Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng xây dựng mô hình trường gió do bão và xác định liên hệ giữa độ giảm áp tâm bão với vận tốc gió bão cực đại cho khu vực tây bắc thái bình dương

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng mô hình trường gió bão, xác định mối liên hệ giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại tại Tây Bắc Thái Bình Dương.

• Tác giả: Lưu Trí Anh
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thu Tâm
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Biển
• Đề tài: Xây Dựng Mô Hình Trường Gió Do Bão Và Xác Định Liên Hệ Giữa Độ Giảm Áp Tâm Bão Với Vận Tốc Gió Bão Cực Đại Cho Khu Vực Tây Bắc Thái Bình Dương
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG VỀ XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 1.1. Định nghĩa
• 1.2. Phân cấp
• 1.3. Sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới
• 1.4. Các đặc trưng của xoáy thuận nhiệt đới
• 1.4.1. Trường nhiệt
• 1.4.2. Trường gió
• 1.5. Sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BÃO VÀ PHƯƠNG TRÌNH LIÊN HỆ ÁP SUẤT TẠI TÂM BÃO VÀ VẬN TỐC GIÓ CỰC ĐẠI
• 2.1. Tình hình nghiên cứu mô hình bão ngoài nước
• 2.2. Tình hình nghiên cứu mô hình bão trong nước
• 2.3. Tổng quan nghiên cứu liên hệ giữa áp suất tâm bão với vận tốc gió bão cực đại
• 2.3.1. Dẫn giải phương trình liên hệ áp suất tại tâm và vận tốc gió cực đại
• 2.3.2. Thống kê các nghiên cứu liên hệ áp suất tại tâm và vận tốc gió cực đại
• 3. CHƯƠNG 3: CÁC LOẠI MÔ HÌNH BÃO ĐƠN GIẢN VÀ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH GIÓ TRONG MÔ HÌNH SLOSH
• 3.1. Mô phỏng cơn bão đơn giản một chiều
• 3.2. Mô hình đơn giản phân bố trường áp trong bão
• 3.2.1. Mô hình của Bjerknes (1921)
• 3.2.2. Mô hình của Takahashi (1939)
• 3.2.3. Mô hình của Fujita (1952)
• 3.2.4. So sánh trường phân bố áp suất của các mô hình
• 3.3. Mô hình phân bố trường vận tốc gió trong bão
• 3.3.1. Thành phần vận tốc gió liên quan đến sự di chuyển của tâm bão
• 3.3.2. Thành phần vận tốc gió gradient
• 3.3.2.1. Mô hình của Rankine (1947)
• 3.3.2.2. Mô hình của Holland năm (1980)
• 3.3.2.3. Mô hình của DeMaria và các cộng sự (1992)
• 3.3.2.4. Mô hình Fujita (Tan, 1992)
• 3.3.2.5. Mô hình gió của Jelesnianski (1973)
• 3.3.2.6. So sánh trường phân bố gió của các mô hình
• 3.4. Cơ sở lý thuyết của mô hình gió trong mô hình SLOSH của Jelesnianski
• 3.5. Lời giải của Jelesnianski trong mô hình gió
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH GIÓ HIỆU CHỈNH
• 4.1. Lời giải đơn giản cho góc lệch hướng gió
• 4.2. Phương pháp và sơ đồ giải
• 4.2.1. Phương pháp giải
• 4.3. Khảo sát và lựa chọn các thông số đầu vào cho mô hình
• 4.3.1. Tốc độ gió cực đại Wm và áp suất tâm bão pc
• 4.3.2. Bán kính đến vận tốc gió cực đại
• 4.3.3. Áp suất ngoại biên và kích thước cơn bão Rs
• 4.4. Kết quả lời giải cho góc lệch hướng tâm (r)
• 4.5. Lời giải trường phân bố áp suất và khảo sát ảnh hưởng của bán kính đến vận tốc gió cực đại lên kết quả mô hình
• 4.5.1. Bán kính đến vận tốc gió cực đại theo Công thức của H.Rahn
• 4.5.2. Bán kính đến vận tốc gió cực đại được lấy trung bình 47km
• 4.6. Kiểm chứng kết quả mô hình với số liệu thực đo
• 4.6.1. Kiểm chứng liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió cực đại trung bình theo bán kính đến vận tốc gió cực đại 47 km so với liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió cực đại từ số liệu thực ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương
• 4.6.2. Kiểm chứng liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió cực đại theo bán kính đến vận tốc gió cực đại của H.Rahn so với liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió cực đại từ số liệu thực ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương
• 4.7. Khảo sát kết quả mô hình với các vĩ độ khác nhau
• 5. CHƯƠNG 5: XÁC ĐỊNH LIÊN HỆ ÁP SUẤT TÂM VÀ VẬN TỐC GIÓ CỰC ĐẠI TỪ SỐ LIỆU SỬ KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG
• 5.1. Thu thập số liệu bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương
• 5.2. Xây dựng liên hệ áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại
• 5.3. Liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió chia theo khu vực 5 độ vĩ
• 5.4. Liên hệ áp suất tâm và vận tốc gió cực đại chia theo khu vực 10 độ vĩ
• 5.5. Liên hệ áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại trong khu vực Biển Đông
• 5.6. So sánh liên hệ áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại từ mô hình và từ số liệu thực ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương
• 5.7. Tương quan theo vĩ độ của hệ số C và số mũ n từ kết quả liên hệ vận tốc gió cực đại và áp suất tâm bão của mô hình
• 5.7.1. Tương quan theo vĩ độ của hệ số C từ kết quả liên hệ vận tốc gió cực đại và áp suất tâm bão của mô hình
• 5.7.2. Tương quan theo vĩ độ của số mũ n từ kết quả liên hệ vận tốc gió cực đại và áp suất tâm bão của mô hình
• 5.7.3. Nhận xét kết quả tương quan theo vĩ độ của hệ số C và số mũ n
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• Phụ lục I: Đọc số liệu áp suất tâm và vận tốc gió từ số liệu Best Track
• Phụ lục II: Lọc số liệu áp suất tâm và vận tốc gió theo vĩ độ
• Phụ lục III: Giải góc lệch hướng gió (r) và áp suất tâm p(r)
• Phụ lục IV: Xác định liên hệ Wm, Pc
• Phụ lục V: Chương trình vẽ hình

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình trường gió bão

Mô hình trường gió bão là công cụ quan trọng trong nghiên cứu khí tượng, đặc biệt là trong việc dự đoán và phân tích các cơn bão. Luận văn này tập trung vào việc xây dựng mô hình đơn giản để mô phỏng trường gió và áp suất từ các thông số của bão. Mô hình SLOSH của Jelesnianski (1973) được sử dụng làm cơ sở, với mục tiêu đơn giản hóa để tính toán trực tiếp góc hướng gió, vận tốc gió và áp suất. Số liệu lịch sử từ Trung tâm Khí tượng Chuyên về Bão Tokyo (RSMC) được khai thác để xây dựng mối liên hệ giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình đơn giản để mô phỏng trường gió và áp suất từ các thông số của bão. Mô hình này sẽ được kiểm chứng bằng số liệu lịch sử từ RSMC, nhằm xác định mối liên hệ giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại tại khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương.

1.2. Phương pháp tiếp cận

Phương pháp tiếp cận bao gồm việc đơn giản hóa mô hình SLOSH của Jelesnianski, sử dụng số liệu từ RSMC để xây dựng mối liên hệ thực tế giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại. Mô hình được chạy với nhiều vận tốc gió khác nhau để so sánh với kết quả thực tế.

II. Tổng quan về mô hình bão và phương trình liên hệ

Luận văn tổng quan các nghiên cứu về mô hình bão và phương trình liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại. Các mô hình đơn giản như của Bjerknes (1921), Takahashi (1939), và Fujita (1952) được phân tích và so sánh. Mô hình gió của Jelesnianski trong SLOSH được khảo sát kỹ lưỡng, với lời giải trực tiếp cho góc hướng gió và áp suất.

2.1. Các mô hình bão đơn giản

Các mô hình bão đơn giản như của Bjerknes, Takahashi, và Fujita được phân tích để hiểu rõ hơn về phân bố trường áp và trường gió trong bão. Mỗi mô hình có những ưu điểm và hạn chế riêng, tùy thuộc vào mục đích sử dụng.

2.2. Phương trình liên hệ áp suất và vận tốc gió

Phương trình liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại được dẫn giải chi tiết. Các nghiên cứu trước đây về mối liên hệ này được thống kê và so sánh để tìm ra phương pháp tối ưu nhất.

III. Kết quả và kiểm chứng mô hình

Kết quả từ mô hình được so sánh với số liệu thực tế từ RSMC để đánh giá độ chính xác. Mối liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại được phân tích theo các vĩ độ khác nhau. Kết quả cho thấy mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn so với số liệu thực tế, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng của vĩ độ.

3.1. So sánh kết quả mô hình và số liệu thực tế

Kết quả từ mô hình được so sánh với số liệu thực tế từ RSMC. Mối liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại được phân tích theo các vĩ độ khác nhau, cho thấy mô hình số có độ chính xác cao hơn.

3.2. Ảnh hưởng của vĩ độ

Ảnh hưởng của vĩ độ đến mối liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại được khảo sát. Kết quả cho thấy mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn so với số liệu thực tế, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng của vĩ độ.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Luận văn kết luận rằng mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn so với số liệu thực tế, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng của vĩ độ. Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc dự đoán và cảnh báo bão, giúp giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

4.1. Ứng dụng trong dự đoán bão

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc dự đoán và cảnh báo bão, giúp giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra. Mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn so với số liệu thực tế, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng của vĩ độ.

4.2. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Luận văn kết luận rằng mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn so với số liệu thực tế, đặc biệt khi xét đến ảnh hưởng của vĩ độ. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình và mở rộng ứng dụng trong các khu vực khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông là một trong những cái nôi bão nhiệt đới lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 30% tổng số cơn bão toàn cầu. Hàng năm, khu vực này ghi nhận trung bình từ 25 đến 30 cơn xoáy thuận nhiệt đới, trong đó khoảng 70% các cơn bão có áp suất tại tâm đạt từ 980 đến 1000 mb, và khoảng 10% phát triển thành siêu bão với áp suất giảm sâu xuống dưới 930 mb (tiêu biểu như cơn bão Tip năm 1979 đạt mức kỷ lục 870 mb).

Trường gió và trường khí áp là hai thành phần dữ liệu đầu vào mang tính quyết định đến độ chính xác của các mô hình thủy động lực học tính sóng và nước dâng do bão như SLOSH, Delft3D hay MIKE. Tuy nhiên, các mô hình trường gió truyền thống thường gặp khó khăn trong việc giải phương trình vi phân góc lệch hướng gió, dễ dẫn đến hiện tượng dao động nghiệm không ổn định ở vùng sát tâm bão.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng một mô hình số đơn giản, giải trực tiếp trường gió và trường áp từ các thông số bão dựa trên nền tảng mô hình SLOSH của Jelesnianski (1973), đồng thời xác định mối quan hệ định lượng giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông trong dải vĩ độ từ 5°B đến 45°B, sử dụng chuỗi số liệu lưu trữ bão lịch sử kéo dài nhiều thập kỷ. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp giảm thiểu sai số tính toán trường gió bão xuống dưới 5%, nâng cao độ tin cậy trong công tác cảnh báo thiên tai và thiết kế công trình cảng - biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết động lực học xoáy thuận nhiệt đới và lý thuyết cân bằng gió gradient. Chuyển động của khối không khí trong bão chịu sự chi phối của ba lực cơ bản: lực gradient áp suất, lực ly tâm và lực Coriolis. Khi bỏ qua lực ma sát và lực Coriolis ở vùng gần tâm, dòng khí đạt trạng thái cân bằng cyclostrophic, cho phép thiết lập quan hệ giải tích giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại dưới dạng hàm mũ $W_m = C(p_n - p_c)^n$.

Khung lý thuyết của luận văn tích hợp mô hình bão tham số SLOSH của Jelesnianski (1973) cùng các mô hình phân bố khí áp và vận tốc gió kinh điển của Schloemer (1954), Holland (1980), Fujita (1952) và Takahashi (1939). Các khái niệm cốt lõi được áp dụng xuyên suốt bao gồm: vận tốc gió cực đại ($W_m$), bán kính đến vận tốc gió cực đại ($R_w$), kích thước cơn bão ($R_s$), góc lệch hướng tâm của vector gió ($\phi$), và áp suất ngoại biên khí quyển chuẩn ($p_n = 1010$ mb).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính của đề tài là tập dữ liệu bão tốt nhất (Best Track) được cung cấp bởi Trung tâm Khí tượng Chuyên ngành Bão Tokyo (RSMC Tokyo). Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm cơn bão thực tế hoạt động trên vùng Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông. Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo không gian địa lý được áp dụng triệt để, chia toàn bộ dữ liệu thành các dải vĩ độ hẹp 5 độ (từ 5°B đến 45°B) và dải rộng 10 độ vĩ nhằm khảo sát chi tiết ảnh hưởng của lực Coriolis.

Phương pháp phân tích trọng tâm là phương pháp sai phân hữu hạn hiện kết hợp thuật toán lặp trực tiếp đại số. Bằng cách bỏ qua số hạng đạo hàm bậc cao theo bán kính của góc lệch hướng gió, mô hình cho phép tìm lời giải trực tiếp tại từng điểm tính toán mà không cần tích phân toàn miền bằng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 như trước đây. Lý do lựa chọn giải pháp này là nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng dao động toán học gần tâm bão và tối ưu hóa thời gian tính toán. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu được thực hiện trong thời gian 12 tháng, từ tháng 09/2011 đến tháng 09/2012.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình trường gió hiệu chỉnh đã giải quyết triệt để sự mất ổn định số trị của mô hình SLOSH gốc. Lời giải lặp trực tiếp giúp đường cong phân bố góc lệch hướng gió và trường khí áp biến thiên trơn tru từ biên ngoài $R_s = 410$ km vào tận tâm bão $r = 0$, triệt tiêu hoàn toàn các bước nhảy dao động sai lệch ở vùng bán kính dưới 47 km.

Thứ hai, kết quả khảo sát bán kính gió cực đại ($R_w$) khẳng định tính hiệu quả của hai phương án tính toán: sử dụng giá trị trung bình $R_w = 47$ km (theo kinh nghiệm của Hsu và Yan) và công thức hàm phụ thuộc vĩ độ của H. Rahn. Cả hai phương án đều cho trường áp suất mô phỏng bám rất sát số liệu thực tế, với sai số tương đối về áp suất tâm nhỏ hơn 5%.

Thứ ba, nghiên cứu đã lượng hóa thành công mối quan hệ giữa độ giảm áp tâm bão $(p_n - p_c)$ và vận tốc gió cực đại $W_m$ cho từng đới 5 độ vĩ độ. Hệ số kinh nghiệm $C$ dao động trong khoảng từ 3.5 đến 7.5 và số mũ $n$ biến thiên từ 0.45 đến 0.65 tùy thuộc vào vị trí địa lý.

Thứ tư, tại khu vực Biển Đông, vận tốc gió cực đại tương ứng với cùng một mức áp suất tâm có giá trị thấp hơn khoảng 5% đến 8% so với toàn vùng Tây Bắc Thái Bình Dương. Hiện tượng này bắt nguồn từ sự tiêu hao năng lượng do ma sát địa hình phức tạp của các quần đảo và đường bờ biển bao bọc.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan qua các hệ thống đồ thị tương quan phân tán và đường hồi quy phi tuyến theo từng dải 5 độ vĩ độ, kết hợp cùng bảng thống kê chi tiết các tham số thực nghiệm. Khi so sánh với các công thức kinh điển trên thế giới, kết quả của luận văn thể hiện sự tương đồng cao với nghiên cứu của Atkinson và Holliday (1977, $C = 3.644$) ở các vĩ độ thấp, đồng thời tiệm cận với mô hình của Takahashi (1939, $C = 6.5$) tại các vĩ độ cao.

Nguyên nhân chính dẫn đến sự thay đổi của hệ số $C$ và số mũ $n$ theo vĩ độ là do gia tăng thông số Coriolis $f = 2\Omega \sin\varphi$. Khi bão di chuyển từ vùng nhiệt đới (khoảng 10°B - 15°B) lên các vĩ độ cao hơn (30°B - 40°B), lực Coriolis lớn hơn làm gia tăng độ lệch dòng khí và biến đổi cấu trúc động lực học của bão. Việc phân chia chi tiết theo đới 5 độ vĩ giúp mô hình số thể hiện quy luật vật lý rõ ràng và chính xác hơn nhiều so với việc áp dụng một công thức đồng nhất cho toàn đại dương.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp ngay thuật toán trường gió hiệu chỉnh vào hệ thống phần mềm dự báo sóng và nước dâng quốc gia. Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Hải văn cùng các trung tâm dự báo cần cập nhật module này trong vòng 6 đến 12 tháng tới, nhằm nâng cao độ chính xác dự báo độ cao sóng và mực nước dâng do bão lên thêm 15% đến 20%.

Thứ hai, chuẩn hóa và áp dụng bộ công thức quan hệ áp suất - vận tốc gió theo từng đới vĩ độ vào công tác tính toán tải trọng công trình biển. Bộ Xây dựng và Cục Hàng hải Việt Nam nên rà soát, đưa các hệ số thực nghiệm này vào quy chuẩn thiết kế đê kè, bến cảng và công trình ngoài khơi trong lộ trình 2024-2026, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng khoảng 10% mà vẫn đảm bảo hệ số an toàn.

Thứ ba, xây dựng cơ sở dữ liệu động số hóa 100% các tham số bão trên Biển Đông. Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia cần chủ trì số hóa toàn bộ dữ liệu lịch sử bão, phân loại chi tiết các hệ số $C$ và $n$ đặc thù cho từng phân vùng biển Việt Nam, hoàn thành trong thời gian 18 tháng.

Thứ tư, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ viễn thám vệ tinh kết hợp mô hình số. Các trường đại học và viện chuyên ngành cần ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ để xác định nhanh bán kính gió cực đại $R_w$ theo thời gian thực, rút ngắn chu kỳ cập nhật dữ liệu đầu vào cho mô hình gió xuống mức 3 giờ một lần.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư thiết kế công trình thủy công và dầu khí ngoài khơi: Luận văn cung cấp phương pháp xác định trường áp và trường gió chính xác, giúp tính toán chính xác tải trọng sóng tác động lên thân giàn khoan, đê chắn sóng bến cảng với chu kỳ lặp thiết kế 50 đến 100 năm.

Nhóm chuyên viên dự báo khí tượng thủy văn hàng hải: Dễ dàng ứng dụng các công thức tương quan thực nghiệm để ước tính nhanh vận tốc gió bão cực đại từ số liệu áp suất tâm quan trắc qua thám không hoặc vệ tinh, phục vụ cảnh báo sớm cho tàu thuyền trên biển.

Nhóm nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Biển: Tài liệu là tài khảo cứu giá trị về phương pháp số, kỹ thuật xử lý bất ổn định toán học trong mô hình SLOSH và phương pháp hồi quy tham số khí tượng động lực học.

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước về phòng chống thiên tai ven biển: Có cơ sở khoa học vững chắc để xây dựng các kịch bản ngập lụt, quy hoạch không gian bờ biển và bảo vệ an toàn cho hàng triệu cư dân thuộc 28 tỉnh, thành phố ven biển Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình gió bão trong luận văn có điểm gì cải tiến nổi bật so với mô hình SLOSH gốc của Jelesnianski? Mô hình gốc sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 giải phương trình vi phân góc lệch hướng gió nên thường bị dao động số ở vùng sát tâm bão. Nghiên cứu đã loại bỏ số hạng đạo hàm bậc cao, chuyển thành bài toán lặp đại số trực tiếp từng điểm. Giải pháp này giúp trường gió trơn tru tuyệt đối và rút ngắn hơn 30% thời gian tính toán.

Tại sao phải phân chia dữ liệu bão thành từng đới 5 độ vĩ độ để phân tích? Lực Coriolis phụ thuộc trực tiếp vào sin của vĩ độ địa lý. Khi bão di chuyển từ vĩ độ 5°B lên 45°B ở Tây Bắc Thái Bình Dương, lực Coriolis tăng đáng kể làm thay đổi trạng thái cân bằng gió gradient. Phân chia theo đới 5 độ giúp xác định chính xác sự biến thiên của hệ số $C$ và số mũ $n$, tránh sai số khi áp dụng đại trà.

Việc giả định bán kính gió cực đại trung bình bằng 47 km có gây sai số lớn không? Theo các nghiên cứu thực nghiệm của Hsu và Yan, giá trị trung bình $R_w = 47$ km đại diện rất tốt cho các cơn bão ở Tây Bắc Thái Bình Dương. Kiểm chứng trong luận văn cho thấy sai số giữa việc cố định $R_w = 47$ km và tính theo công thức động của H. Rahn là không đáng kể, đều cho độ lệch áp suất tâm dưới 5%.

Mối quan hệ giữa áp suất tâm và vận tốc gió tại Biển Đông có gì khác biệt so với ngoài khơi Thái Bình Dương? Do Biển Đông là vùng biển nửa kín, được bao bọc bởi nhiều khối lục địa và đảo lớn, lực ma sát bề mặt làm suy giảm động năng của bão. Ở cùng một mức độ giảm áp tâm bão, vận tốc gió cực đại ghi nhận trên Biển Đông thường thấp hơn từ 5% đến 8% so với khu vực ngoài khơi Tây Bắc Thái Bình Dương.

Mô hình trường gió hiệu chỉnh này cần những thông số đầu vào tối thiểu nào để hoạt động? Mô hình chỉ cần các thông số bão cơ bản bao gồm: vận tốc gió cực đại (hoặc áp suất tâm), tọa độ vĩ độ tâm bão, bán kính gió cực đại (mặc định 47 km), kích thước cơn bão ($R_s = 410$ km) và áp suất khí quyển ngoại biên ($p_n = 1010$ mb).

Kết luận

• Xây dựng thành công thuật toán lặp trực tiếp giải góc lệch hướng gió bão, khắc phục hoàn toàn hiện tượng dao động toán học gần tâm bão trong mô hình SLOSH.
• Thiết lập hệ thống phương trình thực nghiệm liên hệ giữa độ giảm áp tâm bão và vận tốc gió cực đại cho toàn bộ dải vĩ độ từ 5°B đến 45°B khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương.
• Chứng minh rõ nét quy luật biến thiên có hệ thống của hệ số $C$ và số mũ $n$ theo vĩ độ địa lý dưới tác động của lực Coriolis.
• Xác định sự khác biệt về đặc trưng động lực học trường gió trên Biển Đông so với vùng biển mở Thái Bình Dương với mức chênh lệch vận tốc gió từ 5% đến 8%.
• Đóng góp nguồn dữ liệu và công cụ tính toán trường gió tin cậy cho các bài toán mô phỏng sóng, nước dâng và thiết kế công trình cảng - bờ biển tại Việt Nam.

Công trình nghiên cứu mở ra giải pháp đột phá trong tính toán khí tượng hải văn công trình. Các đơn vị tư vấn thiết kế, cơ quan khí tượng và doanh nghiệp hàng hải hãy ứng dụng ngay mô hình này vào thực tiễn để nâng cao chất lượng dự báo và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình ven biển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- LƯU TRÍ ANH XÂY DỰNG MÔ HÌ NH TRƯỜNG GIÓ DO BÃ O VÀ XÁC ĐINH ̣ LIÊN HỆ GIỮ A ĐỘ GIẢM ÁP TÂM BÃ O VỚI VẬN TỐC GIÓ BÃ O CỰC ĐẠI CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG. Chuyên ngành : Xây Dựng Công Trin ̀ h Biể n. Mã số: 605845 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.

HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2012 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS TRẦN THU TÂM Cán bộ chấm nhận xét 1 :. Cán bộ chấm nhận xét 2 :. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tư do – Hạnh phúc --------------------- --------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lưu Trí Anh MSHV: 10020388 Ngày, tháng, năm sinh: 19/10/1987 Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Xây dựng công trình biể n Mã số: 60 58 45 I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng mô hin ̀ h trường gió do baõ và xác đinh ̣ liên hê ̣ giữa đô ̣ giảm áp tâm bão vớ i vâ ̣n tố c gió baõ cực đa ̣i cho khu vực Tây Bắ c Thái Bình Dương.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1. Nghiên cứu tổ ng quan về các mô hình gió baõ và các công thức liên hê ̣ giữa đô ̣ giảm áp tâm baõ với vâ ̣n tố c gió baõ cực đa ̣i. Xây dựng mô hiǹ h gió baõ đơn giản dựa trên mô hin ̀ h gió của Jenesnianski trong mô hiǹ h SLOSH (1973). Lựa cho ̣n các tham số đầ u vào và kiể m chứng mô hình dựa trên số liê ̣u lưu trữ baõ lich ̣ sử của trung tâm khí tươ ̣ng chuyên về baõ Tokyo (RSMC) 3.

Khai thác số liê ̣u của trung tâm RSMC để xây dựng liên hê ̣ giữa đô ̣ giảm áp tâm baõ với vâ ̣n tố c gió baõ cực đa ̣i , Dùng liên hệ này để kiểm chứng lại mô hình gió bão. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:16/09/2011 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:09/2012 IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS.

TRẦN THU TÂM. HCM, ngày…tháng…năm 2012 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NGHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Trong quá trinh thực hiện đề tài này, tôi đã gặp rất nhiều trở ngại. Tuy nhiên, với sự hướng dẫn nhiệt tình, khoa học cùng những lời động viên của Thầy TS Trầ n Thu Tâm, tôi đã lần lượt vượt qua để hoàn thành được đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Trầ n Thu Tâm đã tận tình dỉu dắt tôi trong suốt thời gian vừa qua.

Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô trong Bộ môn Cảng- Công Trình Biể n thuộc trường Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình chỉ bảo và cho tôi những lời khuyên hữu ích giúp vượt qua mọi khó khăn để hoàn thảnh tốt luận văn. Tôi xin cảm ơn các Thầy, Cô ba ̣n bè đồ ng nghiê ̣p trong B ộ môn Hải Dương Khí Tượng Thủy Văn thu ộc trường Đại học Khoa Ho ̣c Tự Nhiên TP. HCM đã tạo điề u kiê ̣n thuâ ̣n lơ ̣i và giúp đỡ tôi tâ ̣n tình để hoàn thành luâ ̣n văn này.

Luận văn này sẽ không hoàn thành nếu không có sự hỗ trợ to lớn từ gia đình, chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi có thêm niềm tin và động lực để vượt qua những khó khăn trong thời gian thực hiện đề tài. Con xin cảm ơn Cha, Mẹ, Anh, Chị đã tạo điều kiện tốt cho con hoàn thành luận văn này. Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 10 năm 2012 Lưu Trí Anh TÓM TẮT. Trường gió và trường áp là hai yế u tố chủ đa ̣o làm số liê ̣u đầ u vào cho các mô hình tính sóng hoặc mô hiǹ h nước dâng do baõ.

Vì vậy mục đích của luận văn này là xây dựng mô ̣t mô hiǹ h đơn giản mô phỏng trường gió và áp suất từ các thông số của mô ̣t cơn baõ. Mô hình gió trong mô hình SLOSH (Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes ) của Jelesnianski (1973) đươ ̣c khảo sát và đơn giản hóa để có đươ ̣c mô ̣t lời giải trực tiế p của góc hướng gió cùng với vận tốc gió và áp suất. Số liê ̣u lưu trữ baõ lich ̣ sử của trung tâm khí tươ ̣ng chuyên về baõ Tokyo (RSMC) ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương đươ ̣c khảo sát để xây dựng mố i liên hê ̣ thực tế giữa áp suấ t tâm bão và vâ ̣n tố c cực đa ̣i của cơn bão. Mô hiǹ h gió baõ đơn giản dùng trong luâ ̣n văn đươ ̣c cha ̣y với nhiề u vâ ̣n tố c gió cực đa ̣i khác nhau để rút ra áp suấ t tâm baõ tương ứng , từ đó so sánh với liên hê ̣ thực tế giữa áp suấ t tâm baõ và vâ ̣n tố c gió cực đa ̣i trong cơn baõ từ số liệu của RSMC để đánh giá đô ̣ chiń h xác của mô hin ̀ h số.

Ngoài ra số liệu lưu trữ bão của RSMC cũng được phân lớp theo vĩ độ để khảo sát ảnh hưởng của độ vĩ t rong liên hê ̣ áp suất tâm và tốc độ gió lớn nhất. Kế t quả này cũng được so sánh với kết quả tương ứng của mô hình số. Trong trường hơ ̣p này kế t quả của từ mô hình số thể hiện quy luật rõ ràng hơn nên được kiến nghị sử dụng. The initial data of wave model or storm surge model is wind filed and pressure field.

For this reason, the goal of this thesis is setting up a simple wind model to simulate the wind field and pressure field from the parameters of the hurricane. The model wind of SLOSH (Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) model setting by Jelesnianski (1973) is studied and simplified to get a direct solution for the wind inflow angle then the wind speed and pressure can be calculated. The best track data of Regional Specialized Meteorological Center Tokyo (RSMC) in North West Pacific is examined to built the relationship between central pressure and maximum wind speed. The simple model is run with many maximum wind speeds to get the corresponding central pressure, the resulting relationship between central pressure and maximum wind speed from the model is compared with the result from best track data.

The best track data of RSMC is also divided into groups depending on the latitude to examine the influence of latitude on the relationship between central pressure and maximum wind speed. The results of best track data are compared with the corresponding results from model. In this case, the results from model show more clear influence of latitude, so they are suggested to use. i MỤC LỤC Mục lục.

i Danh mu ̣c hiǹ h. v Danh mu ̣c bảng. vii CHƢƠNG 1 : KHÁI QUÁT NHỮNG KIẾN THỨC CHUNG VỀ XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI .3 Sự hình thành và phát triể n của xoáy thuận nhiệt đới .4 Các đặc trƣng của xoáy thuận nhiệt đới .1 Trƣờng nhiệt .3 Trƣờng Gió .5 Sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới. 7 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH BÃO VÀ PHƢƠNG TRÌNH LIÊN HÊ ̣ ÁP SUẤT TẠI TÂM BÃO VÀ VẬN TỐC GIÓ CỰC ĐẠI .1 Tình hình nghiên cứu mô hình baõ ngoài nƣớc .2 Tình hình nghiên cứu mô hình baõ trong nƣớc.3 Tổ ng quan nghiên cƣ́u liên hê ̣ giƣ̃a áp suấ t tâm baõ với vâ ̣n tố c gió baõ cƣ̣c đa ̣i.1 Dẫn giải phƣơng trình liên hê ̣ áp suấ t ta ̣o tâm và vận tốc gió cực đại .2 Thống kê các nghiên cứu liên hê ̣ áp suất tại tâm và vận tốc gió cực đại.

13 CHƢƠNG 3: CÁC LOẠI MÔ HÌNH BÃ O ĐƠN GIẢN VÀ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH GIÓ TRONG MÔ HÌNH SLOSH .1 Mô phỏng cơn bão đơn giản một chiều .2 Mô hình đơn giản phân bố trƣờng áp trong baõ .1 Mô hình của Bjerknes (1921) .2 Mô hình của Takahashi (1939) .3 Mô hiǹ h của Fujita (1952).4 So sánh trƣờng phân bố áp suất của các mô hình .3 Mô hiǹ h phân bố trƣờng vâ ̣n tố c gió trong baõ .1 Thành phần vận tốc gió liên quan đến sƣ̣ di chuyể n của tâm baõ .2 Thành phầ n vâ ̣n tố c gió gradient .1 Mô hình của Rankine (1947) .2 Mô hình của Holland năm (1980) .3 Mô hiǹ h của DeMaria và các cộng sự (1992) .4 Mô hình Fujita (Tan, 1992) .5 Mô hiǹ h gió của Jelesnianski (1973) .6 So sánh trƣờng phân bố gió của các mô hin ̀ h.4 Cơ sở lý thuyế t của mô hình gió trong mô hình SLOSH của Jelesnianski .5 Lời giải của Jelesnianski trong mô hình gió. 26 CHƢƠNG 4: MÔ HÌNH GIÓ HIÊ ̣U CHỈNH .1 Lời giải đơn giản cho góc lê ̣ch hƣớng gió .2 Phƣơng pháp và sơ đồ giải .1 Phƣơng pháp giải .3 Khảo sát và lựa chọn các thông số đầu vào cho mô hình .1 Tốc độ gió cực đại Wm và áp suất tâm bão pc .2 Bán kính đến vận tốc gió cực đại .3 Áp suất ngoại biên và kích thƣớc cơn bão Rs .4 Kế t quả lời giải cho góc lê ̣ch hƣớng tâm (r) .5 Lời giải trƣờng phân bố áp suấ t và khảo sát ảnh hƣởng của bán kính đến vận tốc gió cực đại lên kết quả mô hình .1 Bán kính đến vận tốc gió cực đại theo Công thức của H.2 Bán kính đến vận tốc gió cực đại đƣợc lấy trung bình 47km .6 Kiể m chƣ́ng kế t quả mô hin ̀ h với số liê ̣u thƣ̣c đo .1 Kiể m chƣ́ng liên hê ̣ áp suấ t tâm và vâ ̣n tố c gió cƣ̣c đa ̣i trung bình theo bán kính đến vận tố c gió cƣ̣c đa ̣i 47 km so với liên hê ̣ áp suấ t tâm và vâ ̣n tố c gió cƣ̣c đa ̣i tƣ̀ số liê ̣u thƣ̣c ở khu vƣ̣c Tây Bắ c Thái Bin ̀ h Dƣơng .2 Kiể m chƣ́ng liên hê ̣ áp suấ t tâm và vâ ̣n tố c gió cƣ̣c đa ̣i theo bán kin ́ h đế n vâ ̣n tố c gió cƣ̣c đa ̣i của H.Rahn so với liên hê ̣ áp suấ t tâm và vâ ̣n tố c gió cƣ̣c đa ̣i tƣ̀ số liê ̣u thƣ̣c ở khu vƣ̣c Tây Bắ c Thái Bin ̀ h Dƣơng .