Cường độ bão là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa cường độ bão

Cường độ bão được hiểu là mức độ mạnh yếu của một cơn bão nhiệt đới, phản ánh thông qua tốc độ gió duy trì, áp suất trung tâm, và phạm vi ảnh hưởng của hệ thống xoáy thuận. Trong khí tượng học, cường độ bão là một đại lượng tổng hợp, biểu thị năng lượng động lực học của bão, đồng thời là cơ sở để phân loại cấp độ và đánh giá thiệt hại tiềm tàng.

Ba chỉ số thường dùng nhất để mô tả cường độ bão gồm: (1) tốc độ gió cực đại duy trì trong 1 hoặc 10 phút, (2) áp suất khí quyển thấp nhất tại tâm bão, và (3) bán kính gió mạnh (34, 50, hoặc 64 knot). Ngoài ra, các yếu tố bổ sung như gió giật, mực nước dâng, và lượng mưa cũng được dùng trong một số mô hình dự báo tác động.

Tùy vào khu vực địa lý, định nghĩa và tiêu chuẩn đo cường độ bão có thể khác nhau. Ví dụ, Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) sử dụng gió trung bình 10 phút, trong khi Trung tâm Bão Quốc gia Hoa Kỳ (NHC) áp dụng chuẩn gió trung bình 1 phút. Điều này dẫn đến sự khác biệt trong phân loại dù cùng một cơn bão.

Tiêu chuẩn phân loại cường độ theo khu vực

Việc phân loại cường độ bão phụ thuộc vào hệ thống thang đo mà từng quốc gia hoặc khu vực áp dụng. Dưới đây là ba thang phân loại chính được sử dụng phổ biến:

• Saffir–Simpson (Hoa Kỳ – NHC): chia bão thành 5 cấp dựa trên tốc độ gió duy trì 1 phút, đo tại độ cao 10m.
• JMA (Nhật Bản): chia thành ba loại: bão nhiệt đới yếu, mạnh và rất mạnh, dựa trên gió duy trì 10 phút.
• VNCHMF (Việt Nam): sử dụng cấp bão theo gió duy trì 10 phút, kết hợp với gió giật cực đại và cảnh báo sóng/lũ.

Bảng so sánh các hệ thống phân loại:

Thang đo	Phân loại	Chỉ số gió	Đơn vị
Saffir–Simpson	Category 1–5	Gió duy trì 1 phút	km/h hoặc knots
JMA	Weak/Strong/Very Strong Typhoon	Gió duy trì 10 phút	m/s
VNCHMF	Cấp 1–15	Gió duy trì 10 phút + gió giật	m/s

Khác biệt về chuẩn đo thời gian gió (1 phút vs. 10 phút) có thể tạo ra chênh lệch khoảng 12–15% khi quy đổi. Do đó, khi so sánh dữ liệu bão quốc tế, cần chú ý hệ quy chiếu chuẩn hóa.

Thang Saffir–Simpson và công thức tính tốc độ gió

Thang Saffir–Simpson được phát triển vào thập niên 1970 nhằm mục đích phân loại mức độ thiệt hại tiềm năng do bão gây ra tại Hoa Kỳ. Thang này sử dụng tốc độ gió cực đại duy trì trong 1 phút tại độ cao tiêu chuẩn 10m để chia thành 5 cấp:

Cấp	Tốc độ gió (km/h)	Mô tả thiệt hại
1	119–153	Hư hại nhẹ tới mái nhà, cây cối nhỏ bị bật gốc
2	154–177	Hư hại vừa phải đến nhà cửa, mất điện cục bộ
3	178–208	Hư hại nghiêm trọng, nguy cơ lũ quét và sập mái
4	209–251	Thiệt hại lớn, mất điện diện rộng, di tản bắt buộc
5	≥252	Thiệt hại thảm khốc, phá hủy hoàn toàn nhà cửa yếu

Công thức chuyển đổi từ đơn vị gió knot sang mét/giây và km/h:

• $v_{ms} = v_{knots} \times 0.5144$
• $v_{kmh} = v_{knots} \times 1.852$

Ví dụ: một cơn bão có gió duy trì 1 phút ở 100 knots tương đương $100 \times 1.852 = 185.2 km/h$, thuộc cấp 3 theo thang Saffir–Simpson.

Vai trò của áp suất trung tâm trong cường độ bão

Áp suất khí quyển tại tâm bão là thông số phản ánh trực tiếp năng lượng tiềm ẩn bên trong hệ thống. Khi áp suất giảm mạnh, độ chênh lệch áp suất giữa tâm và rìa bão tạo ra lực hướng tâm lớn, dẫn đến tốc độ gió gia tăng. Áp suất tâm bão thường dao động từ 950 hPa (bão trung bình) đến dưới 900 hPa (siêu bão).

Các mối quan hệ toán học giữa áp suất và tốc độ gió có thể được mô hình hóa bằng phương trình gió gradient trong điều kiện cân bằng xoáy thuận:

$V = \sqrt{ \frac{1}{\rho} \cdot \frac{dp}{dr} }$

Trong đó:

• $V$: tốc độ gió (m/s)
• $\rho$: mật độ không khí (kg/m³)
• $\frac{dp}{dr}$: độ dốc áp suất theo bán kính

Một số cơn bão mạnh nhất lịch sử có áp suất cực thấp như: bão Tip (1979) – 870 hPa, bão Patricia (2015) – 872 hPa, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa áp suất và sức gió.

Tác động của tốc độ gió và sóng lớn

Tốc độ gió là yếu tố quyết định không chỉ đến cường độ mà còn đến mức độ phá hoại của bão. Gió mạnh tạo ra sóng cao và nước dâng ven bờ – một trong những nguyên nhân chính gây tử vong và thiệt hại nghiêm trọng khi bão đổ bộ. Tác động này đặc biệt rõ rệt ở các vùng ven biển thấp, như các châu thổ và đảo nhỏ.

Chiều cao sóng do gió sinh ra phụ thuộc vào tốc độ gió, thời gian tác động và khoảng không gian trống (fetch). Công thức kinh nghiệm tính chiều cao sóng có nghĩa (significant wave height) như sau:

$H_s = \alpha \cdot \frac{U^2}{g}$

Trong đó:

• $H_s$: chiều cao sóng trung bình (m)
• $U$: tốc độ gió (m/s)
• $g$: gia tốc trọng trường (9.81 m/s²)
• $\alpha$: hệ số phụ thuộc điều kiện môi trường

Ngoài ra, hiện tượng "storm surge" – nước dâng do bão – cũng có mối liên hệ chặt chẽ với cường độ gió. Gió càng mạnh, thời gian tác động càng lâu thì mực nước dâng càng cao. Theo NOAA, nước dâng do bão cấp 5 có thể vượt 5–6 mét ở vùng ven biển nông.

Thay đổi cường độ bão theo thời gian

Cường độ bão không ổn định, mà thay đổi theo không gian và thời gian dưới ảnh hưởng của nhiều yếu tố khí tượng và đại dương học. Các yếu tố chính chi phối biến động cường độ bao gồm:

• Nhiệt độ mặt nước biển (SST)
• Độ đứt gió theo chiều đứng (vertical wind shear)
• Độ ẩm tầng trung và thấp
• Khối lượng mây đối lưu phát triển gần tâm bão

Hiện tượng tăng cường nhanh (Rapid Intensification – RI) là quá trình mà tốc độ gió tăng ≥55 km/h trong vòng 24 giờ. RI thường xảy ra khi bão đi qua vùng biển có SST ≥ 29 °C và độ đứt gió thấp <10 knot. Ví dụ điển hình là bão Haiyan (2013), mạnh lên từ cấp 1 lên cấp 5 trong chưa đầy 36 giờ.

Ngược lại, khi bão tiếp cận đất liền hoặc vùng biển lạnh, ma sát mặt đất, thiếu độ ẩm và tăng đứt gió sẽ khiến cường độ suy giảm nhanh. Hiện tượng này được gọi là "decay" hay "extratropical transition" nếu bão chuyển sang dạng áp thấp ôn đới.

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến cường độ bão

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ giữa hiện tượng nóng lên toàn cầu và sự thay đổi trong xu hướng cường độ bão. Khi nhiệt độ đại dương tăng lên, đặc biệt ở tầng nước bề mặt, năng lượng nhiệt tiềm tàng cung cấp cho hệ thống bão cũng tăng.

Theo báo cáo của IPCC AR6, có bằng chứng chắc chắn rằng số lượng siêu bão (cấp 4–5) đang tăng lên trong 40 năm qua. Mặc dù tổng số cơn bão có thể không thay đổi đáng kể, tỉ lệ các bão có cường độ rất mạnh đang gia tăng.

Biến đổi khí hậu cũng làm tăng nguy cơ bão kéo dài hơn và di chuyển chậm hơn, khiến lượng mưa tích lũy lớn hơn. Bão Harvey (2017) tại Mỹ là ví dụ tiêu biểu, gây mưa hơn 1000 mm trong vài ngày do di chuyển chậm.

Bảng sau tóm tắt tác động của biến đổi khí hậu đến các thông số bão:

Thông số	Xu hướng theo IPCC
Số lượng bão cấp 4–5	Tăng
Lượng mưa trung bình	Tăng
Di chuyển chậm hơn	Có thể xảy ra
Tổng số cơn bão	Không thay đổi rõ rệt

Ứng dụng dữ liệu vệ tinh và mô hình hóa

Để theo dõi và dự báo cường độ bão chính xác, các cơ quan khí tượng sử dụng kết hợp dữ liệu vệ tinh, dữ liệu máy bay thám sát, và mô hình số trị khí tượng. Hình ảnh vệ tinh cung cấp thông tin về cấu trúc mây, nhiệt độ đỉnh mây, và tâm xoáy. Kỹ thuật Dvorak (Dvorak Technique) là một phương pháp ước tính cường độ bão dựa trên cấu trúc và độ đối xứng của mây.

Các mô hình dự báo như HWRF (Hoa Kỳ), ECMWF (Châu Âu), GFS (Mỹ), và ACCESS-TC (Úc) có thể dự báo cả đường đi và cường độ bão từ 3 đến 7 ngày. Độ chính xác của dự báo cường độ hiện vẫn thấp hơn so với dự báo quỹ đạo, do độ nhạy cao với điều kiện vi mô.

Các hướng nghiên cứu mới tập trung vào:

• Trí tuệ nhân tạo và học máy để nhận diện nhanh chu kỳ tăng/giảm cường độ
• Mô hình kết hợp đại dương–khí quyển–vệ tinh (coupled models)
• Phân tích dữ liệu big data từ hàng ngàn ảnh vệ tinh mỗi ngày

Hiện nay, vệ tinh Himawari (Nhật Bản), GOES (Mỹ), và các vệ tinh cực như MetOp và Suomi-NPP đóng vai trò then chốt trong giám sát bão theo thời gian thực.

Tài liệu tham khảo

• National Hurricane Center (NHC). Saffir–Simpson Hurricane Wind Scale
• Japan Meteorological Agency (JMA). Typhoon Information
• IPCC Sixth Assessment Report (AR6). Climate Change 2021: The Physical Science Basis
• NOAA Climate.gov. Climate Change and Hurricanes
• Dvorak, V. F. (1984). Tropical cyclone intensity analysis using satellite data. NOAA Technical Report NESDIS 11.
• World Meteorological Organization (WMO). Tropical Cyclones Programme