Nghiên cứu đánh giá diễn biến năng lượng bão trên biển đông và khả năng dự báo

TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ NĂNG LƯỢNG BÃO 7

Sự hình thành bão phụ thuộc vào nhiều nhân tố quan trọng như lực Coriolis, nhiễu động xoáy ban đầu, sự tăng cường xoáy tương đối mực thấp, độ ẩm cao ở tầng đối lưu giữa và nhiệt độ bề mặt biển (SST) Tuy nhiên, những yếu tố này chỉ là điều kiện cần, không đủ để đảm bảo bão hình thành Mặc dù có nhiều nhiễu động xoáy xuất hiện hàng năm trong khu vực biển nhiệt đới, nhưng chỉ một tỷ lệ rất nhỏ trong số đó có khả năng phát triển thành bão.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt biển (SST) đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và tăng cường cơn bão, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp mà còn gián tiếp thông qua các hoàn lưu quy mô lớn (Gray, 1979; Chan, 2000).

Năng lượng bão có thể được giải thích thông qua lý thuyết về điều kiện ổn định đối lưu loại 2 (CISK) và ảnh hưởng của gió sát bề mặt do trao đổi thông lượng nhiệt bề mặt (WISHE), như đã được đề cập trong các nghiên cứu của Zuki và cộng sự (2008), Wang L và cộng sự (2012), cùng với Zhan và cộng sự (2011a, 2011b).

Quan điểm về CISK liên quan đến sự hội tụ của không khí tại lớp biên, trong đó các quá trình trao đổi thông lượng nhiệt, đối lưu phát triển và ngưng kết được chuyển hóa thành năng lượng cơ học, cụ thể là gió bão (COMET, 2016).

Emanuel (1986) đã lý tưởng hóa năng lượng bão như một "động cơ nhiệt Carnot", cho thấy gió sát bề mặt bị ảnh hưởng bởi quá trình trao đổi nhiệt giữa đại dương và khí quyển Nghiên cứu chỉ ra rằng năng lượng bề mặt gia tăng làm tăng tốc độ gió ở khu vực gần lõi bão, dẫn đến lý thuyết WISHE Mô hình lý tưởng hóa theo Carnot cho bão được mô tả qua bốn giai đoạn: (1) giãn nở đẳng nhiệt của không khí gần bề mặt, thu được entropy ở nhiệt độ không đổi; (2) giãn nở đoạn nhiệt khi không khí thăng lên trong mắt bão; (3) dòng không khí truyền bức xạ hồng ngoại và mất entropy; và (4) không khí lạnh quay trở về môi trường bão Theo Emanuel, bão mất cân bằng nhiệt động giữa đại dương và khí quyển, với hiệu năng của động cơ nhiệt ở vùng nhiệt đới ước tính khoảng 1/3, cho thấy một phần ba năng lượng nhiệt có thể chuyển đổi thành năng lượng cơ học.

� � = 300−200 300 1 3 khí tại dòng ra tầng đối lưu trên (COMET, 2016) [56] b

Hình 1 1 Sơ đồ lý tưởng hóa theo CISK (a) và Canot đối với bão (b)

Mối quan hệ giữa năng lượng bão và cấu trúc, cường độ bão là một vấn đề phức tạp, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Các nghiên cứu trên thế giới đã ứng dụng chỉ số năng lượng để đánh giá diễn biến và dự báo bão tại các ổ bão lớn và tiểu vùng biển khác nhau Luận án này nhằm ứng dụng chỉ số năng lượng để đánh giá diễn biến bão trên Biển Đông, đồng thời tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến chỉ số năng lượng bão.

Lý do để cộng đồng nghiên cứu đề xuất chỉ số năng lượng bão xuất phát

Cơn bão Ivan năm 2004 có tổng tốc độ gió mạnh đạt 1,7125 knot, cao hơn đáng kể so với cơn bão Mitch năm 2005 với 1,20875 knot, mặc dù cả hai đều được phân loại là cấp 5 theo thang đo Saffir-Simpson Diễn biến gió mạnh gần tâm bão của hai cơn bão này lại khác nhau; Mitch chỉ duy trì gió mạnh cấp 5 trong vài ngày, trong khi Ivan kéo dài khoảng mười ngày Việc đánh giá và phân loại hai cơn bão này như nhau có thể dẫn đến việc bỏ sót thông tin quan trọng, do đó, chỉ số năng lượng bão đã được đề xuất để bổ sung thêm đặc trưng cho việc đánh giá hoạt động của bão (Drews, 2007).

Chỉ số "năng lượng bão tích lũy" (ACE) được giới thiệu lần đầu bởi Bell và cộng sự vào năm 2000, còn được biết đến với tên gọi "động năng bão tích lũy" và "năng lượng gió bão" theo NOAA ACE tỷ lệ với bình phương vận tốc gió và được tính bằng tổng động năng trong một khoảng thời gian nhất định, cho thấy rằng bão mạnh và kéo dài sẽ dẫn đến ACE cao Để tăng cường trọng số cho các cơn bão mạnh, Emanuel đã đề xuất chỉ số PDI vào năm 2005 và 2007, được biểu diễn bằng hàm bậc ba của vận tốc gió.

Các chỉ số năng lượng bão cung cấp cái nhìn tổng quát về số lượng, cường độ và thời gian hoạt động của bão, giúp so sánh và đánh giá mức độ nguy hiểm của bão qua các thời kỳ và khu vực khác nhau Ví dụ, trong mùa có “ba cơn bão”, tổng năng lượng được tính bằng diện tích dưới đường cong thể hiện thời gian tồn tại và cường độ của các cơn bão (Hình 1 2a) Điều này tương tự với trường hợp “ba cơn bão” khác có cùng diện tích, thời gian và cường độ trung bình (Hình 1 2b), với thời gian và cường độ được tính toán từ các quan trắc bão trong mùa đó (Camargo và ctv, 2005; Drews, 2007).

[59], Kim và ctv, 2013 [86], Murakami và ctv, 2014 [107], Villarini và ctv,

Hình 1 2 Minh họa về chỉ số năng lượng bão

Do ACE và PDI có trọng số cao đối với bão cường độ mạnh, Yu và ctv

Năm 2009 và 2012, các tác giả đã đề xuất điều chỉnh các chỉ số ACE và PDI bằng cách bổ sung bán kính bão, tạo ra chỉ số RACE và RPDI Họ đã so sánh và đánh giá tính phù hợp của các chỉ số năng lượng bão tại khu vực TBTBD dựa trên đặc điểm diễn biến không gian và thời gian Kết quả cho thấy chỉ số RACE và RPDI, mặc dù được điều chỉnh giảm trọng số cho bão cường độ mạnh, vẫn có sự tương đồng cao với diễn biến của các chỉ số ACE và PDI Tuy nhiên, kể từ năm 2009, chưa có nghiên cứu nào ứng dụng hai chỉ số RACE và RPDI trong đánh giá diễn biến bão được công bố.

Nghiên cứu của Kantha và cộng sự (2006) chỉ ra rằng, mặc dù bão Katrina (2005) có cường độ yếu hơn bão Camille (1969) trước khi đổ bộ, nhưng tác động của bão Katrina lại nghiêm trọng hơn Điều này cho thấy rằng cường độ bão không phải là yếu tố duy nhất quyết định mức độ thiệt hại mà bão có thể gây ra.

Camille khi đổ bộ vào bờ Cơn bão Irene (năm 2011), Isaac và Sandy (năm

2012) tương đối yếu nhưng đã gây ra thiệt hại đáng kể Do đó, Kantha và ctv

(2006) [82], Powell và ctv (2007) [109] đã đề xuất chỉ số “động năng tích hợp của bão” (IKE) với mục đích hỗ trợ thêm thông tin cho phân cấp Saffir-

Simpson IKE được xác định cho từng cơn bão thông qua việc phân tích gió và bán kính theo bốn góc phần tư của bão, dựa trên dự án phân tích gió vệ tinh “H*Wind” của NOAA Mặc dù có thể tính toán trực tiếp trên trang web của NOAA, nhưng việc áp dụng phương pháp này vẫn gặp nhiều khó khăn.

Nghiên cứu về IKE tại khu vực TBTBD cho thấy mối liên hệ giữa IKE và mức độ thiệt hại do bão, cung cấp thông tin bổ sung cho việc cảnh báo bão Hebert và cộng sự (2010) đã đề xuất chỉ số HSI (Chỉ số nguy hiểm của bão), được xác định dựa trên 50 điểm từ tốc độ gió và kích thước trường gió; giá trị HSI cao hơn cho thấy tác động tiềm năng của bão lớn hơn.

Misra và cộng sự (2013) đã phát triển chỉ số động năng tích hợp theo quỹ đạo bão (TIKE) để tính tổng năng lượng cho các cơn bão trong tháng, mùa hoặc cả năm, tương tự như chỉ số ACE Khác với ACE chỉ xem xét tốc độ gió mạnh nhất mà không tính đến bán kính bão, TIKE cung cấp một cách tiếp cận toàn diện hơn Dù vậy, kết quả so sánh giữa TIKE và ACE cho thấy sự tương đồng cao với hệ số tương quan đạt 0,86, ngoại trừ một số năm có sự khác biệt đáng kể, như năm 2005 khi giá trị ACE cao hơn trong khi TIKE lại thấp hơn.

Nhìn chung về các chỉ số năng lượng bão:

Các chỉ số năng lượng bão chỉ được tính toán cho những xoáy thuận nhiệt đới đạt cường độ bão Phương pháp tính này không phụ thuộc vào bước thời gian, điều này làm cho nó hữu ích trong việc tính toán tương quan và hồi quy Bởi vì đây là biến liên tục, nó rất phù hợp để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khí hậu đến cường độ bão.