mở đầu, tài liệu tham khảo và phụ lục, nội dung chính của luận án bao gồm: Chƣơng 1: Tổng quan về sai số dự báo quỹ đạo và cường độ bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và sự khác biệt giữa chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão. Chƣơng 2: Mô tả phương pháp nghiên cứu gồm xây dựng chương trình vinit tăng cường cấu trúc xoáy từ thông tin phân tích xoáy thực tế, giới thiệu về mô hình số trị khu vực (WRF-ARW), phương pháp tổ hợp (đa vật lý và đồng hóa lọc Kalman - LETKF) và phương pháp đánh giá kết quả. Chƣơng 3: Khảo sát tương quan giữa sai số dự báo quỹ đạo và cường độ bằng hệ thống tổ hợp đa vật lý khu vực trên vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương: thử nghiệm 92 trường hợp trong năm 2007-2010 và đánh giá sai số của các tập dự báo với các tiêu chuẩn sai số dự báo quỹ đạo khác nhau. Chƣơng 4: Dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng hệ thống đồng hóa tổ hợp: quan trắc quy mô lớn và thông tin xoáy bão thực tế (cung cấp thông qua 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chương trình vinit thiết lập cấu trúc xoáy từ thông tin phân tích bão) được đồng hóa đồng thời bằng phương pháp LETKF cho mô hình WRF-ARW, qua đó đánh giá tác động của quá trình bổ sung thông tin quan trắc đến kĩ năng dự báo xác suất của quỹ đạo và cường độ bão.
Kết luận và kiến nghị: Tóm tắt những kết quả chính đã đạt được của luận án, điểm mới và các vấn đề còn tồn tại, qua đó kiến nghị về khả năng ứng dụng kết quả của luận án và những vấn đề cần tiếp tục triển khai nghiên cứu tiếp theo. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SAI SỐ DỰ BÁO BÃO TRÊN KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG 1.1 Vấn đề quan trắc bão và các phƣơng pháp dự báo bão 1.1 Đặc trưng cơ bản của bão và vấn đề quan trắc bão Nghiên cứu mô hình hóa và quan trắc về bão/xoáy thuận nhiệt đới (trong luận án sẽ gọi chung là bão) trong nhiều năm qua cho thấy vẫn chưa tìm ra được một cơ chế rõ ràng về việc hình thành bão. Một số công trình nghiên cứu gần đây đã mang tính đột phá trong bài toán phát sinh bão như Montgomery và Smith (2010, 2011) [80, 81] và Emanuel (1989, 2005) [42, 43], tuy nhiên kết quả thực tế cho thấy chỉ tập trung cải thiện được chất lượng dự báo, mô phỏng trong thời kì các nhiễu động nhiệt đới đã hình thành có tổ chức và có thể giám sát được từ số liệu vệ tinh. Đánh giá chung ở quy mô toàn cầu, tỉ lệ phát triển thành bão từ các nhiễu động nhiệt đới rất thấp, trung bình toàn cầu có khoảng 102 cơn bão trong một năm trong khi có trên 104-105 các dạng nhiễu động nhiệt đới tồn tại cho thấy mức độ phức tạp của bài toán dự báo hình thành bão [46, 80, 81].
Về chu kì phát triển, trong Hình 1.1 minh họa vòng đời của một cơn bão được phát triển từ các nhiễu động nhiệt đới đến áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), giai đoạn chín muồi (mature) dưới dạng bão và bão mạnh1 đặc trưng bởi quá trình giảm khí áp (gọi tắt là áp suất) tại tâm bão và tăng tốc độ gió sát bề mặt gần tâm [40, 41].1: Minh họa giai đoạn phát triển từ nhiễu động nhiệt đới (trái) đến áp thấp nhiệt đới (giữa) và bão (phải) của cơn bão BONIE năm 1998. Nguồn: số liệu vệ tinh địa tĩnh GOES 8 kênh phổ hồng ngoại kèm tăng cường màu 1 Bão mạnh có cấp trên 12 theo bảng cấp gió Beaufort, ứng với vận tốc sát bề mặt cực đại từ 32,7-36,9 m/s 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sau pha cường độ đạt cực đại, bão suy yếu (decay) và có thể tan ngay trên biển hoặc đất liền khi đổ bộ vào bờ. Khi đang di chuyển hoặc ở một giai đoạn có cường độ ổn định, bão có thể tăng cấp một cách đột ngột (rapid intensifying) trong thời gian ngắn. Một số cơn bão sau khi suy yếu về ATNĐ vẫn có thể mạnh trở lại thành bão nếu gặp điều kiện thuận lợi (bề mặt, hoàn lưu).
Xét về quy mô, hiện tượng bão được xếp trong lớp quy mô Synop với kích thước ngang cỡ 103 km và quy mô thời gian từ vài ngày đến tuần. Tuy nhiên những cơ chế tương tác bên trong bão tồn tại từ quy mô vi mô (tương tác vật lý mây), quy mô vừa (ổ đối lưu có tổ chức) đến quy mô lớn (các dòng hoàn lưu, dịch chuyển tịnh tiến tương tác với các hệ thống quy mô lớn khác). Những đặc tính này đòi hỏi các mô hình phải đủ tinh (độ phân giải cao, các sơ đồ vật lý phức tạp) để nắm bắt được đầy đủ các quy mô trong khí quyển, qua đó cho phép mô phỏng và dự báo được hiện tượng bão. Hai đặc trưng bão được quan tâm nhất trong công tác dự báo nghiệp vụ1 bao gồm quỹ đạo và cường độ bão.
Quỹ đạo bão được xem là đường đi của tâm bão trong suốt quá trình hình thành phát triển và suy yếu đi của cơn bão. Quỹ đạo bão có thể được hiểu đơn giản là các địa điểm, thời gian mà bão dịch chuyển tới, hoặc được đặc trưng bởi vị trí trung tâm hoặc vùng trung tâm hoàn lưu sơ cấp (hoàn lưu ngang với đặc trưng là đường đẳng áp khép kín). Đặc trưng thứ hai là cường độ bão có mức độ phức tạp hơn đại lượng quỹ đạo bởi tính trực quan của đặc trưng quỹ đạo bão được thể hiện khá rõ. Do bản chất của bão là dạng chuyển động xoáy nên có nhiều đại lượng được dùng để đặc trưng cho cường độ của bão như tốc độ gió cực đại, bán kính gió cực đại hoặc bán kính của một số tốc độ gió bề mặt đạt được nhất định như bán kính gió 15 m/s, bán kính gió 25 m/s.
Ngoài đại lượng gió cực đại bề mặt thì áp suất cực tiểu tại vùng tâm bão đóng vai trò xác định mức độ nông/sâu ứng với tính yếu/mạnh của bão. Hiện nay hai đại lượng cơ bản được dùng cho đặc 1 Thông tin nghiệp vụ: là các thông tin được cung cấp thời gian thực và được đưa ra từ các cơ quan/ tổ chức chính thống có trách nhiệm theo các mức độ khác nhau đối với đối tượng được cung cấp thông tin. 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com trưng cường độ bão là gió bề mặt cực đại sát mực biển (10 mét) và áp suất cực tiểu tại vùng tâm bão. Trong quan trắc các yếu tố đặc trưng cho quỹ đạo và cường độ bão thời gian thực, vị trí tâm bão là đại lượng được xác định có độ chính xác và tin cậy khá cao thông qua các số liệu vệ tinh địa tĩnh và cực bởi bản chất tồn tại mẫu dạng cơ bản với các đới/dải mây xoắn vào hướng vào tâm của bão.
Một số trường hợp các mây ti (Ci) trên cao có thể che phủ mắt bão sẽ được xác định tăng cường bổ sung bằng các số liệu vi sóng (microwave) trên vệ tinh cực. Tùy thuộc vào giai đoạn phát triển của cơn bão, sai số trung bình của việc xác định vị trí tâm bão theo đánh giá của Elsberry (1995) [41] khoảng 20-40 km. Sai số lớn (trên 20 km) thường gặp chủ yếu ở các thời kì bão phát triển yếu, ở các giai đoạn phát triển ban đầu (cấp 7-8 phân theo cấp bão của Việt Nam). Các sai số này được hiệu chỉnh lại trong quá trình xây dựng bộ số liệu quỹ đạo chuẩn (best track) thông qua các số liệu tham sát bổ sung như vi sóng và gió bề mặt tính toán từ số liệu vệ tinh cực (Atmospheric Motion Wind – AMV) [62].
Hai phương pháp chính cung cấp thông số về cường độ bão gồm: i) đo đạc trực tiếp từ các máy bay chuyên dụng hoặc máy bay không người lái bay qua bão và thả những đầu đo vào vùng gần tâm bão và ii) xác định từ ảnh mây vệ tinh (phổ biến nhất và được sử dụng tại tất cả các trung tâm dự báo nghiệp vụ trên thế giới hiện nay là phương pháp Dvorak1).2 Các phương pháp dự báo bão Các phương pháp cơ bản trong dự báo bão gồm: i) phương pháp Synop với bản chất dựa trên phân tích cơ chế động lực và tương tác giữa các trung tâm tác động đến bão, ii) phương pháp thống kê sử dụng số liệu quỹ đạo chuẩn nhiều năm để xây dựng phương trình thống kê trong dự báo quỹ đạo và cường độ bão (ví dụ 1 Phương pháp Dvorak là phương pháp thống kê thực nghiệm, trong đó tương quan giữa các giá trị cường độ và mẫu dạng mây bão được thực hiện từ các tập số liệu cho Đại Tây dương và Thái Bình dương [40]. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính với nhân tố quan trắc bão) và iii) phương pháp động lực sử dụng sản phẩm dự báo trường khí quyển từ các mô hình số.1 Phương pháp Synop Phương pháp Synop dựa trên số liệu quan trắc truyền thống để thiết lập bản đồ bề mặt và trên cao, qua đó phân tích ảnh hưởng của các trung tâm tác động của quy mô lớn. Ví dụ như các hệ thống dòng dẫn đường liên quan tới sự phát triển của cao áp cận nhiệt TBTBD khi phân tích và dự báo bão ở khu vực TBTBD, ảnh hưởng của không khí lạnh phía bắc đến cường độ và quỹ đạo bão, sự thay đổi của tốc độ di chuyển của bão khi đi vào các khu vực trường yên. Ngoài ra có thể kể đến những hiệu ứng khác nhau như hiệu ứng động lực xoáy-beta (gyre-beta), ảnh hưởng của độ đứt môi trường đến sự dịch chuyển beta đến quỹ đạo và cường độ của bão (tham khảo Wang và cộng sự (1998) [92]).
Việc áp dụng phương pháp Synop đòi hỏi dự báo viên có sự hiểu biết về mặt cơ chế động lực của các trung tâm tác động khí quyển, sự tương tác giữa chúng và ảnh hưởng của chúng đến quá trình thay đổi cường độ và quỹ đạo. Ngoài ra dự báo viên cần có kinh nghiệm đúc kết dự báo cho vùng biển mình được đảm nhiệm do quá trình dịch chuyển của bão và sự ảnh hưởng của bão lúc sát bờ biển và lúc đổ bộ cần nhiều thám sát địa phương, điều mà các trung tâm dự báo quốc tế không cung cấp được.