Nghiên cứu đặc điểm phân bố mưa khi bão đổ bộ vào Việt Nam từ số liệu vệ tinh

Luận văn nghiên cứu đặc điểm phân bố mưa khi bão đổ bộ vào Việt Nam, sử dụng số liệu mưa vệ tinh. Phân tích cường độ và các thành phần mưa bão.

• Tác giả: Trần Minh Hiếu
• Người hướng dẫn: Pgs. Ts Vũ Thanh Hằng
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
• Đề tài: Đặc điểm phân bố mưa khi bão đổ bộ vào Việt Nam sử dụng số liệu mưa vệ tinh
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và đặc điểm phân bố mưa bão tại Việt Nam

Phân bố mưa bão tại Việt Nam là một hiện tượng khí hậu phức tạp được nghiên cứu thông qua số liệu vệ tinh hiện đại. Bão là một hệ thống thời tiết cấu trúc mạnh mẽ với các đặc trưng cơ bản bao gồm gió cực đạo, khí áp cực tiểu và trường mưa không đối xứng. Khi bão đổ bộ vào Việt Nam, lượng mưa và phân bố không gian của nó thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí địa lý và cường độ bão. Nghiên cứu phân bố mưa bão sử dụng dữ liệu vệ tinh GSMaP cho phép các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ chế mưa và hỗ trợ dự báo chính xác hơn. Việc phân tích chi tiết các thành phần mưa đối xứng và bất đối xứng giúp cải thiện khả năng ứng phó với các thảm họa do bão gây ra.

1.1. Định nghĩa bão và cấu trúc mưa bão

Bão là một hệ thống áp suất thấp với cấu trúc đặc trưng gồm mắt bão, tường mắt bão và các dãy mây trộn. Cấu trúc mưa bão bao gồm hai thành phần chính: mưa đối xứng (WN-0) tập trung quanh tâm bão và mưa bất đối xứng (WN-1, WN-2, WN-3, WN-4) phân bố không đều. Cường độ mưa trung bình tính từ tâm bão đến bán kính 500km thay đổi theo hướng bán kính và cấp độ bão.

1.2. Tầm quan trọng của việc nghiên cứu phân bố mưa bão

Nghiên cứu phân bố mưa bão sử dụng số liệu vệ tinh là nền tảng cho dự báo chính xác và cảnh báo sớm. Việc hiểu rõ các đặc điểm phân bố giúp giảm thiệt hại kinh tế và nhân mạng. Dữ liệu từ vệ tinh GSMaP cung cấp độ phân giải cao, cho phép phân tích chi tiết các khu vực bị ảnh hưởng bởi bão đổ bộ vào Việt Nam.

II. Đặc điểm phân bố mưa bão theo khu vực đổ bộ

Việt Nam có năm khu vực đổ bộ bão chính, mỗi khu vực có đặc điểm phân bố mưa riêng biệt. Cường độ mưa trung bình (mm/h) từ tâm bão đến bán kính 500km biến đổi đáng kể giữa các khu vực khác nhau. Khu vực Bắc Bộ thường ghi nhận lượng mưa cao hơn do ảnh hưởng của địa hình phức tạp. Số liệu vệ tinh GSMaP cho thấy các vùng Trung Bộ và Nam Bộ có mẫu phân bố mưa khác nhau, phụ thuộc vào hướng bão đổ bộ và cường độ của bão. Thành phần mưa bất đối xứng WN-1 và WN-2 chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng mưa, đặc biệt là ở phía bên phải của quỹ đạo bão. Phân tích từng khu vực cụ thể giúp cải thiện kế hoạch phòng chống thảm họa.

2.1. Phân bố mưa ở khu vực Bắc Bộ

Khu vực Bắc Bộ là vùng tiếp nhận nhiều bão đổ bộ nhất với lượng mưa bão tương đối cao. Địa hình núi non phức tạp tác động mạnh đến việc phân bố mưa, tạo ra các vùng mưa tập trung. Cường độ mưa ở khu vực này có thể vượt quá 50 mm/h tại các vùng cao. Các thành phần bất đối xứng WN-1 và WN-2 là những yếu tố chính quyết định phân bố mưa không đều.

2.2. Phân bố mưa ở khu vực Trung Bộ

Trung Bộ đối mặt với bão đổ bộ theo các hướng khác nhau, từ đông sang tây hoặc tây bắc. Phân bố mưa bão ở vùng này đặc trưng bởi sự biến đổi nhanh chóng về cường độ. Số liệu vệ tinil cho thấy mưa tập trung chủ yếu ở phía đông bắc của tâm bão, tạo thành các dải mưa dài theo hướng bão di chuyển.

III. Tác động của cường độ bão đến phân bố mưa

Cường độ bão là một yếu tố quyết định đến phân bố lượng mưa và cường độ mưa cực đại. Các bão mạnh (cấp 10-12) thường tạo ra lượng mưa lớn hơn bão thường (cấp 8-9). Tốc độ gió cực đại và khí áp mực biển cực tiểu là hai thông số quan trọng để phân loại bão. Bão càng mạnh, trường mưa càng rộng và cường độ mưa càng cao, đặc biệt là ở vùng ven biển. Từ số liệu vệ tinh GSMaP, các nhà nghiên cứu thấy rằng bão siêu mạnh (cấp 13+) tạo ra các thành phần mưa bất đối xứng nổi bật hơn. Việc phân tích mối quan hệ giữa cường độ bão và phân bố mưa giúp cải tiến các mô hình dự báo mưa và cảnh báo lũ lụt.

3.1. Bão yếu và phân bố mưa

Bão yếu (cấp 8-9) thường tạo ra cường độ mưa từ 20-40 mm/h ở vùng gần tâm. Phân bố mưa bão ở loại bão này tương đối hẹp, chủ yếu tập trung trong bán kính 200-300km quanh tâm. Các thành phần bất đối xứng WN-1 vẫn đóng vai trò quan trọng nhưng không quá nổi bật so với bão mạnh.

3.2. Bão mạnh và siêu mạnh lượng mưa cực đại

Bão mạnh (cấp 10-12) và siêu mạnh (cấp 13+) tạo ra phân bố mưa rộng rãi với cường độ mưa có thể vượt 60-100 mm/h. Số liệu vệ tinil cho thấy các thành phần bất đối xứng WN-2, WN-3 trở nên rõ rệt, tạo ra các vùng mưa vô cùng tập trung ở một phía. Những bão này gây ra mưa lớn trên diện rộng, ảnh hưởng đến nhiều tỉnh thành.

IV. Ảnh hưởng của hướng bão đổ bộ và ENSO đến phân bố mưa

Hướng bão đổ bộ vào Việt Nam và các năm ENSO khác nhau đều tác động đáng kể đến phân bố mưa bão. Bão đổ bộ hướng tây bắc thường tạo ra mưa lớn ở Bắc Bộ, trong khi bão hướng tây nam gây mưa tập trung ở Nam Bộ. Số liệu vệ tinh GSMaP cho phép phân biệt rõ ràng các mẫu mưa khác nhau. Năm La Niña (điều kiện ENSO lạnh) có xu hướng tăng số lượng bão đổ bộ và lượng mưa bão lớn hơn. Ngược lại, năm El Niño (điều kiện ENSO ấm) thường ghi nhận ít bão hơn. Phân bố mưa bão theo năm ENSO có thể dự báo để hỗ trợ kế hoạch quản lý tài nguyên nước và phòng chống lũ lụt hiệu quả hơn.

4.1. Ảnh hưởng của hướng bão đến mẫu phân bố mưa

Bão đổ bộ theo ba hướng chính (tây bắc, tây, tây nam) tạo ra phân bố mưa hoàn toàn khác nhau. Hướng tây bắc (phổ biến nhất) gây mưa tập trung ở Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ. Cường độ mưa từ số liệu vệ tiutil cho thấy các thành phần WN-1 và WN-2 thay đổi theo hướng bão, với độ lệch cực đại ở phía bên phải quỹ đạo.

4.2. Mối liên hệ giữa ENSO và phân bố mưa bão

Năm La Niña có lượng mưa bão cao hơn do tăng cường hoạt động bão. Phân bố mưa trong các năm này rộng rãi hơn và cường độ cao hơn so với năm bình thường. Năm El Niño giảm số lượng bão nhưng những bão xảy ra có thể gây ra mưa khổng lồ tại các vùng cụ thể. Hiểu rõ mối liên hệ này từ số liệu vệ tinable giúp dự báo bão đổ bộ vào Việt Nam chính xác hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Những cơn bão nhiệt đới khi đổ bộ vào đất liền thường mang lại lượng mưa rất lớn cho các vùng bị ảnh hưởng. Mưa lớn kèm theo lũ lụt là một trong những thiên tai có sức tàn phá lớn nhất đối với các vùng ven biển trên thế giới, đặc biệt ở Việt Nam mưa lớn do bão thường xuyên gây ra lũ quét, sạt lở đất dẫn đến những thiệt hại to lớn về tài sản và tính mạng con người. Ví dụ về một số trận mưa lớn kỷ lục do các cơn bão gây ra đó là cơn bão tháng 9 năm 1927 đổ bộ vào Thanh Hoá đã gây ra mưa rất lớn ở Bắc Bộ. Riêng ở Đài Khí tượng Phủ Liễn trong 4 ngày (từ ngày 20 đến ngày 23) tổng lượng mưa đã lên tới 1023mm, riêng lượng mưa ngày 21 đã là 604mm, có những giờ lượng mưa lên đến 110mm.

Cơn bão Osang năm 1992 đổ bộ vào Tuy Hòa - Phú Yên, tổng lượng mưa đo được tại Tuy Hòa đạt 680mm, tại Phú Lâm đạt 600mm; tại Củng Sơn đạt xấp xỉ 600mm. Do đó sự phân bố lượng mưa trong một cơn bão có tầm quan trọng đặc biệt đối với các nhà khí tượng học trong việc phòng chống thiên tai. Mặc dù việc dự báo, theo dõi xoáy thuận nhiệt đới đã đạt được cải tiến lớn trong những thập kỷ qua [3,4], tuy nhiên việc dự báo lượng mưa và diện mưa khi bão đổ bộ vẫn chưa đạt được những kỳ vọng so với tiềm năng khoa học hiện nay. Trong khi quỹ đạo bão đã được dự báo tốt, nhưng sự phân bố và cường độ mưa thường được dự báo chưa đúng, đặc biệt là sự phân bố lượng mưa và cấu trúc trường mưa trong bão.

Do đó, việc hiểu rõ các đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng tới sự phân bố lượng mưa trong các cơn bão là rất quan trọng để cải thiện khả năng dự báo lượng mưa theo thời gian thực. Với sự phát triển của hệ thống quan sát thời tiết bằng vệ tinh ngày một lớn, các ước lượng lượng mưa thu được từ vệ tinh được áp dụng rộng rãi hơn cho cả nghiên cứu thời tiết và khí hậu, đặc biệt là để nghiên cứu lượng mưa của các cơn bão trước và sau khi đổ bộ vào đất liền. Mặc dù dữ liệu mưa quan trắc bề mặt thường xuyên có sẵn, thế nhưng những dữ liệu này có độ phân giải theo thời gian và không gian không cao, thậm chí có rất ít ở những vùng quan trọng như khu vực ven biển, 1 khu vực đất liền ven biển. Bên cạnh đó các sản phẩm radar thời tiết có thể cho độ phân giải không thời gian tốt, nhưng chúng bị giới hạn bởi phạm vi bao phủ, vì thế số liệu của chúng không thể bao phủ hết toàn bộ khu vực nghiên cứu.

Do đó, ước lượng lượng mưa vệ tinh là lựa chọn tốt để nghiên cứu đặc điểm mưa trong các cơn bão.1 Khái quát chung về bão 1.1 Định nghĩa và phân loại Bão là hệ thống khí áp thấp có đường đẳng áp khép kín gần tròn với gradient khí áp ngang và tốc độ gió rất lớn. Trong nghiệp vụ dự báo, người ta phân biệt áp thấp nhiệt đới khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm nhỏ hơn 17,2m/s và bão khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm bằng và lớn hơn 17,2m/s. Bão được gọi bằng nhiều tên khác nhau tuỳ theo từng khu vực hình thành bão trên Trái Đất. Bão có tên Hylạp là “Typhoon”, tên Arập là “Tufans”, tên Trung Quốc “Taifung” gần giống các từ Hylạp và Arập.

Ở Tây Thái Bình Dương và Biển Đông gọi là Typhoons. Miền biển Caribei gọi là Hurricane. Miền Úc châu gọi là Vilivili. Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấp ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu.

Trong những điều kiện thuận lợi vùng áp thấp này có thể khơi sâu thêm, gió vùng trung tâm mạnh lên trở thành áp thấp nhiệt đới và sau đó là bão. Trong giai đoạn phát triển ổn định có thể thấy mắt bão, khu vực đường kính 30-40km với khí áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu. Do trong mắt bão có dòng giáng nên nhiệt độ ở đây cao hơn xung quanh, ít mây hay quang mây. Trên ảnh mây vệ tinh, màn mây trong bão trong giai đoạn đầu là sự tập trung của các đám mây tích và vũ tích lớn, sau một thời gian có thể các tập hợp mây tích này có thể tạo thành dải mây có dạng xoáy về phía trung tâm.

Trong giai đoạn thuần thục mắt mới xuất hiện dưới dạng một hay hai chấm đen ở trung tâm bão. Theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm xoáy thuận nhiệt đới, tổ chức khí tượng thế giới (WMO: World Meteorological Organization) quy định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành: 1. Áp thấp nhiệt đới (Tropical depression): Là xoáy thuận nhiệt đới với hoàn lưu mặt đất giới hạn bởi một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở gần vùng trung tâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6 - cấp 7).2 Đặc trưng cơ bản của bão Trong không gian ba chiều, bão là một cột xoáy khổng lồ với bán kính có thể vượt quá 500 km. Tính trung bình ở mặt đất từ 0-3km không khí nóng ẩm từ xung quanh được dòng khí vận chuyển ngược chiều kim đồng hồ (ở Bắc Bán Cầu) và hội tụ vào khu vực trung tâm.

Từ mực 3-7km không khí được cuốn vào cột xoáy và bốc mạnh lên cao xung quanh mắt bão. Trong mắt bão hình thành dòng giáng bù lại cho phần không khí cuốn theo dòng thăng xung quanh mắt bão. Phía trên 7 km dòng khí toả ra từ tâm bão, thuận chiều kim đồng hồ, theo hoàn lưu của xoáy nghịch ở độ cao này để giải toả khối lượng không khí hội tụ ở mực thấp, duy trì áp thấp trong bão. Bão có các trường đặc trưng cơ bản như sau: - Trường nhiệt,.

- Trường áp - Trường chuyển động - Trường mây 1. Trường nhiệt áp: do chuyển động giáng, nhiệt độ không khí trong mắt bão lớn hơn rõ rệt so với khu vực xung quanh. Theo chiều cao đặc điểm này càng thể hiện rõ, càng lên cao các mặt đẳng nhiệt càng vồng lên. Theo kết quả tính toán của K.

Smith (2005) cho thấy phần sát đất của bão có nhiệt độ thấp hơn xung quanh. Phía trên mực này mới là lõi nóng trong mắt bão. Hệ quả của lõi nóng này là sự dãn ra và vồng lên theo chiều cao của mặt đẳng áp trong khu vực trung tâm và cả khu vực mắt 4 bão ở khu vực trung tâm bão do bậc khí áp ở khu nóng lớn hơn khu vực xung quanh. Chính vì vậy, nếu ở mặt đất mặt đẳng áp trong bão có dạng phễu rất sâu thì theo chiều cao mặt đẳng áp giảm độ nghiêng của nó.

Bão có các dòng khí nóng ẩm bốc lên cao rất mạnh xung quanh thành mắt bão. Hoàn lưu này vận chuyển năng lượng nhiệt, ngưng kết thành thế năng và từ thế năng này thành động năng. Quá trình ngưng kết này thể hiện ở dải mây mưa xoáy vào tâm xung quanh thành mắt bão. Theo Richl (1985), chỉ có 3% toàn bộ nhiệt ngưng kết là biến thành động năng, phần lớn lượng nhiệt này chuyển thành thế năng và toả ra ngoài theo dòng thổi ra từ tâm bão.

Trong mắt bão, nhất là ở tầng sát đất, gradien ngang của nhiệt độ nhỏ nhất. Ngoài thành mắt bão, do mưa nên nhiệt độ hạ thấp dưới nhiệt độ trung bình (trung bình tại địa phương). Nguồn nhiệt chính là mặt biển miền nhiệt đới với nhiệt độ cao trong khu vực hình thành bão, ít nhất là từ 26°C trở lên. Lượng nhiệt và độ ẩm ở mặt đất liên tục được cuộn vào phần dưới của bão, bù lại nhiệt do không khí bốc lên cao lạnh đi, nên ở lớp gần mặt đất nhiệt độ ít biến đổi theo chiều thẳng đứng.

Khi bão di chuyển khỏi nguồn nhiệt của nó hay đi vào miền vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp, dòng nhiệt đi vào ở mặt đất sẽ ngưng lại, không khí lớp sát đất bị lạnh đoạn nhiệt do bốc lên cao và dãn nở làm giảm nguồn năng lượng của bão. Sự lạnh đi của lớp không khí sát đất là nguyên nhân làm bão suy yếu, dòng thăng cưỡng bức của không khí lạnh làm tan lõi nóng trong bão. Ngược lại khi bão di chuyển tới vùng biển nóng hơn, bão sẽ mạnh lên. Ở mặt đất, khác với dạng ôvan của các đường đẳng áp trong xoáy thuận ngoại nhiệt đới, trong bão, các đường đẳng áp khép kín có dạng tròn gần như đồng tâm.

Khí áp ở vùng trung tâm có thể đạt tới giá trị cực tiểu là 850 mb. Đường đẳng áp ngoài cùng thường xấp xỉ hay dưới 1000 mb. Chính vì vậy gần mặt đất, mặt đẳng áp trong bão rất dốc, có dạng phễu. Gradien khí áp ngang có thể t ới 20mb/ 100km, lớn gấp 10 lần so với gradien khí áp ngang trong xoáy thuận ngoại nhiệt đới.

Ở trên cao, trong mô hình một dải mây, tại mực đỉnh bão, mặt đẳng áp vồng lên biểu thị áp cao với 5 hoàn lưu xoáy nghịch. Trong trường hợp mô hình hai dải mây mặt đẳng áp trong áp cao này được tách ra thành phần phía trong gần tâm bão và một phần ở phía bên ngoài của bão. Trường chuyển động: gradien khí áp ngang rất lớn ở mặt đất tạo nên trường gió rất mạnh, tốc độ gió trong bão trên 17,2m/s và có thể vượt quá 100m/s gây ra sức tàn phá rất lớn. Dòng khí rất mạnh hội tụ vào tâm và cuốn lên cao với tốc độ thẳng đứng trong mây vũ tích 5-10m/s (hay lớn hơn) xung quanh thành mắt bão.

Ở đỉnh bão là hệ thống áp cao giải phóng khối lượng không khí rất lớn hội tụ vào tâm bão ở mặt đất, duy trì khí áp rất thấp ở vùng trung tâm, đồng thời duy trì hoàn lưu trong bão. Kết quả tính tốc độ gió tiếp tuyến, tốc độ gió hướng tâm và đường dòng ở các mực mặt đất, 1km, 3km và 15km. Từ mặt đất đến độ cao 3km duy trì gió tiếp tuyến ngược chiều kim đồng hồ, theo chiều cao gió tiếp tuyến yếu dần và chuyển thành gió tiếp tuyến thuận chiều kim đồng hồ tại mực 15km. Gió hướng tâm ở mặt đất theo chiều cao dần chuyển thành gió ly tâm và tại độ cao 15km, gió ly tâm chiếm ưu thế rõ rệt.

Tại mặt đất dòng khí xoáy hội tụ vào tâm đến mực 3km khu vực dòng xoáy thuận chiều kim đồng hồ thu hẹp lại. Tại mực 15km đường đẳng áp phân kỳ ra theo chiều kim đồng hồ từ tâm ra phía ngoài.