Khí tượng học synốp phần 7 doc

Thuật ngữ xoáy thuận nhiệt đới tropical cyclone khác với từ bão nhiệt đới tropical storm và áp thấp nhiệt đới tropical depression được phân loại theo tốc độ gió cực đại ở vùng trung tâm

Khí tượng học synốp(Phần nhiệt đới) NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2006 Từ khoá: Áp thấp nhiệt đới, bão, áp cao cận nhiệt, dòng dẫn, dự bão bão Tài liệu trong Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thể được sử dụng cho mục đích học tập và nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức sao chép, in ấn phục vụ các mục đích khác nếu không được sự chấp thuận của nhà xuất bản và tác giả Chương 4 ÁP THẤP NHIỆT ĐỚI VÀ BÃO 3

4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BÃO Ở TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG 3

4.2 TẦN SUẤT BÃO Ở MIỀN TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG VÀ BIỂN ĐÔNG 4 4.3 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO 7

4.3.1 Trường nhiệt áp 8

4.3.2 Trường chuyển động 9

4.3.3 Hệ thống mây 11

4.4 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA BÃO 13

4.5 SỰ HÌNH THÀNH BÃO 15

4.5.1 Các điều kiện hình thành bão 15

4.5.2 Hình thế synôp và sự hình thành bão ở Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông 16

4.6 SỰ DI CHUYỂN CỦA BÃO 19

Trần Công Minh

4.7 DỰ BÁO SỰ DI CHUYỂN CỦA BÃO 21 4.7.1 Xác định tâm bão 21 4.7.2 Dự báo quỹ đạo bão 23 4.8 SỰ BIẾN DẠNG CỦA ÁP CAO CẬN NHIỆT VÀ DÒNG DẪN Ở TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG 28

Chương 4

ÁP THẤP NHIỆT ĐỚI VÀ BÃO

4.1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA BÃO Ở

TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG

Trước hết nói về từ bão được dùng trong giáo trình này Như ta đã thấy trong phần cơ sở, 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 xoáy thuận cấu tạo bởi khối khí nóng ẩm và không có front Thuật ngữ xoáy thuận nhiệt đới (tropical cyclone) khác với từ bão nhiệt đới (tropical storm) và áp thấp nhiệt đới (tropical depression) được phân loại theo tốc độ gió cực đại ở vùng trung tâm như ta sẽ thấy từ định nghĩa dưới đây Để thuận tiện trong trình bày và in ấn từ nay về sau chúng tôi dùng từ bão và khi cần sẽ phân biệt với trường hợp áp thấp nhiệt đới và bão mạnh (typhoon)

Theo Atkinson (1971): “Bão là xoáy thuận quy mô synôp 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

Bão được gọi bằng nhiều tên khác nhau tuỳ theo từng khu vực hình thành bão trên Trái Đất Bão có tên Hylạp là “Typhoon”, tên Arập là “Tufans”, tên Trung Quốc “Taifung” gần giống các từ Hylạp và Arập Ở Tây Thái Bình Dương và Biển Đông gọi là Typhoons Miền biển Caribei gọi là Hurricane Miền Úc châu gọi là Vilivili

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

Theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm xoáy thuận nhiệt đới, tổ chức khí tượng thế giới (WMO: World Meteorological Organization) quy định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành:

1/ Áp thấp nhiệt đới (Tropical depression): Là xoáy thuận nhiệt đới với hoàn lưu mặt đất giới hạn bởi một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở gần vùng trung tâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6 - cấp 7)

2/ 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)

Trên hình 4.1 là một cơn bão nhiệt đới theo phân loại trên và ba cơn bão rất mạnh tại các điểm ABCD trên ảnh của vệ tinh ESSA 9 chụp miền Tây Bắc Thái Bình Dương ngày 13/7/1972 Hệ thống mây của các cơn bão này có dạng gần tròn, khác với của chuỗi xoáy thuận front có dạng sóng, kéo dài theo hướng tây nam-đông bắc ở phía trên tại vĩ tuyến 30oN

Hình 4.1

Bão Susan (A) và các cơn bão rất mạnh (typhoon) Rita (B), Phyllis (C), Tess (D) trong các giai đoạn phát triển khác nhau Trên ảnh của vệ tinh ESSA 9 chụp miền Tây Bắc Thái Bình Dương ngày 13/7/1972 Chuỗi xoáy thuận ngoại nhiệt đới (EF) và (GH) phát triển ở ngoài vĩ độ 30 o N

Tốc độ gió mạnh nhất ổn định trong bão thường lấy trung bình trong 2-10 phút tuỳ quốc gia (Việt Nam lấy tốc độ gió mạnh nhất trung bình trong 2 phút, tốc độ gió giật lấy trung bình trong 2 giây) 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 thời tiết về thời điểm chuyển từ áp thấp nhiệt đới sang bão, tốc độ gió lớn nhất trong bão cũng khác nhau Điều đó dẫn đến kết quả xác định tần số bão cũng khác nhau

4.2 TẦN SUẤT BÃO Ở MIỀN TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG VÀ

BIỂN ĐÔNG

Tính trung bình cho toàn cầu hàng năm có 80 cơn bão Trên 50% số cơn bão toàn cầu xuất hiện ở Bắc Thái Bình Dương (trong đó 38% ở Tây Thái Bình Dương và 17% ở Đông Bắc Thái Bình Dương) Số bão ở Bắc Bán Cầu chiếm 73% 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 (Neuman, 1990)

Hình 4.2

Quỹ đạo bão (với V max > 17m/s) thời kỳ 1979-1988 (Neuman,1990)

Mức độ dầy đặc của quỹ đạo các cơn bão trên hình 4.2 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

Trên miền Bắc Thái Bình Dương quỹ đạo bão có độ dày đặc rất lớn so với các khu vực khác trên Trái đất Điều đó cũng thể hiện trên bản đồ tần suất bão trong 100 năm (hình 4.2) Ở đây ta 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 Như trường hợp cơn bão TIP ở miền Tây Thái Bình Dương từ 5-20/10/1979 (Hình 4.14)

Hình 4.3

Tần số bão trong 100 năm trong vòng 140km từ mỗi điểm Dấu tam giác đậmchỉ tần số cực đại Thời kỳ lấy số liệu được ghi trong hình chữ nhật (Neuman, 1990)

Miền Tây Bắc Thái Bình Dương là nơi duy nhất có thể có bão vào tháng bất kỳ trong năm (hình 4.3) Có một hay hơn một cơn bão hình thành trong một tháng từ tháng 3 đến tháng

12 và 70% bão trong thời kỳ 4 tháng từ tháng 7 đến tháng 10

Khoảng 2/3 số bão đạt tới cường độ bão mạnh (typhoon) Phân bố theo mùa của tổng số

áp thấp nhiệt đới và bão nói chung tương tự với phân bố của bão mạnh Hơn 80% bão đạt tới trạng thái áp thấp và sau đó tăng cường thành bão mạnh

Hình 4.4

Phân bố theo mùa của tần số xoáy thuận nhiệt đới đối với miền Tây Bắc Thái Bình Dương Đường trên là giới hạn số áp thấp nhiệt đới và bão nói chung có cường độ nhỏ nhất và đường dưới là giới hạn số xoáy thuận nhiệt đới có cường độ nhỏ nhất đối với bão mạnh (Neuman,1990)

Số bão hình thành ở Biển Đông được đưa vào thống kê số bão của miền Tây Bắc Thái Bình Dương Trong năm bão có hai tần suất cực tiểu: một cực tiểu vào tháng 1 và cực tiểu thứ hai là vào tháng 5 liên quan với sự di chuyển của rãnh xích đạo Năm nào tần suất hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới nhỏ, thì năm đó ít bão, chẳng hạn như năm 2004 Thời kỳ có điều kiện thuận lợi cho sự hình thành bão là từ giữa tháng 7 đến giữa tháng 12 và thuận lợi nhất là vào tháng 9, tháng có tần suất bão lớn nhất

Bảng số cơn bão và áp thấp nhiệt đới trung bình hàng năm (trong hai thời kỳ (1928-1944) (1947-1980) (Neuman,1990)) là 12 cơn phân chia theo các tháng như sau:

Trung

Khoảng 50% tổng số bão Biển Đông là từ miền Tây Thái Bình Dương, số còn lại hình thành tại Biển Đông Năm nhiều bão là 13 cơn, năm ít là 2 cơn

Bão ảnh hưởng đến Việt Nam từ tháng 6 đến tháng 12 Tháng 9 nhiều bão ảnh hưởng hơn

cả, khoảng 2 cơn trong một tháng, tháng 5 và tháng 12, 5 đến 7 năm mới có một cơn bão, tháng 4 từ 10-15 năm bão mới xuất hiện một lần, tháng 1, 2 và 3 rất hiếm có bão

Bão xuất hiện sớm ở Bắc Bộ và về phía nam bão xuất hiện càng muộn hơn Đường đi của bão dịch xuống phía nam cùng với dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) và dòng dẫn đường ở rìa phía nam của cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương như minh hoạ bằng các quỹ đạo trung bình của bão trên hình 4.5 Từ hình 4.5 ta thấy quỹ đạo ở vị trí nam nhất là vào tháng 5 với tần suất bão rất nhỏ vào thời điểm bắt đầu mùa gió mùa tây nam và hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới Trên hình 4.5 mô tả vị trí trung bình của dải hội tụ nhiệt đới Quỹ đạo trung bình của bão và dải hội tụ nhiệt đới đều liên quan với dòng khí tín phong phía nam và cực tây của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương nên hai đường này có xu thế trùng nhau, nhất là vào tháng 9 khi bão có tần suất cực đại

Hình 4.5

Quỹ đạo bão trung bình nhiều năm ở Biển Đông và ven biển Việt Nam và vị trí trung

bình của dải hội tụ nhiệt đới (Alats khí tượng thuỷ văn Việt Nam, 1994)

4.3 ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO

Trong không gian ba chiều, bão là một cột xoáy khổng lồ với bán kính có thể vượt quá

500 km như mô phỏng trên hình 4.6 (trái) Tính trung bình ở mặt đất từ 0-3km không khí nóng ẩm từ xung quanh được dòng khí vận chuyển ngược chiều kim đồng hồ (ở Bắc Bán Cầu) và hội tụ vào khu vực trung tâm Từ mực 3-7km không khí được cuốn vào cột xoáy và bốc mạnh lên cao xung quanh mắt bão Trong mắt bão hình thành dòng giáng bù lại cho phần không khí cuốn theo dòng thăng xung quanh mắt bão Phía trên 7 km dòng khí toả ra từ tâm bão, thuận chiều kim đồng hồ, theo hoàn lưu của xoáy nghịch ở độ cao này để giải toả khối lượng không khí hội tụ ở mực thấp, duy trì áp thấp trong bão

Bão có trường nhiệt, trường áp, trường chuyển động và trường mây khác nhiều so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới

Hình 4.6

Dòng khí hội tụ vào tâm ngược chiều kim đồng hồ, xoáy và bốc lên cao, ở phía trên dòng

khí toả ra theo hoàn lưu xoáy nghịch trong bão, mô phỏng trong không gian ba chiều (trái)

Hệ thống đường đẳng áp khép kín gần tròn của bão và hệ thống gió xoáy hội tụ vào tâm ở

mặt đất (phải)

4.3.1 Trường nhiệt áp

Do chuyển động giáng, nhiệt độ không khí trong mắt bão lớn hơn rõ rệt so với khu vực xung quanh Theo chiều cao đặc điểm này càng thể hiện rõ Trên hình 4.7 các mặt đẳng nhiệt theo chiều cao càng có dạng vồng lên Kết quả tính toán mới đây của K Smith (2005) cho thấy phần sát đất của bão có nhiệt độ thấp hơn xung quanh Phía trên mực này mới là lõi nóng trong mắt bão Hệ quả của lõi nóng này là sự dãn ra và vồng lên theo chiều cao của mặt đẳng áp trong khu vực trung tâm và cả khu vực mắt bão (được biểu diễn bằng đường liền trên hình 4.7) ở khu vực trung tâm bão do bậc khí áp ở khu nóng lớn hơn khu vực xung quanh Chính vì vậy, nếu ở mặt đất mặt đẳng áp trong bão có dạng phễu rất sâu thì theo chiều cao mặt đẳng áp giảm độ nghiêng của nó

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

Hình 4.7

Sơ đồ mặt cắt tổng hợp qua một cơn bão Đường liền nét là các mặt đẳng áp

cơ bản từ 1000 mb đến 100mb Đường đứt là đường đẳng nhiệt Đường cong

đậm nét phân chia khu vực nhiệt độ tăng đáng kể xung quanh lõi bão Đường

đứt gần thẳng đứng phân chia khu vực dòng thăng và dòng giáng Mũi tên chỉ

các dòng khí hội tụ ở mặt đất, thăng rất mạnh ở rìa mắt bão và toả ra ở trên

cao tạo hệ thống mây tích nhiều tầng (Palmen,1948)

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

nguồn nhiệt của nó hay đi vào miền vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp, dòng nhiệt đi vào ở mặt đất sẽ ngưng lại, không khí lớp sát đất bị lạnh đoạn nhiệt do bốc lên cao và dãn nở làm giảm nguồn năng lượng của bão Sự lạnh đi của lớp không khí sát đất là nguyên nhân làm suy yếu bão, dòng thăng cưỡng bức của không khí lạnh làm tan lõi nóng trong bão Ngược lại khi bão

di chuyển tới vùng biển nóng hơn, bão sẽ mạnh lên

Ở mặt đất, khác với dạng ôvan của các đường

đẳng áp trong xoáy thuận ngoại nhiệt đới, trong bão,

các đường đẳng áp khép kín có dạng tròn gần như

đồng tâm Khí áp ở vùng trung tâm có thể đạt tới giá

trị cực tiểu trên Trái Đất là 850 mb Đường đẳng áp

ngoài cùng thường xấp xỉ hay dưới 1000 mb Chính

vì vậy gần mặt đất, mặt đẳng áp trong bão rất dốc, có

dạng phễu như trên hình 4.13 Gradien khí áp ngang

có thể tới 20mb/ 100km, lớn gấp 10 lần so với

gradien khí áp ngang trong xoáy thuận ngoại nhiệt

đới Trên hình 4.8 là phân bố thẳng đứng của hiệu sai

khí áp so với khí áp vùng trung tâm Ta thấy mặt

đẳng áp rất dốc trong bão so với xoáy thuận ngoại

nhiệt đới Mặt đẳng áp ở gần mặt đất có dạng phễu

rất sâu (Hình 4.13) Ở trên cao, trong mô hình một dải mây, tại mực đỉnh bão, mặt đẳng áp vồng lên biểu thị áp cao với hoàn lưu xoáy nghịch Trong trường hợp mô hình hai dải mây mặt đẳng áp trong áp cao này được tách ra thành phần phía trong gần tâm bão và một phần ở phía bên ngoài của bão

4.3.2 Trường chuyển động

Gradien khí áp ngang rất lớn ở mặt đất tạo nên trường gió rất mạnh, tốc độ gió trong bão trên 17,2m/s và có thể vượt quá 100m/s gây ra sức tàn phá rất lớn Dòng khí rất mạnh hội tụ vào tâm và cuốn lên cao với tốc độ thẳng đứng trong mây vũ tích 5-10m/s (hay lớn hơn) xung quanh thành mắt bão Ở đỉnh bão là hệ thống áp cao giải toả khối lượng không khí rất lớn hội

tụ vào tâm bão ở mặt đất, duy trì khí áp rất thấp ở vùng trung tâm, đồng thời duy trì hoàn lưu trong bão

Kết quả tính tốc độ gió tiếp tuyến, tốc độ gió hướng tâm và đường dòng ở các mực mặt đất, 1km, 3km và 15km (được biểu diễn trên hình 4.9) Hình này mô tả một cách chi tiết cột xoáy trong bão ở các độ cao khác nhau Từ mặt đất đến độ cao 3km duy trì gió tiếp tuyến ngược chiều kim đồng hồ, theo chiều cao gió tiếp tuyến yếu dần và chuyển thành gió tiếp tuyến thuận chiều kim đồng hồ tại mực 15km Gió hướng tâm ở mặt đất theo chiều cao dần chuyển thành gió ly tâm và tại độ cao 15km, gió ly tâm chiếm ưu thế rõ rệt Tại mặt đất dòng khí xoáy hội tụ vào tâm đến mực 3km khu vực dòng xoáy thuận chiều kim đồng hồ thu hẹp lại Tại mực 15km đường đẳng áp phân kỳ ra theo chiều kim đồng hồ từ tâm ra phía ngoài

Hình 4.8

Phân bố khí áp trong bão và trong xoáy thuận ngoại nhiệt đới (Riehl,1985)

(a) (b) (c) Hình 4.9

Sự biến đổi của phân bố gió tiếp tuyến, gió hướng tâm và trường đường

dòng trong bão ở các mực: mặt đất, 1km, 3km và 15km (Izawa,1964)

(a) Tốc độ gió tiếp tuyến

(b) Tốc độ gió hướng tâm

(c) Đường dòng

Trên hình 4.10 là trường dòng và phân bố tốc độ gió trong cơn bão Dona đang di chuyển

từ đông sang tây Tại mực mặt đất dòng khí xoáy ngược chiều kim đồng hồ và hội tụ vào tâm bão Tốc độ gió mạnh nhất đạt 80kts (40m/s) ở cung phần tư phía đông bắc so với hướng chuyển động của bão, nơi đường dòng gần trùng với hướng di chuyển của bão Tốc độ gió cực tiểu ở cung phần tư tây nam của bão, nơi đường dòng có hướng ngược so với hướng chuyển động của bão Ở trên cao dòng khí phân kỳ theo chiều kim đồng hồ, thậm chí ở phía nam còn thể hiện rõ áp cao với hoàn lưu xoáy nghịch Phân bố tốc độ gió tại mực này cũng tương tự như ở mặt đất