Nghiên cứu xây dựng bộ nhân tố nhiệt động lực cho dự báo sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới trên khu vực biển đông

Đáp ứng yêu cầu cấp thiết của công tác dự báo bão và áp thấp nhiệt đới ATNĐ, ngày 11 tháng 5 năm 2010, Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ký Quyết định số 857 /QĐ-TNMT phê duyệt Ch

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN QUỐC GIA

TRUNG TÂM DỰ BÁO KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN TRUNG ƯƠNG

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ NHÂN TỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC

CHO DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG

8976

Hà Nội, 2011

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN QUỐC GIA

TRUNG TÂM DỰ BÁO KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN TRUNG ƯƠNG

BÁO CÁO KẾT QUẢ

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BỘ NHÂN TỐ NHIỆT ĐỘNG LỰC

CHO DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG

ThS Hoàng Phúc Lâm

HÀ NỘI, 2011

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1 

DANH MỤC HÌNH ẢNH 3 

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5 

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU 7 

MỞ ĐẦU 8 

CHƯƠNG 1: XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI 10 

1.1 Đặt vấn đề 10 

1.1.1 Khái niệm về xoáy thuận nhiệt đới 10 

1.1.2 Sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới 11 

1.1.3 Tổng quan về một số tham số tiềm năng cho sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới 14 

1.2 Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt nam 20 

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới 21 

1.2.2 Những nghiên cứu trong nước 24 

CHƯƠNG 2: PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 

2.1 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của đề tài 27 

2.2 Mục tiêu của đề tài 27 

2.3 Nội dung nghiên cứu của đề tài 28 

2.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của đề tài 30 

2.4.1 Một số đặc trưng thống kê và quy tắc 3-sigma 32 

2.4.2 Phương pháp “Dự báo hoàn hảo” 36 

2.5 Số liệu 40 

2.5.1 Số liệu best track 40 

2.5.2 Yêu cầu về đồng bộ số liệu quỹ đạo bão 41 

2.5.3 Số liệu tái phân tích 42 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 

3.1 Các đặc trưng khí hậu và mối quan hệ của các nhân tố nhiệt động lực với sự hình thành XTNĐ 44 

3.1.1 Rãnh gió mùa và dải hội tụ nhiệt đới 46 

3.1.2 Nhiệt độ mặt nước biển 52 

2

3.1.3 Nhiệt độ thế vị tương đương 58 

3.1.4 Độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa 64 

3.1.5 Năng lượng đối lưu tiềm năng 68 

3.1.6 Độ đứt gió theo chiều thẳng đứng của thành phần gió v 72 

3.1.7 Độ đứt gió theo chiều thẳng đứng của thành phần gió u 77 

3.1.8 Phân kỳ trên mực 200mb 81 

3.1.9 Xoáy tương đối trên mực 850mb 87 

3.2 Xác định “khu vực hình thành XTNĐ tiềm năng” 92 

3.2.1 Phân tích vai trò các nhân tố và xác định “điểm hình thành XTNĐ tiềm năng” 92 

3.2.2 Xác định “khu vực hình thành XTNĐ tiềm năng” 94 

3.3 Ứng dụng sản phẩm các mô hình số trị để dự báo sự hình thành của XTNĐ 97 

3.4 Quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ 105 

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM KẾT QUẢ 108 

4.1 Áp thấp nhiệt đới tháng 8 năm 1996 108 

4.2 Bão số 4 năm 1997 113 

4.3 Áp thấp nhiệt đới tháng 7 năm 2002 118 

4.4 Bão số 1 năm 2007 123 

4.5 Bão số 7 năm 2008 128 

4.6 Áp thấp nhiệt đới đầu tháng 11 năm 2011 132 

4.7 Vùng áp thấp giữa tháng 11 năm 2011 139 

KẾT LUẬN 147 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 149 

LỜI CẢM ƠN 154 

PHỤ LỤC 155 

3

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Mô tả điều kiện hình thành XTNĐ theo Gray [24, 25, 26] .12 

Hình 1.2 Phân bố số lượng XTNĐ trên quy mô toàn cầu .13 

Hình 1.3 Quỹ đạo bão (với Vmax> 17m/s) thời kỳ 1979-1988 [49] 14 

Hình 1.4: Khu vực hình thành bão và mối quan hệ với SST 16 

Hình 1.5: Trường đường dòng và đẳng áp mực 850mb ngày 23/6/1997 với các nhân tố rãnh gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới và các XTNĐ có cường độ khác nhau [1] 20  Hình 2.1 Ý nghĩa của độ lệch chuẩn (với σ 2 > σ 1 ) 34 

Hình 2.2: Quy tắc 3-sigma đối với phân bố chuẩn 36 

Hình 3.1: Phân bố hình thế hình thành XTNĐ trên khu vực biển Đông 48 

Hình 3.2: Bản đồ trung bình khí hậu đường dòng mực 850mb 49 

Hình 3.3: Bản đồ trung bình khí hậu nhiệt độ mặt nước biển 54 

Hình 3.4: Nhiệt độ mặt nước biển trong các lần hình thành XTNĐ 57 

Hình 3.5: Quỹ đạo bão Greg và ảnh mây vệ tinh ngày 25/12/1996 57 

Hình 3.6: Biểu đồ tần số nhiệt độ mặt nước biển 57 

Hình 3.7: Biểu đồ xác suất tích lũy nhiệt độ mặt nước biển 58 

Hình 3.8: Nhiệt độ thế vị tương đương trong các lần hình thành XTNĐ 59 

Hình 3.9: Biểu đồ tần số nhiệt độ thế vị tương đương 59 

Hình 3.10: Biểu đồ xác suất tích lũy của nhiệt độ thế vị tương đương 60 

Hình 3.11: Bản đồ trung bình khí hậu nhiệt độ thế vị tương đương mực 850mb62  Hình 3.12: Biểu đồ tần số của độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa 65 

Hình 3.13: Biểu đồ xác suất tích lũy của độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa 65 

Hình 3.14: Bản đồ trung bình khí hậu độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa 66 

Hình 3.15: Độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa trong các lần hình thành XTNĐ68  Hình 3.16: Biểu đồ tần số của năng lượng đối lưu tiềm năng 68 

Hình 3.17: Bản đồ trung bình khí hậu năng lượng đối lưu tiềm năng 69 

Hình 3.18: Biểu đồ xác suất tích lũy của năng lượng đối lưu tiềm năng 71 

Hình 3.19: Năng lượng đối lưu tiềm năng trong các lần hình thành XTNĐ 71 

Hình 3.20: Biểu đồ tần số của độ đứt gió v 73 

Hình 3.21: Biểu đồ xác suất tích lũy của độ đứt gió v 73 

Hình 3.22: Độ đứt gió v trong các lần hình thành XTNĐ 74 

Hình 3.23: Bản đồ trung bình khí hậu của độ đứt gió v 75 

Hình 3.24: Biểu đồ tần số của độ đứt gió u 77 

Hình 3.25: Biểu đồ xác suất tích lũy của độ đứt gió u 78 

Hình 3.26: Độ đứt gió u trong các lần hình thành XTNĐ 78 

Hình 3.27: Bản đồ trung bình khí hậu của độ đứt gió u 79 

Hình 3.28: Biểu đồ tần số của phân kỳ mực 200mb 81 

Hình 3.29: Biểu đồ xác suất tích lũy của phân kỳ mực 200mb 82 

Hình 3.30: Phân kỳ mực 200mb trong các lần hình thành XTNĐ 82 

Hình 3.31: Bản đồ trung bình khí hậu phân kỳ mực 200mb 85 

Hình 3.32: Biểu đồ tần số của xoáy tương đối mực 850mb 88 

Hình 3.33: Biểu đồ xác suất tích lũy của xoáy tương đối mực 850mb 89 

Hình 3.34: Xoáy tương đối mực 850mb trong các lần hình thành XTNĐ 89 

Hình 3.35: Bản đồ trung bình khí hậu của xoáy tương đối mực 850mb 91 

Hình 3.36: Minh họa bản đồ phân bố một số nhân tố tiềm năng với các khoảng đặc trưng tương ứng 94 

4

Hình 3.37: Sản phẩm thể hiện “Khu vực hình thành tiềm năng” 97 

Hình 3.38: Bản đồ dự báo 24 giờ tổ hợp xác suất hình thành XTNĐ của mô hình GSM và GFS 100 

Hình 3.39: Dự báo 24 giờ mô hình GSM cho các nhân tố tiềm năng 101 

Hình 3.40: Dự báo 24 giờ mô hình GFS cho các nhân tố tiềm năng 103 

Hình 4.1: Quỹ đạo của áp thấp nhiệt đới tháng 8/1996 108 

Hình 4.2: Bản đồ đường dòng 850mb và độ ẩm tầng đối lưu giữa ngày 12/8/1996 108 

Hình 4.3: Tổng hợp các nhân tố nhiệt động lực lúc 12z ngày 12/8/1996 110 

Hình 4.4: Quỹ đạo của bão số 4 năm 1997 113 

Hình 4.5: Ảnh mây vệ tinh bão số 4 (Fritz), tháng 9/1997 113 

Hình 4.6: Tổng hợp các nhân tố nhiệt động lực lúc 12z ngày 21/9/1997 115 

Hình 4.7: Quỹ đạo của áp thấp nhiệt đới trong tháng 7 năm 2002 118 

Hình 4.8: Bản đồ đường dòng và xoáy tương đối mực 850mb ngày 00z 17/7/2002 118 

Hình 4.9: Tổng hợp các nhân tố nhiệt động lực lúc 00z ngày 18/7/2002 120 

Hình 4.10: Quỹ đạo của bão số 1 năm 2007 123 

Hình 4.11: Ảnh mây vệ tinh bão số 1 trước khi đổ bộ vào Việt Nam, 5/7/2007123  Hình 4.12: Tổng hợp các nhân tố nhiệt động lực lúc 12z ngày 02/7/2007 125 

Hình 4.13: Quỹ đạo của bão Mekkhala, tháng 9/2008 128 

Hình 4.14: Ảnh mây vệ tinh bão Mekkhala khi đổ bộ vào đất liền, 30/9/2008129  Hình 4.15: Trường nhiệt độ thế vị tương đương 06Z ngày 27/9/2008 129 

Hình 4.16: Tổng hợp các nhân tố lúc 12z ngày 27/9/2008 130 

Hình 4.17: Bản đồ synop và bản tin phân tích của RSMC Nhật Bản 132 

Hình 4.18: Ảnh mây vệ tinh và cảnh báo của RSMC Nhật Bản thời điểm hình thành áp thấp nhiệt đới, 12Z ngày 07/11/2011 137 

Hình 4.19: Dự báo 24 giờ của hai mô hình GSM và GFS thời điểm 00Z ngày 06/11/2011 khá thống nhất 137 

Hình 4.20: Dự báo 48 giờ của hai mô hình GSM và GFS thời điểm 00Z ngày 05/11/2011 có sự khác biệt 138 

Hình 4.21: Bản đồ phân tích của RSMC Nhật Bản, ảnh mây vệ tinh 12Z ngày 13/11/2011 139 

Hình 4.22: Bản đồ xác suất tổ hợp 2 mô hình GSM và GFS lúc12Z ngày 13/11/2011 140 

Hình 4.23: Dự báo 24, 48 giờ của mô hình GSM từ thời điểm 12Z ngày 13/11/2011 140 

Hình 4.24: Dự báo 24, 48 giờ của mô hình GFS từ thời điểm 12Z ngày 13/11/2011 141 

Hình 4.25: Phân tích của mô hình GSM (hàng trên) và GFS (hàng dưới) 00Z và 12Z ngày 17/11/2011 141 

5

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bão và áp thấp nhiệt đới trong thời kỳ 1928 – 1944, 1947 – 1980 [3].14 

Bảng 1.2: Các đặc trưng của 6 nhân tố môi trường tại khu vực hình thành bão

[33] 16 

Bảng 2.1 Quy tắc Tchebychev cho phân bố chuẩn 36 

Bảng 3.1: Phân bố hình thành các cơn bão theo thời gian trên khu vực biển Đông có mở rộng đến kinh tuyến 140 0 E giai đoạn 1980 - 2009 45 

Bảng 3.2: Thống kê mối quan hệ giữa rãnh áp thấp và sự hình thành XTNĐ 47  Bảng 3.3: Các đặc trưng thống kê của nhiệt độ mặt nước biển 56 

Bảng 3.4: Các đặc trưng thống kê của nhiệt độ thế vị tương đương 60 

Bảng 3.5: Các đặc trưng thống kê của độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa 65 

Bảng 3.6: Các đặc trưng thống kê của năng lượng đối lưu tiềm năng 71 

Bảng 3.7: Các đặc trưng thống kê của độ đứt gió v 73 

Bảng 3.8: Các đặc trưng thống kê của độ đứt gió u 77 

Bảng 3.9: Các đặc trưng thống kê của phân kỳ mực 200mb 81 

Bảng 3.10: Các đặc trưng thống kê của xoáy tương đối mực 850mb 88 

Bảng 3.11a: Các đặc trưng thống kê của các nhân tố tiềm năng (a – các nhân tố động lực) 92 

Bảng 3.11b: Các đặc trưng thống kê của các nhân tố tiềm năng (b – các nhân tố nhiệt ẩm) 92 

Bảng 3.12: Xác suất phát hiện sự hình thành của XTNĐ của các nhân tố nhiệt động lực 95 

Bảng 3.13: Chỉ số POD của xác suất tổ hợp 97 

Bảng 3.14: Quy trình thử nghiệm dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông 107 

Bảng 4.1: Tóm tắt điều kiện nhiệt động lực từ ngày 12 đến 13/8/1996 111 

Bảng 4.2: Tổng hợp các điều kiện môi trường theo quy trình từ 00z ngày 12 đến 00z ngày 13/8/1996 112 

Bảng 4.3: Tóm tắt điều kiện nhiệt động lực từ ngày 21 đến 22/9/1997 114 

Bảng 4.4: Tổng hợp các điều kiện môi trường theo quy trình từ 00z ngày 21 đến 00z ngày 22/9/1997 117 

Bảng 4.5: Tóm tắt điều kiện nhiệt động lực từ ngày 17 đến 18/7/2002 119 

Bảng 4.6: Tổng hợp các điều kiện môi trường theo quy trình từ 12z ngày 17 đến 12z ngày 18/7/2002 122 

Bảng 4.7: Tóm tắt điều kiện nhiệt động lực từ ngày 02 đến 03/7/2007 124 

Bảng 4.8: Tổng hợp các điều kiện môi trường theo quy trình từ 00z ngày 02 đến 00z ngày 03/7/2007 127 

Bảng 4.9: Tổng hợp điều kiện nhiệt động lực từ ngày 27 đến 28/9/2008 129 

Bảng 4.10: Quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ 00z ngày 05 tháng 11 năm 2011 với số liệu mô hình GSM 133 

Bảng 4.11 Quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ 00z ngày 06 tháng 11 năm 2011 với số liệu mô hình GSM 134 

Bảng 4.12: Quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ 00z ngày 05 tháng 11 năm 2011 với số liệu mô hình GFS 135 

Bảng 4.13: Quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ 00z ngày 06 tháng 11 năm 2011 với số liệu mô hình GFS 136 

7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

BBC: Bắc bán cầu

CAPE: Năng lượng đối lưu tiềm năng

(Convective Available Potential Energy)

ePT: Nhiệt độ thế vị tương đương

(Equivalent Potential Temperature)

FAR: Tỷ lệ cảnh báo khống (False Alarm Ratio)

GFS: Hệ thống dự báo toàn cầu của NCEP

(Global Forecast System) GSM: Mô hình phổ toàn cầu của Cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA)

(Global Spectral Model) OISST: Nhiệt độ mặt nước biển nội suy tối ưu

(Optimum Interpolated Sea Surface Temperature) ITCZ: Dải hội tụ nhiệt đới (Inter-Tropical Convection Zone)

JTWC: Trung tâm cảnh báo bão (đặt tại Honolulu, Hoa Kỳ)

(Joint Typhoon Warning Center) MOS: Thống kê đầu ra mô hình (Model Output Statistic)

MST: Rãnh gió mùa (Monsoon Trough)

NBC: Nam bán cầu

NCEP: Trung tâm dự báo môi trường Hoa Kỳ

(National Center for Environmental Prediction)

NCAR: Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia Hoa Kỳ

(National Center for Atmospheric Reseach) POD: Xác suất phát hiện (Probability of Detection)

PP: Dự báo hoàn hảo (Perfect Prognostic)

RSMC: Trung tâm khí tượng chuyên ngành khu vực (đặt tại Nhật Bản)

(Regional Specialized Meteorological Center) SST: Nhiệt độ mặt nước biển (Sea Surface Temperature)

XTNĐ: Xoáy thuận nhiệt đới

WMO: Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorology Organization)

8

MỞ ĐẦU

Nghiên cứu về sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) đã được bắt đầu từ những năm giữa của thế kỷ 20 và là một chủ đề thu hút được nhiều sự đầu tư nghiên cứu của các nhà khoa học khí tượng trên thế giới cũng như ở Việt Nam Nhưng cho đến nay vẫn còn nhiều quan điểm khác nhau về cơ chế hình thành và phát triển XTNĐ, thậm trí ngay trên một khu vực nghiên cứu, cũng như một nhân tố tác động cũng có những nhận định rất khác nhau Biển Đông nước ta nằm trong khu vực có nhiều XTNĐ hoạt động Để nâng cao chất lượng dự báo XTNĐ trên Biển Đông và vùng lân cận, cần tiếp tục nghiên cứu bài toán sự hình thành của XTNĐ để đánh giá đầy đủ các đặc trưng, từ đó tìm ra những nhân tố chính tham gia quá trình hình thành và phát triển của XTNĐ ở khu vực này Trên cơ sở đó, xây dựng bộ nhân tố đặc trưng cho bài toán dự báo sự hình thành của XTNĐ và đưa ra quy trình tạm thời khai thác và sử dụng bộ nhân tố đặc trưng, kết hợp với những số liệu, công

cụ, sản phẩm hiện có tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, để dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông mở rộng đến kinh tuyến

1400E (Sau đây gọi tắt là khu vực Biển Đông mở rộng )

Đáp ứng yêu cầu cấp thiết của công tác dự báo bão và áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), ngày 11 tháng 5 năm 2010, Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường đã

ký Quyết định số 857 /QĐ-TNMT phê duyệt Chủ nhiệm, Cơ quan chủ trì và dự toán kinh phí các đề tài khoa học công nghệ cấp bộ mở mới năm 2010 thuộc chương trình “Nghiên cứu khoa học và công nghệ nhằm nâng cao năng lực dự báo, cảnh báo các hiện tượng khí tượng thuỷ văn nguy hiểm và phục vụ khí tượng thuỷ văn ở các địa phương giai đoạn 2010-2015” mã số TNMT.05/10-15 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, trong đó có đề tài “Nghiên cứu xây dựng bộ nhân tố nhiệt động lực cho

dự báo sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới trên khu vực biển Đông”

Theo quy định của Quy chế báo bão, ATNĐ và lũ, khi tốc độ gió mạnh nhất của XTNĐ đạt cấp 6 thì XTNĐ được gọi là ATNĐ ATNĐ với tốc độ gió mạnh nhất đạt cấp 6, cấp 7 có thể gây thiệt hại cho tàu, thuyền và tính mạng ngư dân trên biển cũng như vùng ven bờ, đồng thời có thể gây ra mưa lớn diện rộng, dẫn tới lũ, lụt, nhất là khi kết hợp với các hình thế khác như không khí lạnh từ phía bắc tràn xuống Do đó, việc phát hiện sớm thời điểm hình thành và khả năng phát triển của ATNĐ là rất quan trọng đối với công tác phòng, tránh thiên tai bão, lũ ở Việt Nam

Mục tiêu nghiên cứu quan trọng nhất của đề tài là xây dựng được một phương pháp dự báo sự hình thành ATNĐ trên khu vực biển Đông mở rộng dựa trên bộ số liệu tái phân tích và các sản phẩm số trị, góp phần nâng cao chất lượng

dự báo bão và áp thấp nhiệt đới trên biển Đông, phục vụ phòng tránh thiên tai

9

Đề tài thực hiện trong thời gian 2 năm, bắt đầu từ tháng 5 năm 2010 do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương chủ trì thực hiện, Thạc sỹ Hoàng Phúc Lâm làm chủ nhiệm đề tài Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương, Viện khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên đã cử các chuyên gia giỏi về lĩnh vực này tham gia thực hiện đề tài

Sau gần hai năm, Chủ nhiệm đề tài cùng các cộng tác viên đã thực hiện hoàn thành các nội dung nghiên cứu đề ra, xin trình báo cáo khoa học để Hội đồng khoa học các cấp thẩm duyệt Nội dung của báo cáo được bố cục như sau:

10

CHƯƠNG 1: XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI VÀ CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH

THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI 1.1 Đặt vấn đề

1.1.1 Khái niệm về xoáy thuận nhiệt đới

Xoáy thuận chia làm hai loại về vị trí địa lý cũng như cấu trúc front, khối khí, đó là xoáy thuận ngoại nhiệt đới (hay còn gọi là xoáy thuận front) và xoáy thuận nhiệt đới Xoáy thuận nhiệt đới là một trong những hệ thống áp thấp quy mô dưới synop, không kèm theo front, phát sinh trên vùng biển nhiệt đới

Theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm xoáy thuận nhiệt đới, WMO quy định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành:

Áp thấp nhiệt đới: 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)

Bão nhiệt đới: 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)

Bão mạnh: 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)

Bão rất mạnh: Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 32,7m/s trở lên (trên cấp 11) [3]

Theo định nghĩa về xoáy thuận nhiệt đới trong “Quy chế báo Áp thấp nhiệt đới, bão, lũ” của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam thì “xoáy thuận nhiệt đới

là vùng gió xoáy, đường kính có thể tới hàng trăm km, hình thành trên biển nhiệt đới, gió thổi xoáy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, áp suất khí quyển (khí áp) trong xoáy thuận nhiệt đới thấp hơn xung quanh, có mưa, đôi khi kèm theo dông, tố, lốc” Và: “Áp thấp nhiệt đới là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 6 đến cấp 7 và có thể có gió giật.”

“Bão là một xoáy thuận nhiệt đới có sức gió mạnh nhất từ cấp 8 trở lên và có thể có gió giật Bão từ cấp 10 đến cấp 11 được gọi là bão mạnh; từ cấp 12 trở lên được gọi là bão rất mạnh.”

Tốc độ gió mạnh nhất ổn định trong bão thường lấy trung bình trong 2-10 phút tuỳ quốc gia Rõ ràng là thời đoạn lấy gió cực đại càng ngắn khả năng đạt tốc

độ gió với giá trị cao càng lớn Chính vì thế thông tin bão truyền từ các trung tâm

dự báo Bão về thời điểm chuyển từ áp thấp nhiệt đới sang bão, tốc độ gió lớn nhất

11

trong bão cũng khác nhau Điều đó dẫn đến kết quả xác định tần số bão cũng khác nhau

Trong điều kiện thực tế của Việt Nam, ATNĐ (với tốc độ gió cực đại đạt cấp

6, cấp 7) có thể gây ra những hệ quả thời tiết nguy hiểm như mưa lớn diện rộng khi kết hợp với các hình thế khác như không khí lạnh, hoặc do sự di chuyển chậm của

áp thấp nhiệt đới trên khu vực ven biển Việt Nam; ngoài ra, áp thấp nhiệt đới với gió mạnh cấp 6, cấp 7 gây thiệt hại về tàu, thuyền và tính mạng ngư dân trên biển cũng như vùng ven bờ Do đó, thời điểm cũng như khả năng một vùng áp thấp mạnh lên thành ATNĐ là rất quan trọng đối với công tác dự báo nghiệp vụ của Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương nhằm phục vụ tốt công tác phòng, tránh và giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai gây nên

1.1.2 Sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

Bão chỉ hình thành khi có sự phối hợp của các nhân tố nhiệt động lực và

trong hình thế synốp nhất định Theo Palmén [18], có 3 điều kiện cơ bản cho sự

• 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 như ta đã nói trong phần về trường các yếu tố khí tượng Điều đó thường được thoả mãn ở miền nhiệt đới, vì từ mực500 mb trở lên, nhất là tại mực 200, 300mb thường xuyên tồn tại áp cao cận nhiệt đới

• Ở mặt đất phải có nhiễu động áp thấp ban đầu Những kết quả thống kê cho thấy 80% các cơn bão có liên quan với dải hội tụ nhiệt đới Năm dải hội tụ nhiệt đới ít hoạt động thì cũng ít bão

Cũng có những nghiên cứu khác về điều kiện hình thành của bão như Gray [24, 25, 26] Nhìn chung để bão có thể hình thành và phát triển thì môi trường cần đạt được các điều kiện như: nền nhiệt độ nước đại dương ≥ 26,5°C từ bề mặt nước tới độ sâu ≥ 50m; khoảng cách tối thiểu từ xích đạo tới tâm của XTNĐ khoảng 500

km là điều kiện để lực Coriolis có thể có hiệu lực, có một hệ thống ở gần bề mặt với

12

độ xoáy và độ hội tụ cần thiết để có thể phát triển thành XTNĐ, độ đứt gió thẳng đứng giữa các mực 850 mb và 200 mb phải nhỏ (< 10m/s)

Hình 1.1 Mô tả điều kiện hình thành XTNĐ theo Gray [24, 25, 26]

Từ khi hình thành đến khi tan rã, thời gian tồn tại trung bình của bão khoảng

7 - 8 ngày đêm Tuy nhiên, có một số cơn bão chỉ tồn tại vài giờ, và cũng có những cơn bão tồn tại trên 15 ngày hoặc lâu hơn nữa Có thể chia quá trình hình thành và phát triển của bão thành bốn giai đoạn là: Giai đoạn hình thành, Giai đoạn trẻ, Giai đoạn chín muồi và Giai đoạn tan rã

Bão xuất hiện trực tiếp từ mặt biển với sự hình thành của những cụm mây

tích lớn Tuy nhiên phần lớn bão hình thành từ một nhiễu động là áp thấp có trước trong trường áp nhiệt đới, phần lớn (khoảng 80% trường hợp) sự hình

thành bão có liên quan với dải hội tụ nhiệt đới Trong giai đoạn hình thành, giai đoạn áp thấp nhiệt đới, gió có cường độ bão chỉ thấy ở mực thấp Và khi tốc độ gió cực đại tại vùng gần trung tâm vượt quá 17,2 m/s, áp thấp nhiệt đới trở thành bão Một số khác di chuyển trên một khoảng cách lớn như là một áp thấp nhiệt đới Ở giai đoạn trẻ, nếu có sự tăng cường cường độ thì khí áp thấp nhất giảm nhanh xuống dưới 1000 mb Gió có cường độ bão hình thành một dải bao quanh trung tâm xoáy

Ở phía dưới thấp, dòng hội tụ vào tâm có thể chưa bao quát phạm vi lớn nhưng trên cao có thể có dòng phân kỳ từ tâm xoáy Đến giai đoạn chín muồi, khí áp ở tâm bão không tiếp tục giảm và tốc độ gió cực đại cũng ngừng tăng lên Phạm vi hoàn lưu bão với tốc độ gió cường độ bão mở rộng Nếu như trong giai đoạn trẻ, phạm vi gió cường độ bão chỉ giới hạn trong phạm vi bán kính 30 – 50 km thì trong giai đoạn chín muồi này, phạm vi của chúng có thể mở rộng tới trên 300 km Bão trong giai đoạn chín muồi cũng trải qua các thời kỳ tăng cường và suy yếu không đều, kéo dài trong vài ngày, thường đó là trường hợp bão tương tác với hoàn lưu ôn đới Khi bão

di chuyển vào đất liền do điều kiện địa hình, lực ma sát tăng lên và nhất là khả năng cung cấp ẩm cho bão bị mất đi nên cường độ của bão giảm rất nhanh Sau một thời gian ngắn (khoảng từ 1 - 2 ngày) 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 bị tan rã khi gặp vùng nước lạnh như ở Tây Bắc Thái Bình Dương

13

Xét về tần suất và khu vực hình thành bão, tính trung bình cho toàn cầu hàng năm có 80 cơn bão Khoảng 51% số cơn bão toàn cầu xuất hiện ở Bắc Thái Bình Dương (trong đó 33% ở Tây Bắc Thái Bình Dương và 18% ở Đông Bắc Thái Bình Dương) Số bão ở Bắc Bán Cầu chiếm 69% số bão toàn cầu, phần còn lại của số lượng bão toàn cầu xuất hiện ở Nam Bán Cầu Ở Nam Bán Cầu cực đại bão vào tháng 1, ở Bắc Bán Cầu vào tháng 8 và tháng 10 [49]

Hình 1.2 Phân bố số lượng XTNĐ trên quy mô toàn cầu

Trên miền Bắc Thái Bình Dương, có thể thấy hai trung tâm hoạt động của bão: một ở phía tây và một ở phía đông Thái Bình Dương Trung tâm bão phía đông

có tần số cực đại tới 303 cơn bão trong vòng 100 năm trong dải từ 5 - 20oN và tập trung vào khu vực sát bờ tây Trung Mỹ Trung tâm hoạt động bão phía tây có tần suất cực đại nhỏ hơn so với trung tâm hoạt động bão phía đông (230 cơn) nhưng mở rất rộng theo hướng kinh tuyến Nhiều cơn bão di chuyển từ vĩ độ 10 - 15oN tới vĩ

độ 50oN và tại đó không khí lạnh tràn vào xoáy thuận trước kia là bão, hệ thống front hình thành, bão trở thành xoáy thuận ngoại nhiệt đới

Khu vực hình thành phân bố theo mùa và chịu ảnh hưởng bởi hai nhân tố chính Thứ nhất là mối quan hệ giữa quá trình hình thành XTNĐ và nhiệt độ bề mặt biển, với nhiệt độ bề mặt biển cao nhất xảy ra trong cuối mùa hè Đặc biệt vùng nước ấm cũng được mở rộng ra xa hơn từ xích đạo tại Bắc bán cầu khi có sự kết hợp của dòng Gulf stream (ở khu vực Đại Tây Dương) và dòng Kuroshio (ở khu vực Thái Bình Dương) Một số tài liệu đã tập trung vào mối quan hệ giữa nhiệt độ mặt nước biển và hoạt động của bão Emanuel [22] đã chứng minh mối liên hệ này

sử dụng cường độ và thời gian tồn tại của các cơn bão từng mùa bão, chỉ ra sự tương quan cao theo quy mô thập kỷ trên vùng biển Đại Tây Dương và Tây Bắc Thái Bình Dương; một mối liên hệ tương tự cũng được Webster và cs [59] chỉ ra Nhân tố thứ hai là những biến đổi theo mùa trong khu vực rãnh gió mùa Theo Gray [24], ITCZ gần như liên tục bao quanh trái đất, nó là khu vực hội tụ giữa hai đới gió

Bảng 1.1 Bão và áp thấp nhiệt đới trong thời kỳ 1928 – 1944, 1947 – 1980 [3]

Về đường đi, bão hình thành trên biển nhiệt đới và thường di chuyển theo hướng Tây và hướng cực, mặc dù đường đi của những cơn bão riêng lẻ có thể là thất thường Mức độ dầy đặc của quỹ đạo các cơn bão trên hình 1.3 ở Đông Bán Cầu cũng cho ta thấy hình ảnh phân bố tần số bão ở đây thời kỳ 1979-1988 Mặt khác, ta thấy trên 50% số bão có quỹ đạo hình parabol nằm ngang hướng đỉnh về phía tây, ở Bắc Bán Cầu theo chiều kim đồng hồ còn ở Nam Bán Cầu ngược chiều kim đồng hồ Một nửa còn lại có chuyển động hướng cực và các chuyển động dạng bất thường, có khi thắt nút nhiều lần

Hình 1.3 Quỹ đạo bão (với Vmax> 17m/s) thời kỳ 1979-1988 [49]

1.1.3 Tổng quan về một số tham số tiềm năng cho sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới

1.1.3.1 Nhiệt độ mặt nước biển

15

Đã từ lâu, người ta đã phát hiện ra rằng bão chỉ xảy ra ở những đại dương

có nhiệt độ bề mặt đủ ấm Từ quan điểm vật lý trên, có thể định nghĩa một đại dương đủ ấm là đại dương có các lớp xáo trộn nhiệt đủ để cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết tạo thành các luồng nhiệt bề mặt giúp phát triển đối lưu [24, 19]

Những đo đạc nhiệt độ mặt nước biển bằng phương pháp viễn thám có thể được sử dụng để phát hiện các dấu hiệu nhiệt độ bề mặt biển của khu vực hoạt động của các cơn bão Nhìn chung, nhiệt độ mặt nước biển thấp được quan sát thấy sau khi một cơn bão đi qua chủ yếu là do việc làm tăng lớp xáo trộn trong đại dương và tổn thất nhiệt bề mặt Trong một số trường hợp, dòng nước trồi kết hợp với hiệu ứng

về độ sâu cũng có thể xem như là một nguồn làm mát Bão chỉ có thể hình thành ở khu vực biển rộng lớn với nhiệt độ bề mặt lớn hơn 26,50C Điều này là do nước biển

ấm cung cấp nhiệt lượng và hơi nước là nhiên liệu đối lưu cực mạnh của một cơn bão, và hỗ trợ việc chuyển đổi của một lõi nhiệt ðới lạnh thành một cõn bão có lõi

ấm do quá trình giải phóng ẩn nhiệt khi ngưng kết

Một trong những mối quan hệ đáng chú ý của đặc trưng khí hậu bão nhiệt đới là sự tồn tại của một ngưỡng nhiệt độ bề mặt biển đối với sự hình thành bão Các khu vực thuận lợi nhất theo các tiêu chí về nhiệt độ mặt nước biển bao gồm: phía tây bắc Đại Tây Dương (bao gồm cả vịnh Mexico) và Thái Bình Dương về phía tây bắc Nhiệt độ thấp ở khu vực phía Tây Nam và Đông Bắc Đại Tây Dương

có thể giải thích cho việc tại sao không có bão nhiệt đới hình thành ở đó Không đáng ngạc nhiên khi mà các đại dương có nhiệt độ từ 300C sẽ có nhiều bão hoạt động hơn so với khu vực 280C

16

Hình 1.4: Khu vực hình thành bão và mối quan hệ với SST (theo trang web: http://www.newmediastudio.org/DataDiscovery/Hurr_ED_Center/

Hurr_Structure_Energetics/SST/SST.html) Tác giả Lê Đình Quang khi nghiên cứu về vai trò của bão trong sự tương tác

nhiệt động lực của khí quyển và đại dương trên phạm vi Biển Đông đã đưa ra kết

luận: “XTNĐ khi di chuyển trên mặt biển có nhiệt độ bề mặt > 280C thì phát triển,

trên vùng nhiệt độ bề mặt dưới 260C sẽ đầy lên nhanh chóng” [6]

1.1.3.2 Độ đứt gió theo chiều thẳng đứng giữa hai mực 850 – 200 mb

Sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới thường xảy ra ở môi trường có độ đứt gió

thẳng đứng yếu bởi vì độ đứt gió thẳng đứng mà lớn sẽ ngăn chặn sự phát triển đối

lưu, do đó hạn chế khả năng tạo thành một trung tâm với một nhân ấm và xoáy lớn

ở mực trên cao [17] Không giống như nhiệt độ mặt nước biển, sự thay đổi độ đứt

thẳng đứng chỉ xảy ra trong quy mô thời gian rất ngắn (quy mô ngày hay nhỏ hơn)

Thêm nữa, vị trí hình thành xoáy thuận nhiệt đới thường có tương quan khá tốt với

các khu vực có độ đứt vĩ hướng thấp Trong công trình của mình, Kevin Cheung đã

chỉ ra rằng: “Đối với cả hai tham số độ đứt, phân bố các giá trị chuẩn tại vị trí hình

thành XTNĐ tương tự như đã tính toán các giá trị trung bình trong khu vực, ngoại

trừ những dao động lớn hơn tồn tại trong thời gian trước Độ đứt trung bình theo

phương đông tây (bắc nam) trong khu vực trung bình có liên quan tới các cơn

XTNĐ lần lượt là -3.2 (-2.3) m/s, với độ lệch chuẩn là 7.5 (5.3) m/s (bảng 3.1) Giá

trị âm của độ đứt kinh – vĩ hướng này có thể là do trên thực tế rất nhiều XTNĐ

được hình thành ở khu vực vĩ độ thấp liên quan tới gió tây nam mạnh thổi qua xích

đạo Gió tây nam mạnh ở tầng thấp có thể mạnh hơn cả gió trên mực 200 mb và gây

ra giá trị âm cho độ đứt thẳng đứng trung bình.” [33]

Bảng 1.2: Các đặc trưng của 6 nhân tố môi trường tại khu vực hình thành bão [33]

Đặc trưng SST ( 0 C) Ushear

(m/s)

Vshear (m/s)

RH (%) CAPE

(J/kg)

Div (10 -6 s -1 )

1.1.3.3 Độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa

Giá trị độ ẩm tương đối cao ở tầng dưới đối lưu là một điều kiện thuận lợi

cho sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới Một quá trình đối lưu được hình thành

ban đầu trong một hệ thống đối lưu quy mô vừa, giáng thủy sẽ gây ra những dòng

1.1.3.4 Xoáy tương đối trên mực 850mb

Bão là vùng áp thấp có hoàn lưu xoáy thuận mạnh, nên sự phát sinh của bão tất nhiên có liên quan với sự nảy sinh của độ xoáy dương Nếu xem gần đúng điều kiện khí quyển nhiệt đới là chính áp và bỏ qua gradien nằm ngang của chuyển động thẳng đứng thì phương trình độ xoáy viết dưới dạng sau:

Theo Gray (1968), những xoáy thuận nhiệt đới đòi hỏi sự gia tăng liên tục của khối lượng, động lượng và hơi nước từ phần dưới của tầng đối lưu Giá trị của các đại lượng này được đưa vào khí quyển từ lớp biên khí quyển – đại dương đến mực khoảng 1km Xét trên quy mô lớn, chúng phụ thuộc vào độ lớn của góc quay

do ma sát của tốc độ gió trong lớp biên trên vùng đại dương nhiệt đới Góc quay này trung bình là 10 – 15 độ Ông cũng nêu ra rằng với tất cả các điều kiện thuận lợi

và thường xuyên tác động khác, sự nảy sinh của xoáy thuận nhiệt đới phụ thuộc

trực tiếp vào độ lớn của xoáy tương đối ở mực thấp của tầng đối lưu [24]

Các nghiên cứu ở Việt Nam cũng đã có những kết luận về nhân tố độ xoáy như: “Giữa giá trị độ xoáy và cường độ XTNĐ có một tương quan dương rất rõ Để

18

phát triển thành bão, giá trị độ xoáy thường phải liên tục tăng” và tại thời điểm hình thành bão, giá trị độ xoáy lớn gấp 3 – 4 lần các giá trị tương ứng nhận được của 3 ngày trước; và rằng khi giá trị độ xoáy đạt ≥ 25x10-6s-1 sẽ là điều kiện thuận lợi để bão hình thành [5]

1.1.3.5 Phân kỳ trên mực 200 mb

Hội tụ là quá trình mà các dòng khí gặp nhau tại một khu vực trung tâm nhỏ hơn, hoặc do các chuyển động ngược chiều hoặc của một số phần tử chuyển động nhanh hơn bắt kịp những phần tử đi trước Phân kỳ là trường hợp ngược lại với sự hội tụ, sự di chuyển phân tán ra xung quanh của các yếu tố từ một khu vực chung Đây là một yếu tố quan trọng nữa ảnh hưởng tới sự phát triển của XTNĐ

Phân kỳ mạnh tại tầng đối lưu trên ở gần khu vực có sự tăng cường nhiễu động tầng thấp làm tăng cường khả năng phát triển thành đối lưu sâu, rồi sau đó sẽ

là quá trình tạo xoáy ở mực giữa Những nghiên cứu trước đây của Challa và Pfeffer [13] chỉ ra tầm quan trọng của rãnh thấp ở bên trên tầng đối lưu trên cao trên khu vực nhiệt đới (TUTT) trong sự hình thành XTNĐ Theo đó, các tác giả đưa ra giả thuyết rằng những nhiễu động dạng sóng trong khí quyển tầng cao có thể thúc đẩy

sự hình thành XTNĐ, còn theo kết luận của Kevin Cheung [33] thì “hầu hết các trường hợp đều có giá trị phân kỳ mực 200 mb vào khoảng 3–4x10-6s-1”

1.1.3.6 Năng lượng đối lưu tiềm năng

Như đã biết, CAPE cho chúng ta biết rằng đó là năng lượng tiềm ẩn trong khí quyển mà nếu một phần tử thăng lên được phía trên mực đối lưu tự do có thể nhận được CAPE có liên quan trực tiếp tới tốc độ thẳng đứng tiềm năng bên trong một dòng thăng; nghĩa là giá trị CAPE lớn đồng nghĩa với việc các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như dông, bão có nhiều khả năng xảy ra hơn Thông thường trong một cơn dông giá trị CAPE ở vào khoảng trên 1000J/kg, và trong những dòng thăng phát triển mạnh mẽ như bão có thể tính được giá trị CAPE trên 5000J/kg Tuy nhiên

sẽ không có một giá trị CAPE cụ thể nào có thể cho ta biết được rằng liệu có hiện tượng thời tiết nào xảy ra không

CAPE cũng được xem là một trong những nhân tố đóng góp cho quá trình hình thành của XTNĐ Một mô hình kinh nghiệm về sự tăng cường của một khối mây đối lưu có tổ chức và xoáy bão thông qua sự bất ổn của khí quyển do đốt nóng

và cưỡng bức từ bề mặt được nhiều người thừa nhận [14, 50] Trong cơ chế này, đối lưu được xem là sự giải phóng có chọn lọc của năng lượng đối lưu tiềm năng ở các khu vực có hoàn lưu quy mô lớn có xu hướng được thay thế bằng nguồn hội tụ

19

ở đâu đó Mô hình này giải thích khá tốt cho sự phát triển của xoáy do sự đốt nóng đối lưu và thông lượng khối lượng tuy nhiên sự chi phối đối lưu của các dòng môi trường quy mô xoáy hay tham số hóa đối lưu chưa được hiểu rõ

1.1.3.7 Nhiệt độ thế vị tương đương

Để so sánh trạng thái nhiệt động của hai khối không khí cần phải tính đến cả hai yếu tố là khí áp và nhiệt độ Điều đó gây không ít khó khăn Vì vậy, người ta đưa ra một định nghĩa về một đại lượng đặc trưng, mà sử dụng đại lượng này có thể

so sánh được trạng thái nhiệt động của hai khối không khí Đại lượng đặc trưng đó

chính là nhiệt độ thế vị Theo đó, Nhiệt độ thế vị là nhiệt độ mà khối không khí có

được, nếu nó di chuyển đoạn nhiệt khô từ mực khởi điểm đến mực tại đó áp suất bằng 1000mb

Nhiệt độ thế vị tương đương được định nghĩa là nhiệt độ mà không khí sẽ thu

được nếu toàn bộ hơi nước ngưng kết và được giải phóng trong quá trình phần tử đi lên, và sau đó không khí ẩm đã trở thành khô sẽ được đưa đoạn nhiệt khô về mực áp suất 1000mb Như ta đã biết, trong các quá trình đoạn nhiệt, thì đối với không khí khô hoặc không khí ẩm chưa bão hòa, nhiệt độ thế vị của nó không biến đổi Ngược lại đối với không khí ẩm chứa hơi nước ở trạng thái bão hòa và các sản phẩm ngưng kết, thì sự biến đổi nhiệt độ của nó xảy ra theo các đường đoạn nhiệt ẩm với gradient của đoạn nhiệt ẩm thường nhỏ hơn gradient của đoạn nhiệt khô, cho nên, nhiệt độ thế vị tăng theo độ cao, tức là nhiệt độ thế vị không còn là hằng số nữa Để thay thế cho nhiệt độ thế vị trong trường hợp này, người ta đưa vào khái niệm nhiệt

độ thế vị tương đương Nhiệt độ thế vị tương đương giữ không đổi trong quá trình biến đổi đoạn nhiệt ẩm, nó là một tham số thuận lợi đặc trưng cho biến đổi trạng thái của không khí ẩm bão hòa [16]

Trong quá trình hình thành của XTNĐ, nhiệt và ẩm ở tầng đối lưu được xem

là những nhân tố có tác động quan trọng, quyết định việc có hay không hình thành đối lưu ẩm trong khí quyển Khi tồn tại đối lưu thì tại các lớp khí quyển khác nhau

sẽ có sự xâm nhập của không khí ở môi trường xung quanh vào không khí đối lưu Nếu không khí ở môi trường xung quanh nóng và ẩm, sự ngưng kết và giải phóng

ẩn nhiệt sẽ bổ sung năng lượng cho khối khí đối lưu và dòng thăng được tăng cường Do đó, không khí nóng và ẩm ở tầng khí quyển thấp được xem là một nhân

tố thuận lợi cho quá trình hình thành của XTNĐ

1.1.3.8 Rãnh gió mùa và dải hội tụ nhiệt đới

Atkinson [28] đã cho rằng các hình thế synop liên quan đến sự hình thành của bão ở khu vực bắc Đại tây dương là rất đa dạng Còn ở khu vực tây bắc Thái bình dương thì rãnh gió mùa tầng thấp là hình thế synop chủ yếu của sự hình thành bão 85 - 90% các cơn bão được hình thành trong rãnh này, còn rãnh ở trên tầng đối

20

lưu cao chỉ có vai trò phụ (đối với 10 - 15% các cơn bão) Trong tất cả các khu vực phát triển của bão, hầu hết các cơn bão là kết quả của sự mạnh lên của các nhiễu động xoáy được hình thành trong rãnh gió mùa tầng thấp

Dải hội tụ nhiệt đới là dải hội tụ khối lượng của hai đới gió mùa mùa hè

trong khu vực nội chí tuyến: Phía bắc dải là tín phong BBC, phía nam dải là tín

phong NBC vượt xích đạo đi lên Rãnh gió mùa ở trên Biển đông và lân cận, Rãnh

gió mùa cũng là một dải hội tụ khối lượng của hai đới gió (có thể ở trong hoặc ở ngoài khu vực nội chí tuyến): Phía bắc dải là đới gió đông bắc đến đông của khối không khí biến tính có nguồn gốc lục địa, phía nam là đới gió tây nam đến nam có nguồn gốc là tín phong NBC vượt xích đạo đi lên, cũng có khi là chính tín phong BBC đi lên và hội tụ vào rãnh (xem hình 1.5) Có nhiều trường hợp 2 dải hội tụ liên thông với nhau hoặc chuyển hoá qua nhau, khi đới gió phía bắc của dải thay đổi nguồn gốc

Hình 1.5: Trường đường dòng và đẳng áp mực 850mb ngày 23/6/1997 với các nhân tố rãnh

gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới và các XTNĐ có cường độ khác nhau [1]

Qua khảo sát thực tế, có thể thấy rằng, phần lớn các cơn bão (hoặc áp thấp nhiệt đới) xuất hiện được là do sự mạnh lên của các nhiễu động xoáy đã hình thành

và tồn tại trên các dải hội tụ gió: MST hoặc ITCZ Hình 1.5 cho thấy các XTNĐ với các cường độ khác nhau cùng tồn tại trên một dải ITCZ Cũng có không ít những nhiễu động xoáy đã hình thành trên các dải hội tụ gió nhưng không mạnh lên được thành bão hay áp thấp nhiệt đới, mà sau một thời gian tồn tại rồi lại suy yếu và tan

đi

1.2 Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt nam

21

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Một trong những nghiên cứu đầu tiên của khí hậu toàn cầu về sự hình thành XTNĐ là công trình của Gray năm 1968, tác giả đã đưa ra một số điều kiện môi trường thuận lợi cho sự hình thành của XTNĐ, đó là: một lớp đại dương ấm đủ dầy, một lớp bất ổn định có điều kiện trong khí quyển, độ ẩm tương đối tầng đối lưu giữa lớn hơn trung bình, xoáy tầng thấp lớn hơn trung bình, độ đứt thẳng đứng của gió nhỏ trên khu vực trung tâm XTNĐ, và cuối cùng là vị trí khu vực hình thành phải cách xa tương đối xích đạo (nơi có giá trị đáng kể của tham số Coriolis)

Ba nhân tố đầu tiên có thể xem là các biến nhiệt động lực, trong khi ba nhân

tố sau là các nhân tố động lực Trong khi các điều kiện về lực Coriolis và nhiệt động lực đã tồn tại trên một khu vực biển nhất định, trong một thời gian dài, thì các tham

số xoáy tầng thấp và độ đứt thẳng đứng có thể thay đổi đáng kể theo những quy mô không gian và thời gian nhỏ hơn rất nhiều [25, 42] Do đó, năm 1975, Gray đã giả thiết rằng sự hình thành XTNĐ sẽ xuất hiện khi xoáy tầng thấp trên trung bình và

độ đứt gió thẳng đứng quy mô địa phương yếu [25]

Một vài nghiên cứu gần đây về lĩnh vực này cho thấy sự hình thành XTNĐ

có xu hướng xuất hiện cùng với giai đoạn tăng cường của dòng thăng quy mô lớn đồng thời với đối lưu sâu [60] Trong giai đoạn hình thành, qua quan sát cho thấy sự hình thành của xoáy xuất hiện cùng với sự hình thành của hệ thống đối lưu quy mô vừa trong khu vực có tồn tại nhiễu động nhiệt đới [60, 52] Xoáy ban đầu được tạo thành từ hệ thống đối lưu quy mô vừa [15, 20] Để một khu vực đối lưu rộng khoảng vài trăm km như hệ thống đối lưu quy mô vừa phát triển và tồn tại, phải có hội tụ tầng thấp và đối lưu sâu trên quy mô synôp hoặc lớn hơn, thường là nhờ vào các tác nhân từ bên ngoài [27]

Hầu hết các nghiên cứu về sự hình thành của XTNĐ đều đưa ra những nhận định, đề xuất khác nhau về các cơ chế khí quyển có thể cung cấp ngoại lực (tương

tự như lực nâng quy mô lớn) cho quá trình tạo thành hệ thống đối lưu quy mô vừa,

và do đó là xoáy đối lưu quy mô vừa Một số nhà khoa học cho rằng nhân tố môi trường xuất hiện ở tầng thấp như hai công trình của Lee [38] và Zehr [60] đã lập luận rằng các khu vực hội tụ của các dòng khí tầng thấp được tăng cường, thường được xem như là những nhiễu động sóng tầng thấp, là nguyên nhân thúc đẩy quá trình hình thành của XTNĐ Zehr, trong nghiên cứu năm 1992, đã nhận xét: “hầu hết các nhiễu động sóng có liên quan đến các trường hợp tạo thành của XTNĐ ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương đều có thành phần gió Tây” [60] Do đó, ông nhận định rằng nhiều nhiễu động nhiệt đới hình thành do có sự tăng cường của dòng gió Tây khi chúng tiếp cận rãnh gió mùa trong quá trình chuyển động về phía Tây của chúng, và do đó xuất hiện quá trình hình thành XTNĐ

Các khối xoáy thuận tăng cường di chuyển về phía Tây trong rãnh tầng đối lưu trên được cho rằng đã thúc đẩy sự hình thành của XTNĐ bằng cách cung cấp dòng phân kỳ cần thiết cho sự hình thành cũng như sự tăng cường của XTNĐ [54] Challa và Pfeffer [13] giả thiết rằng những nhiễu động sóng trong khí quyển tầng cao có thể thúc đẩy sự hình thành XTNĐ thông qua sự hội tụ thông lượng rối của momen góc Montgomery và Farrell [48] đề xuất cơ chế cho sự hình thành của XTNĐ có liên quan đến sự tương tác giữa các nhiễu động xoáy thế trên các tầng cao

và các nhiễu động nhiệt đới tầng thấp Những rãnh tầng cao này có thể thúc đẩy dòng thăng trên một lớp dầy, và do đó tăng cường đối lưu, do sự bất cân bằng của dòng khí phía trên

Những nhiễu động sóng lan truyền hướng Tây cũng được một số nhà nghiên cứu mô tả như là nguyên nhân thúc đẩy sự hình thành của XTNĐ thông qua sự tăng cường của hội tụ tầng thấp và/ hoặc xoáy tương đối [55, 61] Landsea (1993) đã viết: “57% bão, 58% những cơn bão trung bình, 83% những cơn bão mạnh ở khu vực Đại Tây Dương từ năm 1967 đến 1991 hình thành trong sóng Đông” [37] Trong khi đó, ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, Ritchie E A đã chỉ ra rằng chỉ

có “khoảng 10 – 15% số trường hợp hình thành XTNĐ trong các năm 1990 – 1992

là do sóng Đông” [52] Đến năm 1999, trong công trình của mình, Richie và Holland đã xác định được 5 đặc tính đó là các thành phần hoàn lưu mực thấp ở Tây bắc Thái Bình Dương: đường đứt gió mùa, khu vực hội tụ gió mùa, khu vực đối lưu gió mùa, sóng đông và sự phân tán năng lượng của sóng Rossby dựa trên bộ số liệu

8 năm Hai thành phần đầu tiên kể trên liên quan đến 71% sự phát triển của tất cả các XTNĐ (42% tương ứng với đường đứt gió mùa và 29% tương ứng với khu vực hội tụ gió mùa) Hơn nữa, khu vực gió mùa và các thành phần làm suy giảm năng lượng được phát hiện tương ứng đối với các trường hợp đặc biệt trong khu vực hội

tụ gió mùa và thành phần này chiếm tới 82% tổng số XTNĐ hình thành Các hệ thống đối lưu quy mô vừa cũng được cho rằng có liên quan khá mật thiết đối với sự phát triển trong đường đứt gió mùa và các thành phần hội tụ, và ở khu vực hội tụ thì các hệ thống đối lưu quy mô vừa đó sẽ phát triển nhanh hơn Một cách tương đối,

sự hình thành XTNĐ trong sóng đông (chiếm 18% trường hợp trong tổng số) không

23

tương ứng với rãnh trên cao với các hệ thống đối lưu quy mô vừa ít phát triển hơn

Cơ chế hình thành chủ yếu trong thành phần này là độ bất ổn định chính áp [53]

Năm 1997, Briegel và Frank đã kiểm tra những quá trình hội tụ quy mô lớn đối với sự hình thành các XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, tiến hành xác định tổng hợp các dòng hoàn lưu mực 200 – 850mb trong các năm từ 1988 đến

1989 và phát hiện ra một rãnh tầng cao tồn tại trên khu vực tây bắc và sự tăng cường của dòng mực thấp ở khu vực tây nam của vùng nhiễu động là những điều kiện thuận lợi cho sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới [12] Một hoàn lưu XTNĐ đã tồn tại từ trước ở vào khoảng 2000km về phía tây vị trí hình thành cũng là điều kiện thuận lợi, điều này có lẽ liên quan tới cơ chế phân tán năng lượng sóng Rossby đã được Ritchie và Holland phát hiện ra năm 1999 [53]

Mặt khác, cũng có một số nghiên cứu lại tập trung vào khả năng thay đổi của XTNĐ hoạt động theo những thời điểm khác nhau Ví dụ, Yumoto và Matsura năm

2001 đã kết luận rằng: có một sự thay đổi giữa các thập kỷ trong số lượng các cơn xoáy thuận nhiệt đới hình thành ở Tây Bắc Thái Bình Dương trong 50 năm, từ 1951 đến 2000, theo đó, tần số bão trong những năm 60 là cao, giảm dần trong những năm 70 và tăng đều trong những năm 80; trong những năm 90, dù thời gian đầu, từ

1990 – 1994 có tần số bão cao, nhưng thời gian từ 1995 – 1996 và 1998 – 2000 thì chỉ xấp xỉ tần số trung bình [62] Lander [36], Wang và Chang [58] cũng đã lần lượt nghiên cứu tác động của El Nino và La Nina đối với hoạt động của XTNĐ trên Tây bắc Thái Bình Dương Liebmann và cs [39], Maloney và Hartmann [41] cũng tập trung vào sự thay đổi của số lượng XTNĐ trên Tây bắc Thái Bình Dương và khu vực đông bắc Đại Tây Dương bằng việc nghiên cứu dao động Madden-Julian; nội dung chính của những nghiên cứu này đó là việc so sánh dị thường trong sự biến động vật lý của các tham số (nhiệt độ mặt nước biển, gió, bức xạ sóng dài…), xem xét sự ảnh hưởng bằng việc quan sát các trường hợp không gây ảnh hưởng hoặc trong các giai đoạn khác

Gần đây, năm 2003, Kevin Cheung và cs đã tiến hành kiểm tra 6 nhân tố môi trường quy mô lớn liên quan đến sự hình thành của XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương trong 11 năm (1990 – 2001) Trong nghiên cứu của mình, Kevin cũng sử dụng bộ số liệu tái phân tích 2,5x2,5 độ của NCEP/NCAR 6 nhân tố mà Kevin đã kiểm tra đó là: nhiệt độ mặt nước biển, độ đứt gió giữa hai mực 200mb và 850mb của hai thành phần gió kinh hướng và vĩ hướng, độ ẩm tương đối giữa 500

và 700mb, năng lượng đối lưu tiềm năng và phân kỳ mực 200mb

Thời điểm và vị trí hình thành của mỗi XTNĐ được xác định một cách khách quan dựa trên bộ số liệu best track với điều kiện là khi tốc độ gió cực đại đạt 25kts (khoảng 13m/s) Nếu một XTNĐ mạnh lên và tốc độ gió cực đại đạt ngay 30kts thì

24

thời gian và vị trí tại thời điểm đó được lấy là thời gian và vị trí XTNĐ hình thành Giá trị các nhân tố môi trường được lấy là giá trị trung bình ngày của ngày có XTNĐ hình thành, riêng nhiệt độ mặt nước biển sử dụng bộ số liệu với độ phân giải 1x10 cũng có tại NCEP

Sau khi tiến hành kiểm tra, Kevin nhận thấy các giá trị của 6 nhân tố kể trên khá phù hợp với nhau trong các trường hợp có XTNĐ hình thành và chúng có phân

bố gần với phân bố chuẩn Giá trị trung bình cho ô lưới xảy ra sự hình thành của XTNĐ của SST là 28,9 độ C, độ đứt gió của thành phần gió u là -3,2m/s, của thành phần gió v là -2,3m/s, độ ẩm tương đối là 61,8%, năng lượng đối lưu tiềm năng là 1184,1 J/kg và phân kỳ 200mb là 5,2x10-6s-1

Ngoài ra còn có một số tác giả khác trên thế giới đã nghiên cứu những ảnh hưởng của các nhân tố khác nhau đối với hoạt động của XTNĐ như: El Nino và La Nina [36, 57, 58], dao động Madden – Julian [36, 41]

1.2.2 Những nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, công tác dự báo khí tượng nói chung và dự báo bão, áp thấp nhiệt đới nói riêng luôn được xã hội quan tâm đặc biệt Nhu cầu của xã hội nói chung, của người dân nói riêng đã tạo ra những đòi hỏi ngày càng cao đối với lĩnh vực dự báo Khí tượng thủy văn, đặc biệt là dự báo bão, áp thấp nhiệt đới Trong bài toán dự báo và cảnh báo XTNĐ, hai trong số các yêu cầu được đòi hỏi cao nhất đó là kéo dài thời hạn dự báo, tăng mức độ chính xác của dự báo, và cảnh báo sớm sự xuất hiện của XTNĐ

Công tác dự báo XTNĐ tại Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương cũng như các Đài Khí tượng thủy văn khu vực và Trung tâm Khí tượng thủy văn tỉnh đã có những bước chuyển biến mới nhưng cho đến thời điểm hiện tại, công nghệ và phương pháp dự báo sự hình thành của XTNĐ rất sơ sài, chủ yếu dựa vào ảnh mây vệ tinh [7] và một vài nghiên cứu thống kê về sự hình thành của XTNĐ trên Biển Đông của Lê Đình Quang, sự ảnh hưởng của không khí lạnh đến cường

độ bão [4, 5, 6] nên thời hạn dự báo là rất hạn chế, hơn nữa, những kết quả đạt được cũng chưa đưa được vào ứng dụng trong nghiệp vụ nên chưa được kiểm chứng Khi nghiên cứu về vai trò của bão trong sự tương tác nhiệt động lực của khí quyển và đại dương ở Biển Đông, tác giả Lê Đình Quang đã kết luận: “XTNĐ khi di chuyển trên mặt biển có nhiệt độ bề mặt > 280C thì phát triển, trên vùng nhiệt độ bề mặt dưới 260C sẽ đầy lên nhanh chóng” [6]

Trong công trình của Trịnh Văn Thư [9], tác giả đã xây dựng được bản đồ tần số hình thành XTNĐ trên Biển Đông cho hai loại ô lưới: 3x3 độ kinh vĩ và 1x1

độ kinh vĩ với chuỗi số liệu từ năm 1960 đến 1986 Theo đó, tác giả đã đưa ra đánh

25

giá trên bộ số liệu thu được: “Khu vực có nhiều bão hoạt động nhất là khu vực trung tâm Bắc Biển Đông, từ vĩ tuyến 150N đến 210N và kinh tuyến từ 1120E đến 1180E Khu vực trung tâm Biển Đông, từ vĩ tuyến 120N đến 180N và kinh tuyến từ 1120E đến 1180E là khu vực có nhiều bão hình thành nhất, mỗi năm có khoảng 0,4 cơn hình thành trong mỗi ô vuông 3x3 độ kinh vĩ” “Các tháng chính mùa bão có thể gộp thành 2 nhóm: Nhóm thứ nhất là các tháng 7 và 8, bão chủ yếu hoạt động ở Bắc Biển Đông Nhóm thứ hai là các tháng 9 và 10, bão hoạt động tỏa dần về cả Nam Biển Đông”

Trong bài viết đăng trên tạp chí KTTV số tháng 12/2007, tác giả Phạm Vũ Anh đã khảo sát nguồn gốc của bão và áp thấp nhiệt đới trên vùng biển Đông Nam

Á (bao gồm khu vực Biển Đông và vùng biển phía Đông Phi-líp-pin) và nhận thấy rằng: “Phần lớn các cơn bão (hoặc áp thấp nhiệt đới) hoạt động trên Biển Đông đều được sinh ra từ các dải hội tụ gió mùa: hoặc là từ rãnh gió mùa hay từ dải hội tụ nhiệt đới, chiếm tới 98%”, “Một tỷ lệ rất nhỏ (khoảng 2%) trường hợp bão, áp thấp nhiệt đới được hình thành do sự mạnh lên của các nhiễu động sóng trong đới tín phong gió Đông ở tầng thấp” [1]

Tác giả Bùi Minh Tăng [8] cũng đưa ra một số nhận xét về mối quan hệ của ENSO với hoạt động của bão và áp thấp nhiệt đới trên khu vực Biển Đông: “Trong các năm La Nina, bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng đến nước ta muộn hơn so với các năm El Nino và tập trung chủ yếu vào nửa sau mùa bão”, “Trong các năm La Nina, các cơn bão ảnh hưởng đến nước ta tuy có cường độ không mạnh bằng các năm El Nino, nhưng thường xảy ra tình trạng có 2 – 3, thậm chí 4 cơn bão và áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trong một thời gian ngắn, tập trung vào một khu vực”

Trong công trình “Nghiên cứu những nguyên lý cơ bản dự báo sự nảy sinh của bão với thời hạn trước ba ngày” [5], tác giả đã khảo sát vai trò của các hình thế synôp cơ bản đối với sự này sinh của bão từ 1 đến 3 ngày trước Các hình thế đó bao gồm: dải thấp nhiệt đới, chuỗi các nhiễu động nhiệt đới, hình thế 3 xoáy áp cao,

sự tương tác của không khí lạnh Tác giả cũng đưa ra một số nhận xét về các điều kiện nhiệt động lực khác thúc đẩy quá trình nảy sinh của bão trên khu vực Biển Đông như: Nhiệt độ mặt nước biển tương đối cao, xấp xỉ 280C, độ ẩm tương đối cao hơn 70%

Những nghiên cứu trên thế giới tính đến thời điểm này vẫn còn nhiều quan điểm khác nhau, ngay cả trên một khu vực nghiên cứu cũng như một nhân tố tác động cũng có những nhận định rất khác nhau Do đó, cần thiết phải nghiên cứu bài toán sự hình thành của XTNĐ cho khu vực Biển Đông và vùng lân cận để tìm ra những nhân tố chính đóng góp vào quá trình hình thành của XTNĐ cũng như góp phần tìm ra các đặc trưng của quá trình hình thành XTNĐ trên khu vực này Cuối

26

cùng, xây dựng được một bộ nhân tố đặc trưng cho bài toán dự báo sự hình thành của XTNĐ và một quy trình tạm thời khai thác và sử dụng bộ số liệu đó kết hợp với những số liệu, công cụ, sản phẩm hiện có tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương để dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông

27

CHƯƠNG 2: PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Phạm vi, đối tượng nghiên cứu của đề tài

Như tên của đề tài đã chỉ ra, đối tượng nghiên cứu của đề tài là sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới trong phạm vi là khu vực biển Đông có mở rộng đến kinh tuyến 1400E Trong khuôn khổ của đề tài này, thời điểm hình thành của XTNĐ được xác định là khi một vùng áp thấp được tăng cường đạt đến cường độ áp thấp nhiệt đới, hay tương đương với tốc độ gió cực đại đạt ít nhất là cấp 6 (tương đương

25 knots trong cơ sở dữ liệu quỹ đạo bão, hay khoảng 13m/s)

2.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu này tái kiểm tra các tham số môi trường quy mô lớn đã được biết tới là có đóng góp quan trọng cho sự hình thành các cơn XTNĐ với khoảng thời gian lấy số liệu là 30 năm (1980 – 2009) Với phương pháp tiếp cận là xác định các đặc trưng định lượng của các tham số môi trường địa phương tại khu vực xảy ra sự hình thành của các XTNĐ dựa trên bộ số liệu tái phân tích, từ đó có được một chuỗi

số liệu đủ dài để có thể đưa ra các đặc trưng thống kê của các nhân tố môi trường tại nơi hình thành XTNĐ, sử dụng quy tắc 3-sigma để đưa ra khoảng giá trị của các nhân tố phù hợp cho sự hình thành của XTNĐ và xây dựng được một quy trình sử dụng bộ số liệu nhiệt động lực từ kết quả của nghiên cứu này kết hợp với các loại số liệu, sản phẩm mô hình số trị hiện có tại Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương để tạo ra một công cụ hỗ trợ dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông và vùng lân cận

Để thực hiện được điều đó, hai bộ số liệu được sử dụng chủ yếu trong nghiên cứu là số liệu tái phân tích của NCEP-NCAR và số liệu quỹ đạo bão của RSMC Nhật Bản, JTWC Hoa Kỳ và của Việt Nam

Về mục tiêu cụ thể, đề tài nhằm hai mục tiêu chính:

• Xây dựng được 01 bộ nhân tố nhiệt động lực cho dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực Biển Đông

• Xây dựng được 01 quy trình khai thác và sử dụng bộ sản phẩm của đề tài trong nghiệp vụ dự báo tại Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương

Hai mục tiêu này có thể đạt được thông qua trả lời hai câu hỏi, một là các tham số môi trường trong những lần có XTNĐ hình thành có đặc trưng như thế

28

nào? Hai là làm thế nào để sử dụng hiệu quả những kết quả thống kê đó trong công tác nghiệp vụ dự báo sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông kết hợp với các sản phẩm mô hình số trị hiện có tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương?

Để trả lời những câu hỏi nêu trên, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu này, phương pháp nghiên cứu chủ yếu là phương pháp phân tích thống kê để xác định một cách khách quan và định lượng các đặc trưng thống kê của các nhân tố nhiệt động lực của môi trường địa phương nơi các cơn XTNĐ được hình thành dựa trên

bộ số liệu tái phân tích của NCEP/ NCAR Sau khi có được các đặc trưng của các khu vực hình thành của XTNĐ, các đặc trưng thống kê như: Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, trung vị, mốt, giá trị cực đại, giá trị cực tiểu… cũng như các biểu đồ phân bố tần số và tần suất tích lũy được tính toán dựa trên các phương pháp thống

kê truyền thống, tác giả sẽ thực hiện tiếp 2 bước sử dụng chính những đặc trưng này:

Một là, xác định các khoảng đặc trưng cho XTNĐ hình thành bằng phương

pháp 3-sigma vẫn được coi là phương pháp kinh nghiệm sử dụng cho các phân bố chuẩn và gần chuẩn Sau đó, các ngưỡng này được sử dụng để đánh giá “khả năng phát hiện” sự hình thành của XTNĐ của từng nhân tố tiềm năng Từ chính chỉ số về

“khả năng phát hiện này” sẽ xây dựng nên khái niệm “Khu vực hình thành tiềm năng”, chính là các khu vực có xác suất tổ hợp sử dụng chỉ số “khả năng phát hiện”

sự hình thành của XTNĐ dựa trên những kết quả kiểm nghiệm và thống kê với bộ

số liệu trong quá khứ thực hiện ở bước trên

Hai là, với các giá trị về trị số trung bình và độ lệch chuẩn tính được, tác giả

sẽ phân tích từng nhân tố để xác định mức độ ổn định cũng như vai trò của từng nhân tố trong việc xác định sự hình thành của XTNĐ dựa trên nguyên tắc: ưu tiên các nhân tố động lực và các nhân tố có độ ổn định cao (hay mức độ biến động nhỏ) Kết quả xác định được sẽ được đưa vào các bước trong quy trình dự báo sự hình thành của XTNĐ

2.3 Nội dung nghiên cứu của đề tài

Nội dung thu thập số liệu và tài liệu tham khảo bao gồm: số liệu tái phân tích của NCEP trong 30 năm (1980 – 2009) cho các yếu tố như: Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió, khí áp, nhiệt độ mặt nước biển… ở bề mặt và 17 mực khí áp; xây dựng các bộ

số liệu dẫn xuất (độ đứt gió theo chiều thẳng đứng, độ phân kỳ, CAPE, nhiệt độ thế

vị tương đương…) trong 30 năm; thu thập số liệu quỹ đạo bão của các cơn bão trên

Biển Đông và vùng lân cận của các nước: Việt Nam, Nhật Bản, Hoa Kỳ trong vòng

30 năm (1980 – 2009)

• Song song với quá trình thu thập số liệu, đề tài cũng thực hiện các tìm hiểu và đánh giá tổng quan về các phương pháp nghiên cứu và các kết quả đạt được với bài toán sự phát sinh và cơ chế hình thành XTNĐ trên khu vực Biển Đông và Tây Bắc Thái Bình Dương của các tác giả trong nước và trên thế giới để từ đó lựa chọn ra phương pháp nghiên cứu và thực hiện phù hợp với những loại số liệu, sản phẩm… hiện có; Sau đó tìm hiểu về các phương pháp xử lý hậu mô hình số trị để đưa kết quả của đề tài vào trong công tác nghiệp vụ

• Nghiên cứu tính toán các đặc trưng thống kê của rãnh gió mùa và các nhân tố nhiệt động lực trên khu vực Biển Đông bao gồm các đặc trưng khí hậu, phân bố theo thời gian và không gian của các nhân tố trên khu vực nghiên cứu; Nghiên cứu xây dựng các bản đồ đặc trưng và bản đồ tổ hợp của các nhân tố nhiệt động lực Bộ bản đồ sản phẩm từ những nghiên cứu này sẽ được sử dụng làm những khái niệm tổng quan, cơ bản cho các dự báo viên về diễn biến khí hậu các nhân tố nhiệt động lực và mối quan hệ với sự hình thành của XTNĐ trên khu vực biển Đông mở rộng

• Xác định mối quan hệ của rãnh áp thấp (tên gọi chung cho các loại rãnh gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới, rãnh xích đạo…) và các nhân tố nhiệt động lực với sự hình thành của XTNĐ, tập trung vào khả năng phát hiện sự hình thành XTNĐ của các nhân tố nhiệt động lực cũng như rãnh áp thấp Trong phần này, chỉ số POD sẽ được xác định cho từng nhân tố để làm cơ sở cho việc tạo ra các sản phẩm tổng hợp ở phần sau

30

• Nghiên cứu xác định và đánh giá khả năng ứng dụng của khái niệm

“khu vực hình thành XTNĐ tiềm năng” (được xác định bằng cách lựa chọn, kết hợp sử dụng các nhân tố tiềm năng), kiểm chứng qua số liệu ảnh mây vệ tinh

• Nghiên cứu ứng dụng sản phẩm các mô hình GSM của Nhật Bản, GFS của Hoa Kỳ để dự báo xác suất của các khu vực hình thành XTNĐ tiềm năng trên khu vực Biển Đông và vùng lân cận trên cơ sở phương pháp dự báo hoàn hảo có cải tiến

• Triển khai thử nghiệm dự báo trong nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương; đánh giá và hoàn thiện hệ thống thông qua một số trường hợp thực tế

2.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu của đề tài

Những nghiên cứu trước đây của Gray [24] đã chỉ ra rằng các điều kiện môi trường ảnh hưởng cơ bản đến sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) lần lượt

là nhiệt độ bề mặt nước biển, độ bất ổn định có điều kiện, xoáy thuận tuyệt đối ở tầng đối lưu phía dưới, độ ẩm tương đối ở tầng giữa đối lưu, xoáy thuận tương đối ở tầng trên đối lưu và độ đứt gió theo phương thẳng đứng và theo phương ngang Những nghiên cứu sau này của Mcbride và Zehr [42, 43] đã giúp hiểu rõ hơn nữa về những điều kiện thuận lợi này liên quan đến những đám mây đối lưu phát triển và

so với những đám mây đối lưu không phát triển thành XTNĐ Những nghiên cứu đó bao gồm cả những tính toán về khả năng để một hệ thống mây có thể phát triển thành xoáy thuận nhiệt đới bằng việc tính toán tất cả các yếu tố môi trường mà từ đây về sau được gọi là các yếu tố tiềm năng cho sự hình thành XTNĐ Một trong những khó khăn trong việc hiểu thấu đáo các quá trình vật lý và sau đó là việc dự báo sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới đó là sự phân bố của những điều kiện môi trường thuận lợi đến từ những hệ thống quy mô lớn Điều này đặc biệt đúng đối với khu vực Tây bắc Thái Bình Dương, nơi mà sự hình thành xoáy thuận nhiệt đới ở những khu vực khác nhau có những tác nhân động lực khác nhau ảnh hưởng tới sự hình thành Điều này có nghĩa là có nhiều thành phần khác nhau liên quan tới sự hình thành của XTNĐ

Như đã tổng quan ở trên, năm 2003, Kevin và cs đã tiến hành kiểm tra 6 nhân tố môi trường quy mô lớn liên quan đến sự hình thành của XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương từ năm 1990 đến 2001 sử dụng bộ số liệu tái phân tích của NCEP/NCAR Trong khuôn khổ của đề tài này, với mục tiêu đề ra là dựa

31

trên các phương pháp tiếp cận của các tác giả trong nước và trên thế giới đối với bài toán thống kê các đặc trưng của môi trường hình thành của XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông, tác giả lựa chọn cách tiếp cận gần giống với công trình của Kevin và cs năm 2003, đó là sử dụng số liệu quỹ đạo bão và số liệu tái phân tích để đánh giá vai trò của các nhân tố nhiệt động lực như: nhiệt độ mặt nước biển, độ ẩm tương đối trung bình tầng đối lưu giữa, độ phân kỳ trên mực 200mb, độ đứt theo chiều thẳng đứng giữa hai mực 200mb và 850mb của các thành phần gió u và v, nhiệt độ thế vị tương đương mực 850mb, năng lượng đối lưu tiềm năng, xoáy tương đối mực 850mb… dựa trên chỉ số POD cho khu vực Biển Đông

và vùng lân cận (mở rộng tới kinh tuyến 1400E) Dựa trên các đặc trưng thống kê của các nhân tố nhiệt động lực tại các khu vực có xảy ra sự hình thành của XTNĐ xác định ra một khoảng giá trị đặc trưng (gọi tắt là khoảng đặc trưng) cho XTNĐ hình thành của từng nhân tố riêng biệt Ngoài ra, đề tài còn hướng tới việc ứng dụng sản phẩm vào công tác dự báo nghiệp vụ thông qua việc sử dụng các đặc trưng xác định được từ bộ số liệu quỹ đạo bão và số liệu tái phân tích trong quá khứ, dùng phương pháp dự báo hoàn hảo có cải tiến, sử dụng các dự báo của mô hình số trị trong các thời hạn 24 và 48 giờ để có được sản phẩm là bản đồ dự báo xác suất hình thành của XTNĐ để dự báo viên tham khảo trong nghiệp vụ Để thực hiện theo hướng đó, cần thực hiện các bước tiếp cận như sau:

• Sau khi tìm hiểu lý thuyết về XTNĐ nói chung và sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới nói riêng thông qua các sách giáo khoa, sách chuyên ngành về XTNĐ, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến sự hình thành và dự báo sự hình thành của XTNĐ cũng như nghiên cứu cách tiếp cận của thế giới thông qua các bài báo khoa học, các sản phẩm tham khảo trên internet, kết hợp với các nguồn số liệu thu thập được như: Số liệu tái phân tích (nhiệt độ mặt nước biển, xoáy tương đối, độ đứt thẳng đứng, độ ẩm tầng thấp ở bề mặt và 17 lớp khí quyển trên cao) với độ phân giải 2,5x2,50 của NCEP/NCAR, số liệu ảnh mây vệ tinh để kiểm chứng cho khu vực có khả năng hình thành XTNĐ, và số liệu mô hình dự báo số trị để phân tích và ứng dụng vào trong nghiệp

vụ, tác giả đã lựa chọn được phương pháp nghiên cứu phù hợp, đó là

sử dụng các phương pháp thống kê, phương pháp kinh nghiệm nhằm mục đích:

• Nghiên cứu các đặc trưng khí hậu của các nhân tố nhiệt động lực trên khu vực Biển Đông và vùng lân cận, xây dựng nên các bản đồ trung

Tuy nhiên, không giống với những gì Kevin đã làm năm 2003, trong đề tài này, sau khi tính toán được các giá trị đặc trưng cho từng nhân tố nhiệt động lực thì bản thân bộ số liệu cũng như “khu vực hình thành tiềm năng” chưa có khả năng dự báo cho tương lai do chúng được xây dựng tại thời điểm XTNĐ hình thành (không

có độ trễ về thời gian) Do đó, để có thể ứng dụng trong nghiệp vụ dự báo, cần tiếp tục ứng dụng phương pháp dự báo hoàn hảo có cải tiến, sử dụng các sản phẩm của

mô hình số trị để dự báo cho các nhân tố nhiệt động lực trong các thời hạn khác nhau Giá trị dự báo của các nhân tố nhiệt động lực này sau đó được đưa vào trong công thức xác định tổ hợp xác suất hình thành của XTNĐ để tạo nên các bản đồ về xác suất hình thành của XTNĐ khu vực nghiên cứu cho các thời hạn 24, 48 giờ dựa trên thời hạn dự báo của mô hình số trị

Và cuối cùng, một phần không thể thiếu đó là xây dựng nên một quy trình hướng dẫn khai thác và sử dụng kết quả của đề tài trong công tác nghiệp vụ dự báo

sự hình thành của XTNĐ và đã thử nghiệm sử dụng tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương

2.4.1 Một số đặc trưng thống kê và quy tắc 3-sigma

Một trong những ứng dụng rất quan trọng của phương pháp thống kê trong khí tượng, khí hậu là tạo khả năng phán đoán về những tập số liệu mới Như đã biết,

hệ thống quan trắc khí tượng và các sản phẩm tính toán từ những mô hình số trị tạo

ra hàng loạt dữ liệu số phản ánh sự biến đổi theo không gian và thời gian của các yếu tố khí tượng Tuy nhiên, để rút ra những luật biến thiên của chúng cần phải khảo sát phân tích một cách tỷ mỷ Công cụ thống kê có thể giúp chúng ta nhận biết

Trung bình số học: Trong thống kê có nhiều khái niệm trung bình khác

nhau được sử dụng, như trung bình số học, trung bình điều hòa, trung bình hình học,… Tuy nhiên khái niệm trung bình được sử dụng phổ biến trong khí tượng, khí hậu là trung bình số học Ý nghĩa cơ bản của trung bình số học là nó chứa đựng thông tin quan trọng nhất về chế độ của đặc trưng yếu tố khí hậu Chức năng của trung bình số học trong nghiên cứu khí hậu là phản ánh một cách khái quát độ lớn của các thành phần trong chuỗi, dung hòa được các dao động thăng giáng và biểu thị trạng thái trung gian hay giá trị nền của chuỗi Giá trị trung bình số học được tính qua công thức:

(2.1)

Phương sai và độ lêch chuẩn: Phương sai Dx là đại lượng đặc trưng cho độ

phân bố tản mạn của các giá trị của đại lượng ngẫu nhiên X xung quanh kỳ vọng toán học (trung bình số học) Phương sai mẫu là ước lượng thống kê của phương sai Dx vàđược xác định bởi :

(2.2) Trong đó xt, t = 1…n là chuỗi các giá trị quan trắc của X Căn bậc hai của phương sai mẫu được gọi là độ lệch tiêu chuẩn hay độ lệch chuẩn σ=sx

(2.3) đương nhiên rằng phương sai mẫu Dx là đặc trưng thích hợp cho sự tản mạn của các thành phần trong chuỗi Song, nó thiếu tính rõ ràng vì thứ nguyên của nó bằng bình phương của thứ nguyên đại lượng được đo Trong khi đó σ có cùng thứ nguyên với đại lượng được đo Do vậy thông thường người ta dùng độ lêch chuẩn σ làm thước

đo mức độ phân tán của các thành phần trong chuỗi xung quanh giá trị trung bình

34

Độ lệch chuẩn càng lớn thì độ tản mạn của chuỗi càng lớn và ngược lại như được

mô tả ở hình dưới đây:

Hình 2.1 Ý nghĩa của độ lệch chuẩn (với σ 2 > σ 1 )

Phân bố chuẩn: hay còn gọi là phân bố Gauss đóng vai trò hết sức quan

trọng trong thống kê cổ điển, nó được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong khí tượng và khí hậu Biến ngẫu nhiên X được gọi là phân bố chuẩn nếu hàm mật độ xác suất của nó có dạng:

(2.4) như vậy phân bố chuẩn phụ thuộc vào hai tham số µ và σ Các tham số này chính là

kỳ vọng (trung bình số học) X và độ lệch chuẩn s của X

Từ công thức trên ta suy ra rằng mật độ phân bố chuẩn được xác định trên toàn miền của trục số và đồ thị của nó nhận đường thẳng x=µ làm trục đối xứng Để

sử dụng phân bố chuẩn biểu diễn một tập số liệu ta cần ước lượng chính xác hai tham số σ và µ

Tương ứng với hàm mật độ (3.4) ta có hàm phân bố xác suất:

(2.5) Xác suất để đại lượng ngẫu nhiên X nhận giá trị trong khoảng (α;β) được xác định bởi :

(2.6)

35

hay:

(2.7) trong đó

Từ biểu thức 2.11, có nhiều quy tắc kinh nghiệm được phát biểu bởi, ví dụ:

Qui tắc kinh nghiệm (Empirical Rule for Standard Desiation)

Đối với một khối dữ liệu, sẽ có hơn 90% các giá trị của Dữ liệu ở trong khoảng µ±3σ

Qui tắc Tchebychev (Chê-bư-sép)

Đối với khối dữ liệu của tập hợp chính có số trung bình là µ và độ lệch chuẩn s, sẽ

có ít nhất 100(1 - 1/m²)% giá trị của dữ liệu nằm trong khoảng µ ± σs

Đối với khối dữ liệu có dạng phân bố hình chuông thì :

Khoảng 68% các giá trị của dữ liệu nằm ở khoảng µ ± σ

Khoảng 95% các giá trị của dữ liệu nằm ở khoảng µ ± 2σ

Khoảng 100% các giá trị của dữ liệu nằm ở khoảng µ ± 3σ

Hình 2.2: Quy tắc 3-sigma đối với phân bố chuẩn Quy tắc 3-sigma sẽ được sử dụng trong nghiên cứu này để đưa ra ước lượng

về khoảng đặc trưng cho XTNĐ hình thành Theo đó, khoảng đặc trưng được xác định là các giá trị của yếu tố X thỏa mãn: Xtb-σ≤X≤Xtb+σ, với Xtb là giá trị trung bình và σ là độ lệch chuẩn của chuỗi số liệu của yếu tố X ứng với 398 trường hợp hình thành của XTNĐ trong vòng 30 năm Theo quy tắc 3-sigma, với khoảng đặc trưng này, sẽ chứa khoảng 68% giá trị trong tập mẫu, đây là một tỷ lệ không cao nhưng lại phù hợp với bài toán dự báo bởi mối quan hệ ràng buộc giữa “khả năng phát hiện” và “tỷ lệ cảnh báo khống”

2.4.2 Phương pháp “Dự báo hoàn hảo”

Lý thuyết về các phương pháp thống kê từ lâu đã được trình bày tương đối đầy đủ trong rất nhiều sách thống kê Từ những sách giáo khoa chuyên về thống kê dành cho các nhà toán học, cho đến những giáo trình thống kê chuyên ngành nên trong phần này tôi không có ý trình bày lại toàn bộ lý thuyết thống kê mà chỉ xin nêu ra một vài phương pháp thường dùng trong khí tượng - khí hậu, ý nghĩa cũng như áp dụng của chúng vào bài toán thực tế

Thứ nhất, về định nghĩa phân tích thống kê, là một trong hai phương pháp

phổ biến trong dự báo khách quan (Theo định nghĩa của Allen và Vernon thì dự báo

Thứ hai, cùng với thời gian và sự xuất hiện của máy tính điện tử, sự phát triển của các phương pháp thống kê cũng rất mạnh mẽ; từ phương pháp đơn giản nhất, được sử dụng đầu tiên là phương pháp giản đồ điểm cho đến những phương pháp thống kê phức tạp, đòi hỏi năng lực máy tính lớn, với tập số liệu khổng lồ như phương pháp hồi quy phi tuyến nói chung trong đó có mạng thần kinh nhân tạo nói riêng

Trong phần này, với hiểu biết có hạn của mình, tôi chia các phương pháp thống kê đã và đang được sử dụng theo hai nhóm: Nhóm phương pháp truyền thống, bao gồm các phương pháp được phát triển từ những buổi đầu của phương pháp thống kê, với các công cụ toán học đơn giản, đã được đưa vào trình bày từ lâu trong các sách giáo khoa kinh điển về thống kê Nhóm thứ hai là nhóm các phương pháp hiện đại, về quy tắc, ý tưởng cũng như mục đích thì không khác gì so với phương pháp thống kê truyền thống nhưng ở các phương pháp thống kê hiện đại đã đưa vào sử dụng những công cụ toán học hiện đại, những phát minh mới của loài người trong rất nhiều ngành khoa học trong những thập kỷ gần đây Sự phân chia này có thể còn chưa thoả đáng nhưng đây hoàn toàn là quan điểm cá nhân, dựa trên những ý tưởng và cách suy luận của một cá nhân nên còn nhiều hạn chế

Phương pháp thống kê truyền thống

Các thành viên trong tập hợp này có thể kể đến là:

• Phương pháp đồ thị - giản đồ

• Hồi quy tuyến tính một biến

• Hồi quy trung bình trực giao

• Hồi quy tuyến tính nhiều biến

38

• Phương pháp tuyển chọn nhân tố (Hồi quy từng bước)

• Phân tích chuỗi thời gian

• Phương pháp phân lớp (Phương pháp phân lớp tham số và phi tham số; Phương pháp phân lớp tuyến tính - LDA, phương pháp k điểm gần nhất - kNN, phương pháp cây phân lớp, )

Phương pháp thống kê hiện đại

Trong nhóm các phương pháp thống kê hiện đại, đầu tiên phải kể đến đó là các phương pháp hồi quy phi tuyến đơn biến và đa biến

• Hồi quy phi tuyến một biến (Bằng cách đặt ẩn phụ phù hợp để đưa về dạng hồi quy tuyến tính một biến): Bao gồm các dạng: Dạng Hyperbol, Dạng luỹ thừa, Dạng hàm mũ, Dạng lôga, Dạng đa thức bậc cao

• Hồi quy phi tuyến nhiều biến

Tiếp đến, trong số các phương pháp thống kê hiện đại phải kể đến các phương pháp thống kê trên sản phẩm đầu ra của các mô hình (MOS) bao gồm: Phương pháp dự báo hoàn hảo (PP), phương pháp thống kê đầu ra mô hình (MOS), phương pháp lọc Kalman, các phương pháp trên xuất phát từ những ý tưởng khác nhau nhưng có cùng điểm chung đó là sử dụng các cộng cụ toán học tuyến tính để thực hiện bài toán

Trong nhóm phương pháp này còn có phương pháp mạng thần kinh nhân tạo

là dựa trên nền tảng xuất phát khác, nó sử dụng các quan hệ phi tuyến, mô phỏng quá trình nhận thức của não bộ con người, để xây dựng nên các mô hình thống kê Mạng thần kinh nhân tạo hoàn toàn có thể sử dụng kểt hợp với các nguyên lý của phương pháp PP và MOS để tạo nên một hệ thống dự báo hiệu quả hơn so với PP và MOS đơn thuần sử dụng các phương pháp xây dựng truyền thống

Trong đó, phương pháp dự báo hoàn hảo dựa trên giả thiết rằng dự báo của

mô hình số trị là “hoàn hảo” (Mặc dù điều này ta biết rằng không bao giờ xảy ra), nói một cách khác, phương pháp này cho ta biết hệ quả gì sẽ xảy ra nếu mô hình số

là đúng Các phương trình của dự bào hoàn hảo đơn giản là liên kết giữa thời tiết

quan trắc (gọi là yếu tố dự báo) và các biến khác (gọi là nhân tố dự báo) cũng được

quan trắc tại cùng thời điểm đó hoặc ngay trước thời điểm quan trắc của yếu tố dự

báo với một điều kiện là: các nhân tố dự báo phải là các biến được dự báo bởi mô

hình số trị Cụ thể hơn, trong phương pháp dự báo hoàn hảo, ta sử dụng số liệu

quan trắc đồng thời để xây dựng phương trình dự báo, sau đó khi áp dụng, giá trị

của các nhân tố dự báo chính là số liệu dự báo của mô hình số Do đó, ta có thể sử