ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN đầu hóa XOÁY TRONG mô HÌNH HWRF đối với dự báo bão TRÊN BIỂN ĐÔNG luận văn th sĩ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HOAN

ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH
HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI


TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HOAN

ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH
HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG
Chuyên ngành: Khí tƣợng và Khí hậu học
Mã số: 60440222
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG ĐỨC CƢỜNG

Hà Nội – 2013

LỜI CẢM ƠN

Trƣớc tiên tôi xin lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Hoàng Đức Cƣờng
đã tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn tôi luận văn tốt nghiệp này.
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn tôi xin giử lời cám ơn tập thể thầy, cô
giáo trong khoa Khí tƣợng, Thủy văn và Hải Dƣơng học nói riêng và các thầy cô trong
trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung đã chỉ dạy những bài học quý báu cho
tôi trong chuyên môn và cuộc sống.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trƣờng.
Tôi cũng xin cảm ơn những đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu khí tƣợng
khí hậu, Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng đã giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện luận văn đặc biệt là anh Nguyễn Văn Hiệp về những giúp đỡ, góp ý và
thảo luận chân thành giúp tôi có thể hoàn thiện đƣợc luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và
Môi trƣờng, ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu khí tƣợng khí hậu, đã tạo điều kiện
thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất cho tôi đƣợc học tập trong quá trình công tác.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bố mẹ và những ngƣời thân trong gia đình tôi, những
ngƣời đã quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành
luận văn đƣợc tốt hơn.
Hà Nội, tháng 11 năm 2013
Học viên cao học
Nguyễn Thị Hoan


MỤC LỤC

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................1

DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................2
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................4
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................5
CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY ............................................6
1.1.

Khái niệm ban đầu hóa xoáy .................................................................................6

1.1.1 Phƣơng pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình ...................................6
1.1.2 Phƣơng pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm ..................................12
1.1.3 Phƣơng pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu ....................................16
1.2.

Tổng quan các nghiên cứu trong nƣớc ................................................................18

CHƢƠNG 2. BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ
PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ......................................................................................20
2.1. Sơ lƣợc về mô hình HWRF ....................................................................................20
2.2. Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF ...............................................................21
2.2.1. Phân tích xoáy nhằm loại bỏ xoáy thô từ phân tích toàn cầu trong HWRF ....23
2.2.2.Xoáy giả tạo ra trong mô hình HWRF đối với trƣờng hợp bão yếu .................23
2.2.3. Hiệu chỉnh xoáy bão trƣớc 6 giờ dự báo .........................................................23
2.3. Thiết kế thí nghiệm .................................................................................................35
2.3.1. Miền tính ..........................................................................................................35
2.3.2. Số liệu sử dụng .................................................................................................37
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá ..............................................................................................38
CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY
TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF..................40
3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana.....................................................................40
3.1.1. Lý do chọn cơn bão ..........................................................................................40

3.1.2. Thiết kế thí nghiệm ..........................................................................................42
3.1.3. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana ..........................................................42
a) Mặt cắt thẳng đứng trƣờng dị thƣờng nhiệt độ qua tâm bão ..............................42
b) Mặt cắt thẳng đứng trƣờng gió qua tâm bão ......................................................44
c) Mặt cắt qua tâm bão trƣờng gió mực 10m .........................................................47


d) Mô phỏng quỹ đạo bão Ketsana .........................................................................49
e) Mô phỏng cƣờng độ bão Ketsana ......................................................................52
3.2. Thử nghiệm cho mùa bão 2009 ..............................................................................54
3.2.1. Thiết kế thí nghiệm ..........................................................................................54
3.2.2. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông .......54
3.2.3. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cƣờng độ bão trên Biển Đông .....57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................62
KẾT LUẬN ................................................................................................................62
KIẾN NGHỊ ...............................................................................................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................64


ATE

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
: Along Track Error (Sai số ngang)

ATNĐ

: Áp thấp nhiệt đới

AVN

: Aviation Mode (Mô hình Hàng không)

CTE
GFDL

: Cross Track Error (Sai số dọc)
: Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động lực
học chất lƣu địa-vật lý)

GFS

: Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu)

MATE

: Mean Along Track Error (Trung bình sai số dọc)

MCTE

: Mean Cross Track Error (Trung bình sai số ngang)

MM5

: Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5)

NCAR

: The National Center for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên
cứu khí quyển quốc gia, Mỹ)

NCEP

: National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo
môi trƣờng quốc gia, Mỹ)

NOAA

: National Oceanic and Atmospheric Administration (Cơ quan quản lý
khí quyển đại dƣơng quốc gia, Mỹ)

POM

: Princeton Ocean Model (Mô hình đại dƣơng Princeton )

1


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trƣờng phân tích khách quan ban đầu thành trƣờng
môi trƣờng hE và và trƣờng xoáy hav. Trƣờng môi trƣờng hE là tổng hợp của trƣờng
nền quy mô lớn nhận đƣợc sau phép lọc không gian và trƣờng nhiễu không xoáy hd hav, nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). ........................................................................8
Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bƣớc sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E
theo bán kính r, Nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). ....................................................9
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF ...............................................................................20
Hình 2.2. Miền tính trong mô hình HWRF ...................................................................21
Hình 2.3. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF ............................................22
Hình 2.4. Biểu diễn bán kính gió cực đại và bán kính đƣờng đẳng áp khép kín xa nhất
của quan trắc và dự báo .................................................................................................24
Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA
tại thời điểm 2009092712 ..............................................................................................36

Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn: .................40
Hình 3.2. Cƣờng độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn:
..................................................................................................40
Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z
28/09/2009,
(c)-12Z
29/09/2009
và
(d)-18Z
29/09/2009;
Nguồn:
...........................................................41
Hình 3.5. Mặt cắt thẳng đứng trƣờng dị thƣờng nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z
27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thƣờng nhiệt
độ bão nhiệt đới quan trắc (Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968). .................................43
Hình 3.6. Mặt cắt thẳng đứng trƣờng dị thƣờng nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z
27/09/2009 tại các thời điểm (a1)-coldstart+03H và (a2)-nobogus+03H; (b1)-coldstart
+06H và (b2)-nobogus+ 06H; (c1)-coldstart+12H và (c2)-nobogus+ 12H ..................44
Hình 3.7. Mặt cắt trƣờng gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H
(a)-coldstart và (b)-nobogus ..........................................................................................45
Hình 3.8. Mặt cắt thẳng đứng trƣờng gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các
thời điểm (a1)-coldstart+06H và (a2)-nobogus+06H; (b1)-coldstart +12H và (b2)nobogus+ 12H; (c1)-coldstart+18H và (c2)-nobogus+ 18H; (d1)-coldstart+24H và
(d2)-nobogus+ 24H .......................................................................................................47
Hình 3.10. Mặt cắt trƣờng gió mực 10m qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các
thời điểm (a)-00H; (b)-06H; (c)-12H; (d)-18H; (e)-24H .............................................48
Hình 3.12. Quỹ đạo bão Ketsana tại thời điểm 12Z 27/09/2009 dự báo cho 48H với các
trƣờng hợp chạy coldstart (màu xanh lam), nobogus (màu xanh lá), besttrack (màu
đen) ................................................................................................................................49
Hình 3.14. Sai số khoảng dọc ATE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm
12Z 27/09/2009..............................................................................................................50

Hình 3.15. Sai số khoảng ngang CTE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm
12Z 27/09/2009..............................................................................................................51
2


Hình 3.16. Áp suất thấp nhất tại tâm bão Ketsana từ thời điểm 12Z ngày 27/09/2009
mô phỏng bởi mô hình HWRF trong hai trƣờng hợp không ban đầu hóa xoáy (màu
xanh lam), có ban đầu hóa xoáy coldstart (màu xanh lá) trong 24 giờ so với số liệu từ
JTWC (màu đỏ) .............................................................................................................52
Hình 3.17. Vận tốc gió cực đại bão Ketsana từ thời điểm 12Z ngày 27/09/2009 mô
phỏng bởi mô hình HWRF trong hai trƣờng hợp không ban đầu hóa xoáy (màu xanh
lam), có ban đầu hóa xoáy coldstart (màu xanh lá) trong 24 giờ so với số liệu từ JTWC
(màu đỏ). ........................................................................................................................52
Hình 3.18. Sai số áp suất cực tiểu dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z
27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus ...................................................53
Hình 3.19. Sai số tốc độ gió cực đại dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm
12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus ...........................................54
Hình 3.20. Trung bình sai số khoảng cách (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên
Biển Đông bằng coldstart và nobogus ...........................................................................55
Hình 3.21. Trung bình sai số dọc (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông
bằng coldstart và nobogus .............................................................................................56
Hình 3.22. Trung bình sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông
bằng coldstart và nobogus .............................................................................................57
Hình 3.23. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng
cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .....................................58
Hình 3.24. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão
2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus ..........................................................59
Hình 3.25. Trung bình sai số áp suất cực tiểu (hpa) ......................................................60
Hình 3.26. Trung bình sai số vận tốc gió cực đại (m/s) ................................................61

3


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các tham mô hình HWRF sử dụng trong các thử nghiệm ............................35
Bảng 2.2. Các trƣờng hợp bão đƣợc khảo sát ...............................................................36
Bảng 3.1. Bán kính gió cực đại bão Ketsana 12Z 27/09/2009 sau các bƣớc thời gian
tích phân từ 6 giờ đến 24 giờ .........................................................................................46
Bảng 3.2. Sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) dự báo hạn 48H cho
cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 .................................................................51
Bảng 3.3. Sai số áp suất cực tiểu (hpa) và sai số vận tốc gió cực đại (m/s) dự báo hạn
48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và
nobogus ..........................................................................................................................53
Bảng 3.4. Trung bình sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) mô phỏng
cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .....................................54
Bảng 3.5. Trung bình sai số tuyệt đối áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai
số trung bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng
coldstart và nobogus ......................................................................................................58
Bảng 3.6. Trung bình sai số áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung
bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart
và nobogus .....................................................................................................................59

4


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, dự báo bão bằng mô hình số trị đã đƣợc ứng dụng
rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam, thành quả này có đƣợc
nhờ sự phát triển vƣợt bậc về công nghệ máy tính.
Để thực hiện dự báo với độ phân giải cao hơn trong điều kiện hạn chế về năng

lực tính toán, sử dụng mô hình khu vực là một giải pháp. Các mô hình khu vực hạn
chế dùng số liệu điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian từ mô hình
toàn cầu toàn cầu. Do vậy dù ban đầu hóa với độ phân giải cao hơn, chất lƣợng và cấu
trúc xoáy bão trong điều kiện ban đầu vẫn chứa các sai số từ mô hình toàn cầu. Một
điều kiện ban đầu không tốt có thể dẫn đến sai số lớn trong quá trình dự báo quỹ đạo
và cƣờng độ bão. Vì vậy, để cải thiện điều kiện ban đầu cho mô hình dự báo bão đặc
biệt khu vực gần tâm bão, ngƣời ta thực hiện ban đầu hóa xoáy. Ban đầu hóa xoáy là
bài toán đƣợc xây dựng với mục đích tái tạo một xoáy bão có cấu trúc và cƣờng độ
gần với xoáy bão thực, có vị trí tại xoáy bão quan trắc .Các bƣớc của ban đầu hóa xoáy
bao gồm: loại bỏ xoáy từ trƣờng phân tích toàn cầu; xây dựng xoáy xoáy giả; và cài
xoáy giả vào trƣờng ban đầu của mô hình (B.Mathur, 1991; Iwasaki T, 1987;
Kurihara, 1993).
Nƣớc ta hàng năm phải gánh chịu những thiệt hại không nhỏ do bão hoạt động
trên Biển Đông.Trong quá trình tồn tại, phát triển và di chuyển, quỹ đạo bão trên Biển
Đông biến đổi khá phức tạp. Do vậy, dự báo tốt hoạt động của bão trên Biển Đông
trƣớc hết góp phần đảm bảo an toàn cho ngƣ dân, cho ngƣời dân sống ở khu vực ven
biển, giảm thiểu số ngƣời chết và mất tích, và giảm thiệt hại to lớn về kinh tế do bão
gây ra. Luận văn này thực hiện khảo sát và đánh giá vai trò của sơ đồ ban đầu hóa
xoáy trong mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model)-mô
hình dự báo cƣờng độ và quỹ đạo bão nghiệp vụ tại Hoa Kỳ từ năm 2007
(Sundararaman Gopalakrishnan, 2012) qua mô phỏng các cơn bão trong mùa bão 2009
trên Biển Đông.
Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn đƣợc cấu trúc
với 3 chƣơng chính văn bao gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về ban đầu hóa xoáy.
Chƣơng 2: Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF, Số liệu và phƣơng pháp
đánh giá
Chƣơng 3: Kết quả đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo bão
trên Biển Đông bằng mô hình HWRF.

5


CHƢƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY

1.1.

Khái niệm ban đầu hóa xoáy
Ban đầu hóa xoáy là bài toán đƣợc đặt ra để nâng cao chất lƣợng điều kiện ban

đầu của mô hình dự báo bão. Cho đến nay, ban đầu hóa xoáy không còn là bài toán xa
lạ trong các nghiên cứu ở Việt Nam cũng nhƣ trên thế giới, tuy nhiên đây vẫn là một
bài toán lớn với nhiều thách thức và thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà
khoa học.
Bản chất của ban đầu hóa xoáy là xây dựng môt xoáy giả có cấu trúc gần với
xoáy thực bằng cách bổ sung thông tin chỉ thị về cơn bão nhƣ vị trí tâm quan trắc, tốc
độ gió cực đại, thông tin kích thƣớc bão,… Xoáy giả này có cấu trúc, cƣờng độ gần
với thực hơn.
Theo Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen (2011), kĩ thuật ban đầu hóa xoáy có
thể chia làm ba nhóm bao gồm: (1) xây dựng xoáy giả bằng hàm thực nghiệm; (2) xây
dựng xoáy giả bằng tích phân mô hình và (3) xây dựng xoáy bằng phƣơng pháp đồng
hóa số liệu 3 và 4 chiều với số liệu quan trắc kết hợp với số liệu quan trắc giả. Do đó
luận văn sẽ đƣợc trình bày theo các cách thực thực hiện ban đầu hóa xoáy nhƣ vậy.
1.1.1 Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình
Để thực hiện tách bỏ xoáy yếu, nghèo thông tin, sai vị trí, ngƣời ta giả thiết rằng
phần giá trị của trƣờng bất kỳ gây ra bởi xoáy là giá trị lệch của trƣờng phân tích (chứa
xoáy) so với trƣờng môi trƣờng không có xoáy. Xoáy đƣợc tách ra khỏi trƣờng phân
tích nhờ sử dụng một phƣơng pháp lọc thích hợp. Phƣơng pháp lọc đƣợc chọn sao cho
trƣờng môi trƣờng thu đƣợc chứa trong nó ít nhất các đặc điểm của trƣờng xoáy. Sau
khi tách xoáy yếu, thực hiện xây dựng xoáy nhân tạo. Để phù hợp với cấu trúc xoáy

trong thực tế, xoáy nhân tạo phải gồm hai thành phần: thành phần đối xứng và thành
phần phi đối xứng, các thành phần này đƣợc tạo ra nhờ sự kết hợp dữ liệu trong tập số
liệu chỉ thị của bão và các thông tin của xoáy yếu tách đƣợc từ trƣờng phân tích. Để
đảm bảo quy luật động lực, xoáy nhân tạo đƣợc thực hiện thích ứng giữa trƣờng gió và
trƣờng độ cao, thực hiện đồng hoá số liệu để hòa hợp giữa các trƣờng động và nhiệt
lực, cũng nhƣ hoà hợp xoáy với trƣờng môi trƣờng. Cuối cùng cài xoáy nhân tạo thu
đƣợc vào vị trí chính xác của xoáy thực, thu đƣợc trƣờng ban đầu của mô hình. Sơ đồ
của
quá
trình
tạo
xoáy
giả
có
dạng:

6


Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề ban đầu hóa xoáy. Trong
đó, công trình của Kurihara và cộng sự (1993) là một công trình điển hình và đáng chú
ý về ban đầu hóa xoáy bằng cách tích phân mô hình. Các tác giả đã tích phân mô hình
dự báo bão GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) phiên bản đối xứng để
tạo ra thành phần đối xứng của xoáy giả. Trong đó, thành phần xoáy đối xứng đƣợc
tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục
(Kurihara và cộng sự 1993; Kurihara và cộng sự, 1990).
Trong suốt quá trình tích phân, gió tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở
thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của
quá trình tích phân, thời điểm này thƣờng đƣợc lựa chọn là khoảng sau 60h. Thành
phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, đƣợc giả thiết là

gây ra bởi bình lƣu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β- β effect và xoắn
β- β gyre) đƣợc tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993).
Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phƣơng trình xoáy áp hƣớng không phân
kỳ trên mặt phẳng β đƣợc tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây
dựng dòng đối xứng (Ross, 1992). Sau đó thành phần gió phi đối xứng này đƣợc xây
dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phƣơng vị của sóng số 1 và
sóng số 2. Sau khi các trƣờng gió đƣợc xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối
xứng và phi đối xứng thì các biến khác đƣợc điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc
của trƣờng gió. Khi đã có đƣợc trƣờng gió, thì áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị đƣợc
ƣớc tính bằng cách sử dụng phƣơng trình phân kì. Nhiệt độ sau đó đƣợc tính toán từ
một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh (Kurihara
và cộng sự, 1993).

7


Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường
môi trường hE và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường
nền quy mô lớn nhận được sau phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd hav, nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993).
Theo sơ đồ này, một trƣờng h vô hƣớng bất kì sẽ tách ra thành hai phần là
trƣờng nền, hay trƣờng môi trƣờng quy mô lớn hB và trƣờng nhiễu động hD. Tiếp đến,
trƣờng nhiễu động hD đƣợc tách ra thành hai phần nhiễu động gây ra do xoáy hav và
nhiễu động phi xoáy, hay trƣờng mô trƣờng quy mô nhỏ (hD – hav). Tổng của trƣờng
môi trƣờng quy mô lớn và trƣờng môi trƣờng quy mô nhỏ là trƣờng môi trƣờng hE.
Trƣờng nền đƣợc tách ra bằng phép lặp thông qua hàm làm trơn trên lƣới kinh
vĩ. Trƣớc tiên, trƣờng h đƣợc làm trơn theo chiều vĩ hƣớng bằng công thức:
h  ,  h ,  K (h 1,  h 1,  2h , )

(1.1)

Trong đó: h là trƣờng cần đƣợc làm trơn, λ,  lần lƣợt là kinh độ, vĩ độ. K là
tham số lọc có dạng nhƣ sau:
K

1
2
(1  cos ) 1
2
m

(1.2)

Với m là tham số sẽ mang các giá trị khác nhau tƣơng ứng với các bƣớc lặp
khác nhau, để áp dụng cho việc làm trơn trƣờng theo công thức (1.1), m lần lƣợt nhận
đúng các giá trị là: 2, 3, 4, 2, 5, 6, 7, 2, 8, 9.

8


Sau khi đã làm trơn và thu đƣợc trƣờng h  , . Tiếp theo, trƣờng này đƣợc làm
trơn theo chiều kinh hƣớng để xác định trƣờng nền h B , :
hB ,  h  ,  K (h  , 1  h  , 1  2h  , )

(1.3)

Nhƣ đã trình bày ở trên Hình 1.1: trƣờng nhiễu động hD đƣợc xác định là hiệu
của trƣờng ban đầu h và trƣờng nền hB. Xoáy phân tích đƣợc tách ra khỏi hD thông qua
phép lọc trên hệ tọa độ cực (r,θ) với gốc tọa độ tại tâm xoáy phân tích. Phép lọc này
đƣợc biểu diễn nhƣ sau:





hav ( r,  )  hD ( r,  )  hD (r0 ,  ) E (r )  h D ( r 0 )1  E ( r )

(1.4)

Trong đó, r0 là bán kính của miền lọc có độ lớn tùy theo mỗi cơn bão, r là bán
kính (0 ≤ r ≤ r0) và E(r) là hàm trọng số làm trơn có dạng:
E (r) 

e  ( r0 r )

2

/ l2

 e  r0 / l
2

1  e r0 / l
2

2

2

(1.5)

Trong đó: l là tham số của phép lọc, quy ƣớc l=1/5r0. Thấy rằng khi r=r0, E(r)
tiến đến đơn vị, do đó, trƣờng xoáy phân tích không tồn tại ngoài bán kính này (hình
1.2 (a,b)).

(a)

(b)

Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E
theo bán kính r, Nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993).
Hình 1.2a biểu diễn tỉ lệ giữa độ nhạy của phép lọc đối với bƣớc sóng cho thấy
các sóng có độ dài sóng nhỏ hơn 9o sẽ đƣợc lọc hoàn toàn, những sóng có độ dài sóng
càng lớn thì khả năng lọc sẽ giảm đi, tƣơng ứng với khả năng lọc chỉ còn khoảng 82%,
60%, 32% lần lƣợt đối với các sóng bƣớc sóng là 15o, 20o,30o.Ở đây những sóng dài
tƣơng ứng với trƣờng nền, sóng ngắn hơn ứng với trƣờng nhiều động.
Hình 1.2b biểu diễn biến đổi của của hàm trọng số E(r) theo bán kính r trong
công thức (1.4). Đƣờng thẳng đứng trong hình này biểu diễn độ nhạy của bán kính ảnh
hƣởng đến phép lọc, với bán kính nằm trong khoảng từ r = r0 – l tới r = r0 phép lọc
9


đƣợc thực hiện nhiều nhất, do đây là khoảng bán kính mà nhiễu động phi xoáy tồn tại
nhiều nhất.
Trƣờng nhiễu động hD đƣợc biểu diễn trong công thức 1.4 đƣợc coi là nhiễu do
xoáy gây ra nên xoáy chỉ tồn tại trong phạm vi chứa nhiễu động. Do đó, trƣờng nhiễu
động trung bình đƣợc xác định bằng công thức:
h D ( r0 ) 

1
hD ( r0 ,  )d

2 

(1.6)

Trong nghiên cứu đối với mô hình GFDL, Kurihara và cộng sự (1993) đƣợc
xây dựng với cả hai thành phân đối xứng và phi đối xứng. Thành phần xoáy đối xứng
đƣợc tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục.
Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, đƣợc giả
thiết là gây ra bởi bình lƣu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β và xoắn
β) đƣợc tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần
gió phi đối xứng, phƣơng trình xoáy áp hƣớng không phân kỳ trên mặt phẳng β đƣợc
tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng trong
nghiên cứu của Kurihara và Ross (1992).
Đối với thành phần gió đối xứng, một phân bố gió theo bán kính và mực mô
hình (r,σ) đƣợc gọi là phân bố gió mục tiêu đƣợc sử dụng để tính toán các trƣờng còn
lại có dạng:
V (r,  )  F ( ) Vd ( r )

(1.7)

Trong đó: F là một hàm kinh nghiệm thể hiện trọng số của gió tiếp tuyến
phƣơng thẳng đứng và Vd là phân bố gió tiếp tuyến tại đỉnh lớp biên có dạng:
r
r r B
Vd ( r )  V ( ra )( a ) A ( a
)
r
rb  ra

(1.8)

Với ra, rb, A, B là các tham số thực nghiệm. Trong suốt quá trình tích phân, gió
tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp
tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của quá trình tích phân, thời điểm này thƣờng
đƣợc lựa chọn là khoảng sau 60h. Điều này có thể đƣợc hiểu là bắt đầu từ trạng thái
tĩnh (gió tiếp tuyến và bán kính bằng không, khí áp, nhiệt độ và độ ẩm ban đầu là đồng
nhất theo bán kính), trong quá trình tích phân, gió tiếp tuyếnđƣợc hiệu chỉnh dần về
gió mục tiêu trong khi trƣờng khác đƣợc tự do biến đổi do tƣơng tác giữa các trƣờng
trong mô hình. Công thức hiệu chỉnh đƣợc xác định để gió tiếp tuyến biến đổi dần về
gió mục tiêu có dạng nhƣ sau:
10




VR ( r,  , t )  VB ( r,  ) exp(1  )
t

(1.9)

Trong đó: t là thời gian, τ là qui mô thời gian điều chỉnh, VR là phân bố gió tiếp
tuyến trong mô hình, VB là một phân bố gió tiếp tuyến mục tiêu xác định từ trƣớc.
Sau mỗi bƣớc thời gian tích phân của mô hình, gió tiếp tuyến VR dự báo bởi mô
hình ở bƣớc thời gian trƣớc sẽ đƣợc thay thế bằng:
VF 

VR  
1

(1.10)

Trong đó: α là tham số trọng số liên quan đến quy mô thời gian của mô hình.
Tiếp theo sẽ xem xét đến thành phần phi đối xứng tạo ra bởi mô hình, nhƣ đã
bão, thành phần này đƣợc giả thiết là gây ra bởi bình lƣu xoáy hành tinh (dựa trên lý
thuyết về hiệu ứng β và xoắn β) đƣợc tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara, 1993). Để
tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phƣơng trình xoáy áp hƣớng không phân kỳ trên
mặt phẳng β đƣợc tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng
dòng đối xứng trong nghiên cứu của Kurihara và Ross (1992). Sau đó thành phần gió
phi đối xứng này đƣợc xây dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả
phƣơng vị của sóng số 1 và sóng số 2.
Các xoáy phi đối xứng đƣợc biểu diễn trên tọa độ trục (r,  ) qua công thức nhƣ
sau:

 ( r ,  )   0 ( r )   1 ( r,  )   2 ( r,  )

(1.11)

Trong trƣơng hợp này trƣờng gió có dạng:
V (r,  )  V0 (r )  V1 (r,  )  V2 (r,  )

(1.12)

Xét phƣơng trình biểu diễn các thành phần tốc độ trên mặt phẳng β, trong hệ
trục tọa độ di chuyển với tốc độ là C khi đó, xoáy phi đối xứng đối các sóng có dạng:

 (V1 . 1 ) 0  (V2 . 2 ) 0  (C. 1 ) 0   ( j.V1 ) 0
t

(1.13)

 1
 V0 . 1  V1. 0  (V1. 2 )1  (V2 . 1 )1  C. 0  (C. 2 )1  j.V0   ( j.V2 )1
t

(1.14)

 2
 V0 . 2  V2 . 0  (V1 . 1 ) 2  (C. 1 ) 2   ( j.V1 ) 2
t

(1.15)

Sau khi các trƣờng gió đƣợc xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối
xứng và phi đối xứng thì các biến khác đƣợc điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc
11


của trƣờng gió. Khi đã có đƣợc trƣờng gió, áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị đƣợc
ƣớc tính bằng cách sử dụng phƣơng trình phân kì. Nhiệt độ sau đó đƣợc tính toán từ
một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh (Kurihara
và cộng sự, 1993).
Liu và cộng sự (1997) đã xây dựng xoáy giả từ mô hình tích phân với cải thiện
đáng kể trong cấu trúc nhiệt động lực của xoáy dẫn đến dự báo cƣờng độ tốt hơn (Liu
và cộng sự, 1997). Ngoài ra, Đại học Quốc gia bang Pennsylvania, Trung tâm nghiên
cứu khí quyển đã sử dụng mô hình phi thủy tĩnh quy mô vừa phiên bản 5 (MM5) để
tích phân các miền thô nhất trong khoảng thời gian 48h. Sau đó xoáy đƣợc tích phân từ
miền tính thô nhất tại 48h đƣợc chiết suất và kết hợp trở lại vào điều kiện ban đầu cho
tất cả các miền tính. Liu và cộng sự (1997) đã áp dụng kĩ thuật này cho cơn bão
Andrew (1992), cơn bão này có những đặc tính đặc biệt là: (1) Xoáy tích phân tại thời
điểm 48h đạt tới cƣờng độ quan trắc vào thời điểm ban đầu của mô hình; (2) các

trƣờng khí tƣợng trong dòng gió đông khu vực nhiệt đới tƣơng đối chuẩn và có hƣớng
di chuyển của xoáy bão di chuyển lệch không đáng kể, chuyển động về hƣớng tây gần
nhƣ không đổi trong suốt 48h tích phân (Liu, 1997). Các tác giả đƣa ra kết luận rằng
ban đầu hóa xoáy sử dụng mô hình tích phân cho thấy sự cải thiện đáng kể về cấu trúc
nhiệt động lực học của xoáy và dự báo cƣờng độ (Kurihara và cộng sự, 1993; Liu và
cộng sự, 1997).
1.1.2 Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm
Hoàn lƣu bão tƣơng tác với hoàn lƣu môi trƣờng có thể làm thay đổi đáng kể
cấu trúc của hoàn lƣu môi trƣờng, làm biến dạng vectơ dòng dẫn, tác động mạnh đến
chuyển động của bão. Bên cạnh đó, hoàn lƣu của bão yếu không đáng kể so với hoàn
lƣu của môi trƣờng, cấu trúc của môi trƣờng xung quanh bão hoàn toàn độc lập với sự
có mặt của bão.
Một số tác giả đã sử dụng các mô hình số nghiên cứu chuyển động ban đầu của
xoáy đối xứng chính áp ở xoáy đối xứng chính áp ở Bắc Bán Cầu khi không có dòng
môi trƣờng. Với thực tế dựa trên những số liệu quan trắc cho thấy tốc độ di chuyển của
bão khác với tốc độ của dòng dẫn một vài m/s. Sự khác biệt này gọi là phần lan truyền
và thƣờng có hƣớng về phía Tây và hƣớng Cực (Chan và cộng sự, 1987; Smith và
cộng sự, 1990). Các nghiên cứu chỉ ra rằng theo mô hình tà áp, nguyên nhân của sự lan
truyền này là do sự dịch chuyển của bản thân bão, kết quả của sự phi đối xứng, sự di
chuyển của bão lệch khỏi dòng nền. Sự phi đối xứng này không xảy ra trong trƣờng
gió của bão mà do sự biến đổi của thông số Coriolis theo vĩ độ (hiệu ứng β) hay còn
gọi là hiệu ứng dịch chuyển β.
12


Bên cạnh đó, dựa trên cơ sở về xoắn β, thành phần phi đối xứng của xoáy nhân
tạo đƣợc xác định là do hiệu ứng β, trong ứng dụng cho mô hình TCLAPS. Điển hình
nhƣ trong nghiên cứu của của tác giả Weber và Smith (1995) đã đƣa ra sơ đồ phân tích
xoáy sử dụng kết hợp các bộ lọc tần số thấp (low-pass filter) thông qua phép biến đổi
nhanh Fourier – FFT (FFT – Fast Fourier Tranform) với trƣờng môi trƣờng bao gồm

trƣờng quy mô lớn và trƣờng quy mô nhỏ. Kết quả là trƣờng xoáy phân chia rõ thành
xoáy đối xứng và phi đối xứng, xoáy đối xứng ở đây chính là xoáy bão cần loại bỏ
(Weber and Smith, 1995).
Mục tiêu của phƣơng pháp là tách ra đƣợc trƣờng quy mô lớn, phƣơng pháp
này cho phép loại bỏ các sóng có bƣớc sóng ngắn để xác định trƣờng môi trƣờng qui
mô lớn. Và phƣơng pháp có thể đƣợc biểu diễn tuần tự theo các bƣớc sau:
Đầu tiên, trƣờng bất kì sẽ đƣợc đƣa vào làm trơn 4 điểm, với quy ƣớc tâm xoáy
trùng với tâm của miền, miền này có kích thức 10x10 độ kinh vĩ:
f i, j 

1
( f i , j 1  f i , j 1  f i 1, j  f i 1, j )
4

(1.7)

Bƣớc làm trên đƣợc thực hiện nhằm loại bỏ sơ lƣợc xoáy ban đầu trong trƣờng
phân tích toàn cầu và giữ lại nguyên vẹn trƣờng quy mô lớn. Tiếp theo, trƣờng nhiễu
động đƣợc tách ra bằng cách lấy hiệu của trƣờng ban đầu với trƣờng đã làm trơn:
f 'i , j  f i , j  f i , j

(1.8)

Từ trƣờng làm trơn qua bƣớc đầu tiên, thu đƣợc f i , j . Sử dụng sơ đồ lặp Barnes
kết hợp với bộ lọc tần thấp thông qua phép biến đổi nhanh Fourier một chiều tách
trƣờng môi trƣờng quy mô lớn f ij EL ra khỏi trƣờng f i , j . Qua bƣớc lặp đầu tiên, phép
biến đổi này sẽ loại bỏ các sóng có bƣớc sóng ngắn, ta có trƣờng quy mô lớn gần đúng
đầu tiên f ij EL .
Phần dƣ đầu tiên còn lại sau quá trình trên đƣợc xác định bằng hiệu của trƣờng
gần đúng đầu tiên và trƣờng môi trƣờng quy mô lớn đầu tiên:

f ijD1  f ij  f ijEL
1

(1.9)

Tiếp theo để xác định trƣờng quy mô lớn gần đúng một cách chính xác chấp
nhận đƣợc, phép lặp sẽ đƣợc thực hiện lại nhiều lần để làm trơn trƣờng phần dƣ ở các
bƣớc trƣớc đó, quá trình dừng lại khi thỏa mãn điều kiện sự sai khác trong trƣờng phần
dƣ giữa hai bƣớc sát nhau là n và n – 1 đủ nhỏ để nhận đƣợc trƣờng quy mô lớn tƣơng
ứng ở bƣớc đó (đƣợc coi là trƣờng quy mô lớn cần tìm):
13


f ijnEL  f jnEL1  f ijnD1

(1.10)

Có thể thấy rằng, ban đầu hóa xoáy là một bài toán phức tạp và không có một
phƣơng pháp duy nhất để thực hiện bài toán này, ở tất cả các bƣớc, đều có những
phƣơng pháp khác nhau, nhƣ những thông tin trình bày ở trên, riêng phân tích xoáy
cũng có nhiều phƣơng pháp khác nhau để thực hiện. Việc tạo xoáy giả cũng không
phải là ngoại lệ, xoáy giả có thể đƣợc xây dựng bằng phƣơng pháp kinh nghiệm hay
phƣơng pháp động lực.
Phƣơng pháp động lực là phƣơng pháp sử dụng một phiên bản mô hình đối
xứng trục tích phân một xoáy nhân tạo đối xứng với các trƣờng cân bằng động lực với
nhau, điển hình trong kĩ thuật ban đầu hóa xoáy đầu tiên đƣợc phát triển bởi Kurihara
và cộng sự (1993). Ở đây, xoáy giả đƣợc xây dựng bằng mô hình tích phân. Xoáy giả
cần phải thỏa mãn 3 điều kiện là có cấu trúc đồng nhất và tƣơng tự với xoáy bão thật,
cộng thêm khả năng tƣơng thích với mô hình (Kurihara, 1993). Trong khi đó phƣơng
pháp kinh nghiệm là phƣơng pháp xây dựng xoáy có cƣờng độ cấu trúc xác định dựa

trên những hiểu biết về lí thuyết. Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không cần mô hình
phiên bản đối xứng trục và thời gian tính toán nhanh hơn, do đó đã có rất nhiều sơ đồ
ban đầu hóa xoáy áp dụng phƣơng pháp này. Xoáy giả xây dựng bằng các hàm thực
nghiệm về áp suất, gió tiếp tuyến đƣợc phát triển lần đầu tiên bởi Fujita (1952). Sau đó
có thêm một số tác giả nhƣ Chan và Williams (1987), Iwasaki và cộng sự (1987);
Mathur (1991); Davis và Low-Nam (2001); Kwon và Cheong (2009) tiếp tục phát
triển các nghiên cứu dựa trên các hàm thực nghiệm của Fujita (1952).
Trong nghiên cứu của Iwasaki và cộng sự (1987) công thức thực nghiệm để xây
dựng xoáy giả bao gồm các bƣớc sau (từ công thứ 1.11 đến 1.17) (Iwasaki và cộng sự,
1987)
Công thức thực nghiệm tính phân bố theo bán kính của trƣờng khí áp bề mặt đã
đƣợc đƣa ra theo (Fujita, 1952):



P( r )  PE  P 1  ( r / R0 ) 2





1
2

(1.11)

Trong đó, PE là áp suất bề mặt môi trƣờng, ΔP là cƣờng độ xoáy, R0 là kích
thƣớc xoáy. Hai yếu tố này đƣợc xác định để thỏa mãn điều kiện áp suất tại tâm và bán
kính gió 15m/ có giá trị bằng với quan trắc.
Tiếp đến, trƣờng độ lệch độ cao địa thế vị (D) tại đỉnh mây đƣợc tính toán bởi công

thức với mục tiêu mô phỏng xoáy nghịch phía trên, đƣợc cho bởi:

14


 a. r 2  b

D( r, Pt )   c.r  d
e.( r  R ) 2
E


r  R0
R0  r  RE

(1.12)

R1  r  R0

Ở đây, tất cả các tham số a, b, c, d, e đều là các tham số kinh nghiệm đƣợc tính
toán sao cho phân bố áp suất liên tục đến đạo hàm bậc một tại hai giá trị R0 và R1. Hai
tham số này cũng là hai tham số kinh nghiệm phụ thuộc vào bán kính gió 15m/s
(R15m/s).
Độ lệch độ cao địa thế vị triệt tiêu tại mực 20mb, phía trên đỉnh mây giữa tầng
bình lƣu:
D(r, pmid )  0

(1.13)

Bƣớc tiếp theo, trƣờng nhiệt độ tại tâm bão từ bề mặt đến đỉnh mây đƣợc xây

dựng có dạng xoáy lõi nóng đƣợc biểu diễn:
T (0, P)  C1 Tc ( P)  TE ( P)  TE ( P)

(1.14)

Với: hằng số C1 đƣợc xác định sao cho độ lệch địa thế vị tại đỉnh mây trùng với
giá trị đã tính ở công thức (1.12), TE là nhiệt độ trƣờng môi trƣờng, TC là nhiệt độ
trong mây hay nhiệt độ của khối không khí đi lên từ bề mặt theo quá trình đoạn nhiệt
ẩm.
Công thức xác định nhiệt độ tại tâm ở phía trên đỉnh mây là:
T (0, P)  C2 (ln P  ln Pmid )(ln P  ln Pt )  TE ( P)

(1.15)

Trong đó: C2đƣợc xác định từ độ lệch độ cao địa thế vị sử dụng phƣơng trình
thủy tĩnh. Độ lệch của độ cao địa thế bị đƣợc nội suy bằng công thức:
D(r, P)   (r ) D(0, P)   (r )

(1.16)

Ở đây: α và β đƣợc xác định sao cho thỏa mãn các điều kiện ở phƣơng trình
(1.11); (1.12); (1.13).
Trƣờng gió tiếp tuyến và trƣờng gió bán kính đƣợc giải lặp nhờ hệ phƣơngtrình
chuyển động viết cho hệ tọa độ trụ bỏ qua thành phần xu thế:
Vr

Vr V2


 fV 

 Cd V Vr  0
r
r
r

Vr

V VrV

 fVr  Cd V V  0
r
r
15

(1.17)


Trong đó: các yếu tố Vr, V lần lƣợt là gió bán kính và gió tiếp tuyến; f là tham
số Coriolis, Cd là hệ số ma sát; υ là độ cao địa thế vị của mặt đẳng áp đã xác định từ
trƣớc.
Hầu hết bằng việc dựa trên ý tƣởng xây dựng xoáy giả, phát triển từ công thức
thực nghiệm của Fujita (1952), các nghiên cứu của Davidson và Weber (2000) và
Kwon và Cheong (2010) đã khẳng định phƣơng pháp này có thể mô phỏng lại nhiều
tính năng của bão thực với những cải thiện đáng kể trong dự báo quỹ đạo cũng nhƣ
cƣờng độ bão so với dự báo không sử dụng xoáy giả (Davis, 2001b; Kwon I.-H, 2010).
Cũng xây dựng xoáy giả dựa trên các phƣơng trình thực nghiệm nhƣng dƣới
cách tiếp cận khác Lownam (2001) áp dụng cho mô hình MM5 đã đƣa ra là phƣơng
pháp xoáy NCAR-AFWA cho xoáy nhân tạo đƣợc xác định bằng phân bố Rankine:
F ( r )  Vm (

r 
)
rm

(1.18)

Trong đó: F(r) là phân bố theo bán kính của xoáy giả, Vm là tốc độ gió cực đại.
α có giá trị bằng 1 ở phía trong bán kính gió cực đại rm và bằng -0.75 ở ngoài rm, còn A
là hàm trọng số kinh nghiệm của gió tiếp tuyến theo phƣơng thẳng đứng phụ thuộc
tuyến tính với áp suất. Tƣơng tự nhƣ trong nghiên cứu của Iwasaki (1987), trƣờng độ
cao địa thế vị đƣợc xác định từ phƣơng trình cân bằng và trƣờng nhiệt đƣợc tính từ
phƣơng trình trạng thái. Sơ đồ Iwasaki là sơ đồ có chứa quá nhiều yếu tố kinh nghiệm
và tƣơng đối phức tạp, thêm vào đó sơ đồ đƣợc viết cho hệ tọa độ khí áp thẳng đứng
nên khó áp dụng cho hệ tọa độ mô hình cũng nhƣ khó thay đổi và kiểm soát đƣợc cấu
trúc xoáy nhân tạo. Trong khi sơ đồ Lownam lại tƣơng đối đơn giản và không có nhiều
tùy chọn. Đây chính là các nhƣợc điểm của xây dựng xoáy bằng phƣơng pháp thực
nghiệm.
1.1.3 Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu
Ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu là phƣơng pháp xây dựng xoáy giả
đƣợc sử dụng rộng rãi trong hơn một thập kỉ gần đây. Với xoáy giả ngày càng đƣợc cải
tiến và có khả năng ban đầu hóa tốt hơn đó xây dựng xoáy giả sử dụng phƣơng pháp
biến phân 3 chiều và 4 chiều với số liệu giả là một trong các nguồn số liệu.
Cụ thể nhƣ trong nghiên cứu của Xiao và cộng sự (2006) sử dụng phƣơng pháp
đồng hóa số liệu biến phân 3 chiều 3DVAR trong mô hình MM5. Xoáy giả đƣợc xây
dựng có phân bố áp suất mực biển theo công thức thực nghiệm của Fujita (1952) và
trƣờng gió tiếp tuyến dựa trên quan hệ gió gradient. Trƣờng gió tiếp tuyến đƣợc tạo ra
trên 7 mực (mực biển, 1000, 925, 850, 700, 600, 500) (Xiao, 2006). Trong trƣờng hợp
16

này, hàm mục tiêu đóng góp bởi áp suất mực biển và gió tiếp tuyến đối xứng, đƣợc
biểu diễn lần lƣợt qua hai biểu thức dƣới đây:
JP 

 P(r)  P

r  RB







T

( r ) O p1 P( r )  P bogus( r )

bogus







J V    V ( r, k )  V bogus( r, k ) OV1 V ( r, k )  V bogus( r, k )
k

T

r  RB

(1.28)



(1.29)

Trong đó: P(r) và V(r,k) là trƣờng gió và áp suất mực biển phân tích, Pbogus(r)
và Vbogus(r,k) là trƣờng gió và áp suất mực biển giả, OP và OVn là các ma trận đƣờng
chéo phƣơng sai, r là bán kính và RB là bán kính đồng hóa, k là các mực thẳng đứng.
Ngoài ra, theo Chou và Wu (2008) đã tích phân xoáy giả với số liệu từ thiết bị
đo gió thám sát– Dropsonde.(Dropsonde là thiết bị thám sát thời tiết của NCAR, đƣợc
thiết kế để đƣợc thả xuống từ máy bay ở độ cao xác định để đo chính xác hơn điều
kiện cơn bão nhiệt đới), để tạo điều kiện ban đầu tốt hơn cho mô hình MM5(Chou,
2008). Trong nghiên cứu của Nam và Davis (2001) lần đầu tiên họ đƣa một xoáy giả
thuần túy 6h trƣớc thời điểm ban đầu của mô hình. Sau đó, mô hình đƣợc tích phân
trong 6h để có đƣợc một xoáy bão để sử dụng nhƣ là điều kiện ban đầu của mô hình.
Các số liệu ban đầu từ phân tích trƣờng quy mô lớn trong vùng lõi bão sẽ đƣợc thay
thế bởi xoáy tích phân 6h vừa đề cập ở trên. Các điều kiện ban đầu sau đó đƣợc xây
dựng thông qua hệ thống MM5-3DVAR với số liệu gió vệ tinh khu vực bên ngoài lõi
của cơn bão (Davis, 2001a). Nhƣ vậy, hầu nhƣ tất cả các nghiên cứu cho thấy rằng ban
đầu hóa xoáy cải thiện đáng kể về cấu trúc, quỹ đạo và cƣờng độ bão trong dự báo.
Các nghiên cứu trƣớc đây khẳng định rằng ban đầu hóa xoáy là cần thiết để dự
báo tốt hơn với các mô hình quy mô vừa.Trong thực tế, không có phƣơng pháp nào
trong các phƣơng pháp trên là hoàn hảo và không phải tất cả các sơ đồ này đều đƣợc
thực hiện trong mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Skamarock and Powers.,
2005). Do đó, khắc phục một số hạn chế trong kĩ thuật ban đầu hóa xoáy sẽ cho kết
quả dự báo tốt hơn.

17


Gần đây nhất, trong các nghiên cứu của Nguyễn Văn Hiệp và cộng sự (2011) đã
xây dựng một phƣơng pháp ban đầu hoá xoáy mới thông qua kỹ thuật chạy lặp và áp
dụng cho mô hình WRF (Weather Research and Forecasting Model). WRF phiên bản
V3 với mô đun cài xoáy mới đƣợc sử dụng để dự báo thử nghiệm cho cơn bão
Morakot (2009). Trong phƣơng pháp ban đầu hoá xoáy này, các tác giả sử dụng hai giả
thiết: thứ nhất, trong một khoảng thời gian ngắn (< 1 giờ) bão di chuyển nhƣng cấu
trúc của nó không thay đổi một cách đáng kể; thứ hai, cấu trúc bão tại thời điểm ban
đầu của mô hình là một hàm của các điều kiện môi trƣờng nhƣ gió, nhiệt độ mặt nƣớc
biển, độ đứt gió,… Trên cơ sở đó, thực hiện tích phân mô hình trong một khoảng thời
gian, dt (dt < 1 h), với trƣờng áp mực biển nhân tạo tại thời điểm ban đầu phi đối
xứng. Trƣờng áp mực biển nhân tạo đƣợc xây dựng từ công thức của Fujita (Fujita,
1952) sau khi đƣợc biến đổi thành dạng phi đối xứng. Sau vòng lặp thứ nhất, cấu trúc
xoáy ở cuối vòng lặp đƣợc sử dụng để xây dựng cấu trúc xoáy tại thời điểm ban đầu
cho vòng lặp thứ hai. Quá trình chạy lặp trên đƣợc thực hiện cho tới khi cƣờng độ bão
tại thời điểm ban đầu gần với cƣờng độ bão thực tế. Tuỳ vào trƣờng hợp, số vòng lặp
thƣờng giao động từ 30 tới 90 (Hiep N.V, 2011). Một số kết quả thử nghiệm ban đầu
cho thấy sơ đồ phân tích xoáy mới này có nhiều ƣu điểm hơn hẳn các sơ đồ trƣớc đây
Tổng quan các nghiên cứu trong nƣớc
Ở nƣớc ta, bài toán ban đầu hóa xoáy đã đƣợc quan tâm nghiên cứu trong
khoảng hơn 10 năm trở lại đây, tiêu biểu là các nghiên cứu của Bùi Hoàng Hải, Phan
1.2.

Văn Tân (2002), trong nghiên cứu này Nguyễn Thị Minh Phƣơng (2003), (2005), Võ
Văn Hòa (2005) đối với mô hình WBAR, các tác giả đã nghiên cứu điều chỉnh các
phƣơng án ban đầu hóa, cách tính trung bình lớp sâu,… để rút ra đƣợc những bộ tham
số tối ƣu cho dự báo quĩ đạo bão ở Việt Nam(V.V.Hòa, 2005).

Ngoài ra, Hoàng Đức Cƣờng (2004) trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ về khả năng
áp dụng mô hình MM5 cho dự báo hạn ngắn ở Việt Nam đã đƣa ra kết luận là “khi
trong miền tính có sự hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới nhất thiết phải sử dụng chức
năng cài xoáy của mô hình” và cần có những nghiên cứu chuyên sâu về các sơ đồ ban
đầu hóa xoáy để áp dụng vào dự báo quĩ đạo bão(H.D.Cƣờng, 2004). Tiếp theo là
nghiên cứu của Đặng Thị Hồng Nga và cộng sự (2006) đã nghiên cứu áp dụng sơ đồ
ban đầu hóa xoáy của TC-LAPS vào mô hình MM5 và đạt đƣợc những kết quả khả
quan (Đ.T.H.Nga, 2006).
Bùi Hoàng Hải trong luận án Tiến sĩ (2008) đã xây dựng sơ đồ ban đầu hóa
xoáy ba chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy bao gồm hai
phần chính là quá trình phân tích xoáy dựa trên Weber và Smith (1995) và xây dựng
18


xoáy nhân tạo theo phƣơng pháp của Smith (2005). Để khảo sát tính hợp lý của
phƣơng pháp xây dựng xoáy nhân tạo, một module ban đầu hóa xoáy lý tƣởng cho mô
hình WRF đã đƣợc xây dựng, đồng thời một số thí nghiệm lý tƣởng cũng đã đƣợc thiết
kế và thực hiện. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Trong trƣờng hợp thí nghiệm không có
ma sát và hệ số Coriolis là hằng số (mặt f), xáy nhân tạo đã duy trì đƣợc cấu trúc và
cƣờng độ trong suốt thời gian tích phân chứng tỏ xoáy nhân tạo đã thể hiện tính cân
bằng động lực tốt. Bên cạnh đó, tác giả cũng đƣa ra nhận định khi xây dựng sơ đồ ban
đầu hóa xoáy bằng mô hình HRM là HRM_TC với chức năng ban đầu hóa xoáy đã
làm cải thiện đáng kể chất lƣợng dự báo quĩ đạo bão so với phiên bản HRM nghiệp vụ
và vai trò hoàn lƣu phía ngoài của bão là tham số quan trọng nhất trong sơ đồ ban đầu
hóa xoáy của HRM_TC (B.H.Hải, 2008). .Hoàng Đức Cƣờng (2004, 2011) đã sử dụng
các sơ đồ phân tích xoáy đối xứng và phi đối xứng cho các mô hình MM5, WRF nhằm
dự báo bão trên Biển Đông và nhận đƣợc một số kết quả ban đầu. Chất lƣợng dự báo
quỹ đạo bão đƣợc cải thiện đáng kể đối với các cơn bão có quỹ đạo phức tạp và đổi
hƣớng khi sử dụng các sơ đồ phân tích xoáy, trong khi đó, dự báo cƣờng độ bão chƣa
có kết quả khả quan (H.D.Cƣờng, 2004; H.D.Cƣờng, 2011).

Nhƣ vậy, phần lớn các nghiên cứu về ban đầu hóa xoáy ở trong nƣớc đều sử
dụng phƣơng pháp tạo xoáy bằng cách tích phân mô hình số trị và cho kết quả khả
quan. Tuy nhiên hầu hết các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, ban đầu hóa xoáy cho những
cải thiện đáng kể về dự báo quỹ đạo, trong khi khả năng dự báo cƣờng độ vẫn còn là
một câu hỏi đặt ra cần nghiên cứu. Bên cạnh đó, việc tìm ra một công cụ để phân tích
xoáy và xây dựng xoáy giả phù hợp, cải thiện dự báo đến mức độ thế nào vẫn là một
câu hỏi lớn đặt ra hiện nay. Có rất nhiều mô hình số trị đã đƣợc sử dụng nghiên cứu về
ban đầu hóa xoáy ở nƣớc ta song chƣa có nghiên cứu nào đề cập đến mô hình HWRF.
Đây là mô hình đã đƣợc sử dụng để dự báo cƣờng độ và quỹ đạo bão trong nghiệp vụ
từ năm 2007 tại Mỹ thay thể cho mô hình GFDL, với nhiều đặc tính ƣu việt nhƣ phát
triển kĩ thuật đồng hóa số liệu nhằm xác định tốt cấu trúc ban đầu của bão hay các quá
trình vật lí liên quan chặt chẽ đến sự phát triển của bão. Cụ thể, Năm 2011, Venkata B
và cộng sự đã tính toán so sánh kết quả mô phỏng siêu bão Katrina giữa mô hình
HWRF với các mô hình ARW và NMM. Kết quả chỉ ra rằng mô hình HWRF tạo ra
xoáy bão ban đầu tốt nhất và sai số dự báo cƣờng độ và quỹ đạo bão đã đƣợc cải thiện
đáng kể khi sử dụng mô hình HWRF so với 2 mô hình còn lại. Do vậy, luận văn đặt ra
bài toán nghiên cứu về ban đầu hóa xoáy và đánh giá vai trò sơ đồ ban đầu hóa xoáy
trong mô hình HWRF nhằm dự báo bão trên Biển Đông.

19


CHƢƠNG 2. BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ
PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
2.1. Sơ lƣợc về mô hình HWRF
Mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) là một
hệ thống gồm nhiều mô đun khác nhau, đƣợc phát triển bởi sự hợp tác của NOAA,
Phòng nghiên cứu hải quân Hoa Kì, Đại học Rhode Island, Đại học Florida. Mô hình
đƣợc phát triển từ kết hợp mô hình WRF-NMM (phiên bản NCEP của hệ thống mô
hình Weather Research and Forecasting, WRF) kết hợp với mô hình đại dƣơng 3 chiều

POM (Princeton Ocean Model). Cho đến nay, HWRF đã đƣợc phát triển với nhiều
phiên bản khác nhau, luận văn sử dụng phiên bản HWRF 3.4 ra đời tháng 8 năm 2012
(Hình 2.1).
Số liệu
GFS

Bộ phận
tiền xử lí
WRF

Dữ liệu địa
hình

Hiệu chỉnh
xoáy

Mô đun
GSI

Xoáy giả
(cold start)

Xoáy từ dự
báo 6h trƣớc
(warm start)

Số
liệu
quan
trắc

Ban đầu hóa
phần hải dƣơng

HWRF – phần khí
quyển

Bộ phận
hậu xử lí

HWRF kết
hợp hải
dƣơng –
khí quyển
(HWRF
coupler)
HWRF- phần
hải dƣơng
(POM)

Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF
Trong khuôn khổ luận văn, chỉ quan tâm đến phần khí quyển của mô hình.
Miền tính trong mô hình HWRF đƣợc mặc định là miền tính lồng. Với hai miền
tính lồng di động có độ phân giải lớn gấp 3 miền tính ngoài. Thông thƣờng, chọn độ
phân giải cho miền ngoài là 27km, miền lƣới lồng là 9km. Để ban đầu hóa xoáy cho
mô hình thì cần thiết chạy mô hình với lựa chọn “ananysis” để xác định miền tính
lồng bên trong, sau đó tiếp tục chạy mô hình với lựa chọn “ghost”, mục đích của việc
làm này chạy mô hình với miền tính lớn hơn gấp 4 lần so với miền tính lồng để tạo
xoáy (Hình 2.2)

20