Nghiên Cứu Sự Di Chuyển Của Xoáy Thuận Nhiệt Đới Bằng Mô Hình Mô Phỏng

Luận án tiến sĩ khí tượng học nghiên cứu sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới trong vùng biển Đông bằng mô hình mô phỏng hiện đại.

• Tác giả: Lê Công Thành
• Người hướng dẫn: Kiều Thị Xin
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
• Đề tài: Nghiên Cứu Di Chuyển Xoáy Thuận Nhiệt Đới Bằng Mô Hình Mô Phỏng
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 1.1. NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU ỨNG CHÍNH ÁP LÊN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 1.2. NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU ỨNG PHI CHÍNH ÁP LÊN CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 1.3. DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƯỜNG ĐỘ CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI BẰNG MÔ HÌNH THUỶ ĐỘNG LỰC
• 1.3.1. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI MÔ HÌNH
• 1.3.2. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU NHẰM TĂNG ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CÁC MÔ HÌNH DỰ BÁO XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 1.4. ĐẶC ĐIỂM CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH SỐ Ở VIỆT NAM
• 1.4.1. ĐẶC ĐIỂM HOẠT ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG
• 1.4.2. NHỮNG NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ MÔ HÌNH DỰ BÃO SỐ Ở VIỆT NAM
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH SỐ MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
• 2.1. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH CHÍNH ÁP
• 2.2. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG
• 2.2.1. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG HAI CHIỀU TỔNG QUÁT
• 2.2.2. MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG HAI CHIỀU CỦA KRISHNAMURTI
• 2.2.3. MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG HAI CHIỀU WBAR
• 2.2.4. ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG NHIỀU LỚP KHÍ QUYỂN
• 2.2.4.1. HỆ PHƯƠNG TRÌNH MÔ HÌNH BA LỚP TỔNG QUÁT
• 2.2.4.2. MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG BA LỚP DENGLER
• 2.3. MÔ HÌNH THUỶ ĐỘNG KHU VỰC PHÂN GIẢI CAO (HRM)
• 2.3.1. KHÁI QUÁT VỀ HRM
• 2.3.2. HỆ PHƯƠNG TRÌNH
• 2.3.3. ĐIỀU KIỆN BIÊN VÀ BAN ĐẦU HOÁ
• 2.3.4. THAM SỐ HOÁ VẬT LÝ
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Di Chuyển Xoáy Thuận Nhiệt Đới

Nghiên cứu về di chuyển xoáy thuận nhiệt đới là một lĩnh vực quan trọng trong khí tượng học, đặc biệt ở các khu vực chịu nhiều ảnh hưởng của bão. Các nghiên cứu này tập trung vào việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo và cường độ của xoáy thuận, từ đó cải thiện khả năng dự báo di chuyển xoáy thuận. Việc dự báo chính xác có ý nghĩa sống còn trong việc giảm thiểu thiệt hại về người và của. Các phương pháp dự báo truyền thống, dựa trên phân tích synop và thống kê, dần được thay thế bằng các mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới phức tạp hơn. Sự phát triển của công nghệ thông tin và hợp tác quốc tế đã thúc đẩy việc ứng dụng các mô hình số vào nghiên cứu và dự báo bão ở Việt Nam. Nghiên cứu này nhằm mục đích nâng cao chất lượng dự báo xoáy thuận nhiệt đới trên Biển Đông, phục vụ công tác phòng chống thiên tai hiệu quả.

1.1. Tầm quan trọng của dự báo chính xác quỹ đạo bão

Dự báo chính xác quỹ đạo bão đóng vai trò then chốt trong công tác phòng chống thiên tai. Thông tin về vị trí, thời gian đổ bộ và cường độ bão giúp các cơ quan chức năng và người dân chủ động ứng phó, sơ tán, bảo vệ tài sản. Sai sót trong dự báo có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng. Do đó, việc liên tục cải tiến và nâng cao độ chính xác của mô hình dự báo thời tiết, đặc biệt là dự báo bão, là vô cùng cần thiết.

1.2. Sự phát triển của các phương pháp dự báo xoáy thuận

Phương pháp dự báo bão đã trải qua quá trình phát triển từ các phương pháp thủ công dựa trên kinh nghiệm và quan sát synop đến các phương pháp hiện đại sử dụng mô hình mô phỏng số. Các mô hình thủy động lực ngày càng phức tạp, tích hợp nhiều yếu tố khí quyển và đại dương, cho phép mô phỏng quá trình hình thành, phát triển và di chuyển của xoáy thuận một cách chi tiết hơn. Việc so sánh kết quả dự báo từ nhiều mô hình mô phỏng khác nhau giúp đánh giá độ tin cậy và đưa ra dự báo cuối cùng chính xác hơn.

II. Thách Thức Dự Báo Di Chuyển Xoáy Thuận Nhiệt Đới

Dự báo di chuyển xoáy thuận nhiệt đới là một bài toán phức tạp do sự tương tác của nhiều yếu tố khí quyển và đại dương. Các yếu tố như tương tác xoáy thuận nhiệt đới, địa hình, dòng chảy khí quyển, nhiệt độ mặt nước biển (SST) và tác động của biến đổi khí hậu lên xoáy thuận đều ảnh hưởng đến quỹ đạo và cường độ của bão. Sự thiếu hụt dữ liệu quan trắc, đặc biệt ở các khu vực xa bờ, cũng là một thách thức lớn. Các mô hình dự báo thời tiết cần được liên tục cải tiến để có thể mô phỏng chính xác các quá trình vật lý phức tạp và đưa ra dự báo đáng tin cậy. Theo nghiên cứu của Lê Công Thành năm 2005, một số mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới còn tồn tại những hạn chế nhất định.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến quỹ đạo xoáy thuận

Nhiều yếu tố cùng tác động đến quỹ đạo của xoáy thuận nhiệt đới, bao gồm dòng dẫn (steering flow) của khí quyển, hiệu ứng Beta, tương tác với các hệ thống thời tiết khác và địa hình. Dòng dẫn là dòng chảy quy mô lớn trong khí quyển có xu hướng "dẫn dắt" xoáy thuận di chuyển theo hướng của nó. Hiệu ứng Beta, do sự thay đổi của lực Coriolis theo vĩ độ, có xu hướng đẩy xoáy thuận về phía tây bắc ở Bắc bán cầu. Tương tác với các hệ thống thời tiết khác có thể làm thay đổi đáng kể quỹ đạo của xoáy thuận.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập và xử lý dữ liệu

Việc thu thập đầy đủ và chính xác dữ liệu quan trắc là vô cùng quan trọng để mô hình dự báo có thể hoạt động hiệu quả. Tuy nhiên, việc thu thập dữ liệu về xoáy thuận nhiệt đới gặp nhiều khó khăn do điều kiện thời tiết khắc nghiệt và vị trí xa bờ. Các phương tiện quan trắc như tàu, phao, máy bay và dữ liệu vệ tinh xoáy thuận đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cần thiết. Việc xử lý và đồng hóa dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau cũng là một thách thức lớn.

III. Mô Hình Mô Phỏng Số Phương Pháp Nghiên Cứu Hiệu Quả

Mô hình mô phỏng số xoáy thuận nhiệt đới là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu và dự báo di chuyển xoáy thuận. Các mô hình này sử dụng các phương trình toán học để mô phỏng các quá trình vật lý trong khí quyển và đại dương. Có nhiều loại mô hình mô phỏng, từ các mô hình đơn giản như mô hình nước nông đến các mô hình phức tạp như mô hình WRF và mô hình HWRF. Việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu, dữ liệu đầu vào và khả năng tính toán. Các mô hình mô phỏng cần được kiểm định và hiệu chỉnh thường xuyên để đảm bảo độ chính xác.

3.1. Ưu điểm của mô hình số so với phương pháp truyền thống

Mô hình số có nhiều ưu điểm so với phương pháp dự báo truyền thống. Chúng có thể xử lý lượng lớn dữ liệu, mô phỏng các quá trình vật lý phức tạp và đưa ra dự báo chi tiết về quỹ đạo, cường độ và cấu trúc của xoáy thuận. Mô hình số cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến di chuyển xoáy thuận, điều mà các phương pháp truyền thống không thể làm được.

3.2. Các loại mô hình mô phỏng xoáy thuận phổ biến

Một số mô hình mô phỏng xoáy thuận phổ biến bao gồm mô hình WRF, mô hình HWRF và mô hình COAMPS-TC. Mô hình WRF (Weather Research and Forecasting Model) là một mô hình dự báo thời tiết linh hoạt, có thể được sử dụng cho cả mục đích nghiên cứu và nghiệp vụ. Mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) là một mô hình chuyên dụng để dự báo bão, được phát triển bởi NOAA (Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia Hoa Kỳ). Mô hình COAMPS-TC (Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System for Tropical Cyclones) là một mô hình kết hợp giữa khí quyển và đại dương, cho phép mô phỏng sự tương tác giữa xoáy thuận và đại dương.

IV. Phân Tích Ảnh Hưởng Của Các Yếu Tố Đến Di Chuyển

Nghiên cứu di chuyển xoáy thuận nhiệt đới bằng mô hình mô phỏng cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau. Ví dụ, có thể sử dụng mô hình để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tần suất và cường độ của bão, hoặc để nghiên cứu ảnh hưởng của địa hình ven biển đến quỹ đạo của bão. Việc hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến di chuyển xoáy thuận là cơ sở để cải thiện độ chính xác mô hình mô phỏng và đưa ra dự báo tốt hơn. Các nghiên cứu cũng tập trung vào việc cải tiến các mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới.

4.1. Nghiên cứu tác động của biến đổi khí hậu lên xoáy thuận

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi các điều kiện khí quyển và đại dương, có thể ảnh hưởng đến xoáy thuận. Các nghiên cứu sử dụng mô hình mô phỏng để dự đoán sự thay đổi về tần suất, cường độ và quỹ đạo của bão trong tương lai. Một số nghiên cứu cho thấy rằng biến đổi khí hậu có thể làm tăng cường độ của bão và mở rộng khu vực chịu ảnh hưởng của bão.

4.2. Vai trò của tương tác giữa xoáy thuận và đại dương

Sự tương tác giữa xoáy thuận và đại dương đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh cường độ và quỹ đạo của bão. Xoáy thuận có thể làm lạnh mặt nước biển, làm giảm năng lượng cung cấp cho bão. Ngược lại, đại dương ấm áp có thể cung cấp thêm năng lượng cho bão, làm tăng cường độ của bão. Các mô hình kết hợp giữa khí quyển và đại dương giúp mô phỏng chính xác hơn sự tương tác này.

V. Ứng Dụng Mô Hình Dự Báo Quỹ Đạo Xoáy Thuận Biển Đông

Các mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới được ứng dụng rộng rãi trong công tác dự báo bão ở Biển Đông. Các trung tâm dự báo khí tượng thủy văn sử dụng các mô hình này để cung cấp thông tin về vị trí, thời gian đổ bộ và cường độ bão cho các cơ quan chức năng và người dân. Việc so sánh kết quả dự báo từ nhiều mô hình khác nhau giúp đánh giá độ tin cậy và đưa ra dự báo cuối cùng. Các kết quả dự báo được sử dụng để lập kế hoạch ứng phó và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra. Một số nghiên cứu còn tập trung vào việc dự báo di chuyển xoáy thuận chi tiết.

5.1. Các trung tâm dự báo sử dụng mô hình nào

Các trung tâm dự báo khí tượng thủy văn, như Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, sử dụng nhiều mô hình dự báo thời tiết khác nhau, bao gồm cả mô hình toàn cầu và mô hình khu vực. Các mô hình này được chạy thường xuyên để cung cấp thông tin dự báo về các hiện tượng thời tiết, bao gồm cả xoáy thuận.

5.2. Ví dụ về dự báo bão sử dụng mô hình số

Khi có bão hình thành trên Biển Đông, các trung tâm dự báo sẽ sử dụng mô hình số để dự báo quỹ đạo, cường độ và thời gian đổ bộ của bão. Thông tin này được công bố rộng rãi trên các phương tiện truyền thông để người dân và các cơ quan chức năng có thể chủ động ứng phó. Ví dụ, dự báo về cường độ xoáy thuận và quỹ đạo xoáy thuận sẽ được cung cấp.

VI. Đánh Giá Và Tương Lai Nghiên Cứu Di Chuyển Xoáy Thuận

Việc đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới là rất quan trọng để cải thiện khả năng dự báo. Các phương pháp đánh giá bao gồm so sánh kết quả dự báo với dữ liệu quan trắc thực tế và phân tích sai số. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải tiến các mô hình, đồng hóa dữ liệu hiệu quả hơn và nghiên cứu sâu hơn về các quá trình vật lý trong xoáy thuận. Việc kết hợp mô hình dự báo thời tiết với các công nghệ mới, như trí tuệ nhân tạo (AI), có thể mang lại những bước tiến đột phá trong dự báo bão. Cần tiếp tục nghiên cứu phương pháp nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới và dự báo di chuyển xoáy thuận.

6.1. Phương pháp đánh giá độ chính xác của mô hình

Độ chính xác của mô hình dự báo thường được đánh giá bằng cách so sánh kết quả dự báo với dữ liệu quan trắc thực tế. Các chỉ số thống kê như sai số trung bình, độ lệch chuẩn và hệ số tương quan được sử dụng để định lượng sự khác biệt giữa dự báo và thực tế. Việc phân tích sai số giúp xác định các điểm yếu của mô hình và đề xuất các giải pháp cải tiến.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Các hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai bao gồm cải tiến các mô hình mô phỏng xoáy thuận nhiệt đới, đồng hóa dữ liệu hiệu quả hơn, nghiên cứu sâu hơn về các quá trình vật lý trong xoáy thuận và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) vào dự báo bão. Việc kết hợp các nguồn dữ liệu khác nhau và phát triển các mô hình đa quy mô cũng là những hướng đi đầy hứa hẹn.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Dự báo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như bão, áp thấp nhiệt đới (gọi chung là xoáy thuận nhiệt đới - XTNĐ), mưa lớn và lũ lụt là nhiệm vụ cấp bách nhằm giảm nhẹ thiệt hại thiên tai tại Việt Nam. Các giai đoạn thiên tai nghiêm trọng trong giai đoạn 1996–2000 (như lũ lụt lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình năm 1996, bão số 5 Linda đổ bộ Cà Mau năm 1997, chuỗi bão vào Nam Trung Bộ năm 1998) đặt ra yêu cầu nâng cao năng lực dự báo bão.

Trước đây, công tác dự báo bão nghiệp vụ tại Việt Nam chủ yếu dựa vào phương pháp synốp và vật lý thống kê. Các phương pháp truyền thống này bộc lộ hạn chế khi bão có diễn biến phức tạp về cường độ và quỹ đạo di chuyển. Sự phát triển của công nghệ thông tin và phương pháp dự báo số trị mở ra hướng tiếp cận mới. Tuy nhiên, việc áp dụng các mô hình số vào dự báo bão tại khu vực Biển Đông đòi hỏi phải hiểu rõ cơ sở động lực học, khả năng dự báo của từng loại mô hình (từ đơn giản đến phức tạp) và tiến hành cải tiến thích ứng với điều kiện thám sát thực tế tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận án được xác định theo 3 nội dung chính:

1. Nghiên cứu, cập nhật hệ thống các mô hình mô phỏng chuyển động của XTNĐ (cả chính áp và phi chính áp, từ mô hình đơn giản đến mô hình phức tạp) từ cơ sở lý thuyết, cấu trúc thuật toán trên máy tính, cài đặt và vận hành thử nghiệm.
2. Nghiên cứu cải tiến các mô hình được lựa chọn, trọng tâm là phát triển mô hình nước nông ba lớp (D95) từ dạng mô hình mô phỏng thành mô hình dự báo quỹ đạo bão thích ứng với điều kiện số liệu khí tượng hiện có tại Việt Nam.
3. Thử nghiệm dự báo đồng bộ bằng các mô hình trên khu vực Biển Đông qua các mùa bão 2002, 2003 và 2004; so sánh kết quả giữa các mô hình với nhau và với phương pháp chuẩn thống kê nhằm xác định ưu điểm, nhược điểm và đánh giá khả năng đưa vào dự báo nghiệp vụ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Ba loại mô hình số đại diện cho ba cấp độ phức tạp động lực học: mô hình chính áp nước nông hai chiều (WBAR), mô hình nước nông ba lớp (D95) và mô hình khu vực sử dụng hệ phương trình nguyên thủy đầy đủ (HRM). Phương pháp quán tính khí hậu CLIPER được sử dụng làm chuẩn đánh giá kỹ năng dự báo.
• Phạm vi không gian: Khu vực Biển Đông và vùng lân cận (tập trung vào các cơn bão hoạt động trong tọa độ Biển Đông, bao gồm bão có nguồn gốc nội tại và bão di chuyển từ Tây Bắc Thái Bình Dương sang).
• Phạm vi thời gian: Số liệu thực nghiệm tính toán cho các cơn bão hoạt động trong 3 mùa bão từ năm 2002 đến năm 2004; số liệu thống kê khí hậu bão 40 năm giai đoạn 1961–2000; số liệu best-track 10 năm giai đoạn 1991–2000 của JTWC để xây dựng phương trình hồi quy CLIPER.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu lý thuyết và mô hình số trên thế giới

Luận án hệ thống hóa các mốc phát triển lý thuyết về chuyển động của XTNĐ qua hai nhóm hiệu ứng chính:

• Nghiên cứu về hiệu ứng chính áp:

  • Ooyama (1982): Tổng quan quá trình phát triển lý thuyết và mô hình hóa XTNĐ trong hai thập kỷ 1960 và 1970.
  • Holland (1983, 1985) và DeMaria (1985, 1987): Sử dụng phương trình xoáy chính áp không phân kỳ giải bằng phương pháp phổ trên mặt phẳng $\beta$ để chứng minh gradient xoáy tuyệt đối của dòng dẫn gây ra xoáy phi đối xứng, trôi cùng dòng dẫn và làm lệch quỹ đạo.
  • Fiorino và Elsberry (1989): Phân tích sự lan truyền hiệu ứng $\beta$ (BEP - Beta-effect Propagation), giải thích xoáy bão trôi về phía tây bắc với tốc độ 1–3 m/s do bình lưu phi tuyến và sự xuất hiện của cấu trúc xoắn $\beta$ (số sóng phương vị 1).
  • Smith, Ulrich và Dietachmayer (1990): Phát triển kỹ thuật tách dòng giữa xoáy và môi trường theo Kasahara và Platzman (1963) để phân tích sự phát triển của tính phi đối xứng.
  • Smith và Ulrich (1991), Smith và Weber (1992, 1993), Smith (1993): Xây dựng lý thuyết giải tích gần đúng mô tả chuyển động xoáy trong dòng đứt vĩ hướng và thiết lập công thức tính tốc độ BEP theo cấu trúc gió ngoài.
  • Carr và Elsberry (1997): Xây dựng mô hình phân bố gió tiếp tuyến dựa trên sự bảo toàn mômen góc trong lớp 850–500 hPa với hai tham số điều chỉnh ($f_0$ và bán kính gió zero $R_0$).
  • Weber và cộng sự (2001): Phát triển mô hình chính áp nước nông WBAR trên cơ sở kế thừa mô hình VICBAR của DeMaria (1989).

• Nghiên cứu về hiệu ứng phi chính áp:

  • Ngan và Chang (1995): Phân tích thử nghiệm TCM-90 và chỉ ra rằng cơ chế dòng dẫn chính áp chỉ giải thích được 70% trường hợp, 30% còn lại chịu sự chi phối của các quá trình phi chính áp.
  • Anthes (1971): Phát triển mô hình phi đối xứng trong tọa độ nhiệt thế, chứng minh tác động của đốt nóng phi đoạn nhiệt trong bán kính 100 km đến vận tốc gió cực đại.
  • Wu và Wang (2000), Chan, Ko và Lei (2002): Khảo sát xu thế xoáy thế (PV - Potential Vorticity) và khẳng định chuyển động bão phụ thuộc vào sự kết hợp giữa bình lưu ngang của PV và nguồn nhiệt phi đoạn nhiệt.
  • Wu và Emanuel (1993, 1994), Shapiro (1992), Jones (1995): Nghiên cứu tương tác giữa xoáy nghịch trên cao và độ đứt gió thẳng đứng; khẳng định độ đứt gió lớn làm nghiêng trục xoáy và biến đổi hướng di chuyển.
  • Ooyama (1969), Raymond (1994), Emanuel và Raymond (1993): Đặt nền tảng cho cơ chế kích động đối lưu nhiệt sâu (lý thuyết CISK) và các sơ đồ tham số hóa đối lưu trong tầng đối lưu nhiệt đới.
  • Dengler và Reeder (1995), Dengler (1995, 1997): Ứng dụng mô hình nước nông 3 lớp nghiên cứu ảnh hưởng của đối lưu, độ đứt gió thẳng đứng, ma sát bề mặt đất liền và biến đổi nhiệt độ mặt nước biển (SST) tới sự lệch quỹ đạo bão khi đổ bộ.

• Nghiên cứu nguyên nhân sai số dự báo:

  • Carr và Elsberry (2000, Part I & II): Đánh giá sai số lớn (>550 km ở hạn 72h) của các mô hình NOGAPS và GFDL tại Tây Bắc Thái Bình Dương năm 1997 do tương tác đa xoáy và hoàn lưu vĩ độ trung bình.
  • Reeder (1991), Weber và Smith (1995): Đề xuất kỹ thuật cài xoáy nhân tạo ("bogus") để xử lý tình trạng khan hiếm số liệu quan trắc trên đại dương nhiệt đới.

Các nghiên cứu mô hình số trị tại Việt Nam

Luận án điểm lại các công trình nghiên cứu ứng dụng mô hình số trong nước:

• Kiều Thị Xin và cộng sự (2001, 2002): Ứng dụng mô hình khu vực phân giải cao HRM (chuyển giao từ Cơ quan Thời tiết CHLB Đức - DWD) tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương.
• Dương Hồng Sơn và cộng sự (2002), Hoàng Đức Cường (2004): Nghiên cứu ứng dụng mô hình MM5 thế hệ thứ 5 của NCAR/PSU.
• Phan Văn Tân, Kiều Thị Xin, Bùi Hoàng Hải, Nguyễn Văn Sáng (2002, 2003, 2004): Nghiên cứu mô hình chính áp WBAR, kỹ thuật ban đầu hóa xoáy và cài xoáy ba chiều cho mô hình bão.
• Trần Tân Tiến và cộng sự (2004), Đỗ Ngọc Thắng, Vũ Duy Tiến (2003): Nghiên cứu mô hình phi thủy tĩnh ETA và mô hình RAMS trong dự báo mưa lớn và quỹ đạo bão.
• Nguyễn Chi Mai và cộng sự (2004): Thử nghiệm phương pháp dự báo tổ hợp (DBTH) từ sản phẩm của các trung tâm quốc tế.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết

Mặc dù nhiều mô hình số trị đã được tiếp cận ở Việt Nam, việc so sánh song song, đánh giá tường minh ưu nhược điểm động lực học của từng cấp độ mô hình (từ chính áp WBAR, nước nông ba lớp D95 đến nguyên thủy HRM) trên cùng một tập số liệu thực nghiệm bão Biển Đông trong nhiều mùa bão liên tiếp vẫn chưa được thực hiện hoàn chỉnh. Đặc biệt, mô hình nước nông 3 lớp D95 vốn chỉ là mô hình nghiên cứu mô phỏng lý thuyết chưa được chuyển đổi thành một công cụ dự báo quỹ đạo bão nghiệp vụ với số liệu khí quyển thực tế.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình động lực học

Luận án xây dựng cơ sở động lực học dựa trên 3 cấu trúc mô hình:

[Mô hình chính áp 2D: WBAR] ---> [Mô hình nước nông 3 lớp: D95] ---> [Mô hình nguyên thủy: HRM]
(1 lớp trung bình, dòng dẫn)     (3 lớp: biên, giữa, trên cao)     (Đa tầng, vật lý đầy đủ)

1. Mô hình chính áp nước nông hai chiều (WBAR):

   • Dựa trên hệ phương trình nước nông 2 chiều giải trên lưới tích phân với phép lấy trung bình theo phương thẳng đứng.
   • Xoáy bão ban đầu được cài đặt vào trường dòng dẫn môi trường. Luận án khảo sát 4 mực dòng dẫn: mực 700 hPa (W7), mực 500 hPa (W5), lớp trung bình sâu DLM 850–300 hPa (WD), và lớp trung bình nông SLM 850–500 hPa (WS).
   • Thử nghiệm 9 sơ đồ cài xoáy nhân tạo đối xứng (ký hiệu từ WI1 đến WI9) để khảo sát độ nhạy của trường ban đầu.

2. Mô hình nước nông ba lớp (D95):

   • Mô phỏng khí quyển gồm 3 lớp chất lỏng đồng nhất không nén được xếp chồng lên nhau:
     • Lớp dưới cùng (lớp 1): Đại diện cho lớp biên khí quyển, mô tả dòng thổi vào hội tụ do ma sát bề mặt.
     • Lớp giữa (lớp 2): Đại diện cho tầng đối lưu giữa, mô tả chuyển động thăng đứng trong thành mắt bão.
     • Lớp trên cùng (lớp 3): Đại diện cho tầng đối lưu trên, mô tả dòng thổi ra phân kỳ xoáy nghịch.
   • Lưới tính toán sử dụng sơ đồ lưới Arakawa-C.
   • Tham số hóa đối lưu sâu và trao đổi khối lượng/động lượng giữa các lớp được khảo sát qua 3 phương án: C0 (không có đối lưu), C1 (sơ đồ của Dengler và CS 1988), C2 (sơ đồ của Shapiro 1992).
   • Khảo sát 5 phương án phân tầng khí áp tiêu biểu: T1 (850–500–300 hPa), T2 (850–DLM–300 hPa), T3 (850–700–300 hPa), T4 (850–700–500 hPa), T5 (850–SLM–300 hPa).

3. Mô hình khu vực phân giải cao (HRM - High-resolution Regional Model):

   • Sử dụng hệ phương trình nguyên thủy thủy tĩnh hoàn chỉnh trong hệ tọa độ lai theo áp suất ($\sigma$-$p$).
   • Bao gồm đầy đủ các gói tham số hóa vật lý: đối lưu cumulus sâu và nông (sơ đồ Tiedtke), trao đổi bức xạ (sơ đồ Slingo/Ritter-Geleyn), rối lớp biên và tương tác bề mặt đại dương (SST).
   • Các phiên bản thử nghiệm: H28 (lưới ngang 28 km), H14 (lưới ngang 14 km), HRS (miền tính nhỏ), HJG (điều kiện ban đầu JMA, điều kiện biên GME), HRJ (cả biên và ban đầu đều từ JMA).

4. Phương pháp chuẩn quán tính khí hậu (CLIPER):

   • Xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến dự báo kinh độ, vĩ độ và tốc độ di chuyển của bão sau 24h và 48h dựa trên các nhân tố: ngày trong năm, vị trí và tốc độ di chuyển hiện tại, quá khứ 12h và 24h của bão (theo phương pháp Neumann 1972). Hệ số tự do của phương trình hồi quy là 0.357949027.

Nguồn tư liệu và dữ liệu nghiên cứu

• Dữ liệu bão lịch sử: Chuỗi số liệu 40 năm (1961–2000) về XTNĐ trên Biển Đông và tập số liệu best-track 10 năm (1991–2000) từ Trung tâm Cảnh báo Bão Liên hợp Hải quân Hoa Kỳ (JTWC).
• Dữ liệu trường ban đầu và điều kiện biên: Số liệu phân tích toàn cầu từ Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) và mô hình toàn cầu GME của Cơ quan Thời tiết CHLB Đức (DWD).
• Dữ liệu thực nghiệm 3 mùa bão (2002–2004): Trường quan trắc và phân tích lưới cho các cơn bão: Kammuri (0212), 0214, 0218, Mekkhala (0220), 0307, Koni (0308), Krovanh (0312), 0313, Nepartak (0320), Chanthu (0405), 0409, 0425...
• Dữ liệu profin khí quyển: Số liệu chuẩn profin khí quyển nhiệt đới của Jordan (1957) và Frank (1977) để xác định nhiệt độ thế vị, mật độ và phân bố dị thường nhiệt độ tâm bão.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan những nghiên cứu về chuyển động của XTNĐ

Chương 1 tổng thuật các cơ sở lý thuyết động lực học về chuyển động của bão và đặc điểm bão trên khu vực Biển Đông:

• Cơ chế chuyển động chính áp và phi chính áp: Trình bày chi tiết bản chất của dòng dẫn môi trường, sự bảo toàn xoáy tuyệt đối và hiện tượng lan truyền hiệu ứng $\beta$ (BEP) làm bão tự trôi về hướng tây bắc. Phân tích vai trò của độ đứt gió thẳng đứng, nguồn ẩm và ẩn nhiệt đại dương ($SST > 26.5^\circ\text{C}$ theo Palmen 1948), địa hình và tham số hóa đối lưu.
• Đặc điểm khí hậu bão Biển Đông (1961–2000): Tổng hợp các đặc trưng thống kê thực tế:

Chỉ số thống kê bão Biển Đông (1961–2000)	Giá trị ghi nhận trong văn bản
Tổng số cơn bão hoạt động trong 40 năm	398 cơn
Tỷ lệ bão có nguồn gốc Tây Bắc Thái Bình Dương	192 cơn (chiếm 48,2%)
Tỷ lệ bão hình thành ngay trên Biển Đông	206 cơn (chiếm 51,8%)
Số lượng bão trung bình hàng năm	9,95 cơn/năm
Số lượng áp thấp nhiệt đới trung bình hàng năm	2,38 cơn/năm
Tỷ lệ năm nhiều bão (>12 cơn)	27,5% (năm cực đại: 1964 với 16 cơn)
Tỷ lệ năm ít bão (<8 cơn)	27,5% (năm cực tiểu: 1969 với 4 cơn)
Thời gian mùa bão chính thức	Tháng VI đến tháng XI (cao điểm: tháng IX đạt 2,2 cơn)
Vùng tập trung mật độ bão cao nhất	$15^\circ\text{N} - 22^\circ\text{N}$ và $110^\circ\text{E} - 120^\circ\text{E}$
Tỷ lệ bão có quỹ đạo thẳng, đơn giản	47% (53% có quỹ đạo phức tạp, đổi hướng)

Chương 2: Cơ sở động lực học của mô hình số mô phỏng chuyển động của XTNĐ

Chương 2 trình bày cấu trúc toán - động lực học của các mô hình nghiên cứu:

• Hệ phương trình nước nông 2 chiều: Xây dựng phương trình chuyển động và phương trình liên tục cho một lớp chất lỏng đồng nhất; thiết lập công thức tích phân số và kỹ thuật cài xoáy trong mô hình WBAR.
• Mô hình nước nông 3 lớp D95: Thiết lập hệ phương trình bảo toàn động lượng và phương trình liên tục cho 3 tầng chất lỏng có mật độ và nhiệt độ thế vị khác nhau; cấu trúc trao đổi thông lượng khối lượng thăng đứng qua các mực biên; công thức tham số hóa ma sát lớp biên và đối lưu theo Dengler và Reeder (1995).
• Mô hình thủy động phân giải cao HRM: Trình bày hệ phương trình nguyên thủy đầy đủ trong tọa độ lai $\sigma$-$p$; phương pháp sai phân hữu hạn; điều kiện biên sườn từ mô hình GME/JMA; các sơ đồ tham số hóa vật lý chi tiết cho bức xạ, mây, đối lưu và lớp biên.

Chương 3: Dự báo qui đạo bão trong Biển Đông bằng các mô hình thủy động

Chương 3 trình bày quy trình thiết lập thử nghiệm, tiền xử lý và tích phân dự báo cho các cơn bão giai đoạn 2002–2004:

• Thử nghiệm với mô hình WBAR: Khảo sát sự thay đổi sai số vị trí tâm bão theo 4 mực dòng dẫn (W7, W5, WD, WS) và 9 sơ đồ cài xoáy (WI1–WI9). Kết quả cho thấy mô hình chính áp rất nhạy cảm với việc lựa chọn dòng dẫn và tham số xoáy ban đầu nhưng quỹ đạo dự báo thường xuyên bị trôi dạt sai lệch khi gặp trường gió mùa phức tạp.
• Thử nghiệm cải tiến mô hình D95: Thực hiện chuyển giao số liệu khí quyển thực tế từ phân tích JMA vào lưới Arakawa-C của D95; thử nghiệm 3 sơ đồ đối lưu (C0, C1, C2) và 5 phương án phân tầng khí quyển (T1–T5). Sơ đồ đối lưu C1 kết hợp phân tầng T1 (850–500–300 hPa) hoặc T2 (850–DLM–300 hPa) cho kết quả dự báo ổn định nhất.
• Thử nghiệm với mô hình HRM: Tích phân dự báo với các độ phân giải 28 km (H28) và 14 km (H14); khảo sát tác động của miền tính toán (HRS) và nguồn số liệu biên/ban đầu (HJG so với HRJ) trên các cơn bão tiêu biểu (như bão Mekkhala 0220, bão Nepartak 0320).

Chương 4: Phân tích và đánh giá kết quả tính toán

Chương 4 thực hiện phân tích thống kê định lượng sai số dự báo vị trí tâm bão, sai số hướng di chuyển và sai số tốc độ di chuyển giữa các mô hình ở các hạn dự báo 24 giờ và 48 giờ:

• Sai số dự báo vị trí tâm bão: So sánh sai số trung bình (SSTB) và phương sai (PS) giữa các mô hình:

Mô hình dự báo	SSTB vị trí tâm 24h (km)	SSTB vị trí tâm 48h (km)	Đánh giá kỹ năng so với chuẩn CLIPER
CLIPER (Chuẩn quán tính khí hậu)	Chuẩn thống kê	Chuẩn thống kê	Mốc đánh giá kỹ năng
WBAR (Chính áp nước nông 2D)	Sai số lớn, tán rộng	Sai số tăng rất nhanh	Không có kỹ năng dự báo trên Biển Đông
D95 (Nước nông 3 lớp cải tiến)	Lớn hơn CLIPER chút ít (PS nhỏ)	Nhỏ hơn CLIPER rõ rệt	Có kỹ năng dự báo rõ ở hạn 48h
HRM (H28 - 28 km)	Nhỏ hơn CLIPER	Nhỏ hơn CLIPER và D95	Kỹ năng dự báo tốt ở cả 24h và 48h
HRM (H14 - 14 km)	Thấp nhất trong các mô hình	Thấp nhất trong các mô hình	Độ phân giải cao nâng cao độ chính xác tâm bão

• Sai số hướng và tốc độ di chuyển:
  • Mô hình D95 và HRM có khả năng mô phỏng tốt các trường hợp bão đổi hướng đột ngột (như bão Koni 0308, Krovanh 0312, Nepartak 0320, Chanthu 0405). Kỹ năng dự báo hướng của D95 đạt mức tương đương HRM.
  • Mô hình HRM thể hiện sai số hệ thống về hướng do mô phỏng hoàn lưu gió mùa mạnh hơn thực tế: quỹ đạo bão mô hình có xu hướng lệch bắc hoặc đông bắc trong gió mùa mùa hè mạnh, và lệch nam hoặc tây nam trong gió mùa mùa đông mạnh.
  • Không tìm thấy mối quan hệ chặt chẽ giữa sai số dự báo quỹ đạo với cường độ hay kích thước xoáy bão trong các thử nghiệm.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Hệ thống hóa một cách toàn diện lý thuyết động lực học về chuyển động của XTNĐ từ đơn giản đến phức tạp, làm rõ vai trò tương tác giữa các quá trình chính áp (dòng dẫn, lan truyền hiệu ứng $\beta$) và các quá trình phi chính áp nhiệt đới (đối lưu sâu, phân tầng thẳng đứng, độ đứt gió, nhiệt độ mặt nước biển và ma sát địa hình).
2. Làm sáng tỏ cơ chế động lực học giải thích tại sao mô hình chính áp thuần túy (WBAR) không phù hợp và không có kỹ năng dự báo bão trên Biển Đông — vùng biển kín chịu ảnh hưởng mạnh của địa hình bao bọc và tranh chấp của các hệ thống gió mùa nhiệt đới.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

1. Cải tiến thành công mô hình nước nông ba lớp D95 từ một mô hình mô phỏng lý thuyết thành một mô hình số trị dự báo quỹ đạo bão hoàn chỉnh, thích ứng với điều kiện số liệu phân tích hiện có tại Việt Nam, tích hợp phương pháp cài xoáy nhân tạo đơn giản và cho kết quả dự báo quỹ đạo 48h vượt chuẩn CLIPER.
2. Tiến hành thử nghiệm dự báo đồng bộ 3 loại mô hình động lực học trên tập số liệu bão Biển Đông trong 3 mùa bão (2002–2004), định lượng hóa sai số và xác lập cơ sở khoa học để lựa chọn, kết hợp các mô hình số trị trong công tác dự báo bão nghiệp vụ.
3. Chứng minh việc nâng cao độ phân giải ngang từ 28 km (H28) xuống 14 km (H14) trong mô hình HRM giúp cải thiện rõ rệt độ chính xác dự báo vị trí tâm bão trên Biển Đông.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

1. Xây dựng hệ thống dự báo tổ hợp (DBTH): Kết hợp đa mô hình từ các tiếp cận động lực học khác nhau hoặc tổ hợp đơn mô hình với các trường ban đầu và tham số cài xoáy biến đổi.
2. Đồng hóa dữ liệu: Nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, đồng hóa số liệu quan trắc và số liệu dự báo từ các trung tâm toàn cầu (JMA, NCEP/Hoa Kỳ).
3. Phát triển kỹ thuật cài xoáy: Nghiên cứu triển khai kỹ thuật cài xoáy ba chiều cho mô hình nguyên thủy HRM.
4. Xây dựng phần mềm hỗ trợ dự báo: Phát triển cơ sở dữ liệu và công cụ trực quan hóa tích hợp thông tin mô hình số với ảnh mây vệ tinh, rađa thời tiết và thám sát thoi (ob typh) để hỗ trợ dự báo viên ra quyết định.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận trong luận án

• Mô hình WBAR không có khả năng mô tả cấu trúc thẳng đứng và các quá trình phi chính áp, dẫn đến sai số rất lớn tại khu vực Biển Đông.
• Mô hình nước nông ba lớp D95 tuy mô tả được hoàn lưu thứ cấp nhưng các quá trình trao đổi thẳng đứng chỉ được tham số hóa đơn giản qua trao đổi khối lượng/động lượng giữa các lớp, chưa mô tả đầy đủ cơ chế biến đổi tương hỗ giữa động năng và thế năng.
• Mô hình HRM chịu ảnh hưởng của sai số hệ thống trong việc mô phỏng hoàn lưu gió mùa quá mạnh so với thực tế và sai số phân tích trường ban đầu do mạng lưới quan trắc khí tượng bề mặt và thám không trên Biển Đông còn thưa thớt.
• Nghiên cứu mới chỉ tập trung sâu vào dự báo quỹ đạo bão ở các hạn 24h và 48h; việc dự báo cường độ bão bằng mô hình số vẫn còn hạn chế lớn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Mở rộng hạn dự báo của mô hình HRM lên 3 ngày (72 giờ).
• Ứng dụng kỹ thuật đồng hóa dữ liệu 3 chiều (3D-VAR) và cài xoáy 3 chiều thích ứng cho mô hình nguyên thủy.
• Nghiên cứu dự báo tổ hợp quỹ đạo và cường độ bão phục vụ nghiệp vụ phòng chống thiên tai.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao đối với:

• Nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Khí tượng, Khí hậu học, Hải dương học: Cung cấp tài liệu hệ thống hóa sâu sắc về động lực học XTNĐ, phương trình nước nông, phương trình nguyên thủy và kỹ thuật cài xoáy số trị.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu tại các trường đại học, viện nghiên cứu: Làm tài liệu tham khảo cho các học phần Dự báo số trị thời tiết, Động lực học khí quyển nhiệt đới và Mô hình hóa môi trường.
• Dự báo viên và cơ quan dự báo khí tượng thủy văn (như Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương): Cung cấp các đánh giá thực nghiệm về ưu nhược điểm, sai số hệ thống của mô hình HRM và D95 khi ứng dụng trên Biển Đông, hỗ trợ hiệu chỉnh dự báo khi bão tương tác với gió mùa hoặc chuyển hướng.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình chính áp WBAR không có kỹ năng dự báo bão tốt trên khu vực Biển Đông?

Mô hình WBAR dựa trên giả thiết khí quyển một lớp đồng nhất theo phương đứng và vận hành theo cơ chế dòng dẫn chính áp. Tuy nhiên, Biển Đông là vùng biển kín, có địa hình phức tạp bao bọc và chịu sự chi phối mạnh mẽ của các quá trình phi chính áp nhiệt đới (đối lưu sâu, trao đổi ẩn nhiệt từ bề mặt biển, tương tác gió mùa mùa hè và mùa đông). Khi bão di chuyển gần đất liền hoặc đổi hướng đột ngột, cấu trúc phi chính áp chiếm ưu thế khiến mô hình WBAR không thể nắm bắt, dẫn đến sai số vị trí tâm rất lớn và không đạt chuẩn kỹ năng so với phương pháp thống kê CLIPER.

2. Mô hình nước nông 3 lớp D95 đã được cải tiến như thế nào để phục vụ dự báo bão thực tế?

Nguyên bản mô hình D95 (Dengler 1995) là mô hình nghiên cứu mô phỏng lý thuyết với các kịch bản xoáy giả định. Luận án đã cải tiến D95 bằng cách:

• Chuyển đổi và nội suy trường phân tích khí quyển thực tế từ mô hình JMA vào lưới tính toán Arakawa-C của D95.
• Tích hợp kỹ thuật cài xoáy nhân tạo đối xứng đơn giản vào trường ban đầu.
• Khảo sát và lựa chọn sơ đồ tham số hóa đối lưu thích hợp (sơ đồ C1) cùng phương án phân tầng khí quyển tối ưu (T1: 850–500–300 hPa hoặc T2: 850–DLM–300 hPa). Kết quả giúp D95 trở thành một công cụ dự báo quỹ đạo có kỹ năng dự báo 48h vượt chuẩn CLIPER.

3. Việc tăng độ phân giải từ 28 km (H28) lên 14 km (H14) trong mô hình HRM mang lại hiệu quả gì?

Qua thử nghiệm trên 3 mùa bão (2002–2004), phiên bản H14 với độ phân giải lưới 14 km cho sai số dự báo vị trí tâm bão trung bình nhỏ hơn phiên bản H28 (28 km) ở cả hai hạn dự báo 24h và 48h. Độ phân giải cao giúp mô hình mô tả chi tiết hơn cấu trúc trường áp, trường gió vùng tâm và tương tác quy mô vừa của bão với địa hình ven bờ.

4. Hoàn lưu gió mùa gây ra sai số hệ thống nào trong dự báo bão của mô hình HRM?

Do mô hình HRM mô phỏng hoàn lưu gió mùa tác động lên bão mạnh hơn so với thực tế (chưa phản ánh hết sức cản của điều kiện địa phương), quỹ đạo bão dự báo bằng HRM thường có xu hướng bị lệch về phía bắc hoặc đông bắc trong thời kỳ hoạt động mạnh của gió mùa mùa hè, và lệch về phía nam hoặc tây nam trong thời kỳ gió mùa mùa đông hoạt động mạnh.

5. Phương pháp CLIPER trong luận án được xây dựng dựa trên các biến đầu vào nào?

Phương pháp CLIPER được xây dựng bằng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến theo Neumann (1972) trên chuỗi số liệu best-track 10 năm (1991–2000) của JTWC. Các nhân tố dự báo đầu vào bao gồm: số thứ tự của ngày hiện hành trong năm, tọa độ kinh độ - vĩ độ hiện tại, tốc độ di chuyển hiện tại của bão, cùng tọa độ và tốc độ di chuyển của bão ở các thời điểm trước đó 12 giờ và 24 giờ.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Công Thành là công trình nghiên cứu hệ thống và thực nghiệm chuyên sâu về ứng dụng các mô hình số trị trong dự báo chuyển động của xoáy thuận nhiệt đới trên khu vực Biển Đông. Bằng việc đánh giá đồng bộ ba loại mô hình động lực học (WBAR, D95 và HRM) đối chứng với phương pháp quán tính khí hậu CLIPER trên chuỗi số liệu thực tế giai đoạn 2002–2004, luận án đã làm rõ ưu nhược điểm động lực học của từng mô hình và cải tiến thành công mô hình nước nông ba lớp D95 phục vụ dự báo thực tế. Các kết quả nghiên cứu và kiến nghị về dự báo tổ hợp, đồng hóa dữ liệu và cài xoáy 3 chiều có giá trị khoa học và thực tiễn vững chắc, đóng góp thiết thực cho công tác nghiệp vụ dự báo bão và phòng chống thiên tai tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Tong quan những nghiên cứu về chuyển động của XTND 1. Những nghiên cứu về hiệu ứng chính áp lên chuyển động của XTND +. Những nghiên cứu vẻ hiệu ứng phi chính áp lên chuyển động của XTND 1. Dự báo quỹ đạo và cường độ của XTND bang mô hình thuỷ động lực 15 1.

Tổng quan vẻ các loại mô hình 15 1. Một số nghiên cứu nhằm tăng độ chính xác của các mô hình dự 19 báo XTNĐ 1. Đặc điểm của XTND trên khu vực Biển Đông và các nghiên cứu về mô 23 hình số ở Việt nam 1. Đặc điểm hoạt động của XTND trên khu vực Biển Đông 23 1.

Những nghiên cứu gần đây về mô hình dự bão số ở Việt Nam 24 Chương 2: Cơ sở động lực học của mô hình số 29 mô phỏng chuyển động của XTNĐ 2. Động lực học của mô hình chính áp 30 2. Động lực học của mô hình nước nông 32 2. Động lực học của mô hình nước nông hai chiều tổng quát 33 2.

Mô hình nước nông hai chiều của Krishnamurti 38 2. Mô hình nước nông hai chiều WBAR 39 2. Động lực học của mô hình nước nông nhiều lớp khí quyển 41 2. Hệ phương trình mô hình ba lớp tổng quát 43 2.

Mô hình nước nông ba lớp Dengler 48 2. Mô hình thuỷ động khu vực phân giải cao (HRM) 54 2. Khái quát về HRM 2. Hệ phương trình 56 2.

Điều kiện biên và ban đầu hoá 59 2. Tham số hoá vật lý 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT ATNĐ Áp thấp nhiệt đới BEP Lan truyền hiệu ứng Béta CLIPER Phương pháp dự báo quỹ đạo bão theo quán tính khí hậu DBTH Dự báo tổ hợp DLM Lớp trung bình sâu D95 Mô hình nước nông 3 lớp mô phỏng bão phat triển bởi Dengler va cong sự ĐHQG Đại học Quốc gia GME Mô hình toàn cầu của Cơ quan Khí tượng Đức HRM Mô hình số phân giải cao của Cơ quan Khí tượng Đức H28 Phiên bản mô hình HRM với độ phân giải ngang 28km H14 Phiên bản mô hình HRM với độ phân giải ngang 14km HRS Phiên bản mô hình H28 với miền dự báo nhỏ HJG Phiên bản mô hình HRM với điều kiện ban đầu của JMA, điều kiện biên của GME HRJ Phiên bản mô hình HRM với cả điều kiện ban đầu và điều kiện biên của JMA JMA Cơ quan Khí tượng Nhật Bản KTTV Khí tượng thủy văn mb, hPa Đơn vị đo áp suất khí quyển PS Phương sai PV Xoáy thế SLM Lớp trung bình nông SSTB Sai số trung bình SST Nhiệt độ mặt nước biển TTDBKTTVTU Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương Tl Thu nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-500-300mb 12 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-DLM-300mb T3 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-700-300mb T4 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-700-500mb T5 Thử nghiệm mô hình D95 với mực phân lớp 850-SLM-300mb TBD Thái Bình Dương XTND Xoáy thuận nhiệt đới WBAR Mô hình chính áp dự báo bão phát triển bới Weber và cộng sự W7 Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn 700mb Ws Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn 500mb WD Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn lớp trung bình sâu WS Thử nghiệm mô hình WBAR với mực dòng dẫn lớp trung bình nông WII-9 Thử nghiệm mô hình WBAR với các sơ đồ cài xoáy từ 1 đến 9 3D-VAR Đồng hóa 3 chiều DANH MUC CAC BANG Bảng 3. Danh sách các thời điểm bat đầu du báo thử nghiệm. Ký hiệu các thử nghiệm với WBAR.

Sai số dự báo vị trí tâm bão bằng WBAR với các lựa chọn khác nhau của mực dong dan trong thử nghiệm 1. Ký hiệu các phương án của thử nghiệm D95. Sai số dự báo vị trí tâm bão trong nghiên cứu lựa chọn sơ đồ đối lưu của thử nghiệm D95. Mực khí áp được chọn tiêu biểu cho các lớp của D95 trong T1-TS.

Giá trị của nhiệt độ thế vị, mật độ và độ dày trung bình của các lớp mô hình cho năm trường hợp thử nghiệm (TI - TS). Sai số trung bình của dự báo vị trí tâm bão (km), hạn 24h, tương ứng với 5 lựa chọn phân lớp khí quyển (T1-TS). Sai số dự báo vị trí tam bão (km) bằng H28 và H14, trung bình ba mùa bão (2002-2004). Sai số dự báo vị trí tâm (km) bão Mekkhala (0220) và Nepartak (0320) bằng 5 phiên bản khác nhau của HRM.

Giá trị của sai số dự báo 24h hướng chuyển động của bão bằng 5 mô hình khác nhau. Các trường hợp có sai số dự báo 24h hướng chuyển động của bão lớn hơn + 30 độ. Giá trị trung bình sai số dự báo 24h tốc độ di chuyển của bão (km/h) bằng 5 mô hình khác nhau. Những trường hợp dự báo 24h tốc độ chuyển động của bão có sai số lớn (trên + I0km/h), bằng 5 mô hình khác nhau.

Sai số trung bình (SSTB) và phương sai (PS) của dự báo vị trí tâm bão bảng 5 mô hình khác nhau, hạn dự báo 24h, 48h. DANH MỤC CÁC HÌNH VE VÀ DO THỊ Hình 2. Mô hình nước nông cho một lớp khí quyển. Sơ đồ lưới sử dụng trong mô hình WBAR.

Sơ đồ lưới tích phân trong mô hình WBAR. Mô hình nước nông cho ba lớp khí quyển. Sơ đồ mô tả các dòng khí vận chuyển tại các mực biên. Sơ đồ trao đổi thông lượng đối lưu.

Sơ đồ trao đổi thông lượng khi không có đối lưu. Sơ đồ biểu diễn thông lượng khối thang đứng khả nang đi qua lớp chất lỏng Hình 2. Sơ đồ biểu diễn chuyển động thang đứng trong mô hình ba lớp Dengler 1995. Vận tốc gió cực đại của các cơn bão tại các thời điểm tính thử nghiệm.

Thời điểm của các cơn bão không được biểu diễn chỉ tiết mà chỉ phân theo từng cơn trong năm nhằm minh hoạ độ mạnh yếu tương đối của các cơn bão. Đường đi của các cơn bão năm 2002 được thử nghiệm. Đường đi của các cơn bão năm 2003 được thử nghiệm. Đường đi của các cơn bão năm 2004 được thử nghiệm.

Ví dụ minh họa kết quả các thử nghiệm WBAR với các mực đẳng áp khác nhau W7, W5, WD và WS. Toán đồ biểu diễn giá trị trung bình và phương sai của sai số dự báo trong thử nghiệm 2 với các sơ đồ cài xoáy khác nhau (WII- WI9). Sơ đồ vị trí các biến trong lưới Arakawa C_của mô hình D95. Trường gió ban đầu của mô hình toàn cầu JMA, và của mô hình D95 tại thời điểm 00z ngày 25/09/2002.

Cấu trúc khí quyển mộ hình D95. Sơ đồ phân bố các lớp khí quyển mô hình D95 trong với 5 kiểu chọn mực khí áp :T1, T2, T3, T4 và TS. Sơ đồ phân bố các lớp khí quyển để tính trọng số theo độ dáy áp suất của lớp a) lớp trung bình sau (DM) và b) lớp trung bình nông (SM). Qũy đạo dự báo của D95 với các lựa chọn phân lớp khí quyển khác nhau (T1, T2, T3, T4 và T5): a) Bão Koni (0308), bat đầu 00z, 20/07/2003, có độ tán dự báo lớn.

b) bão Krovanh (0312), bắt đầu 00z, 24/08/2003, có độ tán dự báo nhỏ. Miền tính toán của phiên bản H28, HJG, HRJ (miền to ở ngoài) và của các phiên bản H14, HRS (miền nhỏ bên trong). Sai số vị trí tâm bão trung bình, dự báo bằng H14 và H28. Quỹ đạo dự báo bão Nepartak (0320), bắt đầu 00z, 16/11/2003, bằng các phiên bản H28, H14, HRS, HJG và HRJ.

Minh họa sai số hệ thống của dự báo 24h về hướng chuyển động của bão bằng các mô hình khác nhau. Phân bố tân suất sai số dự báo 24h hướng chuyển động của bão bằng các mô hình CLIPER, WBAR, D95 và HRM. Quỹ dao dự báo bằng các mô hình WBAR, D95, HRM và CLIPER, bat đầu 12z, 03/08/2002, bão Kammuri (0212). Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình CLIPER, WBAR, D95, H28 và H14, bat đầu 12z, 24/09/2002, bão Mekkhala (0220).

Các trường phân tích gió và áp trên các mặt đẳng áp 300mb, 500mb và 700mb tại 12z, 24/09/2002. Ảnh vệ tinh hồng ngoại cho bão Mekkhala (0220) tai thời điểm 12z, 24/09/2002. Quỹ đạo dự báo của các mô hình CLIPER, WBAR, D95, H28 và HI4, bat đầu 00z, 20/07/2003, bão Koni (0308). Các trường phân tích gió và áp trên các mặt đảng áp 300mb, 500mb và 700mb tại 00z, 20/07/2003.

Quỹ dao dự báo của các mô hình CLIPER, WBAR, D95, H28 và H14, bat đầu 12z, 16/1 1/2003, bão Nepartak (0320). Trường đường dòng và độ cao địa thế vị trên mực đẳng áp 700mb tại 12z, 16/11/2003, bão Nepartak (0320). Phan bo tan suất sai số dự báo 24h vận tốc chuyển động của bão bang các mô hình CLIPER, WBAR, D95, và HRM. Quy dao dự báo 24h bang H14 và H28, bat đầu 12z, 21/07/2003, bão Koni (0308).

Trường khí áp qui về mực biển tại thời điểm phân tích cho 00z, 22/08/2005 của mô hình HRM (độ phân giải 28km-H28). Quỹ dao dự báo bang CLIPER, WBAR, D95, H28, bat đầu 12z, 11/06/2004, bão Chanthu (0405). Diễn biến thời gian của khí áp cực tiểu của bão Chanthu (0405). Phân bố tần suất sai số dự báo vị trí tâm bão của các mô hình hạn 24 giờ.

Phân bố tần suất sai số dự báo vi trí tam bão của các mô hình han 48 giờ. Tính cấp thiết cua đề tài Vấn đẻ dự báo tai biến thiên nhiên nói chung, dự báo các hiện tượng thời tiết khí hau nguy hiểm như bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), mua, lũ lụt hay giông lốc nói riêng đang đứng trước yêu cầu ngày càng khát khe hơn, nhằm góp phần giảm nhẹ thiên tai có hiệu quả hơn. Bài toán này dang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học lớn trên thế giới và sự đầu tư lớn của nhiều Quốc gia và nhiều tổ chức khác nhau. Ở nước ta, những đòi hỏi mới trong lĩnh vực này đã được thể hiện trong nhiều văn bản của Nhà nước, nhất là sau thời kỳ xay ra những tai biến thiên nhiên do bão, lũ, lụt của những năm 1996-2000 gây thiệt hại lớn vẻ người và của cho nhiều vùng đất nước như mưa lũ lớn trên lưu vực sông Hồng, sông Thái bình năm 1996, bão số 5 (Linda) đổ bộ vào Cà Mâu năm 1997, bão liên tiếp vào Nam Trung bộ năm 1998 v.

Chính vì vậy Nhà nước ta đã chỉ thị rõ: Phòng chống và hạn chế tác hại của bão lũ và các thiên tai khác vừa là nhiệm vụ cấp bách trước mắt, vừa có tính chiến lược lâu dài. Việc dự báo bão ở nước ta trước đây chủ yếu dựa vào phương pháp Synốp và vật lý thống kê.