Luận án Nghiên cứu phát triển và ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bão ở Việt Nam

Nh107 
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 
BÙI HOÀNG HẢI 
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG  
SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU  
CHO MỤC ĐÍCH DỰ BÁO CHUYỂN ĐỘNG BÃO 
Ở VIỆT NAM 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC 
Hà Nội - 2008 
 Nghiên cứu phát triển sơ đồ phân tích 
và ban đầu hóa xoáy thuận nhiệt đới 3 
chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão ở 
Việt Nam. 
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 
BÙI HOÀNG HẢI 
NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG  
SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU  
CHO MỤC ĐÍCH DỰ BÁO CHUYỂN ĐỘNG BÃO 
Ở VIỆT NAM 
Chuyên ngành: Khí tượng học 
Mã số: 62 44 87 01 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC 
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 
1 PGS. TS. Phan Văn Tân 
2 PGS. TS. Nguyễn Đăng Quế 
Hà Nội - 2008 
i 
Lời cam đoan 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết 
quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công 
trình nào khác. 
 Tác giả 
 Bùi Hoàng Hải 
ii 
Lời cảm ơn 
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS. TS. Phan Văn 
Tân và PGS. TS. Nguyễn Đăng Quế, là những người thầy đã tận tình chỉ bảo, định 
hướng khoa học và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện 
luận án. Lời cảm ơn này cũng được gửi đến GS. Roger K. Smith, Đại học Tổng hợp 
Munich, người đã giúp đỡ tận tình trong thời gian tôi thực tập ở Munich và cũng 
như đã cung cấp các tài liệu và ý tưởng cho luận án này. 
Trong quá trình xây dựng sơ đồ ban đầu hóa xoáy cho luận án, tôi đã nhận 
được sự trợ giúp về tài liệu và một số thư viện chương trình từ TS. Harry C. Weber, 
Đại học Tổng hợp Munich, tôi xin cảm ơn những giúp đỡ nhiệt tình của ông. 
Tôi xin chân thành cảm ơn TSKH. Kiều Thị Xin, GS. TS. Trần Tân Tiến và 
những thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho 
tôi những kiến thức chuyên môn quí báu, những lời khuyên chân hữu ích và hơn hết 
là niềm say mê nghiên cứu khoa học. 
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương 
học, Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên vì đã tạo điều kiện giúp 
đỡ và tổ chức những hoạt động học tập và nghiên cứu một cách tận tình. 
Luận án này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên 
vô cùng to lớn từ gia đình tôi, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến những người 
thân yêu trong gia đình, đặc biệt là mẹ tôi. 
Cuối cùng, đối với bạn bè, đồng nghiệp của tôi ở Khoa Khí tượng Thủy văn và 
Hải dương học và Trung Tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung Ương và những 
nơi khác, tôi xin gửi lòng biết ơn chân thành vì những góp ý hữu ích trong chuyên 
môn và những chia sẻ trong cuộc sống. 
iii 
Mục lục 
Lời cam đoan............................................................................................................... i 
Lời cảm ơn ................................................................................................................. ii 
Mục lục...................................................................................................................... iii 
Danh mục hình ảnh .....................................................................................................v 
Danh mục bảng biểu.................................................................................................. ix 
Danh mục các ký hiệu viết tắt .....................................................................................x 
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1 
Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................................... 1 
Mục đích của luận án......................................................................................................... 4 
Những đóng góp mới của luận án ..................................................................................... 4 
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn........................................................................................... 4 
Tóm tắt cấu trúc luận án .................................................................................................... 5 
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ BÃO VÀ BAN ĐẦU 
HÓA XOÁY BÃO ......................................................................................................6 
1.1 Những nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng về chuyển động của bão.......................... 7 
1.2 Những nghiên cứu ban đầu hóa xoáy trong các mô hình dự báo chuyển động của 
bão 12 
1.2.1 Các phương pháp xây dựng xoáy nhân tạo .................................................... 14 
1.2.2 Các phương pháp phân tích xoáy................................................................... 24 
1.2.3 Các phương pháp kết hợp xoáy nhân tạo với trường môi trường .................. 29 
1.3 Những nghiên cứu trong nước về dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình số ................ 32 
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY 
BA CHIỀU 36 
2.1 Phương pháp phân tích xoáy ba chiều..................................................................... 36 
2.1.1 Xác định trường qui mô lớn ........................................................................... 38 
2.1.2 Xác định vị trí tâm xoáy phân tích................................................................. 40 
2.1.3 Phân tích phương vị ....................................................................................... 41 
2.2 Phương pháp xây dựng xoáy ba chiều cân bằng ..................................................... 43 
2.3 Khảo sát sơ đồ xây dựng xoáy cân bằng ................................................................. 47 
2.3.1 Tổng quan về mô hình WRF.......................................................................... 47 
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm....................................................................................... 56 
2.3.3 Một số kết quả................................................................................................ 58 
2.4 Một số nhận xét ....................................................................................................... 67 
iv 
CHƯƠNG 3 : ÁP DỤNG SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU DỰ 
BÁO QUĨ ĐẠO BÃO ...............................................................................................69 
3.1 Sơ lược về mô hình HRM........................................................................................ 70 
3.1.1 Hệ phương trình cơ bản.................................................................................. 70 
3.1.2 Lưới ngang ..................................................................................................... 73 
3.1.3 Lưới thẳng đứng............................................................................................. 73 
3.1.4 Tham số hóa vật lý ......................................................................................... 75 
3.2 Ban đầu hóa xoáy ba chiều cho HRM_TC.............................................................. 76 
3.3 Xác định các tham số khả dụng............................................................................... 79 
3.3.1 Số liệu và miền tính ....................................................................................... 79 
3.3.2 Các chỉ tiêu đánh giá ...................................................................................... 80 
3.3.3 Bán kính gió cực đại ...................................................................................... 83 
3.3.4 Bán kính gió 15m/s ........................................................................................ 93 
3.3.5 Hàm trọng số theo phương thẳng đứng........................................................ 102 
3.3.6 Kết hợp phân bố gió tiếp tuyến phân tích với phân bố gió tiếp tuyến giả ... 110 
3.4 Nhận xét chung...................................................................................................... 114 
CHƯƠNG 4 : THỬ NGHIỆM SƠ ĐỒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY MỚI...........117 
4.1 Thiết kế thí nghiệm................................................................................................ 117 
4.1.1 Cấu hình thí nghiệm..................................................................................... 117 
4.1.2 Các trường hợp bão dự báo.......................................................................... 118 
4.1.3 Số liệu và miền tính ..................................................................................... 119 
4.1.4 Các chỉ tiêu đánh giá .................................................................................... 119 
4.2 Kết quả dự báo thử nghiệm ................................................................................... 120 
4.2.1 Khảo sát một số trường hợp......................................................................... 120 
4.2.2 Đánh giá chung ............................................................................................ 126 
4.3 Tóm tắt................................................................................................................... 129 
KẾT LUẬN.............................................................................................................131 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
.................................................................................................................................134 
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................135 
PHỤ LỤC................................................................................................................142 
v 
Danh mục hình ảnh 
Hình 1.2.1: Sơ đồ mô tả bài toán ban đầu hóa xoáy bão .....................................................13 
Hình 1.2.2: Phân bố gió tiếp tuyến ứng với Vm=30m/s, rm=60km ứng với A) profile rankine 
(1.2.14); B) profile (1.2.16) với tham số a=10-6 và b=6; C) profile (1.2.17) với 
b=0.63; Profile (1.2.18) với b=0.63, ra=600km và Va=6m/s. ..............................22 
Hình 1.2.3: Phân bố của gió tiếp tuyến theo áp suất tại các bán kính 2o,4o,6o vĩ theo số liệu 
thám sát tổng hợp của các cơn bão ở Đại Tây Dương (A) và Thái Bình Dương 
(B). (Theo Gray,1981)[44] ..................................................................................23 
Hình 1.2.4: Sơ đồ phân tích xoáy trong mô hình bão MMM của GFDL (nguồn: Kurihara 
và nnk, 1993 [52]). Trường phân tích qui mô lớn (Large scale analysis) được 
tách ra thành trường nền (Basic field) và trường nhiễu động (Disturbance field). 
Trường nhiễu động được tách thành trường xoáy phân tích (Analyzed vortex) và 
trường nhiễu phi xoáy (Non-hurricance field). Trường môi trường 
(Environmental field) nhận được bằng cách cộng trường nền và trường nhiễu phi 
xoáy...................................................................................................................... ... , “Verification of a nested 
barotropic hurricane track forecast model (VICBAR)”. Mon. Wea. Rev. 
(122), pp. 2804-2815. 
23. Bach, H., 1969: On the downhill method. Commun. Assoc. Comp. Mach., 
12, 675–687. 
24. Barnes, S. L. (1964), “A technique for maximizing details in numerical 
weather map analysis”, J. Appl. Meteor. (3), pp. 396-409. 
25. Bender, M. A., R. J. Ros, R. E. Tuleya and Y. Kurihara (1993), 
“Improvements in tropical cyclone track and intentsity forecasts using the 
GFDL initialization scheme”. Mon. Wea. Rev. (121), pp. 2046-2061. 
26. Chan, J. C. L. and W. M. Gray, (1982), “Tropical cyclone movement and 
surrounding flow relationships”. Mon. Wea. Rev., (110), pp. 1354-1374. 
27. Cooks and Gray (2002), “Variability of the Outer Wind Profiles of 
Western North Pacific Typhoons: Classifications and Techniques for 
Analysis and Forecasting” 
28. Davidson, N. E. and K. Puri (1992), “Tropical prediction using dynamical 
nudging, satellite-defined convective heat sources, and a cyclone bogus”, 
Mon. Wea. Rev. (120), pp. 2501-2521. 
29. Davidson, N. E. and H. C. Weber (2000), “The BMRC high-resolution 
tropical cyclone prediction system TC-LAPS”, Mon. Wea. Rev. (128), 
1245-1264. 
30. Davidson, N. E., J. Wadsley, K. Puri, K. Kurihara, and M. Ueno (1993): 
Implementation of the JMA typhoon bogus in the BMRC tropical 
prediction system, J. Meteor. Soc. Japan (71), pp. 437-467. 
31. Davis, C. A. and L. F. Bosart (2001), “Numerical Simulations of the 
Genesis of Hurricane Diana (1984). Part I: Control Simulation”, Mon. 
Wea. Rev. (129), pp. 1859-1881. 
32. Davis, C. and S. Lownam, (2001), “The NCAR-AFWA tropical cyclone 
bogussing scheme”. A report prepared for the Air Force Weather Agency 
(AFWA). 12pp. 
33. DeMaria, M., D. Aberson, K. V. Ooyama and S.J. Lord (1992), “A nested 
specture model for hurricane track forcasting”, Mon. Wea. Rev. (120), pp. 
1628-1643. 
34. DeMaria, M. (1985), “Tropical Cyclone Motion in a Nondivergent 
barotropic model”, Mon. Wea. Rev. (113), pp. 1199-1209. 
138 
35. DeMaria, M. (1987), “Tropical cyclone track prediction with a barotropic 
spectra model”, Mon. Wea. Rev. (115), pp. 2346-2357. 
36. Dvorak, V. E. (1975), “Tropical cyclone intensity analysis and forecasting 
from satellite imagery”. Mon. Wea. Rev. (103), 420-430. 
37. Emanuel, K A. (1991), “Theories of hurricanes”, Anu. Rev. Fluid Tech. 
(23), pp. 179-196. 
38. Emanuel, K A. (2005), “Increasing destructiveness of tropical cyclones 
over the past 30 years”, nature (436), pp. 686-688. 
39. Fiorino, M.J., and R. L. Elsberry (1989), “Some aspects of vortex structure 
related to tropical cyclone motion”, J. Atmos. Sci. (46), pp. 975-990. 
40. Frank W. M. and E. A. Ritchie (1999), “Effects of Environmental Flow 
upon Tropical Cyclone Structure”, Mon. Wea. Rev. (127), pp. 2045-2061. 
41. Frank W. M. and E. A. Ritchie (2001), “Effects of Vertical Wind Shear on 
the Intensity and Structure of Numerically Simulated Hurricanes”, Mon. 
Wea. Rev. (129), pp. 2249-2269. 
42. Fujita, T. (1953), “Pressure distribution in typhoon.” Geophys. Mag. (23), 
pp. 437-451. 
43. George, J. E. and Gray, W. M. (1976), “Tropical cyclone motion and 
surrounding parameter relationships”. J. Appl. Meteor., (15), pp. 1252-
1264. 
44. Gray (1981), “Recent advances in tropical cyclone reseach from 
rawinsonde composite analysis”. WMO Publication., Geneva Switzeland, 
pp. 1252-1264. 
45. Grell G. A., J. Dudhia, and D. R. Stauffer, (1994): A description of the 
fifth-generation Penn State/NCAR Mesoscale Model (MM5). NCAR Tech. 
Note NCAR/TN-398+STR, 138 pp. 
46. Holland, G. (1980), “An analytics model of the wind and pressure profile 
in hurricanes”. Mon. Wea. Rev., (108), pp. 1212-1218. 
47. Horsfall F., M. DeMaria, and J. M. Gross, (1997): “Optimal use of large-
scale boundary and initial fields for limited-area hurricane forecast 
models”. Preprints, 22d Conf. on Hurricanes and Tropical Meteorology, 
Fort Collins, CO, Amer. Meteor. Soc., pp. 571–572. 
48. Iwasaki T., H. Hakano and M. Sugi, (1987), “The performance of a 
typhoon track prediction model with cumulus parameterization”, J. 
Meteor. Soc. Japan, (65), pp. 555-570. , 
49. Kasahara, A.(1957), “The numerical prediction of hurricane movement 
with the barotropic model”, J. Meteorol., 14, pp. 386-402. 
139 
50. Kasahara, A. and G. W, Platzman (1963), “Interaction of a hurricane with 
a steering field and its effect upon the hurricane trajectory”, Tellus (15), 
pp. 321-335. 
51. Kimball S. K. and J. L. Evans (2002), “Idealized Numerical Simulations of 
Hurricane–Trough Interaction”, Mon. Wea. Rev. (130), pp. 2210-2227. 
52. Kurihara, Y., M.A. Bender, and R. J. Ross (1993), “An Initialization 
Scheme of Hurricane Models by Vortex Specification”. Mon. Wea. Rev., 
(121), pp. 2030-2045. 
53. Kurihara, Y., M.A. Bender, R.T. Tuleya, and R. J. Ross (1995), 
“Improvements in the GFDL Hurricane Prediction System”. Mon. Wea. 
Rev. (123), pp. 2791-2081. 
54. Laprise R. (1992), “The Euler Equations of motion with hydrostatic 
pressure as as independent variable”, Mon. Wea. Rev. (120), pp. 197–207. 
55. Lowmam, S., and C. Davis (2001), “Development of a tropical cyclone 
bogussing scheme for the MM5 system”. Preprint, The Eleventh 
PSU/NCAR Mesoscale Model Users' Workshop, June 25-27, 2001, 
Boulder, Colorado, pp. 130-134. 
56. Merril, R.T., (1984): “A comparison of Large and Small Tropical 
Cyclones”, Mon. Wea. Rev., (112), pp. 1408-1418. 
57. Navon, I. M., X. Zou, J. Derber, and J. Sela (1992), “Variational data 
assimilation with an adiabatic version of the NMC spectral model”. Mon. 
Wea. Rev., (120), pp. 1433–1446. 
58. Nguyen Chi Mai, R. K. Smith, H. Zhu, W. Ulrich (2002), “A minimal axi-
symmetric tropical cyclone model”, Q. J. R. Meteorol. Soc. (128), pp. 1-
20. 
59. Ooyama, K. (1969), “Numerical Simulation of life cycle of tropical 
cyclones”, J. Atmos. Sci. (26) No 1., pp. 3-38. 
60. Pu, Z. X., S. A. Braun (2001), “Evaluation of Vortex Techniques with 
Four-Dimensional Variational Data Assimilation”. Mon. Wea. Rev. (129), 
pp. 2023-2039. 
61. Randhir Singh, P. K. Pal, C. M. Kishtawal and P. C. Joshi, (2005), “Impact 
of bogus vortex for track and intensity prediction of tropical cyclone”, J. 
Earth Syst. Sci. 114, No. 4, August 2005, pp. 427-436. 
62. Reeder, M. J., R. K Smith and S. J. Lord (1991), “The detection of flow 
asymmetries in the tropical cyclone environment”. Mon. Wea. Rev. (119), 
pp. 848-854. 
140 
63. Ross, R. J. and Y. Kurihara (1992), “A simplified scheme to simulate 
asymmetries due to the beta effect in barotropic vortices”, J. Atmos. Sci. 
(49), pp. 1620-1628. 
64. Sanders, F., and R. W. Burpee (1968), “Experiments in barotropic 
hurricane track forecasting”. J. Appl. Meteor., (7), 313–323. 
65. Sanders F., C. Pike, and J. P. Gaertner, (1975), “A barotropic model for 
operational prediction of tracks of tropical storms”. J. Appl. Meteor, (14), 
pp. 265–280. 
66. Serrano, E. and P. Undén (1994), “Evaluation of a tropical cyclone 
bogusing method in data assimilation and forecasting”, Mon. Wea. Rev. 
(122), pp. 1523-1547. 
67. Skamarock, W.C., J.B. Klemp,J. Dudhia, D.O. Gill, D. M. Barker, W. 
Wang, J. G. Powers (2005), A Description of the Advanced Research WRF 
Version 2, NCAR Techical Note, NCAR/TN–468+STR. 
68. Smith, R. K. (1980), “Tropical cyclone eye dynamics”, J. Atmos. Sci. (37), 
pp. 1227-1232. 
69. Smith, R. K (1981), “The cyclostropic Adjustment of Vortices with 
application to tropical cyclone modification”, J. Atmos. Sci. (38), pp. 
2021-2030. 
70. Smith, R. K., W. Ulrich (1990), “An analytics theory of tropical cyclone 
motion using a barotropic model”, J. Atmos. Sci. (47), pp. 1973-1986. 
71. Smith, R. K., W. Ulrich, G. Dietachmaye (1990), “A numerical study of 
tropical cyclone motion using a barotropic model. I: The role of vortex 
asymmetries”, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. (116), pp. 337-362. 
72. Smith, R. K. (1991). “An analytic theory of tropical-cyclone motion in a 
barotropic shear flow”, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. (117), pp. 685-714. 
73. Smith, R. K., H. C. Weber, (1993), “An extended analytic theory of 
tropical-cyclone motion in a barotropic shear flow”, Q. J. R. Meteorol. 
Soc. 119, pp. 1149-1166. 
74. Smith, R. K., W. Ulrich (1993), “Vortex Motion in relation to the absolute 
vorticity gradient of the vortex environment”, Quart. J. Roy. Meteor. Soc. 
(119), pp. 207-215. 
75. Smith R. K. (2005), “Accurate determination of a balanced axisymmetric 
vortex in a compressible atmosphere”, Tellus, (58A), pp. 98-103. 
76. Smith, R. K., M. T. Montgomery, H. Zhu (2005), “Buoyancy in tropical 
cyclone and other rapidly rotating atmospheric vortices.”, Dyn. Atmos. 
Oceans. (40), pp. 189-208. 
141 
77. Tiedtke, M. (1989), “A comprehensive mass flux scheme for cumulus 
parameterization in large-scale models”. Mon. Wea. Rev. (117), pp.1779-
1305. 
78. Trinh V. T. and T. N. Krishnamurti, 1992, “Vortex initialization for 
Typhoon track prediction”, Meteor. Atmos. Phys. (47), p 117-126. 
79. Weatherford, C. L. and W. M. Gray, (1988): “Typhoon structure as 
revealed by aircraft reconnaissance. Part I: Data analysis and climatology”. 
Mon. Wea. Rev., (116), pp. 1032-1043. 
80. Weatherford, C. L. and W. M. Gray, (1988): “Typhoon structure as 
revealed by aircraft reconnaissance. Part II: Structural variability”. Mon. 
Wea. Rev., (116), pp. 1044-1056. 
81. Weber, H. C., and R. K. Smith (1995), “Data sparsity and the tropical 
cyclone analysis and prediction problem: Some simulation experiments 
with a baratropic numerical model”. Quart. J. Roy. Meteor. Soc. (121), pp. 
631-654. 
82. Weber, H. C. (2001), “Hurricane track prediction with a new baratropic 
model”, Mon. Wea. Rev. (129), pp. 1834-1857. 
83. Wicker L. J. and W. C. Skamarock (2002), “Time-Splitting Methods for 
Elastic Models Using Forward Time Schemes”. Mon. Wea. Rev. (130), pp. 
2088-2097. 
84. Wu LiQuang and S. A. Braun (2004), “Effects of Environmentally 
Induced Asymmetries on Hurricane Intensity: A Numerical Study”, J. 
Atmos. Sci. (61), pp. 3065-3081. 
85. Xiao, Q., Y. H. Kuo, Y. Zhang, D. M. Barker, D. J. Won, (2006), “A 
tropical cyclone bogus data assimilation scheme in the MM5 3Dvar 
system and Numerical experiments with typhoon Rusa (2002) near 
landfall”, J. Meteor. Soc. Japan, (84), pp. 671-689. 
86. Zhao-Xia Pu, Scott a. Braun (2001), “Evaluation of Vortex Techniques 
with Four-Dimensional Variational Data Assimilation”, Mon. Wea. Rev., 
(129), pp. 2023-2039. 
87. Zhu H., R. K. Smith and W. Ulrich (2001), “A minimal three-dimensional 
tropical cyclone model”, J. Atmos. Sci. (28), pp. 1924-1944. 
88. Zou, X., and Q. Xiao (2000), “Studies on the initialization and simulation 
of a mature hurricane using a variational bogus data assimilation scheme”. 
J. Atmos. Sci., (57), 836–860. 
142 
PHỤ LỤC