Lời cảm ơn Trong quá trình làm khóa luận này, em xin chân thành cảm ơn trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Khoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải Dương Học đã quan tâm tạo điều kiện cho em được học tập và công tác trong suốt 4 năm qua và hoàn thành xong khóa luận này. Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô và anh chị làm việc tại Khoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải Dương Học đã giúp đỡ tạo điều kiện cho em để em hoàn thiện xong khóa luận. Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới ThS. Vũ Thanh Hằng, người đã trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận. Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn. Hà Nội tháng 05 năm 2008 Sinh viên Nguyễn Thị Ái Quyên 1 MỤC LỤC TRANG Mở đầu 3 Chương 1. Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão 4 1.1. Định nghĩa và phân loại 4 1.1.1 Đinh nghĩa 4 1.1.2. Phân loại 5 1.3. Độ mạnh, cường độ và kích thước của bão 5 1.4. Các điều kiện hình thành xoáy thuận nhiệt đới – bão 6 1.5. Những đức trưng cơ bản của bão 7 1.5.1. Trường nhiệt áp 7 1.5.2. Trường chuyển động 8 1.5.3. Hệ thống mây 9 1.6. Các giai đoạn phát triễn của bão 10 1.6.1. Giai đoạn hình thành 10 1.6.2, Giai đoạn trẻ 11 1.6.3. Giai đoạn chín muồi 11 1.6.4. Giai đoạn ta rã 12 Chương 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới 13 2.1. Các phương trình chuyển động 13 2.2. Lực nổi 14 2.3. Hoàn lưu sơ cấp 16 2.4. Sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão 18 2 2.5. Dự báo sự di chuyển của bão 19 2.5.1. Xác định tâm bão 19 2.5.1.1. xác định tâm bão theo trường áp 19 2.5.1.2. Xác định tâm bão theo góc nghiêng của dòng khí ở gần tâm bão 20 2.5.1.3. Phương pháp xác định tâm bão bằng ảnh mây vệ tinh 21 2.5.2. Dự báo quỹ đạo bão 21 2.5.2.1. Phương pháp quán tính và phượng pháp khí hậu 21 2.5.2.2. Phương pháp synốp 22 2.6. Sự tan rã của bão 25 Chương 3. Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình HRM 28 3.1. Khía quát về mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HRM 28 3.2. Một số chỉ tiêu đánh giá sai số quỹ đạo bão 34 3.3. Nguồn số liệu 35 3.4. Kết quả đánh giá sai số quỹ đạo bão và phân tích 36 Kết luận 44 Tài liệu tham khảo 45 3 Mở đầu Xoáy thuận nhiệt đới - bão là một hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm đối với các hoạt động kinh tế xã hội cũng như đời sống của con người. Hệ quả thời tiết mà bão gây ra chẳng hạn như mưa lớn gây lũ lụt, sóng mạnh gió giật có sức tàn phá nặng nề gây thiệt hại về vật chất cũng như tính mạng con người. Chính vì vậy các nhà khí tượng cần phải nghiên cứu về bão và đưa ra những phương pháp dự báo cường độ và quỹ đạo bão. Khu vực Tây Thái Bình Dương là một trong những khu vực tập trung nhiều bão nhất và có cường độ mạnh hơn so với các đại dương khác trên thế giới. Chính vì vậy, việc tìm hiểu hoạt động của bão tại khu vực này và bão ảnh hưởng tới Việt Nam là rất cần thiết. Trong khóa luận này, em tìm hiểu về cơ chế vật lý và một số phương pháp dự báo sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão. Bên cạnh đó, thử nghiệm chạy mô hình HRM cho 6 cơn bão (cơn bão Kino, Krovanh, Nepatak, Chanthu, Vicenter và Damrey) với thời hạn dự báo 48h và phân tích đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão của mô hình. Cấu trúc khóa luận gồm có 3 chương: Chương 1. Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão Chương 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão Chương 3. Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão của mô hình HRM Kết luận 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI – BÃO 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1. Định nghĩa Theo Atkinson (1971): ‘’Bão là xoáy thuận quy mô synốp không có front, phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưu xác định’’. 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. Hình 1.1. Tên gọi của xoáy thuận nhiệt đới – bão của các khu vực 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 5 áp thấp này có thể khơi sâu thêm, gió vùng quanh 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 ở giai đoạn đầu là sự tập trung của các đám mây tích và vũ tích lớn, sau một thời gian 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 bão mới xuất hiện dưới dạng một hay hai chấm đen ở trung tâm bão. 1.1.2. Phân loại Dựa vào 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 vùng gần trung tâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6- cấp 7). 2/ Bão nhiệt đới (Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với các đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 17,2 đến 24,4m/s (cấp 8- cấp 9). 3/ Bão mạnh (Severe Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6m/s (cấp 10- cấp 11). 4/ Bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 32,7m/s trở lên (trên cấp 11). a, b, 6 Hình 1.2. Hình ảnh của một xoáy thuận nhiệt đới – bão a, ảnh mây vệ tinh; b, mô tả cấu trúc của một cơn bão 1.3. ĐỘ MẠNH, CƯỜNG ĐỘ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA BÃO Độ mạnh được xác định bởi tốc độ gió lấy trung bình theo không gian trong phạm vi khoảng từ 100km đến 250km tính từ tâm bão. Cường độ được xác định bởi tốc độ gió cực đại hay áp suất mực biển cực tiểu. Cường độ xoáy thuận nhiệt đới khác nhau rất nhiều. Căn cứ vào quyết định của hội nghị khí tượng thế giới, đã chia xoáy thuận nhiệt đới làm 4 loại theo cường độ: áp thấp nhiệt đới, bão nhiệt đới, bão mạnh, bão rất mạnh. Kích thước của cơn bão được xác định là bán kính trung bình của tốc độ gió mạnh (≥ 17m/s) hay của đường đẳng áp khép kín ngoài cùng (ROCI). Quan trắc cho thấy kích thước và độ mạnh của cơn bão có quan hệ chặt chẽ với nhau, tuy nhiên lại không quan hệ tốt với cường độ bão. Thông thường, sự tăng cường độ thì sẽ dẫn tới tăng độ mạnh và sự giảm cường độ ở tâm thì sẽ làm giảm hoàn lưu phía ngoài của bão. Kích thước mang tính khí hậu học được thiết lập tốt ở khu vực Đại Tây Dương và Bắc Thái Bình Dương. Tính trung bình, những cơn bão nhiệt đới có kích thước là 1.5 0 độ vĩ, lớn hơn so với các cơn bão ở Đại Tây Dương. Những xoáy thuận nhiệt đới kích thước nhỏ (ROCI < 2 0 độ vĩ) thường xẩy ra vào đầu mùa bão (tháng 8), và những xoáy thuận nhiệt đới kích thước lớn (ROCI >10 0 độ vĩ) xuất hiện vào cuối mùa (tháng 10). Xoáy thuận nhiệt đới có kích thước lớn trung bình thường thấy ở 30 0 độ vĩ bắc. Phân loại theo quan trắc dựa theo kích thước mắt bão [nhỏ (bán kính ≤ 15km), trung bình (16-30km), lớn (30-120km), và không tồn tại thành mắt bão] cho thấy mối tương quan giữa cường độ và độ mạnh. 1.4. CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI-BÃO Bão là một xoáy thuận nhiệt đới được cấu trúc bởi khối khí nóng ẩm với dòng thăng rất mạnh xung quanh mắt bão, tạo thành hệ thống mây mưa xoáy vào vùng trung tâm bão. Năng lượng bão là ẩn nhiệt ngưng kết của lượng hơi nước 7 khổng lồ bốc hơi từ mặt biển. Bão chỉ hình thành khi có sự phối hợp của các nhân tố nhiệt động lực và trong hình thế synốp nhất định. 1/ Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ 26- 27 0 C) bảo đảm nước bốc hơi mạnh cung cấp năng lượng ngưng kết lớn cho hệ thống bão. 2/ Thông số coriolis có giá trị đủ lớn tạo xoáy. Bão thường hình thành trong giới hạn vĩ độ 5-20 0 hai bên xích đạo. 3/ Dòng cơ bản có độ đứt thẳng đứng của gió yếu, bảo đảm cho sự tập trung của dòng ẩm vào khu vực bão trong thời gian đầu của sự hình thành bão. 4/ Ở trên cao, trường khí áp phải phân kỳ để bảo đảm sự giải tỏa khối lượng không khí hội tụ ở mặt đất và duy trì bão. 5/ Ở mặt đất phải có nhiễu động áp thấp ban đầu. 1.5. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO 1.5.1. Trường nhiệt áp Do chuyển động giáng, nhiệt độ không khí trong mắt bão lớn rõ rệt so với khu vực xung quanh. Theo chiều cao, đặc điểm này càng thể hiện rõ. Trên hình 1.3 các mặt đẳng nhiệt theo chiều cao càng có dạng vồng lên. Kết quả tính toán mới đây của R.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 giãn ra vồng lên theo chiều cao của mặt đẳng áp trong khu vực trung tâm và cả khu vực mắt bão (biểu diễn bằng đường liền nét trên hình 1.3) 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 hình phễu rất sâu thì theo chiều cao mặt đẳng áp giảm độ nghiêng của nó. Bão có dòng khí nóng ẩm bốc lên cao rất mạnh xung quanh thành mắt bão. Hoàn lưu này vận chuyển năng lương nhiệt, ngưng kết thành thế năng và từ thế năng chuyển thành động năng. Quá trình ngưng kết này thể hiện ở dải mây mưa xoáy vào tâm xung quanh thành mắt bão. 8 Hình 1.3. Sơ đồ mặt cắt thẳng đứng của một cơn bão. Đường liền nét là đường đẳng áp cơ bản từ 1000mb đến 100mb. Đường đứt nét là đường đẳng nhiệt. Đường cong nét liền đậm phân chia nhiệt độ tăng đáng kể xung quanh lõi bão (Palmen, 1948). Khác với xoáy thuận ngoại nhiệt đới có dạng đường đẳng áp hình ôvan, bão có các đường đẳng áp gần tròn và với gradient khí áp ở gần vùng trung tâm rất lớn (tới 20mb/100km, lớn gấp 10 lần so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới). 1.5.2. Trường chuyển động Gradient 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 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 tỏa 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. Trên hình 1.4 biểu diễn trường tốc độ (m/s) được xây dựng trên mặt cắt qua cơn bão mô tả phân bố tốc độ gió theo khoảng cách tới tâm bão và theo chiều cao. Ta có thể thấy ngoài khu vực mắt bão lặng gió là khu vực gió cực đại bao quanh thành mắt bão với tốc độ 30m/s lan từ độ cao khoảng 0,5km lên tới 6km (vùng tô đậm). Khu vực có tốc độ gió 20m/s lan đến tận độ cao gần 12km. Càng cách xa tâm bão ra phía rìa bão tốc độ gió càng giảm, ở khoảng cách 1000km tốc độ gió chỉ còn lại 5m/s. Càng lên cao phạm vi gió hướng xoáy thuận (thể hiện bằng tốc độ dương) thu hẹp lại, rõ nhất là từ mực 12km. Từ mực này gió chuyển dần sang hoàn lưu xoáy nghịch (thể hiện bằng tốc độ âm) theo chiều kim đồng hồ với tốc độ khoảng 5m/s như thể hiện trên hình 1.4. 9 Hình 1.4 Mặt cắt thẳng đứng của tốc độ gió tiếp tuyến (m/s) (Izawa, 1954) Phân bố ba chiều của chuyển động trong xoáy thuận nhiệt đới được biểu diễn bởi gió tiếp tuyến, gió hướng tâm và từ tâm ra ngoài và đường dòng. Tốc độ gió tiếp tuyến cực đại tại mặt đất nằm ở phía phải cơn bão so với hướng chuyển động từ đông sang tây trên tất cả các mực. Tại mặt đất tốc độ gió tiếp tuyến cực đại có thể tới 20m/s, tăng gấp đôi (40m/s) tại mực 1km và thực tế không đổi đến độ cao 9km, sau đó giảm dần theo độ cao 3km đến độ cao 15km. Đường dòng chuyển từ dạng xoáy trôn ốc đơn thuần ở mặt đất sang dạng gần tròn đồng tâm ở mực 1km. Kích thước của hoàn lưu tăng theo chiều cao. Phía trên 12km chỉ có hoàn lưu xoáy thuận nhỏ ở gần tâm còn bao quanh là các vòng hoàn lưu xoáy nghịch với các dòng khí thổi ra từ tâm bão. - Lớp dưới cùng 0-3km là lớp dòng đi vào có thành phần hướng tâm, lớp dòng vào mạnh nhất là ở gần mặt đất từ 0-1km. - Lớp giữa khoảng 3-7km, dòng khí chủ yếu là thành phần tiếp tuyến, thành phần hướng tâm rất nhỏ. - Lớp dòng đi ra từ 7km đến đỉnh của bão, cực đại của dòng đi ra có thành phần từ tâm ta ngoài của bão chín muồi ở gần độ cao 12km. 1.5.3. Hệ thống mây Cấu trúc chủ yếu của hệ thống mây là mây đối lưu “dải mây mưa” có dạng xoắn trôn ốc về phía tâm bão. Trên ảnh mây vệ tinh đó là các đĩa mây khổng lồ đường kính tới 1000-2000km với dải mây tích mầu trắng chuyển động cuốn vào tâm. Dòng thăng tập trung ở dải này, dải có vận tốc 20-30m/s. Vận chuyển nhiệt 10 [...]... CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRƯỞNG THÀNH VÀ SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI 2.1 C ÁC PH Ư Ơ N G TRÌN H C H U Y ỂN ĐỘ N G Các phương trình nguyên thủy của chuyển động bao gồm phương trình động lượng ngang, phương trình thủy tĩnh, phương trình liên tục, phương trình nhiệt động lực và phương trình trạng thái đối với chuyển động không ma sát trong một hệ tọa độ quay trên mặt phẳng f có thể biểu di n... bão càng lớn, bão cũng có khả năng di chuyển theo tác động của nội lực Có trường hợp bão cắt ngang qua áp cao cận nhiệt, nghĩa là cắt ngang qua dòng dẫn đường và di chuyển về phía cực Ngoại lực tác động đối với sự di chuyển của bão thông qua dòng dẫn đường của môi trường Ở miền nhiệt đới, dòng dẫn đường đối với các bão chủ yếu là dòng khí ở rìa phía nam, phía tây và tây bắc của cao áp cận nhiệt Nguyên... biểu di n bằng công thức: F = βρπϖ ở đây β = R4 4 ∂f , ρ là mật độ không khí, ϖ - tốc độ quay tương đối tính trung bình ∂y trong phạm vi bão, R- bán kính trung bình của bão Nếu lực F>0, bão có xu thế di chuyển về phía cực với nội lực F Từ biểu thức trên ta cũng thấy nội lực của bão tỉ lệ thuận với tốc độ quay và phạm vi của bão, tốc độ quay của bão càng lớn thì phạm vi của bão và nội lực của bão càng... thì bão tan rã hoàn toàn, đôi khi có thể tồn tại dưới dạng một áp thấp nhiệt đới và cho mưa lớn trên một phạm vi rộng Trên biển bão cũng có thể tan rã khi gặp vùng nước lạnh như ở Tây Bắc Thái Bình Dương Trên đất liền và trên biển bão có thể vòng quanh rìa cao áp cận nhiệt và đi vào miền ôn đới, không khí lạnh xâm nhập vào khu vực bão trở thành một xoáy thuận ngoại nhiệt đới 14 CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA... sẽ di chuyển về phía Tây Nam và có khả năng tiến vào khu vực sống thịnh hành, tiếp đó di chuyển từ Đông sang Tây Còn cơn bão phía Đông nằm trong khu vực dòng hướng cực sẽ di chuyển về phía Tây Bắc cũng có khả năng tiến vào khu vực đới gió Tây ôn đới và di chuyển về phía Đông Bắc Nếu bão ở phía Tây đủ mạnh và có phạm vi lớn hơn hẳn bão ở phía Đông nó sẽ gây ảnh hưởng và cuốn cơn bão phía Đông di chuyển. .. trường vào bão, và sự suy yếu hay phá vỡ lõi nóng a Sự biến đổi nhiệt độ mặt nước biển Sự biến đổi nhiệt độ mặt nước biển đóng vai trò quan trọng đối với sự tan rã của bão Kết quả của sự thử nghiệm cho thấy rằng cả cường độ và quy mô của bão đều thích ứng rất nhạy đối với sự biến đổi nhiệt độ mặt nước biển và quy mô của khu vực nóng trên biển: Nếu nhiệt độ mặt nước biển nhỏ hơn 26.5°C thì bão không... của bão nên sự giảm yếu của hội tụ gió này sẽ dẫn tới sự giảm yếu của hoạt động đối lưu nói chung Điều đó ngăn cản vận chuyển nhiệt và mômen từ các lớp thấp đến các lớp trên cao và điều đó cũng làm giảm cường độ của lõi nóng và làm cho quan hệ gió nhiệt không cân bằng c Sự biến mất của nhiệt độ bất ổn định đối lưu của sóng trọng trường Trong chuyển động xoáy của bão nếu điều kiện bất ổn định của sóng... và cuốn vào theo dòng dẫn ở phía Đông Nam của bộ phận áp cao phía Tây và tiếp tục di chuyển về phía Tây Nam Nhưng nếu sóng yếu mở ra đủ rộng thì bão sẽ di chuyển theo hướng Bắc, sau đó di chuyển theo quỹ đạo 2 về hướng Đông Bắc do bão tiến vào đới gió Tây ôn đới (MW: Midle Westerlies) Trong một số trường hợp bão có thể tiến tới rãnh ôn đới vốn là rãnh lạnh, gia nhập vào rãnh này và tan đi Nếu bão di. .. của bão có liên quan đến sự biến đổi của điều kiện môi trường không thuận lợi cho sự phát triển của bão Sự biến đổi này là sự biến đổi về cấu trúc của bão thể hiện ở: sự giảm đáng kể của nhiệt độ mặt nước biển trên một khu vực lớn dưới ngưỡng 260C, sự giảm của lực ma sát tạo hội tụ trong lớp biên Ekman (lớp thấp hơn 1km), sự giảm của độ bất ổn định, sự giảm hoàn lưu khí tượng từ hệ thống môi trường vào... lưu này Tuy nhiên ở đây đã bỏ qua hoàn lưu thứ cấp gắn liền với u và ω khác không và đã bỏ qua hiệu ứng của ma sát gần bề mặt 2.4 SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI - BÃO Quỹ đạo của một cơn bão là đường nối của các vị trí liên tiếp của cơn bão qua các giai đoạn tồn tại của nó Vị trí của nó được xác định theo trường áp, trường gió và theo ảnh mây vệ tinh Quỹ đạo được xác định một cách chính xác hơn, . nhập vào khu vực bão trở thành một xoáy thuận ngoại nhiệt đới. 14 CHƯƠNG 2 ĐỘNG LỰC HỌC CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRƯỞNG THÀNH VÀ SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI 2.1. CÁC PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN. đạo bão của mô hình. Cấu trúc khóa luận gồm có 3 chương: Chương 1. Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão Chương 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận. 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới 13 2.1. Các phương trình chuyển động 13 2.2. Lực nổi 14 2.3. Hoàn lưu sơ cấp 16 2.4. Sự di chuyển