Bão được hình thành như thế nào?

Bão có nhiều loại, nhưng ở Việt Nam thì bão chúng ta nhắc đến là bão nhiệt đới. Bão nhiệt đới là một xoáy thuận nhiệt đới được cấu trúc bởi khối khí nóng ẩm với dòng thăng rất mạnh xung quanh mắt bão, tạo hệ thống mây, mưa xoáy vào vùng trung tâm bão. Vùng gió xoáy thuận này có đường kính hàng trăm km và hình thành trên vùng biển nhiệt đới ở bắc bán cầu.
Bão chỉ có thể hình thành khi có đủ 3 điều kiện: Nhiệt, ẩm và động lực để tạo xoáy.



Bão nhiệt đới là các hệ thống bão (tiếng Anh: storm system) quay nhanh đặc trưng bởi một trung tâm có áp suất thấp, gió mạnh và cấu trúc mây dông xoắn ốc tạo ra mưa lớn. Phụ thuộc vào vị trí và cường độ, xoáy thuận nhiệt đới được đề cập đến bằng các tên gọi khác nhau như hurricane hay typhoon (tạm dịch: bão cuồng phong), bão nhiệt đới (tropical storm), bão xoáy (cyclonic storm), áp thấp nhiệt đới (tropical depression), hay đơn giản là xoáy thuận (cyclone).



Xoáy thuận nhiệt đới thường hình thành trên đại dương hay những vùng biển lớn có nhiệt độ nước tương đối ấm. Chúng thu thập năng lượng thông qua sự bay hơi của nước từ bề mặt đại dương, nguồn năng lượng này khác so với xoáy thuận ngoại nhiệt đới, những hệ thống lấy nhiên liệu chủ yếu từ sự tương phản nhiệt độ theo chiều ngang (horizontal temperature contrasts). Những cơn gió xoáy mạnh của xoáy thuận nhiệt đới là kết quả của sự bảo toàn momen động lượng truyền đạt bởi sự tự quay của Trái Đất khi những dòng khí thổi vào bên trong hướng tới trục quay. Do vậy, chúng hiếm khi hình thành trong phạm vi từ vĩ độ 5°B đến 5°N hai bên xích đạo. Xoáy thuận nhiệt đới thường có đường kính trong khoảng từ 100 đến 4000 km.



Nhiệt đới đề cập đến xuất xứ địa lý của xoáy thuận nhiệt đới, khi mà chúng hầu như chỉ hình thành trên những vùng biển nhiệt đới. Xoáy thuận đề cấp đến tính chất gió xoáy tự nhiên của chúng, với gió thổi ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và thuận chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu. Sự đối nghịch trong hoàn lưu này là do điểm khác biệt trong hiệu ứng Coriolis về hướng gió giữa hai bán cầu.

Bên cạnh gió mạnh và mưa, xoáy thuận nhiệt đới còn có khả năng tạo ra lốc xoáy, những đợt sóng lớn, và nước biển dâng gây thiệt hại. Chúng thường suy yếu rất nhanh trên đất liền nơi mà chúng bị chia cắt khỏi nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu. Vì lý do đó, những vùng ven biển đặc biệt dễ bị tổn thương do xoáy thuận nhiệt đới đổ bộ hơn nhiều so với những vùng nội địa, sâu trong đất liền. Tuy nhiên, mưa lớn cũng có thể gây lũ lụt nghiêm trọng trong đất liền, và nước biển dâng có thể tạo ra lũ lụt mở rộng sâu vào bên trong tới 40 km từ đường bờ biển. Mặc dù những tác động của xoáy thuận nhiệt đới đến vùng đông dân cư thường là nghiêm trọng, nhưng chúng cũng có thể làm giảm tình trạng khô hạn. Xoáy thuận nhiệt đới nhiều khi còn mang năng lượng nhiệt ra khỏi vùng nhiệt đới đến những vĩ độ ôn đới, điều này có thể đóng một vai trò quan trọng điều chỉnh khí hậu trong khu vực và toàn cầu.



Trên Trái Đất, xoáy thuận nhiệt đới hoạt động mạnh nhất vào cuối mùa hè, thời điểm mà sự chênh lệch giữa nhiệt độ ở trên cao và nhiệt độ bề mặt nước biển là lớn nhất. Tuy nhiên, mỗi khu vực lại có một hình mẫu mùa bão riêng. Tính trên toàn cầu, tháng 5 là tháng xoáy thuận nhiệt đới ít hoạt động nhất, ngược lại tháng 9 là tháng hoạt động mạnh nhất. Tháng 11 là tháng duy nhất mà toàn bộ các khu vực xoáy thuận nhiệt đới cùng trong giai đoạn hoạt động chính thức.



Sự hình thành
Bão hình thành được phải hội đủ các điều kiện cần thiết như nhiệt độ của nước biển phải cao (tính từ mặt nước đến độ sâu hơn 50 mét ít nhất là trên 26.5 °C): Những nơi có bão biển thường ở trong vùng biển nhiệt đới ở cả hai bán cầu: Bán cầu Bắc và Bán cầu Nam, khí áp của khí quyển phải cực thấp để thu hút năng lượng từ các khu vực áp cao chung quanh và bão phải được duy trì nghĩa là không bị vật cản khi có lực ma sát (như khi đổ bộ vào đất liền). Do đó, bề mặt đại dương hoặc biển nhiệt đới, trong khoảng 10 độ - 30 độ vĩ tuyến Bắc và Nam, ở phía Tây các đại dương, nơi có lực Coriolis mạnh và có hiện tượng các dương lưu nóng duy trì nhiệt độ cao cho bão hình thành. Khu vực tam giác Bermuda (Tam Giác Quỷ) ở miền Tây Đại Tây Dương là một thí dụ điển hình, nơi có nhiều siêu bão cấp hành tinh.


Mây dông lăn (Cumulonimbus arcus) trên bầu trời Enschede, Hà Lan

Sự tăng cường
Năng lượng của bão được tăng cường vì nhiều nguyên nhân: Do các luồng không khí ẩm từ các khu áp cao xung quanh hút vào, hoặc do kết hợp với sóng Đông, nơi có các khu áp thấp nhiệt đới xâm nhập vào áp cao chí tuyến, hoặc mạnh lên khi đi vào vùng có dòng biển nóng... Thường thì năng lượng của bão biển giảm khi đi vào đất liền vì tốc độ của gió giảm đi do ma sát với đất liền.


Bão mạnh do Cơn bão Sanvu ở Hồng Kông. Bão Sanvu là cơn bão thứ nhất đổ vào thành phố đó vào năm 2005.

Quỹ đạo
Tâm bão nhiệt đới thường di chuyển theo quỹ đạo parabol, ở bắc bán cầu, vào giai đoạn mới hình thành, hầu hết các cơn bão đều di chuyển theo hướng tây, sau đó tiếp tục di chuyển theo hướng tây bắc và giai đoạn sau cùng, nếu không bị suy yếu, sẽ di chuyển theo hướng đông bắc. Ở nam bán cầu, ban đầu bão di chuyển về hướng tây, sau chuyển về tây nam, rồi đến hướng đông nam. Nhưng cũng có những cơn bão di chuyển theo quỹ đạo rất phức tạp, nói chung quỹ đạo của bão phụ thuộc vào sự phân bố khí áp bề mặt trong khu vực lân cận.


Bản đồ quỹ đạo của tất cả các xoáy thuận nhiệt đới trên Trái Đất giai đoạn 1945-2006.


Bản đồ thể hiện quỹ đạo của tất cả các xoáy thuận nhiệt đới trên Trái Đất trong giai đoạn 1985-2005. Khu vực Thái Bình Dương phía Tây đường đổi ngày quốc tế chứng kiến nhiều xoáy thuận nhiệt đới hơn bất kỳ khu vực nào khác, trong khi đó vùng Đại Tây Dương phía Nam xích đạo gần như không có xoáy thuận nhiệt đới hoạt động.

Thời gian
Trên khu vực Bắc Đại Tây Dương, mùa bão phân biệt diễn ra từ ngày 1 tháng 6 đến 30 tháng 11, đỉnh điểm là vào cuối tháng 8 đầu tháng 9. Tính trung bình theo thống kê, ngày 10 tháng 9 là thời điểm đạt đỉnh của mùa bão Đại Tây Dương. Vùng Đông Bắc Thái Bình Dương có giai đoạn hoạt động mở rộng hơn, nhưng khung thời gian cũng tương tự như Đại Tây Dương. Khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương chứng kiến xoáy thuận nhiệt đới hoạt động quanh năm, đỉnh điểm vào đầu tháng 9 và tối thiểu là tháng 2. Trên Bắc Ấn Độ Dương, bão thường xuất hiện từ tháng 4 đến tháng 12, đỉnh điểm là tháng 5 và tháng 11. Còn ở Nam Bán cầu, mùa bão thường chính thức bắt đầu từ ngày 1 tháng 11 cho đến hết tháng 4, đỉnh điểm là giữa tháng 2 đầu tháng 3; dù vậy xoáy thuận nhiệt đới có thể xuất hiện quanh năm và thời điểm bắt đầu cho một năm là ngày 1 tháng 7.


Bão Maysak nhìn từ Trạm Vũ trụ Quốc tế. Mắt bão, thành mắt bão, dải mây mưa bao quanh, những nét đặc trưng của một xoáy thuận nhiệt đới, có thể quan sát rõ trong góc nhìn này từ không gian.

Cấu trúc chung
Một cơn bão nhiệt đới trưởng thành bao gồm một hoàn lưu ngang gần đối xứng và một hoàn lưu đứng. Các hoàn lưu này đôi khi được gọi là hoàn lưu sơ cấp và hoàn lưu thứ cấp. Sự kết hợp của 2 hoàn lưu tạo thành một dạng chuyển động xoáy ốc. Không khí hội tụ theo hình xoắn ốc vào khu vực trung tâm của bão ở mực thấp, hầu hết dòng thổi vào bị giới hạn trong lớp biên mỏng có độ dày cỡ 500 m đến 1000 m.
Mắt bão là khu vực trong tâm của bão, nơi không có mây hoặc ít mây, lặng gió, có dòng giáng yếu. Thông thường chỉ có những cơn bão mạnh trường thành mới hình thành mắt bão rõ nét.
Hoàn lưu sơ cấp của xoáy thuận nhiệt đới mạnh nhất ở các mực thấp tại vùng mây thành mắt bão và giảm dần theo cả độ cao và bán kính. Trường nhiệt độ thể hiện một cấu trúc lõi nóng với nhiệt độ lớn nhất ở trong mắt bão do sự giải phóng ẩn nhiệt khi không khí nâng lên trong thành mây mắt bão.
Dòng thổi ra của xoáy thuận nhiệt đới nằm ở nửa trên tầng bình lưu với hoàn lưu xoáy nghịch ở ngoài bán kính vài trăm km.


Bão Nabi nhìn từ Trạm Vũ trụ Quốc tế trong ngày 3 tháng 9 năm 2005.

Cấu trúc vật lý
Xoáy thuận nhiệt đới là một vùng áp suất tương đối thấp trên tầng đối lưu, với sự xáo trộn áp suất lớn nhất diễn ra tại vị trí có độ cao thấp gần bề mặt. Trên Trái Đất, mức áp suất ghi nhận được tại trung tâm của xoáy thuận nhiệt đới là một trong những mức thấp nhất từng quan trắc được tại mực nước biển. Môi trường gần tâm xoáy thuận nhiệt đới là ấm hơn xung quanh tại mọi độ cao, do đó chúng có đặc tính như một hệ thống "lõi ấm".

Trường gió
Trường gió gần bề mặt của xoáy thuận nhiệt đới đặc trưng bởi dòng không khí quay nhanh quanh tâm hoàn lưu đồng thời tỏa tròn vào bên trong. Tuy nhiên, tại rìa phía ngoài của cơn bão, không khí gần như yên tĩnh, do sự tự quay của Trái Đất, không khí có momen động lượng tuyệt đối khác 0. Khi không khí thổi vào trong, chúng bắt đầu chuyển động xoáy (ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu, và theo chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu) để bảo toàn momen động lượng. Đến một khoảng bán kính bên trong, dòng không khí bắt đầu thăng lên đến đỉnh tầng đối lưu. Bán kính này thường trùng khớp với bán kính trong của thành mắt bão, là nơi có gió gần bề mặt mạnh nhất của cơn bão, do đó, nó được biết đến như là bán kính gió tối đa. Khi ở trên cao, dòng khí thổi ra khỏi tâm bão, tạo ra một màn mây ti.

Quá trình đã đề cập trước đó dẫn đến kết quả là trường gió có cấu trúc gần như đối xứng trục: vận tốc gió là thấp ở tâm, tăng lên nhanh chóng khi di chuyển ra phía ngoài đến vùng bán kính gió tối đa, và sau đó ngày một giảm dần khi đi ra vùng có bán kính lớn hơn. Tuy nhiên, trường gió thường thể hiện sự biến thiên theo không gian và thời gian, như là có thể tăng giảm kích thước phụ thuộc vào các yếu tố môi trường xung quanh và bản thân cơn bão. Theo chiều thẳng đứng, gió mạnh nhất là ở gần bề mặt và phân rã tại độ cao trong phạm vi tầng đối lưu.

Mắt và trung tâm
Tại vùng trung tâm của một xoáy thuận nhiệt đới trưởng thành, không khí chìm hơn là thăng lên. Với một cơn bão đủ mạnh, không khí có thể chìm trong một lớp đủ sâu để ngăn chặn sự hình thành mây, bằng cách đó, mắt bão sắc nét được tạo ra. Thời tiết bên trong mắt thường yên bình và không có mây, mặc dù biển có thể động cực kỳ dữ dội. Mắt thường có dạng tròn, và đường kính điển hình là vào khoảng 30 – 65 km, mặc dù đã từng quan sát được những con mắt nhỏ bề rộng chỉ 3 km hay là lớn đến 370 km.

Vùng mây bao quanh rìa của mắt được gọi là thành mắt bão. Thành mắt bão thường mở rộng ra phía ngoài cùng với độ cao, giống như một sân vận động bóng đá; hiện tượng này đôi khi được đề cập đến như là hiệu ứng sân vận động. Thành mắt bão cũng là nơi tìm thấy những cơn gió mạnh nhất, không khí thăng lên với tốc độ nhanh nhất, mây đạt đến độ cao lớn nhất, và sự ngưng tụ - hay lượng ẩm là nhiều nhất. Tổn thất do gió nặng nề nhất xảy ra là khi thành mắt bão của một xoáy thuận nhiệt đới di chuyển qua phía trên đất liền.

Trong những cơn bão yếu hơn, mắt bão có thể bị che khuất bởi một khối mây dày đặc ở trung tâm (central dense overcast - CDO), đó là màn mây ti trên tầng cao kết hợp với vùng mây dông mạnh tập trung gần tâm của xoáy thuận nhiệt đới.

Thành mắt bão có thể biến đổi theo thời gian trong sự hình thành của chu trình thay thế thành mắt bão, hiện tượng này là một phần của những xoáy thuận nhiệt đới cường độ mạnh. Những dải mây mưa phía ngoài có thể tổ chức thành hình dạng tròn như một "chiếc nhẫn" mây dông di chuyển chậm vào phía trong, và chúng được tin rằng đã lấy đi lượng ẩm và momen động lượng của thành mắt bão ban đầu. Khi thành mắt bão đầu tiên suy yếu, xoáy thuận nhiệt đới cũng sẽ suy yếu tạm thời. Cuối cùng thành mắt bão phía ngoài sẽ thay thế cho thành mắt bão trước tại thời điểm cuối của chu trình, và từ đó cơn bão có thể tăng cường trở lại, có thể đạt đến hoặc thậm chí vượt qua cường độ tối đa lúc trước phụ thuộc chủ yếu vào yếu tố điều kiện môi trường.

Nhà khí tượng Erik palmen đã tìm ra rằng bão chỉ có thể hình thành trên biển trong dải vĩ độ 5 - 20 độ vĩ hai bên xích đạo có nhiệt độ cao (từ 26 – 27 độ C trở lên) đảm bảo cung cấp đủ lượng hơi nước khổng lồ bốc hơi mạnh từ mặt biển để cung cấp năng lượng ngưng kết cho bão hình thành và lực coriolis dủ lớn để tạo xoáy, tạo điều kiện thuận lợi cho bão hình thành.

Sở dĩ bão không thể hình thành trong dải 0 – 5 độ vĩ về hai phía của xích đạo vì ở đó lực coriolis quá nhỏ, không đủ để tạo xoáy. Khối không khí trong vùng xoáy có chiều ngang khoảng 200 km, chiều dài khoàng 1000 km, cách mặt đất khoảng 10 - 12 km.

Ngoài bão nhiệt đới, thì trên thế giới còn có các loại bão khác như:
Bão tuyết: là hiện tượng tuyết rơi rất dày kèm theo gió mạnh. Thường xuất hiện ở các nước đới lạnh hoặc đới ôn hòa.
Bão cát: còn gọi là lốc cát, quỷ cát, là hiện tượng cát cuốn lên rất cao, xảy ra vào giữa trưa, ở những vùng sa mạc.
Tố: là hiện tượng gió tăng tốc một cách đột ngột, đi kèm với những cơn dông mạnh
Dông: là loại bão có đi kèm sấm sét, mưa to hoặc thậm chí mưa đá, vòi rồng.
Lốc xoáy
Bão lửa.