Tính tới hoàn lưu khí quyển trong dự báo thủy văn biển
Các dự báo thủy văn biển dựa trên những phương pháp khoa học, trên những giả thiết vật lý, những định luật của vật lý biển và khí quyển. Nguyên tắc quan trọng nhất là tính tới tương tác khí quyển và đại dương. Bản chất của mối tương tác này là các điều kiện ...
Các dự báo thủy văn biển dựa trên những phương pháp khoa học, trên những giả thiết vật lý, những định luật của vật lý biển và khí quyển. Nguyên tắc quan trọng nhất là tính tới tương tác khí quyển và đại dương. Bản chất của mối tương tác này là các điều kiện khí tượng có ảnh hưởng nhất định tới một số hiện tượng diễn ra trong biển, còn trạng thái của biển tác động lại các quá trình khí quyển.
Việc xác định mức độ ảnh hưởng của hoàn lưu khí quyển lên chế độ thủy văn biển là một bài toán rất phức tạp. Các công trình nghiên cứu về vấn đề này có xu hướng rất khác nhau. Tư tưởng chung trong đó là nghiên cứu độ biến động không gian và thời gian của các quá trình khí quyển và xác lập các quy luật biến đổi chế độ biển tuỳ thuộc vào biến đổi hoàn cảnh khí áp, tình thế khí áp...
V. Iu. Vize là người đầu tiên nghiên cứu vấn đề dự báo thủy văn có tính tới ảnh hưởng của hoàn lưu khí quyển. Ông đã chỉ ra rằng đặc điểm trạng thái băng các biển bắc cực có thể xem là hậu quả của cường độ hoàn lưu chung của khí quyển. Vize gọi phương pháp của mình là phương pháp khuôn mẫu khí áp. Bằng cách xem xét và nghiên cứu các bản đồ áp suất khí quyển trung bình tháng đối với những nhóm năm có độ băng nhẹ và những năm có độ băng khắc nghiệt thấy rằng các bản đồ này có những đặc điểm rất khác nhau.
Các quá trình động lực và nhiệt trong biển bị quyết định trực tiếp hay gián tiếp bởi các đặc điểm hoàn lưu của khí quyển trên một không gian rộng lớn.
Việc thiết lập các mối liên hệ dự báo giữa các hiện tượng thủy văn trong biển và các yếu tố quyết định chúng theo các quan trắc về gió ở một điểm thường không dẫn tới những kết quả tốt. Những mối phụ thuộc này có khi có hệ số tương quan cao nhưng sẽ mang tính địa phương và không ổn định với thời gian. Vì vậy, người ta đã đề suất tính tới hoàn lưu khí quyển bằng những chỉ số khác nhau biểu thị đặc điểm và cường độ hoàn lưu khí quyển sao cho thâu tóm được ảnh hưởng của các quá trình khí quyển trên những miền rộng lớn bao quanh vùng dự báo.
Trong khi xây dựng những mối phụ thuộc dự báo thì nhiệt độ không khí, tốc độ gió, áp suất không khí ở một hay một số địa điểm, hiệu áp suất không khí ở hai địa điểm hay ở hai hướng vuông góc nhau có thể được dùng làm chỉ số hoàn lưu khí quyển. Phương pháp tỏ ra hiệu quả nhất để tính tới ảnh hưởng định lượng của hoàn lưu khí quyển là sử dụng những chỉ số hoàn lưu khí quyển. Trong thực hành dự báo biển sử dụng rộng rãi nhất là những chỉ số do N. A. Belinxki, L. A. Vitels, E. N. Blinova, A. L. Katx đề suất.
Chỉ số hoàn lưu khí quyển Belinxki biểu thị cường độ của hoạt động xoáy thuận và xoáy nghịch trong khí quyển. Vùng nghiên cứu được chia ra thành các ô hình chữ nhật với các cạnh 10° trên kinh tuyến và 5° trên vĩ tuyến. Trong mỗi ô hình chữ nhật, từ bản đồ synop lấy giá trị áp suất có kể đến độ cong của các đường đẳng áp đi qua hình chữ nhật đó. Độ cong của các đường đẳng áp được xác định như sau: đường đẳng áp có độ cong xoáy thuận nếu trong vùng do đường đẳng áp bao quanh quan sát thấy áp suất thấp, nếu như áp suất bên trong vùng do đường đẳng áp bao quanh lớn hơn áp suất ghi trên đường đẳng áp thì đường đẳng áp ấy có độ cong xoáy nghịch.
Để đặc trưng về mặt số trị áp suất khí quyển và độ cong các đường đẳng áp Belinxki đã đề ra một hệ thống các chỉ số quy ước (bảng 3.1). Nếu đường đẳng áp thuộc xoáy thuận chỉ số hoàn lưu sẽ mang dấu dương, nếu đường đẳng áp thuộc xoáy nghịch chỉ số hoàn lưu sẽ mang dấu âm.
Bảng 3.1. Các chỉ số hoàn lưu khí quyển của N. A. Belinxki
| Áp suất trong xoáy thuận (mb) | Chỉ số quy ước (cấp) | Áp suất trong xoáy nghịch (mb) | Chỉ số quy ước (cấp) |
| 1030 | + 0 | 1050 | － 12 |
| 1025 | + 1 | 1045 | － 11 |
| 1020 | + 2 | 1040 | － 10 |
| 1015 | + 3 | 1035 | － 9 |
| 1010 | + 4 | 1030 | － 8 |
| 1005 | + 5 | 1025 | － 7 |
| 1000 | + 6 | 1020 | － 6 |
| 995 | + 7 | 1015 | － 5 |
| 990 | + 8 | 1010 | － 4 |
| 985 | + 9 | 1005 | － 3 |
| 980 | + 10 | 1000 | － 2 |
| 975 | + 11 | 995 | － 1 |
| 970 | + 12 | 990 | 0 |
| Chỉ số | Thành tạo khí áp | Đường đẳng áp trung tâm (mb) |
| － 5 | Xoáy nghịch mạnh | 1035 và lớn hơn |
| － 4 | Xoáy nghịch cường độ trung bình | 1025 |
| － 3 | Xoáy nghịch yếu | 1020 và nhỏ hơn |
| + 5 | Xoáy thuận sâu | 990 và nhỏ hơn |
| + 4 | Xoáy thuận cường độ trung bình | 995－1000 |
| + 3 | Xoáy thuận yếu | 1005 và lớn hơn |
Những chỉ số này được tính bằng cách như sau: Hàng ngày trên các vùng đã chọn, từ bản đồ synop lấy các giá trị áp suất khí quyển theo độ lệch so với 1010 mb (có tính đến độ cong các đường đẳng áp) và sau đó tính trung bình trượt năm ngày. Sau đó trên cơ sở các kết quả nhận được tìm các giá trị trung bình của chỉ số trong tháng cho các vùng riêng biệt, giá trị rổng cộng của một số vùng, giá trị tổng cộng của chỉ số trong năm... Đây là một công việc rất nặng nhọc. Vì vậy để nhận được các chuỗi quan trắc dài nhiều năm Belinxki đã đề xuất một phương pháp nữa, đơn giản hơn, để xác định các chỉ số hoàn lưu khí quyển xuất phát từ thang điểm đánh giá các quá trình khí quyển cho những vùng cố định (thí dụ, Vitels đã định ra tất cả tám vùng bao quát phần bắc Đại Tây dương, châu Âu và lãnh thổ châu Âu của nước Nga) (bảng 3.2).
Trong thực hành dự báo thủy văn biển cũng như trong dự báo khí tượng sử dụng rộng rãi cách biểu thị giải tích các trường thủy văn, khí tượng dưới dạng các hàm của toạ độ. Phương pháp thường được sử dụng nhất là khai triển các trường thành chuỗi của các đa thức hoặc các hàm trực giao, thí dụ các đa thức trực giao của Chebưsev, các hàm trực giao tự nhiên của Bagrov. Trong dự báo thủy văn biển N. A. Belinxki và M. I. Glagoleva là những người đầu tiên sử dụng các phương pháp này.
Khi khai triển theo các đa thức Chebưsev một đường cong hay một trường yếu tố khí tượng thủy văn cần nghiên cứu được biểu diễn dưới dạng tổng của các đường cong hay trường đơn giản, mỗi đường cong hay trường đơn giản ấy đặc trưng cho những nét riêng biệt của phân bố thực.
Khai triển hàm một biến thành chuỗi theo các đa thức trực giao Chebưsev có dạng
f(x)=A0ϕ0(x)+A1ϕ1(x)+A2ϕ2(x)+...+Aiϕi(x) size 12{f ( x ) =A rSub { size 8{0} } ϕ rSub { size 8{0} } ( x ) +A rSub { size 8{1} } ϕ rSub { size 8{1} } ( x ) +A rSub { size 8{2} } ϕ rSub { size 8{2} } ( x ) + "." "." "." +A rSub { size 8{i} } ϕ rSub { size 8{i} } ( x ) } {}, (3.1)
trong đó Ai− size 12{A rSub { size 8{i} } - {}} {} các hệ số khai triển, ϕi− size 12{ϕ rSub { size 8{i} } - {}} {} các đa thức biểu diễn các hàm parabôn bậc i(i=1,2,..., n), size 12{i `` ( i=1, 2, "." "." "." ", "n ) ,} {}
ϕ1=x−n+12 size 12{ϕ rSub { size 8{1} } =x - { {n+1} over {2} } } {},
ϕ2=ϕ12−n2−112. size 12{ϕ rSub { size 8{2} } =ϕ rSub { size 8{1} } rSup { size 8{2} } - { {n rSup { size 8{2} } - 1} over {"12"} } "." } {} (3.2)
Công thức để tính các đa thức bậc bất kỳ có dạng
ϕk+1=ϕ1ϕk−k2n2−k244k2−1ϕk−1, size 12{ϕ rSub { size 8{k+1} } =ϕ rSub { size 8{1} } ϕ rSub { size 8{k} } - { {k rSup { size 8{2} } left (n rSup { size 8{2} } - k rSup { size 8{2} } right )} over {4 left (4k rSup { size 8{2} } - 1 right )} } ϕ rSub { size 8{k - 1} } ,} {} (3.3)
trong đó n− size 12{n - {}} {} số điểm tại đó cho giá trị của hàm, x− size 12{x - {}} {} số hiệu của điểm nhận các trị số 1, 2, 3, ..., n size 12{n} {}.
Những giá trị của các đa thức Chebưsev với những trường hợp n=11,12,13 size 12{n="11", "12", "13"} {} được ghi trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Các đa thức Chebưsev ứng với n size 12{n} {} khác nhau
| x size 12{x} {} | ||||||||||||||||||
| n = 11 size 12{ size 10{n="11"}} {} | n = 12 size 12{ size 10{n="12"}} {} | n = 13 size 12{ size 10{n="13"}} {} | ||||||||||||||||
| ϕ 1 size 12{ϕ rSub { size 8{1} } } {} | ϕ 2 size 12{ϕ rSub { size 8{2} } } {} | ϕ 3 size 12{ϕ rSub { size 8{3} } } {} | ϕ 4 size 12{ϕ rSub { size 8{4} } } {} | ϕ 5 size 12{ϕ rSub { size 8{5} } } {} | ϕ 6 size 12{ϕ rSub { size 8{6} } } {} | ϕ 1 size 12{ϕ rSub { size 8{1} } } {} | ϕ 2 size 12{ϕ rSub { size 8{2} } } {} | ϕ 3 size 12{ϕ rSub { size 8{3} } } {} | ϕ 4 size 12{ϕ rSub { size 8{4} } } {} | ϕ 5 size 12{ϕ rSub { size 8{5} } } {} | ϕ 6 size 12{ϕ rSub { size 8{6} } } {} | ϕ 1 size 12{ϕ rSub { size 8{1} } } {} | ϕ 2 size 12{ϕ rSub { size 8{2} } } {} | ϕ 3 size 12{ϕ rSub { size 8{3} } } {} | ϕ 4 size 12{ϕ rSub { size 8{4} } } {} | ϕ 5 size 12{ϕ rSub { size 8{5} } } {} | ϕ 6 size 12{ϕ rSub { size 8{6} } } {} | |
| 1 | －5 | 15 | －30 | 6 | －3 | 15 | －5,5 | 55 | －33 | 33 | －33 | 11 | －6 | 22 | －11 | 99 | －22 | 22 |
| 2 | －4 | 6 | 6 | －6 | 6 | －48 | －4,5 | 25 | 3 | －27 | 57 | －31 | －5 | 11 | 0 | －66 | 33 | －55 |
| 3 | －3 | －1 | 22 | －6 | 1 | 29 | －3,5 | 1 | 21 | －33 | 21 | 11 | －4 | 2 | 6 | －96 | 18 | 8 |
| 4 | －2 | －6 | 23 | －1 | －4 | 36 | －2,5 | －17 | 25 | －13 | －29 | 25 | －3 | －5 | 8 | －54 | －11 | 43 |
| 5 | －1 | －9 | 14 | 4 | －4 | －12 | －1,5 | －29 | 19 | 12 | －44 | 4 | －2 | －10 | 7 | 11 | －26 | 22 |
| 6 | 0 | －10 | 0 | 6 | 0 | －10 | －0,5 | －35 | 7 | 28 | －20 | －20 | －1 | －13 | 4 | 64 | －20 | －20 |
| 7 | 1 | －9 | －14 | 4 | 4 | －12 | 0,5 | －35 | －7 | 28 | 20 | －20 | 0 | －14 | 0 | 84 | 0 | －40 |
| 8 | 2 | －6 | －23 | －1 | 4 | 36 | 1,5 | －29 | －19 | 12 | 44 | 4 | 1 | －13 | －4 | 64 | 20 | －20 |
| 9 | 3 | －1 | －22 | －6 | －1 | 29 | 2,5 | －17 | －25 | －13 | 29 | 25 | 2 | －10 | －7 | 11 | 26 | 22 |
| 10 | 4 | 6 | －6 | －6 | －6 | －48 | 3,5 | 1 | －21 | －33 | －21 | 11 | 3 | －5 | －8 | －54 | 11 | 43 |
| 11 | 5 | 15 | 30 | 6 | 3 | 15 | 4,5 | 25 | 3 | －27 | －57 | －31 | 4 | 2 | －6 | －96 | －18 | 8 |
| 12 | 5,5 | 55 | 33 | 33 | 33 | 11 | 5 | 11 | 0 | －66 | －33 | －55 | ||||||
| 13 | 6 | 22 | 11 | 99 | 22 | 22 | ||||||||||||
| ∑ ϕ 2 size 12{ Sum {ϕ rSup { size 8{2} } } } {} | 110 | 858 | 4290 | 286 | 156 | 11220 | 572 | 12012 | 5148 | 8008 | 15912 | 4488 | 182 | 2002 | 572 | 68068 | 6188 | 14212 |
Bảng 3.4. Thí dụ khai triển đường cong theo các đa thức Chebưsev [12]
| n size 12{n} {} | t qt size 12{t rSub { size 8{ ital "qt"} } } {} | ϕ 1 size 12{ϕ rSub { size 8{1} } } {} | tϕ 1 size 12{tϕ rSub { size 8{1} } } {} | ϕ 2 size 12{ϕ rSub { size 8{2} } } {} | tϕ 2 size 12{tϕ rSub { size 8{2} } } {} | ϕ 3 size 12{ϕ rSub { size 8{3} } } {} | tϕ 3 size 12{tϕ rSub { size 8{3} } } {} | ϕ 4 size 12{ϕ rSub { size 8{4} } } {} | tϕ 4 size 12{tϕ rSub { size 8{4} } } {} | ϕ 5 size 12{ϕ rSub { size 8{5} } } {} | tϕ 5 size 12{tϕ rSub { size 8{5} } } {} | ϕ 6 size 12{ϕ rSub { size 8{6} } } {} | tϕ 6 size 12{tϕ rSub { size 8{6} } } {} |
| 1 | 11,1 | －6 | －66,6 | 22 | 244,2 | －11 | －122,1 | 99 | 1098,9 | －22 | －244,2 | 22 | 244,2 |
| 2 | 11,1 | －5 | －55,5 | 11 | 122,1 | 0 | 0 | －66 | －732,6 | 33 | 366,3 | －55 | 610,5 |
| 3 | 11,1 | －4 | －44,4 | 2 | 22,2 | 6 | 66,6 | －96 | －1065,6 | 18 | 199,8 | 8 | 88,8 |
| 4 | 11,1 | －3 | －33,3 | －5 | －55,5 | 8 | 88,8 | －54 | －599,4 | －11 | －122,1 | 43 | 477,3 |
| 5 | 10,6 | －2 | －21,2 | －10 | －106,0 | 7 | 74,2 | 11 | 116,6 | －26 | －275,6 | 22 | 233,2 |
| 6 | 9,1 | －1 | －9,1 | －13 | －118,3 | 4 | 36,4 | 64 | 582,4 | －20 | －182,0 | －20 | －182,0 |
| 7 | 8,1 | 0 | 0 | －14 | －113,4 | 0 | 0 | 84 | 680,4 | 0 | 0 | －40 | －324,0 |
| 8 | 7,5 | 1 | 7,5 | －13 | －97,5 | －4 | －30,0 | 64 | 480,0 | 20 | 150,0 | －20 | －150,0 |
| 9 | 7,1 | 2 | 14,2 | －10 | －71,0 | －7 | －49,7 | 11 | 78,1 | 26 | 184,6 | 22 | 156,2 |
| 10 | 6,9 | 3 | 20,7 | －5 | －34,5 | －8 | －55,2 | －54 | －372,6 | 11 | 75,9 | 43 | 296,7 |
| 11 | 6,9 | 4 | 27,6 | 2 | 13,8 | －6 | －41,4 | －96 | －662,4 | －18 | －124,2 | 8 | 55,2 |
| 12 | 6,9 | 5 | 34,5 | 11 | 75,9 | 0 | 0 | －66 | －455,4 | －33 | －227,7 | －55 | －379,5 |
| 13 | 6,9 | 6 | 41,4 | 22 | 151,8 | 11 | 75,9 | 99 | 683,1 | 22 | 151,8 | 22 | 151,8 |
| ∑ size 12{ sum } {} | －84,2 | 33,8 | 43,5 | －168,5 | －47,4 | 57,4 |
Bảng 3.5. Khôi phục đường cong theo các hệ số khai triển chuỗi Chebưsev [12]
| n size 12{n} {} | A 0 size 12{A rSub { size 8{0} } } {} | A 1 ϕ 1 size 12{A rSub { size 8{1} } ϕ rSub { size 8{1} } } {} | ∑ i = 0 1 A 1 ϕ 1 size 12{ Sum cSub { size 8{i=0} } cSup { size 8{1} } {A rSub { size 8{1} } ϕ rSub { size 8{1} } } } {} | A 2 ϕ 2 size 12{A rSub { size 8{2} } ϕ rSub { size 8{2} } } {} | ∑ i = 0 2 A i ϕ i size 12{ Sum cSub { size 8{i=0} } cSup { size 8{2} } {A rSub { size 8{i} } ϕ rSub { size 8{i} } } } {} | A 3 ϕ 3 size 12{A rSub { size 8{3} } ϕ rSub { size 8{3} } } {} |
∑
i
=
0
3
A
i
ϕ
i
Có thể bạn quan tâm
0
|
