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

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 đềtài . 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 VỀBÃO VÀ BAN ĐẦU
HÓA XOÁY BÃO 6
1.1 Những nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng vềchuyển động của bão 7
1.2 Những nghiên cứu ban đầu hóa xoáy trong các mô hình dựbáo 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 vềdựbáo quỹ đạo bão bằng mô hình số 32
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SƠ ĐỒBAN 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 vịtrí 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 đồxây dựng xoáy cân bằng . 47
2.3.1 Tổng quan vềmô hình WRF 47
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm . 56
2.3.3 Một sốkết quả 58
2.4 Một sốnhận xét . 67
CHƯƠNG 3 : ÁP DỤNG SƠ ĐỒBAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU DỰ
BÁO QUĨ ĐẠO BÃO .69
3.1 Sơlược vềmô hình HRM 70
3.1.1 Hệphương trình cơbản 70
3.1.2 Lưới ngang . 73
3.1.3 Lưới thẳng đứng . 73
3.1.4 Tham sốhóa vật lý . 75
3.2 Ban đầu hóa xoáy ba chiều cho HRM_TC 76
3.3 Xác định các tham sốkhảdụng . 79
3.3.1 Sốliệu và miền tính . 79
3.3.2 Các chỉtiêu 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 sốtheo phương thẳng đứng 102
3.3.6 Kết hợp phân bốgió tiếp tuyến phân tích với phân bốgió tiếp tuyến giả . 110
3.4 Nhận xét chung 114
CHƯƠNG 4 : THỬNGHIỆM SƠ ĐỒBAN ĐẦU HÓA XOÁY MỚI .117
4.1 Thiết kếthí nghiệm 117
4.1.1 Cấu hình thí nghiệm . 117
4.1.2 Các trường hợp bão dựbáo 118
4.1.3 Sốliệu và miền tính . 119
4.1.4 Các chỉtiêu đánh giá 119
4.2 Kết quảdựbáo thửnghiệm . 120
4.2.1 Khảo sát một sốtrường hợp . 120
4.2.2 Đánh giá chung 126
4.3 Tóm tắt . 129
KẾT LUẬN .131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢLIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
.134
TÀI LIỆU THAM KHẢO .135
PHỤLỤC 142
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đềtài
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 độgió cực mạnh gần tâm, bão có thểtrực tiếp gây nên những thiệt
hại nặng nề. Bão thường kèm theo mưa lớn có thểgây lũlụt trên diện rộng và nước
dâng trong bão. Đặc biệt, cùng với xu thếnóng lên của khí hậu toàn cầu, sức tàn
phá và mức độnguy hiểm của bão cũng tăng lên (Emanuel 2005,[38]). Chính vì
thế, yêu cầu vềdựbáo và cảnh báo bão chính xác, kịp thời là một trong những
nhiệm vụquan trọng hàng đầu đối với nhiều cơquan, ngành chức năng, nhất là đối
với những người làm dựbáo nghiệp vụ. Đểcó thể đưa ra những hướng dẫn phòng
tránh, di dời kịp thời cho người dân, cần dựbáo được 1) Quĩ đạo bão: Vịtrí của bão
trong tương lai, hướng di chuyển và vùng đổbộ(nếu có); và 2) Cấu trúc và cường
độbão: Tốc độgió cực lại, phân bốgió, vùng mưa và cường độmưa. Trong hai yêu
cầu trên thì yêu cầu thứnhất, dựbáo quĩ đạo, có thểthực hiện dễdàng hơn, còn dự
báo cường độbão vẫn còn là thách thức lớn trên thếgiới. Ởnước ta, việc dựbáo quĩ
đạo bão có tầm quan trọng đặc biệt. Tuy nhiên, những gì mà chúng ta đạt được vẫn
đang ởmức độkhởi đầu, do đó một trong những nhiệm vụtrọng tâm của ngành khí
tượng thủy văn nước ta hiện nay là nâng cao chất lượng dựbáo bão, nhất là quĩ đạo
bão.
Có nhiều phương pháp dựbáo quĩ đạo bão:
1) phương pháp synop: chủyếu sửdụng hệthống các bản đồhình thếthời
tiết, dựa trên khái niệm dòng dẫn đườngvới giảthiết 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 hệthống kê giữa tốc độvà
hướng di chuyển của xoáy bão với các tham sốkhí tượng khác nhau, qua
đó xây dựng các phương trình dựbáo. Một trong những mô hình thống kê
sửdụng các yếu tốthống kê khí hậu và quán tính là CLIPER (CLImatology
and PERsistent). CLIPER được coi là mô hình “không kỹnăng” và thường
được sửdụng để đánh giá mức độhiệu quảcác các mô hình dựbáo khác.
3) phương pháp sửdụng các mô hình sốtrị(hay phương pháp số), dựa trên
việc giải sốcác phương trình toán học mô tảtrạng thái của khí quyển để
đưa ra được các yếu tốthời tiết trong tương lai.
Trong các phương pháp kểtrên thì phương pháp sốcó nhiều ưu điểm nhất,
cho phép dựbáo 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 đểmô hình có thểdựbáo chính
xác là điều kiện ban đầu (trường ban đầu) mô tả đúng trạng thái thực của khí quyển.
Thếnhưng điều này không phải lúc nào cũng dễdàng có được, nhất là đối với
những trường hợp bão hình thành và hoạt động ởcác vùng biển nhiệt đới, nơi mà
mạng lưới các trạm quan trắc vô cùng thưa thớt. Thực tế, nếu không có những
nguồn sốliệu quan trắc bổsung khác, như ảnh vệtinh, radar, mà chỉvới mạng
lưới quan trắc synop truyền thống thì nhiều cơn bão sẽkhông được phát hiện, hoặc
nếu có thì thường không chính xác vềvịtrí tâm xoáy cũng nhưcấu trúc và cường
độ. Đểcó thểbiểu diễn chính xác hơn cấu trúc và vịtrí của bão trong trường ban
đầu cho các mô hình sốngười ta thường sửdụng phương pháp ban đầu hóa xoáy
bão. Mục đích cuối cùng của các phương pháp này là thay thếxoáy phân tích không
chính xác trong trường ban đầu bằng một xoáy nhân tạo mới sao cho có thểmô tả
gần đúng nhất với xoáy bão thực. Một trong những phương pháp ban đầu hóa xoáy
thường được sửdụng 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 sốthông tin quan trắc bổsung vềbão nhưvịtrí tâm, quĩ
đạo, cường độ, v.v. (từ đây sẽgọi các thông tin bổsung này là các chỉthịbão) đểtừ
đó kết hợp với trường môi trường. Các phương pháp ban đầu hóa xoáy đã được sử
dụng cho cảnhững mô hình hai chiều đơn giản nhưmô hình chính áp đến những
mô hình ba chiều đầy đủ, và thực tế đã chứng tỏrằng trong đa sốtrường hợp việc
ban đầu hóa xoáy đã góp phần nâng cao được chất lượng dựbáo quĩ đạo bão một
cách đáng kể.
Ởnước ta, trong qui trình dựbáo bão hiện nay chủyếu sửdụng phương pháp
synop và CLIPER, còn kết quảcủa mô hình sốchỉmang tính tham khảo, nên hạn
dựbáo mới chỉthực hiện cho 24 giờ. Sởdĩnhưvậy là vì độchính xác của quĩ đạo
dựbáo bằng mô hình sốcòn rất hạn chế. Đểcó thể đưa ra các bản tin dựbáo quĩ
đạo bão ởnhững hạn dài hơn, chẳng hạn hai đến ba ngày hoặc hơn nữa, nhất thiết
phải sửdụng mô hình số. Vì thế, việc sửdụng mô hình sốtrịtrong nghiệp vụdự
báo bão là một yêu cầu cấp thiết. Hiện tại có hai mô hình được chạy nghiệp vụtại
trung tâm dựbáo 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, thửnghiệm tại Trường Đại học
Khoa học Tựnhiên (ĐHKHTN), Đại học Quốc gia Hà Nội (ĐHQGHN), Viện Khí
tượng Thủy Văn và Trung Tâm Dựbáo Khí tượng Thủy văn Trung ương, chẳng
hạn nhưRAMS, MM5, ETA, WRF. Mô hình WBAR có sửdụng kỹthuật phân tích
và tạo xoáy nhân tạo. Sơbộ đánh giá cho thấy trong nhiều trường hợp WBAR cho
kết quảdựbáo khảquan, nhất là đối với những cơn bão mạnh, ổn định. Tuy nhiên,
do WBAR là mô hình chính áp nên khi có những hệthống thời tiết phức tạp, đặc
biệt khi bão bịnhững hệthống tà áp mạnh khống chếthì sai sốdựbáo sẽrất lớn (Lê
Công Thành, 2004)[16]. Mô hình HRM là một trong những mô hình sốdựbáo thời
tiết đầu tiên được đưa vào chạy nghiên cứu và nghiệp vụ ởViệt Nam trong khuôn
khổ đềtài nghiên cứu khoa học độc lập cấp Nhà nước giai đoạn 2000ư2002 do
PGS. TSKH Kiều ThịXin làm chủtrì (Kiều ThịXin và nnk (2002) [21]). Mô hình
HRM đã được đánh giá là có kỹnăng dựbáo bão khá ổn định (Lê Công Thành,
2004)[16]. Nhưvậy, việc chọn HRM là mô hình đểdựbáo quĩ đạo bão là một
phương án khảthi. Tuy nhiên, đối với những cơn bão yếu, sai sốdựbáo của HRM
vẫn còn khá lớn mà một trong những lý do chính là vịtrí và cấu trúc của xoáy bão
trong trường phân tích toàn cầu bịsai lệch so với xoáy bão thực. Vì những lý do nêu
trên, chúng tôi đã chọn phương án nghiên cứu phát triển sơ đồban đầu hóa xoáy ba
chiều cho HRM nhằm nâng cao khảnăng dựbáo quĩ đạo bão ởViệt Nam.
Mục đích của luận án
Luận án nhằm mục đích xây dựng được một sơ đồban đầu hóa xoáy ba chiều
và áp dụng nó cho một mô hình sốtrịnhằm góp phần nâng cao chất lượng dựbáo
quĩ đạo bão ởViệt Nam tới hạn 48h.
Những đóng góp mới của luận án
- Đã nghiên cứu, phát triển và xây dựng được một sơ đồban đầu hóa xoáy ba
chiều mới dựa trên lý thuyết xoáy cân bằng, có thểáp dụng vào các mô hình
dựbáo quỹ đạo bão với sốliệu thực hoặc ứng dụng trong nghiên cứu lý
tưởng.
- Đã áp dụng thành công sơ đồban đầu hóa xoáy mới nói trên cho mô hình
HRM và phát triển mô hình này thành phiên bản mới (HRM_TC) vừa có
chức năng dựbáo bão vừa có chức năng dựbáo thời tiết nói chung.
- Đã khảo sát và xác lập được bộtham sốphù hợp cho sơ đồban đầu hóa xoáy
của HRM_TC đểdựbáo quĩ đạo bão trên khu vực biển Đông.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Luận án đã đặt ra và giải quyết thành công bài toán ban đầu hóa xoáy cho mô
hình dựbáo sốnhằm nâng cao chất lượng dựbáo bão của mô hình. Những kết quả
thu nhận được của luận án đã góp phần làm sáng tỏvai trò và ý nghĩa của vấn đề
ban đầu hóa xoáy, của các tham sốvật lý xác định cấu trúc ngang và cấu trúc đứng
của bão hoạt động trên khu vực Biển Đông. Việc nghiên cứu xây dựng được một sơ
đồban đầu hóa xoáy ba chiều và áp dụng nó cho mô hình HRM, phát triển mô hình
này thành phiên bản mới cho mục đích dựbáo bão (HRM_TC) vừa có ý nghĩa đóng
góp cho khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển mô hình dựbáo số, vừa có ý
nghĩa ứng dụng thực tiễn là nâng cao chất lượng dựbáo bão ởViệt Nam.
Tóm tắt cấu trúc luận án
Ngoài các mục mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụlục, v.v . nội dung
chính của luận án bao gồm:
ã Chương 1: “Tổng quan các nghiên cứu vềbão và ban đầu hóa xoáy bão”.
Chương này tổng quan các nghiên cứu liên quan đến chuyển động của bão
và thảo luận các phương pháp ban đầu hóa xoáy bão.
ã Chương 2: “Nghiên cứu phát triển sơ đồban đầu hóa xoáy bão ba chiều”.
Chương này mô tảphương pháp phân tích xoáy và và xây dựng xoáy cân
bằng sẽ được ứng dụng đểxây dựng sơ đồban đầu hóa xoáy, sơ đồxây
dựng xoáy ba chiều cân bằng sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu lý
tưởng sựtiến triển của XTNĐvới mô hình WRF.
ã Chương 3: “Áp dụng sơ đồban đồban đầu hóa xoáy ba chiều dựbáo quĩ
đạo bão”. Chương này khảo sát sơ đồban đầu hóa xoáy ba chiều được xây
dựng cho mô hình HRM. Một sốthí nghiệm độnhạy của các tham sốtùy
chọn của sơ đồsẽ được khảo sát để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chúng
và tìm được một bộtham sốthích hợp cho mục đích dựbáo quĩ đạo bão
trên khu vực Biển Đông.
ã Chương 4: “Thửnghiệm sơ đồban đầu hóa xoáy mới”. Sửdụng HRM_TC
với bộtham sốnhận được qua các thí nghiệm khảo sát ởchương 3 đểthử
nghiệm dựbáo quĩ đạo bão cho khu vực Biển Đông.