Nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc bão ở vùng duyên hải Việt Nam

Nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc bão ở vùng duyên hải Việt Nam, cung cấp cái nhìn sâu sắc về khí hậu.

• Tác giả: Nguyễn Bình Phong
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Thắng
• Trường học: Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và Biến Đổi Khí Hậu
• Chuyên ngành: Khí Tượng Và Khí Hậu Học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc của bão ở vùng duyên hải Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH, KHÔNG KHÍ LẠNH ĐẾN CẤU TRÚC BÃO
• 1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÃO
• 1.2. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI
• 1.2.1. Các công trình nghiên cứu về cấu trúc bão
• 1.2.2. Các công trình nghiên cứu về tác động của địa hình đến cấu trúc bão
• 1.2.3. Các công trình nghiên cứu về tác động của gió mùa, không khí lạnh đến cấu trúc bão
• 1.3. TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU Ở VIỆT NAM
• 1.4. TIỂU KẾT CHƯƠNG I
• 2. CHƯƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1.1. Phương pháp mô hình số trị
• 2.1.2. Mô hình WRF
• 2.1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy trong mô hình
• 2.1.3.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy động lực học
• 2.1.3.2. Phương pháp dịch chuyển xoáy
• 2.1.4. Phương pháp Sy nốp
• 2.1.5. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM
• 2.2. TIỂU KẾT CHƯƠNG II
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH, KHÔNG KHÍ LẠNH ĐẾN CẤU TRÚC BÃO
• 3.1. NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG TRƯỜNG BAN ĐẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP BAN ĐẦU HÓA XOÁY
• 3.1.1. Lựa chọn sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình WRF
• 3.1.2. Khảo sát vai trò ban đầu hóa xoáy qua một số trường hợp điển hình
• 3.2. VAI TRÒ CỦA ĐỊA HÌNH ĐỐI VỚI CẤU TRÚC BÃO
• 3.2.1. Vai trò của địa hình đối với cấu trúc trường khí tượng trong bão
• 3.2.2. Vai trò của địa hình đối với cường độ bão
• 3.2.3. Vai trò của địa hình đối với quỹ đạo bão
• 3.3. VAI TRÒ CỦA KHÔNG KHÍ LẠNH ĐỐI VỚI CẤU TRÚC BÃO
• 3.3.1. Vai trò của không khí lạnh đối với cấu trúc xoáy bão tích hợp
• 3.3.2. Vài trò của không khí lạnh đến cấu trúc một số trường khí tượng trong các trường hợp điển hình
• 3.3.2.1. Trường hợp bão Damrey
• 3.3.2.2. Trường hợp bão Mujigae
• 3.4. TIỂU KẾT CHƯƠNG 3
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc bão

Nghiên cứu về ảnh hưởng của địa hình Việt Nam và không khí lạnh đến cấu trúc bão là một lĩnh vực quan trọng trong khí tượng học. Việt Nam nằm trong khu vực có tần suất bão cao, với khoảng 30 cơn bão mỗi năm. Điều này đặt ra thách thức lớn cho công tác dự báo và ứng phó với thiên tai. Địa hình đa dạng và sự xuất hiện của không khí lạnh trong mùa đông có thể làm thay đổi đáng kể cấu trúc và cường độ của bão. Việc hiểu rõ mối quan hệ này sẽ giúp cải thiện chất lượng dự báo bão và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

1.1. Địa hình Việt Nam và vai trò trong cấu trúc bão

Địa hình Việt Nam có sự đa dạng lớn, từ núi cao đến đồng bằng ven biển. Sự thay đổi độ cao địa hình có thể ảnh hưởng đến hướng di chuyển và cường độ của bão. Các nghiên cứu cho thấy rằng địa hình có thể tạo ra các hiệu ứng khuếch đại hoặc giảm thiểu sức mạnh của bão khi chúng tiếp cận bờ biển.

1.2. Không khí lạnh và tác động đến bão

Không khí lạnh thường xuất hiện trong mùa đông và có thể làm thay đổi cấu trúc của bão. Khi không khí lạnh tương tác với bão, nó có thể làm tăng cường độ gió và lượng mưa. Nghiên cứu cho thấy rằng sự xâm nhập của không khí lạnh có thể làm thay đổi quỹ đạo và cường độ của bão, dẫn đến những tác động nghiêm trọng hơn đến các khu vực ven biển.

II. Thách thức trong việc dự báo bão ở duyên hải Việt Nam

Dự báo bão ở duyên hải Việt Nam gặp nhiều thách thức do sự phức tạp của địa hình và khí hậu. Các mô hình dự báo hiện tại đôi khi không đủ chính xác để dự đoán quỹ đạo và cường độ bão. Sự tương tác giữa bão và địa hình có thể tạo ra những biến đổi không lường trước được trong cấu trúc bão. Điều này đòi hỏi các nhà nghiên cứu phải cải thiện các phương pháp dự báo và mô hình hóa để nâng cao độ chính xác.

2.1. Sai số trong dự báo quỹ đạo bão

Sai số trong dự báo quỹ đạo bão thường xảy ra do sự thay đổi đột ngột của điều kiện khí tượng. Các yếu tố như địa hình và không khí lạnh có thể làm thay đổi hướng di chuyển của bão, dẫn đến những sai lệch trong dự báo.

2.2. Ảnh hưởng của địa hình đến dự báo bão

Địa hình có thể tạo ra các hiệu ứng khuếch đại hoặc giảm thiểu sức mạnh của bão. Những khu vực có địa hình phức tạp thường gặp khó khăn trong việc dự báo chính xác cường độ và lượng mưa do bão.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh

Để nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc bão, các phương pháp mô hình hóa số trị và phân tích synop được sử dụng. Các mô hình như WRF (Weather Research and Forecasting) cho phép mô phỏng chi tiết các trường khí tượng và dự báo bão. Phân tích synop giúp hiểu rõ hơn về các hình thế thời tiết trong thời gian bão hình thành và phát triển.

3.1. Mô hình hóa số trị trong nghiên cứu bão

Mô hình hóa số trị cho phép mô phỏng các trường khí tượng và dự báo bão một cách chính xác hơn. Các mô hình này sử dụng dữ liệu thực tế để cải thiện độ chính xác của dự báo.

3.2. Phân tích synop và vai trò trong nghiên cứu

Phân tích synop giúp xác định các hình thế quy mô lớn và quy mô vừa trong thời gian bão hoạt động. Điều này giúp các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cơ chế hình thành và phát triển của bão.

IV. Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng địa hình và không khí lạnh có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc bão ở duyên hải Việt Nam. Các mô hình dự báo đã chỉ ra rằng sự tương tác giữa bão và địa hình có thể làm thay đổi cường độ và quỹ đạo bão. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện dự báo bão và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

4.1. Ảnh hưởng của địa hình đến cấu trúc bão

Nghiên cứu cho thấy rằng địa hình có thể làm thay đổi cấu trúc của bão, ảnh hưởng đến lượng mưa và cường độ gió. Các khu vực có địa hình cao thường chịu ảnh hưởng mạnh mẽ hơn từ bão.

4.2. Tác động của không khí lạnh đến bão

Không khí lạnh có thể làm tăng cường độ bão và thay đổi quỹ đạo của nó. Sự tương tác này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để cải thiện dự báo bão trong tương lai.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu về ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến cấu trúc bão ở duyên hải Việt Nam là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp cải thiện dự báo bão mà còn góp phần nâng cao khả năng ứng phó với thiên tai. Trong tương lai, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố này để có những giải pháp hiệu quả hơn.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện các mô hình dự báo và hiểu rõ hơn về cơ chế ảnh hưởng của địa hình và không khí lạnh đến bão.

5.2. Hướng đi mới trong nghiên cứu bão

Cần phát triển các phương pháp mới và công nghệ tiên tiến để nâng cao độ chính xác trong dự báo bão, từ đó giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ tác động nghiêm trọng của xoáy thuận nhiệt đới đối với đời sống kinh tế - xã hội. Theo thống kê của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) được trích dẫn trong văn bản, trong 50 năm qua đã có 1.942 trường hợp thiên tai do xoáy thuận nhiệt đới gây ra trên toàn cầu, làm gần 800.000 người thiệt mạng và gây thiệt hại kinh tế 407,6 tỷ USD (trung bình mỗi ngày có 43 người chết và thiệt hại 78 triệu USD). Việt Nam nằm tại khu vực ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương – nơi có khoảng 30 cơn bão hoạt động mỗi năm, chiếm 38% tổng số bão toàn cầu. Mặc dù các mô hình số trị dự báo thời tiết và dự báo bão đã được đưa vào ứng dụng nghiệp vụ tại Việt Nam, chất lượng dự báo nhiều thời điểm vẫn chưa đáp ứng yêu cầu thực tế do sai số quỹ đạo và cường độ còn lớn. Đặc biệt, khi bão tiến sát bờ biển, sự tương tác giữa hoàn lưu bão với địa hình đồi núi phức tạp của dải đất liền cùng sự xâm nhập của không khí lạnh từ phía bắc khiến cấu trúc các trường khí tượng biến đổi mạnh mẽ, làm phức tạp hóa công tác dự báo vị trí đổ bộ, vùng gió mạnh và mưa lớn.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là việc thiếu hụt những luận giải thỏa đáng về cơ chế khống chế cũng như biểu hiện cụ thể của địa hình Việt Nam và không khí lạnh lên sự biến đổi cấu trúc đối xứng/bất đối xứng của các trường khí tượng (gió, mây, mưa) và quỹ đạo di chuyển của bão khi tiến vào gần bờ.

Để giải quyết khoảng trống đó, luận án xác định các câu hỏi nghiên cứu cụ thể sau:

1. Bão sẽ chịu tác động của địa hình Việt Nam như thế nào?
2. Cấu trúc của các trường khí tượng khi bão tiến vào gần bờ biển Việt Nam sẽ ra sao trong điều kiện có sự xâm nhập của không khí lạnh?
3. Cơ chế nào khống chế các tác động đó?

Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm hai nội dung chính:

1. Mô phỏng được ảnh hưởng của địa hình Việt Nam tới cấu trúc đối xứng của bão thời điểm trước và sau khi bão đổ bộ vào vùng duyên hải Việt Nam;
2. Đánh giá được ảnh hưởng của không khí lạnh tới cấu trúc các trường trong bão trên Biển Đông.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các cơn bão hoạt động trên Biển Đông, đặc biệt là các cơn bão chịu tác động của không khí lạnh và đổ bộ vào vùng duyên hải Việt Nam; tác động của độ cao địa hình duyên hải Việt Nam đến cấu trúc bão đổ bộ.
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về không gian: Khu vực Biển Đông và vùng duyên hải Việt Nam.
  • Về thời gian: Giai đoạn 2014–2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan một hệ thống phong phú các công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về lý thuyết cấu trúc bão, tác động của địa hình và tác động của không khí lạnh:

Về lý thuyết hình thành và cấu trúc đối xứng của bão: Riehl (1948a,b) và Palmén (1948) đã tổng hợp các điều kiện nhiệt động lực học nền tảng cho sự hình thành bão (nhiệt độ bề mặt biển từ 26–27°C trở lên, thông số Coriolis đủ lớn trong đới 5–20° hai bên xích đạo, độ đứt gió thẳng đứng nhỏ, trường phân kỳ trên cao và nhiễu động ban đầu ở tầng thấp liên quan tới dải hội tụ nhiệt đới ITCZ). Gray (1967) chuẩn hóa sáu thông số môi trường thuận lợi (ba nhân tố động lực học và ba nhân tố nhiệt động lực học). Kleinschmidt (1951) là người đầu tiên thiết lập công thức xác định vận tốc gió cực đại $V$ theo năng lượng nhiệt đại dương $E$: $V^2 = 2E [q^2 / (1 - q^2)]$. Palmén (1948) xây dựng mặt cắt thẳng đứng đầu tiên của bão dựa trên thám sát năm 1944. Riehl và Malkus (1960), Riehl (1963b) xây dựng hệ phương trình động lực khí quyển thủy tĩnh cho bão dừng. Tiếp đó, các mô hình số ban đầu của Charney và cs. (1950), Sasaki và Miyakoda (1954), Kasahara (1961), Rosenthal (1964), Kuo (1965), Yamasaki (1968) đã mô phỏng quá trình bất ổn định có điều kiện và vai trò giải phóng tiềm nhiệt. Hawkins và Rubsam (1968), Hawkins và Imbembo (1976) mô tả chi tiết cấu trúc lõi nóng qua số liệu máy bay thám sát bão Inez (1966). Weatherford và Gray (1988a,b) khẳng định quan hệ đồng biến giữa tốc độ gió cực đại và khí áp cực tiểu tâm bão. Holland và Merrill (1984), Dean và cs. (2009), Demuth (2006), Kossin (2017, 2018), Chavas và Emanuel (2010, 2014) xác nhận bán kính gió bão tuân theo luật phân bố chuẩn loga. Emanuel và Nolan (2004), Emanuel và Rotunno (2011) luận giải profile gió xuyên tâm và cân bằng lớp biên Ekman. Hiện tượng hai thành mắt bão đồng tâm được phát hiện sớm bởi Fortner (1958) ở siêu bão Sarah (1956), sau đó được Willoughby và cs. (1982), Kossin và Sitkowski (2009), Houze và cs. (2007) phân tích qua số liệu radar Doppler và vệ tinh viễn thám.

Về tác động của địa hình đến bão: Các công trình quốc tế của Brand và Blelloch (1974), Chang (1982), Bender (1987), Yeh và Elsberry (1993) nghiên cứu sự biến đổi cường độ và độ lệch quỹ đạo của bão quanh đảo Đài Loan. Tuleya (1983, 1994), Shen và Tuleya (2002), Kimball (2008) chỉ ra sự suy giảm bốc hơi, tăng ma sát bề mặt và thay đổi thông lượng nhiệt dẫn đến sự tan rã của bão khi đổ bộ. Jian và Wu (2008) chứng minh chuyển động thắt nút của bão Haitang (2005) do hội tụ gió mực thấp cưỡng bức bởi địa hình. Cheung, Huang và Lee (2008), Dong và cs. (2010), Wu và Liang (2011), Huang và Wu (2011), Jang và Chun (2013), Huang và Yang (2014) khảo sát vai trò của độ cao địa hình đối với lượng mưa và sự lệch hướng của các cơn bão Krosa (2007), Morakot (2009), Saomai (2006). Nguyễn Văn Hiệp và Chen (2011, 2014) sử dụng các sơ đồ ban đầu hóa xoáy mới trên mô hình WRF để nâng cao chất lượng mô phỏng cấu trúc bất đối xứng và mưa bão.

Về ảnh hưởng của không khí lạnh và gió mùa: Fett (1968), Palmén và Newton (1969) phân tích sự tương tác giữa xoáy thuận nhiệt đới và không khí lạnh dẫn đến tái sinh thành xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Li Tianfu (2003) nghiên cứu mưa lớn tại đảo Hải Nam do bão kết hợp không khí lạnh. Han Ying và cs. (2008) chỉ ra gradient nhiệt độ tăng do không khí lạnh xâm nhập thúc đẩy cường độ xoáy bão. Chen và Matsumoto (2017) khẳng định sự cùng tồn tại của không khí lạnh và xoáy thuận nhiệt đới gây mưa đặc biệt lớn ở miền Trung Việt Nam.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu khí hậu bão và không khí lạnh của Phạm Ngọc Toàn và Phan Tất Đắc (1993), Nguyễn Đức Ngữ (2010), Mai Văn Khiêm và cs. (2015), Lê Văn Thảng (1992), Nguyễn Văn Khánh và Phạm Đình Thụy (1985), Nguyễn Vũ Thi (1985), Đặng Thị Hồng Nga và cs. (2010), Đinh Văn Ưu và cs. (2010) đã thống kê quy luật di chuyển, tần số và mùa hoạt động của bão đổ bộ. Về tương tác bão – không khí lạnh, Lê Thanh Sơn (1985, 1987), Trần Gia Khánh (1998), Lê Đình Quang (1991), Lê Văn Thảo (1996), Nguyễn Ngọc Thục (1992), Trần Đình Bá (1979, 1985, 1997), Nguyễn Văn Thắng (2011), Trần Công Minh (2003, 2007) đã phân tích hai cơ chế tác động: tác động trực tiếp khi khối không khí lạnh khô tràn vào dưới dạng nêm lạnh làm triệt tiêu năng lượng ẩm khiến bão suy yếu nhanh; và tác động gián tiếp khi không khí lạnh ở xa làm gia tăng gradient khí áp nằm ngang, mở rộng phạm vi gió mạnh ở rìa phía bắc hoàn lưu bão. Về mô hình số và ban đầu hóa xoáy, Trịnh Văn Thư (1992), Bùi Hoàng Hải và Phan Văn Tân (2002, 2004), Phan Văn Tân và Nguyễn Lê Dũng (2008), Trần Tân Tiến và Lê Thị Hồng Vân (2009), Dư Đức Tiến và cs. (2016), Kiều Thị Xin và cs. (2002), Hoàng Đức Cường và cs. (2005, 2010), Kiều Quốc Chánh (2011), Võ Văn Hòa và cs. (2006, 2012) đã thử nghiệm cài xoáy giả, đồng hóa 3D-VAR, bộ lọc Kalman tổ hợp (LETKF) và dự báo tổ hợp trên các mô hình MM5, RAMS, ETA, WRF.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu trước đã đề cập đến tương tác bão – không khí lạnh và thử nghiệm mô hình số, việc mô phỏng và định lượng hóa một cách có hệ thống sự nhạy cảm của cấu trúc đối xứng/bất đối xứng (trường gió mực 10m, trường mây qua độ phản hồi vô tuyến, tỉ số xáo trộn nước mưa) và quỹ đạo bão đối với các mức độ cao địa hình khác nhau của dải duyên hải Việt Nam bằng mô hình WRF có ban đầu hóa xoáy động lực học vẫn chưa được thực hiện đầy đủ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên các cơ sở lý thuyết và hệ khái niệm chuẩn hóa về khí tượng học:

• Khái niệm và phân loại xoáy thuận nhiệt đới: Dẫn chiếu theo Quyết định số 44/2014/QĐ-TTg ngày 15/8/2014 của Thủ tướng Chính phủ quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai. Xoáy thuận nhiệt đới được phân chia thành năm cấp dựa trên tốc độ gió lớn nhất vùng gần tâm: Áp thấp nhiệt đới (cấp 6–7, 10,8–17,1 m/s), Bão (cấp 8–9, 17,2–24,4 m/s), Bão mạnh (cấp 10–11), Bão rất mạnh (cấp 12–15) và Siêu bão (từ cấp 16 trở lên).
• Lý thuyết nhiệt động lực học bão: Dựa trên các nguyên lý bất ổn định có điều kiện của khí quyển, sự hội tụ ẩm trong lớp biên Ekman, cơ chế lõi nóng tầng đối lưu trên và bảo toàn mômen động lượng.
• Lý thuyết tương tác không khí lạnh: Dựa trên mô hình nêm lạnh của Lê Văn Thảo (1996) và Nguyễn Văn Thắng (2011), cùng lý thuyết biến tính của khối không khí cực đới khi di chuyển xuống phía nam gặp địa hình chắn của dãy Trường Sơn (Trần Công Minh, 2003, 2007).

Phương pháp nghiên cứu thực tế gồm:

• Phương pháp mô hình số trị: Sử dụng mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Advanced Research WRF - WRF-ARW). Trong mô hình, tác giả áp dụng phương pháp ban đầu hóa xoáy động lực học và phương pháp dịch chuyển xoáy để khắc phục nhược điểm trường phân tích toàn cầu thường làm mịn hoặc định vị sai lệch tâm bão. Tác giả khảo sát các sơ đồ tham số hóa vi vật lý mây (MP), đối lưu (Kain-Fritsch - KF, Betts-Miller-Janjic - BMJ, Grell-Devenyi - GD) và lớp biên hành tinh (PBL).
• Phương pháp phân tích Sy nốp: Phân tích các bản đồ thời tiết, trường đường dòng, áp cao lạnh Siberia, dải hội tụ nhiệt đới và rãnh gió mùa ở các mực 850 hPa, 500 hPa và mực mặt biển nhằm nhận diện các hình thế tương tác giữa bão và không khí lạnh.
• Phương pháp thống kê: Đánh giá sai số dự báo quỹ đạo (khoảng cách tâm bão) và cường độ (khí áp cực tiểu tại tâm, tốc độ gió cực đại) thông qua sai số trung bình (ME) và sai số trung bình tuyệt đối (MAE) trên chuỗi 228 thí nghiệm mô phỏng.

Nguồn tư liệu và dữ liệu:

• Dữ liệu khí tượng toàn cầu: Số liệu phân tích và dự báo GFS của NCEP (Hoa Kỳ) và GSM của JMA (Nhật Bản).
• Dữ liệu viễn thám: Ảnh mây vệ tinh kênh thị phổ (VIS), hồng ngoại (IR), vi sóng kênh 89H; ảnh radar Doppler với trường độ phản hồi vô tuyến (đơn vị dBZ).
• Dữ liệu quan trắc quỹ đạo và cường độ: Số liệu best-track từ Trung tâm Cảnh báo bão Liên hợp Hải quân Hoa Kỳ (JTWC), Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) và Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia (NCHMF).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của địa hình, không khí lạnh đến cấu trúc bão

Nội dung chương tập trung hệ thống hóa cơ sở lý thuyết bão và tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước:

• Luận giải các khái niệm, phân loại xoáy thuận nhiệt đới theo thang Beaufort và Quyết định 44/2014/QĐ-TTg, cùng các điều kiện hình thành bão theo quan điểm của Riehl, Palmén và Gray.
• Phân tích chi tiết cấu trúc đối xứng của bão (lõi nóng xuất hiện mạnh nhất ở tầng đối lưu trên, vận tốc gió tiếp tuyến cực đại ở mực thấp tuân theo phân bố chuẩn loga của Holland, profile gió xuyên tâm vùng lõi theo lý thuyết Emanuel và Rotunno 2011). Phân tích cấu trúc mắt bão (vùng quang mây, dòng giáng yếu, khí áp cực tiểu như kỷ lục 870 hPa của siêu bão Tip năm 1979), thành mắt bão với chu trình thay thế thành mắt bão đồng tâm (eyewall replacement cycle) và các xoáy quy mô nhỏ hình thành do đứt gió thẳng đứng tạo nên mắt bão hình đa giác.
• Tổng quan các cơ chế tương tác giữa bão với địa hình núi cao và đường bờ biển từ các nghiên cứu quốc tế (chương trình ITCLP, CLAYTEX, các nghiên cứu tại Đài Loan và bờ biển Trung Quốc).
• Tổng thuật các nghiên cứu tại Việt Nam về đặc điểm bão Biển Đông, hướng di chuyển trung bình theo Atlas của Mai Văn Khiêm (2015), và sự kết hợp giữa hoàn lưu bão với không khí lạnh (trung bình 33 đợt/năm theo Nguyễn Vũ Thi). Tổng kết các phương án ban đầu hóa xoáy và đồng hóa dữ liệu bão trên mô hình MM5 và WRF của các nhóm nghiên cứu trong nước.

Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương trình bày nguồn số liệu và quy trình thiết kế các thử nghiệm số trị:

• Lựa chọn 18 cơn bão hoạt động trên Biển Đông trong giai đoạn 2014–2018 (trong đó có các cơn bão tiêu biểu như Kalmaegi, Mujigae, Wutip, Damrey, Usagi) với chuỗi số liệu quan trắc và điều kiện biên tại các mốc 00UTC và 12UTC.
• Thiết lập mô hình WRF với miền tính lồng ghép, cấu hình các sơ đồ vật lý phù hợp với khu vực Biển Đông và duyên hải Việt Nam.
• Thiết lập quy trình ban đầu hóa xoáy động lực học và kỹ thuật dịch chuyển xoáy nhằm tạo ra xoáy bão ban đầu có cường độ, kích thước và cấu trúc lõi nóng phù hợp với quan trắc thực tế trước khi tích phân mô hình.
• Thiết kế hệ thống 228 thí nghiệm mô phỏng, bao gồm các kịch bản thử nghiệm độ nhạy địa hình đối với các cơn bão đổ bộ:
  • Kịch bản CTL: Thí nghiệm kiểm chứng, giữ nguyên độ cao địa hình thực tế mặc định trong mô hình WRF.
  • Kịch bản TER2m: Giảm toàn bộ độ cao địa hình miền tính xuống mức 2 mét (loại bỏ hoàn toàn tác động nâng cao của địa hình).
  • Kịch bản TER50: Giảm 50% độ cao địa hình thực tế.
  • Kịch bản TER75: Giảm 75% độ cao địa hình thực tế.
  • Kịch bản TER150: Tăng 150% độ cao địa hình thực tế (khuếch đại cưỡng bức địa hình).

Chương 3: Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình, không khí lạnh đến cấu trúc bão

Nội dung chương trình bày các phát hiện rút ra từ 228 thí nghiệm số trị:

• Nâng cao chất lượng trường ban đầu bằng ban đầu hóa xoáy: Thử nghiệm trên các ca bão điển hình (như bão Damrey 2017 tại mốc 00Z ngày 03/11/2017 và bão Mujigae 2015 tại mốc 00Z ngày 03/10/2015) cho thấy việc áp dụng ban đầu hóa xoáy giúp tái lập được cấu trúc lõi nóng rõ nét ở tầng đối lưu trên, trường gió mực 10m và khí áp bề mặt biển sát với quan trắc của JTWC và JMA, khắc phục hiện tượng xoáy ban đầu quá yếu và lan tỏa rộng khi không ban đầu hóa xoáy. Trường phản hồi vô tuyến ban đầu phù hợp với ảnh mây vi sóng kênh 89H. Sai số khí áp cực tiểu tại tâm và vị trí tâm bão giảm rõ rệt qua các vòng lặp.
• Vai trò của địa hình đối với cấu trúc bão:
  • Cấu trúc trường mây và phản hồi vô tuyến: Khảo sát trường hợp bão Damrey (2017) tại các thời điểm 3 giờ trước đổ bộ, lúc đổ bộ và 3 giờ sau đổ bộ. Khi địa hình giữ nguyên (CTL) hoặc tăng cao (TER150), đới mây đối lưu mạnh ở sườn đón gió bị kích động thăng cưỡng bức, phá vỡ cấu trúc đối xứng vòng tròn của thành mắt bão; vùng phản hồi vô tuyến cực đại (> 40–45 dBZ) tập trung dồn về phía trước tâm bão tiếp xúc với địa hình. Ngược lại, ở kịch bản TER2m, hoàn lưu mây duy trì dạng xoắn ốc đối xứng lâu hơn ngay cả khi tâm bão đã đi vào đất liền.
  • Cường độ bão: Biến trình vận tốc gió cực đại tại độ cao 10m và khí áp cực tiểu tại tâm cho thấy địa hình càng cao (TER150) thì ma sát bề mặt càng lớn, làm tiêu tán động năng nhanh chóng, tốc độ gió suy giảm đột ngột ngay khi tiếp cận bờ. Ở kịch bản TER2m, bão duy trì cường độ gió mạnh và khí áp thấp sâu hơn trong thời gian dài sau thời điểm đổ bộ.
  • Quỹ đạo bão: Độ cao địa hình tạo ra lực cản và sự bất đối xứng trong trường dòng dẫn mực thấp, làm lệch hướng di chuyển của bão khi tiến sát bờ (thể hiện rõ trên quỹ đạo mô phỏng các cơn bão Kalmaegi, Mujigae, Wutip, Damrey và Usagi giữa các kịch bản CTL, TER2m, TER50, TER75 và TER150).
• Vai trò của không khí lạnh đối với cấu trúc bão:
  • Cấu trúc xoáy tích hợp 18 cơn bão: So sánh cấu trúc trung bình của các cơn bão chịu tác động của không khí lạnh với nhóm không chịu tác động cho thấy: không khí lạnh làm tăng mạnh gradient áp và tốc độ gió mực 10m ở nửa phía bắc hoàn lưu bão; làm biến dạng trường gió vĩ hướng và kinh hướng; đồng thời trường tỉ số xáo trộn nước mưa tại mực bề mặt (kg/kg) bị kéo giãn lệch hẳn về phía bắc và tây bắc tâm bão.
  • Trường hợp điển hình bão Damrey (2017) và bão Mujigae (2015): Phân tích synop và mặt cắt thẳng đứng đông - tây, nam - bắc qua tâm bão cho thấy không khí lạnh xâm nhập vào rìa bắc hoàn lưu bão dưới dạng nêm lạnh mực thấp, tạo ra vùng hội tụ nhiệt ẩm mạnh mẽ giữa đới gió đông bắc lạnh và dòng thổi ẩm nhiệt đới, gây gia tăng tỉ số xáo trộn ngưng kết, kích động đối lưu sâu và hình thành dải phản hồi vô tuyến mạnh lệch tâm ở hạn dự báo 6 giờ, 12 giờ và 24 giờ.

Bảng tổng hợp thiết kế các kịch bản thí nghiệm địa hình và các ca nghiên cứu tiêu biểu trong luận án:

Kịch bản / Ca bão	Thiết lập mô phỏng	Mục tiêu đánh giá	Kết quả chính
CTL	Giữ nguyên độ cao địa hình thực tế mặc định	Thí nghiệm kiểm chứng (control run) cho 18 cơn bão	Mô phỏng sát diễn biến bão thực tế, làm mốc so sánh độ nhạy.
TER2m	Giảm độ cao địa hình miền tính xuống 2m	Khảo sát trạng thái bão khi không có ma sát và nâng cưỡng bức địa hình	Bão suy yếu chậm hơn, cấu trúc trường mây và gió duy trì tính đối xứng lâu hơn sau đổ bộ.
TER50	Giảm 50% độ cao địa hình thực tế	Đánh giá phản ứng tuyến tính/phi tuyến của xoáy bão	Tốc độ suy giảm gió cực đại và độ lệch quỹ đạo ở mức trung gian giữa CTL và TER2m.
TER75	Giảm 75% độ cao địa hình thực tế	Đánh giá mức độ nhạy cảm của hoàn lưu bão với địa hình thấp	Cấu trúc đối xứng được bảo toàn tốt hơn kịch bản CTL; giảm mức độ tập trung mưa ở sườn đón gió.
TER150	Tăng 150% độ cao địa hình thực tế	Đánh giá tác động cực hạn của ma sát và chắn địa hình cao	Bão suy giảm cường độ rất nhanh khi tiếp cận bờ; đối lưu và mưa cưỡng bức tăng đột biến ở sườn đông.
Bão Damrey (2017)	Mô phỏng tại mốc 00Z ngày 03/11/2017 đến đổ bộ 00Z ngày 04/11/2017	Khảo sát kết hợp ban đầu hóa xoáy, độ nhạy địa hình và tương tác không khí lạnh	Làm rõ cấu trúc nêm lạnh làm lệch trường gió mạnh lên phía bắc; địa hình làm tan vỡ thành mắt bão lúc đổ bộ.
Bão Mujigae (2015)	Mô phỏng chuỗi 12Z 03/10, 18Z 03/10, 00Z 04/10 và 06Z 04/10/2015	Đánh giá tương tác synop giữa bão và đợt không khí lạnh tăng cường	Xác lập mặt cắt thẳng đứng đông - tây và nam - bắc của trường tốc độ gió và tỉ số xáo trộn ngưng kết bất đối xứng.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã tự nêu hai đóng góp mới chủ yếu về mặt khoa học lý luận và thực tiễn:

1. Về ảnh hưởng của địa hình: Luận án làm rõ hơn cơ chế và biểu hiện sự ảnh hưởng của địa hình Việt Nam tới cấu trúc các trường mây, gió, phân bố lượng mưa và sự lệch hướng của quỹ đạo khi bão di chuyển vào gần bờ và đổ bộ. Địa hình đóng vai trò làm biến dạng cấu trúc đối xứng ban đầu của xoáy bão, gia tăng tốc độ tiêu tán động năng do ma sát bề mặt và cưỡng bức hội tụ tạo tâm mưa lớn tại sườn đón gió.
2. Về ảnh hưởng của không khí lạnh: Luận án làm rõ hơn cơ chế và biểu hiện sự ảnh hưởng của không khí lạnh đến cấu trúc trường mây, phân bố lượng mưa và gió mạnh trong các cơn bão hoạt động trên khu vực Biển Đông Việt Nam. Sự xâm nhập của không khí lạnh làm tăng gradient khí áp ở rìa phía bắc, làm lệch tâm đối lưu và tái phân bố trường ẩm bề mặt.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn cùng các kiến nghị, giải pháp đề xuất:

• Về ý nghĩa khoa học: Cung cấp thêm luận cứ và chứng cứ mô phỏng số trị về vai trò của độ cao địa hình và không khí lạnh lên cấu trúc các trường khí tượng trong bão, góp phần hoàn thiện hiểu biết lý thuyết về bão đổ bộ vùng bờ biển có địa hình phức tạp kết hợp gió mùa mùa đông.
• Về ý nghĩa thực tiễn và giải pháp: Kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xác định cụ thể các khu vực bão đổ bộ có nguy cơ xuất hiện mưa lớn và gió mạnh bất thường do tác động kết hợp của địa hình và không khí lạnh. Tác giả đề xuất việc ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy động lực học trong mô hình WRF vào quy trình nghiệp vụ dự báo bão hạn ngắn tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia nhằm nâng cao chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão, phục vụ công tác chỉ đạo phòng chống và giảm thiểu thiệt hại thiên tai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Phạm vi thời gian nghiên cứu thực nghiệm tập trung trong giai đoạn 2014–2018 với 18 cơn bão được lựa chọn, chưa bao quát toàn bộ các kịch bản tương tác đa dạng trong lịch sử bão Biển Đông.
• Phạm vi không gian giới hạn ở khu vực Biển Đông và vùng duyên hải Việt Nam, chịu sự chi phối của địa hình dải Trường Sơn và vùng ven biển nhiệt đới gió mùa.
• Các mô phỏng số trị phụ thuộc vào độ chính xác của trường phân tích/dự báo toàn cầu (GFS, GSM) dùng làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên, cũng như sự nhạy cảm nội tại của các sơ đồ tham số hóa vi vật lý mây và đối lưu trong mô hình WRF.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Mở rộng tập mẫu nghiên cứu cho các cơn bão trong các năm tiếp theo nhằm tăng cường ý nghĩa thống kê.
• Tiếp tục thử nghiệm kết hợp ban đầu hóa xoáy với các phương pháp đồng hóa số liệu tiên tiến (như 3D-VAR, 4D-VAR hoặc lọc Kalman tổ hợp LETKF) tích hợp đồng thời số liệu thám sát radar Doppler ven biển, gió vệ tinh và thám không để cải thiện hơn nữa trường ban đầu mô hình.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Khí tượng học, Khí hậu học, Hải dương học và Thủy văn: Có thể tham khảo phương pháp thiết kế thí nghiệm số trị độ nhạy địa hình (Chương 2 và Chương 3), kỹ thuật ban đầu hóa xoáy động lực học trong mô hình WRF, cùng hệ thống tổng thuật tài liệu lý thuyết bão chuyên sâu (Chương 1).
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu chuyên ngành: Cung cấp tư liệu chi tiết về mặt cắt cấu trúc thẳng đứng của trường gió, nhiệt độ thế vị, tỉ số xáo trộn ngưng kết và độ phản hồi vô tuyến trong bão nhiệt đới khi tương tác với nêm lạnh.
• Dự báo viên và các nhà hoạch định chính sách phòng chống thiên tai: Cung cấp cơ sở khoa học nhận định trước các khu vực tập trung gió giật mạnh ở rìa bắc bão và các vùng hội tụ mưa cực đoan ven biển khi có bão kết hợp không khí lạnh đổ bộ vào dải duyên hải Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng căn cứ pháp lý nào để phân loại xoáy thuận nhiệt đới và các cấp gió tương ứng?
Luận án căn cứ theo Quyết định số 44/2014/QĐ-TTg ngày 15/8/2014 của Thủ tướng Chính phủ quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai. Theo đó, xoáy thuận nhiệt đới được phân thành năm cấp: Áp thấp nhiệt đới (gió cấp 6–7, 10,8–17,1 m/s), Bão (gió cấp 8–9, 17,2–24,4 m/s), Bão mạnh (gió cấp 10–11, 24,5–32,6 m/s), Bão rất mạnh (gió cấp 12–15, 32,7–50,9 m/s) và Siêu bão (từ cấp 16 trở lên, ≥ 51,0 m/s).

2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy trong mô hình WRF giải quyết nhược điểm gì của trường số liệu ban đầu?
Trường phân tích toàn cầu thông thường (như GFS hay GSM) thường làm mịn cấu trúc bão hoặc định vị sai lệch tâm bão do độ phân giải thấp và thiếu số liệu quan trắc trên biển. Phương pháp ban đầu hóa xoáy động lực học và dịch chuyển xoáy giúp bổ sung một cấu trúc xoáy thực tế (có trường gió mực 10m, khí áp tâm và cấu trúc lõi nóng phù hợp quan trắc), giúp giảm đáng kể sai số dự báo quỹ đạo và cường độ bão trong 24 giờ đầu tích phân mô hình.

3. Thí nghiệm độ nhạy địa hình của luận án được thiết kế gồm những kịch bản nào?
Luận án thiết kế năm kịch bản độ cao địa hình miền tính trong mô hình WRF gồm: CTL (giữ nguyên độ cao thực tế mặc định), TER2m (giảm toàn bộ độ cao địa hình về 2 mét), TER50 (giảm 50% độ cao), TER75 (giảm 75% độ cao) và TER150 (tăng 150% độ cao địa hình).

4. Khi không khí lạnh xâm nhập vào hoàn lưu bão trên Biển Đông, cấu trúc trường gió và trường mưa biến đổi ra sao?
Không khí lạnh xâm nhập vào tầng thấp làm gia tăng gradient khí áp ở rìa phía bắc bão, mở rộng phạm vi và tăng cường độ gió mạnh tại nửa phía bắc hoàn lưu bão. Đồng thời, sự tương tác nhiệt ẩm giữa khối không khí lạnh khô và dòng ẩm nhiệt đới làm méo mó tính đối xứng, kéo dải mây đối lưu sâu và tỉ số xáo trộn nước mưa bề mặt tập trung lệch hẳn về phía bắc và tây bắc của tâm bão.

5. Hai trường hợp bão điển hình nào được phân tích chi tiết trong Chương 3 để minh chứng cho tác động của không khí lạnh và địa hình?
Luận án lựa chọn phân tích chi tiết trường hợp bão Damrey năm 2017 (thời điểm từ 00Z ngày 03/11/2017 đến lúc đổ bộ 00Z ngày 04/11/2017) và bão Mujigae năm 2015 (chuỗi thời điểm 12Z ngày 03/10 đến 06Z ngày 04/10/2015) qua các mặt cắt thẳng đứng đông - tây, nam - bắc của trường gió, tỉ số xáo trộn ngưng kết và bản đồ độ phản hồi vô tuyến.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Bình Phong là công trình chuyên khảo thuộc chuyên ngành Khí tượng và Khí hậu học, tập trung giải quyết bài toán tương tác giữa hoàn lưu bão với địa hình duyên hải Việt Nam và không khí lạnh trên Biển Đông giai đoạn 2014–2018. Thông qua phương pháp ban đầu hóa xoáy động lực học trên mô hình WRF kết hợp 228 thí nghiệm mô phỏng số trị, luận án đã làm rõ cơ chế biến đổi từ cấu trúc đối xứng sang bất đối xứng của trường gió, trường mây, phân bố lượng mưa và sự lệch hướng quỹ đạo khi bão đổ bộ. Các kết quả nghiên cứu cung cấp luận cứ khoa học tin cậy góp phần nâng cao chất lượng dự báo bão nghiệp vụ và hỗ trợ công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỊA HÌNH, KHÔNG KHÍ LẠNH ĐẾN CẤU TRÚC BÃO 1.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ BÃO 1.1 Khái niệm Xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) là tên gọi chung được dùng để chỉ bão và áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) XTNĐ là một vùng gió xoáy có đường kính lớn tới hàng trăm ki- lô-mét, hình thành trên vùng biển nhiệt đới. Ở Bắc bán cầu, gió thổi xoáy vào tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, ngược lại ở Nam bán cầu gió xoáy vào tâm theo hướng cùng chiều kim đồng hồ, áp suất khí quyển trong XTNĐ thấp hơn xung quanh, có mưa, đôi khi kèm theo dông, tố, lốc [44]. Tùy theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm mà XTNĐ được phân chia thành ATNĐ hay bão. Áp suất khí quyển trong bão thấp hơn so với ATNĐ và thường thấp hơn 1000mb.

Bão là một XTNĐ có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có thể có gió giật. Bão có sức gió mạnh nhất từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh, từ cấp 12 đến cấp 15 gọi là bão rất mạnh, từ cấp 16 trở lên gọi là siêu bão [44].2 Phân loại Theo quyết định số 44/2014/QĐ - TTg ngày 15 tháng 8 năm 2014 của Thủ tướng chính phủ Quy định về dự báo, cảnh báo và truyền tin thiên tai, dựa vào tốc độ gió mạnh nhất vùng gần trung tâm mà XTNĐ còn được chia ra thành 5 cấp bao gồm: ATNĐ, bão, bão mạnh, bão rất mạnh và siêu bão (Bảng 1.1: Phân loại XTNĐ dựa theo tốc độ gió mạnh nhất vùng gần trung tâm [44]. Cấp gió Tốc độ gió Cấp XTNĐ (beaufort) m/s km/h Kts Áp thấp nhiệt đới 6 - 7 10,8 - 17,1 39 - 61 21,1 - 32,9 (Tropical Depression - TD) Bão 8-9 17,2 - 24,4 62 - 88 33,0 - 47,5 (Tropical Storm - TS) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Rõ ràng thời đoạn lấy gió cực đại càng ngắn khả năng đạt tốc độ gió với đại lượng lớn càng lớn.

Chính vì thế thông tin bão truyền từ các trung tâm dự báo thời tiết về thời điểm chuyển từ ATNĐ sang bão, tốc độ gió lớn nhất cũng khác nhau. Điều đó dẫn đến việc xác định tần số cũng như cường độ của XTNĐ cũng khác nhau.3 Những điều kiện hình thành Riehl (1948a,b) và Palmén (1948) [123, 124, 121] tổng hợp các điều kiện cơ bản cho sự hình thành bão bao gồm: a. Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ bề mặt biển cao (từ 26-27ºC trở lên) bảo đảm nước bốc hơi mạnh, cung cấp năng lượng ngưng kết lớn cho hệ thống bão. Thông số Coriolis có giá trị đủ lớn để tạo xoáy.

Bão thường hình thành trong giới hạn bởi vĩ độ 5-20º hai bên xích đạo. Trong phạm vi 5ºS-5ºN, nơi có lực Coriolis quá nhỏ, không thể cân bằng với lực gradient khí áp của các vùng áp thấp để tạo ra chuyển động xoáy thuận. Dòng cơ bản có độ đứt gió thẳng đứng nhỏ, bảo đảm sự tập trung của dòng ẩm vào khu vực bão trong thời gian đầu của sự hình thành bão. Nếu độ đứt thẳng đứng của gió lớn sẽ ngăn cản sự phát triển của xoáy thuận.

Ở trên cao, trường khí áp phải phân kỳ để đảm bảo sự giải tỏa khối lượng không khí hội tụ ở mặt đất và duy trì bão. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Ở mặt đất phải có những nhiễu động áp thấp ban đầu. Kết quả thống kê cho thấy có đến 80% các cơn bão có liên quan với ITCZ.

Năm nào ITCZ ít hoạt động thì bão cũng ít. Năm 1967, Gray [58, 69] đã xác định sáu yếu tố môi trường thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của XTNĐ. Ba nhân tố động lực là khu vực hình thành mà ở đó các tham số Coriolis đủ nhỏ, xoáy tầng thấp (850 hPa) lớn hơn trung bình, độ đứt gió thẳng đứng nhỏ trên khu vực trung tâm XTNĐ. Ba nhân tố nhiệt động lực học là nhiệt độ bề mặt nước biển ấm 26°C đến độ sâu 60m, sự bất ổn định của ẩm từ mực thấp đến giữa tầng đối lưu (500 hPa) và có một lớp bất ổn định có điều kiện trong khí quyển.2 TỔNG QUAN CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRÊN THẾ GIỚI 1.1 Các công trình nghiên cứu về cấu trúc bão Trong giai đoạn trước năm 1970, việc nghiên cứu bão chủ yếu tập trung vào đo đạc, mô tả đặc điểm về khu vực hình thành, quỹ đạo, đặc điểm của trường khí tượng bề mặt và sự thay đổi theo mùa của bão nhiệt đới.

Trong giai đoạn này các thiết bị trên tầu biển, thiết bị giám sát trên máy bay quân sự và các thiết bị đo thám sát trên cao như radar, bóng thám không đã cung cấp một tập số liệu nhất định về các trường khí tượng trong bão. Trên cơ sở bộ số liệu có được, các nhà nghiên cứu đã công bố những kết quả nghiên cứu cơ bản ban đầu về cấu trúc bão. Vào tháng 7 năm 1943, hai phi công Joseph B. Duckworth và Ralph O’Hair đã sử dụng máy bay huấn luyện AT-6 xâm nhập vào mắt bão [160].

Đây là lần đầu tiên con người thực hiện các phép đo trực tiếp vào bên trong bão để nghiên cứu cấu trúc của các trường khí tượng trong bão. Đến cuối những năm 1940, việc theo dõi các cơn bão từ trên cao đã trở thành công việc hàng ngày và khởi đầu cho một kỉ nguyên của các phép đo trực tiếp về cấu trúc của bão nhiệt đới. Trước thời điểm này cũng có một số ít phép đo được thực hiện với các cơn bão đi qua các tàu, đảo hoặc vùng ven biển. Các phép đo trực tiếp giúp các nhà nghiên cứu thiết lập được cấu trúc cơ bản của bão nhiệt đới như cấu trúc của trường gió, mưa và khí áp tại bề mặt, tuy nhiên cấu trúc ba chiều của bão vẫn là một vấn đề chưa được nghiên cứu nhiều do trong thời kỳ này bộ số liệu quan trắc còn chưa đầy đủ.

LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Năm 1944 phép đo bằng radar đầu tiên được thực hiện bởi tầu khu trục USS Warrington của Mỹ đối với cơn bão Cobra. Hình ảnh radar cho thấy rõ mắt bão, tường mây quanh mắt bão và các dải mây mưa (Hình 1.1: Ảnh radar của bão Corba từ tầu khu trục USS Warrington của Mỹ (Nguồn: thư viện ảnh của NOAA [156]). Những năm sau đó, trung tâm dự báo nghiệp vụ về bão JTWC (Join Typhoon Warning Center) tiếp tục mở rộng việc theo dõi, quan trắc các cơn bão và tạo ra bộ nhiều bộ số liệu giúp các nhà khoa học có điều kiện nghiên cứu chuyên sâu về bão nói chung và cấu trúc bão nói riêng. Trong đó phải kể tới Herbert Riehl (Riehl, 1950,1954) [125, 126] trong công trình “Mô hình về sự hình thành của bão nhiệt đới” đã chỉ ra vai trò của sự trao đổi nhiệt của đại dương trong sự hình thành của bão nhiệt đới, tác giả nhận ra rằng bão sẽ thay đổi cấu trúc về dòng giáng khi không khí đủ nhiệt, ẩm và dòng tiềm nhiệt trao đổi từ bề mặt.

Tuy nhiên tác giả chưa định lượng hóa mối quan hệ này với tốc độ gió cực đại và khí áp tại tâm bão. Nhà khoa học người Đức Ernst Kleinschmidt (1951) [94] là người đầu tiên phát hiện ra công thức biểu diễn tốc độ gió cực đại là một hàm của năng lượng nhiệt và ông cho rằng “năng lượng nhiệt của đại dương là nguồn nhiệt cơ bản để duy trì bão nhiệt đới”, mối liên hệ này được biểu diễn bởi công thức: 2 𝑞2 𝑉 = 2𝐸 1 − 𝑞2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 8 Trong đó V (m/s) là vận tốc gió cực đại, E (m2/s2) là năng lượng nhiệt của đại dương tính cho 1 đơn vị khối lượng, q là hệ số. Trong công thức trên Kleinschmidt bỏ qua ảnh hưởng của lớp biên với giả thiết năng lượng ẩm từ bề mặt bằng hằng số. Cũng trong giai đoạn này, Erik Palmén trong bài báo “Sự hình thành và cấu trúc của bão nhiệt đới” (Palmén (1948) [121] đã chỉ ra năng lượng của bão phát sinh từ quá trình bất ổn định có điều kiện của khí quyển.

Ông là người đầu tiên chỉ ra cấu trúc mặt cắt thẳng đứng của bão (Hình 1.2) dựa vào chuỗi số liệu thám sát mắt bão năm 1944.2: Mặt cắt thẳng đứng của bão. Trục hoành biểu diễn khoảng cách theo phương ngang tính từ tâm bão (km), đường thẳng liền nét nằm song song biểu diễn các đường đẳng áp (mb), đường cong liền nét biểu diễn các đường đẳng nhiệt độ thế vị (K), đường nét đứt biểu diễn nhiệt độ không khí (oC) (Nguồn: Palmén,1948 [121]). Sau này, Riehl và Malkus công bố hai bài báo nổi tiếng (Malkus và Riehl (1960) và Riehl (1963b)) [111,128] mô tả các phương trình động lực đối với khí quyển thủy tĩnh biểu diễn mối liên hệ giữa các yếu tố khí tượng trong các cơn bão ở trạng thái dừng. Đây là các công trình đánh dấu giai đoạn ban đầu nghiên cứu về cấu LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 9 trúc và năng lượng của bão nhiệt đới và có ý nghĩa nền tảng quan trọng đối với các nghiên cứu về cấu trúc, năng lượng bão trong giai đoạn tiếp theo.

Từ những năm 1950 đến những năm 1960, với sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là khoa học máy tính, vệ tinh và radar, các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu mô hình số để dự báo sự di chuyển của bão cũng như nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc các trường khí tượng trong bão. Charney và cs (1950) [53] đã xây dựng mô hình xoáy chính áp để dự báo bão nhiệt đới, tuy nhiên do năng lực hạn chế của máy tính thời điểm đó, hệ thống chỉ tích phân được mô hình với độ phân giải khoảng 300km. Để khắc phục hạn chế của máy tính, các nhà nghiên cứu thực hiện tách xoáy sau đó sử dụng phương trình xoáy chính áp để dự báo bão. Sasaki và Miyakoda (1954) [134] đã chỉ ra có thể tăng độ phân giải của mô hình bằng cách tính xu thế xoáy từ phương trình xoáy sau đó lấy xu thế xoáy tính được cộng với trường ban đầu để dự báo bão.

Cuối những năm 1950, Banner Miller (1958) [113] công bố lý thuyết về khí áp cực tiểu của bão. Miller đã tính profile của nhiệt độ theo phương thẳng đứng trong mắt bão, sau đó tính khí áp tại tâm bão bằng phương trình thủy tĩnh. Phép tính có độ chính xác cao với giá trị khí áp đo được tại tâm bão.