mực 200mb được CFSv2 dự báo để xây dựng các phương trình hồi quy tuyến tính dự báo chỉ số năng lượng bão tích lũy trên Biển Đông (tổng ACE từ tháng 5 đến tháng 12) và cập nhật vào nửa cuối mùa bão (tổng ACE từ tháng 8 đến tháng 12). Các kiểm nghiệm thống kê được thực hiện đầy đủ cho chuỗi số liệu phụ thuộc và độc lập, đồng thời đánh giá tính khả thi về việc áp dụng phương trình dự báo ACE trên Biển Đông trong nghiệp vụ.
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ NĂNG LƯỢNG BÃO 1.1 Năng lượng bão Các nhân tố quan trọng cho sự hình thành bão như lực Coriolis, sự tồn tại nhiễu động xoáy ban đầu, sự tăng cường xoáy tương đối mực thấp, độ ẩm cao ở tầng đối lưu giữa, SST,…(Gray 1979 [71]; Li C. Tuy nhiên, các nhân tố này chỉ là điều kiện cần mà không phải điều kiện đủ cho quá trình hình thành bão (Evans, 1993) [66]. Thực tế, hàng năm tồn tại rất nhiều nhiễu động xoáy trên khu vực biển nhiệt đới nhưng chỉ một phần rất nhỏ trong những nhiễu động này có thể phát triển thành bão (Nguyễn Thị Thanh, 2020 [23]). Nhiều nghiên cứu cho thấy SST là một trong những nhân tố quan trọng không chỉ ảnh hưởng trực tiếp mà còn gián tiếp thông qua hoàn lưu quy mô lớn đến sự hình thành và tăng cường của bão (Gray, 1979 [71]; Chan, 2000 [46]; Zuki và ctv, 2008 [150]; Wang.
Vấn đề năng lượng bão có thể được hiểu thông qua lý thuyết về điều kiện ổn định đối lưu loại 2 (CISK) và gió sát bề mặt bị ảnh hưởng bởi trao đổi thông lượng nhiệt bề mặt (WISHE) (Hình 1.1): - Quan điểm về CISK liên quan tới không khí hội tụ lớp biên, các quá trình trao đổi thông lượng nhiệt, đối lưu phát triển và ngưng kết được chuyển đổi thành năng lượng cơ học (gió của bão) (COMET, 2016) [56]. - Với quan điểm khác, Emanuel (1986) [61] đã lý tưởng hóa năng lượng bão như một "động cơ nhiệt Canot". Kết quả nghiên cứu cho thấy gió sát bề mặt bị ảnh hưởng bởi trao đổi thông lượng nhiệt tại bề mặt giữa đại dương – khí quyển, quá trình gia tăng năng lượng bề mặt làm tăng tốc độ gió bề mặt ở khu vực gần lõi bão, từ đó đề xuất lý thuyết WISHE.2 mô tả mô hình lý tưởng hóa theo Carnot đối với bão được đặc trưng bởi 4 giai đoạn là giãn nở đẳng nhiệt, giãn nở đoạn nhiệt, nén đẳng nhiệt và nén đoạn nhiệt: (1) giãn nở đẳng nhiệt của không khí gần bề mặt, không khí xoáy vào tâm, thu được entropy ở nhiệt độ không đổi (A-B); (2) giãn nở đoạn nhiệt từ B-C khi không khí thăng 8 lên trong thành mắt bão và thoát ra ở tầng đối lưu trên; và (3) dòng không khí truyền bức xạ hồng ngoại vào môi trường, không khí lạnh đẳng nhiệt và mất đi entropy đã thu được từ biển (C-D), (4) không khí lạnh đoạn nhiệt được giả định quay trở về môi trường bão (D-A). Theo quan điểm của Emanuel (1986) [61], bão mất cân bằng nhiệt động giữa đại dương và khí quyển với hiệu năng của động cơ nhiệt ở vùng nhiệt đới ước tính xấp xỉ bằng 1/3, điều này cho thấy ước tính khoảng một phần ba năng lượng nhiệt có thể được chuyển đổi thành năng 𝑇 −𝑇𝑜 300−200 1 lượng cơ học (𝜀 = 𝑠 = = , với Ts là SST, To là nhiệt độ lớp không 𝑇𝑠 300 3 khí tại dòng ra tầng đối lưu trên (COMET, 2016) [56].
Sơ đồ lý tưởng hóa theo CISK (a) và Canot đối với bão (b) (Nguồn: COMET, 2016 [56]) Mối quan hệ giữa năng lượng bão với cấu trúc và cường độ bão là vấn đề phức tạp đã được nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu. Đồng thời nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới đã ứng dụng chỉ số năng lượng để đánh giá diễn biến cũng như dự báo hạn mùa về bão ở các ổ bão lớn và các tiểu vùng biển khác nhau trên đại dương. Do đó, luận án đặt mục tiêu là ứng dụng chỉ số năng lượng cho đánh giá diễn biến của bão trên Biển Đông và chủ yếu tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến chỉ số năng lượng bão sau đây. Lý do để cộng đồng nghiên cứu đề xuất chỉ số năng lượng bão xuất phát 9 từ thực tế về hai cơn bão Ivan năm 2004 và Mitch 2005 ở Đại Tây Dương, nếu tính tổng tốc độ gió mạnh cho cả quá trình hoạt động của bão thì cơn bão Ivan (1,712.5 knot) cao hơn đáng kể so với cơn bão Mitch (1,208.
Cả hai cơn bão Mitch và Ivan đã được phân loại là cấp 5 theo cấp gió Saffir-Simpson, tuy nhiên diễn biến gió mạnh tại khu vực gần tâm bão của hai cơn bão tương đối khác nhau; cơn bão Mitch chỉ kéo dài một vài ngày gió mạnh cấp 5 nhưng cơn bão Ivan kéo dài khoảng mười ngày. Như vậy, nếu đánh giá và phân loại hai cơn bão là cấp 5, có thể đã làm mất các thông tin có giá trị. Điều này là một trong những lý do chỉ số năng lượng bão được đề xuất nhằm bổ sung thêm về đặc trưng cho đánh giá hoạt động của bão (Drews, 2007) [59]. Khái niệm chỉ số "năng lượng bão tích lũy" (ACE) được đề xuất đầu tiên bởi Bell và ctv (2000) [38], hay còn gọi là “động năng bão tích lũy” (Kim và ctv, 2013 [86]; Lu và ctv, 2018 [105]) hay “năng lượng gió bão” (NOAA).
Động năng tỷ lệ với bình phương vận tốc gió và động năng tích lũy bằng tổng các động năng trong một khoảng thời gian nhất định. Điều này cho thấy bão mạnh, thời gian kéo dài dẫn đến ACE cao. Cùng mục đích như ACE nhưng tăng thêm trọng số cho bão mạnh, Emanuel (2005, 2007) [62], [63] đã đề xuất chỉ số PDI và được biểu diễn bởi hàm bậc ba của vận tốc gió. Các chỉ số năng lượng bão này khái quát “tổng thể” về số lượng, cường độ và thời gian hoạt động của bão nhằm so sánh, đánh giá về mối nguy hiểm của bão giữa các thời kỳ, giữa các khu vực.
Điều này có thể thấy thông qua một ví dụ về mùa với “ba cơn bão”, tổng năng lượng của ba cơn bão là diện tích dưới đường cong theo thời gian tồn tại và cường độ của chúng như Hình 1. Tổng năng lượng của ba cơn bão trong Hình 1.2a cũng tương tự “ba cơn bão” có diện tích giống hệt nhau có cùng thời gian và cường độ như Hình 1.2b nhưng thời gian tồn tại là trung bình của bão và cường độ trung bình là trung bình của tất cả các quan trắc bão trong mùa đó (Camargo và ctv, 2005 [62], Drews, 2007 [59], Kim và ctv, 2013 [86], Murakami và ctv, 2014 [107], Villarini và ctv, 2013 [124], Zhan và ctv, 2015 [155]). Minh họa về chỉ số năng lượng bão (Nguồn:Drews, 2007[59]) Do ACE và PDI có trọng số cao đối với bão cường độ mạnh, Yu và ctv (2009, 2012) [145] [146] đã đề xuất hiệu chỉnh các chỉ số ACE và PDI bằng cách bổ sung thêm bán kính của bão và gọi là chỉ số RACE và RPDI. Nhóm tác giả đã so sánh và đánh giá mức độ phù hợp của các chỉ số năng lượng bão trên khu vực TBTBD dựa trên đặc điểm diễn biến không gian và thời gian của các chỉ số.
Kết quả nghiên cứu cho thấy mặc dù chỉ số RACE và RPDI đã được hiệu chỉnh giảm trọng số đối với bão cường độ mạnh nhưng có sự tương đồng cao về diễn biến với các chỉ số ACE và PDI. Tuy nhiên, kể từ năm 2009 chưa tìm thấy công trình nào nghiên cứu ứng dụng hai chỉ số RACE và RPDI trong đánh giá diễn biến bão được công bố. Theo hướng tiếp cận khác, Kantha và ctv (2006) [82] khi nghiên cứu hoạt động của bão trên khu vực Đại Tây Dương cho thấy mặc dù cơn bão Katrina (năm 2005) có cường độ yếu hơn cơn bão Camille (năm 1969) trước khi đổ độ nhưng cơn bão Katrina có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng hơn cơn bão Camille khi đổ bộ vào bờ. Cơn bão Irene (năm 2011), Isaac và Sandy (năm 2012) tương đối yếu nhưng đã gây ra thiệt hại đáng kể.
Do đó, Kantha và ctv (2006) [82], Powell và ctv (2007) [109] đã đề xuất chỉ số “động năng tích hợp của bão” (IKE) với mục đích hỗ trợ thêm thông tin cho phân cấp Saffir- Simpson. IKE được tính toán cho từng cơn bão dựa trên phân tích gió và bán kính theo 4 góc phần tư của bão từ dự án phân tích gió vệ tinh “H*Wind” của NOAA (có thể tính toán trực tiếp trên website), tuy nhiên khó khăn khi áp dụng 11 IKE ở khu vực TBTBD do nguồn số liệu không đầy đủ. Kết quả nghiên cứu cho thấy mối quan hệ giữa IKE với mức độ thiệt hại do bão gây ra và là thông tin hữu ích để tham khảo bổ sung cho nhận định cảnh báo bão. Cùng mục đích, Hebert và ctv (2010) [72] đã đề xuất chỉ số HSI (Chỉ số nguy hiểm của bão).
