Thạc Sĩ Nghiên cứu phát triển và ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bã

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Bão nhiệt đới là một trong những hiện tượng thời tiết nguy hiểm nhất, đặc biệt đối với những nơi nằm trong vùng hoạt động của bão – xoáy thuận nhiệt đới như nước ta. Với tốc độ gió cực mạnh gần tâm, bão có thể trực tiếp gây nên những thiệt hại nặng nề. Bão thường kèm theo mưa lớn có thể gây lũ lụt trên diện rộng và nước
dâng trong bão. Đặc biệt, cùng với xu thế nóng lên của khí hậu toàn cầu, sức tàn phá và mức độ nguy hiểm của bão cũng tăng lên (Emanuel 2005, [38]). Chính vì thế, yêu cầu về dự báo và cảnh báo bão chính xác, kịp thời là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối với nhiều cơ quan, ngành chức năng, nhất là đối với những người làm dự báo nghiệp vụ. Để có thể đưa ra những hướng dẫn phòng tránh, di dời kịp thời cho người dân, cần dự báo được 1) Quĩ đạo bão: Vị trí của bão trong tương lai, hướng di chuyển và vùng đổ bộ (nếu có); và 2) Cấu trúc và cường độ bão: Tốc độ gió cực lại, phân bố gió, vùng mưa và cường độ mưa. Trong hai yêu cầu trên thì yêu cầu thứ nhất, dự báo quĩ đạo, có thể thực hiện dễ dàng hơn, còn dự báo cường độ bão vẫn còn là thách thức lớn trên thế giới. Ở nước ta, việc dự báo quĩ đạo bão có tầm quan trọng đặc biệt. Tuy nhiên, những gì mà chúng ta đạt được vẫn đang ở mức độ khởi đầu, do đó một trong những nhiệm vụ trọng tâm của ngành khí tượng thủy văn nước ta hiện nay là nâng cao chất lượng dự báo bão, nhất là quĩ đạo bão.
Có nhiều phương pháp dự báo quĩ đạo bão:
1) phương pháp synop: chủ yếu sử dụng hệ thống các bản đồ hình thế thời tiết, dựa trên khái niệm dòng dẫn đường với giả thiết xoáy bão được đặt vào trường môi trường (dòng nền) và di chuyển cùng với dòng nền này;
2) phương pháp thống kê: dựa trên mối quan hệ thống kê giữa tốc độ và hướng di chuyển của xoáy bão với các tham số khí tượng khác nhau, qua đó xây dựng các phương trình dự báo. Một trong những mô hình thống kê sử dụng các yếu tố thống kê khí hậu và quán tính là CLIPER (CLImatology and PERsistent). CLIPER được coi là mô hình “không kỹ năng” và thường được sử dụng để đánh giá mức độ hiệu quả các các mô hình dự báo khác.
3) phương pháp sử dụng các mô hình số trị (hay phương pháp số), dựa trên việc giải số các phương trình toán học mô tả trạng thái của khí quyển để đưa ra được các yếu tố thời tiết trong tương lai.
Trong các phương pháp kể trên thì phương pháp số có nhiều ưu điểm nhất, cho phép dự báo quĩ đạo bão thông qua việc tích phân các phương trình mô tả động lực học khí quyển một cách khách quan, tính được các biến khí tượng một cách định lượng. Một trong những điều kiện tiên quyết để mô hình có thể dự báo chính xác là điều kiện ban đầu (trường ban đầu) mô tả đúng trạng thái thực của khí quyển. Thế nhưng điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng có được, nhất là đối với\ những trường hợp bão hình thành và hoạt động ở các vùng biển nhiệt đới, nơi màmạng lưới các trạm quan trắc vô cùng thưa thớt. Thực tế, nếu không có những nguồn số liệu quan trắc bổ sung khác, như ảnh vệ tinh, radar, mà chỉ với mạng lưới quan trắc synop truyền thống thì nhiều cơn bão sẽ không được phát hiện, hoặc nếu có thì thường không chính xác về vị trí tâm xoáy cũng như cấu trúc và cường độ. Để có thể biểu diễn chính xác hơn cấu trúc và vị trí của bão trong trường ban đầu cho các mô hình số người ta thường sử dụng phương pháp ban đầu hóa xoáy bão. Mục đích cuối cùng của các phương pháp này là thay thế xoáy phân tích không chính xác trong trường ban đầu bằng một xoáy nhân tạo mới sao cho có thể mô tả gần đúng nhất với xoáy bão thực. Một trong những phương pháp ban đầu hóa xoáy thường được sử dụng là cài xoáy giả (bogus vortex) hay còn gọi là xoáy nhân tạo (artificial vortex). Phương pháp này bao gồm 2 quá trình: 1) “Tách” xoáy phân tích ra khỏi trường môi trường và 2) Xây dựng một xoáy nhân tạo dựa trên lý thuyết hoặc kinh nghiệm và một số thông tin quan trắc bổ sung về bão như vị trí tâm, quĩ 3 đạo, cường độ, v.v. (từ đây sẽ gọi các thông tin bổ sung này là các chỉ thị bão) để từ đó kết hợp với trường môi trường. Các phương pháp ban đầu hóa xoáy đã được sử
dụng cho cả những mô hình hai chiều đơn giản như mô hình chính áp đến những mô hình ba chiều đầy đủ, và thực tế đã chứng tỏ rằng trong đa số trường hợp việc ban đầu hóa xoáy đã góp phần nâng cao được chất lượng dự báo quĩ đạo bão một cách đáng kể.
Ở nước ta, trong qui trình dự báo bão hiện nay chủ yếu sử dụng phương pháp synop và CLIPER, còn kết quả của mô hình số chỉ mang tính tham khảo, nên hạn dự báo mới chỉ thực hiện cho 24 giờ. Sở dĩ như vậy là vì độ chính xác của quĩ đạo dự báo bằng mô hình số còn rất hạn chế. Để có thể đưa ra các bản tin dự báo quĩ đạo bão ở những hạn dài hơn, chẳng hạn hai đến ba ngày hoặc hơn nữa, nhất thiết phải sử dụng mô hình số. Vì thế, việc sử dụng mô hình số trị trong nghiệp vụ dự báo bão là một yêu cầu cấp thiết. Hiện tại có hai mô hình được chạy nghiệp vụ tại trung tâm dự báo khí tượng thủy văn trung ương là mô hình chính áp WBAR (Weber 2001 [82]) và mô hình khu vực phân giải cao HRM. Ngoài ra, còn một số mô hình khu vực khác đã và đang được nghiên cứu, thử nghiệm tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHKHTN), Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN), Viện Khí tượng Thủy Văn và Trung Tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, chẳng hạn như RAMS, MM5, ETA, WRF. Mô hình WBAR có sử dụng kỹ thuật phân tích và tạo xoáy nhân tạo. Sơ bộ đánh giá cho thấy trong nhiều trường hợp WBAR cho kết quả dự báo khả quan, nhất là đối với những cơn bão mạnh, ổn định. Tuy nhiên, do WBAR là mô hình chính áp nên khi có những hệ thống thời tiết phức tạp, đặc biệt khi bão bị những hệ thống tà áp mạnh khống chế thì sai số dự báo sẽ rất lớn (Lê Công Thành, 2004)[16]. Mô hình HRM là một trong những mô hình số dự báo thời tiết đầu tiên được đưa vào chạy nghiên cứu và nghiệp vụ ở Việt Nam trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu khoa học độc lập cấp Nhà nước giai đoạn 2000ư2002 do PGS. TSKH Kiều Thị Xin làm chủ trì (Kiều Thị Xin và nnk (2002) [21]). Mô hình HRM đã được đánh giá là có kỹ năng dự báo bão khá ổn định (Lê Công Thành, 2004)[16]. Như vậy, việc chọn HRM là mô hình để dự báo quĩ đạo bão là một 4 phương án khả thi. Tuy nhiên, đối với những cơn bão yếu, sai số dự báo của HRM vẫn còn khá lớn mà một trong những lý do chính là vị trí và cấu trúc của xoáy bão trong trường phân tích toàn cầu bị sai lệch so với xoáy bão thực. Vì những lý do nêu trên, chúng tôi đã chọn phương án nghiên cứu phát triển sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho HRM nhằm nâng cao khả năng dự báo quĩ đạo bão ở Việt Nam.

Mục lục
Lời cam đoan . i
Lời cảm ơn . ii
Mục lục iii
Danh mục hình ảnh .v
Danh mục bảng biểu ix
Danh mục các ký hiệu viết tắt .x
MỞ ĐẦU .1
Tính cấp thiết của đề tài . 1
Mục đích của luận án . 4
Những đóng góp mới của luận án . 4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn . 4
Tóm tắt cấu trúc luận án 5
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BÃO VÀ BAN ĐẦU
HÓA XOÁY BÃO 6
1.1 Những nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng về chuyển động của bão 7
1.2 Những nghiên cứu ban đầu hóa xoáy trong các mô hình dự báo chuyển động của
bão 12
1.2.1 Các phương pháp xây dựng xoáy nhân tạo 14
1.2.2 Các phương pháp phân tích xoáy . 24
1.2.3 Các phương pháp kết hợp xoáy nhân tạo với trường môi trường 29
1.3 Những nghiên cứu trong nước về dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình số 32
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY
BA CHIỀU 36
2.1 Phương pháp phân tích xoáy ba chiều . 36
2.1.1 Xác định trường qui mô lớn . 38
2.1.2 Xác định vị trí tâm xoáy phân tích . 40
2.1.3 Phân tích phương vị . 41
2.2 Phương pháp xây dựng xoáy ba chiều cân bằng . 43
2.3 Khảo sát sơ đồ xây dựng xoáy cân bằng . 47
2.3.1 Tổng quan về mô hình WRF 47
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm . 56
2.3.3 Một số kết quả 58
2.4 Một số nhận xét . 67
iv
CHƯƠNG 3 : ÁP DỤNG SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU DỰ
BÁO QUĨ ĐẠO BÃO .69
3.1 Sơ lược về mô hình HRM 70
3.1.1 Hệ phương trình cơ bản 70
3.1.2 Lưới ngang . 73
3.1.3 Lưới thẳng đứng . 73
3.1.4 Tham số hóa vật lý . 75
3.2 Ban đầu hóa xoáy ba chiều cho HRM_TC 76
3.3 Xác định các tham số khả dụng . 79
3.3.1 Số liệu và miền tính . 79
3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá 80
3.3.3 Bán kính gió cực đại 83
3.3.4 Bán kính gió 15m/s 93
3.3.5 Hàm trọng số theo phương thẳng đứng 102
3.3.6 Kết hợp phân bố gió tiếp tuyến phân tích với phân bố gió tiếp tuyến giả . 110
3.4 Nhận xét chung 114
CHƯƠNG 4 : THỬ NGHIỆM SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY MỚI .117
4.1 Thiết kế thí nghiệm 117
4.1.1 Cấu hình thí nghiệm . 117
4.1.2 Các trường hợp bão dự báo 118
4.1.3 Số liệu và miền tính . 119
4.1.4 Các chỉ tiêu đánh giá 119
4.2 Kết quả dự báo thử nghiệm . 120
4.2.1 Khảo sát một số trường hợp . 120
4.2.2 Đánh giá chung 126
4.3 Tóm tắt . 129
KẾT LUẬN .131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
134
TÀI LIỆU THAM KHẢO .135
PHỤ LỤC 142