Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng hình thế bão cho các mô hình thủy động lực dự báo sóng và nước dâng "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

84
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Số liệu về các yếu tố khí tượng là những dữ liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình tính toán, dự báo sóng và nước dâng, đặc biệt trong trường hợp có bão, gió lớn và mực áp suất thấp tại tâm sẽ là các yếu tố chủ đạo tác động đến sự hình thành và phát triển của sóng và nước dâng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng hình thế bão cho các mô hình thủy động lực dự báo sóng và nước dâng "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125 Nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng hình thế bão cho các mô hình thủy động lực dự báo sóng và nước dâng Nguyễn Minh Huấn* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 29 tháng 4 năm 2011 Tóm tắt. Số liệu về các yếu tố khí tượng là những dữ liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình tính toán, dự báo sóng và nước dâng, đặc biệt trong trường hợp có bão, gió lớn và mực áp suất thấp tại tâm sẽ là các yếu tố chủ đạo tác động đến sự hình thành và phát triển của sóng và nước dâng. Do độ phân giải thấp của số liệu quan trắc cũng như khả năng đồng hoá số liệu chưa thể đáp ứng được yêu cầu của các mô hình tính toán, dự báo sóng, nước dâng, nên các trường khí tượng đầu vào thường được trích xuất từ trường số liệu của mô hình dự báo thời tiết toàn cầu hoặc các mô hình vùng. Các mô hình thủy động lực sử dụng các trường đầu vào này thường có sai số lớn trong trường hợp thời tiết có bão, do quy mô của cơn bão thường tương đương bước lưới 10x10. Để nâng cao độ chính xác kết quả tính toán, dự báo của các mô hình sóng và nước dâng, Chương trình mô phỏng hình thế bão đã được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB. Cơ sở của chương trình này là sử dụng các công thức tính toán phân bố theo không gian của tốc độ gió và áp suất dựa theo bán kính gió cực đại được xác định theo công thức của H.E. Willoughby and M.E.Rahn. Sử dụng chương trình được xây dựng, có thể tính ra được trường áp và trường gió trong bão với độ phân giải cao trong không gian và thay đổi theo thời gian trên lưới tính bất kỳ theo các thông tin dự báo hoạt động của bão, tạo ra được các bộ số liệu đủ chi tiết làm đầu vào cho các mô hình thủy động lực dự báo sóng, nước dâng. Mở đầu mô hình dự báo toàn cầu với bước lưới 10x10, sau đó được nội suy về lưới tính thích hợp cho Số liệu khí tượng là một trong những dữ khu vực tính toán. Điều này sẽ gây nên những liệu đầu vào rất quan trọng trong các mô hình sai số rất lớn trong trường hợp thời tiết có bão, tính toán sóng, nước dâng, đặc biệt trong trường bởi quy mô của cơn bão thường tương đương hợp có bão, gió lớn và mực áp suất thấp tại tâm bước lưới 10x10. Chính vì vậy, việc mô phỏng sẽ là các yếu tố chủ đạo tác động đến sự hình hình thế bão cho các mô hình tính toán sóng, thành và phát triển của sóng và nước dâng. Do nước dâng là rất cần thiết và quan trọng. số liệu quan trắc cũng như số liệu đồng hoá chưa thể đáp ứng được yêu cầu của các mô hình sóng và nước dâng, nên trường khí tượng đầu 1. Cơ sở lý thuyết vào thường được cung cấp từ trường số liệu của _______ Hình thế bão trong tự nhiên vô cùng phức  ĐT: 84-4-35586898 tạp và không theo quy tắc, gió trong bão thường E-mail: nmhuan61@gmail.com 115
116 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 rất mạnh, bất đồng nhất theo không gian, và f : thông số Coriolis, f = 2ωsinφ, ω = biến đổi về hướng. Độ chênh lệch lớn của tốc 0.0000729 rad/s vận tốc góc quay của trái đất, φ độ gió và sự biến đổi nhanh của hướng gió – vĩ độ địa lý. trong xoáy bão có thể dẫn tới sự hình thành các b : thông số thay đổi hình dạng của profile trường sóng phức tạp trên biển và đại dương. bán kính cơn bão, theo Harrper và Holland b Gió lớn sẽ đẩy khối nước về phía bờ, gây ra 900  Pcentre được tính theo công thức: b  2 những cột sóng cao hơn mực nước thông 160 thường. Ngoài ra, mực áp suất thấp tại tâm bão Công thức (1) và (2) cho thấy, trường áp và có thể có những tác động đến độ sâu của hình trường gió đều phụ thuộc vào bán kính gió cực thế khối nước. Vì vậy, sự phân bố chính xác đại Rmax, nhưng việc tính toán chính xác giá trị của trường gió, trường áp suất trong bão là Rmax là khó khăn và phức tạp. Đã có rất nhiều những đầu vào hết sức quan trọng cho mô hình tính toán nước dâng [1]. nhà khoa học trên thế giới đưa ra những công thức thực nghiệm với những ưu, nhược điểm Phương pháp tiếp cận của Schloemer (ref, nhất định như: 1945), được tiếp tục phát triển bởi Greg Holland của Cục Khí tượng Australia (Holland  S.A. Hsu (2005) đã đưa ra những công G.J., 1980) để mô phỏng hình thế bão qua một thức thực nghiệm tính toán Rmax dựa trên số loạt các công thức tính toán trường gió, trường liệu vệ tinh [3]: áp suất tại các bán kính cực đại và khoảng cách 1  V x từ các điểm lưới tính tới tâm của cơn bão với  r r  Rmax (3) các giả thiết ban đầu: cơn bão đi qua đại dương,  Vmax  mắt bão không thay đổi và trường gió bao trong đó: quanh đi theo trục thẳng đứng của hệ trục tọa độ đối xứng 3 chiều [2]. x: hệ số = 0.7; Sự phân bố của tốc độ gió và áp suất được r: bán kính có giá trị lớn hơn Rmax, là số thể hiện theo các công thức sau [1,2]: liệu thực đo nằm trong vùng ảnh hưởng của cơn b bão tại đó gió có vận tốc Vr.  Rmax  b r 2 f 2 r f (1) b  Rmax   r  r   Penv  Pcentre  exp Vr       4 2  Công thức thực nghiệm của A.S.Hsu sẽ gặp nhiều bất lợi trong trường hợp không có số liệu   r b  Pr  Pcentre   Penv  Pcentre  exp   đo trong vùng ảnh hưởng của cơn bão.   (2)   Rmax      Banton et al. (2002) tính toán Rmax thông qua áp suất tại tâm cơn bão từ công thức thực trong đó: nghiệm [4]: Vr (m/s): tốc độ gió tại khoảng cách r (m) Rmax = 3.10-6 exp (0.017 Pcentre) (4) tính từ tâm bão ; H.E. Willoughby and M.E.Rahn (2004)  Pcentre, Penv: áp suất tại tâm bão và áp suất đã xây dựng công thức thực nghiệm tính toán trung bình tháng của khu vực (mb); Rmax thông qua vận tốc gió cực đại và vĩ độ Rmax: bán kính cực đại của cơn bão, tại đó [5]. tốc độ gió đạt cực đại (m); Rmax = 46.29 exp (-0.0153 Vmax + 0.0166 φ) (5) ρ : mật độ của không khí (kg/m3);
117 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 Công thức H.E. Willoughby and M.E.Rahn tâm bão mạnh cấp 9, giật trên cấp 9 khi bắt đầu (2004) được chúng tôi thử nghiệm để xác định đi vào Biển Đông và khi đổ bộ vào bờ biển nước ta có sức gió mạnh cấp 12 đã làm cho ít bán kính gió cực đại trong nghiên cứu này. nhất 2 người chết tại Nam Định, 2 người chết tại Thanh Hoá và 1 người chết tại Quảng Ninh. Về cơ sở hạ tầng, bão đã làm sạt lở và vỡ nhiều 2. Mô phỏng bão trong khu vực Biển Đông tuyến đê biển của Hải Phòng, Nam Định, Thanh Trong nghiên cứu này, cơn bão DAMREY Hoá, Thái Bình, Ninh Bình, Nghệ An. Ngoài ra, trong khu vực Biển Đông được lựa chọn để mô bão số 7 cũng làm ngập hơn 4.500ha đầm nuôi phỏng lại hình thế bão. tôm, làm đổ, ngập 60.394ha lúa, hoa màu. Cơn bão DAMREY, cơn bão số 7 trong Các thông tin về cơn bão DAMREY xuất năm 2005 có sức gió mạnh nhất vùng gần hiện từ 21-27/9/2005 trên biển Đông (Hình 1) Hình 1. Ảnh mây vệ tinh của cơn bão DAMREY tại 0540 UTC ngày 25/9/2005. [Nguồn http://modis-atmos.gsfc.nasa.go] Các thông tin bao gồm: vị trí của tâm bão, thời gian xuất hiện, áp suất và vận tốc cực đại tại tâm cơn bão (Bảng 1) được cung cấp từ [6,7].
118 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 Hình 2. Quỹ đạo của cơn bão DAMREY trên Biển Đông. [Nguồn http:/weather.unisys.com] Hình 3. Biểu đồ áp suất theo thời gian của cơn bão DAMREY.
119 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 Bảng 1. Các thông tin của cơn bão DAMREY bắt đầu từ ngày 20 đến 27/9/2005 [Nguồn http:/weather.unisys.com] STT Vĩ độ Kinh độ Thời gian Vận tốc gió cực đại [m/s] Áp suất tại tâm bão [mb] 1 15.1 125 09/20/06Z 25 1002 2 16.2 124.5 09/20/12Z 30 1000 3 17.3 123.9 09/20/18Z 35 997 4 18.3 123.1 09/21/00Z 35 997 5 18.7 122.3 09/21/06Z 40 994 6 19.1 121.6 09/21/12Z 50 987 7 19.2 121 09/21/18Z 50 987 8 19.7 120.8 09/22/00Z 55 984 9 20.1 120.4 09/22/06Z 55 984 10 20 119.7 09/22/12Z 55 984 11 19.9 118.9 09/22/18Z 55 984 12 20.1 118 09/23/00Z 50 987 13 20.2 117.1 09/23/06Z 50 987 14 20.1 116.6 09/23/12Z 50 987 15 19.9 116.1 09/23/18Z 45 991 16 19.7 115.5 09/24/00Z 50 987 17 19.5 114.7 09/24/06Z 55 984 18 19.3 113.9 09/24/12Z 60 980 19 18.8 113.4 09/24/18Z 65 976 20 18.9 112.8 09/25/00Z 80 963 21 19 112.3 09/25/06Z 90 954 22 19 111.6 09/25/12Z 85 958 23 19 110.9 09/25/18Z 80 963 24 18.6 110 09/26/00Z 70 972 25 18.8 109.1 09/26/06Z 65 976 26 19.2 108.2 09/26/12Z 60 980 27 19.4 107.3 09/26/18Z 55 984 28 19.5 106.2 09/27/00Z 50 987 29 19.7 104.9 09/27/06Z 45 991 30 19.7 103.7 09/27/12Z 35 997 31 19.4 102.6 09/27/18Z 30 1000
120 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 Trường khí tượng ban đầu được cung cấp từ lượng lớn và cho phép trích xuất đồ hoạ…) sử dự án “Dự báo Hoàn lưu và Khí tượng Đại dụng các công thức (1) và (2) tính toán phân bố dương (ECCO)”, do NASA, NOAA và NSF theo không gian, thời gian của tốc độ gió và áp (National Science Foundation), ONR (Office of suất với bán kính gió cực đại được xác định Naval Research) cùng hợp tác [8]. Trường khí theo công thức (5) của H.E. Willoughby and tượng là sự kết hợp giữa số liệu đo đạc và mô M.E.Rahn. hình hoàn lưu toàn cầu, bước lưới 1o x 1o, được Kết quả mô phỏng hình thế cơn bão nội suy về lưới cong tuyến tính không đều (số DAMREY được thể hiện trên các hình vẽ 4, 5. điểm lưới dầy ở khu vực gần bờ và thưa ở khu Phân bố không gian của trường áp suất khí vực ngoài khơi) cho khu vực Biển Đông bao quyển, phân bố của trường gió đã mô phỏng tốt gồm: 130 ô theo trục x, 150 ô theo trục y, bước trường áp và trường gió của cơn bão xảy ra trên lưới trung bình khoảng 6km . thực tế, quá trình biến đổi theo thời gian của Chương trình mô phỏng hình thế bão đã cơn bão cũng được thể hiện tốt trên lưới của mô được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình hình thủy động lực với độ phân giải đáp ứng MATLAB (ngôn ngữ có công cụ hỗ trợ rất được yêu cầu của các mô hình này. mạnh trong việc xử lý các file số liệu có dung 6h/23/9/2005.
121 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 6h/24/9/2005. 6h/25/9/2005.
122 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 12h/26/9/2005 Hình 4. Phân bố trường gió trên Biển Đông trong cơn bão DAMREY theo kết quả mô phỏng. 6h/23/9/2005.
123 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 6h/24/9/2005. 6h/25/9/2005.
124 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 12h/26/9/2005. Hình 5. Phân bố trường áp suất khí quyển trên Biển Đông trong cơn bão DAMREY theo kết quả mô phỏng. Tài liệu tham khảo 3. Kết luận Mô phỏng lại hình thế bão là bài toán tương [1] Tsung-Lin Lee, “Prediction of Storm Surge and Deviation Using a Neural Network”, đối phức tạp bởi các cơn bão trong tự nhiên Department of Construction Technology of thường không có quy tắc, biến đổi mạnh về China, 2008. hướng và bất đồng nhất theo không gian. Tuy [2] Pascal Peduzzi, “Cyclone Database Manager”, chưa xét đến được sự biến đổi theo chiều thẳng United National Environment Program Global Resource Information Database – Geneva, 2004. đứng của các yếu tố và sự thay đổi của mắt bão [3] S.A. Hsu, “ Estimating the Radious of Maximum khi đi qua những khu vực có địa hình phức tạp, Winds Via Satellite During Hurricane Lili nhưng kết quả nghiên cứu đã xây dựng được (2002) over the gulf of Mexico”, Coastal Studies bức tranh tổng thể về hình thế bão. Institute Louisiana, State University, Baton Rouge, Louisiana 70803, 2005. Sử dụng chương trình được xây dựng, có [4] Nghiêm Tiến Lam, “Tính toán nước dâng do thể mô phỏng được trường áp và trường gió bão”, Khoa học Kỹ thuật biển, Đại học Thủy trong bão với độ phân giải cao trong không gian Lợi, 2008. và thay đổi theo thời gian trên lưới tính bất kỳ [5] H.E. Willoughby, “The Climatology of Hurricane Wind Profiles” Florida International theo các thông tin dự báo quỹ đạo hoạt động và University, Miami Florida. 2005. các đặc điểm của bão, tạo ra được các bộ số liệu [6] http://agora.ex.nii.ac.jp tin cậy làm đầu vào cho các mô hình thủy động [7] http://weather.unisys.com lực dự báo sóng, nước dâng. [8] http://ecco.jpl.nasa.gov/
125 N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 1 15-125 Estimating the Hurricane Winds and Atmosphere Pressure for input to waves and storm surge forecast models Nguyen Minh Huan Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU, 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam Meteorological data are important input one for the waves, storm surge calculations and forecasts, due to the low resolution of monitoring data as well as the ability of assimilate data cannot meet the requirements of the waves and storm surge models, why meteorological input fields are usually extracted from the data of the global or regional weather models. The hydrodynamics model uses the meteorological input fields often have large errors in the storm weather, because the size of the storm often equivalent to 10 x 10 grid step. To improve the accuracy of the waves and storm surge forecast models, a program for the simulation of the storm has been built with MATLAB programming language using the formula to calculate the spatial distribution of wind speed and pressure with the wind maximum radius is determined by the formula of HE E. Rahn and M.Willoughby. Using this program to simulate the pressure and wind fields during storms with high space resolution of an y grid meshed we created reliable data sets for input to hydrodynamics models for waves and storm surges forecast.