CHƯƠNG 3 - TÍNH TI HOÀN LƯU KHÍ QUYN TRONG D BÁO THY VĂN BIN
Các d báo thy văn bin da trên nhng phương pháp khoa hc, trên nhng
gi thiết vt lý, nhng định lut ca vt lý bin và khí quyn. Nguyên tc quan
trng nht là tính ti tương tác khí quyn và đại dương. Bn cht ca mi tương
tác này là các điu kin khí tượng có nh hưởng nht định ti mt s hin tượng
din ra trong bin, còn trng thái ca bin tác động li các quá trình khí quyn.
Vic xác định mc độ nh hưởng ca hoàn lưu khí quyn lên chế độ thy văn
bin là mt bài toán rt phc tp. Các công trình nghiên cu v vn đề này có xu
hướng rt khác nhau. Tư tưởng chung trong đó là nghiên cu độ biến động không
gian và thi gian ca các quá trình khí quyn và xác lp các quy lut biến đổi chế
độ bin tu thuc vào biến đổi hoàn cnh khí áp, tình thế khí áp...
V. Iu. Vize là người đầu tiên nghiên cu vn đề d báo thy văn có tính ti
nh hưởng ca hoàn lưu khí quyn. Ông đã ch ra rng đặc đim trng thái băng
các bin bc cc có th xem là hu qu ca cường độ hoàn lưu chung ca khí
quyn. Vize gi phương pháp ca mình là phương pháp khuôn mu khí áp. Bng
cách xem xét và nghiên cu các bn đồ áp sut khí quyn trung bình tháng đối vi
nhng nhóm năm có độ băng nh và nhng năm có độ băng khc nghit thy rng
các bn đồ này có nhng đặc đim rt khác nhau.
3.1. NHNG CH S HOÀN LƯU KHÍ QUYN DÙNG TRONG D BÁO THY VĂN BIN
Các quá trình động lc và nhit trong bin b quyết định trc tiếp hay gián
tiếp bi các đặc đim hoàn lưu ca khí quyn trên mt không gian rng ln.
Vic thiết lp các mi liên h d báo gia các hin tượng thy văn trong bin
và các yếu t quyết định chúng theo các quan trc v gió mt đim thường không
dn ti nhng kết qu tt. Nhng mi ph thuc này có khi có h s tương quan
cao nhưng s mang tính địa phương và không n định vi thi gian. Vì vy, người
ta đã đề sut tính ti hoàn lưu khí quyn bng nhng ch s khác nhau biu th đặc
đim và cường độ hoàn lưu khí quyn sao cho thâu tóm được nh hưởng ca các
quá trình khí quyn trên nhng min rng ln bao quanh vùng d báo.
Trong khi xây dng nhng mi ph thuc d báo thì nhit độ không khí, tc
độ gió, áp sut không khí mt hay mt s địa đim, hiu áp sut không khí hai
địa đim hay hai hướng vuông góc nhau có th được dùng làm ch s hoàn lưu
khí quyn. Phương pháp t ra hiu qu nht để tính ti nh hưởng định lượng ca
hoàn lưu khí quyn là s dng nhng ch s hoàn lưu khí quyn. Trong thc hành
d báo bin s dng rng rãi nht là nhng ch s do N. A. Belinxki, L. A. Vitels,
35
E. N. Blinova, A. L. Katx đề sut.
Ch s hoàn lưu khí quyn Belinxki biu th cường độ ca hot động xoáy
thun và xoáy nghch trong khí quyn. Vùng nghiên cu được chia ra thành các ô
hình ch nht vi các cnh 10° trên kinh tuyến và 5° trên vĩ tuyến. Trong mi ô
hình ch nht, t bn đồ synop ly giá tr áp sut có k đến độ cong ca các đường
đẳng áp đi qua hình ch nht đó. Độ cong ca các đưng đẳng áp được xác định
như sau: đường đẳng áp có độ cong xoáy thun nếu trong vùng do đường đẳng áp
bao quanh quan sát thy áp sut thp, nếu như áp sut bên trong vùng do đường
đẳng áp bao quanh ln hơn áp sut ghi trên đường đẳng áp thì đường đẳng áp y có
độ cong xoáy nghch.
Để đặc trưng v mt s tr áp sut khí quyn và độ cong các đường đẳng áp
Belinxki đã đề ra mt h thng các ch s quy ước (bng 3.1). Nếu đường đẳng áp
thuc xoáy thun ch s hoàn lưu s mang du dương, nếu đường đẳng áp thuc
xoáy nghch ch s hoàn lưu s mang du âm.
Bng 3.1. Các ch s hoàn lưu khí quyn ca N. A. Belinxki
Áp sut trong xoáy thun
(mb) Ch s quy ước (cp) Áp sut trong xoáy nghch
(mb) Ch s quy ước (cp)
1030 + 0 1050 12
1025 + 1 1045 11
1020 + 2 1040 10
1015 + 3 1035 9
1010 + 4 1030 8
1005 + 5 1025 7
1000 + 6 1020 6
995 + 7 1015 5
990 + 8 1010 4
985 + 9 1005 3
980 + 10 1000 2
975 + 11 995 1
970 + 12 990 0
Bng 3.2. Thang đim ch s hoàn lưu đơn gin hoá ca Belinxki
Ch s Thành to khí áp Đường đẳng áp trung tâm (mb)
5 Xoáy nghch mnh 1035 ln hơn
4 Xoáy nghch cường độ trung bình 1025
3 Xoáy nghch yếu 1020 và nh hơn
+ 5 Xoáy thun sâu 990 và nh hơn
+ 4 Xoáy thun cường độ trung bình 9951000
+ 3 Xoáy thun yếu 1005 ln hơn
Nhng ch s này được tính bng cách như sau: Hàng ngày trên các vùng đã
chn, t bn đồ synop ly các giá tr áp sut khí quyn theo độ lch so vi 1010
mb (có tính đến độ cong các đường đẳng áp) và sau đó tính trung bình trượt năm
ngày. Sau đó trên cơ s các kết qu nhn được tìm các giá tr trung bình ca ch s
trong tháng cho các vùng riêng bit, giá tr rng cng ca mt s vùng, giá tr tng
cng ca ch s trong năm... Đây là mt công vic rt nng nhc. Vì vy để nhn
được các chui quan trc dài nhiu năm Belinxki đã đề xut mt phương pháp na,
36
đơn gin hơn, để xác định các ch s hoàn lưu khí quyn xut phát t thang đim
đánh giá các quá trình khí quyn cho nhng vùng c định (thí d, Vitels đã định ra
tt c tám vùng bao quát phn bc Đại Tây dương, châu Âu và lãnh th châu Âu
ca nước Nga) (bng 3.2).
3.2. PHƯƠNG PHÁP BIU TH GII TÍCH V PHÂN B CÁC YU T KHÍ TƯỢNG THY VĂN
Trong thc hành d báo thy văn bin cũng như trong d báo khí tượng s
dng rng rãi cách biu th gii tích các trường thy văn, khí tượng dưới dng các
hàm ca ta độ. Phương pháp thường được s dng nht là khai trin các trường
thành chui ca các đa thc hoc các hàm trc giao, thí d các đa thc trc giao
ca Chebưsev, các hàm trc giao t nhiên ca Bagrov. Trong d báo thy văn bin
N. A. Belinxki và M. I. Glagoleva là nhng người đầu tiên s dng các phương
pháp này.
Khi khai trin theo các đa thc Chebưsev mt đường cong hay mt trường yếu
t khí tượng thy văn cn nghiên cu được biu din dưới dng tng ca các
đường cong hay trường đơn gin, mi đường cong hay trường đơn gin y đặc
trưng cho nhng nét riêng bit ca phân b thc.
Khai trin hàm mt biến thành chui theo các đa thc trc giao Chebưsev có
dng
ii
AAAAxf
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ
++++= ... )( 221100 , (3.1)
trong đó các h s khai trin,
i
A
i
ϕ
các đa thc biu din các hàm parabôn bc
), ..., n ,2 ,1( ii =
,1
0=
ϕ
2
1
1
+
= n
x
ϕ
,
.
12
1
2
2
12
= n
ϕϕ
(3.2)
Công thc để tính các đa thc bc bt k dng
,
)14(4
)(
1
2
222
11 +
= kkk k
knk
ϕϕϕϕ
(3.3)
trong đó s đim ti đó cho giá tr ca hàm, n
x
s hiu ca đim nhn các tr
s 1, 2, 3, ..., .
n
Nhng giá tr ca các đa thc Chebưsev vi nhng trường hp
được ghi trong bng 3.3.
13 ,12 ,11=n
37
Bng 3.3. Các đa thc Chebưsev ng vi khác nhau n
11=n 12=n 13=n
x
1
ϕ
2
ϕ
3
ϕ
4
ϕ
5
ϕ
6
ϕ
1
ϕ
2
ϕ
3
ϕ
4
ϕ
5
ϕ
6
ϕ
1
ϕ
2
ϕ
3
ϕ
4
ϕ
5
ϕ
6
ϕ
1 5 15 30 63 15 5,5 55 33 33 33 11 622 11 99 22 22
2 4 6 6
66 48 4,5 25 3 27 57 31 511 0
66 33 55
3 3 1 22 61 29
3,5 121
33 21 11 42 6
96 18 8
4 2 6 23 14 36 2,5 17 25 13 29 25 35 8 54 11 43
5 1 9 14 4 4 12 1,5 29 19 12 44 4210 7 11
26 22
6 0
10 0 6 0
10 0,5 35 728
20 20 113 4 64
20 20
7 1
9 14 44
12 0,5 35 728 20 20 014 0 84 0 40
8 2
6 23 14 36 1,5 29 19 12 44 4 1 13 4 64 20 20
9 3
1 22 61 29 2,5 17 25 13 29 25 2 10 7 11 26 22
10 4 6
6 66 48 3,5 1 21 33 21 11 3 5 8 54 11 43
11 5 15 30 6 3 15 4,5 25 3 27 57 31 42
6 96 18 8
12 5,55533333311 511 0
66 33 55
13 6 22 11 99 22 22
2
ϕ
110 858 4290 286 156 11220 572 12012 5148 8008 15912 4488 182 2002 572 68068 6188 14212
Bng 3.4. Thí d khai trin đường cong theo các đa thc Chebưsev [12]
n qt
t 1
ϕ
1
ϕ
t 2
ϕ
2
ϕ
t 3
ϕ
3
ϕ
t 4
ϕ
4
ϕ
t 5
ϕ
5
ϕ
t 6
ϕ
6
ϕ
t
1 11,1
6 66,6 22 244,2 11 122,1 99 1098,9 22 244,2 22 244,2
2 11,1
5 55,5 11 122,1 0 0 66 732,6 33 366,3
55 610,5
3 11,1
4 44,4 2 22,2 6 66,6 96 1065,6 18 199,8 8 88,8
4 11,1
3 33,3 5 55,5 8 88,8 54 599,4 11 122,1 43 477,3
5 10,6
2 21,2 10 106,0 7 74,2 11 116,6 26 275,6 22 233,2
6 9,1
1 9,1 13 118,3 4 36,4 64 582,4 20 182,0 20 182,0
7 8,1 0 0
14 113,4 0 0 84 680,4 0 0
40 324,0
8 7,5 1 7,5
13 97,5 4 30,0 64 480,0 20 150,0
20 150,0
9 7,1 2 14,2
10 71,0 7 49,7 11 78,1 26 184,6 22 156,2
10 6,9 3 20,7
5 34,5 8 55,2 54 372,6 11 75,9 43 296,7
11 6,9 4 27,6 2 13,8 6 41,4 96 662,4 18 124,2 8 55,2
12 6,9 5 34,5 11 75,9 0 0 66 455,4 33 227,7 55 379,5
13 6,9 6 41,4 22 151,8 11 75,9 99 683,1 22 151,8 22 151,8
84,2 33,8 43,5
168,5 47,4 57,4
004038,0
14212
4,57
,007659,0
6188
4,47
,002475,0
68068
5,168
,07604,0
572
5,43
A ,01688,0
2002
8,33
,4626,0
182
2,84
,80,8
654
3210
===
==
=
=====
==
AAA
AAA
Bng 3.5. Khôi phc đường cong theo các h s khai trin chui Chebưsev [12]
n 0
A 11
ϕ
A
=
1
011
i
A
ϕ
22
ϕ
A
=
2
0i
ii
A
ϕ
33
ϕ
A
=
3
0i
ii
A
ϕ
44
ϕ
A
=
4
0i
ii
A
ϕ
55
ϕ
A
=
5
0i
ii
A
ϕ
66
ϕ
A
=
6
0i
ii
A
ϕ
t
t qt
t
1 8,80 2,77 11,57 0,37 11,94
0,84 11,10 0,24 10,86 0,17 11,03 0,09 11,12 11,1 11,1
2 8,80 2,31 11,11 0,18 11,29 0,00 11,29 0,16 11,45 0,25 11,20 0,22 10,98 11,0 11,1
3 8,80 1,85 10,65 0,03 10,68 0,45 11,13 0,24 11,37 0,14 11,23 0,03 11,26 11,3 11,1
4 8,80 1,39 10,19
0,08 10,11 0,61 10,72 0,13 10,85 0,08 10,93 0,17 11,10 11,1 11,1
5 8,80 0,93 9,73
0,17 9,56 0,53 10,09 0,03 10,06 0,20 10,26 0,09 10,35 10,4 10,6
6 8,80 0,46 9,26
0,22 9,04 0,30 9,34 0,16 9,18 0,15 9,33 0,08 9,25 9,2 9,1
7 8,80 0,00 8,80
0,24 8,56 0,00 8,56 0,21 8,35 0,00 8,35 0,16 8,19 8,2 8,1
8 8,80
0,46 8,34 0,22 8,12 0,30 7,82 0,16 7,66 0,15 7,51 0,08 7,43 7,4 7,5
9 8,80
0,93 7,87 0,17 7,70 0,53 7,17 0,03 7,14 0,20 6,94 0,09 7,03 7,0 7,1
10 8,80
1,39 7,41 0,08 7,33 0,61 6,72 0,13 6,85 0,08 6,77 0,17 6,94 6,9 6,9
11 8,80
1,85 6,95 0,03 6,98
0,45 6,53 0,24 6,77 0,14 6,91 0,03 6,94 6,9 6,9
12 8,80
2,31 6,49 0,18 6,67 0,00 6,67 0,16 6,83 0,25 7,08 0,22 6,86 6,9 6,9
13 8,80
2,77 6,03 0,37 6,40 0,84 7,24 0,24 7,00 0,17 6,83 0,09 6,92 6,9 6,9
38
Nhng h s khai trin được xác định theo nhng giá tr cho trước ca hàm và
các đa thc
.
)(
)()(
1
2
1
=
=
=n
x
i
n
x
i
i
x
xxf
A
ϕ
ϕ
(3.4)
S hng th nht ca chui (3.1) 00
ϕ
A đặc trưng cho tr s trung bình s hc
ca hàm ti đim, s hng th hai ca chui )(xf n)( 11
ϕ
A th hin đường thng,
các s hng tiếp sau các parabôn bc (hình 3.1). Để khng định rng nhng h
s khai trin tính được đã th hin đủ chính xác đưng cong xut phát hay chưa ta
có th tiến hành khôi phc li đường cong đó. Mun vy cn tính giá tr ca hàm
ti tng đim ca biến
i
)(xf
x
.
Trong bng 3.4 và 3.5 trình bày thí d khai trin và khôi phc đường cong
phân b thng đứng ca nhit độ nước . Trên hình 3.2 dn đường cong thc và
đường cong khôi phc để so sánh (ly t [12]).
qt
t
Mun đạt được s trùng hp hoàn toàn gia hàm gii tích và hàm thc cn
phi ly s s hng ca chui bng s đim nút ti đó cho giá tr ca hàm. Kinh
nghim cho thy rng để xp x đường cong vi độ chính xác tho mãn các mc
đích thc tin có th ch cn ly s s hng chui nh hơn. Thí d, nếu đường cong
được cho bi các giá tr nhit độ nước ti 13 đim nút thì ch cn ly 68 đa thc
đầu tiên đã cho độ chính xác tho mãn mc đích thc tin. Trên hình 3.2 thy rng
đường cong 4 biu th tng ca sáu s hng đầu tiên đã gn trùng vi đường cong
nhit độ thc 5.
Để khai trin hàm hai biến s dng công thc sau
)()()()()()(),( 100101100000 yxAyxAyxAyxP
ϕ
ψ
ϕ
ϕ
++=
... )()( ... )()( 1111 ++++ yxAyxA jiij
ϕ
ϕ
, (3.5)
trong đó
ji
ψ
ϕ
, các đa thc Chebưsev, các h s khai trin.
ij
A
Giá tr ca các h s tính theo công thc tương t như công thc (3.4)
()()(
() ()
)
,
,
11
22
11


==
==
=k
m
q
n
njmi
k
m
q
n
njminm
ij
yx
yxyxP
A
ψϕ
ψϕ
(3.6)
trong đó s đim nút trên hướng trc k
x
ti đó cho hàm, s đim nút trên
hướng trc .
q
y
Các giá tr ca hàm được cho dưới dng ma trn
(
nm yxP ,
)
39