Luận văn thạc sĩ " Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:84

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 22
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bão từ lâu đã là nỗi khiếp sợ đối với người dân vùng biển cũng như các ngư dân trên biển, và đặc biệt là các chiến sỹ Hải quân thường xuyên phải hoạt động trên biển vì mức độ nguy hiểm của bão cũng như sức mạnh và qui mô của nó. Mặc dù, bão đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua, nhưng cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết đầy đủ về các cơ chế chuyển động của bão....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF "

Luận văn thạc sỹ Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Tân Tiến, là người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thủ trưởng phòng Bảo đảm hàng hải và các đồng chí trong phòng đã quan tâm động viên và tạo điều kiện về mọi mặt để tôi được học tập và nghiên cứu tại Khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Tôi xin cảm ơn các Thầy, các Cô và các cán bộ trong khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý giá, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi học tập và làm việc tại Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ để tôi có thời gian hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Nguyễn Xuân Yên
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MÔ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO............................................................................. 3 1.1. Bão và dự báo quỹ đạo bão .......................................................................................... 3 1.1.1. Một số khái niệm và đặc trưng cơ bản về bão ........................................................ 3 1.1.2. Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình số ............................................................. 7 1.1.3. Ứng dụng mô hình số dự báo quỹ đạo bão ...........................................................10 1.2. Vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão ............................... 7 CHƯƠNG 2 ..........................................................................................................................22 MÔ HÌNH WRF VÀ ỨNG DỤNG TRONG DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO ..............................29 2.1. Mô hình WRF trong nghiên cứu và dự báo thời tiết.....................................................29 2.1.1. Hệ tọa độ thẳng đứng và các biến thông lượng ....................................................31 2.1.2. Sơ đồ tích phân theo thời gian ..............................................................................32 2.1.3. Tham số hóa vật lý ...............................................................................................32 2.1.4. Lưới lồng .............................................................................................................36 2.2. Áp dụng mô hình WRF trong dự báo quỹ đạo bão ......................................................41 2.2.1. Cấu hình miền tính và nguồn số liệu.....................................................................41 2.2.2. Lựa chọn cấu hình cho WRF để dự báo quỹ đạo bão ............................................42 2.2.3. Hiển thị trường kết quả mô phỏng ........................................................................43 2.2.4. Xác định tâm bão .................................................................................................43 2.2.5. Chỉ tiêu đánh giá..................................................................................................44 CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................................31 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI ĐẾN KẾT QUẢ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG ..................................................................................46 3.1. Phương án thử nghiệm ảnh hưởng của độ phân giải trong mô hình WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão.................................................................................................................46 3.1.1. Tập số liệu nghiên cứu .........................................................................................46 3.1.2. Các trường hợp thử nghiệm .................................................................................47 3.2. Đánh giá ảnhh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão ......................48 3.2.1. Đánh giá trên một số cơn bão điển hình ...............................................................48 3.2.2. Đánh giá các cơn bão mạnh và các cơn bão yếu tại thời điểm dự báo ..................62 3.2.3. Đánh giá các cơn bão theo thời gian hoạt động ...................................................67 3.2.4. Đánh giá trên toàn bộ tập mẫu lựa chọn ..............................................................71 3.3. Sai số hệ thống............................................................................................................74 KẾT LUẬN...........................................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................78
MỞ ĐẦU Bão từ lâu đã là nỗi khiếp sợ đối với người dân vùng biển cũng như các ngư dân trên biển, và đặc biệt là các chiến sỹ Hải quân thường xuyên phải hoạt động trên biển vì mức độ nguy hiểm của bão cũng như sức mạnh và qui mô của nó. Mặc dù, bão đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua, nhưng cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết đầy đủ về các cơ chế chuyển động của bão. Thêm vào đó, dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay thì cường độ bão mạnh và phạm vi ảnh hưởng của bão đều có xu hướng tăng, đặc biệt là các cơn bão có quỹ đạo phức tạp cũng tăng lên gây nhiều khó khăn cho công tác dự báo. Vì thế, dự báo bão nói chung, dự báo quỹ đạo bão nói riêng luôn là đề tài được rất nhiều nhà dự báo và nghiên cứu khí tượng quan tâm. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khí tượng đã có rất nhiều nghiên cứu về bão dựa trên việc quan trắc thực nhiệm, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô hình số và đã có những hiểu biết đầy đủ hơn về bão, dẫn tới những cải thiện đáng kể trong công tác dự báo. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhiều mô hình số khu vực đã được đưa vào nghiên cứu, thử nghiệm dự báo và bước đầu đã thu được một số kết quả nhất định góp phần quan trọng trong công tác dự báo thời tiết, đặc biệt là dự báo bão với độ chính xác được nâng lên rõ rệt. Một số mô hình số hiện đại có hỗ trợ nhiều ‘module’ cho các mục đích như cài xoáy giả, cập nhật số liệu địa phương, đồng hóa số liệu, tăng độ phân giải,… nhằm cải thiện sai số dự báo. WRF là một hệ thống bao gồm nhiều module khác nhau, linh hoạt và tối ưu cho cả mục đích nghiên cứu cũng như chạy nghiệp vụ. Ngoài ra, mô hình còn thường xuyên được cập nhật các phiên bản mới và có mã nguồn mở để người sử dụng, cũng như các nhà nghiên cứu có thể đưa thêm vào mô hình các sơ đồ tham số hóa vật lý khác nhau, điều kiện biên di động, hệ thống đồng hóa số liệu 3DVAR, hệ thống ban đầu hóa xoáy giả, và cấu hình miền lưới lồng ghép. Trong luận văn này, với mục đích khảo sát, đánh giá ảnh hưởng Page 1
của độ phân giải trong mô hình WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông. Tôi đã lựa chọn cài đặt lưới lồng trong mô hình WRF với một miền thô có độ phân giải ngang 27km và một miền lồng nằm bên trong có độ phân giải ngang 9km. Việc tăng độ phân giải của mô hình WRF trong miền lồng với hy vọng mô hình có khả năng mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ mà với độ phân giải thô hơn khó có thể mô phỏng hết được. Nội dung của luận văn gồm các phần: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về bão nhiệt đới và vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão. Trong phần này, tôi trình bày khái quát một số đặc trưng về bão nhiệt đới và nghiên cứu gần đây về dự báo quỹ đạo bão của các mô hình số. Đưa ra một số nghiên cứu tiêu biểu về vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão. Chương 2: Mô hình WRF và áp dụng để dự báo quỹ đạo bão. Trong phần này, tôi trình bày các đặc trưng cơ bản của mô hình WRF. Thiết lập cấu hình lưới lồng để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão, đưa ra các công cụ hỗ trợ xử lý kết quả dự báo của mô hình. Chương 3: Phân tích và đánh giá vai trò của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông. Trong phần này, tôi trình bày các kết quả nghiên cứu thu được, phân tích hình thế synốp của một số cơn bão điển hình, và chỉ ra khả năng dự báo bão của mô hình WRF. So sánh và đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão khi có sử dụng lưới lồng và khi không sử dụng lưới lồng. Kết luận Tài liệu tham khảo Page 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MÔ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 1.1. Bão và dự báo quỹ đạo bão 1.1.1. Một số khái niệm và đặc trưng cơ bản về bão Định nghĩa: Bão ở nhiều nơi trên thế giới cũng có nhiều cách gọi khác nhau: ở vùng châu Á Thái Bình Dương bão được gọi là “Typhoon”; ở vùng Ấn Độ Dương người ta gọi bão là “Cyclone”; ở vùng Đại Tây Dương người ta gọi bão là “Uragan” hay “Hurricane”; ở châu Úc người ta gọi bão là “Villy-Villy”. Tất cả những tên gọi đó được quy tụ lại dưới một tên cơ bản chung là “Tropical Cyclone” – xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ). XTNĐ là một vùng gió xoáy, có đường kính tới hàng trăm ki-lô-mét, hình thành trên vùng biển nhiệt đới, gió thổi xoáy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và theo chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu, áp suất khí quyển (khí áp) trong XTNĐ thấp hơn nhiều so với xung quanh và thường là dưới 1000mb. Chuyển động xoáy vào tâm làm đối lưu phát triển mạnh, gây mưa to trên một khu vực rộng lớn, đôi khi còn kèm theo các hiện tượng thời tiết quy mô nhỏ khác như tố, lốc, vòi rồng. Theo Atkinson : “Bão là xoáy thuận qui mô synốp không có front, phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưu xác định”. Phân loại bão: Tùy theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm mà Tổ chức Khí tượng thế giới quy định phân loại XTNĐ thành: áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression – viết tắt là TD); bão nhiệt đới (Tropical Storm – TS); bão mạnh (Severe Tropical Storm – STS); bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane). Phân loại bão theo cấp gió được cho trong Bảng 1.1. Page 3
Bảng 1.1. Phân loại bão theo cấp gió STT Cấp bão Gió cực đại (m/s) Cấp gió (cấp Beaufort) 1 Áp thấp Nhiệt đới  17 . 1 6-7 2 Bão 17.2-24.4 8-9 3 Bão mạnh 24.5 – 32.6 10-11 4 Bão rất mạnh  32 . 7  12 Đối với bão rất mạnh, có thể phân chia thành 5 cấp theo thang Saffir – Simpson. Tuy nhiên, giữa Hurricane và Typhoon có sự phân chia 5 cấp với tốc độ gió duy trì cực đại hơi khác nhau như trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Thang SaffirSimpson Gió duy trì cực đại Cấp (m/s) Thiệt hại khả năng Hurricane Typhoon Không thiệt hại đáng kể về các công 1 3342 3037 trình. Các thiệt hại chủ yếu đối với tàu bè không neo đậu, cây cối và có thể gây lụt ở gần bờ. Thiệt hại đáng kể đối với tàu bè nhỏ, hoa 2 4349 3843 màu. Lụt lội có thể gây thiệt hại đối với các bến cảng và tàu thuyền không neo đậu chắc chắn. Gây một số thiệt hại đối với các nhà và 3 5058 4451 công trình nhỏ, có thể một số công trình lớn hơn. Lụt gần bờ, có thể gây lụt ở trong đất liền. Các công trình bị thiệt hại nặng nề, ven 4 5969 5261 biển bị xói lở. Có thể gây lụt ở trong đất liền. Nhiều công trình công nghiệp và nhà ở bị phá hủy hoàn toàn. Các công trình nhỏ có thể bị 5 ≥70 ≥62 thổi bay. Lụt lội gây thiệt hại nặng nề đối với các vùng ven bờ và có thể cần di tản dân cư. Page 4
Tất cả những phân loại hệ thống XTNĐ trên đây chủ yếu dựa vào tốc độ gió cực đại, không nêu được bản chất vật lý của quá trình. Mặt khác, những thông tin về gió ở vùng gần tâm bão không phải lúc nào cũng nhận được một cách chính xác. Để có được nhận thức tương đối đầy đủ về bão nhiệt đới cần phải nắm được quy luật hình thành, bản chất về cấu trúc và các đặc trưng của bão. Sự di chuyển của bão Sự di chuyển của bão nhiệt đới là kết quả tương tác phức tạp giữa những tác nhân bên trong và bên ngoài trên quy mô ngang khác nhau. Ảnh hưởng bên trong bao gồm quy mô bão và tương tác phi tuyến giữa hoàn lưu xoáy và môi trường. Tốc độ quay của bão càng lớn thì phạm vi của bão và nội lực của bão càng lớn, bão cũng có khả năng di chuyển theo tác động của nội lực. Có trường hợp bão cắt ngang qua áp cao cận nhiệt, nghĩa là cắt ngang qua dòng dẫn đường và di chuyển về phía cực. Michael Fiorino và Russell L. Elsberry (1988) khi nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc xoáy có liên quan tới sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới, kết quả cho thấy sự di chuyển của xoáy có liên quan với dòng khí nằm giữa khoảng cách 300km và 1000km từ tâm xoáy. Nếu các dòng khí trong vùng này trở nên xoáy hơn thì quỹ đạo xoáy có xu hướng chuyển dịch về phía tây hơn trong bán cầu bắc [21]. Ảnh hưởng bên ngoài quan trọng nhất là dòng dẫn đường. Ở miền nhiệt đới, dòng dẫn đường đối với bão chủ yếu là dòng khí ở rìa phía nam, phía tây và tây bắc của áp cao cận nhiệt. Tuy nhiên, dòng dẫn này thay đổi theo không gian và thời gian. Những biến đổi trong hoàn lưu quy mô lớn và các hệ thống synop gần kề cũng ảnh hưởng tới dòng dẫn. Một vấn đề quan trọng cần giải quyết đầu tiên là xác định mực dòng dẫn đường phù hợp nhất đối với bão. Kết quả nghiên cứu của nhiều chuyên gia đã chỉ ra rằng do trọng tâm của bão nằm ở gần mặt đất nên dòng dẫn đường không thể nằm ở quá cao. Các kết quả tính toán mối tương quan giữa đường đi của bão và dòng dẫn mực 300 mb đều không cho kết quả tốt. Page 5
Theo Car, Elsberry, về mặt định lượng dòng dẫn đường được lấy trung bình trong một số lớp có quan hệ chặt chẽ nhất với chuyển động của bão, mực dòng dẫn đường phụ thuộc vào cường độ bão thông qua tốc độ gió cực đại như bảng dưới đây: Bảng 1.3. Mối quan hệ giữa mực dòng dẫn đường với cường độ bão Cường độ bão Tốc độ gió cực đại Mực dòng dẫn đường (m/s) (mb) Xoáy mực thấp < 12,5 m/s 850 mb Áp thấp nhiệt đới 12,5- 15 m/s 700 mb Bão 17,5- 30 m/s 700 mb Bão mạnh 32,5- 62,5 m/s 500 mb Bão rất mạnh 65- 90 m/s 400 mb Như vậy là bão càng mạnh, mực dòng dẫn đường phù hợp càng nằm ở độ cao lớn hơn. Đối với các cơn bão rất mạnh do không thường xuyên thiết lập bản đồ AT400 nên có thể dùng bản đồ AT500 để xác định mực dòng dẫn đường cho bão. Đường đi của bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương dịch xuống phía nam cùng với dải hội tụ nhiệt đới và dòng dẫn đường ở rìa phía nam của cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương như minh hoạ bằng các quỹ đạo trung bình của bão trên Hình 1.1. Hình 1.1. Quỹ đạo bão trung bình nhiều năm ở Biển Đông và ven biển Việt Nam và vị trí trung bình của dải hội tụ nhiệt đới (Alat khí tượng thuỷ văn Việt Nam, 1994). Page 6
Từ Hình 1.1 ta thấy quỹ đạo ở vị trí nam nhất là vào tháng 5 với tần suất bão rất nhỏ vào thời điểm bắt đầu mùa gió mùa tây nam và hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới. Quỹ đạo trung bình của bão và dải hội tụ nhiệt đới đều liên quan với dòng tín phong phía nam và cực tây của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương nên hai đường này có xu thế trùng nhau, nhất là vào tháng 9 khi bão có tần suất cực đại [7]. Một số khái niệm cơ bản về bão được trình bày ở đây nhằm phục vụ việc phân loại và định hướng khảo sát, đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo bão của mô hình WRF đối với từng loại bão trong chương sau. 1.1.2. Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình số Trước đây, dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới ở hầu hết các trung tâm dự báo trên thế giới đều dựa trên kinh nghiệm dự báo và sự đánh giá hình thế synop của họ. Từ những năm 1990, cùng với sự cải tiến đáng kể kỹ xảo dự báo số, đặc biệt với công nghệ dự báo tổ hợp được xây dựng dựa trên nhiều mô hình động lực đã minh chứng sự tiến bộ đáng kể việc dự báo chủ quan quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới và sai số dự báo đã giảm đáng kể. Theo nghiên cứu của Bangzhong Wang, Yinglong Xu và Baogui Bi (2007) [31] thì đến nay sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới trong 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ tương ứng là 140 km, 250 km, 380 km như được biểu diễn trong Hình 1.2. Hình 1.2. Trung bình sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới tại cơ quan khí tượng Trung Quốc với hạn dự báo 24h, 48h, 72h từ năm 1991 đến năm 2005 (đơn vị km). Page 7
Theo các tài liệu đã công bố trên thế giới thì mức sai số trung bình về dự báo quỹ đạo của một số trung tâm trên thế giới như Bảng 1.4 sau: Bảng 1.4. Sai số dự báo của một số trung tâm dự báo trên Thế giới (nguồn từ JMA ) Sai số vị trí theo thời gian (hải lý) Thời gian Khu vực lấy số liệu 0h 12h 24h 36h 48h 72h 96h 120h thống kê Bắc Đại 7.9 38.8 68 96.4 125.9 186.5 235.7* 310.2* 2000-2004 Tây Dương Đông bắc Thái Bình 9.6 35.4 62.1 86.2 107.6 154.4 210.8* 273.7* 2000-2004 Dương Tây bắc Thái Bình 14 42 72 100 126 182 241* 326* 2000-2004 Dương Bắc Ấn Độ 15 49 78 104 129 192 N/A N/A 2000-2004 Nam bán 14 42 77 107 137 204 N/A N/A 2000-2004 cầu Hiện nay, dự báo quỹ đạo bão gồm các phương pháp chính: Phương pháp synốp, phương pháp thống kê, phương pháp số trị. Ngoài ra, các sản phẩm thu được từ vệ tinh và radar cũng được sử dụng để dự báo quỹ đạo bão. - Phương pháp dự báo synốp: chủ yếu dựa vào việc phân tích các bản đồ hình thế thời tiết, dựa trên khái niệm dòng dẫn đường với giả thiết xoáy bão được đặt vào trường môi trường (dòng nền) và di chuyển với dòng nền này. Phương pháp này cho kết quả dự báo tốt đối với hạn dự báo ngắn 12h-24h, song lại có nhược điểm là mang tính chủ quan, phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của các dự báo viên. - Phương pháp dự báo thống kê: dựa trên mối quan hệ thống kê giữa tốc độ và hướng di chuyển của xoáy bão với các tham số khí tượng khác nhau, người ta đã xây dựng được các phương trình dự báo quỹ đạo bão. Hiện nay, phương pháp này cho kết quả có thể chấp nhận được đối với các cơn bão ở khu vực có tần suất bão tương đối Page 8
cao. - Phương pháp dự báo số trị: là phương pháp dựa trên việc giải các phương trình toán học mô tả trạng thái của khí quyển để đưa ra các yếu tố thời tiết trong khoảng thời gian cần dự báo. Phương pháp này có ưu điểm là cho phép tích phân các phương trình mô tả động lực học khí quyển một cách khách quan, tính được các biến khí tượng một cách định lượng. Các mô hình thủy động lực học được xây dựng từ đơn giản đến phức tạp dựa trên việc tích phân theo thời gian hệ các phương trình thủy động lực học trong môi trường khí quyển và lý thuyết về cấu trúc và chuyển động của bão. Đặc điểm của các mô hình loại này là mô tả đầy đủ các quá trình vật lý tác động đến chuyển động của bão trong quá trình tương tác và phát triển của chúng, song lại đòi hỏi về điều kiện số liệu và phương tiện tính toán. Mặc dù, các mô hình số đã được cải tiến đáng kể nhưng chất lượng dự báo vẫn còn hạn chế. Một trong những nguyên nhân hạn chế xuất phát từ việc các mô hình dự báo khu vực thường sử dụng kết quả phân tích và dự báo của mô hình toàn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Hơn nữa, do mạng lưới quan trắc trên vùng biển nhiệt đới rất thưa thớt và do chính cấu trúc toán lý, cũng như độ phân giải rất thô nên trong các mô hình toàn cầu tâm xoáy bão ban đầu thường bị sai lệch vị trí và có cường độ yếu hơn so với xoáy bão thực tế. Để khắc phục những hạn chế này nhằm nâng cao chất lượng dự báo bão, người ta có thể tập trung vào một số hướng nghiên cứu chính như sau: - Thay đổi các phương pháp tham số hóa vật lý của mô hình nhằm đưa ra những bộ tham số phù hợp nhất. - Cải thiện trường số liệu ban đầu bằng việc sử dụng những mô hình có module đồng hóa số liệu. Trong đó, trường số liệu ban đầu được hiệu chỉnh bởi các số liệu quan trắc từ các số liệu quan trắc bề mặt, số liệu quan trắc thám không vô tuyến, số liệu quan trắc radar và số liệu đo đạc bằng các vệ tinh khí tượng. - Sử dụng phương pháp ban đầu hóa xoáy, tức là thay thế xoáy phân tích không Page 9
chính xác trong trường ban đầu bằng một xoáy nhân tạo mới sao cho có thể mô tả gần đúng nhất với xoáy bão thực về cấu trúc, vị trí và cường độ. - Tăng độ phân giải của mô hình bằng việc sử dụng lưới lồng. Cho đến nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, rất nhiều mô hình số dự báo bão đã được phát triển và đạt được những thành tựu đáng kể trong dự báo quỹ đạo bão như đưa thời hạn dự báo bão và ATNĐ lên tới 72h hoặc 96h [15]. Nhưng do con người vẫn chưa hiểu thấu đáo được những vấn đề liên quan đến hoạt động của bão, vì tính phức tạp của nó, cho nên thời hạn dự báo càng dài thì độ chính xác càng thấp. Hạn dự báo có thể tin cậy được là dự báo hạn ngắn trong vòng 24h đến 48h. 1.1.3. Ứng dụng mô hình số dự báo quỹ đạo bão Trên thế giới, việc xây dựng và phát triển các mô hình dự báo thời tiết nói chung và các mô hình dự báo quỹ đạo bão nói riêng đã và đang được quan tâm nhiều hơn nhằm nâng cao chất lượng dự báo. Cùng với sự phát triển và hỗ trợ của công nghệ thì nhiều mô hình hiện đại được hình thành. Xét về phương pháp xây dựng có thể phân loại các mô hình số thành ba nhóm lớn: các mô hình lọc; các mô hình nước nông; và các mô hình dùng hệ phương trình nguyên thủy đầy đủ. Xét về mục đích ứng dụng cũng có thể phân loại các mô hình số thành ba loại khác nhau: mô hình toàn cầu có độ phân giải không đổi; mô hình toàn cầu có độ phân giải biến đổi và bộ các mô hình; và mô hình khu vực hạn chế lồng ghép vào mô hình toàn cầu. Mỗi loại mô hình đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Ngày nay phần lớn các nước ưa thích sử dụng loại mô hình khu vực hạn chế lồng ghép vào mô hình toàn cầu, trong đó điều kiện ban đầu và điều kiện biên xung quanh biến đổi theo thời gian lấy từ phân tích và sản phẩm dự báo của mô hình toàn cầu. Mô hình chính áp đầu tiên chạy nghiệp vụ dự báo quỹ đạo bão được phát triển trong suốt những thập niên 50 và đầu thập niên 60 (Tracy, 1966). Do giới hạn của máy tính nên các mô hình này đã không thành công với việc chia dự báo môi trường bão Page 10
thành các hoàn lưu xoáy quy mô nhỏ hơn. Vì vậy, sai số dự báo của chúng có xu hướng lớn hơn các mô hình dự báo thống kê có giá trị ở cùng thời điểm. Mô hình chính áp thành công hơn (SANBAR) được phát triển trong những năm cuối thập niên 60 và chạy nghiệp vụ dự báo quỹ đạo bão tại Trung tâm Bão Quốc gia Hoa Kỳ (NHC) ở Miami đến năm 1989. SANBAR được phát triển bởi Sanders và Burpee (1968) dựa trên quan điểm truyền thống là bão nhiệt đới di chuyển theo dòng dẫn. Dòng dẫn ở đây được xác định là trường trung bình lớp sâu (DLM – Deep Layer Mean: được xác định bởi trung bình có trọng số thẳng đứng của các biến khí tượng). Quỹ đạo bão được dự báo bằng cách tích phân phương trình xoáy chính áp sử dụng phân bố độ xoáy và hàm dòng trung bình lớp. Các cơn bão được biểu diễn bởi các xoáy đối xứng nhân tạo và một phân bố hàm dòng phi đối xứng để xác định vận tốc trôi tại tâm bão. Mặc dù, với độ phân giải rất thô (154 km) và số liệu quan trắc khí tượng rất thưa thớt nhưng SANBAR đã đưa ra những dự báo quỹ đạo bão rất tốt so với những mô hình khí hậu và quán tính. Một mô hình chính áp rất thành công sau SANBAR là mô hình phổ lồng của Vic Ooyama (VICBAR, DeMaria và nnk 1992). VICBAR sử dụng biểu diễn spline-B cho tất cả các biến và giải phương trình nước nông trên tọa độ khi sử dụng phép chiếu Mercator. Bốn lưới lồng liên tiếp có độ phân giải lần lượt là: 4.8, 2.4, 1.2 và 0.6 độ kinh vĩ. Số liệu phân tích 800hPa-200hPa của một mô hình phổ toàn cầu của NCEP được sử dụng để tính trung bình lớp cho điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian của VICBAR. Ngoài ra, mô hình còn sử dụng thêm các số liệu từ quan trắc máy bay, ảnh mây vệ tinh và bóng thám không trong quá trình ban đầu hóa. Dựa trên các chỉ thị bão nghiệp vụ, một xoáy đối xứng nhân tạo và một thành phần vận tốc gió hằng số (dựa trên tốc độ di chuyển quan trắc) được xây dựng và kết hợp với phân tích khách quan của mô hình toàn cầu. Năm 1996, VICBAR được phát triển thành phiên bản chạy nghiệp vụ bằng cách thay biểu diễn spline-B bằng biểu diễn dạng chuỗi hàm Page 11
sin trở thành mô hình dự báo quĩ đạo bão LBAR (Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model) (Horsfall và nnk 1997). Gần đây là các mô hình MUDBAR (Fulton, 2001) và WBAR (Weber, 2001). MUDBAR sử dụng phương pháp nhiều lưới thích ứng để cải thiện mạng lưới xung quanh xoáy với mục đích tính toán ít nhất nhưng cho độ chính xác cao nhất. MUDBAR cũng có thể chạy với trạng thái lưới lồng di động có kích thước cố định. WBAR gồm 2 phần chính: (1) ban đầu hóa xoáy nhằm loại bỏ xoáy thiếu chính xác trên trường phân tích toàn cầu và xây dựng xoáy nhân tạo làm đầu vào cho mô hình; (2) mô hình số tích phân hệ phương trình nước nông trên tọa độ địa lý sử dụng các biến trung bình lớp. WBAR đã được thử nghiệm cho 167 trường hợp bão Đại Tây Dương và đã khẳng định được kỹ năng dự báo quỹ đạo bão tương đối tốt. Tuy nhiên, nó cũng thể hiện nhược điểm của mô hình chính áp là sự tăng lên của sai số vị trí khi các hệ thống tà áp phát triển [32]. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính là sự phát triển của những mô hình dùng hệ phương trình nguyên thủy như: mô hình bão GFDL, AVN, NOGAPS của Hoa Kỳ; ECMWF của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu; mô hình UKMET của khí tượng Anh; mô hình GSM của Nhật; TC-LAPS (Davidson và Weber 2000) của Australia và một số mô hình như MM5, HRM, ETA và WRF, ... đã dẫn tới chất lượng dự báo quĩ đạo bão được cải thiện đáng kể. Một nghiên cứu tiêu biểu của Guo và đồng sự (2006) chỉ ra sự thành công của đồng hóa số liệu xoáy giả kết hợp với tác động đến thành phần thống kê sai số nền (BES) là một thành phần quan trọng trong hệ thống đồng hóa số liệu 3DVAR của mô hình WRF. Việc đồng hóa số liệu xoáy giả không chỉ cho những cải thiện đáng kể trong vị trí và cường độ bão mà còn cả với trường phân tích của hoàn lưu synop quy mô lớn khi kết hợp những hiệu chỉnh BES khác nhau với hệ thống đồng hóa này [23]. Để so sánh khả năng dự báo quỹ đạo bão giữa mô hình WRF và MM5, Sujata Page 12
Pattanayak và đồng sự (2008) đã thực hiện nghiên cứu với ba cơn bão đổ bộ vào khu vực vịnh Bengal và vùng biển Ả-Rập bao gồm cơn bão Mala (2006), Gonu (2007) và Sidr (2007). Cả hai mô hình đã được tính toán với 15 điều kiện ban đầu khác nhau đối với các trường gió, áp và lượng mưa. Kết quả nghiên cứu cho thấy WRF cho dự báo tốt hơn mô hình MM5 khi so sánh với kết quả được cung cấp bởi Trung tâm khí tượng Ấn Độ [26]. Ngoài ra, dự báo tổ hợp cũng được một số tác giả nghiên cứu trong những năm gần đây. Harry C. Weber (2004), lựa chọn dự báo tổ hợp để hỗ trợ nghiệp vụ dự báo vị trí xoáy thuận nhiệt đới. Phương pháp này dựa trên sự phân tích quá trình thực thi của các mô hình số trong suốt một giai đoạn chuẩn bị. Trong giai đoạn dự báo, các kết quả phân tích ở giai đoạn trước đó được sử dụng để cung cấp xác suất dự báo vị trí bão cho tất cả thời điểm tới 120 giờ. Thử nghiệm được tiến hành cho năm 2001 và 2002 với giai đoạn dự báo chuẩn bị tương ứng là năm 2000 và 2001. Kết quả cho thấy sai số vị trí trung bình và độ lệch chuẩn tương ứng là thấp hơn hầu hết các mô hình thống kê và động lực dùng để dự báo nghiệp vụ [33]. Ở Việt Nam, việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các mô hình số đã được bắt đầu từ những năm 70 của thế kỷ trước. Song vì nhiều lý do khác nhau mà chủ yếu là sự hạn chế của phương tiện tính toán, cho đến những năm gần đây các mô hình số mới thực sự được nghiên cứu ứng dụng một cách hiệu quả. Trịnh Văn Thư và Kinsnamurti (1992) đã nghiên cứu ban đầu hóa xoáy bão cho một mô hình nước nông một mực để dự bão quỹ đạo hai cơn bão Betty (1987) và Dan (1989) trên khu vực biển Đông. Tuy nhiên, vì nhiều lý do khách quan về phương tiện tính toán nên mô hình không được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam. Ngoài ra, mô hình nước nông 3 lớp Dengler cũng được một số tác giả nghiên cứu và cho thấy nó có khả năng dự báo quỹ đạo bão khu vực biển Đông (Lê Công Thành và Kiều Thị Xin, 2003) [1]. TS. Nguyễn Thị Minh Phương (2007), sử dụng mô hình chính áp có sơ đồ xoáy cải tiến (viết tắt là BARO_PH) dự báo các cơn bão hoạt động trên biển Đông và có Page 13
cường độ cấp tropical storm trở lên (cấp gió 17m/s trở lên). Mô hình được lựa chọn là mô hình lưới lồng gồm hai lưới có độ phân giải tương ứng là 1.25x1.25 độ và 0.25x0.25 độ, với sơ đồ ban đầu hóa xoáy được xây dựng dựa trên lý thuyết phân tích của Smith và Ulrich. Khi áp dụng sơ đồ ban đầu hóa, tác giả tiến hành một số cải tiến: lựa chọn “bán kính hiệu chỉnh lớn nhất” RNMAX bằng bốn lần bán kính của vùng gió 30kts của bão tại thời điểm xuất phát dự báo thay cho đặt tham số này cố định bằng 200km; hiệu chỉnh công thức tính thành phần xoáy bất đối xứng nhằm khắc phục thiên hướng lệch bắc trong các dự báo quỹ đạo bão. Kết quả dự báo được so sánh với kết quả dự báo của một số trung tâm dự báo bão khác và cho thấy sai số trung bình của các dự báo 24 giờ và 48 giờ của mô hình BARO_PH là các giá trị tương đối khả quan và tốt hơn các giá trị tương ứng của mô hình TCLAPS. Đồng thời tác giả khẳng định tính ổn định của mô hình đối với các trường hợp bão có các dạng quỹ đạo phức tạp, rất khác nhau như các cơn bão năm 2005 [9]. Một trong những mô hình đã được nghiên cứu ứng dụng và được nhiều tác giả trong nước quan tâm là mô hình WBAR. Phan Văn Tân và cộng sự, (2002) [10] sau khi thực hiện kỹ thuật phân tích xoáy tạo trường ban đầu cho mô hình chính áp WBAR thì trường ban đầu hóa đã thể hiện một cách rõ nét hơn cấu trúc của xoáy và trường nền so với trường phân tích toàn cầu. Việc xác định chính xác trường môi trường là rất quan trọng, vì nó quyết định vai trò của dòng dẫn đường trong mô hình dự báo. Đồng thời, tác giả cho rằng mô hình này có khả năng dự báo quỹ đạo bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông. Mô hình này cũng đã được nhiều tác giả trong nước nghiên cứu cải tiến, như Bùi Hoàng Hải và Phan Văn Tân (2002), Võ Văn Hòa (2004), Nguyễn Thị Minh Phương (2003). Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân (2002), đã khảo sát ảnh hưởng của quá trình ban đầu hóa tới quỹ đạo dự báo bằng việc chạy mô hình dự báo WBAR ứng với 9 trường hợp ban đầu hóa cho 3 cơn bão Durian (2001), Kajiki (2001), Wukong (2000). Kết quả cho thấy việc xây dựng trường ban đầu bằng các phương pháp khác nhau có ảnh hưởng Page 14
rõ rệt đến quỹ đạo dự báo. Mặc dù số các cơn bão được chọn thử nghiệm còn ít, song đánh giá chung mà tác giả đưa ra là việc loại bỏ những nhiễu động trong trường FES (thành phần môi trường có quy mô nhỏ hơn hoặc bằng xoáy bão) đã góp phần làm giảm sai số vị trí của quỹ đạo dự báo. Tuy nhiên, không thể sử dụng một phương pháp ban đầu hóa duy nhất cho tất cả các trường hợp dự báo mà cần phải căn cứ vào đặc điểm, tính chất và vị trí của bão. Đối với những cơn bão mạnh, xa bờ thì trong quá trình ban đầu hóa cần thiết loại bỏ thành phần phi đối xứng phân tích và những nhiễu động quy mô nhỏ trong trường FES. Còn với những cơn bão yếu, di chuyển sát bờ thì thành phần phi đối xứng phân tích nên được duy trì trong trường ban đầu hóa [2]. Phan Văn Tân, Kiều Thị Xin, Nguyễn Văn Sáng, (2002), sử dụng mô hình chính áp WBAR để dự báo quỹ đạo bão trong 3 trường hợp: Trường độ dày trung bình lớp DLM (Deep Layer Mean) theo các mực 850, 700, 500, 300, 200mb; Trường mực đơn 700mb; và Trường mực đơn 500mb. Và 4 cơn bão được lựa chọn là cơn bão Wukong (2000), Saomai (2000), Jelewat (2000) và Durian (2001). Kết quả cho thấy, trong đa số trường hợp dự báo theo trường độ dày trung bình lớp (DLM) tốt hơn nhiều so với khi sử dụng trường mực đơn (700mb và 500mb). Tuy nhiên, cũng có những trường hợp ngược lại. Sai số dự báo quỹ đạo là tương đối nhỏ nên có thể là một nguồn thông tin bổ sung cho các dự báo viên trong nghiệp vụ dự báo quỹ đạo bão. Để có thể đưa vào chạy nghiệp vụ cần phải có những nghiên cứu sâu hơn, cần thử nghiệm mô hình trên nhiều trường hợp khác nhau như nguồn gốc phát sinh bão, khu vực hoạt động (nhân tố vĩ độ địa lý), cường độ bão, dạng quỹ đạo của bão,… trên cơ sở đó xác định các tùy chọn cho mô hình một cách hợp lý [14]. Ngoài các mô hình chính áp, một số mô hình ba chiều đầy đủ cũng được các tác giả nghiên cứu khả năng dự báo quỹ đạo bão. Mô hình đầu tiên cần được nhắc đến là mô hình khu vực phân giải cao HRM, hiện đang được chạy nghiệp vụ tại Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung ương. Sản phẩm dự báo của HRM được dùng như một nguồn thông tin tham khảo chính cho các bản tin dự báo, trong đó có thông tin dự báo Page 15
đường đi của bão. Kiều Thị Xin và cộng sự (2000,2001), lựa chọn mô hình HRM với độ phân giải ngang là 28km, độ phân giải đứng từ mặt đất đến độ cao 50 mb được chia không đồng đều thành 20 mực thẳng đứng, với 8 mực trong độ dày lớp biên khí quyển trong khi tầng bình lưu chỉ bao gồm 4 mực. Kết quả thử nghiệm cho thấy, dự báo tâm bão bằng HRM hoàn toàn so sánh được với dự báo số hiện đại của Mỹ và Úc, tốt hơn so với một số mô hình phân giải thô hơn của Mỹ. Về trung bình dự báo 48 giờ là khá tốt và tốc độ tăng sai số theo thời gian chậm hơn nhiều so với các mô hình khác. So với mô hình dự báo nghiệp vụ bão TCLAPS của Úc thì dự báo quỹ đạo là tương đương nhưng cường độ có xu hướng tốt hơn. HRM phản ánh khá tốt cơ chế của những quá trình quy mô vừa, nghĩa là phản ánh được một phần quan trọng của tính phi tuyến của diễn biến thời tiết. Do đó, HRM có khả năng kéo dài hạn dự báo lên đến 72 giờ [19]. Những nghiên cứu của Lê Công Thành (2004) cho thấy HRM có kỹ năng dự báo cao hơn các mô hình WBAR và Dengler và có thể nắm bắt được những trường hợp bão có quỹ đạo phức tạp mà các mô hình chính áp không nắm bắt được [16]. Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải (2008), sử dụng HRM_TC nghiên cứu thử nghiệm độ nhạy của các tham số trong sơ đồ ban đầu hóa xoáy để dự báo sự chuyển động bóo khu vực biển Đông. Những kết quả nhận được từ 13 phương án của 4 nhóm thí nghiệm thực hiện trên 11 trường hợp bóo thời kỳ 2003-2006 đó cho phộp lựa chọn được bộ tham số thích hợp nhất cho sơ đồ ban đầu hóa xoáy của mô hỡnh. Với bộ tham số này, HRM_TC đó được chạy dự báo độc lập trên 20 trường hợp bóo khỏc nhau trong cựng thời kỳ núi trờn, với hạn dự bỏo 48h. Kết quả cho thấy, HRM_TC đó cải thiện đáng kể độ chính xác của quỹ đạo bóo dự bỏo. So với trường hợp không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, HRM_TC đó làm giảm sai số vị trớ trung bỡnh (khoảng 40km), sai số tốc độ (gần 40 km) và sai số về hướng di chuyển của bóo dự bỏo (gần 10 km). Tuy nhiờn, bóo dự bỏo của HRM_TC vẫn cú xu hướng di chuyển nhanh hơn và lệch phải so với thực tế. Mặc dù vậy, HRM_TC vẫn có thể được đưa vào áp dụng thử nghiệm dự báo nghiệp vụ [13]. Page 16
Mô hình qui mô vừa MM5 cũng được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu khả năng dự báo quỹ đạo bão. Hoàng Đức Cường (2004) trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ về khả năng áp dụng mô hình MM5 cho dự báo hạn ngắn ở Việt Nam đã có nhận định là “khi trong miền tính có sự hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới nhất thiết phải sử dụng chức năng cài xoáy của mô hình” và cần có những nghiên cứu chuyên sâu về các sơ đồ ban đầu hóa xoáy để áp dụng vào dự báo quỹ đạo bão. Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải (2004), thực hiện ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mô hình MM5 để dự báo quỹ đạo bão và đưa ra một số kết luận rất đáng chú ý [12]. Đặng Thị Hồng Nga và cộng sự (2006) đã nghiên cứu áp dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy của TC-LAPS vào mô hình MM5 và đạt được những kết quả khả quan [8]. Mô hình khu vực hạn chế ETA do trường Đại học Belgrade và Viện Khí tượng Thủy văn Federal-Belgrade (thuộc Nam Tư) cùng với Cơ quan thời tiết Hoa Kỳ xây dựng, mô hình liên tục được thay đổi thông qua các hội thảo hàng năm của các chuyên gia về mô hình trên thế giới đang sử dụng ETA. Mô hình ETA hiện nay được Trung tâm Quốc gia Dự báo Hoa Kỳ NCEP cải tiến trở thành một trong các mô hình số trị chạy nghiệp vụ dự báo ngắn hạn tại Hoa Kỳ. Trên thế giới có nhiều nước sử dụng mô hình này như Nam Tư, Hy Lạp, Rumani, Nam Phi, ấn Độ, Italy và các nước Nam Mỹ. Ở nước ta, Trần Tân Tiến và nnk (2004) cũng đã nghiên cứu thử nghiệm mô hình ETA không thủy tĩnh vào dự báo một số hiện tượng thời tiết ở Việt Nam, trong đó có dự báo quỹ đạo bão. Mô hình ETA có khả năng ứng dụng trong dự báo nghiệp vụ ở Việt Nam. Mô hình có thể dự báo được quỹ đạo bão và có thể cho kết quả khả quan [17]. Đến năm 2008, GS.TS Trần Tân Tiến (ĐH Khoa Học Tự Nhiên-ĐH Quốc Gia Hà Nội) và cộng sự đã sử dụng các mô hình như WBAR, HRM, ETA, WRF, RAMS để dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông và kết quả bước đầu cho thấy được mô hình HRM cho kết quả dự báo tốt nhất và sai số lớn nhất thuộc về WBAR. Mô hình ETA cũng đã được dùng cho dự báo nghiệp vụ ở Trung tâm dự báo quốc gia hiện nay. Page 17