Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá vai trò ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên Biển Đông

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:67

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn được cấu trúc với 3 chương chính bao gồm: Chương 1 - Tổng quan về ban đầu hóa xoáy, Chương 2 - Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF, số liệu và phương pháp đánh giá, Chương 3 - Kết quả đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo bão trên Biển Đông bằng mô hình HWRF.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Đánh giá vai trò ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên Biển Đông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HOAN ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ HOAN ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC CƯỜNG Hà Nội - 2013
LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy hướng dẫn của tôi - TS.Hoàng Đức Cường vì những chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi hoàn thành luận văn. Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, các thầy cô giáo trong Khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải Dương học nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung đã chỉ dạy những bài học quý báu cho tôi trong chuyên môn và cuộc sống. Tôi vô cùng cảm ơn những công lao to lớn đó. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện tốt cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường. Tôi cũng xin cảm ơn những đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu khí tượng - khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn đặc biệt là TS. Nguyễn Văn Hiệp, Ths. Trương Bá Kiên, CN. Lưu Nhật Linh, CN. Nguyễn Thị Xuân về những giúp đỡ, góp ý và thảo luận quý báu về kĩ thuật cũng như chuyên môn giúp tôi có thể hoàn thiện được luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu khí tượng - khí hậu, đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình công tác. Cuối cùng tôi xin cảm ơn bố mẹ cùng những người thân trong gia đình tôi đã luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Hà Nội, tháng 12 năm 2013 Học viên cao học Nguyễn Thị Hoan
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................1 DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................3 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .................................................................................4 MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………… 5 Chương 1.TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY .................................................6 1.1.Khái niệm ban đầu hóa xoáy .....................................................................................6 1.1.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình .................................6 1.1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm.................................12 1.1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu ..................................15 1.2.Tổng quan các nghiên cứu trong nước ....................................................................16 Chương 2. BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ......................................................................................19 2.1. Sơ lược về mô hình HWRF ....................................................................................19 2.2. Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF ...............................................................20 2.2.1. Phân tích xoáy nhằm loại bỏ xoáy thô từ phân tích toàn cầu trong HWRF ....22 2.2.2.Xoáy giả tạo ra trong mô hình HWRF đối với trường hợp bão yếu .................22 2.2.3. Hiệu chỉnh xoáy bão trước 6 giờ dự báo ........................................................23 2.3. Thiết kế thí nghiệm .................................................................................................34 2.3.1. Miền tính ..........................................................................................................34 2.3.2. Số liệu sử dụng .................................................................................................36 2.4. Các chỉ tiêu đánh giá ..............................................................................................37 Chương 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF ................................39 3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana.....................................................................39 3.1.1. Thông tin về cơn bão Ketsana(2009) ...............................................................39 3.1.2. Thiết kế thí nghiệm ...........................................................................................41 3.1.3. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana ..........................................................41 3.2. Thử nghiệm cho mùa bão 2009 ..............................................................................52 3.2.1. Thiết kế thí nghiệm ...........................................................................................52 3.2.2. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông......52 3.2.3. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cường độ bão trên Biển Đông ...54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................60 KẾT LUẬN ................................................................................................................60 KIẾN NGHỊ ...............................................................................................................60 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................61
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường nền quy mô lớn nhận được sau phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd - hav, nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). ........................................................................7 Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E theo bán kính r, Nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). ....................................................9 Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF...............................................................................19 Hình 2.2. Ví dụ miền tính trong mô hình HWRF..........................................................20 Hình 2.3. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF ............................................22 Hình 2.4. Biểu diễn bán kính gió cực đại và bán kính đường đẳng áp khép kín ngoài cùng của quan trắc và dự báo ........................................................................................23 Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA tại thời điểm 2009092712 ..............................................................................................35 Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn: http://agora.ex.nii.ac.jp .................39 Hình 3.2. Cường độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn: http://agora.ex.nii.ac.jp ..................................................................................................39 Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z 28/09/2009, (c)-12Z 29/09/2009 và (d)-18Z 29/09/2009; Nguồn: http://joelandchoom.net/maparchives2013.html ...........................................................40 Hình 3.4. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thường nhiệt độ bão nhiệt đới quan trắc (Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968). .................................42 Hình 3.5. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a1)-coldstart+03H và (a2)-nobogus+03H; (b1)-coldstart +06H và (b2)-nobogus+ 06H; (c1)-coldstart+12H và (c2)-nobogus+ 12H ..................43 Hình 3.6. Mặt cắt trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus ..........................................................................................44 Hình 3.7. Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a1)-coldstart+06H và (a2)-nobogus+06H; (b1)-coldstart +12H và (b2)- nobogus+ 12H; (c1)-coldstart+18H và (c2)-nobogus+ 18H; (d1)-coldstart+24H và (d2)-nobogus+ 24H .......................................................................................................45 Hình 3.8. Mặt cắt trường gió mực 10m qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a)-00H; (b)-06H; (c)-12H; (d)-18H; (e)-24H .............................................47 Hình 3.9. Quường hợp có và không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy.09/2009 cơn bão Ketsana đối với chạy ại tốt hơn so với không ban đầu hóa xoáy ở thời điểm ban đầu và s..48 Hình 3.10. Sai số khoảng cách PE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009..............................................................................................................48 1
Hình 3.11. Sai số khoảng dọc ATE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009..............................................................................................................49 Hình 3.12. Sai số khoảng ngang CTE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009..............................................................................................................49 Hình 3.13. Sai số áp suất cực tiểu dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus ...................................................50 Hình 3.14. Sai số tốc độ gió cực đại dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus ...........................................51 Hình 3.15. Trung bình sai số khoảng cách (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus ...........................................................................53 Hình 3.16. Trung bình sai số dọc (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .............................................................................................53 Hình 3.17. Trung bình sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .............................................................................................54 Hình 3.18. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .....................................55 Hình 3.19. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus ..........................................................56 Hình 3.20. Đường biểu diễn biến đổi áp suất cực tiểu tại tâm bão theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF-coldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (hpa) ......................58 Hình 3.21. Đường biểu diễn biến đổi gió cực đại theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF- coldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (m/s) ...............................................59 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các tham mô hình HWRF sử dụng trong các thử nghiệm ............................34 Bảng 2.2. Các trường hợp bão được khảo sát ...............................................................35 Bảng 3.1. Bán kính gió cực đại bão Ketsana 12Z 27/09/2009 sau các bước thời gian tích phân từ 6 giờ đến 24 giờ .........................................................................................47 Bảng 3.2. Sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 .................................................................49 Bảng 3.3. Sai số áp suất cực tiểu (hpa) và sai số vận tốc gió cực đại (m/s) dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus .........51 Bảng 3.4. Trung bình sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .....................................52 Bảng 3.5. Trung bình sai số tuyệt đối áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus ......................................................................................................55 Bảng 3.6. Trung bình sai số áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus .....................................................................................................................56 3
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 3DVAR 3 –Dimensional VARiation Data Assimilation (Sơ đồ đồng hóa số liệu biến phân 3 chiều) 4DVAR 4 –Dimensional VARiation Data Assimilation (Sơ đồ đồng hóa số liệu biến phân 4 chiều) ARW Advanced Research WRF model (Mô hình HWRF phiên bản nghiên cứu nâng cao) ATE Along Track Error (Sai số dọc) CTE Cross Track Error (Sai số ngang) GFDL Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động lực học chất lưu địa-vật lý) GFS Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu) HWRF Hurricane Weather Research and Forecasting model (Mô hình nghiên cứu và dự báo bão) MATE Mean Along Track Error (Trung bình sai số dọc) MCTE Mean Cross Track Error (Trung bình sai số ngang) MM5 Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5) NCAR The NationalCenter for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia, Mỹ) NCEP National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo môi trường quốc gia, Mỹ) NMM Nonhydrostatic Mesoscale Model (Mô hình phi thủy tĩnh quy mô vừa) NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration(Cơ quan quản lý khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ) POM Princeton Ocean Model (Mô hình đại dương Princeton ) WRF Weather Research and Forecasting model (Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết) 4
MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, dự báo bão bằng mô hình số trị đã được ứng dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam, thành quả này có được một phần nhờ sự phát triển vượt bậc về công nghệ máy tính. Để thực hiện dự báo với độ phân giải cao hơn trong điều kiện hạn chế về năng lực tính toán, sử dụng mô hình khu vực là một giải pháp. Các mô hình khu vực hạn chế dùng số liệu điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian từ mô hình toàn cầu. Do vậy dù ban đầu hóa với độ phân giải cao hơn, chất lượng và cấu trúc xoáy bão trong điều kiện ban đầu vẫn chứa các sai số từ mô hình toàn cầu. Một điều kiện ban đầu không tốt có thể dẫn đến sai số lớn trong quá trình dự báo quỹ đạo và cường độ bão. Vì vậy, để cải thiện điều kiện ban đầu cho mô hình dự báo bão đặc biệt khu vực gần tâm bão, người ta thực hiện ban đầu hóa xoáy. Ban đầu hóa xoáy là bài toán được xây dựng với mục đích tái tạo một xoáy bão có cấu trúc và cường độ gần với xoáy bão thực, có vị trí tại xoáy bão quan trắc. Các bước của ban đầu hóa xoáy bao gồm: loại bỏ xoáy từ trường phân tích toàn cầu; xây dựng xoáy xoáy giả; và cài xoáy giả vào trường ban đầu của mô hình (B.Mathur, 1991; Iwasaki T, 1987; Kurihara, 1993). Nước ta hàng năm phải gánh chịu những thiệt hại không nhỏ do bão hoạt động trên Biển Đông.Trong quá trình tồn tại, phát triển và di chuyển, quỹ đạo bão trên Biển Đông biến đổi khá phức tạp. Do vậy, dự báo tốt hoạt động của bão trên Biển Đông trước hết góp phần đảm bảo an toàn cho ngư dân, cho người dân sống ở khu vực ven biển, giảm thiểu số người chết và mất tíchvà giảm thiệt hại to lớn về kinh tế do bão gây ra. Luận văn này thực hiện khảo sát và đánh giá vai trò của sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) - mô hình dự báo cường độ và quỹ đạo bão nghiệp vụ tại Hoa Kỳ từ năm 2007 (Sundararaman Gopalakrishnan, 2012) qua mô phỏng các cơn bão trong mùa bão 2009 trên Biển Đông. Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn được cấu trúc với 3 chương chính bao gồm: Chương 1: Tổng quan về ban đầu hóa xoáy Chương 2: Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF, số liệu và phương pháp đánh giá Chương 3: Kết quả đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo bão trên Biển Đông bằng mô hình HWRF 5
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY 1.1. Khái niệm ban đầu hóa xoáy Ban đầu hóa xoáy là bài toán được đặt ra để nâng cao chất lượng điều kiện ban đầu của mô hình dự báo bão. Cho đến nay, ban đầu hóa xoáy không còn là bài toán xa lạ trong các nghiên cứu ở Việt Nam cũng như trên thế giới, tuy nhiên đây vẫn là một bài toán lớn với nhiều thách thức và thu hút nhiều nhà nghiên cứu. Bản chất của ban đầu hóa xoáy là xây dựng môt xoáy giả có cấu trúc gần với xoáy thực bằng cách bổ sung thông tin chỉ thị về cơn bão như vị trí tâm quan trắc, tốc độ gió cực đại, thông tin kích thước bão,… Xoáy giả này có cấu trúc, cường độ gần với thực hơn. Theo Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen (2011), kĩ thuật ban đầu hóa xoáy có thể chia làm ba nhóm bao gồm: (1) xây dựng xoáy giả bằng hàm thực nghiệm; (2) xây dựng xoáy giảbằng tích phân mô hình và (3) xây dựng xoáy bằng phương pháp đồng hóa số liệu 3 và 4 chiều với số liệu quan trắc kết hợp với số liệu quan trắc giả (Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen, 2011). Trên cơ sở này, phần tổng quan về ban đầu hóa xoáy trong luận văn sẽ được trình bày theo các cách thực thực hiện ban đầu hóa xoáy như vậy. 1.1.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề ban đầu hóa xoáy bằng mô hình số trị. Trong đó, công trình của Kurihara và cộng sự (1993) là một công trình điển hình và đáng chú ý về ban đầu hóa xoáy bằng cách tích phân mô hình. Các tác giả đã tích phân mô hình dự báo bão GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) phiên bản đối xứng để tạo ra thành phần đối xứng của xoáy giả. Trong đó, thành phần xoáy đối xứng được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục (Kurihara và cộng sự 1990, 1993) và xoáy giả cần phải thỏa mãn 3 điều kiện là có cấu trúc đồng nhất và tương tự với xoáy bão thật, cộng thêm khả năng tương thích với mô hình (Kurihara và cộng sự, 1993). Để thực hiện tách bỏ xoáy yếu, nghèo thông tin, sai vị trí, giả thiết được đặt ra rằng phần giá trị của trường bất kỳ gây ra bởi xoáy là giá trị lệch của trường phân tích (chứa xoáy) so với trường môi trường không có xoáy. Xoáy được tách ra khỏi trường phân tích nhờ sử dụng một phương pháp lọc thích hợp. Phương pháp lọc được chọn sao cho trường môi trường thu được chứa trong nó ít nhất các đặc điểm của trường xoáy. Sau khi tách xoáy yếu, thực hiện xây dựng xoáy nhân tạo. Để phù hợp với cấu 6
trúc xoáy trong thực tế, xoáy nhân tạo phải gồm hai thành phần: thành phần đối xứng và thành phần phi đối xứng, các thành phần này được tạo ra nhờ sự kết hợp dữ liệu trong tập số liệu chỉ thị của bão và các thông tin của xoáy yếu tách được từ trường phân tích. Để đảm bảo quy luật động lực, xoáy nhân tạo được thực hiện thích ứng giữa trường gió và trường độ cao, thực hiện đồng hoá số liệu để hòa hợp giữa các trường động và nhiệt lực cũng như hoà hợp xoáy với trường môi trường. Cuối cùng cài xoáy nhân tạo thu được vào vị trí chính xác của xoáy thực, thu được trường ban đầu của mô hình. Sơ đồ của quá trình tạo xoáy giả có dạng như sau theo nghiên cứu của Kurrihara và cộng sự (Kurihara và cộng sự, 1993). Trong suốt quá trình tích phân, gió tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của quá trình tích phân, thời điểm này thường được lựa chọn là khoảng sau 60h. Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β- β effect và xoắn β- β gyre) được tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng (Ross, 1992). Sau đó thành phần gió phi đối xứng này được xây dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phương vị của sóng số 1 và sóng số 2. Sau khi các trường gió được xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối xứng và phi đối xứng thì các biến khác được điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc của trường gió. Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường 7
nền quy mô lớn nhận được sau phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd - hav, nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). Khi đã có được trường gió, thì áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị được ước tính bằng cách sử dụng phương trình phân kì. Nhiệt độ sau đó được tính toán từ một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh (Kurihara và cộng sự, 1993). Theo sơ đồ này, một trường h vô hướng bất kì sẽ tách ra thành hai phần là trường nền hay trường môi trường quy mô lớn hB và trường nhiễu động hD. Tiếp đến, trường nhiễu động hD được tách ra thành hai phần nhiễu động gây ra do xoáy hav và nhiễu động phi xoáy, hay trường mô trường quy mô nhỏ (hD – hav). Tổng của trường môi trường quy mô lớn và trường môi trường quy mô nhỏ là trường môi trường hE. Trường nền được tách ra bằng phép lặp thông qua hàm làm trơn trên lưới kinh vĩ. Trước tiên, trường h được làm trơn theo chiều vĩ hướng bằng công thức: h λ ,ϕ = hλ ,ϕ + K ( hλ −1,ϕ + hλ +1,ϕ − 2hλ ,ϕ ) (1.1) Trong đó: h là trường cần được làm trơn, λ, ϕ lần lượt là kinh độ, vĩ độ. K là tham số lọc có dạng như sau: 1 2π K= (1 − cos ) −1 (1.2) 2 m Với m là tham số sẽ mang các giá trị khác nhau tương ứng với các bước lặp khác nhau, để áp dụng cho việc làm trơn trường theo công thức (1.1), m lần lượt nhận đúng các giá trị là: 2, 3, 4, 2, 5, 6, 7, 2, 8, 9. Sau khi đã làm trơn và thu được trường h λ ,ϕ . Tiếp theo, trường này được làm trơn theo chiều kinh hướng để xác định trường nền h Bλ ,ϕ : hBλ ,ϕ = h λ ,ϕ + K ( h λ ,ϕ −1 + h λ ,ϕ +1 − 2h λ ,ϕ ) (1.3) Như đã trình bày ở trên Hình 1.1: trường nhiễu động hD được xác định là hiệu của trường ban đầu h và trường nền hB. Xoáy phân tích được tách ra khỏi hD thông qua phép lọc trên hệ tọa độ cực (r,θ) với gốc tọa độ tại tâm xoáy phân tích. Phép lọc này được biểu diễn như sau: { } hav ( r, θ ) = hD ( r, θ ) − hD ( r0 , θ ) E ( r ) + h D ( r 0 )[1 − E ( r )] (1.4) Trong đó, r0 là bán kính của miền lọc có độ lớn tùy theo mỗi cơn bão, r là bán kính (0 ≤ r ≤ r0) và E(r) là hàm trọng số làm trơn có dạng: 8
e − ( r0 −r ) − e − r0 / l 2 / l2 2 2 E (r) = (1.5) 1 − e −r0 / l 2 2 Trong đó: l là tham số của phép lọc, quy ước l=1/5r0. Thấy rằng khi r=r0, E(r) tiến đến đơn vị, do đó trường xoáy phân tích không tồn tại ngoài bán kính này (hình 1.2 (a,b)). (a) (b) Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E theo bán kính r, Nguồn: (Kurihara và cộng sự, 1993). Hình 1.2a biểu diễn tỉ lệ giữa độ nhạy của phép lọc đối với bước sóng cho thấy các sóng có độ dài sóng nhỏ hơn 9o sẽ được lọc hoàn toàn, những sóng có độ dài sóng càng lớn thì khả năng lọc sẽ giảm đi, tương ứng với khả năng lọc chỉ còn khoảng 82%, 60%, 32% lần lượt đối với các sóng bước sóng là 15o, 20o,30o. Ở đây những sóng dài tương ứng với trường nền, sóng ngắn hơn ứng với trường nhiều động. Hình 1.2b biểu diễn biến đổi của của hàm trọng số E(r) theo bán kính r trong công thức (1.4). Đường thẳng đứng trong hình này biểu diễn độ nhạy của bán kính ảnh hưởng đến phép lọc, với bán kính nằm trong khoảng từ r = r0 – l tới r = r0 phép lọc được thực hiện nhiều nhất, do đây là khoảng bán kính mà nhiễu động phi xoáy tồn tại nhiều nhất. Trường nhiễu động hD được biểu diễn trong công thức 1.4 được coi là nhiễu do xoáy gây ra nên xoáy chỉ tồn tại trong phạm vi chứa nhiễu động. Do đó, trường nhiễu động trung bình được xác định bằng công thức: 1 h D ( r0 ) = 2π ∫h D ( r0 , θ )dθ (1.6) Trong nghiên cứu đối với mô hình GFDL, Kurihara và cộng sự (1993) được xây dựng với cả hai thành phân đối xứng và phi đối xứng. Thành phần xoáy đối xứng được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục. Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứngβ và xoắn β) 9
được tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng trong nghiên cứu của Kurihara và của Ross (1992). Đối với thành phần gió đối xứng, một phân bố gió theo bán kính và mực mô hình (r,σ) được gọi là phân bố gió mục tiêu được sử dụng để tính toán các trường còn lại có dạng: V ( r, σ ) = F (σ ) Vd ( r ) (1.7) Trong đó: F là một hàm kinh nghiệm thể hiện trọng số của gió tiếp tuyến phương thẳng đứng và Vd là phân bố gió tiếp tuyến tại đỉnh lớp biên có dạng: r r −r B Vd ( r ) = V ( ra )( a ) A ( a ) (1.8) r rb − ra Với ra, rb, A, B là các tham số thực nghiệm. Trong suốt quá trình tích phân, gió tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của quá trình tích phân, thời điểm này thường được lựa chọn là khoảng sau 60h. Điều này có thể được hiểu là bắt đầu từ trạng thái tĩnh (gió tiếp tuyến và bán kính bằng không, khí áp, nhiệt độ và độ ẩm ban đầu là đồng nhất theo bán kính), trong quá trình tích phân, gió tiếp tuyến được hiệu chỉnh dần về gió mục tiêu trong khi trường khác được tự do biến đổi do tương tác giữa các trường trong mô hình. Công thức hiệu chỉnh được xác định để gió tiếp tuyến biến đổi dần về gió mục tiêu có dạng như sau: τ VR ( r, σ , t ) = VB ( r, σ ) exp(1 − ) (1.9) t Trong đó: t là thời gian, τ là qui mô thời gian điều chỉnh, VRlà phân bố gió tiếp tuyến trong mô hình, VB là một phân bố gió tiếp tuyến mục tiêu xác định từ trước. Sau mỗi bước thời gian tích phân của mô hình, gió tiếp tuyến VR dự báo bởi mô hình ở bước thời gian trước sẽ được thay thế bằng: VR + αυ VF = (1.10) 1+α Trong đó: α là tham số trọng số liên quan đến quy mô thời gian của mô hình. Tiếp theo sẽ xem xét đến thành phần phi đối xứng tạo ra bởi mô hình, như đã trình bày, thành phần này được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β và xoắn β) được tạo ra bởi dòng đối xứng (Kurihara và cộng sự, 1993). Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không 10
phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng trong nghiên cứu của Kurihara và Ross (1992). Sau đó thành phần gió phi đối xứng này được xây dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phương vị của sóng số 1 và sóng số 2. Các xoáy phi đối xứng được biểu diễn trên tọa độ trục (r, θ ) qua công thức như sau: ζ ( r, θ ) = ζ 0 ( r ) + ζ 1 ( r, θ ) + ζ 2 ( r, θ ) (1.11) Khi đó trường gió có dạng: V ( r, θ ) = V0 ( r ) + V1 ( r, θ ) + V2 ( r, θ ) (1.12) Xét phương trình biểu diễn các thành phần tốc độ trên mặt phẳng β, trong hệ trục tọa độ di chuyển với tốc độ là C khi đó, xoáy phi đối xứng đối các sóng có dạng: ∂ζ = −(V1 .∇ζ 1 ) 0 − (V2 .∇ζ 2 ) 0 + (C.∇ζ 1 ) 0 − β ( j.V1 ) 0 (1.13) ∂t ∂ζ 1 = −V0 .∇ζ 1 − V1 .∇ζ 0 − (V1 .∇ζ 2 )1 − (V2 .∇ζ 1 )1 + C.∇ζ 0 + (C.∇ζ 2 )1 − βj.V0 − β ( j.V2 )1 (1.14) ∂t ∂ζ 2 = −V0 .∇ζ 2 − V2 .∇ζ 0 − (V1 .∇ζ 1 ) 2 + (C.∇ζ 1 ) 2 − β ( j.V1 ) 2 (1.15) ∂t Sau khi các trường gió được xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối xứng và phi đối xứng thì các biến khác được điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc của trường gió. Khi đã có được trường gió, áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị được ước tính bằng cách sử dụng phương trình phân kì. Nhiệt độ sau đó được tính toán từ một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh (Kurihara và cộng sự, 1993). Liu và cộng sự (1997) đã xây dựng xoáy giả từ mô hình tích phân với cải thiện đáng kể trong cấu trúc nhiệt động lực của xoáy dẫn đến dự báo cường độ tốt hơn (Liu và cộng sự, 1997). Ngoài ra, Đại học Quốc gia bang Pennsylvania, Trung tâm nghiên cứu khí quyển đã sử dụng mô hình phi thủy tĩnh quy mô vừa phiên bản 5 (MM5) để tích phân các miền thô nhất trong khoảng thời gian 48h. Sau đó xoáy được tích phân từ miền tính thô nhất tại 48h được chiết suất và kết hợp trở lại vào điều kiện ban đầu cho tất cả các miền tính. Liu và cộng sự (1997) đã áp dụng kĩ thuật này cho cơn bão Andrew (1992), cơn bão này có những đặc tính đặc biệt là: (1) Xoáy tích phân tại thời điểm 48h đạt tới cường độ quan trắc vào thời điểm ban đầu của mô hình; (2) các trường khí tượng trong dòng gió đông khu vực nhiệt đới tương đối chuẩn và có hướng di chuyển của xoáy bão di chuyển lệch không đáng kể, chuyển động về hướng tây gần 11
như không đổi trong suốt 48h tích phân (Liu và cộng sự, 1997). Các tác giả đưa ra kết luận rằng ban đầu hóa xoáy sử dụng mô hình tích phân cho thấy sự cải thiện đáng kể về cấu trúc nhiệt động lực học của xoáy và dự báo cường độ (Kurihara và cộng sự, 1993; Liu và cộng sự, 1997). Gần đây nhất, trong các nghiên cứu của Nguyễn Văn Hiệp và Yi Leng Chen (2011) đã xây dựng một phương pháp ban đầu hoá xoáy mới thông qua kỹ thuật chạy lặp và áp dụng cho mô hình WRF (Weather Research and Forecasting Model). WRF phiên bản V3 với mô đun cài xoáy mới được sử dụng để dự báo thử nghiệm cho cơn bão Morakot (2009). Trong phương pháp ban đầu hoá xoáy này, các tác giả sử dụng hai giả thiết: thứ nhất, trong một khoảng thời gian ngắn (< 1 giờ) bão di chuyển nhưng cấu trúc của nó không thay đổi một cách đáng kể; thứ hai, cấu trúc bão tại thời điểm ban đầu của mô hình là một hàm của các điều kiện môi trường như gió, nhiệt độ mặt nước biển, độ đứt gió,… Trên cơ sở đó, thực hiện tích phân mô hình trong một khoảng thời gian, dt (dt < 1 h), với trường áp mực biển nhân tạo tại thời điểm ban đầu phi đối xứng. Trường áp mực biển nhân tạo được xây dựng từ công thức của Fujita (Fujita, 1952) sau khi được biến đổi thành dạng phi đối xứng. Sau vòng lặp thứ nhất, cấu trúc xoáy ở cuối vòng lặp được sử dụng để xây dựng cấu trúc xoáy tại thời điểm ban đầu cho vòng lặp thứ hai. Quá trình chạy lặp trên được thực hiện cho tới khi cường độ bão tại thời điểm ban đầu gần với cường độ bão thực tế. Tuỳ vào trường hợp, số vòng lặp thường giao động từ 30 tới 90 (Hiep N.V và Yi-Leng Chen, 2011). Một số kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy sơ đồ phân tích xoáy mới này có nhiều ưu điểm hơn hẳn các sơ đồ trước đây. Các nghiên cứu trước đây khẳng định rằng ban đầu hóa xoáy là cần thiết để dự báo tốt hơn với các mô hình quy mô vừa. Trong thực tế, không có phương pháp nào trong các phương pháp trên là hoàn hảo và không phải tất cả các sơ đồ này đều được thực hiện trong mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Skamarock và Powers, 2005). Do đó, khắc phục một số hạn chế trong kĩ thuật ban đầu hóa xoáy sẽ cho kết quả dự báo tốt hơn. Tuy nhiên, không thể phủ nhận rằng ban đầu hóa xoáy bằng phương pháp động lực đòi hỏi nguồn tài nguyên tính toán lớn và đây là nhược điểm lớn nhất của phương pháp ban đầu hóa xoáy này. 1.1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm Ban đầu hóa xoáy dựa trên các hàm thực nghiệm là phương pháp xây dựng xoáy có cường độ cấu trúc xác định dựa trên những hiểu biết về lí thuyết. Ưu điểm của phương pháp này là không cần mô hình phiên bản đối xứng trục và thời gian tính toán nhanh hơn, do đó đã có rất nhiều sơ đồ ban đầu hóa xoáy áp dụng phương pháp này. Xoáy giả xây dựng bằng các hàm thực nghiệm về áp suất, gió tiếp tuyến được phát 12
triển lần đầu tiên bởi Fujita (1952). Sau đó có thêm một số tác giả như Chan và Williams (1987), Iwasaki và cộng sự (1987), Mathur (1991), Davis và Low-Nam (2001), Kwon và Cheong (2009) tiếp tục phát triển các nghiên cứu dựa trên các hàm thực nghiệm của Fujita(1952). Trong nghiên cứu của Iwasaki và cộng sự (1987) công thức thực nghiệm để xây dựng xoáy giả bao gồm các bước sau (từ công thứ 1.16 đến 1.22) (Iwasaki và cộng sự, 1987) Công thức thực nghiệm tính phân bố theo bán kính của trường khí áp bề mặt đã được đưa ra theo(Fujita, 1952): [ ] 1 2 −2 P( r ) = PE − ∆P 1 + ( r / R0 ) (1.16) Trong đó, PE là áp suất bề mặt môi trường, ΔP là cường độ xoáy, R0 là kích thước xoáy. Hai yếu tố này được xác định để thỏa mãn điều kiện áp suất tại tâm và bán kính gió 15m/s có giá trị bằng với quan trắc. Tiếp đến, trường độ lệch độ cao địa thế vị (D) tại đỉnh mây được tính toán bởi công thức với mục tiêu mô phỏng xoáy nghịch phía trên, được cho bởi:  a. r 2 + b r < R0  D( r, Pt ) =  c.r + d R0 ≤ r < RE (1.17) e.( r − R ) 2 R1 ≤ r < R0  E Ở đây, tất cả các tham số a, b, c, d, e đều là các tham số kinh nghiệm được tính toán sao cho phân bố áp suất liên tục đến đạo hàm bậc một tại hai giá trị R0 và R1. Hai tham số này cũng là hai tham số kinh nghiệm phụ thuộc vào bán kính gió 15m/s (R15m/s). Độ lệch độ cao địa thế vị triệt tiêu tại mực 20mb, phía trên đỉnh mây giữa tầng bình lưu: D( r, pmid ) = 0 (1.18) Bước tiếp theo, trường nhiệt độ tại tâm bão từ bề mặt đến đỉnh mây được xây dựng có dạng xoáy lõi nóng được biểu diễn: T (0, P ) = C1 [Tc ( P ) − TE ( P )] + TE ( P ) (1.19) Với hằng số C1 được xác định sao cho độ lệch địa thế vị tại đỉnh mây trùng với giá trị đã tính ở công thức (1.17), TE là nhiệt độ trường môi trường, TC là nhiệt độ 13
trong mây hay nhiệt độ của khối không khí đi lên từ bề mặt theo quá trình đoạn nhiệt ẩm. Công thức xác định nhiệt độ tại tâm ở phía trên đỉnh mây là: T (0, P ) = C2 (ln P − ln Pmid )(ln P − ln Pt ) + TE ( P ) (1.20) Trong đó: C2 được xác định từ độ lệch độ cao địa thế vị sử dụng phương trình thủy tĩnh. Độ lệch của độ cao địa thế bị được nội suy bằng công thức: D( r, P ) = α ( r ) D(0, P ) + β ( r ) (1.21) Ở đây α và β được xác định sao cho thỏa mãn các điều kiện ở phương trình (1.16); (1.17); (1.18). Trường gió tiếp tuyến và trường gió bán kính được giải lặp nhờ hệ phương trình chuyển động viết cho hệ tọa độ trụ bỏ qua thành phần xu thế: ∂Vr Vθ2 ∂φ Vr − − fVθ + + C d V Vr = 0 ∂r r ∂r (1.22) ∂V VV Vr θ + r θ + fVr + C d V Vθ = 0 ∂r r Trong đó: các yếu tố Vr, Vθ lần lượt là gió bán kính và gió tiếp tuyến; f là tham số Coriolis, Cd là hệ số ma sát; φ là độ cao địa thế vị của mặt đẳng áp đã xác định từ trước. Hầu hết bằng việc dựa trên ý tưởng xây dựng xoáy giả, phát triển từ công thức thực nghiệm của Fujita (1952), các nghiên cứu của Davids (2001b) và Kwon và Cheong (2010) đã khẳng định phương pháp này có thể mô phỏng lại nhiều tính năng của bão thực với những cải thiện đáng kể trong dự báo quỹ đạo cũng như cường độ bão so với dự báo không sử dụng xoáy giả (Davids, 2001b; Kwon và Cheong , 2010). Cũng xây dựng xoáy giả dựa trên các phương trình thực nghiệm nhưng dưới cách tiếp cận khác Lownam (2001) áp dụng cho mô hình MM5 đã đưa ra là phương pháp xoáy NCAR-AFWA cho xoáy nhân tạo được xác định bằng phân bố Rankine: r α F ( r ) = Vm ( ) (1.23) rm Trong đó: F(r) là phân bố theo bán kính của xoáy giả, Vm là tốc độ gió cực đại. α có giá trị bằng 1 ở phía trong bán kính gió cực đại rm và bằng -0.75 ở ngoài rm, còn A là hàm trọng số kinh nghiệm của gió tiếp tuyến theo phương thẳng đứng phụ thuộc tuyến tính với áp suất. Tương tự như trong nghiên cứu của Iwasaki (1987), trường độ 14
cao địa thế vị được xác định từ phương trình cân bằng và trường nhiệt được tính từ phương trình trạng thái. Sơ đồ Iwasaki là sơ đồ có chứa quá nhiều yếu tố kinh nghiệm và tương đối phức tạp, thêm vào đó sơ đồ được viết cho hệ tọa độ khí áp thẳng đứng nên khó áp dụng cho hệ tọa độ mô hình cũng như khó thay đổi và kiểm soát được cấu trúc xoáy nhân tạo. Trong khi sơ đồ Lownam lại tương đối đơn giản và không có nhiều tùy chọn. Đây chính là các nhược điểm của xây dựng xoáy bằng phương pháp thực nghiệm. 1.1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu Ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu là phương pháp xây dựng xoáy giả được sử dụng rộng rãi trong hơn một thập kỉ gần đây. Với xoáy giả ngày càng được cải tiến và có khả năng ban đầu hóa tốt hơn đó xây dựng xoáy giả sử dụng phương pháp biến phân 3 chiều và 4 chiều với số liệu giả là một trong các nguồn số liệu. Cụ thể như trong nghiên cứu của Xiao và cộng sự (2006) sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu biến phân 3 chiều 3DVAR trong mô hình MM5. Xoáy giả được xây dựng có phân bố áp suất mực biển theo công thức thực nghiệm của Fujita (1952) và trường gió tiếp tuyến dựa trên quan hệ gió gradient. Trường gió tiếp tuyến được tạo ra trên 7 mực (mực biển, 1000, 925, 850, 700, 600, 500) (Xiao và cộng sự, 2006). Trong trường hợp này, hàm mục tiêu đóng góp bởi áp suất mực biển và gió tiếp tuyến đối xứng, được biểu diễn lần lượt qua hai biểu thức dưới đây: ∑ [P( r ) − P ] [ ] T JP = bogus ( r ) O p−1 P ( r ) − P bogus ( r ) (1.24) r ≤ RB [ ] [ J V = ∑ ∑ V ( r , k ) − V bogus ( r , k ) OV−1 V ( r , k ) − V bogus ( r , k ) T ] (1.25) k r ≤ RB Trong đó: P(r) và V(r,k) là trường gió và áp suất mực biển phân tích, Pbogus(r) vàVbogus(r,k) là trường gió và áp suất mực biển giả, OPvà OVn là các ma trận đường chéo phương sai, r là bán kính và RB là bán kính đồng hóa, k là các mực thẳng đứng. Ngoài ra, theo Chou và Wu (2008) đã tích phân xoáy giả với số liệu từ thiết bị đo gió thám sát – Dropsonde (Dropsonde là thiết bị thám sát thời tiết của NCAR, được thiết kế để được thả xuống từ máy bay ở độ cao xác định để đo chính xác hơn điều kiện cơn bão nhiệt đới), để tạo điều kiện ban đầu tốt hơn cho mô hình MM5 (Chou và Wu, 2008). Trong nghiên cứu của Nam và Davis (2001) lần đầu tiên họ đưa một xoáy giả thuần túy 6h trước thời điểm ban đầu của mô hình. Sau đó, mô hình được tích phân trong 6h để có được một xoáy bão để sử dụng như là điều kiện ban đầu của mô hình. Các số liệu ban đầu từ phân tích trường quy mô lớn trong vùng lõi bão sẽ được thay thế bởi xoáy tích phân 6h vừa đề cập ở trên. Các điều kiện ban đầu sau đó được xây 15
dựng thông qua hệ thống MM5-3DVAR với số liệu gió vệ tinh khu vực bên ngoài lõi của cơn bão (Davis và Nam, 2001a). Có thể thấy, hầu như tất cả các nghiên cứu cho thấy rằng ban đầu hóa xoáy bằng phương pháp đồng hóa số liệu cải thiện đáng kể về cấu trúc, quỹ đạo và cường độ bão trong dự báo (David và Nam, 2001; Xiao và cộng sự, 2006; Chou và Wu, 2008). 1.2. Tổng quan các nghiên cứu trong nước Ở nước ta, bài toán ban đầu hóa xoáy đã được quan tâm nghiên cứu trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây, tiêu biểu là nghiên cứu của Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân (2002), trong nghiên cứu này các tác giả 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 rõ rệt đến quỹ đạo dự báo. Mặc dù số các cơn bão được chọn thử nghiệm còn ít, song đã 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 (Bùi Hoàng Hải và Phan Văn Tân, 2002). Ngoài ra, 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 đưa ra kết luận 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 quĩ đạo bão (Hoàng Đức Cường, 2004). Tiếp theo là nghiên cứu của Võ Văn Hòa (2005) đối với mô hình WBAR, tác giả đã nghiên cứu điều chỉnh các phương án ban đầu hóa, cách tính trung bình lớp sâu,… để rút ra được những bộ tham số tối ưu cho dự báo quỹ đạo bão ở Việt Nam (Võ Văn Hòa, 2005). 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 (Đặng Thị Hồng Nga, 2006). Bùi Hoàng Hải trong luận án Tiến sĩ (2008) đã xây dựng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy bao gồm hai phần chính là quá trình phân tích xoáy dựa trên Weber và Smith (1995) và xây dựng xoáy nhân tạo theo phương pháp của Smith (2005). Để khảo sát tính hợp lý của phương pháp xây dựng xoáy nhân tạo, một module ban đầu hóa xoáy lý tưởng 16