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 " doc

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125
115
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 1
0
x1
0
. 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


Số liệu khí tượng là một trong những dữ
liệu đầu vào rất quan trọng trong các mô hình
tính toán sóng, 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
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
vào thường được cung cấp từ trường số liệu của
_______

ĐT: 84-4-35586898
E-mail:
mô hình dự báo toàn cầu với bước lưới 1
0
x1
0
,
sau đó được nội suy về lưới tính thích hợp cho
khu vực tính toán. Điều này sẽ gây nên những
sai số rất lớn trong trường hợp thời tiết có bão,
bởi quy mô của cơn bão thường tương đương
bước lưới 1
0
x1
0
. Chính vì vậy, việc mô phỏng
hình thế bão cho các mô hình tính toán sóng,
nước dâng là rất cần thiết và quan trọng.

1. Cơ sở lý thuyết
Hình thế bão trong tự nhiên vô cùng phức
tạp và không theo quy tắc, gió trong bão thường
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

116
rất mạnh, bất đồng nhất theo không gian, và
biến đổi về hướng. Độ chênh lệch lớn của tốc
độ gió và sự biến đổi nhanh của hướng gió
trong xoáy bão có thể dẫn tới sự hình thành các
trường sóng phức tạp trên biển và đại dương.
Gió lớn sẽ đẩy khối nước về phía bờ, gây ra
những cột sóng cao hơn mực nước thông
thường. Ngoài ra, mực áp suất thấp tại tâm bão
có thể có những tác động đến độ sâu của hình
thế khối nước. Vì vậy, sự phân bố chính xác
của trường gió, trường áp suất trong bão là
những đầu vào hết sức quan trọng cho mô hình
tính toán nước dâng [1].
Phương pháp tiếp cận của Schloemer (ref,
1945), được tiếp tục phát triển bởi Greg
Holland của Cục Khí tượng Australia (Holland
G.J., 1980) để mô phỏng hình thế bão qua một
loạt các công thức tính toán trường gió, trường
áp suất tại các bán kính cực đại và khoảng cách
từ các điểm lưới tính tới tâm của cơn bão với
các giả thiết ban đầu: cơn bão đi qua đại dương,
mắt bão không thay đổi và trường gió bao
quanh đi theo trục thẳng đứng của hệ trục tọa
độ đối xứng 3 chiều [2].

Sự phân bố của tốc độ gió và áp suất được
thể hiện theo các công thức sau [1,2]:
 
ax
22
ax

exp
42
b
m
R
b
r
m
r env centre
R
b r f r f
V P P
r





   



(1)

 
ax
exp
b
r centre env centre
m
r
P P P P
R




   




(2)
trong đó:
Vr (m/s): tốc độ gió tại khoảng cách r (m)
tính từ tâm bão ;
Pcentre, Penv: áp suất tại tâm bão và áp suất
trung bình tháng của khu vực (mb);
Rmax: bán kính cực đại của cơn bão, tại đó
tốc độ gió đạt cực đại (m);
ρ : mật độ của không khí (kg/m
3
);
f : thông số Coriolis, f = 2ωsinφ, ω =

0.0000729 rad/s vận tốc góc quay của trái đất, φ
– vĩ độ địa lý.
b : thông số thay đổi hình dạng của profile
bán kính cơn bão, theo Harrper và Holland b
được tính theo công thức:
900
2
160
centre
P
b



Công thức (1) và (2) cho thấy, trường áp và
trường gió đều phụ thuộc vào bán kính gió cực
đại Rmax, nhưng việc tính toán chính xác giá trị
Rmax là khó khăn và phức tạp. Đã có rất nhiều
nhà khoa học trên thế giới đưa ra những công
thức thực nghiệm với những ưu, nhược điểm
nhất định như:
 S.A. Hsu (2005) đã đưa ra những công
thức thực nghiệm tính toán Rmax dựa trên số
liệu vệ tinh [3]:
1
ax
ax
(3)
x
r

m
m
V
Rr
V





trong đó:
x: hệ số = 0.7;
r: bán kính có giá trị lớn hơn Rmax, là số
liệu thực đo nằm trong vùng ảnh hưởng của cơn
bão tại đó gió có vận tốc Vr.
Công thức thực nghiệm của A.S.Hsu sẽ gặp
nhiều bất lợi trong trường hợp không có số liệu
đo trong vùng ảnh hưởng của cơn bão.
 Banton et al. (2002) tính toán Rmax thông
qua áp suất tại tâm cơn bão từ công thức thực
nghiệm [4]:
Rmax = 3.10
-6
exp (0.017 Pcentre) (4)
 H.E. Willoughby and M.E.Rahn (2004)
đã xây dựng công thức thực nghiệm tính toán
Rmax thông qua vận tốc gió cực đại và vĩ độ
[5].
Rmax = 46.29 exp (-0.0153 Vmax + 0.0166 φ) (5)
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

117
Công thức H.E. Willoughby and M.E.Rahn
(2004) được chúng tôi thử nghiệm để xác định
bán kính gió cực đại trong nghiên cứu này.
2. Mô phỏng bão trong khu vực Biển Đông
Trong nghiên cứu này, cơn bão DAMREY
trong khu vực Biển Đông được lựa chọn để mô
phỏng lại hình thế bão.
Cơn bão DAMREY, cơn bão số 7 trong
năm 2005 có sức gió mạnh nhất vùng gần
tâm bão mạnh cấp 9, giật trên cấp 9 khi bắt đầu
đi vào Biển Đông và khi đổ bộ vào bờ biển
nước ta có sức gió mạnh cấp 12 đã làm cho ít
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
tuyến đê biển của Hải Phòng, Nam Định, Thanh
Hoá, Thái Bình, Ninh Bình, Nghệ An. Ngoài ra,
bão số 7 cũng làm ngập hơn 4.500ha đầm nuôi
tôm, làm đổ, ngập 60.394ha lúa, hoa màu.
Các thông tin về cơn bão DAMREY xuất
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 ]
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].
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

118

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.
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125
119
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
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

120
Trường khí tượng ban đầu được cung cấp từ
dự án “Dự báo Hoàn lưu và Khí tượng Đại
dương (ECCO)”, do NASA, NOAA và NSF
(National Science Foundation), ONR (Office of
Naval Research) cùng hợp tác [8]. Trường khí

tượng là sự kết hợp giữa số liệu đo đạc và mô
hình hoàn lưu toàn cầu, bước lưới 1
o
x 1
o
, được
nội suy về lưới cong tuyến tính không đều (số
điểm lưới dầy ở khu vực gần bờ và thưa ở khu
vực ngoài khơi) cho khu vực Biển Đông bao
gồm: 130 ô theo trục x, 150 ô theo trục y, bước
lưới trung bình khoảng 6km .
Chương trình mô phỏng hình thế bão đã
được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình
MATLAB (ngôn ngữ có công cụ hỗ trợ rất
mạnh trong việc xử lý các file số liệu có dung
lượng lớn và cho phép trích xuất đồ hoạ…) sử
dụng các công thức (1) và (2) tính toán phân bố
theo không gian, thời gian của tốc độ gió và áp
suất với bán kính gió cực đại được xác định
theo công thức (5) của H.E. Willoughby and
M.E.Rahn.
Kết quả mô phỏng hình thế cơn bão
DAMREY được thể hiện trên các hình vẽ 4, 5.
Phân bố không gian của trường áp suất khí
quyển, phân bố của trường gió đã mô phỏng tốt
trường áp và trường gió của cơn bão xảy ra trên
thực tế, quá trình biến đổi theo thời gian của
cơn bão cũng được thể hiện tốt trên lưới của mô
hình thủy động lực với độ phân giải đáp ứng
được yêu cầu của các mô hình này.

6h/23/9/2005.
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125
121

6h/24/9/2005.

6h/25/9/2005.
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

122

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.
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125
123

6h/24/9/2005.


6h/25/9/2005.
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125

124

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.
3. Kết luận
Mô phỏng lại hình thế bão là bài toán tương
đối phức tạp bởi các cơn bão trong tự nhiên
thường không có quy tắc, biến đổi mạnh về
hướng và bất đồng nhất theo không gian. Tuy
chưa xét đến được sự biến đổi theo chiều thẳng
đứng của các yếu tố và sự thay đổi của mắt bão
khi đi qua những khu vực có địa hình phức tạp,
nhưng kết quả nghiên cứu đã xây dựng được
bức tranh tổng thể về hình thế bão.
Sử dụng chương trình được xây dựng, có
thể mô phỏng 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 quỹ đạo hoạt động và
các đặc điểm của bão, tạo ra được các bộ số liệu
tin cậy làm đầu vào cho các mô hình thủy động
lực dự báo sóng, nước dâng.
Tài liệu tham khảo
[1] Tsung-Lin Lee, “Prediction of Storm Surge and
Deviation Using a Neural Network”,
Department of Construction Technology of
China, 2008.
[2] Pascal Peduzzi, “Cyclone Database Manager”,
United National Environment Program Global
Resource Information Database – Geneva, 2004.
[3] S.A. Hsu, “ Estimating the Radious of Maximum
Winds Via Satellite During Hurricane Lili
(2002) over the gulf of Mexico”, Coastal Studies

Institute Louisiana, State University, Baton
Rouge, Louisiana 70803, 2005.
[4] Nghiêm Tiến Lam, “Tính toán nước dâng do
bão”, Khoa học Kỹ thuật biển, Đại học Thủy
Lợi, 2008.
[5] H.E. Willoughby, “The Climatology of
Hurricane Wind Profiles” Florida International
University, Miami Florida. 2005.
[6]
[7]
[8]
N.M. Huấn / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 1S (2011) 115-125
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 1
0
x 1
0
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 any grid
meshed we created reliable data sets for input to hydrodynamics models for waves and storm surges
forecast.