Luận văn thạc sĩ " MÔ HÌNH WRF VÀ QUY TRÌNH ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU XOÁY GIẢ PHỤC VỤ DỰ BÁO BÃO "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:89

Thêm vào BST

Báo xấu

90
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bão là một hiện tượng thời tiết phức tạp bao gồm nhiều quá trình từ qui mô synop đến qui mô nhỏ tương tác với nhau. Mặc dù bão đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ, nhưng cho đến nay chưa có một lý thuyết đầy đủ về các cơ chế trong bão. Vì thế, bão và dự báo bão vẫn còn là một bài toán lớn thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Những khía cạnh của bài toán dự báo bão bao gồm: dự báo quỹ đạo, dự báo sự thay đổi cường độ, thời gian tồn...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " MÔ HÌNH WRF VÀ QUY TRÌNH ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU XOÁY GIẢ PHỤC VỤ DỰ BÁO BÃO "

LUẬN VĂN THẠC SỸ MÔ HÌNH WRF VÀ QUY TRÌNH ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU XOÁY GIẢ PHỤC VỤ DỰ BÁO BÃO
Lêi c¶m ¬n Tr−íc hÕt, t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi GS. TS. TrÇn T©n TiÕn, lµ ng−êi ®· tËn t×nh chØ b¶o, h−íng dÉn vµ gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp vµ hoµn thµnh luËn v¨n nµy. T«i xin c¶m ¬n c¸c ThÇy c« vµ c¸c c¸n bé trong khoa KhÝ t−îng - Thñy v¨n - H¶i d−¬ng häc ®· cung cÊp cho t«i nh÷ng kiÕn thøc chuyªn m«n quý gi¸, gióp ®ì vµ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi vÒ c¬ së vËt chÊt trong suèt thêi gian t«i häc tËp vµ lµm viÖc ë Khoa. T«i còng xin c¶m ¬n Phßng sau ®¹i häc, Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn ®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i cã thêi gian hoµn thµnh luËn v¨n. Cuèi cïng, t«i xin göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh tíi gia ®×nh, ng−êi th©n vµ b¹n bÌ, nh÷ng ng−êi ®· lu«n ë bªn c¹nh cæ vò, ®éng viªn vµ t¹o mäi ®iÒu kiÖn tèt nhÊt cho t«i trong suèt thêi gian häc tËp t¹i tr−êng. Lª ThÞ Hång V©n i
Môc lôc Më ®Çu............................................................................................................................ 1 CH¦¥NG 1: TæNG QUAN VÒ B·O §æ Bé Vµ §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶ ...... 3 1.1. Tæng quan vÒ b·o ®æ bé....................................................................................... 3 1.1.1. C¸c nghiªn cøu vÒ b·o ®æ bé ........................................................................ 3 1.1.2. Sai sè b·o ®æ bé ........................................................................................... 7 1.2 Tæng quan vÒ ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶. ............................................................. 8 1.3 C¸c m« h×nh dù b¸o b·o trong vµ ngoµi n−íc .................................................... 12 CH¦¥NG 2: M¤ H×NH WRF Vµ QUY TR×NH §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶ phôc vô dù b¸o b·o .............................................................................................. 16 2.1. M« h×nh WRF sö dông trong dù b¸o b·o .......................................................... 16 2.1.1. HÖ täa ®é th¼ng ®øng vµ c¸c biÕn th«ng l−îng........................................... 17 2.1.2. HÖ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n............................................................................... 17 2.1.3. Tham sè hãa vËt lý ...................................................................................... 21 2.1.4. CÊu h×nh miÒn tÝnh vµ nguån sè liÖu .......................................................... 22 2.2.M« h×nh x©y dùng xo¸y gi¶................................................................................ 23 2.2.1. C¬ së lý thuyÕt ............................................................................................ 23 2.2.2. X©y dùng xo¸y gi¶ ...................................................................................... 26 2.3. §ång hãa sè liÖu tr−êng cµi xo¸y gi¶ trong m« h×nh WRF .............................. 27 2.4. ChØ tiªu ®¸nh gi¸................................................................................................ 32 CH¦¥NG 3: §¸NH GI¸ KÕT QU¶ Dù B¸O B·O §æ Bé ...............................................34 CñA M¤ H×NH WRF.............................................................................................................34 3.1. TËp sè liÖu nghiªn cøu....................................................................................... 34 3.2. §¸nh gi¸ vai trß cña ®ång hãa sè liÖu tr−êng cµi xo¸y gi¶ trong dù b¸o b·o b»ng m« h×nh WRF. ................................................................................................. 38 3.2.1. Lùa chän yÕu tè cÊu thµnh xo¸y gi¶ trong ®ång hãa sè liÖu tr−êng cµi xo¸y gi¶................................................................................................................. 38 3.2.2. Vai trß cña ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ ®èi víi lùa chän TH2 ..................... 44 3.3 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ trªn bé mÉu sè liÖu c¸c c¬n b·o ®æ bé ®−îc lùa chän........... 57 3.3.1. §¸nh gi¸ vÒ quü ®¹o ................................................................................... 57 3.3.2. §¸nh gi¸ vÒ c−êng ®é ................................................................................. 60 3.4 §¸nh gi¸ vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé ...................................................................... 61 3.4.1. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé ......................................... 61 3.4.2. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ ......................................................................................... 63 3.4.2.1. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o vÞ trÝ ®æ bé .................................................... 64 3.4.2.2. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o xu h−íng ®æ bé ............................................ 71 KÕt luËn ........................................................................................................................ 80 Tµi liÖu tham kh¶o........................................................................................................ 83 ii
Më ®Çu B·o lµ mét hiÖn t−îng thêi tiÕt phøc t¹p bao gåm nhiÒu qu¸ tr×nh tõ qui m« synop ®Õn qui m« nhá t−¬ng t¸c víi nhau. MÆc dï b·o ®· ®−îc quan t©m nghiªn cøu tõ nhiÒu thËp kû, nh−ng cho ®Õn nay ch−a cã mét lý thuyÕt ®Çy ®ñ vÒ c¸c c¬ chÕ trong b·o. V× thÕ, b·o vµ dù b¸o b·o vÉn cßn lµ mét bµi to¸n lín thu hót sù chó ý cña nhiÒu nhµ khoa häc. Nh÷ng khÝa c¹nh cña bµi to¸n dù b¸o b·o bao gåm: dù b¸o quü ®¹o, dù b¸o sù thay ®æi c−êng ®é, thêi gian tån t¹i cña hoµn l−u sau khi b·o ®æ bé, qu¸ tr×nh vµ kh¶ n¨ng m−a cña vïng bªn ngoµi vµ lâi bªn trong, dù b¸o thay ®æi cÊu tróc trong ®ã dù b¸o vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé cña c¸c c¬n b·o lµ bµi to¸n cã ý nghÜa c¶ vÒ khoa häc vµ thùc tiÔn ®èi víi nh÷ng ng−êi nghiªn cøu vµ nh÷ng ng−êi lµm dù b¸o. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kÜ thuËt, nhiÒu m« h×nh sè khu vùc ®· ®−îc ®−a vµo nghiªn cøu, thö nghiÖm dù b¸o b·o tuy nhiªn nh÷ng thµnh tùu thu ®−îc míi chØ ë møc khëi ®Çu. Do m¹ng l−íi quan tr¾c trªn vïng biÓn nhiÖt ®íi rÊt th−a thít vµ do chÝnh cÊu tróc to¸n lý, còng nh− ®é ph©n gi¶i rÊt th«, nªn trong c¸c m« h×nh toµn cÇu t©m xo¸y b·o ban ®Çu th−êng ®−îc bÞ sai lÖch vÞ trÝ vµ cã c−êng ®é yÕu h¬n so víi xo¸y b·o thùc. §Ó kh¾c phôc h¹n chÕ nµy ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p ban ®Çu hãa xo¸y gi¶, tøc lµ thay thÕ xo¸y ph©n tÝch kh«ng chÝnh x¸c trong tr−êng ban ®Çu b»ng mét xo¸y nh©n t¹o míi sao cho cã thÓ m« t¶ gÇn ®óng nhÊt víi xo¸y b·o thùc vÒ cÊu tróc, vÞ trÝ vµ c−êng ®é. Xo¸y gi¶ cã thÓ ®−îc cµi trùc tiÕp vµo m«i tr−êng mét c¸ch hµi hßa sao cho kh«ng cã sù bÊt liªn tôc gi÷a tr−êng xo¸y vµ tr−êng m«i tr−êng. Qu¸ tr×nh nµy còng cã thÓ ®−îc thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu, qua ®ã mét sè thµnh phÇn cña xo¸y nh©n t¹o ®−îc ®−a vµo s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu d−íi d¹ng c¸c quan tr¾c gi¶. Trªn thÕ giíi còng ®· cã nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu vÒ bµi to¸n ban ®Çu hãa b»ng ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu cho c¸c m« h×nh sè vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ kh¶ quan trong bµi to¸n dù b¸o quü ®¹o vµ c−êng ®é b·o. ë ViÖt Nam, ®ång hãa sã liÖu xo¸y gi¶ vÉn cßn lµ vÊn ®Ò míi mÎ ch−a cã nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu. ChÝnh v× vËy trong luËn v¨n nµy, t«i sÏ tiÕn hµnh t×m hiÓu vµ ¸p dông ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè 1
liÖu xo¸y gi¶ ®èi víi m« h×nh WRF, víi mong muèn n©ng cao h¬n chÊt l−îng dù b¸o b·o cña m« h×nh WRF, ®Æc biÖt lµ nh÷ng c¬n b·o ®æ bé. Bè côc luËn v¨n gåm c¸c phÇn: Ch−¬ng 1: Tæng quan vÒ b·o ®æ bé vµ ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶. Ch−¬ng 2: M« h×nh WRF vµ quy tr×nh ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ phôc vô dù b¸o b·o. Ch−¬ng 3: §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o b·o ®æ bé cña m« h×nh WRF. KÕt luËn. 2
CH¦¥NG 1: TæNG QUAN VÒ B·O §æ Bé Vµ §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶ 1.1. Tæng quan vÒ b·o ®æ bé 1.1.1. C¸c nghiªn cøu vÒ b·o ®æ bé Theo quy chÕ vÒ b·o, lò vµ th«ng t− cña ViÖt Nam do Tæng côc KhÝ t−îng Thñy v¨n xuÊt b¶n th¸ng 10/1998: b·o ®æ bé lµ khi t©m b·o vµo ®Êt liÒn. Sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o g©y ra nhiÒu nh÷ng nguy c¬ nghiªm träng ®Õn tÝnh m¹ng vµ tµi s¶n cña nh÷ng ng−êi d©n ®Æc biÖt lµ ë c¸c vïng biÓn. C¸c c¬n b·o ®æ bé th−êng kÌm theo thêi tiÕt nguy hiÓm, cã thÓ më réng ra phÝa ngoµi tõ t©m b·o. C¸c vïng giã m¹nh, sãng d©ng trong b·o g©y tµn ph¸ vµ m−a lín d÷ déi th−êng x¶y ra gÇn m¾t b·o. Chóng ta th−êng chØ nhËn ra nh÷ng nguy c¬ nµy gÇn t©m b·o nh−ng Ýt thÊy thùc tÕ r»ng thêi tiÕt nguy hiÓm cã thÓ x¶y ra c¸ch xa ®ã, cã thÓ ®¹t cùc ®¹i t¹i kho¶ng c¸ch 200- 400 km tõ m¾t b·o trong c¸c d¶i m−a phÝa ngoµi c¬n b·o (McCaul 1991) [17]. Do vËy ph¹m vi g©y ¶nh h−ëng cña b·o t−¬ng ®èi lín dÉn ®Õn nhiÒu khã kh¨n trong c«ng t¸c dù b¸o. Trªn thÕ giíi cã nhiÒu ch−¬ng tr×nh nh−: ITCLP ch−¬ng tr×nh b·o ®æ bé quèc tÕ, thö nghiÖm b·o ®æ bé cña Trung Quèc - CLAYTEX, ch−¬ng tr×nh b·o ®æ bé cña Hoa Kú vµ c¶ nh÷ng nghiªn cøu vÒ sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o nhiÖt ®íi b»ng c¸c sè liÖu quan tr¾c hoÆc c¸c m« t¶ cña c¸c m« h×nh sè tõ c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu lý t−ëng. Nh÷ng ch−¬ng tr×nh vµ nghiªn cøu trªn ®· b−íc ®Çu ®Æt nÒn mãng ®Ó n©ng cao sù hiÓu biÕt vµ ®é chÝnh x¸c cña viÖc dù b¸o c¸c qu¸ tr×nh ®æ bé cña b·o ®Ó gi¶m thiÓu nh÷ng t¸c h¹i tõ nh÷ng c¬n b·o ®æ bé nµy. ë Hång K«ng, Cheng (2000) ®· ®¸nh gi¸ c¸c ®Æc tr−ng c¸c c¬n b·o ®æ bé vµo Hång K«ng n¨m 1999 b»ng viÖc sö dông c¸c ¶nh vÖ tinh vµ c¸c quan tr¾c tõ c¸c ra ®a Doppler cña ®µi Hång K«ng, c¸c profile giã vµ c¸c tr¹m thêi tiÕt tù ®éng. Chan (2004) ®· ®Ò xuÊt r»ng ®é ®øt giã gi÷a c¸c mùc 850mb vµ 200mb cã liªn quan mËt thiÕt c¸c cÊu tróc bÊt ®èi xøng ®èi l−u cña c¸c c¬n b·o ®æ bé däc bê biÓn nam Trung Quèc. §¸nh gi¸ nµy ®−îc ¸p dông ®èi víi tr−êng hîp c¬n b·o Kompasu. Sau khi ®æ bé, t©m mùc thÊp cña c¬n b·o Kompasu ®· chØ ra ®é nghiªng th¼ng ®øng vÒ h−íng t©y. Sù ph©n bè cña vïng ®èi l−u xung quanh t©m cña nã còng trë nªn bÊt ®èi xøng. 3
Sù bÊt ®èi xøng nµy liªn quan tíi ®é ®øt giã gi÷a c¸c mùc 850 - 200 mb víi vïng ®èi l−u chÝnh ®−îc t×m thÊy ë vïng giã cuèn xuèng cña vect¬ ®é ®øt [20]. M« h×nh ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy nhiÒu mùc quy m« võa khu vùc còng ®· ®−îc dïng ®Ó dù b¸o sù ®æ bé vµ cÊu tróc cña b·o nhiÖt ®íi vµ chØ ra ba vïng nh¹y cña m« h×nh trong viÖc dù b¸o c¸c c¬n b·o ®æ bé lµ: §é ph©n gi¶i ngang - ®Æc tr−ng cho ®Þa h×nh ®åi nói; t¸c ®éng cña ph©n bè ®é Èm ®Êt bÒ mÆt ®èi víi vÊn ®Ò ®æ bé vµ ®é nh¹y cña c¬n b·o ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn [12]. Tuleva (1984) ®· m« t¶ sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o nhiÖt ®íi sö dông m« h×nh l−íi tinh cã thÓ di chuyÓn vµ ®−a ra mét vµi kÕt luËn ®¸ng quan t©m trong suèt thêi k× ®æ bé: cã sù thay ®æi ®¸ng kÓ trong quü ®¹o cña c¬n b·o; sù gi¶m râ rÖt trong d¶i m−a mét vµi giê sau ®æ bé vµ b·o m« h×nh cã c−êng ®é nhá h¬n nªn di chuyÓn chËm h¬n. Nghiªn cøu cña «ng n¨m 1994 vÒ ®é nh¹y cña sù ph¸t triÓn vµ tan r· cña c¬n b·o ®Õn c¸c ®iÒu kiÖn biªn bÒ mÆt vµ nhËn thÊy: sù gi¶m l−îng bèc h¬i qua bÒ mÆt ®Êt, g©y ra chñ yÕu bëi sù gi¶m nhiÖt ®é bÒ mÆt ®Êt gÇn lâi b·o, lµm b·o kh«ng thÓ ph¸t triÓn m¹nh thªm [20], [21]. Jone (1987) ®· sö dông m« h×nh b·o l−íi tinh vµ nhËn thÊy r»ng l−îng m−a vïng lâi bªn trong, trong suèt thêi gian ®æ bé lín h¬n tr−êng hîp kh«ng ®æ bé. ¤ng còng ®Ò xuÊt r»ng ®iÒu nµy lµ do nh÷ng thay ®æi trong c¸c qu¸ tr×nh líp biªn vµ trong dßng ®i vµo theo ph−¬ng b¸n kÝnh khi b·o ®æ bé [20]. Sù tiÕp cËn cña c¬n b·o ®Õn vïng cã ®Þa h×nh phøc t¹p còng mang l¹i nh÷ng thay ®æi vÒ cÊu tróc vµ chuyÓn ®éng. Tr¹ng th¸i cña c¸c c¬n b·o d−íi ¶nh h−ëng cña c¸c ®Þa h×nh nói ®−îc chøng minh trong mét vµi nghiªn cøu, phÇn lín sö dông sè liÖu quan tr¾c vµ c¸c m« t¶ m« h×nh. Ch¼ng h¹n, Brand vµ Blelloch (1974) vµ Chang (1982) ®· ®¸nh gi¸ tr¹ng th¸i vµ ¶nh h−ëng cña c¸c c¬n b·o ®· gÇn Taiwan. §Þa h×nh nói m« t¶ tr−êng hîp nµy lµ vïng ®Êt liÒn cã quy m« ngang 300km vµ cã c¸c ®é cao cùc ®¹i trªn 2000m. Trong sè ®ã c¸c kÕt qu¶ ®¸ng chó ý nhÊt ®· nhËn ®−îc tõ nghiªn cøu nµy ®· chøng minh vÒ c¸c dao ®éng quü ®¹o vµ c−êng ®é khi hoµn l−u b·o tiÕp cËn gÇn bê ®Õn vïng ®Êt liÒn. Nh×n chung, cã sù suy gi¶m cña c¬n b·o vÒ c−êng ®é, sù gia tèc cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ ®é lÖch quü ®¹o b¾t ®Çu tõ vïng phÝa xa vïng ®æ bé [32]. Bender (1987) ®· nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh ®¶o 4
®Õn c¸c c¬n b·o vµ nhËn thÊy nh÷ng thay ®æi vÒ c−êng ®é liªn quan rÊt lín ®Õn dù tr÷ n¨ng l−îng Èn nhiÖt vµ sù phï hîp theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña hÖ thèng b·o. Hä còng nhËn thÊy r»ng cã sù sai lÖch theo h−íng b¾c ®èi víi xo¸y b·o khi tiÕp cËn víi bê biÓn Taiwan [23]. §èi víi m« h×nh khu vùc quy m« võa, Dastoor vµ Krishnamurti (1991) nhÊn m¹nh tÇm quan träng cña viÖc xö lý c¸c biªn bªn, ®é ph©n gi¶i vµ ®Æc biÖt lµ tham sè ®é Èm ®Êt trong viÖc dù b¸o b·o. Còng cã nhiÒu t¸c gi¶ ®· nghiªn cøu vÒ t¸c ®éng cña ®é Èm ®Êt ®Õn cÊu tróc vµ chuyÓn ®éng cña b·o ®æ bé. Dastoor vµ Krishnamurti (1991) chØ ra c¸c tham sè ®é Èm ®Êt ®· c¶i thiÖn cÊu tróc vµ chuyÓn ®éng cña c¸c c¬n b·o ®æ bé. Tuleya (1994) nhËn thÊy ®é ghå ghÒ bÒ mÆt vµ ®é Èm ®Êt gi¶m sÏ lµm t¨ng sù tan r· cña c¸c c¬n b·o ®æ bé. Shen (2002) ®· nghiªn cøu c¸c ¶nh h−ëng cña n−íc bÒ mÆt ®Êt ®Õn c¸c c¬n b·o ®æ bé, bao gåm nh÷ng thay ®æi nhiÖt ®é bÒ mÆt vµ ¶nh h−ëng cña chóng ®Õn nh÷ng thay ®æi trong l−îng nhiÖt bÒ mÆt (®èt nãng bÒ mÆt), cÊu tróc b·o vµ c−êng ®é b·o. Kimbail (2008) nghiªn cøu t¸c ®éng cña c¸c ®Æc tr−ng bÒ mÆt ®Êt kh¸c nhau ®èi víi ph©n bè m−a b·o tr−íc, trong vµ sau khi ®æ bé. Sù tan r· cña c−êng ®é b·o x¶y ra lµ do sù gi¶m bèc h¬i bÒ mÆt vµ t¨ng ma s¸t khi c¬n b·o vµo gÇn bê. C¸c ®iÒu kiÖn bÒ mÆt ®Êt cã thÓ ®iÒu khiÓn c¸c th«ng l−îng bÒ mÆt ®ãng vai trß trong viÖc m« t¶ c¸c c¬n b·o ®æ bé, ®Æc biÖt lµ dù b¸o l−îng m−a liªn quan ®Õn b·o ®æ bé. Tuy nhiªn, c¸c chi tiÕt cña t¸c ®éng khÝ quyÓn- ®Êt ®èi víi sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o vÉn ch−a cã nh÷ng hiÓu biÕt s©u s¾c. C¸c m« t¶ cña c¸c c¬n b·o ®æ bé sö dông c¸c m« h×nh ®é ph©n gi¶i cao thùc sù cÇn thiÕt ®Ó hiÓu vÒ nh÷ng ®Æc tr−ng ®ã [12], [30]. Bªn c¹nh ®ã Krishnamurti (1994) còng lµm næi bËt viÖc c¶i thiÖn c¸c tham sè hãa ®èi l−u, lµm t¨ng tr−êng ph©n tÝch nhiÖt ®é mÆt biÓn vµ sö dông c¸c quan tr¾c giã bÒ mÆt bæ sung trong dù b¸o thµnh c«ng c¬n b·o B¨ngladesh. §Ó nghiªn cøu nh÷ng ®Æc ®iÓm ®èi l−u cña b·o th× ®Æc tr−ng cña c¸c ¶nh h−ëng ®éng lùc häc vµ nhiÖt ®éng lùc ®· quan tr¾c cña c¸c ®¸m m©y ®−îc thùc hiÖn trong m« h×nh giíi h¹n khu vùc BMRC. §Æc tr−ng ®èi l−u nµy ®−îc kiÓm nghiÖm trong c¸c m« t¶ cña c¸c hiÖn t−îng b·o AMEX trong ®ã cã sè liÖu kiÓm nghiÖm phï hîp trªn quy m« synop (Davidson 1995) [20]. Nh÷ng m« t¶ sè trÞ víi ®é ph©n gi¶i cao gÇn ®©y trong céng 5
®ång nh÷ng ng−êi lµm m« h×nh ®ang ®−a ra nh÷ng hiÓu biÕt s©u s¾c, míi mÎ vÒ vai trß cña c¸c qu¸ tr×nh ®èi l−u trong sù tæ chøc vµ tiÕn triÓn cña c¬n b·o. Sö dông c¸c m« h×nh cã ®é ph©n gi¶i quy m« m©y theo ph−¬ng ngang hiÖn t¹i còng cã thÓ ph©n tÝch ®−îc c¸c yÕu tè ®èi l−u ®¬n lÎ trong m«i tr−êng b·o cña chóng [16], [17]. VÒ viÖc ®¸nh gi¸ sai sè ®æ bé, khi nghiªn cøu sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o ë vïng biÓn §¹i T©y D−¬ng, Mark D. Powell vµ Sim D. Aberson còng ®−a ra ®Þnh nghÜa c¸c c¬n b·o ®−îc coi lµ ®æ bé nÕu vÞ trÝ t©m néi suy cña m« h×nh ®i qua ®−êng bê biÓn hoÆc trong ph¹m vi bê biÓn 75km. §èi víi quü ®¹o dù b¸o song song víi ®−êng bê biÓn nh−ng cã thÓ chøa mét vµi vÞ trÝ tháa m·n ®iÒu kiÖn ®æ bé th× vÞ trÝ gÇn nhÊt víi bê biÓn ®−îc chän. NÕu c¸c vÞ trÝ t¹i c¸c kho¶ng c¸ch víi ®−êng bê biÓn gÇn gièng nhau th× vÞ trÝ sím nhÊt ®−îc chän. Mét vµi c¬n b·o kh«ng ®æ bé nh−ng ®i qua víi kho¶ng c¸ch ®ñ gÇn (b»ng mét lÇn b¸n kÝnh giã cùc ®¹i bªn tr¸i hoÆc hai lÇn b¸n kÝnh giã cùc ®¹i bªn ph¶i so víi t©m b·o) víi ®Êt liÒn còng tháa m·n ®Þnh nghÜa ®æ bé cña NHC. §Ó ®¸nh gi¸ vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé cña c¸c c¬n ®æ bé vµo bê biÓn Hoa Kú, Powell vµ Aberson ®· chia theo c¸c ¶nh h−ëng sau : ¶nh h−ëng cña h−íng quü ®¹o liªn quan ®Õn ®−êng bê biÓn : Nh÷ng quü ®¹o ®−îc ph©n thµnh hai lo¹i lµ nh÷ng quü ®¹o di chuyÓn so víi ®−êng bê biÓn gãc tõ 45° - 90 ° vµ nh÷ng quü ®¹o cã h−íng di chuyÓn so víi ®−êng bê biÓn gãc nhá h¬n 45°. Sè liÖu ®−îc ph©n thµnh c¸c dù b¸o ®èi víi c¸c c¬n b·o di chuyÓn chËm vµ c¸c c¬n b·o di chuyÓn nhanh : liªn quan ®Õn tèc ®é quan tr¾c trung b×nh t¹i thêi ®iÓm ®æ bé (5.2 m/s). C¸c c¬n b·o còng ®−îc ph©n lo¹i theo c−êng ®é t¹i thêi ®iÓm ®æ bé theo b¶ng giã Saffir Simpson. C¸c sai sè ®èi víi c¬n b·o yÕu (cÊp 1) vµ c¸c c¬n b·o m¹nh (cÊp 2 -4) t¹i thêi ®iÓm ®æ bé còng ®−îc chØ ra. C¸c sai sè liªn quan ®Õn ®−êng bê biÓn (C¸c sai sè theo tõng vïng) : §Ó hiÓn thÞ c¸c sai sè vµ sai sè hÖ thèng sao cho chóng hiÖu qu¶ nhÊt ®èi víi c¸c dù b¸o viªn vµ c¸c c¬ quan phßng chèng b·o lôt th× ®−êng bê biÓn ®−îc chia thµnh c¸c 6
vïng nhá kho¶ng 5° vÜ . Thêi ®iÓm dù b¸o trung b×nh vµ c¸c sai sè vÞ trÝ ®æ bé ®−îc tÝnh to¸n cho mçi vïng [24]. 1.1.2. Sai sè b·o ®æ bé Khi mét c¬n b·o cã kh¶ n¨ng ®æ bé th× mét yÕu tè quan träng cña qu¸ tr×nh c¶nh b¸o lµ ®¸nh gi¸ c¸c sai sè quü ®¹o m« h×nh cã kh¶ n¨ng x¶y ra cña c¸c dù b¸o viªn. V× vËy khi c¸c dù b¸o viªn tù tin h¬n trong h−íng dÉn kh¸ch quan ®−îc c¶i thiÖn cña hä th× c¶nh b¸o cµng chÝnh x¸c h¬n. §Þnh nghÜa sai sè ®æ bé: Sai sè ®æ bé bao gåm sai sè vÒ vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé. Chóng ®−îc x¸c ®Þnh lµ vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm t¹i ®ã t©m b·o ®i qua bê biÓn dùa vµo c¸c th«ng tin chØ thÞ b·o ®−îc cung cÊp bëi c¸c trung t©m dù b¸o. MÆc dï nh÷ng ¶nh h−ëng cña sù tµn ph¸ cã thÓ x¶y ra c¸ch ®ã tr−íc vµ sau thêi ®iÓm ®æ bé vµi giê vµ më réng vµi tr¨m km tõ ®iÓm ®æ bé. Cã bèn lo¹i sai sè ®æ bé cã thÓ ®−îc ®Þnh nghÜa nh− sau: Sai sè vÞ trÝ t¹i thêi ®iÓm ®æ bé quan tr¾c (®Þnh nghÜa 1): Sai sè vÞ trÝ ®−îc ®Þnh nghÜa nh− kho¶ng c¸ch gi÷a vÞ trÝ quan tr¾c vµ dù b¸o t¹i thêi ®iÓm ®æ bé thùc tÕ. T¹i thêi ®iÓm ®æ bé ®· quan tr¾c, vÞ trÝ dù b¸o cña m« h×nh ®−îc néi suy. §Þnh nghÜa 1 gièng víi c¸c ®¸nh gi¸ sai sè truyÒn thèng ®−îc thùc hiÖn t¹i c¸c thêi k× x¸c ®Þnh 12 giê, 24 giê, 36 giê, 48 giê vµ 72 giê nh−ng ®−îc ¸p dông qua phÐp néi suy cña quü ®¹o dù b¸o vµ kh«ng cho phÐp tÝnh to¸n sai sè thêi ®iÓm ®æ bé. VÞ trÝ vµ thêi ®iÓm gÇn nhÊt ®èi víi ®iÓm ®æ bé (®Þnh nghÜa 2): §−îc tÝnh b»ng kho¶ng c¸ch ng¾n nhÊt gi÷a vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé quan tr¾c víi vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm néi suy cña m« h×nh dù b¸o. §Þnh nghÜa 2 cho phÐp tÝnh to¸n cho c¸c tr−êng hîp b·o kh«ng bao giê ®æ bé. Tuy nhiªn, khã x¸c ®Þnh ®−îc ®iÓm dù b¸o gÇn nhÊt nµy. Sai sè vÞ trÝ t¹i thêi ®iÓm ®æ bé dù b¸o (®Þnh nghÜa 3): lµ kho¶ng c¸ch gi÷a vÞ trÝ cña quan tr¾c vµ dù b¸o t¹i thêi ®iÓm ®æ bé dù b¸o. VÞ trÝ t©m quan tr¾c t¹i thêi ®iÓm ®æ bé dù b¸o ®−îc tÝnh b»ng phÐp néi suy. §Þnh nghÜa nµy bá qua c¸c sai sè thêi ®iÓm vµ còng kh«ng cho phÐp xem xÐt c¸c tr−êng hîp cã kh¶ n¨ng 7
x¶y ra ®æ bé nh−ng kh«ng dù b¸o. Tuy nhiªn, ®Þnh nghÜa nµy còng bao gåm c¸c tr−êng hîp dù b¸o vÞ trÝ ®æ bé nh−ng kh«ng x¶y ra. C¸c sai sè vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé gi÷a quan tr¾c vµ dù b¸o (®Þnh nghÜa 4): C¸c sai sè vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm cã thÓ ®−îc tÝnh to¸n dùa vµo c¸c vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé ®· quan tr¾c vµ ®· dù b¸o. Tuy nhiªn, ®Þnh nghÜa nµy kh«ng cho phÐp xem xÐt c¸c tr−êng hîp dù b¸o ®æ bé nh−ng kh«ng x¶y ra [24]. Trong khu«n khæ luËn v¨n nµy, t¸c gi¶ sö dông ®Þnh nghÜa 4 ®Ó ®¸nh gi¸ sai sè vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé cña c¸c c¬n b·o ®æ bé vµo bê biÓn ViÖt Nam trong c¸c mïa b·o tõ n¨m 2004 ®Õn 2007. 1.2 Tæng quan vÒ ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶. Do b·o h×nh thµnh vµ ho¹t ®éng trªn c¸c vïng ®¹i d−¬ng nhiÖt ®íi, n¬i cã m¹ng l−íi quan tr¾c truyÒn thèng hÕt søc th−a thít, nªn hÇu hÕt c¸c c¬n b·o ®−îc biÓu diÔn kh«ng râ vµ sai lÖch vÞ trÝ trªn tr−êng ph©n tÝch (Weber vµ Smith, 1995). Nh÷ng sai lÖch ban ®Çu vÒ vÞ trÝ vµ cÊu tróc sÏ dÉn ®Õn nh÷ng sai sè lín h¬n trong c¸c b−íc thêi gian tÝch ph©n tiÕp theo. §Ó n©ng cao chÊt l−îng dù b·o b¸o, tr−êng ban ®Çu cÇn biÓu diÔn tèt h¬n vÞ trÝ, cÊu tróc vµ c−êng ®é. Bµi to¸n thùc hiÖn qu¸ tr×nh nµy ®−îc gäi lµ ban ®Çu hãa xo¸y b·o (hay ban ®Çu hãa xo¸y). Ban ®Çu hãa xo¸y lµ mét bµi to¸n phøc t¹p, vµ cã thÓ sö dông nhiÒu ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau. H×nh 1.1 lµ m« t¶ tæng qu¸t bµi to¸n ban ®Çu hãa xo¸y b·o. Nãi chung, tÊt c¶ c¸c bµi to¸n ban ®Çu hãa xo¸y b·o cÇn cã thªm th«ng tin bæ sung vÒ c¬n b·o (nh− vÞ trÝ t©m quan tr¾c, tèc ®é giã cùc ®¹i, th«ng tin vÒ kÝch th−íc b·o, v.v.) ®−îc gäi lµ th«ng tin chØ thÞ b·o ®Ó cã thÓ x©y dùng mét xo¸y cã cÊu tróc, c−êng ®é gÇn víi thùc h¬n, ®−îc gäi lµ xo¸y gi¶ hay xo¸y nh©n t¹o. Xo¸y nh©n t¹o cã thÓ ®−îc x©y dùng b»ng ph−¬ng ph¸p ®éng lùc, hoÆc b»ng ph−¬ng ph¸p kinh nghiÖm. Ph−¬ng ph¸p ®éng lùc th−êng ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸ch sö dông mét phiªn b¶n ®èi xøng trôc cña m« h×nh dù b¸o vµ tÝch ph©n ®Ó nhËn ®−îc mét xo¸y nh©n t¹o ®èi xøng víi c¸c tr−êng c©n b»ng ®éng lùc víi nhau. Ph−¬ng ph¸p kinh nghiÖm dùa trªn c¸c hiÓu biÕt lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm ®Ó x©y dùng nªn mét xo¸y nh©n t¹o cã cÊu tróc vµ c−êng ®é x¸c ®Þnh. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p kinh nghiÖm lµ kh«ng cÇn mét phiªn b¶n ®èi xøng trôc cña m« h×nh dù b¸o vµ thêi gian tÝnh to¸n nhanh h¬n, 8
v× thÕ cã rÊt nhiÒu s¬ ®å ban ®Çu hãa xo¸y sö dông ph−¬ng ph¸p nµy (Iwasaki vµ nnk 1987, Davidson vµ nnk 1993, Weber 2001,.). Thông tin Trư ng ch th bão phân tích PP th c Xây d ng PP phân tích xoáy gi ng l c Xoáy nghi m H×nh 1.1: S¬ ®å m« t¶ Trư ng bµi to¸n ban ®Çu hãa Xoáy gi môi trư ng xo¸y b·o K th p ng hóa Cài xoáy xoáy gi SL Trư ng ban u §Ó nhËn ®−îc xo¸y ®· ban ®Çu hãa, xo¸y nh©n t¹o ®−îc kÕt hîp víi tr−êng m«i tr−êng b»ng ph−¬ng ph¸p cµi xo¸y hoÆc ®ång hãa sè liÖu. Xo¸y nh©n t¹o cã thÓ ®−îc cµi trùc tiÕp vµo tr−êng m«i tr−êng mét c¸ch hµi hßa sao cho kh«ng cã sù bÊt liªn tôc gi÷a tr−êng xo¸y vµ tr−êng m«i tr−êng [33]. §Ó lµm ®−îc ®iÒu nµy, c¸c thµnh phÇn xo¸y nh©n t¹o ph¶i cã c©n b»ng ®éng lùc tèt, tr¸nh nh÷ng chÊn ®éng trong qu¸ tr×nh tÝch ph©n ban ®Çu cña m« h×nh. Qu¸ tr×nh nµy còng cã thÓ thùc hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu, qua ®ã, mét hoÆc mét sè thµnh phÇn cña xo¸y nh©n t¹o ®−îc ®−a vµo s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu d−íi d¹ng c¸c quan tr¾c gi¶ [4], [27]. Baker cïng ®ång sù (2006) ®· sö dông m« h×nh MM5 thö nghiÖm s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu ®Çu hãa sè liÖu gi¶ tõ mét s¬ ®å xo¸y lý thuyÕt ®Ó m« t¶ thµnh c«ng sù thay ®æi c−êng ®é vµ cÊu tróc bªn trong cña c¬n b·o Rusa (2002). Xo¸y nh©n t¹o bao gåm tr−êng khÝ ¸p mÆt biÓn vµ tr−êng giã t¹i c¸c mùc kh¸c nhau. Trong ®ã tr−êng khÝ ¸p mÆt biÓn ®−îc tÝnh to¸n theo c«ng thøc Fujita (1952): 9
∆P P (r ) = Pmax − 1/ 2  1 r 2 (1.1) 1 + ( )   2 R   0  Víi ∆P = Pmax - PC (1.2) PB − PC Pmax = PC + 1− 1 (1.3) 1 + ( R B / R0 ) 2 Trong ®ã r lµ kho¶ng c¸ch tõ t©m b·o (km). R0 lµ b¸n kÝnh giã cùc ®¹i PC lµ khÝ ¸p mÆt biÓn quan tr¾c t¹i t©m b·o. PB lµ khÝ ¸p mÆt biÓn trung b×nh trong vïng xo¸y b·o. ë ®©y b¸n kÝnh vïng xo¸y b·o ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc thùc nghiÖm sau: 1/ 2  2V  RB = 1 + 15   .R15 (1.4)  fR15   Víi R15 lµ b¸n kÝnh giã 15 m/s. RB lµ b¸n kÝnh cña vïng xo¸y b·o gi¶. Tr−êng giã ®èi xøng ®−îc x©y dùng dùa trªn quan hÖ giã gradient: 1/ 2  r ∂P f 2 r 2  r f V (r ) =   ρ ∂r + 4   − (1.5)   2 Tr−êng giã nµy ®−îc t¹o ra trªn 7 mùc: mùc biÓn, 1000, 925, 850, 700, 600 vµ 500 hPa. Sau khi x©y dùng ®−îc c¸c tr−êng xo¸y gi¶, sè liÖu nµy ®−îc ®−a vµo hÖ thèng ®ång hãa sè liÖu cña m« h×nh MM5. Hµm môc tiªu trong tr−êng hîp ®ãng gãp cña tr−êng khÝ ¸p mùc biÓn: ∑ P (r ) − P T JP =  bogus ( r )  OP 1  P ( r ) − P bogus ( r )  −   (1.6) r ≤ RB Vµ ®ãng gãp cña tr−êng giã ®èi xøng: 10
JV = ∑ ∑ V ( r , k ) − V bogus ( r , k )  OV 1 V ( r , k ) − V bogus ( r , k )  T −     (1.7) k r ≤ RB Trong ®ã, P(r) vµ V(r,k) lµ tr−êng giã vµ ¸p suÊt mùc biÓn ph©n tÝch, Pbogus(r) vµ Vbogus(r,k) lµ tr−êng giã vµ ¸p suÊt mùc biÓn gi¶, OP vµ OV lµ c¸c ma trËn ®−êng chÐo ph−¬ng sai, r lµ b¸n kÝnh vµ RB lµ b¸n kÝnh vïng xo¸y b·o gi¶, k lµ c¸c mùc th¼ng ®øng [19], [29]. Còng víi lý thuyÕt x©y dùng xo¸y nh− trªn nh−ng Qingnong Xiao vµ nhãm nghiªn cøu (2006) l¹i x©y dùng tr−êng giã gi¶ trªn 13 mùc: mùc biÓn, 1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150 vµ 100 hPa. S¬ ®å ®−îc ¸p dông cho m« h×nh MM5 víi sè liÖu tr−êng nÒn cña hÖ thèng ®ång hãa 3DVAR lµ mode cycling (nghÜa lµ c¸c dù b¸o tr−êng nÒn lµ c¸c dù b¸o h¹n ng¾n cña m« h×nh MM5 tõ chu kú ph©n tÝch 3DVAR tr−íc ®ã). KÕt qu¶ thö nghiÖm còng chØ ra r»ng s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ ®· cho nh÷ng c¶i thiÖn ®¸ng kÓ vÒ c¶ quü ®¹o vµ c−êng ®é b·o [28]. S¬ ®å ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ víi lý thuyÕt x©y dùng xo¸y ë trªn cßn ®−îc Liqiang Chen vµ Qingnong Xiao thö nghiÖm cho m« h×nh WRF. Hä nhËn thÊy r»ng ngoµi viÖc kh«i phôc l¹i cÊu tróc ban ®Çu cña xo¸y b·o hiÖu qu¶ th× s¬ ®å nµy cßn sinh ra tr−êng ph©n tÝch cña c¬n b·o c©n b»ng víi m« h×nh h¬n khi chØ ®−îc néi suy víi WPS [22]. Y.-R Guo vµ ®ång sù chØ ra sù thµnh c«ng cña ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ kÕt hîp víi t¸c ®éng ®Õn thµnh phÇn thèng kª sai sè nÒn (BES)- lµ mét thµnh phÇn quan träng trong hÖ thèng ®ång hãa sè liÖu 3DVAR cña m« h×nh WRF. Thö nghiÖm víi c¬n b·o Haitang (2005) kh«ng chØ cho nh÷ng c¶i thiÖn ®¸ng kÓ trong vÞ trÝ vµ c−êng ®é b·o mµ cßn c¶ víi tr−êng ph©n tÝch cña hoµn l−u synop quy m« lín khi kÕt hîp nh÷ng hiÖu chØnh BES kh¸c nhau víi hÖ thèng ®ång hãa nµy [18]. GÇn ®©y h¬n, s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu gi¶ 4DVAR ®−îc ®Ò xuÊt trong ban ®Çu hãa b·o ®Ó sinh ra xo¸y ban ®Çu æn ®Þnh víi m« h×nh dù b¸o (Zou vµ Xiao 2000). 4DVAR sö dông m« h×nh dù b¸o thùc ®Ó ®−a ra c©n b»ng ®éng lùc trong suèt quy tr×nh ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶. Xo¸y ban ®Çu ®−îc sinh ra kh«ng chØ c©n b»ng víi tr−êng ban ®Çu mµ cßn æn ®Þnh víi vËt lý vµ ®é ph©n gi¶i m« h×nh. Lîi thÕ cña 4DVAR trong nghiªn cøu c¸c c¬n b·o ®· ®−îc chøng minh trong tµi liÖu gÇn ®©y 11
(Xiao 2000; Zhang 2003). Tuy nhiªn h¹n chÕ dÔ thÊy trong ph−¬ng ph¸p nµy lµ quy tr×nh cùc tiÓu hãa cña nã kh¸ tèn kÐm. T¹i giai ®o¹n hiÖn t¹i, viÖc ¸p dông thêi gian thùc cña ®ång hãa sè liÖu 4DVAR trong hÖ thèng dù b¸o b·o vÉn cã nh÷ng khã kh¨n cña nã. Ng−îc l¹i tiÕp cËn 3DVAR cã chi phÝ tÝnh to¸n rÎ h¬n. V× c¸c hÖ thèng 3DVAR chøa c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng thèng kª vµ ®éng lùc (Lorenc 2000, Barker 2004) nªn viÖc thùc hiÖn ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ trong suèt quy tr×nh ph©n tÝch cho phÐp cÊu tróc b·o ®−îc ph¸t triÓn trong c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng vµ æn ®Þnh [31]. ë ViÖt Nam, bµi to¸n xo¸y gi¶ còng ®· ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu. Tuy nhiªn chñ yÕu ®Ò cËp ®Õn ph−¬ng ph¸p cµi xo¸y ®Ó kÕt hîp xo¸y nh©n t¹o víi tr−êng m«i tr−êng [5], [7], [8], [10], [11]. Míi ®©y, t¸c gi¶ Phan V¨n T©n vµ NguyÔn Lª Dòng còng ®−a ra mét vµi kÕt qu¶ thö nghiÖm ®−îc c¶i thiÖn ®¸ng kÓ ®èi víi ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ víi lý thuyÕt xo¸y cña Smith trong m« h×nh WRF. Theo lý thuyÕt xo¸y cña Smith, khi cho tr−íc mét ph©n bè giã lý thuyÕt vµ ph©n bè cña c¸c yÕu tè m«i tr−êng, cã thÓ tÝnh ®−îc ph©n bè theo b¸n kÝnh vµ ®é cao cña khÝ ¸p, mËt ®é vµ nhiÖt ®é. M¹ng l−íi tr¹m quan tr¾c "gi¶" ph©n bè theo ph−¬ng b¸n kÝnh, víi t©m lµ vÞ trÝ t©m quan tr¾c cña xo¸y b·o ë thêi ®iÓm ph©n tÝch. C¸c yÕu tè quan tr¾c “gi¶” ®−îc sö dông bao gåm ¸p suÊt mùc biÓn, giã (tèc ®é vµ h−íng), ®é cao ®Þa thÕ vÞ, nhiÖt ®é vµ ®é Èm trªn sè mùc ®¼ng ¸p tïy thuéc vµo ®é m¹nh cña c¬n b·o. §èi víi tr−êng hîp c¸c c¬n b·o m¹nh (cÊp Typhoon theo thang Saffir- Simpson), hä sö dông sè liÖu trªn ba mùc 1000mb, 850mb vµ 700mb cña xo¸y nh©n t¹o. Vµ ®èi víi c¸c tr−êng hîp b·o yÕu h¬n (Tropical Storm) t¸c gi¶ chØ sö dông hai mùc 1000mb vµ 850mb [2]. 1.3 C¸c m« h×nh dù b¸o b·o trong vµ ngoµi n−íc B·o lµ mét lo¹i h×nh thêi tiÕt ®Æc biÖt, v× thÕ vÒ nguyªn t¾c, mét m« h×nh dù b¸o thêi tiÕt cã thÓ dù b¸o b·o. Tuy nhiªn, trong øng dông thùc tÕ, tïy vµo t×nh huèng cô thÓ ng−êi ta cã thÓ x©y dùng nh÷ng m« h×nh dµnh riªng cho dù b¸o b·o hay mét phiªn b¶n dµnh riªng cho dù b¸o b·o. Trong môc nµy sÏ chØ tr×nh bµy nh÷ng m« h×nh nghiÖp vô ®−îc x©y dùng víi môc ®Ých chÝnh ®Ó dù b¸o b·o hoÆc cã nh÷ng c¶i tiÕn nh»m ®−a ra dù b¸o b·o tèt h¬n. 12
M« h×nh ®Çu tiªn ®−îc ®−a vµo dù b¸o quÜ ®¹o b·o nhiÖt ®íi nghiÖp vô lµ m« h×nh chÝnh ¸p SANBAR (Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model). SANBAR ®−îc ph¸t triÓn bëi Sanders vµ Burpee (1968) vµ ®−îc ®−a vµo dù b¸o nghiÖp vô t¹i Trung t©m B·o Quèc gia Hoa Kú ë Miami vµo cuèi thËp kû 60. M« h×nh dùa trªn quan ®iÓm truyÒn thèng lµ b·o nhiÖt ®íi di chuyÓn theo dßng dÉn. Dßng dÉn ë ®©y ®−îc x¸c ®Þnh lµ tr−êng trung b×nh líp s©u (DLM - Deep Layer Mean: ®−îc x¸c ®Þnh bëi trung b×nh cã träng sè th¼ng ®øng cña c¸c biÕn khÝ t−îng). QuÜ ®¹o b·o ®−îc dù b¸o b»ng c¸ch tÝch ph©n ph−¬ng tr×nh xo¸y chÝnh ¸p sö dông ph©n bè ®é xo¸y vµ hµm dßng trung b×nh líp. C¸c c¬n b·o ®−îc biÓu diÔn bëi c¸c xo¸y ®èi xøng nh©n t¹o vµ mét ph©n bè hµm dßng phi ®èi xøng ®Ó x¸c ®Þnh vËn tèc tr«i t¹i t©m b·o. MÆc dï víi ®é ph©n gi¶i rÊt th« (154 km) vµ sè liÖu quan tr¾c khÝ t−îng rÊt th−a thít nh−ng SANBAR ®· ®−a ra nh÷ng dù b¸o quÜ ®¹o rÊt tèt so víi nh÷ng m« h×nh khÝ hËu vµ qu¸n tÝnh. Mét m« h×nh chÝnh ¸p rÊt thµnh c«ng sau SANBAR lµ m« h×nh phæ lång cña Vic Ooyama (VICBAR; DeMaria vµ nnk. 1992). VICBAR sö dông biÓu diÔn spline- B cho tÊt c¶ c¸c biÕn vµ gi¶i ph−¬ng tr×nh n−íc n«ng trªn täa ®é sö dông phÐp chiÕu Mercator. Bèn l−íi lång liªn tiÕp cã ®é ph©n gi¶i lÇn l−ît lµ: 4.8, 2.4, 1.2, 0.6 ®é kinh vÜ. Sè liÖu ph©n tÝch 800-200 hPa cña mét m« h×nh phæ toµn cÇu cña NCEP ®−îc sö dông ®Ó tÝnh trung b×nh líp cho ®iÒu kiÖn ban ®Çu vµ ®iÓu kiÖn biªn phô thuéc thêi gian cña VICBAR. Ngoµi ra, m« h×nh cßn sö dông thªm c¸c sè liÖu tõ quan tr¾c m¸y bay vµ ¶nh m©y vÖ tinh vµ bãng th¸m kh«ng trong qu¸ tr×nh ban ®Çu hãa. Dùa trªn c¸c chØ thÞ b·o nghiÖp vô, mét xo¸y ®èi xøng nhËn t¹o vµ mét thµnh phÇn vËn tèc giã h»ng sè (dùa trªn tèc ®é di chuyÓn quan tr¾c) ®−îc x©y dùng vµ kÕt hîp víi ph©n tÝch kh¸ch quan cña m« h×nh toµn cÇu. N¨m 1996, VICBAR ®−îc ph¸t triÓn thµnh phiªn b¶n ch¹y nghiÖp vô b»ng c¸ch thay biÓu diÔn spline-B b»ng biÓu diÔn d¹ng chuçi hµm sin trë thµnh m« h×nh dù b¸o quÜ ®¹o b·o LBAR (Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model) (Horsfall vµ nnk. 1997. Mét m« h×nh chÝnh ¸p dù b¸o quÜ ®¹o b·o kh¸ thµnh c«ng gÇn ®©y ®−îc ph¸t triÓn bëi Weber (2001) (WBAR). WBAR gåm 2 phÇn chÝnh: (1) ban ®Çu hãa xo¸y nh»m lo¹i bá xo¸y thiÕu chÝnh x¸c trªn tr−êng ph©n tÝch toµn cÇu vµ x©y dùng xo¸y 13
nh©n t¹o lµm ®Çu vµo cho m« h×nh; (2) m« h×nh sè tÝch ph©n hÖ ph−¬ng tr×nh n−íc n«ng trªn täa ®é ®Þa lý sö dông c¸c biÕn trung b×nh líp. WBAR ®· ®−îc thö nghiÖm cho 167 tr−êng hîp b·o §¹i T©y D−¬ng vµ ®· kh¼ng ®Þnh ®−îc kü n¨ng dù b¸o quÜ ®¹o b·o t−¬ng ®èi tèt, tuy thÕ còng thÓ hiÖn nh−îc ®iÓm cña m« h×nh chÝnh ¸p lµ sù t¨ng lªn cña sai sè vÞ trÝ khi c¸c hÖ thèng tµ ¸p ph¸t triÓn. Cïng víi sù ph¸t triÓn m¹nh mÏ cña c«ng nghÖ m¸y tÝnh lµ sù sù ph¸t triÓn cña nh÷ng m« h×nh khu vùc ba chiÒu phøc t¹p, nh− m« h×nh b·o cña GFDL cña Hoa Kú (Kurihara vµ nnk. 1993, Bender vµ nnk. 1993) vµ TC-LAPS (Davidson vµ Weber 2000) cña Australia ®· dÉn tíi chÊt l−îng dù b¸o quÜ ®¹o b·o ®−îc c¶i thiÖn ®¸ng kÓ. Do sù th−a thít sè liÖu ë vïng l©n cËn b·o, hai m« h×nh trªn ®Òu sö dông c¸c ph−¬ng ph¸p ban ®Çu hãa xo¸y kh¸ phøc t¹p. M« h×nh qui m« võa MM5 (Grell vµ nnk. 1994) còng ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ sö dông nghiªn cøu dù b¸o quÜ ®¹o b·o víi sù ¸p dông cña s¬ ®å cµi xo¸y ®èi xøng (Lownam, 2001) hoÆc ¸p dông ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu (Zou and Xiao (2000), Xiao vµ nnk (2006)). ë ViÖt Nam, viÖc nghiªn cøu ph¸t triÓn vµ øng dông c¸c m« h×nh sè ®· ®−îc b¾t ®Çu tõ nh÷ng n¨m 70 cña thÕ kû tr−íc. Song v× nhiÒu lý do kh¸c nhau mµ chñ yÕu lµ sù h¹n chÕ cña ph−¬ng tiÖn tÝnh to¸n, cho ®Õn nh÷ng n¨m gÇn ®©y c¸c m« h×nh sè míi thùc sù ®−îc nghiªn cøu øng dông mét c¸ch hiÖu qu¶. TrÞnh V¨n Th− vµ Kinsnamurti (1992) ®· nghiªn cøu ban ®Çu hãa xo¸y b·o cho mét m« h×nh n−íc n«ng mét mùc ®Ó dù b¸o quÜ ®¹o hai c¬n b·o Betty (1987) vµ Dan (1989) trªn khu vùc BiÓn §«ng. VÒ c¬ b¶n, xo¸y nh©n t¹o lµ mét xo¸y Rankine sö ®æi víi sè mò lµ -0.6, tr−êng ®é cao nhËn ®−îc b»ng c¸ch gi¶i ph−¬ng tr×nh giã gradient. Tuy nhiªn, v× nhiÒu lÝ do kh¸ch quan vÒ ph−¬ng tiÖn tÝnh to¸n nªn m« h×nh kh«ng ®−îc ¸p dông réng r·i ë ViÖt Nam. Mét trong nh÷ng m« h×nh ®· ®−îc nghiªn cøu øng dông vµ ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ trong n−íc quan t©m lµ m« h×nh WBAR. Phan V¨n T©n vµ nnk (2002) ®· kh¶o s¸t WBAR vµ thÊy r»ng m« h×nh nµy cã kh¶ n¨ng dù b¸o quÜ ®¹o b·o cho khu vùc T©y B¾c Th¸i B×nh D−¬ng vµ BiÓn §«ng. V× thÕ, nã ®· ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ trong n−íc nghiªn cøu c¶i tiÕn, nh− Bïi Hoµng H¶i, Phan V¨n T©n (2002), Vâ V¨n Hßa (2004) [7]. HÇu hÕt c¸c t¸c gi¶ ®· nghiªn cøu ®iÒu chØnh c¸c ph−¬ng ¸n ban ®Çu 14
hãa, c¸ch tÝnh trung b×nh líp s©u, v.v ®Ó rót ra ®−îc nh÷ng bé tham sè tèi −u cho dù b¸o quÜ ®¹o b·o ë ViÖt Nam. Ngoµi ra, m« h×nh n−íc n«ng 3 líp Dengler còng ®−îc mét sè t¸c gi¶ nghiªn cøu vµ cho thÊy nã cã kh¶ n¨ng dù b¸o quÜ ®¹o b·o cho khu vùc BiÓn §«ng (Lª C«ng Thµnh vµ KiÒu ThÞ Xin, 2003). Ngoµi c¸c m« chÝnh ¸p, mét sè m« h×nh ba chiÒu ®Çy ®ñ còng ®−îc c¸c t¸c gi¶ nghiªn cøu kh¶ n¨ng dù b¸o quÜ ®¹o b·o. M« h×nh ®Çu tiªn cÇn ®−îc nh¾c ®Õn lµ m« h×nh khu vùc ph©n gi¶i cao HRM, hiÖn ®ang ®−îc ch¹y nghiÖp vô t¹i Trung t©m dù b¸o khÝ t−îng thñy v¨n Trung −¬ng. S¶n phÈm dù b¸o cña HRM ®−îc dïng nh− mét nguån th«ng tin tham kh¶o chÝnh cho c¸c b¶n tin dù b¸o, trong ®ã cã th«ng tin dù b¸o ®−êng ®i cña b·o. Nh÷ng nghiªn cøu cña Lª C«ng Thµnh, 2004 cho thÊy HRM cã kü n¨ng dù b¸o cao h¬n c¸c m« h×nh WBAR vµ Dengler vµ cã thÓ n¾m b¾t ®−îc nh÷ng tr−êng hîp b·o cã quÜ ®¹o phøc t¹p mµ c¸c m« h×nh chÝnh ¸p kh«ng n¾m b¾t ®−îc. M« h×nh qui m« võa MM5 còng ®−îc nhiÒu t¸c gi¶ quan t©m nghiªn cøu kh¶ n¨ng dù b¸o quÜ ®¹o b·o. TrÇn T©n TiÕn vµ nnk. (2004) còng ®· nghiªn cøu thö nghiÖm m« h×nh ETA kh«ng thñy tÜnh vµo dù b¸o mét sè hiÖn t−îng thêi tiÕt ë ViÖt Nam trong ®ã cã dù b¸o quÜ ®¹o b·o. Hoµng §øc C−êng (2004) trong khu«n khæ ®Ò tµi cÊp Bé vÒ kh¶ n¨ng ¸p dông m« h×nh MM5 cho dù b¸o h¹n ng¾n ë ViÖt Nam ®· cã nhËn ®Þnh lµ “khi trong miÒn tÝnh cã sù ho¹t ®éng cña xo¸y thuËn nhiÖt ®íi nhÊt thiÕt ph¶i sö dông chøc n¨ng cµi xo¸y cña m« h×nh” vµ cÇn cã nh÷ng nghiªn cøu chuyªn s©u vÒ c¸c s¬ ®å ban ®Çu hãa xo¸y ®Ó ¸p dông vµo dù b¸o quÜ ®¹o b·o. §Æng ThÞ Hång Nga vµ céng sù (2006) ®· nghiªn cøu ¸p dông s¬ ®å ban ®Çu hãa xo¸y cña TC-LAPS vµo m« h×nh MM5 vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ kh¶ quan [4]. ThS. Vâ V¨n Hßa còng cã nghiªn cøu vÒ ®¸nh gi¸ dù b¸o quü ®¹o b·o cña m« h×nh WRF vµ nhËn thÊy r»ng m« h×nh WRF cã sai sè trung b×nh t−¬ng ®èi nhá. §Æc biÖt, kü n¨ng dù b¸o quü ®¹o b·o cña m« h×nh trong tr−êng hîp c¸c c¬n b·o cã quü ®¹o phøc t¹p lµ kh¸ tèt [6]. Nh÷ng nghiªn cøu kÓ trªn cho thÊy kh¶ n¨ng ¸p dông m« h×nh sè trÞ vµo dù b¸o quÜ ®¹o b·o ë ViÖt Nam lµ hiÖn thùc vµ nghiªn cøu ph¸t triÓn s¬ ®å ban ®Çu hãa xo¸y lµ b−íc cÇn thiÕt ®èi víi bµi to¸n dù b¸o b·o. 15
CH¦¥NG 2: M¤ H×NH WRF Vµ QUY TR×NH §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶ phôc vô dù b¸o b·o 2.1. M« h×nh WRF sö dông trong dù b¸o b·o M« h×nh Nghiªn cøu vµ Dù b¸o Thêi tiÕt WRF (Weather Research and Forecasting) lµ mét hÖ thèng gåm nhiÒu mo®un kh¸c nhau, ®−îc ph¸t triÓn bëi sù hîp t¸c gi÷a mét sè trung t©m khÝ t−îng lín cña Hoa kú, nh− trung t©m Quèc gia nghiªn cøu khÝ quyÓn (NCAR), trung t©m Quèc gia dù b¸o m«i tr−êng (NCEP), côc khÝ t−îng kh«ng qu©n (AFWA), v.v... Dù ¸n x©y dùng WRF nh»m môc ®Ých chÝnh lµ cã ®−îc mét m« h×nh khu vùc võa cã thÓ ¸p dông trong dù b¸o nghiÖp vô võa lµm c«ng cô nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh qui m« võa. WRF ra ®êi vµ ph¸t triÓn dùa trªn sù kÕ thõa nh÷ng thµnh tùu trong lÜnh vùc m« h×nh hãa thêi tiÕt vµ khÝ hËu, mÆt kh¸c nã còng ®−îc thiÕt kÕ ®Ó cã thÓ ¸p dông vµ h−íng tíi c¸c ph−¬ng ph¸p hiÖn ®¹i trong ph©n tÝch, xö lý vµ ®ång hãa sè liÖu. M« h×nh WRF cho phÐp sö dông c¸c tïy chän kh¸c nhau ®èi víi tham sè hãa c¸c qu¸ tr×nh vËt lý, nh− tham sè hãa bøc x¹, tham sè ho¸ líp biªn hµnh tinh, tham sè ho¸ ®èi l−u m©y tÝch, khuÕch t¸n xo¸y rèi qui m« d−íi l−íi hay c¸c qu¸ tr×nh vi vËt lý kh¸c. HiÖn t¹i WRF cã hai phiªn b¶n lµ phiªn b¶n nghiªn cøu n©ng cao ARW (Advanced Research WRF) vµ phiªn b¶n m« h×nh qui m« võa phi thñy tÜnh NMM (Nonhydrostatic Meso Model). Trong luËn v¨n nµy t¸c gi¶ ®· sö dông phiªn b¶n ARW lµm c«ng cô nghiªn cøu. Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, m« h×nh WRF ®· ®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn trªn thÕ giíi vµ ViÖt Nam. Theo thèng kª gÇn ®©y (cho ®Õn ngµy 13/09/2006) th× ®· cã h¬n 4000 c¬ quan vµ c¸ nh©n ®¨ng ký lµm thµnh viªn vµ sö dông m« h×nh WRF trong nghiªn cøu còng nh− ch¹y nghiÖp vô. Cô thÓ, t¹i Mü m« h×nh WRF ®ang ®−îc ch¹y nghiÖp vô t¹i Trung t©m dù b¸o m«i tr−êng quèc gia NCEP (tõ n¨m 2004) vµ C¬ quan KhÝ t−îng Kh«ng lùc Hoa Kú AFwa (tõ th¸ng 7 n¨m 2006). Trªn thÕ giíi, m« h×nh WRF ®−îc ch¹y nghiÖp vô t¹i KMA (tõ n¨m 2006), t¹i Ên ®é, Israel vµ §µi Loan (tõ n¨m 2007).... H¬n n÷a, m« h×nh WRF lµ mét trong rÊt Ýt m« h×nh dù b¸o sè trÞ trªn thÕ giíi cã hç trî c¶ hÖ thèng ®ång hãa sè liÖu còng nh− c¸c c«ng cô hiÓn thÞ vµ ®¸nh gi¸ kÕt qu¶. Bªn c¹nh ®ã, sù tèi −u hãa trong m· nguån tÝnh to¸n cña WRF 16
cho phÐp ng−êi sö dông cã thÓ ch¹y m« h×nh trªn rÊt nhiÒu lo¹i m¸y tÝnh víi c¸c hÖ ®iÒu hµnh kh¸c nhau còng nh− ch¹y song song víi bé nhí chia sÎ OpenMP hay bé nhí ph©n t¸n MPI. ChÝnh v× nh÷ng tÝnh n¨ng −u viÖt trªn, trong luËn v¨n nµy t¸c gi¶ ®· lùa chän m« h×nh WRF lµm c«ng cô cho nghiªn cøu vÒ bµi to¸n dù b¸o b·o [6]. 2.1.1. HÖ täa ®é th¼ng ®øng vµ c¸c biÕn th«ng l−îng C¸c ph−¬ng tr×nh trong m« h×nh ARW ®−îc x©y dùng cho hÖ täa ®é th¼ng ®øng thñy tÜnh theo ®Þa h×nh, ký hiÖu lµ η, ®−îc ®Þnh nghÜa bëi: Pht=const η = ( p h − pht ) µ víi µ = p hs − p ht (2.1) 0 Trong ®ã ph lµ thµnh phÇn thñy tÜnh cña 0.25 khÝ ¸p, phs vµ pht lµ c¸c gi¸ trÞ däc theo bÒ mÆt vµ biªn trªn t−¬ng øng. Bëi µ ( x, y ) thÓ hiÖn η 0.5 khèi l−îng cña cét khÝ quyÓn cã diÖn tÝch ®¬n 0.75 Phs vÞ t¹i « l−íi (x,y) cña miÒn tÝnh, nªn ARW sö 1 dông c¸c biÓu thøc ë d¹ng th«ng l−îng cã H×nh 2.2: Täa ®é th¼ng d¹ng: ®øng η cña ARW. V = µv = (U ,V ,W ), Ω = µη , Θ = µθ & (2.2) Trong ®ã, v = (u,v,w) lµ vector giã, ω = η lµ tèc ®é th¼ng ®øng trong hÖ täa & ®é η, θ lµ nhiÖt ®é thÕ vÞ, φ = gz lµ ®Þa thÕ vÞ, p lµ khÝ ¸p, α lµ thÓ tÝch riªng ®−îc ®Þnh nghÜa lµ nghÞch ®¶o cña mËt ®é ρ. 2.1.2. HÖ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n C¸c ph−¬ng tr×nh Euler d¹ng th«ng l−îng cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: ∂ tU + (∇ ⋅ Vu ) − ∂ x ( pφη ) + ∂ η ( pφ x ) = FU (2.3) ∂ tV + (∇ ⋅ Vv ) − ∂ v ( pφη ) + ∂ η ( pφv ) = FV (2.4) ∂ tW + (∇ ⋅ Vw) − g (∂η p − µ ) = FW (2.5) ∂ t Θ + (∇ ⋅ Vθ ) = FΘ (2.6) 17