CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BÃO VÀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY BÃO Bão nhiệt đới là một hiện tượng thời tiết phức tạp bao gồm nhiều quá trình từ qui mô synop đến qui mô nhỏ tương tác với nhau. Mặc dù bão đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ, nhưng cho đến nay chưa có một lý thuyết đầy đủ về các cơ chế trong bão. Vì thế, bão và dự báo bão vẫn còn là một bài toán lớn thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Các nghiên cứu về bão có thể chia thành 2 hướng chính: 1) Nghiên cứu cơ bản: nhằm tìm hiểu các cơ chế động lực trong bão liên quan đến sự biến đổi cấu trúc, cường độ và sự di chuyển của bão.
Hướng này có thể phân nhỏ thành nghiên cứu lý thuyết − qua đó hệ phương trình thủy nhiệt động lực học được đơn giản hóa để nhận được những nghiệm giải tích mô tả cấu trúc, chuyển động của bão; và nghiên cứu thực nghiệm – khảo sát thực nghiệm bằng nhiều hình thức khác nhau, kể cả sử dụng máy bay bay trong bão, nhằm thu thập số liệu quan trắc tức thời để phân tích, xác định cấu trúc, cường độ, các đặc trưng của bão với mục đích kiểm chứng lại những lý thuyết nhận được, tìm ra các công thức thực nghiệm đặc trưng của bão hoặc để tìm hiểu sâu về bản chất của bão; 2) Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng những hiểu biết thu được từ nghiên cứu lý thuyết để xây dựng, phát triển các mô hình dự báo nhằm tăng chất lượng dự báo chuyển động, cấu trúc và cường độ của bão. Trong hướng này, có nhiều cách tiếp cận khác nhau như xây dựng và cải tiến các mô hình dự báo số trị số và/hoặc cải thiện chất lượng trường ban đầu mà kỹ thuật ban đầu hóa xoáy bão là một lựa chọn. 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu ban đầu hóa xoáy là một trong những bài toán quan trọng đối với việc dự báo bão bằng các mô hình số và cũng là nội dung chủ yếu của luận án này. Trong chương này sẽ tổng quan một số nghiên cứu về chuyển động của bão, trong đó nhấn mạnh các phương pháp ban đầu hóa xoáy bão khác nhau đã được ứng dụng trong các mô hình dự báo chuyển động của bão.1 Những nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng về chuyển động của bão Những lý thuyết đầu tiên về chuyển động của xoáy thuận nhiệt đới xem xoáy bão như một xoáy đối xứng chuyển động trong dòng chính áp và tìm độ dịch chuyển hạn ngắn của tâm xoáy.
Những dự báo này sử dụng khái niệm “dòng dẫn” với giả thiết xoáy bão được đặt vào trường môi trường hay trường nền và di chuyển với tốc độ và hướng dòng nền. Kasahara (1957) [49] đã sử dụng một mô hình chính áp không phân kỳ để dự báo chuyển động của bão. Trong nghiên cứu của mình, ông đã sử dụng khái niệm dòng dẫn khi tách hàm dòng Ψ thành hai thành phần: một thành phần qui mô lớn Ψ − dòng qui mô lớn, đóng vai trò như dòng dẫn đường; và một thành phần xoáy nhiễu động địa phương ψ. Hàm dòng qui mô lớn Ψ được dự báo độc lập qua mỗi bước thời gian, trong khi để dự báo được ψ cần có thông tin của Ψ tại mỗi bước tích phân.
Kasahara đã rút ra nhận định: vận tốc di chuyển tức thời của bão có thể xác định từ vận tốc của dòng dẫn tại tâm và tích của gradient xoáy tuyệt đối của hàm dòng với một tham số K phụ thuộc vào dạng phân bố của hàm dòng. Kết quả là tâm xoáy di chuyển với vận tốc gần với vận tốc của dòng dẫn tính được tại điểm đó nhưng bị lệch về phía trái của hướng gradient xoáy tuyệt đối một góc 90o. Vì thế, một xoáy ban đầu đối xứng trên mặt beta, không có dòng môi trường, sẽ di chuyển tức thời về phía tây ở cả 2 bán cầu. Một vấn đề nảy sinh là xác định mực dòng dẫn và phương pháp xác định dòng dẫn.
Trong những nghiên cứu đầu tiên về dự báo quĩ đạo bão, các mực khí áp chuẩn thường được sử dụng. Chẳng hạn trong nghiên cứu của Kasahara (1957)[49], mực 500hPa đã được sử dụng để dự báo thử nghiệm một số trường hợp bão trong mô hình chính áp. George và Gray 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com (1976) [43] đã sử dụng số liệu của 30 trạm thám không trong vòng 10 năm ở Bắc Thái Bình Dương để nghiên cứu quan hệ của chuyển động bão và các tham số môi trường. Kết quả cho thấy mực 700hPa cho tốc độ di chuyển của xoáy bão tốt nhất và mực 500hPa cho hướng di chuyển tốt nhất.
Sanders và cộng sự của mình (Sanders và nnk, 1975) [65] đã chỉ ra rằng, các mô hình chính áp dự báo quỹ đạo bão có thể nâng cao độ chính xác bằng cách sử dụng số liệu trung bình có trọng số theo khí áp thay cho sử dụng các mực đẳng áp riêng lẻ. Các nghiên cứu thực nghiệm của Chan và Gray (1982) [26] cho thấy trường gió trung bình từ bán kính 5o đến 7o vĩ so với tâm bão ở mực giữa (500-700hPa) có tương quan tốt nhất với chuyển động của bão. Tuy thế, ở Bắc Bán cầu bão di chuyển lệch khoảng 10-20o về phía trái còn ở Nam Bán cầu lệch khoảng 10o về phía phải của trường gió trung bình này và tâm bão thực di chuyển nhanh hơn so với trường trung bình khoảng 1m/s. Hai ông cũng tìm thấy mối tương quan tốt giữa gió trung bình khí quyển mực thấp (900hPa) và khí quyển mực cao (200hPa) với chuyển động của xoáy.
Đây cũng là cơ sở để một số mô hình sau này sử dụng khái niệm gió trung bình lớp sâu (DLM - Deep Layer Mean), chẳng hạn mô hình VICBAR (DeMaria và nnk. 1992) [33] và mô hình WBAR (Weber, 2001) [82] đã sử dụng trung bình lớp sâu giữa các mực 850hPa-200hPa làm số liệu đầu vào và đạt được những thành công nhất định. Về hướng nghiên cứu ảnh hưởng của trường môi trường đến chuyển động của bão cũng đã có nhiều công trình được thực hiện với phương thức tiếp cận cũng rất đa dạng. DeMaria (1985) [34] đã sử dụng một mô hình phổ chính áp không phân kỳ để nghiên cứu hiệu ứng của gradient xoáy, vị trí ban đầu và cấu trúc xoáy đối với chuyển động của xoáy thuận nhiệt đới.
Qua đó tác giả đã đưa ra những kết luận có ý nghĩa cho việc định hướng nghiên cứu ban đầu hóa xoáy bão: 1) Quĩ đạo nhạy hơn đối với vị trí ban đầu khi ∇2ξa>0, (ở đây ξa là xoáy tuyệt đối còn ∇2 là toán tử Laplacian), 2) Quĩ đạo xoáy nhạy cảm đối với kích thước hơn là đối với cường độ, 3) Quĩ đạo xoáy nhạy đối với kích thước khi ⏐∇2ξa⎜ lớn, và 4) Cường độ xoáy (xác định bởi tốc độ gió cực đại Vmax) có ảnh hưởng nhỏ đến chuyển động của xoáy trong mô hình chính áp không phân kỳ. Như vậy, theo DeMaria, những tham số có thể có 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ảnh hưởng đến sự chuyển động của bão là vị trí ban đầu, kích thước xoáy và cường độ xoáy. Cũng sử dụng mô hình chính áp không phân kỳ, Fiorino và Elsberry (1989) [39] đã nghiên cứu độ nhạy của chuyển động xoáy trên mặt beta đối với sự thay đổi phân bố gió tiếp tuyến theo bán kính và nhận được các kết quả tương tự với những nhận xét của DeMaria. Cụ thể hơn, tốc độ gió của bão ở bán kính lớn hơn 300km tính từ tâm bão có ảnh hưởng lớn đến chuyển động của xoáy.
Nếu tăng độ xoáy của xoáy thuận trong khoảng bán kính 300-800km thì quĩ đạo sẽ có dạng quay theo chiều xoáy thuận – lệch về phía tây, và tốc độ di chuyển tăng lên; ngược lại nếu giảm độ xoáy của xoáy thuận, quĩ đạo xoáy có xu thế quay theo chiều xoáy nghịch, di chuyển lệch bắc và tốc độ giảm đi. Các tác giả đưa ra khái niệm cường độ gió phía ngoài được định nghĩa là trung bình căn quân phương của tốc độ gió tiếp tuyến theo bán kính từ 300km đến 1000km, là một đặc trưng quan trọng liên quan đến chuyển động của xoáy bão. Smith và Ulrich (1990) [70] đã đưa ra một lý thuyết giải tích về chuyển động của XTNĐ ban đầu đối xứng trên mặt beta. Kết quả cho thấy lý thuyết này phù hợp tốt với mô phỏng số trong khoảng 1 đến 2 ngày đầu.
Đặc biệt, quĩ đạo và sự phát triển của các thành phần phi đối xứng xoáy, hay còn gọi là xoắn beta, được dự báo khá chính xác. Biểu diễn giải tích của xoắn beta đã được sử dụng trong một số sơ đồ ban đầu hóa xoáy bão sau này để hiệu chỉnh tốc độ di chuyển của xoáy. Lý thuyết này được Smith và Weber (1993) [73] phát triển lên thành lý thuyết chuyển động của xoáy thuận nhiệt đới trong một dòng nền có độ đứt. Nhìn chung, những nghiên cứu lý thuyết về chuyển động của bão hầu như tập trung vào sự chuyển động của bão trong khí quyển chính áp.
Tuy vậy, đây là những cơ sở quan trọng trong việc xây dựng các mô hình dự báo quĩ đạo bão cũng như các sơ đồ ban đầu hóa xoáy bão sau này. Song song với những nghiên cứu về chuyển động của bão là những nghiên cứu liên quan đến sự biến đổi của cường độ và cấu trúc ba chiều của bão. Trong khi 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com những nghiên cứu về chuyển động của bão chủ yếu theo hướng lý thuyết hoặc sử dụng các mô hình chính áp thì trong những nghiên cứu sự biến đổi của cường độ và cấu trúc thẳng đứng của bão cần một mô hình tối thiểu 3 lớp để có thể nắm bắt được các quá trình động lực học trong bão. Một trong những mô hình như vậy đã được xây dựng bởi Ooyama (1969) [59].
Đó là một mô hình đối xứng trục 3 lớp dùng để mô phỏng sự tiến triển của một xoáy thuận nhiệt đới. Mặc dù đơn giản, nhưng mô hình đã có thể mô phỏng khá sát thực các giai đoạn phát triển của một XTNĐ điển hình. Phản ứng của xoáy trong mô hình đối với những thay đổi của các tham số như nhiệt độ nước biển, hệ số trao đổi năng lượng biển−khí và điều kiện ban đầu cũng đã được thử nghiệm và cho kết quả hợp lý. Tuy thế, mô hình có một số hạn chế nhất định, như không có khả năng mô phỏng sự phát triển của XTNĐ từ giai đoạn chớm hình thành trong môi trường nhiễu động synop yếu hay chuyển động của tâm xoáy.