Đề tài " Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão "

Chia sẻ: Hoàng Văn Tình | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

242
lượt xem 53
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xoáy thuận nhiệt đới - bão là một hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm đối với các hoạt động kinh tế xã hội cũng như đời sống của con người. Hệ quả thời tiết mà bão gây ra chẳng hạn như mưa lớn gây lũ lụt, sóng mạnh gió giật có sức tàn phá nặng nề gây thiệt hại về vật chất cũng như tính mạng con người. Chính vì vậy các nhà khí tượng cần phải nghiên cứu về bão và đưa ra những phương pháp dự báo cường độ và quỹ đạo bão. Khu vực Tây Thái Bình...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề tài " Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão "

Lời cảm ơn Trong quá tr ình làm khóa lu ậ n này, em xin chân thành c ả m ơ n tr ư ờ ng Đ ạ i H ọ c Khoa H ọ c T ự N hiên, Khoa Khí T ư ợ ng - T h ủ y V ă n - H ả i D ư ơ ng H ọ c đ ã quan tâm t ạ o đ i ề u ki ệ n cho em đ ư ợ c h ọ c t ậ p và công tác trong su ố t 4 n ă m qua và hoàn thành xong khóa lu ậ n này. E m xin chân thành c ả m ơ n t ớ i các th ầ y cô và anh ch ị l àm vi ệ c t ạ i K hoa Khí T ư ợ ng - T h ủ y V ă n - H ả i D ư ơ ng H ọ c đ ã giúp đ ỡ t ạ o đ i ề u ki ệ n c ho em đ ể e m hoàn thi ệ n xong khóa lu ậ n. Đ ặ c bi ệ t em xin chân thành c ả m ơ n sâu s ắ c t ớ i ThS. V ũ T hanh H ằ ng, ng ư ờ i đ ã tr ự c ti ế p h ư ớ ng d ẫ n và t ậ n t ình giúp đ ỡ e m hoàn thành khóa lu ậ n. M ộ t l ầ n n ữ a em xin chân thành c ả m ơ n. Hà Nội tháng 05 năm 2008 Sinh viên Nguyễn Thị Ái Quyên 0
M ỤC L ỤC TRANG Mở đầu ................................ ................................ ................................ ........... 3 Chương 1. Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão ................................ ...... 4 1.1. Định nghĩa và phân loại ................................ ................................ 4 1.1.1 Đinh nghĩa ................................ ................................ ................. 4 1.1.2. Phân loại ................................ ................................ .................... 5 1.3. Độ mạnh, cường độ và kích thước của bão ................................ .... 5 1.4. Các điều kiện hình thành xoáy thuận nhiệt đới – bão .................... 6 1.5. Những đức trưng cơ bản của bão ................................ .................. 7 1.5.1. Trường nhiệt áp ................................ ................................ ......... 7 1.5.2. Trường chuyển động ................................ ................................ .. 8 1.5.3. Hệ thống mây ................................ ................................ ............ 9 1.6. Các giai đoạn phát triễn của bão ................................ ................... 10 1.6.1. Giai đoạn hình thành ................................ ................................ .. 10 1.6.2, Giai đoạn trẻ ................................ ................................ .............. 11 1.6.3. Giai đoạn chín muồi ................................ ................................ ... 11 1.6.4. Giai đoạn ta rã ................................ ................................ ............ 12 Chương 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới ................................ ............... 13 2.1. Các phương trình chuyển động ................................ ..................... 13 2.2. Lực nổi ................................ ................................ ......................... 14 2.3. Hoàn lưu sơ cấp ................................ ................................ ............ 16 2.4. Sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão ................................ 18 1
2.5. Dự báo sự di chuyển của bão ................................ ........................ 19 2.5.1. Xác định tâm bão ................................ ................................ ....... 19 2.5.1.1. xác định tâm bão theo trường áp ................................ ............. 19 2.5.1.2. Xác định tâm bão theo góc nghiêng của dòng khí ở gần tâm bão ................................ ................................ ............. 20 2.5.1.3. Phương pháp xác định tâm bão bằng ảnh mây vệ tinh ............. 21 2.5.2. Dự báo quỹ đạo bão ................................ ................................ ... 21 2.5.2.1. Phương pháp quán tính và phượng pháp khí hậu ..................... 21 2.5.2.2. Phương pháp synốp ................................ ................................ 22 2.6. Sự tan rã của bão ................................ ................................ .......... 25 Chương 3. Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình HRM ................................ ................................ ............... 28 3.1. Khía quát về mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HRM ................................ ................................ ...... 28 3.2. Một số chỉ tiêu đánh giá sai số quỹ đạo bão ................................ .. 34 3.3. Nguồn số liệu ................................ ................................ ................ 35 3.4. Kết quả đánh giá sai số quỹ đạo bão và phân tích .......................... 36 Kết luận ................................ ................................ ................................ .......... 44 Tài liệu tham khảo ................................ ................................ .......................... 45 2
Mở đầu Xoáy thuận nhiệt đới - bão là một hiện tượng thời tiết rất nguy hiểm đối với các hoạt động kinh tế xã hội cũng như đời sống của con người. Hệ quả thời tiết mà bão gây ra chẳng hạn như mưa lớn gây lũ lụt, sóng mạnh gió giật có sức tàn phá nặng nề gây thiệt hại về vật chất cũng như tính mạng con người. Chính vì vậy các nhà khí tượng cần phải nghiên cứu về bão và đưa ra những phương pháp dự báo cường độ và quỹ đạo bão. Khu vực Tây Thái Bình D ương là một trong những khu vực tập trung nhiều bão nhất và có cường độ mạnh hơn so với các đại dương khác trên thế giới. Chính vì vậy, việc tìm hiểu hoạt động của bão tại khu vực này và bão ảnh hưởng tới Việt Nam là rất cần thiết. Trong khóa luận này, em tìm hiểu về cơ chế vật lý và một số phương pháp dự báo sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão. Bên cạnh đó, thử nghiệm chạy mô hình HRM cho 6 cơn bão (cơn bão Kino, Krovanh, Nepatak, Chanthu, Vicenter và Damrey) với thời hạn dự báo 48h và phân tích đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão của mô hình. Cấu trúc khóa luận gồm có 3 chương: Chương 1. Tổng quan về xoáy thuận nhiệt đới – bão Chương 2. Động lực học của xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành và sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới – bão Chương 3. Kết quả đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão của mô hình HRM Kết luận 3
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI – BÃO 1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 1.1.1. Định nghĩa Theo Atkinson (1971): ‘’Bão là xoáy thuận quy mô synốp không có front, phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưu xác định’’. Bão là hệ thống khí áp thấp có đường đẳng áp khép kín gần tròn với gradient khí áp ngang và tốc độ gió rất lớn. Trong nghiệp vụ dự báo, người ta phân biệt áp thấp nhiệt đới khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm nhỏ hơn 17,2m/s và bão khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm bằng và lớn hơn 17,2m/s. Hình 1.1. Tên gọi của xoáy thuận nhiệt đới – bão của các khu vực Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấp ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc Bán Cầu. Trong những điều kiện thuận lợi vùng áp thấp này có thể khơi sâu thêm, gió vùng quanh trung tâm mạnh lên trở thành áp thấp nhiệt đới và sau đó là bão. Trong giai đoạn phát triển ổn định có thể thấy mắt bão, khu vực đường kính 30-40km với khí áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu. Do 4
trong mắt bão có dòng giáng nên nhiệt độ ở đây cao hơn xung quanh, ít mây hay quang mây. Trên ảnh mây vệ tinh, màn mây trong bão ở giai đoạn đầu là sự tập trung của các đám mây tích và vũ tích lớn, sau một thời gian các tập hợp mây tích này có thể tạo thành dải mây có dạng xoáy về phía trung tâm. Trong giai đoạn thuần thục, mắt bão mới xuất hiện dưới dạng một hay hai chấm đen ở trung tâm bão. 1.1.2. Phân loại Dựa vào tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm xoáy thuận nhiệt đới, tổ chức khí tượng thế giới (WMO: World Meteorological Organization) quy định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành: 1/ Áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression): Là xoáy thuận nhiệt đới với hoàn lưu mặt đất giới hạn bởi một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6- cấp 7). 2/ Bão nhiệt đới (Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với các đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 17,2 đến 24,4m/s (cấp 8- cấp 9). 3/ Bão mạnh (Severe Tropical Storm): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6m/s (cấp 10- cấp 11). 4/ Bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane): Là xoáy thuận nhiệt đới với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 32,7m/s trở lên (trên cấp 11). a, b, Hình 1.2. Hình ảnh của một xoáy thuận nhiệt đới – bão a, ảnh mây vệ tinh; b, mô tả cấu trúc của một cơn bão 1.3. ĐỘ MẠNH, CƯỜNG ĐỘ VÀ KÍCH THƯỚC CỦA BÃO 5
Độ mạnh được xác định bởi tốc độ gió lấy trung bình theo không gian trong phạm vi khoảng từ 100km đến 250km tính từ tâm bão. Cường độ được xác định bởi tốc độ gió cực đại hay áp suất mực biển cực tiểu. Cường độ xoáy thuận nhiệt đới khác nhau rất nhiều. Căn cứ vào quyết định của hội nghị khí tượng thế giới, đã chia xoáy thuận nhiệt đới làm 4 loại theo cường độ: áp thấp nhiệt đới, bão nhiệt đới, bão mạnh, bão rất mạnh. Kích thước của cơn bão được xác định là bán kính trung bình của tốc độ gió mạnh ( 17m/s) hay của đường đẳng áp khép kín ngoài cùng (ROCI). Quan trắc cho thấy kích thước và độ mạnh của cơn bão có quan hệ chặt chẽ với nhau, tuy nhiên lại không quan hệ tốt với cường độ bão. Thông thường, sự tăng cường độ thì sẽ dẫn tới tăng độ mạnh và sự giảm cường độ ở tâm thì sẽ làm giảm hoàn lưu phía ngoài của bão. Kích thước mang tính khí hậu học được thiết lập tốt ở khu vực Đại Tây Dương và Bắc Thái Bình Dương. Tính trung bình, những cơn bão nhiệt đới có 0 kích thước là 1.5 độ vĩ, lớn hơn so với các cơn bão ở Đại Tây Dương. Những 0 xoáy thuận nhiệt đới kích thước nhỏ (ROCI < 2 độ vĩ) thường xẩy ra vào đầu 0 mùa bão (tháng 8), và những xoáy thuận nhiệt đới kích thước lớn (ROCI >10 độ vĩ) xuất hiện vào cuối mùa (tháng 10). Xoáy thuận nhiệt đới có kích thước lớn 0 trung bình thường thấy ở 30 độ vĩ bắc. Phân loại theo quan trắc dựa theo kích thước mắt bão [nhỏ (bán kính  15km), trung bình (16-30km), lớn (30-120km), và không tồn tại thành mắt bão] cho thấy mối tương quan giữa cường độ và độ mạnh. 1.4. CÁC ĐIỀU KIỆN HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI-BÃO Bão là một xoáy thuận nhiệt đới được cấu trúc bởi khối khí nóng ẩm với dòng thăng rất mạnh xung quanh mắt bão, tạo thành hệ thống mây mưa xoáy vào vùng trung tâm bão. Năng lượng bão là ẩn nhiệt ngưng kết của lượng hơi nước khổng lồ bốc hơi từ mặt biển. Bão chỉ hình thành khi có sự phối hợp của các nhân tố nhiệt động lực và trong hình thế synốp nhất định. 6
1/ Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ 26- 270C) bảo đảm nước bốc hơi mạnh cung cấp năng lượng ngưng kết lớn cho hệ thống bão. 2/ Thông số coriolis có giá trị đủ lớn tạo xoáy. Bão thường hình thành trong giới hạn vĩ độ 5-200 hai bên xích đạo. 3/ Dòng cơ bản có độ đứt thẳng đứng của gió yếu, bảo đảm cho sự tập trung của dòng ẩm vào khu vực bão trong thời gian đầu của sự hình thành bão. 4/ Ở trên cao, trường khí áp phải phân kỳ để bảo đảm sự giải tỏa khối lượng không khí hội tụ ở mặt đất và duy trì bão. 5/ Ở mặt đất phải có nhiễu động áp thấp ban đầu. 1.5. NHỮNG ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA BÃO 1.5.1. Trường nhiệt áp Do chuyển động giáng, nhiệt độ không khí trong mắt bão lớn rõ rệt so với khu vực xung quanh. Theo chiều cao, đặc điểm này càng thể hiện rõ. Trên hình 1.3 các mặt đẳng nhiệt theo chiều cao càng có dạng vồng lên. Kết quả tính toán mới đây của R.K.Smith (2005) cho thấy phần sát đất của bão có nhiệt độ thấp hơn xung quanh. Phía trên mực này mới là lõi nóng trong mắt bão. Hệ quả của lõi nóng này là sự giãn ra vồng lên theo chiều cao của mặt đẳng áp trong khu vực trung tâm và cả khu vực mắt bão (biểu diễn bằng đường liền nét trên hình 1.3) ở khu vực trung tâm bão do bậc khí áp ở khu nóng lớn hơn khu vực xung quanh. Chính vì vậy, nếu ở mặt đất mặt đẳng áp trong bão có dạng hình phễu rất sâu thì theo chiều cao mặt đẳng áp giảm độ nghiêng của nó. Bão có dòng khí nóng ẩm bốc lên cao rất mạnh xung quanh thành mắt bão. Hoàn lưu này vận chuyển năng lương nhiệt, ngưng kết thành thế năng và từ thế năng chuyển thành động năng. Quá trình ngưng kết này thể hiện ở dải mây mưa xoáy vào tâm xung quanh thành mắt bão. 7
Hình 1.3. Sơ đồ mặt cắt thẳng đứng của một cơn bão. Đường liền nét là đường đẳng áp cơ bản từ 1000mb đến 100mb. Đường đứt nét là đường đẳng nhiệt. Đường cong nét liền đậm phân chia nhiệt độ tăng đáng kể xung quanh lõi bão (Palmen, 1948). Khác với xoáy thuận ngoại nhiệt đới có dạng đường đẳng áp hình ôvan, bão có các đường đẳng áp gần tròn và với gradient khí áp ở gần vùng trung tâm rất lớn (tới 20mb/100km, lớn gấp 10 lần so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới). 1.5.2. Trường chuyển động Gradient khí áp ngang rất lớn ở mặt đất tạo nên trường gió rất mạnh, tốc độ gió trong bão trên 17,2m/s và có thể vượt quá 100m/s gây ra sức tàn phá lớn. Dòng khí rất mạnh hội tụ vào tâm và cuốn lên cao với tốc độ thẳng đứng trong mây vũ tích 5-10m/s (hay lớn hơn) xung quanh thành mắt bão. Ở đỉnh bão là hệ thống áp cao giải tỏa khối lượng không khí rất lớn hội tụ vào tâm bão ở mặt đất, duy trì khí áp rất thấp ở vùng trung tâm, đồng thời duy trì hoàn lưu trong bão. Trên hình 1.4 biểu diễn trường tốc độ (m/s) được xây dựng trên mặt cắt qua cơn bão mô tả phân bố tốc độ gió theo khoảng cách tới tâm bão và theo chiều cao. Ta có thể thấy ngoài khu vực mắt bão lặng gió là khu vực gió cực đại bao quanh thành mắt bão với tốc độ 30m/s lan từ độ cao khoảng 0,5km lên tới 6km (vùng tô đậm). Khu vực có tốc độ gió 20m/s lan đến tận độ cao gần 12km. Càng cách xa tâm bão ra phía rìa bão tốc độ gió càng giảm, ở khoảng cách 1000km tốc độ gió chỉ còn lại 5m/s. Càng lên cao phạm vi gió hướng xoáy thuận (thể hiện bằng tốc độ dương) thu hẹp lại, rõ nhất là từ mực 12km. Từ mực này gió chuyển dần sang hoàn lưu xoáy nghịch (thể hiện bằng tốc độ âm) theo chiều kim đồng hồ với tốc độ khoảng 5m/s như thể hiện trên hình 1.4. 8
Hình 1.4 Mặt cắt thẳng đứng của tốc độ gió tiếp tuyến (m/s) (Izawa, 1954) Phân bố ba chiều của chuyển động trong xoáy thuận nhiệt đới được biểu diễn bởi gió tiếp tuyến, gió hướng tâm và từ tâm ra ngoài và đường dòng. Tốc độ gió tiếp tuyến cực đại tại mặt đất nằm ở phía phải cơn bão so với hướng chuyển động từ đông sang tây trên tất cả các mực. Tại mặt đất tốc độ gió tiếp tuyến cực đại có thể tới 20m/s, tăng gấp đôi (40m/s) tại mực 1km và thực tế không đổi đến độ cao 9km, sau đó giảm dần theo độ cao 3km đến độ cao 15km. Đường dòng chuyển từ dạng xoáy trôn ốc đơn thuần ở mặt đất sang dạng gần tròn đồng tâm ở mực 1km. Kích thước của hoàn lưu tăng theo chiều cao. Phía trên 12km chỉ có hoàn lưu xoáy thuận nhỏ ở gần tâm còn bao quanh là các vòng hoàn lưu xoáy nghịch với các dòng khí thổi ra từ tâm bão. Lớp dưới cùng 0-3km là lớp dòng đi vào có thành phần hướng tâm, - lớp dòng vào mạnh nhất là ở gần mặt đất từ 0-1km. Lớp giữa khoảng 3-7km, dòng khí chủ yếu là thành phần tiếp tuyến, - thành phần hướng tâm rất nhỏ. Lớp dòng đi ra từ 7km đến đỉnh của bão, cực đại của dòng đi ra có - thành phần từ tâm ta ngoài của bão chín muồi ở gần độ cao 12km. 1.5.3. Hệ thống mây Cấu trúc chủ yếu của hệ thống mây là mây đối lưu “dải mây mưa” có dạng xoắn trôn ốc về phía tâm bão. Trên ảnh mây vệ tinh đó là các đĩa mây khổng lồ đường kính tới 1000-2000km với dải mây tích mầu trắng chuyển động cuốn vào tâm. Dòng thăng tập trung ở dải này, dải có vận tốc 20-30m/s. Vận chuyển nhiệt 9
và vận chuyển thế năng thành động năng chủ yếu xẩy ra ở dải mây mưa. Diện tích của dải mây giảm theo chiều cao do có dòng thổi ra tới độ cao trên 10km chỉ còn 5%, mây chỉ giới hạn trong bán kính 400km, chiều cao của mây tích từ 15-20km. Hình 1.5. Dải mây trong bão Giai đoạn trước bão (a), Giai đoạn bão (b), Giai đoạn bão mạnh (c) Không khí nóng ẩm trong bão hội tụ rất mạnh vào khu vực trung tâm và bốc lên cao trong cột xoáy bão, ngưng kết lại tạo thành các dải mây vũ tích bao quanh mắt bão lan tới 15-20 km. Khi bão chín muồi màn mây ti mở ra, nhìn trên ảnh mây vệ tinh ta thấy một chấm đen trong màn mây bão đã gần tròn, bão càng mạnh đường viền khu vực này càng thấy rõ. Khu vực mắt bão có đường kính từ 30-40km, đây là khu vực quang mây, do dòng giáng trong mắt bão. Mây tích bao quanh mắt bão quay ngược chiều kim đồng hồ theo hoàn lưu xoáy thuận, còn dải mây ti trên đỉnh bão quay theo chiều kim đồng hồ hoàn lưu xoáy nghịch. Nếu đường kính của bão khoảng 500km, chiều cao phát triển của mây tích là 10km thì ta có thể thấy hệ thống mây bão chứa khối lượng nước lớn. Khối lượng nước lớn là nguồn của những trận mưa lớn kết hợp với gió mạnh. Khi ngưng kết tạo thành hệ thống mây trong bão, lượng hơi nước này cung cấp một lượng ẩn nhiệt khổng lồ, đó chính là nguồn năng lượng duy trì hoàn lưu với gió rất mạnh và sự quang mây trong bão có thể duy trì trong nhiều ngày. 10
Hình 1.6. Sơ đồ mặt cắt thẳng đứng qua hệ thông mây và mắt bão tương ứng với hướng di chuyển của bão từ đông sang tây (mũi tên)-Ci: mây ti trên cao (trái). Màn mây bão trên Biển Đông (phải). Tốc độ dòng thăng trong bão rất lớn, có thể đạt tới 30-35m/s và lên đến độ cao lớn, trên 10km, tạo thành cột không khí chuyển động xoáy rất mạnh tạo nên khối mây bão khổng lồ. Đến một độ cao nào đó dòng thăng yếu hẳn đi, tỏa ra xung quanh tạo nên dòng khí thổi ngang từ vùng tâm bão ra ngoài rìa bão tạo thành những màn mây mỏng vươn ra rất xa ngoài vùng gió bão. 1.6. CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CỦA BÃO Đời sống trung bình của bão khoảng 7-8 ngày đêm tính từ thời điểm phát sinh, phát triển cho đến khi đi vào bờ hoặc tan rã trên biển. Tuy nhiên có một số cơn bão chỉ kéo dài vài giờ, và cũng có những cơn bão tồn tại trên 15 ngày hoặc lâu hơn nữa. Theo Riehl (1979) có thể chia quá trình hình thành và phát triển của bão thành 4 giai đoạn: 1.6.1. Giai đoạn hình thành Bão xuất hiện từ một nhiễu động có sẵn trong trường dòng nhiệt đới, phần lớn (khoảng 80% trường hợp) bão hình thành liên quan với dải hội tụ nhiệt đới. Tuy nhiên, không phải nhiễu động nào cũng phát triễn thành bão. Quá trình khơi sâu thường diễn ra chậm chừng vài ngày đủ thời gian để gió tản mạn trong khu vực rộng lớn được sắp xếp lại, tạo thành các dòng khí xoáy hội tụ đưa không khí nóng ẩm vào tâm. Cũng có trường hợp mắt bão hình thành và hiện rõ chỉ trong vòng 24h. Trong giai đoạn hình thành gió có cường độ bão chỉ thấy ở mực thấp. Gió mạnh nhất tập trung ở phần hướng về phía cực và phía đông nếu bão hình thành trong sóng đông và gió có hướng biến đổi nếu bão hình thành trong rãnh 11
xích đạo. Khi tốc độ gió cực đại tại vùng trung tâm vượt quá 17,2m/s, áp thấp nhiệt đới trở thành bão. Trị số áp suất ở tâm giảm tới khoảng 1000mb. Nếu đối lưu ổn định thì hoàn lưu mực thấp cũng có thể dẫn đến sự hình thành dải mây hình xoắn vào tâm. 1.6.2. Giai đoạn trẻ Không phải tất cả các xoáy thuận nhiệt đới đạt tốc độ gió cấp bão trong giai đoạn hình thành đều phát triển thành bão, nhiều xoáy thuận tan đi sau 24h. Một số khác di chuyển trên một khoảng cách lớn như là một tâm áp thấp nhiệt đới. Nếu có sự tăng cường thì khí áp thấp nhất giảm nhanh xuống dưới 1000mb. Gió có cường độ bão hình thành một dải bao quanh trung tâm xoáy. Mô hình mây biến đổi từ dải đường tố sang dạng dải xoáy về phía trung tâm. 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. 1.6.3. Giai đoạn chín muồi Đặc điểm của giai đoạn này là 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 sức bão mở rộng. Giai đoạn chín muồi có khi kéo dài tới một tuần. Nếu trong giai đoạn trẻ phạm vi gió mạnh, sức bão chỉ giới hạn trong phạm vi bán kính 30-50km thì trong giai đoạn này có thể mở rộng trên 300km. Khu vực thời tiết xấu nhất nằm ở phía phải so với hướng dịch chuyển của bão. Quy mô của bão trong giai đoạn chín muồi biến đổi rất lớn. Thậm chí khi khí áp ở tâm bão thấp hơn 950mb, bán kính bão có khi chỉ 100-200km. Nếu khí áp tính trung bình đồng thời là 100mb cho toàn khu vực bão có bán kính 1000km thì khối lượng của nó là 3x1013 với hai bậc đại lượng lớn hơn. Khối lượng này ngang với khối lượng khí áp thấp Alêut. Bão trong giai đoạn chín muồi cũng phải trải qua các giai đoạn 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. Sự biến đổi ngắn hạn của tốc độ gió chừng 10% trong khoảng 1 giờ. 1.6.4. Giai đoạn tan rã 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 mất đi nên kích thước của bão giảm đi rất 12
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 tan rã khi gặp vùng nước lạnh như ở Tây Bắc Thái Bình Dương. Trên đất liền và trên biển bão có thể vòng quanh rìa cao áp cận nhiệt và đi vào miền ôn đới, không khí lạnh xâm nhập vào khu vực bão trở thành một xoáy thuận ngoại nhiệt đới. 13
CHƯƠNG 2 Đ Ộ N G L Ự C H Ọ C C Ủ A XO ÁY T H U Ậ N N HI Ệ T Đ Ớ I T R Ư Ở N G T HÀ N H V À S Ự D I CH UY Ể N C Ủ A X OÁ Y T H U Ậ N N HI Ệ T Đ Ớ I 2 . 1. C ÁC PH Ư Ơ NG TR ÌN H C H UY Ể N Đ Ộ NG Các phương trình nguyên thủy của chuyển động bao gồm phương trình động lượng ngang, phương trình thủy tĩnh, phương trình liên tục, phương trình nhiệt động lực và phương trình trạng thái đối với chuyển động không ma sát trong một hệ tọa độ quay trên mặt phẳng f có thể biểu diễn dưới dạng tọa độ cực, hình trụ (r, , z) như sau: u v 2 u u v u 1 p     fv   u  r r   r t z r (2.1) v v v v v uv 1 p     fu   u  r r  r  t z r (2.2)   v   p     g u  r r  t z z (2.3) 1 ru 1 v    0   r r z (2.4)   v   d (2.5)  u   r r  t z dt 1 1   p*  / R  (2.6) Trong đó (u , v, w) là thành phần của vectơ của vận tốc,  là mật độ không khí, f d là thông số coriolis, p là áp suất ,  là nhiệt độ thế vị, là tốc độ đốt nòng phi dt k đoạn nhiệt,    p / p*  là hàm Exner, R là hằng số khí riêng, K  R / c p , c p là nhiệt dung đẳng áp, p*  1000mb . Nhiệt độ được xác định bởi T   . . Đối với chuyển động quy mô bão, có thể gần đúng thủy tĩnh, khi đó phương trình (2.3) có dạng: p   g z (2.7) 14
Nhân phương trình (2.2) với r và thực hiện một biến đổi ta được: M M v M M p  u   r r   t z (2.8) trong đó 12 M  rv  rf 2 (2.9) là mômen góc tuyệt đối trên một đơn vị khối lượng của phân tử khí xung quanh trục quay. Nếu dòng khí là đối xứng trục (và không ma sát), vế phải của (2.8) bằng không và mômen góc tuyệt đối được bảo toàn. Lưu ý rằng mômen góc tuyệt đối trên một đơn vị thể tích. 1 M   (rv  r 2 f ) 2 cũng được bảo toàn nếu khối lượng được bảo toàn (tức là D / Dt  0 ). 2.2. LỰC NỔI Lực nổi của một phần tử trong một lớp không khí phân tầng mật độ được xác định bằng sự chênh lệch khối lượng của không khí bị phần tử chiếm chỗ (đẩy lên theo định luật Archimedes) và khối lượng của phần tử khí đó. Đại lượng này thường đựơc biểu diễn trên một đơn vị khối lượng của phần tử khí dưới dạng:   a b  g  (2.10) trong đó  là mật độ của phân tử khí,  a   a ( z ) là mật độ của môi trường tại cùng một độ cao z với phần tử khí, và g là gia tốc trọng trường. Ở đây, tọa độ thẳng đứng z được định nghĩa là tăng theo hướng ngược với lực trọng trường. Việc xác định lực đẩy giả thiết rằng khí áp bên trong phần tử khí là tương tự với khí áp của môi trường xung quanh nó cùng ở độ cao, giả thiết này có thể không được thỏa mãn ở khu vực xoáy quay nhanh. Trong trường hợp sau có thể xác định một lực nổi tổng quát tác động vuông góc với mặt đẳng áp đi qua phần tử khí và tỉ lệ với sự chênh lệch mật độ giữa phần tử khí và môi trường dọc theo bề mặt đó. 15
Một biểu thức tương tự cho lực nổi dưới dạng (2.10) có thể nhận được bằng cách xuất phát bằng phương trình động lượng thẳng đứng và thế áp suất p bằng tổng của áp suất tham khảo p ref và nhiễu động áp suet p ' . Đại lượng p ref được xác định từ cân bằng thủy tĩnh với giá trị mật độ tham khảo p ref thường được lấy bằng mật độ môi trường. Trong thực tế, mật độ môi trường không được xác định một cách duy nhất mà là giá trị mật độ được lấy trung bình theo phương ngang trên một miền đủ lớn xung quanh phần tử khí. Bỏ qua lực ma sát, gia tốc thẳng đứng trên một đơn vị khối lượng có thể viết dưới dạng: 1 p ' D D 1 p hoặc (2.11)  g  b  z  z Dt Dt trong đó  là tốc độ thẳng đứng, D / Dt là đạo hàm vật chất và t là thời gian biểu diễn đạo hàm, tuy nhiên thực hiện gần đúng không đàn hồi (Ogura và Phillips, 1962) trong đó mật độ ở mẫu số biểu thức (2.10) được lấy gần đúng bằng giá trị của môi trường. Rõ ràng là tổng của gradient khí áp thẳng đứng và trọng trường trên một đơn vị khối lượng tác động lên một phần tử khí sẽ bằng tổng của gradient thẳng đứng của nhiễu động khí áp lực nổi, trong đó lực nổi được xác định bằng biểu thức (2.10) bằng cách so sánh các giá tr ị mật độ tại một độ cao không đổi. Biểu thức b trong (2.11) có dạng tương tự như (2.10) nhưng p ref được thay cho  a . Tuy nhiên, đạo hàm này phá vỡ giả thiết là khí áp địa phương (phần tử) bằng với của môi trường khi tính b. Một cách tổng quát, cách khai triển trên cho thấy lực nổi không xác định đồng nhất vì nó phụ thuộc vào việc lựa chọn mật độ tham khảo. Tuy nhiên, tổng của lực nổi và gradient nhiễu động áp suất trên một đơn vị khối lượng là đồng nhất. Nếu chuyển động là thủy tĩnh, gradient nhiễu động khí áp và lực nổi là bằng nhau và ngược dấu, nhưng chúng vẫn duy trì đồng nhất. Sử dụng phương trình trạng thái ( P  RT , trong đó R là hằng số khí riêng) và biểu thức thông thường của nhiệt độ thế vị ảo, lực nổi trên một đơn vị khối lượng có thể viết dưới dạng:     ref  p'     1 b  g    ref pref    (2.12) 16
trong đó  là nhiệt độ thế vị ảo của phần tử khí (k) và  ref là giá trị tham khảo tương ứng. Số hạng thứ hai trong vế phải của (2.12) đôi khi được gọi là “lực nổi động lực”, tuy nhiên một vài khía cạnh nào đó thì đây là một thuật ngữ không chính xác bởi vì thế cơ bản lực nổi phụ thuộc vào nhiễu động mật độ và số hạng này hiệu chỉnh việc tính toán nhiễu động mật độ trên cơ sở nhiễu động nhiệt độ thế vị ảo. Nếu số hạng gradient nhiễu động trong khí áp trong biểu thức (2.11) được viết dưới dạng hàm Exner hoặc nhiễu động khí áp thí số hạng thứ 2 trong biểu thức (2.12) không xuất hiện trong biểu thức lực nổi. Biểu thức (2.12) cũng có hiệu lực đối với một xoáy quay nhanh, khi đó tồn tại thành phần theo hướng bán kính của lực nổi. Khi có mây, ta phải tính đến ảnh hưởng ủa ngưng kết đối với lực nổi tuy nhiên ở đây bỏ qua hiệu ứng này. 2.3 HOÀN LƯU SƠ CẤP Giả thiết rằng dòng ở trạng thái dừng (  / t  0 ) và bỏ qua hoàn lưu thứ cấp, tức là ta giả thiết vận tốc theo hướng bán kính bằng không. Khi đó phương trình (2.1) trở thành phương trình gió gradien: v2 1 p  fv   r r Hình 2.1. Sơ đồ mi nh họ a sự c ân b ằng g i ó g ra d i e n t ro n g h o à n lưu sơ c ấp của một xoáy thuận nhiệt đớ i L ấ y  / z   Eq.(2.13) và  / r Eq.(2.2) và khử bỏ khí áp, ta nhận được phương trình gió nhiệt: 17
 ln    ln   C (2.14) C  g r z z v2 trong đó: (2.15) C   fv r Biểu diễn tổng của lực ly tâm và lực Coriolis trên một đơn vị khối lượng. Đây là một phương trình vi phân từng phần bậc nhất tuyến tính đối với ln  / a  , với  a  a z  là giá trị mật độ tại bán kính R và độ cao z. Các đặc trưng của phương trình thỏa mãn dz C (2.16)  dr g Các đường đặc trưng là các bề mặt đẳng áp, bởi vì một sự dịch chuyển nhỏ dr , dz  dọc theo mặt đẳng áp thỏa mãn p / r dr  p / z dz  0 . Sử dụng phương trình thủy tĩnh p / z   g và cân bằng gió gradien p / r  C cho ta phương trình của các đường đặc trưng. Lưu ý rằng gradien khí áp trên một đơn vị khối lượng 1 /  p / r , 0, p / z   C , 0,  g  xác định “lực trọng trường tổng quát” g e (Hình 2.2) sự biến đổi mật độ dọc theo đường đặc trưng phải thỏa mãn phương trình: d   1 C (2.17) ln   dr   a  g z   Hình 2.2. Mặt cắt theo bán kính – độ cao của các đường đẳng áp trong một xoáy quay nhanh biểu diễn các lực tác động lên một phần tử khí bao gồm lực trọng trường g trên một đơn vị khối lượng, tổng của lực ly tâm và lực Coriolis trên một đơn vị khối lượng C  v 2 / r  fv . Lưu ý rằng các bề mặt đẳng áp vuông góc với “lực trọng trường tổng quát” địa phương g e  C , 0,  g  . Lực Archimedes  g e  ref nghiêng lên trên và hướng vào trong trong khi đó trọng lực g e  nghiêng xuống dưới và hướng ra ngoài. Do đó lực tác động lên phần tử trên một đơn vị khối lượng là g e  ref    /  . 18
Cho trước profile mật độ theo chiều thẳng đứng, các phương trình (2.16) và (2.17) có thể được tích phân hướng vào trong dọc theo các đường đẳng áp để nhận được sự phân bố của mật độ và khí áp đối xứng trục cân bằng. Do đó, phương trình (2.16) cho ta độ cao của bề mặt khí áp có giá trị là p a z  tại bán kính R. Tiếp theo từ (2.17) đối với một xoáy chính áp v / z   0 ,  là hằng số dọc theo một mặt đẳng áp, tức là     p  với Tv cũng là một hằng số. Lưu ý rằng C / z  2v / r  f v / z  . Phương trình gió nhiệt (2.14) hoặc (2.17) cũng cho thấy đối với một xoáy thuận v  0  với dv / dz  0, log  / a  và  giảm khi bán kính giảm dọc theo bề mặt đẳng áp do đó nhiệt độ ảo Tv r , z  và  tăng. Do đó xoáy có tâm nóng. Ngược lại, nếu dv / dz  0 thì xoáy có tâm lạnh. Phương trình (2.14) là phù hợp với quan trắc rằng các xoáy thuận nhiệt đới là hệ thống có tâm nóng (tức là Tv / r  0 ) và vận tốc gió tiếp tuyến giảm theo độ cao v / z  0  . Lưu ý rằng do phương trình (2.16), đường đặc trưng dốc xuống khi tiến gần tới trục. Những phân tích trên cho thấy một dòng xoáy dừng bất kỳ với trường vận  tốc u  0, v r , z , 0 là một nghiệm của hệ phương trình cơ bản từ (2.1) đến (2.6) khi trường mật độ thỏa mãn (2.14). Willoughby (1990) đã cho thấy theo quan trắc hoàn lưu sơ cấp của một cơn bão gần như ở trạng thái cân bằng gió nhiệt do đó những phân tích trên đây là cần thiết để hiểu biết cấu trúc của hoàn lưu này. Tuy nhiên ở đây đã bỏ qua hoàn lưu thứ cấp gắn liền với u và  khác không và đã bỏ qua hiệu ứng của ma sát gần bề mặt. 2.4. SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI - BÃO Quỹ đạo của một cơn bão là đường nối của các vị trí liên tiếp của cơn bão qua các giai đoạn tồn tại của nó. Vị trí của nó được xác định theo trường áp, trường gió và theo ảnh mây vệ tinh. Quỹ đạo được xác định một cách chính xác hơn, được coi là quỹ đạo chuẩn. Quỹ đạo trung bình nhiều năm (quỹ đạo khí hậu) của bão là đường nối các điểm có tần suất xuất hiện bão cực đại trên ô vuông kinh vĩ độ của khu vực nhất định. 19