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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.