Xây dựng mô hình trường gió trong bão và ứng dụng mô hình mô phỏng cơn bão Fritz

96
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRƯỜNG GIÓ TRONG BÃO VÀ ỨNG 
DỤNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CƠN BÃO FRITZ.
 Lưu Trí Anh*, Võ Duy Long*, Trần Thu Tâm**
TÓM TẮT
Mô hình trường gió trong mô hình SLOSH (Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) 
xây dựng bởi Jelesnianski (1973) [5] được nghiên cứu và đơn giản hóa để giải trực tiếp góc lệch 
hướng tâm. Các tham số đầu vào như vận tốc gió cực đại, kích thước cơn bão, bán kính đến vận 
tốc gió cực đại được lựa chọn trong nghiên cứu để thiết lập mô hình. Mô hình được mô phỏng với 
nhiều vĩ độ khác nhau nhằm tìm liên hệ giữa áp suất tâm bão và vận tốc gió cực đại theo vĩ độ, 
hay còn gọi là liên hệ áp suất-vận tốc. Liên hệ này được hiệu chỉnh với liên hệ áp suất-vận tốc tìm 
được từ số liệu thực của trung tâm khí tượng chuyên về bão Tokyo RSMC (Regional Specialized 
Meteorological Center Tokyo) trong khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương. Mô hình trường gió trong 
bão được ứng dụng mô phỏng cơn bão Fritz đổ bộ vào Đà Nẵng từ ngày 20 đến ngày 25 tháng 09 
năm 1997. 
Từ khóa: Mô hình tham số gió, trường gió bão, liên hệ áp suất-vận tốc, số liệu best-track
THE CONTRUCTION OF THE WIND FIELD MODEL AND THE 
ITS APPLICATION IN STIMULATING THE FRITZ STORM
ABSTRACT
The wind field model belongs SLOSH model (Sea, Lake, and Overland Surges from 
Hurricanes) was built by Jelesnianski (1973) [5]. This model was studied and simplified to resolve 
direction of axial angle. The parameters input of model such as maximum wind speed, size of 
storm, radius of maximum wind speed are chosen to set up model. Model is simulated with different 
latitude to determine the relationship between central pressure and maximum wind speed. The 
relationship from model is compared with the relationship from data which collected from best track 
data of Tokyo RSMC ( Regional Specialized Meteorological Center Tokyo) in North-West Pacific. 
The wind field model is applied to simulate the Fritz storm which impact Danang from 20 to 25 
September in 1997.
Keyworlds: The parameters wind field, wind field, relationship beteween central pressure 
– maximum wind speed, best track data.
* ThS. Phòng thuỷ - hải văn công trình, Viện Vật Lý Thành Phố Hồ Chí Minh 
** GV. Trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh
97
1. Mở đầu
Trường gió và trường áp suất là số liệu 
đầu vào của các mô hình tính sóng và mô hình 
nước dâng. Những số liệu này thường được lấy 
từ các mô hình toàn cầu có độ phân giải lớn (10 
x 10) gần bằng kích thước của một cơn bão. Vì 
vậy mô hình trường gió đơn giản SLOSH [5] 
được xây dựng để thiết lập trường vận tốc gió 
trong bão. Hơn nữa, mô hình mô phỏng cơn 
bão chính xác hơn bằng cách xác định được 
góc lệnh hướng tâm của vận tốc gió.
Trường vận tốc gió trong bão được mô 
phỏng với những vận tốc gió khác nhau để 
xác định liên hệ áp suất - vận tốc, mối liên 
hệ này được so sánh với liên hệ áp suất- vận 
tốc từ số liệu thực của trung tâm khí tượng 
chuyên về bão Tokyo. Mối liên hệ tổng quát 
có dạng như phương trình (1)
 W
m
=C(p
n
-p
c
)n (1)
W
m
: vận tốc gió cực đại (m/s), C và n: các 
tham số kinh nghiệm, p
n
, p
c
: áp suất khí quyển 
trong điều kiện bình thường và áp suất tại tâm 
bão (mb).
Phương trình (1) là dạng tổng quát về liên 
hệ áp suất- vận tốc. Các nghiên cứu về mối 
liên hệ này trong khu vực Tây Bắc Thái Bình 
Dương và trên thế giới giới được tìm thấy 
trong báo cáo của Harper (2002) [1] 
2. Mô hình trường gió trong bão
Phương trình cơ bản:
 21
sin
sk Wdp dWW
dr drr f
= − (Dọc theo quỹ đạo), (2)
2
2 21 cos . cos sin n
dp W d
f W W k W
dr r dr
ff f f
r
= + − +
(Vuông góc quỹ đạo), (3)
trong đó r là bán kính tính từ tâm bão, f là tham số Coriolis, p(r) trường áp suất tính từ tâm 
bão, f(r) là góc lệch hướng tâm tính từ tâm bão, W(r) trường vận tốc gió. r là mật độ không khí 
(1.225 kg/m3).
k
s 
và k
n
 là các hệ số ma sát theo mỗi phương và được xác định bằng phương trình (4)
1/24
m
10 .
1,15
0,3 60
w
s n
R
k k
W
a
− 
= =  + 
 (4)
R
w
 là bán kính đến vận tốc gió cực đại có đơn vị là miles (1 miles = 1 609.344 m), W
m 
vận 
tốc gió cực đại xác định bằng miles trên giờ (1 mph= 0.447 m/s), hệ số a= 1 cho trường hợp đại 
dương và a = 4 22 / wR cho trường hợp hồ.
Hai phương trình (2) và (3) dùng để xác định ba biến W(r), f(r), p(r), do vậy Jelesnianski 
đưa thêm giả thuyết về phân bố vận tốc gió để giải hệ phương trình ba biến [5].
m 2 2
2 .
( ) w
w
R r
W r W
R r
=
+
 (5)
Từ phương trình (2) và phương trình (3) ta được
sin
.
tan
cos cos
s
n
k W
k Wf W dW dW
r dr dr
f
ff
f f
=
+ + + −
 (6)
Xây dựng mô hình . . .
98
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Số hạng 
d
dr
f
 trong phương trình (6) gây mất ổn định cho lời giải của phương trình, tuy nhiên 
có thể bỏ qua số hạng này cho lời giải giải xấp xỉ f bằng phương trình (7).
sin
.
cos cos
s
n
k W
k Wf W dW
r dr
f
f f
=
+ + +
 (7)
số hạng đạo hàm dW/dr được tính bằng giải tích từ phương trình (5)
( )
2 2
m 22 2
( )
2 ww
w
R rdW r
W R
dr R r
−
=
+
 (8)
Phương trình (7) được giải trực tiếp tại mỗi giá trị r. Kết quả so sánh góc lệch hướng tâm f 
khi giải bằng phương trình (6) và phương trình (7) được trình bày trên hình (1) 
2.1. Lựa chọn các thông số.
Áp suất ngoại biên và kích thước cơn 
bão: Áp suất bên ngoài cơn bão trong điều 
kiện khí quyển ở trạng thái bình thường được 
lấy bằng 1010 hPa trong khu vực Tây Bắc Thái 
Bình Dương (Holland, 2008)[3]. Kích thước 
của cơn bão được lấy theo thống kê trung bình 
của Liu và Chan (1999) ở khu vực Tây Bắc 
Thái Bình Dương, trung bình 3.7 độ (410km) 
Vận tốc gió cực đại và áp suất tâm bão: 
Từ hệ phương trình chủ đạo của mô hình 
SLOSH, vận tốc gió cực đại được xác định từ 
áp suất tâm bão hay ngược lại. Vì vậy mô hình 
chỉ cần một trong hai tham số này, vì lý do này 
vận tốc gió cực đại được chọn với những cấp 
gió khác nhau theo thang vận tốc gió Bea fourt. 
Bán kính đến vận tốc gió cực đại: Tham 
số này không có sẵn trong số liệu thực đo. Vì 
vậy bán kính đến vận tốc gió cực đại được chọn 
là 47 km trong khu vực Tây Bắc Thái Bình 
Dương theo nghiên cứu của Hsu và Zhongde 
Yan [4]. Ngoài ra bán kính đến vận tốc gió cực 
đại cũng được xác định theo công thức của 
H.E.Willoughby và M.E.Rahn (phương trình 
9) [10]. Cả hai lựa chọn này được thiết lập tính 
toán trong mô hình nhằm đưa ra bán kính đến 
vận tốc gió cực đại tốt nhất dùng để thiết lập 
cho mô hình. Kết quả tính toán cho thấy bán 
kính đến vận tốc gió cực đại lấy trung bình 47 
km tốt hơn so với công thức thực nghiệm của 
H.E.Willoughby and M.E.Rahn (Hình 4) vì 
đường liên hệ áp suất vận- tốc gió từ R
w
 trung 
bình gần với đường liên hệ áp suất- vận tốc từ 
số liệu thực hơn. 
R
w
 = 46.29exp(-0.0153W
m
+0.0166j) (9)
Vĩ độ: Khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương chọn 300 vĩ để thiết lập mô hình. 
2.2. Kết quả của mô hình trường gió trong bão.
Trong Hình 4, hai đường chấm gạch 
bên ngoài của chùm số liệu biểu thị 
độ tin cậy 95% của số liệu thực. Các 
đường B6, B7 biểu thị thang sức gió 
Beaufort. Mô hình cho kết quả khá tốt 
liên hệ áp suất vận tốc trong khu vực 
Tây Bắc Thái Bình Dương khi so sánh 
với số liệu thực.
99
Khoảng cách từ tâm bão r/ R
w 
Hình 3: Trường áp suất p(r) ứng với vận tốc gió cực đại 
khác nhau từ 5m/s đến 60 m/s.
Áp suất tại tâm [hPa] 
Hình 4: So sánh liên hệ áp suất vận tốc gió từ kết quả mô 
hình và từ số liệu thực đo.
3. Liên hệ áp suất- vận tốc từ số liệu thực. 
Số liệu lịch sử của các cơn bão trong 
khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương từ năm 
1977 đến năm 2010 được sử dụng. Có tất cả 
20293 cặp số liệu (W 
m
, p
c
) được mô phỏng 
trên Hình 4. Sử dụng phương trình dạng (1), 
kết quả đường liên hệ áp suất- vận tốc khu 
vực Tây Bắc Thái Bình Dương được trình 
bày bằng phương trình 10, với hệ số tương 
quan R2= 0.9395 
 W
m
=4.919(1010-p
c
)0.5204(10)
4. Mô phỏng cơn bão Fritz đổ bộ vào 
miền trung Việt Nam.
Khu vực được chọn trong nghiên cứu có 
toạ độ (100N-16.50N; 106.70E-110.90E). Địa 
hình đáy được down từ trang web GTOPO30 
(Global Topographic Data), trường vận tốc 
gió đầu vào sử dụng mô hình trường gió trong 
bão đã xây dựng. Mô hình tính trường sóng 
Swan được chọn để mô phỏng trường sóng 
hình thành bởi cơn bão Fritz từ ngày 20 đến 
25 tháng 9 năm 1997. Trong báo cáo này, mô 
hình Swan không được trình bày cụ thể.
Xây dựng mô hình . . .
100
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 9: So sánh độ cao sóng có nghĩa từ kết quả mô hình Swan và số liệu thực đo
101
Độ cao sóng có nghĩa từ kết quả mô hình 
được hiệu chỉnh và so sách với số liệu quan sát 
thực tế khu vực cảng Đà Nẵng (16011’34”N, 
108015’27.7”E). Chênh lệch biên độ về độ 
cao sóng giữa kết quả mô hình và số liệu thực 
đo là không đáng kể, đồng thời mô hình cũng 
cho khuynh hướng tương tự số liệu thực đo về 
sự phát triển của sóng trong bão. 
5. Kết luận.
Mô hình trường gió trong mô hình SLOSH 
(Jelesnianski et al, 1992) được hiệu chỉnh với 
các thông số đơn giản và xác định được góc 
lệch hướng tâm tại mỗi vecto vận tốc gió. Mô 
hình dùng để mô phỏng trường gió làm số liệu 
đầu vào cho mô hình tính sóng và mô hình 
nước dâng khá hiệu quả, và đã được kiểm 
chứng với kết quả thực đo tính toán độ cao 
sóng có nghĩa khu vực cảng Đà Nẵng.
Liên hệ áp suất- vận tốc gió cực đại 
được xác định trong khu vực Tây Bắc Thái 
Bình Dương từ số liệu các cơn bão lịch sữ 
của RSMN. Mối liên hệ này được xác định 
như sau:
 W
m
=4.919(1010-p
c
)0.5204
Liên hệ này dùng để xác định một cách 
nhanh chóng vận tốc gió khi biết được áp 
suất tại tâm bão mà không cần chạy mô 
hình số./. 
Xây dựng mô hình . . .
Lễ tổng kết công tác HSSV.
102
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
TÀI LIỆU THAM KHẢO.
Bài báo khoa học.
[1] Harper B. (2002). Tropical Cyclone Parameter Estimation in the Australian Region, Win-Pressure 
relationships and related issues for Engineering Planning and Design – A discussion paper. Report No. 
J0106-PR003E November, SEA Systems Engineering Australia Pty Ltd.
[2] Holland G. J. (1980). An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes. American 
Meteorological Society, Monthly Weather Review, vol. 108, August, pp. 1212 to 1218.
[3] Holland G. J. (2008). A Revised Hurricane Pressure-Wind Model. American Meteorological Society, 
Monthly Weather Review, vol. 136, September, pp. 3432-3445.
[4] Hsu. S. A and Zhongde Yan (1998). A Note on the Radius of Maximum Wind for Hurricanes. Journal of 
Coastal Research. Vol. 14, No. 2, Spring, pp. 667-668.
[5] Jelesnianski C. P., Chen J., Shaffer W. A (1992). SLOSH: Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes. 
NOAA Technical Report NWS 48, April.
[9] Liu K. S., Johnny C. L. Chan (1999). Size of Tropical Cyclones as Inferred from ERS-1 and ERS-2 Data. 
American Meteorological Society, Monthly Weather Review, vol. 127, December, pp. 2992–3001.
[10] Nguyễn Minh Huấn, “ Nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng hình thế bão cho các mô hình thủy động lực 
dự báo sóng và nước dâng ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ, 27, pp 
115-125, 2011.
 [11] Ueno T. (1981). Numerical computations of the storm surges in Tosa bay. Journal of Oceanographical 
Society of Japan, vol. 37, pp. 61 to 73.
Số liệu.
RSMC-Tokyo best track data available at: 
besttrack.html
TEDI, 1999: Nghiên cứu quy hoạch phát triển cảng phục vụ khu kinh tế mở Chu Lai (báo cáo định hướng 
phát triển khu vực.