Tài liệu Phương pháp số dự báo thời tiết docx

PHƯƠNG PHAP SỐ DỰ BÁO THỜI TIẾT Trần Tân Tiến NXB Đại học Quốc gia Hà Nội - 2007 Từ khóa: Sơ đồ sai phân, tốn tử, bất ổn định, thủy động lực học, cjính áp, tà áp, solenoiit, phân tích quy mơ, phương trình nước nơng, hội tụ Tài liệu Thư viện điện tử Trường Đại học Khoa học Tự nhiên sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác khơng chấp thuận nhà xuất tác giả ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRẦN TÂN TIẾN PHƯƠNG PHÁP SỐ DỰ BÁO THỜI TIẾT NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting Chương Các phương pháp sai phân hữu hạn giải phương trình thủy nhiệt động lực học 3.1 Phương pháp lưới MỤC LỤC 71 71 3.2 Gần đạo hàm sai phân hữu hạn 3.3 Khái niệm hòa hợp, ổn định sơ đồ sai phân hữu hạn 79 3.4 Phương pháp xây dựng sơ đồ sai phân hữu hạn Mở đầu 72 82 3.5 Toán tử Jacobian 88 Chương Các phương trình thuỷ nhiệt động lực học cho khí 1.1 Các q trình khí vấn đề xây dựng mơ hình dự báo 11 3.6 Sơ đồ tích phân theo thời gian 91 3.7 Hội tụ nghiệm số 95 11 3.8 Tính ổn định sơ đồ sai phân hữu hạn 96 1.2 Các phương trình nhiệt động lực học cho chất lỏng lý tưởng 14 1.3 Các phương trình thuỷ nhiệt động lực học cho khí rối 20 1.4 Hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực với toạ độ thẳng đứng 23 1.5 Hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học hệ toạ độ áp suất 1.6 Hệ toạ độ  30 1.7 Phương trình xốy phương trình Divecgiăng 36 1.8 Hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học hệ toạ độ cầu 1.9 Tính ảnh hưởng hình chiếu đồ 3.9 Phân tích ổn định tính tốn sơ đồ sai phân hữu hạn 100 3.10 Bất ổn định tính tốn phi tuyến 111 3.11 Ảnh hưởng sai số đến ổn định nghiệm số 114 Chương Các mơ hình dự báo tựa địa chuyển tựa solenoit 117 4.1 Phương trình xốy áp 117 4.2 Mơ hình áp tựa địa chuyển 125 4.3 Sơ đồ dự báo tựa địa chuyển ba chiều 131 4.4 Giải phương trình cho xu địa vị phương pháp mặt phẳng 141 4.5 Giải phương trình cho xu địa vị phương pháp lồng khơng gian 147 41 50 4.6 Các mơ hình dự báo tựa solenoit 153 55 4.7 Xác định hàm dịng theo phương trình cân 157 2.1 Phương pháp phân tích quy mơ 56 4.8 Các tính chất tích phân 161 2.2 Hệ phương trình nước nơng 57 2.3 Các phương trình tà áp 62 2.4 Phân tích quy mơ phương trình 66 2.5 Quy mơ hành tinh 68 2.6 Hệ phương trình cân 69 Chương Phân tích quy mơ 34 !Invalid Character Setting Chương Các mơ hình dự báo dựa phương trình thủy nhiệt động lực học nguyên thủy 5.1 Bài toán dự báo dựa hệ phơng trình nguyên thủy 165 165 5.2 Hệ phương trình ngun thủy cho khí áp 172 5.3 Tính chất tích phân mơ hình dựa hệ phương trình ngun thủy 176 !Invalid Character Setting 5.4 Ngăn chặn làm suy yếu bất ổn định phi tuyến 185 5.5 Các sơ đồ sai phân hữu hạn sử dụng mơ hình dự báo 188 5.6 Phương pháp tách 197 5.7 Phương trình vận chuyển thực thể theo quỹ đạo 204 5.8 Sơ đồ dự báo Martruc G.I đựa hệ phương trình đầy đủ giải phương pháp tách 207 5.9 !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting MỞ ĐẦU Dự báo số trị phương pháp dự báo thời tiết dựa sở tích phân số trị hệ phương trình thuỷ động lực học khí Ngày nhiều nước, phương pháp sử dụng để dự báo thời tiết điều kiện nghiệp vụ Lý thuyết dự báo số trị phần khí tượng động lực, tách thành giáo trình độc lập có ý nghĩa thực tiễn lớn cần nghiên cứu kỹ so với phần khác Nhiệm vụ môn dự báo số trị khảo sát cách định lượng quy luật q trình khí nghiên cứu phương pháp tích phân hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học Mơn dự báo số trị hình thành từ đầu kỷ XX Giai đoạn đầu chủ yếu sử dụng quy luật riêng biệt để dự báo Đầu kỷ thứ XX, Biercnes người đưa vấn đề dự báo thời tiết cách tích phân phương trình động lực học khí Richarson người tiến hành dự báo thời tiết phương pháp số trị, năm 1922 ông viết “Dự báo thời tiết q trình tính tốn” Kết tính tốn khơng thành cơng quy luật vật lý chưa nghiên cứu kỹ, hệ phương trình chưa khảo sát, số liệu ít, cao, phương pháp tích phân chưa ổn định, chưa có máy tính điện tử Năm 1914, Fridman lập bảng đại lượng đạo hàm cấp chúng Nhờ có bảng đại lượng ơng phân tích phương trình xốy tìm phương trình làm sở cho việc dự báo thời tiết phương pháp trị số, mở hướng phát triển Trong năm 40 kỷ XX, lập sơ đồ dự báo phương pháp số trị Năm 1940, Kibel sử dụng điều kiện tựa tĩnh gần địa chuyển tìm nghiệm tốn dự báo !Invalid Character Setting dạng chuỗi Năm 1938-1940 Rozby công bố nhiều cơng trình lý thuyết sóng dài dịng vĩ hướng, cơng trình ảnh hưởng lớn đến việc phát triển dự báo Năm 1943, Blinôva lập phương trình dự báo động lực cho vài ngày Năm 1951, Bulev Martruc tìm nghiệm giải tích hệ phương trình dự báo khí tà áp Kết đánh dấu bước nhảy vọt dự báo số trị sử dụng rộng rãi sơ đồ dự báo nghiệp vụ nhiều nước Sau năm 1950, xuất phát triển máy tính điện tử mạnh mẽ nên nhiều mơ hình dự báo thời tiết phức tạp xây dựng sử dụng Trước hết phải kể đến mơ hình Charny, Philips (1950 Mỹ), Belousov (1954 Liên Xô) Từ năm 1960, người ta ý xây dựng sơ đồ dự báo bỏ bớt hạn chế chúng Ngày nay, phương pháp tốn học kỹ thuật tính tốn cho phép xây dựng mơ hình khơng cần đến điều kiện trường gió trường độ cao địa vị hay mơ hình tích phân với số bước thời gian lớn, mô hình phi đoạn nhiệt dự báo mây, mưa, mơ hình dự báo tồn cầu Đến nay, hầu sử dụng phương pháp số trị để dự báo thời tiết Các trung tâm khí tượng lớn giới sử dụng mơ hình dự báo toàn cầu với bước lưới khoảng 100 km đưa kết internet Các trung tâm khí tượng, quan nghiên cứu dự báo khí tượng cá nhân quan tâm thu nhận kết dự báo Các kết dự báo toàn cầu sử dụng làm điều kiện biên điều kiện ban đầu cho mơ hình dự báo quy mô vừa nước Trong trình dự báo theo mơ hình quy mơ vừa, cập nhật điều kiện địa phương để tăng độ xác dự báo Giáo trình gồm chương: Chương trình bày hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học loại hệ toạ độ sử dụng khí tượng !Invalid Character Setting Chương trình bày lý thuyết phân tích quy mơ giúp đánh giá vai trò thành phần phương trình thuỷ nhiệt động lực Từ chọn hệ phương trình cho tốn khí tượng quan tâm Chương trình bày lý thuyết xây dựng sơ đồ sai phân hữu hạn phương trình thuỷ nhiệt động lực học phân tích độ ổn định tính tốn loại sơ đồ sai phân sử dụng dự báo số trị Chương trình bày sơ đồ dự báo dựa gần địa chuyển Solenoit Chương trình bày sơ đồ dự báo dựa hệ phương trình ngun thuỷ tính bảo tồn đại lượng vật lý mơ hình Giáo trình dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên ngành khí tượng làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học, cán nghiên cứu ngành khí tượng thuỷ văn !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting Rn - Hằng số khí riêng nước CÁC KÝ HIỆU CHÍNH  - Dịng nhập nhiệt đến đơn vị thể tích O - Bậc đại lượng  - Địa vị a - Bán kính trái đất B - Thông lượng nhiệt đất C p - Nhiệt dung riêng đẳng áp khơng khí C v - Nhiệt dung riêng đẳng tích khơng khí u - Thành phần tốc độ theo trục ox v - Thành phần tốc độ theo trục oy w - Thành phần tốc độ theo trục oz dl  - Tham số Rozby dy   C - Nhiệt dung riêng nước D T - Nhiệt độ tuyệt đối Td - Nhiệt độ điểm sương u v  - Divegiăng ngang tốc độ x y d - Độ hụt điểm sương F - Lực tác động lên đơn vị khối lượng g - Gia tốc rơi tự   grad - Gradien T - gradien thẳng đứng nhiệt độ z  a - gradien đoạn nhiệt khô  Èm - gradien đoạn nhiệt ẩm   p - Trục thẳng đứng không thứ nguyên P  - Trục trẳng đứng tổng quát  - Nhiệt độ vị x  Cp / cv - Hằng số Kazman  - Mật độ khơng khí J ( A, B ) - Jacobian K - Hệ số rối L - Nhiệt ngưng kết Ln - Nhiệt tan băng  n - Mật độ nước   p / Ps - Toạ độ thẳng đứng không thứ nguyên l  2 sin  - Tham số Coriolis  - Vĩ độ địa lý P  1000 - áp suất mặt biển hPa p - áp suất khí R - Hằng số khí riêng khơng khí khơ !Invalid Character Setting  - Xốy tốc độ  - Tốc độ góc trái đất !Invalid Character Setting trường áp suất đạt hàng chục mb (hpa), trường hợp gió đạt hàng chục m/s Đây q trình quy mơ lớn Các q trình cần tính đến mơ hình dự báo Chương CÁC PHƯƠNG TRÌNH THUỶ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CHO KHÍ QUYỂN 1.1 CÁC Q TRÌNH CHÍNH TRONG KHÍ QUYỂN VÀ VẤN ĐỀ XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH DỰ BÁO Các q trình xảy khí chia thành ba dạng chính: Các q trình quy mơ lớn (macro), quy mô vừa (meso) quy mô nhỏ (micro) Các q trình quy mơ lớn có kích thước ngang hàng ngàn km (1-10 ngàn km) Chu kỳ q trình khoảng vài ngày (từ 1-10 ngày) Xốy thuận ngoại nhiệt đới đối tượng thuộc quy mơ lớn Các q trình có quy mơ vừa có kích thước ngang khoảng vài chục đến vài trăm km, chu kỳ khoảng vài Thí dụ, q trình quy mơ vừa front khí quyển, phát triển mây tích v.v Các q trình quy mơ nhỏ có kích thước ngang từ vài centimet đến vài mét chu kỳ từ vài giây đến vài phút Các trình lớp sát đất thuộc loại q trình quy mơ nhỏ Tất q trình khí mang tính chất sóng Việc tính tốn sóng mơ hình số vấn đề quan trọng cần ý xây dựng mơ hình dự báo số Có ba dạng sóng khí sóng qn tính, sóng trọng trường sóng âm Sóng qn tính (sóng Rozby hay sóng quy mơ lớn) có bước sóng dài hàng ngàn km, chu kỳ khoảng vài ngày Biên độ dao động !Invalid Character Setting Sóng trọng trường chủ yếu tạo q trình quy mơ vừa Biên độ sóng trường gió khoảng vài m/s Sóng cần tính đến mơ hình dự báo số Sóng âm thuộc loại qua trình quy mơ nhỏ Sóng khơng ảnh hưởng đến q trình khí tượng nên mơ hình cần lọc sóng âm để đảm bảo độ ổn định tính tốn q trình tích phân Các mơ hình dự báo thời tiết hạn ngắn (1-3 ngày) hạn vừa (3-10 ngày) tính ảnh hưởng q trình quy mơ lớn, quy mơ vừa quy mô nhỏ khác Biến đổi thời tiết diện rộng chủ yếu trình sóng quy mơ lớn Các q trình quy mơ nhỏ ảnh hưởng đến thời tiết Thời tiết khu vực nhỏ thời gian xác định ngày q trình quy mơ vừa, phát triển thời tiết quy mô lớn, tạo Các mơ hình mơ khí sở động lực vật lý trở thành cơng cụ hữu ích việc nghiên cứu dự báo nghiệp vụ 30 năm qua Tuy nhiên, hạn chế tốc độ máy tính việc giải tính chất vật lý đưa vào mơ hình nên khơng sử dụng kiểu mơ hình để tính tất quy mơ tượng Do vậy, nhiều mơ hình phát triển để mơ quy mơ chuyển động khác khí Hình 1.1 mơ tả phổ mơ hình: từ mơ hình hồn lưu chung thuỷ tĩnh tồn cầu với độ phân giải thơ (cỡ 200 km), mục đích dự báo hạn dài q trình qui mơ lớn đến mơ hình quần thể mây phi thuỷ tĩnh có độ phân giải cao (cỡ km nhỏ hơn) để tính hầu hết tất q trình động lực vật lý khí !Invalid Character Setting điểm cố định không gian thời điểm Phân loại mơ hình Thực bước ta xây dựng mơ hình dự báo số Trong phần sau trình bày nội dung bước GCM REGION MESO CLD-PBL GCM ECMWF - NGM - ETA - MASS/MM5 -CLOUD 300 km 100 km - 20 km - 1km Macro Meso  Meso  Meso  Micro YEARS WEEKS - DAYS - - DAY HOURS Hình 1.1 Phổ mơ hình dự báo số Nhận thấy mơ hình khu vực mơ hình qui mơ vừa nằm mơ hình qui mơ lớn mơ hình mây Khơng có phân biệt rõ ràng mơ hình khu vực mơ hình qui mơ vừa Người ta xem mơ hình khu vực có độ phân giải từ 50 - 150 km, cịn mơ hình qui mơ vừa từ - 50 km Một số mơ hình qui mơ vừa như: mơ hình ETA dự báo nghiệp vụ cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, Hông Kông, Đài Loan, hệ thống mô khí qui mơ vừa (MASS) dự báo cho khu vực Nam Corolia - Mỹ, mơ hình RAMS Mỹ, Hy Lạp Mơ hình HRM Đức, nước châu Âu, Việt Nam, MM5 Mỹ, Hồng Kông, Việt Nam Để xây dựng mơ hình dự báo số cần tiến hành bước sau: 1/ Xác định mô tả trình vật lý dẫn đến làm thay đổi thời 1.2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC CHO CÁC CHẤT LỎNG LÝ TƯỞNG Hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực học mơ tả q trình xảy khí gồm phương trình chuyển động, phương trình liên tục, phương trình nhập nhiệt, phương trình trạng thái phương trình vận chuyển ẩm Các phương trình rút rừ định luật bảo toàn động lượng, bảo toàn khối lượng bảo toàn lượng Các yếu tố khí tượng ta xét áp suất p, nhiệt độ T, mật độ  thành phần vận tốc nằm ngang u , v, thẳng đứng w Hệ toạ độ sử dụng hệ toạ độ Đề- (x,y,z) Trục z hướng lên trên, trục x theo tiếp tuyến với vĩ tuyên, trục y theo tiếp tuyến với kinh tuyến Do độ cong mặt đất nên hướng trục thay đổi di chuyển từ điểm đến điểm khác song ảnh hưởng lớn xét quy mơ cỡ bán kính trái đất cịn q trình quy mơ nhỏ hơn, ảnh hưởng khơng lớn nên bỏ qua xem hệ toạ độ hệ toạ độ vng góc Nếu xét khí khơng có nhớt phân tử, nhớt rối, khơng có dẫn nhiệt trao đổi nhiệt xạ coi khí chất lỏng lý tưởng Xét hệ phương trình thuỷ nhiệt động lực cho khí 1.2.1 Phương trình chuyển động tiết 2/ Chọn hệ phương trình vi phân mơ tả trình vật lý Phương trình chuyển động theo toạ độ có dạng chọn du p  Fx  dt  x 3/ Thay mơi trường khí liên tục, phức tạp thành môi trường đơn giản khơng gian gồm điểm hữu hạn 4/ Tích phân số trị phương trình để tìm yếu tố khí tượng !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting dv p  Fy   dt  y dw p  Fy   dt  z du p   v  1w dt  x dv p   u dt  y dw p   1u  g dt  z (1.2.1) d     ký hiệu:  u v w đạo hàm toàn phần dt t x y z Fx , F y Fz hình chiếu vectơ lực khối trục tương ứng Trong khí quyển, lực khối lượng bao gồm trọng lực lực Coriolic Ở trọng lực tổng vectơ lực hấp dẫn lực ly tâm Coi trọng lực hướng vào tâm trái đất nên g x  g y  g z   g Giá trị g phụ thuộc vào vĩ độ độ cao điểm xét so với mặt biển g  9.80(1  0.0026 cos 2 )(1  3.14.107 z ) Đối với tốn khí tượng phụ thuộc khơng đáng kể (khoảng vài phần nghìn) nên thường lấy g  9.8 m / s Lực Coriolic dạng vectơ biểu diễn:   K  2.  V (1.2.2) 1.2.2 Phương trình liên tục Phương trình liên tục biểu diễn định luật bảo toàn khối lượng áp dụng cho chuyển động chất lỏng viết dạng sau:    div( V )  (1.2.4) t đây:   u v w div ( V )  ( V )    x y z     u v w  div V (1.2.5) x y z u K x  2(  y w   z ) Vì vậy: K y  2( zu   x w) K z  2( x   y u ) Vì chọn hệ toạ độ có trục y trục x trùng với tiếp tuyến kinh, vĩ tuyến nên  x  Kký hiệu:  u v w     v w    x  y  z   x y z   Thay (1.2.5) vào (1.2.4)  u v w    0 t x y z d   u v w  0     dt  x y z    1  2y  2.Cos Khi hệ phương trình (1.2.1) viết dạng: !Invalid Character Setting (1.2.6) hay   2x  2 sin  (  vĩ độ địa lý) (1.2.3) Trong trường hợp chất lỏng không nén : d 0 dt !Invalid Character Setting (1.2.7) Các phương trình chuyển động: Các kí hiệu sử dụng mơ hình u u u u  '  u    u    u   u  v  w    fv   Km    Km    Km    z t x y z x x  x  y  y  z   Phương trình nhiệt động lực: il t  u il x v il                 w il  Kh il   Kh il   Kh il   il  Phương y z x  x  y  y  z  z   t rad         trình liên tục tỷ hỗn hợp thực thể nước: rn r r r r    r    r    u n  v n  w n   K h n    K h n    K h n    y   z  t x y z x  x  y  z     V Thành phần gió theo hướng bắc-nam W Thành phần gió thẳng đứng F Tham số coriolis Hệ số nhớt rối động lượng Kh w w w w ' g'   w   w   w  u  v  w   v   Km    Km    Km  t x y z x o x  x  y  y  z  z    Thành phần gió theo hướng đơng-tây Km v v v v  '  v    v    v   u  v  w    fu   Km    Km    Km  t x y z x x  x  y  y  z  z    U Hệ số nhớt rối nhiệt ẩm il Nhiệt độ vị nước lỏng-băng Tỷ hỗn hợp nước tổng cộng, mưa, tinh thể băng, tuyết rn  Phương Mật độ Con Chỉ số kí hiệu khuynh hướng tham số hố đối lưu Rad Chỉ số kí hiệu khuynh hướng tham số hoá xạ Res Chỉ số kí hiệu khuynh hướng tham số hố q trình vật lý vi mơ qui mơ lưới trình liên tục khối lượng: R o  '  t cv  o o   o o u  o o v  o o w    x  y  z     Lựa chọn thủy tĩnh RAMS thay phương trình chuyển động thẳng đứng phương trình liên tục khối lượng phương trình thủy tĩnh sau: G Trọng lực  g   grT  rv  z v rt Tỷ hỗn hợp nước tổng cộng rv Tỷ hỗn hợp nước u v w   0 x y z  Hàm Exner tổng cộng '  Hàm Exner nhiễu v Nhiệt độ vị ảo P Khí áp Lưới lồng sử dụng RAMS lưới C dạng chuẩn Lưới !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting thẳng đứng có khoảng cách biến đổi làm tăng độ phân giải gần mặt đất RAMS có nhiều cách lựa chọn sơ đồ sai phân thời gian Đối với mơ hình khơng thủy tĩnh, người dùng lựa chọn sơ đồ sai phân bậc tiến-lùi, sơ đồ Leapfrog sơ đồ lai bao gồm sai phân thời gian tiến biến nhiệt động lực sai phân Leapfrog thành phần vận tốc áp suất Mơ hình thủy tĩnh sử dụng sơ đồ tiến-lùi Các điều kiện biên xung quanh điều kiện phát xạ Đối với điều kiện biên bề mặt, dịng thơng lượng lớp bề mặt cung cấp thông tin trao đổi chủ yếu khí bề mặt Đối với điều kiện biên sử dụng điều kiện biên vách đơn giản (w = 0) hay áp dụng điều kiện biên phát xạ sóng trọng trường Klemp Durran Sơ đồ phân tích khách quan Barnes (1973) áp dụng cho gió, áp suất độ ẩm tương đối mực đẳng entropy Sơ đồ hoà hợp số liệu bốn chiều (4DDA) thực RAMS trường mơ hình "nudging" đến số liệu quan trắc q trình mơ Hai sơ đồ sử dụng nhiều mơ hình hố hồn lưu qui mơ vừa sơ đồ Kuo sơ đồ Fritsch Chappell Cả hai sơ đồ sử dụng mơ hình RAMS RAMS có hai lựa chọn tham số hố xạ sóng dài hai lựa chọn tham số hố xạ sóng ngắn Các lựa chọn đưa Mahrer Pielke, tham số hố đơn giản có hiệu khơng tính cho mây Lựa chọn thứ hai Chen Cotton tính đến tổng lượng ngưng kết xuất khí khối lượng tính tốn lớn !Invalid Character Setting Mơ hình RAMS áp dụng để dự báo hạn 1-3 ngày khu vực biển Đông Kích thước bước lưới 40 km cho miền dự báo gồm 90 x 90 điểm lưới theo phương ngang, tạo miền tính có kích thước 3600 x 3600 km Biên phía nam miền tính vào khoảng 50S, với mục tiêu mơ tả tốt hồn lưu gió mùa tây nam vào mùa hè, thổi từ nam bán cầu vượt qua xích đạo vào khu vực Đơng Nam Á Ngồi ra, để giải tốn liên hồn dự báo trường khí tượng cho mơ hình hải văn sử dụng lưới ngang kích thước 28 km, số điểm lưới ngang tăng lên 144x144 điểm để đạt kích thước miền tính tương tự trường hợp lưới 40 km Mơ hình RAMS cho phép nhiều lưới lồng tương tác hai chiều nhằm mơ tả xác ảnh hưởng q trình qui mơ nhỏ Như lưới tinh có độ phân giải ngang kích thước miền tính thay đổi tuỳ trường hợp, chẳng hạn dự báo cho sân vận động lưới mịn có độ phân giải km trường hợp nghiên cứu dự báo lũ miền trung lưới ngang có kích thước 10 km Đối với lưới thô lưới tinh, vùng biên xung quanh tạo lớp hấp thụ có bề dày điểm lưới Độ phân giải thẳng đứng chon với bước lưới 100 m, bước lưới c ao giãn với hệ số 1.15, bước lưới lớn 1200 m gán 1200 m Độ phân giải thời gian tự động xác định q trình tích phân mơ hình Trong điều kiện thời tiết bình thường bước thời gian 90s cho lưới 40 km Số liệu đánh giá gồm trường ban đầu trường số liệu đầu vào thời điểm 00 UTC với độ phân giải 10x10 kinh vĩ AVN NCEP (National Center for Environmental Prediction, Hoa Kỳ) cung cấp sau nội suy vào lưới mơ hình sử dụng phân tích khách quan Barnes Trường dự báo trường yếu tố khí tượng đưa sau 24h, 48h, 72h cho dự báo hạn ngắn Trường phân tích dùng để đánh giá dự báo trường phân tích vào thời điểm tương ứng với trường dự báo đưa ra, !Invalid Character Setting ví dụ 24h, 48h, 72h Các tiêu đánh giá hệ số tương quan, sai số tuyệt đối trung bình, sai số bình phương trung bình , tỉ số eta, tỉ số sigma , CSI, BIAS, số đánh giá khả xuất hiện tượng PE Các ngưỡng mưa chọn để đánh giá 1mm (đối với mưa nhỏ), 10mm (đối với mưa vừa), 20mm, 30mm, 50mm (đối với mưa lớn) Chỉ tiêu trung bình tháng tính cho số tháng mùa đơng mùa hè mực 1000, 700, 500, 300 mb.Hệ số tương quan tăng theo độ cao, đến mực 500 mb, nằm khoảng 0,5-0,9 tính cho tất trường Sai số tuyệt đối trường độ cao địa vị nhỏ 10 mđtv cho tất hạn dự báo, sai số trường gió vĩ hướng lớn sai số gió kinh hướng Cực đại sai số trường gió thường xuất lớp cao mơ hình Qua kết đánh giá cho thấy mơ hình RAMS, áp dụng cho dự báo trường khí tượng Biển Đơng hạn từ 1-3 ngày cho kết tốt, đáp ứng phần lớn yêu cầu thực tế dự báo Việt Nam đạt tầm dự báo thời tiết nước giới Dự báo mưa pha đạt tối thiểu 70%  T T  =  v   T    [ v    p  (1   )     ( v ) d ] t  c p   p  Q [  (1   ) ]  c p t t cp p  1  ,  w d    (  v       ) g dt g t   dw w w  (  v    w   ) g dt g t  dq S dt Lưới ngang phân bố yếu tố khí tượng điểm lưới trình bầy hình 5.1 Phân bố yếu tố khí tượng điểm lưới theo phương thẳng đứng trình bầy hình 5.2 5.9.2 Mơ hình ETA : Hệ phương trình thủy nhiệt động lực học mơ hình ETA S        ( v ) d' t p  RT S RT d p dv/dt +   p + (1 +  )   = Φ  Φs  μ  Hình Hệ toạ độ lưới ngang phân bố biến mơ hình ETA !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting Điều kiện biên mơ hình ETA +24h +48h         srf 200 300 300 400 400 500 500 600 600 700 700 800 P (hPa) 100 200 Điều kiện biên xung quanh cập nhật 6h lần từ sản phẩm dự báo mơ hình tồn cầu AVN, RUC, MRF, GME… 100 800 900 900 1000 -20 -10 10 20 30 40 -20 1000 -10 H - B E (mdtv) 10 20 30 40 H - B E (md t v) Hình 5.4 Profile độ lệch BE độ cao địa vị H (mdtv) Hình 5.2 Hệ thống toạ độ thẳng đứng phân bố biến ETA +24 h +24h +48h +48 h 100 200 300 100 200 100 300 0 100 200 200 300 300 400 400 400 400 500 500 500 500 600 600 800 700 700 900 800 800 1000 900 600 600 900 700 10 20 30 40 700 800 900 1000 1000 10 20 30 40 H - R M S E (md tv) 1000 0 H - R M S E ( md t v ) T - R MS E ( Hình 5.3 Profile sai số quân phương (RMSE) độ cao địa vị H (mdtv) !Invalid Character Setting o 3 T - RMSE ( o C) C) o Hình 5.5 Profile sai số bình phương trung bình (RMSE) nhiệt độ T ( C) !Invalid Character Setting +24h Bảng 5.1 Chỉ số Threat score (CSI) Bias score (Bias) +48h Ngưỡng chọn 09-10/09/2003 2425/09/2003 1112/11/2003 CSI Bias CSI Bias CSI Bias mm 0.88 1.135 0.68 1.43 0.89 0.944 300 10 mm 0.773 1.27 0.76 1.28 0.66 0.672 400 20 mm 0.67 1.39 0.65 1.40 0.61 0.64 500 30 mm 0.57 1.43 0.55 1.44 0.59 0.635 600 50 mm 0.47 1.36 0.49 1.23 0.67 0.757 700 100 mm 0.41 1.09 0.23 0.48 0.41 1.194 100 200 200 300 400 P (hPa) 100 P (hPa) 500 600 700 800 Bảng 5.2 Chỉ số PE (%) ngưỡng khác 800 Ngưỡng chọn 900 900 1000 09-10/09/2003 24-25/09/2003 11-12/11/2003 -2 -1 1 mm 1000 -2 -1 80.56 94.98 10 mm 78.70 89.66 86.52 70.80 85.89 86.21 30 mm 64.60 84.01 87.15 50 mm 63.90 86.52 91.85 100 mm 82.40 91.54 89.66 o T - BE ( C) 88.09 20 mm -3 T - BE ( o C) o Hình 5.6 Profile độ lệch BE nhiệt độ T ( C) Các trình vật lý qui mô lưới đối lưu, xạ, khuếch tán rối ngang thẳng đứng trình bề mặt đươc tham số hoá Dự báo cho khu vực Biển Đông với miền dự báo xác định tương tự cho mơ hình RAMS Kết đánh giá dự báo trình bầy hình 5.3 -đến 5.6 Dự báo mưa cho lãnh thổ Việt nam đánh giá theo số thống kê đưa bảng 5.1 5.2 Chỉ số CSI giảm ngưỡng mưa tăng lên Nhìn chung, kết dự báo của thử nghiệm tốt Đặc biệt, ta quan tâm đến khả có hay khơng xuất mưa ngưỡng đấy, độ xác mơ hình đảm bảo 80 % !Invalid Character Setting 5.9.3 Mơ hình dự báo thời tiết khu vực phân giải caoHRM Mơ hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HRM mơ hình số, thủy tĩnh cho dự báo thời tiết khu vực hạn chế quy mơ vừa HRM cịn cơng cụ nghiên cứu khoa học nhạy hữu ích HRM cấu trúc ngang theo lưới kinh vĩ quay theo lưới điều hòa với độ phân giải từ 0.25o đến 0.05o (tương đương từ 28km đến 6km) HRM sử dụng hệ tọa độ lai  theo phương thẳng đứng, hàm đơn trị khí áp mặt đất biến đổi theo không gian thời gian Trên !Invalid Character Setting đỉnh khí nơi có p  0, p s   biên mơ hình (địa hình mơ hình) p  p s p s , p s   Hệ tọa độ lai  thiết lập nhằm ứng dụng ưu việt hệ tọa độ khí áp p hệ tọa độ theo địa hình  , đồng thời khắc phục nhược điểm tương ứng chúng  cịn phụ thuộc khí áp mặt đáy p s biến không gian thời gian Trong tọa độ lai cần chọn mực p  p T , từ mực đến giới hạn khí  trùng với hệ p  p  p T , với p  1000hPa Từ p0 mực p T xuống đến mặt địa hình hệ tọa độ lai  lại tiến dần đến hệ tọa độ xác định cấu trúc địa hình  Yêu cầu đạt sử dụng hàm tuyến tính Hàm tuyến tính gián đoạn p  p T với số p T  220hPa : tọa độ p , nghĩa    p  pT p p p  T s p T  p  p s ps  pT p0 ps  pT Khi hàm tuyến tính nghịch đảo là: p  A  p s B A   p , A  p0pT 1 , p0  pT B     T B  p0  pT T    p0  pT Khí thẳng đứng HRM tính từ mặt đất đặc trưng p s  x, y , t  đến giới hạn mơ hình p  25hPa chia thành từ 20 đến 35 lớp Các biến dự báo u , v, T , q v , q c , qi biến cảnh báo tốc độ thẳng đứng hệ tọa độ khí áp  xác định mực phân chia lớp gọi mực nguyên, độ !Invalid Character Setting cao địa vị  tốc độ thẳng đứng tọa độ lai với thơng lượng khuếch tán lại tính cho mực lớp gọi mực phân Hệ phương trình dự báo HRM dựa vào phương trình ngun thủy viết hệ tọa độ lai Đó bảy phương trình dự báo với bảy biến dự báo tương ứng: - Phương trình xu khí áp mặt đất p s : ps 1    p    p    u   vcosdlb ps  pslb     t acos       (5.9.1) - Phương trình cho thành phần gió ngang u, v : u p  v   K  RT  lnp  u  Q vcos t cos  a cos  a cos   1  p    u   F  g      lb u  ulb     t  s   (5.9.2) u H v p     K   RTv  lnp    v Q u t  a  a   1  p     v   F  g        t    lb v  v lb   s   (5.9.3) v H - Phương trình viết cho nhiệt độ T : T  T T T   u   v cos   T  t a cos   1 R   T  p  T  T  Lc  Tv    FH  g        t   c cvc  lb T  Tlb  cp  p   s     p !Invalid Character Setting (5.9.4)  p  p                p K   K  s - Phương trình viết cho lượng nước q v : q v q v  q  q v  v  u   v cos       t a cos    1 q  FH v  p  q v  q v   g        t   c vc   lb q v  q vlb   s   (5.9.8)    p    p       u      v cos   d    a cos        K (5.9.5) - Phương trình trạng thái biểu diễn qua thể tích riêng  : p  RTv - Phương trình viết cho lượng nước lỏng mây q c : q c q c  q  q c  c  u   v cos       t a cos      p s      R  p s  p sR     K  t (5.9.9) - Để xác định số hạng lượng chuyển đổi động mực  K cần viết lại phương trình trạng thái dạng 1  p  q c  q c  q  FHc  g        t   c vc   lb q c  q clb   s   (5.9.6) sau:  K - Phương trình viết cho lượng nước rắn mây q i :    RTv K   p   K (5.9.10) - Tốc độ thẳng đứng hệ tọa độ khí áp xác định sau qi qi  q  qi  i  u   v cos      t a cos   thay   1 V f gqi  p  qi  qi  q  FHi  g        t   cvc  lb qi  qilb     s   (5.9.7) V f tốc độ rơi mưa dạng lỏng rắn Phương trình (5.9.7) bổ sung vào hệ phương trình HRM từ tháng năm 2003 mơ hình tồn cầu GME cung cấp thêm biến trường q i điều kiện ban dp vào phương trình tốc độ thẳng đứng tọa độ lai được: dt    p  K   p    p         R  p  psR    u   v cos d  p   a cos              K pK   ps K       u (5.9.11)   ln p  v cos   ln p   a cos    K - Quan hệ tính xốy tuyệt đối: đầu cho HRM Chín phương trình cảnh báo gồm phương trình sau: - Phương trình tính tốc độ thẳng đứng hệ tọa độ lai nhận nhờ tích phân phương trình liên tục từ   đến    K : !Invalid Character Setting 1  p   f  v  Q    f   u cos       p /     a cos      - Động đơn vị khối lượng: !Invalid Character Setting (5.9.12) K  1 u  v cos     2 cos   (5.9.13) - Địa vị mực mơ hình nhận từ tích phân phương trình thủy tĩnh: (5.9.14) (5.9.15) HRM; R  287.05J / kgK ; R D  461.51J / kgK  - số chất khí g  9.80665m / s ; thành phần gió u lb , v lb xác định từ GME Gió vùng biên điều chỉnh đến giá trị GME nhờ nhân tố điều chỉnh  lb c p  1005J / kgK  - nhiệt riêng khơng khí khơ áp suất - Phương trình độ ẩm riêng bão hịa: E w T   R  p  1  ' E w T   R  D   (5.9.16) không đổi; L v  2.501  10 J / kg - ẩn nhiệt hóa Các số hạng phi T đoạn nhiệt FH , FH v , FHc biểu diễn phần khuếch tán ngang;  T ,  q v ,  q c q với điều kiện khép kín cân bão hịa mây: q c  - ngồi mây q v  q s T, p  - mây v E w T  áp suất bão hịa nước xác định cơng thức E w T   B1 exp quanh, p lb - khí áp biên xung quanh lấy từ GME; p s - khí áp bề mặt   ,   - thông lượng rối thẳng đứng; gia tốc trọng trường  R   Tv  T 1   D  1q D      R kinh nghiệm dạng sau: hình: u v khơ nước tương ứng FH , FH - số hạng khuếch tán ngang; - Quan hệ xác định nhiệt độ ảo: R RD mô B1  610.78Pa; B2 W 17.2693882; B3  273.16K; B4 W  35.86K Bán kính trái đất a  6371229m;  lb - nhân tố lỏng dần biên xung độ cao địa hình HRM; p slb - khí áp từ GME chuyển sang mực RT p  với  1   s  v  p  q s T, p   v trình B2 W T  B3 T  B4 W Ngồi ra, HRM cịn dự báo gián tiếp số tham số bề mặt nhiệt độ lịng đất Trong sản phẩm mơ hình cịn có biến cảnh báo tốc độ thẳng đứng tọa độ khí áp  , địa vị  , độ phủ mây clc hệ số khuếch tán tkvm / h Những ký hiệu rút gọn số sử dụng hệ phương !Invalid Character Setting q thông lượng rối u / t s , v / t s , T / t s , q v / t s , q c / t s thẳng đứng; xu sinh q trình qui mơ lưới u , v, T, q v , q c tương ứng; c vc tốc độ chuyển biến từ nước sang nước lỏng mây Các biến Tlb , q vlb , q clb cho mô hình GME, nhờ để điều chỉnh biến T, q c , q v tiến dần đến giá trị tương ứng mơ hình điều khiển biên xung quanh thông qua  lb Điều kiện biên ban đầu HRM Biên trên: mơ hình phân giải khơng gian cao HRM sóng trọng trường nội trở nên quan trọng Vì khơng có chế nhân tạo làm tiêu tan lượng sóng trọng trường nội chúng phản xạ lại đỉnh mơ hình !Invalid Character Setting dẫn đến phát triển sóng đứng có kích thước bao trùm khí thẳng đứng Những sóng tạo trường tốc độ thẳng đứng khơng thực Để khử loại sóng HRM sử dụng điều kiện biên xạ (RUBC) Klemp, Durran, Bougeaul phát triển năm 1983 ghề đất phụ thuộc vào đất sử dụng biến đổi qui mô lưới địa hình Albedo phụ thuộc vào loại đất, độ phủ tuyết độ ẩm đất Biên xung quanh HRM lấy từ mơ hình tồn cầu GME quan phục vụ thời tiết CHLB Đức (DWD) cịn gọi mơ hình điều khiển có làm trơn nhiềuđể cho hệ thống qui mơ nhỏ sóng trọng trường rời khu vực mơ hình mà khơng phản xạ nhiều biên - Bức xạ: nhân tố đặc biệt quan trọng phát triển thời tiết tham số hoá theo sơ đồ riêng biệt xạ sóng dài xạ sóng ngắn tương ứng khí mặt đất Ban đầu hóa mode chuẩn ẩn (INMI): khả dự báo mơ hình dự báo số để đưa dự báo hữu ích khơng phụ thuộc độ phân giải mơ hình độ xác việc biểu diễn trình động lực học vật lý mơ hình mà cịn phụ thuộc nhiều vào điều kiện ban đầu sử dụng để tích phân mơ hình Như ta biết, sử dụng thám sát trực tiếp làm trường ban đầu để tích phân mơ hình số mà số liệu thám sát phải biến đổi kiểu thích hợp động lực học để nhận tập hợp số liệu thích hợp cho ban đầu hóa mơ hình Q trình gọi đồng hóa số liệu, bao gồm hai q trình phân tích khách quan số liệu thám sát ban đầu hóa số liệu Q trình ban đầu hóa số liệu phân tích biến đổi nhằm tối thiểu hóa sóng trọng trường trở nên có giá trị lớn độ phân giải cao, HRM thực ban đầu hóa phương pháp ban đầu hóa mode chuẩn ẩn (INMI) Phương pháp áp dụng vào trường u , v, T p s Các trình vật lý tham số hóa mơ hình: - Tham số hố mây quy mô lưới: dựa vào việc giải phương trình budget cho loại thực thể nước khác Trong sơ đồ cần khảo sát đặc điểm nước sau đây: nước pha khí; nước mây dạng hạt lỏng lơ lửng nhỏ đến mức có tốc độ rơi nhỏ khơng đáng kể so với khơng khí; nước mưa pha lỏng đủ lớn để có tốc độ rơi lớn khơng thể bỏ qua; tuyết dạng tinh thể băng có tốc độ rơi lớn đáng kể HRM Từ tháng 3/2005 HRM phát triển thêm phương pháp ban đầu hóa lọc số (DFI) Địa hình: lưới, phụ thuộc vào độ phân giải HRM cần xác định tham số: độ cao trung bình mực biển vị trí đất liền xác định theo tập số liệu Mỹ Loại đất chủ yếu ô lưới xác định theo đồ FAO/UNESCO Độ phủ thực vật chọn 0.75 đất khơng có băng hay cát độ cao gồ !Invalid Character Setting Hình 5.7a Chỉ số BIAS dự báo lượng mưa ngày thời hạn 24 khu vực Trung Bộ tháng 7/2004 sử dụng sơ đồ đối lưu BettMiller 3DVarBettMiler !Invalid Character Setting - Giải phóng ẩn nhiệt đối lưu cumulus: Giải phóng ẩn nhiệt đối lưu cumulus trình thống trị để vận chuyển nhiệt từ mặt đất vào tầng đối lưu nhiệt đới, lượng sau vận chuyển hướng cực hồn lưu Hadley Sơ đồ tham số hóa đối lưu Tiedtke phân biệt trình đối lưu khác (đối lưu sâu, đối lưu nông đối lưu mực giữa) theo kiểu nhất, nghĩa vào thời điểm, hộp lưới cho phép xảy loại đối lưu Dưới trình bày chi tiết sơ đồ tham số hóa đối lưu - Khuếch tán rối đứng: tham số hoá nhờ gần thông lượng gradien Hệ số khuếch tán đứng suy từ phương trình cảnh báo động rối liệu dự báo thời tiết quy mô vừa, đại xác có hiệu suất cao máy tính Dự án WRF phát triển hệ thống đồng hoá số liệu dự báo thời tiết quy mô vừa tăng cường khả hiểu biết dự báo giáng thuỷ quy mô vừa WRF đẩy mạnh gắn kết chặt chẽ nghiên cứu dự báo nghiệp vụ Dự kiến mơ hình ứng dụng rộng rãi từ mô nghiên cứu lý tưởng dẫn đến dự báo nghiệp vụ với ưu tiên chủ yếu độ phân giải ngang từ – 10 km Đặc biệt công nghệ đồng hoá số liệu đại, khả lồng nhiều lưới sơ đồ vật lý cải tiến Mơ hình WRF mơ hình cung cấp hội phát triển phần mềm linh hoạt, mở rộng, có hiệu suất cao chạy nhiều máy tính hiệu cao Hệ thống phần mềm WRF phát triển khung phần mềm đại Sự tiến nghiên cứu đường trực tiếp dẫn tới nghiệp vụ Mơ hình WRF gồm hai phận chính: Bộ phận xử lý va phận mơ Hình 5.7b Chỉ số BIAS dự báo lượng mưa ngày thời hạn 48 khu vực Trung Bộ tháng 7/2004 sử dụng sơ đồ đối lưu BettMiller 3DVarBettMiler 5.9.4 Mơ hình WRF Dự án nghiên cứu dự báo thời tiết kết cố gắng hợp sức nhiều quan tổ chức nhằm phát triển hệ thống đồng hoá số !Invalid Character Setting Bộ phận xử lý thực nội suy ngang thẳng đứng số liệu trường khí tượng: độ cao địa vị (H), thành phần gió ngang (u, v), độ ẩm tương đối (RH), nhiệt độ (T), từ lưới mơ hình tồn cầu NCEP ECMWF nội suy số liệu địa hình (Topography), loại đất (Soil texture), lớp phủ thực vật (Vergetation).v.v lưới mơ hình Sau phận mơ WRF thực tích phân hệ phương trình với tham số đầu vào xác định như: miền tính, độ phân giải, bước thời gian v.v phận xử lý cuối sử dụng phần mềm đồ họa để hiển thị kết dự báo mơ hình (các phần mềm đồ họa thường sử dụng mơ hình WRF là: GRADS, RIPS.v.v ) Tùy theo mục đích hay yêu cầu người dùng mà dùng phần mềm đồ họa khác nhau, lẽ sản phẩm đầu phần mềm lại có ưu điểm riêng Các phương trình mơ hình WRF tính tốn việc sử !Invalid Character Setting dụng hệ tọa độ thẳng đứng áp suất thủy tĩnh theo địa hình ký hiệu  xác định bởi:   ( ph  pht ) /    phs  pht Hình 5.8: Biểu đồ hệ thống mơ hình WRF (5.9.17) ph thành phần thủy tĩnh áp suất, phs pht theo thứ tự giá trị áp suất bề mặt biên Theo Laprise (1992), hệ tọa độ  sử dụng nhiều mơ hình khí thủy tĩnh  thay đổi từ giá trị bề mặt đến giá trị biên miền tính mơ hình Hệ tọa độ gọi hệ tọa độ thẳng đứng theo khối lượng Dụng siờu ổ ba chiều lý tưởng Lý tưởng hai chiều Vì (x,y) coi khối lượng đơn vị diện tích bên cột miền tính mơ hình điểm (x,y), biến dạng thơng lượng thích hợp là: V==(U,V,W), =’,  = v = (u, , w) vận tốc theo hai hướng nằm ngang thẳng đứng, w= ’ vận tốc thẳng đứng  nhiệt độ vị Cũng xuất phương trình WRF biến khơng bảo tồn  = gz (địa vị, p (áp suất),  = 1/ (nghịch đảo mật độ) Sử dụng biến xác định trên, phương trình Euler dạng thơng lượng viết lại sau  tU  (.Vu )   x ( p )   x ( px )  FU Đường tố hai chiều lý tưởng  tV  (.V )   y ( p )   y ( p y )  FV Dữ liệu mặt đất WRF  t w  (.V  )  g ( p   )  Fw Mụ hỡnh WRF Cỏc súng tà ỏp lý tưởng  t   (.V  )  F  t   (.V )   t   1[(V  )  gw]  WRF SI Dữ liệu thực ban đầu Output in net RIP Dữ liệu lưới ETA, AVN, RUC, NNRP Vis5 NCAR Graphic Grads Cung cấp cho người dựng !Invalid Character Setting  n   phương trình trạng thái p  p0 ( Rd / p0 ) Trong a ký hiệu thay cho biến chung, ã = cp/cí = 1.4 tỷ số nhiệt dung khơng khí khơ, Rd số khí khơ, p0 áp suất so sánh !Invalid Character Setting chuẩn (thông thường 105 Pascals) Các thành phần vế bên phải FU, FV, FW Fè thành phần cưỡng phát sinh từ q trình vật lý mơ hình: xáo trộn rối, phép chiếu cầu quay trái đất Các q trình vật lý vi mơ Sơ đồ Kessler sơ đồ mây ấm đơn giản, bao gồm nước, nước mây mưa, Các trình vật lý vi mơ mơ hình gồm: sản phẩm mưa bốc hạt mưa, lớn dần lên chuyển biến nước mây sản phẩm nước mây từ ngưng kết.Lượng nước mây mưa dự báo chi tiết trình vật lý vi mơ khơng tính đến pha băng Các sơ đồ đối lưu - Sơ đồ Kain-Fritsch từ mơ hình MM5 mơ hình mây đơn giản, bao gồm hút, chuyển động thăng giáng hợp sơ đồ - Sơ đồ Bett-Miller-Janjic dựa sơ đồ thích ứng đối lưu Những sửa chữa thực Janjic bao gồm lời giới thiệu hiệu suất mây, nhằm mục đích cung cấp thêm vào khả chuyển động việc xác định profiles nhiệt độ độ ẩm Bức xạ sóng dài Để tính tương tác bề mặt khí bên trên, nhiệt độ lớp đất, bốc bề mặt, dịng chảy mặt, thơng lượng nhiệt, ẩm động lượng v.v mô hình lựa chọn số sơ đồ: - Sơ đồ RRTM từ mơ hình MM5 sơ đồ giải phổ sử dụng phương pháp tương quan Trong sơ đồ sử dụng bảng điều chỉnh trước để biểu diễn độ xác q trình phát xạ sóng dài nhờ có mặt nước, Ozone, CO2 khí - Sơ đồ ETA GFDL dựa theo thay đổi đơn giản Fels Schwarzkops Schwarzkops – Fels với tính tốn giải !Invalid Character Setting phổ gắn với CO2, nước, Ozone Bức xạ sóng ngắn - Sơ đồ xạ sóng ngắn dựa Dudhia mang lại từ mơ hình MM5, đơn giản việc tích phân theo thời gian thơng lượng xạ mặt trời, tính tốn tán xạ cho khơng khí sạch, hấp thụ nước , hấp thụ albedo mây - Sơ đồ xạ sóng ngắn Goddard dựa theo Chou Suarez - Sơ đồ ETA GFDL phiên Lacis tham số hóa Hansen Những hiệu ứng nước khí quyển, Ozone, CO2 đưa vào sử dụng Sóng ngắn tính tốn cách sử dụng cosin góc thiên đỉnh suốt khoảng thời gian trung bình ngày Lớp bề mặt Các tượng, q trình xảy khí có mối quan hệ chặt chẽ với trình xảy bề mặt trái đất Do vậy, khơng nghiên cứu q trình khí mà cịn cần nghiên cứu tính tốn số q trình xảy lớp đất lớp nước sát bề mặt trái đất như: Sự thay đổi nhiệt độ bề mặt, truyền nhiệt vào lớp nước đất sâu - Paulsol, Dyer, Hicks Webb sử dụng hàm ổn định để tính tốn trao đổi hệ số nhiệt, ẩm mômen bề mặt - Sơ đồ bề mặt Janjic dựa thuyết tương tự Monin – Obukhov Sơ đồ gồm có tham số hóa tầng nhớt Trên bề mặt nước, lớp nhớt tham số hóa rõ ràng theo Janjic Trên bề mặt đất, hiệu ứng lớp nhớt tính tốn thơng qua thay đổi chiều cao độ nhám, nhiệt độ, độ ẩm Thông lượng bề mặt tính phương pháp lặp Bề mặt đất Sơ đồ khuyếch tán nhiệt dựa mơ hình MM5, mơ hình !Invalid Character Setting nhiệt độ đất lớp Trong mơ hình chia lớp tương ứng với độ dầy 1, 2, 4, 8, 16 cm Bên nhiệt độ nhiệt độ cố định suốt trung bình ngày Năng lượng ẩm gồm có xạ, hiển nhiệt, tiềm nhiệt thơng lượng nhiệt Mơ hình cho phép tính với bề mặt bao phủ tuyết Sơ đồ OSU/MM5 miêu tả Chen Dudhia Sơ đồ chia bốn lớp nhiệt độ đất, mơ hình ẩm dự báo bao phủ tuyết Nó bao gồm tầng rễ, hiệu ứng thực vật khác, rút nước dòng chảy Cung cấp ẩn nhiệt hiển nhiệt thông lượng nhiệt đến sơ đồ lớp biên Biểu diễn địa hình mơ hình Bên cạnh việc giải phương trình thuỷ nhiệt động lực học với điều kiện biên định nghiệm tốn thu phụ thuộc chặt chẽ vào khu vực dự báo (địa hình khu vực) Do việc biểu diễn địa hình mơ hình đóng vai trị quan trọng Nó định nghiệm tốn mơ hình dự báo nói chung, đặc biệt dự báo quy mô vừa nhỏ Về lý thuyết việc biểu diễn địa hình chi tiết kết khách quan nhiêu Tuy nhiên với địa hình phức tạp lúc biểu diễn phương trình tốn học Hơn việc giải phương trình nhiều phức tạp nhiều thời gian Do thơng thường mơ hình số nói chung, địa hình làm trơn tru so với thực tế, hệ toạ độ  Để dự báo xâm nhập lạnh Việt nam miền dự báo có tâm vĩ độ 19 N kinh độ 107,50E Số điểm lưới theo hướng Đông Tây 92 điểm, số điểm lưới theo phương Bắc Nam 92 điểm, kích thước bước lưới 36 km, bước thời gian tích phân mơ hình 90 (s) Sử dụng cơng nghệ lưới lồng Lưới 1: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới 36 km cho miền dự báo với 92 x 92 điểm lưới, tâm vĩ độ 19oN kinh độ 107,5oE Miền tính bao gồm tồn lãnh thổ Việt Nam, phần phía Nam !Invalid Character Setting Trung Quốc, biển Đông nước Đông Nam Á với mục đích vừa bảo đảm hạn chế sai số khuyếch tán vào tâm miền tính, vừa tính ảnh hưởng hồn lưu gió mùa đơng bắc xuất phát từ cao áp Xiberia trung tâm cực đới vào mùa đông Sự tăng cường hay suy yếu trung tâm ảnh hưởng lớn tới xâm nhập khơng khí lạnh vào Việt Nam Lưới 2: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới 12 km cho miền tính 94 x 94 điểm, tâm lưới kinh tuyến 106,5oE vĩ tuyến 23oN Miền tính phía Bắc Bắc Trung Bộ Việt Nam Lưới 3: Độ phân giải ngang có kích thước bước lưới km cho miền dự báo 105 x 105 điểm lưới, tâm lưới kinh tuyến 106oE vĩ tuyến 22oN với mục đích để bao phủ tồn khu vực miền Bắc Việt Nam Trường ban đầu dùng để tích phân mơ hình WRF theo thời gian phân tích tồn cầu, cịn điều kiện biên dự báo ta sử dụng số liệu dự báo AVN cập nhật thường xun 6h/1lần Trường số liệu mơ hình AVN có độ phân dải ngang x độ kinh vĩ 31 mức thẳng đứng Kết dự báo cho thấy sử dụng mơ hình WRF với cấu trúc mô tả cho phép dự báo thời gian front di chuyển đên Hà nội với độ xác khoảng 5.9.5 Mơ hình MM5 Mơ hình khí tượng động lực quy mô vừa hệ thứ (MM5) Trung tâm Nghiên cứu Khí Quốc gia Mỹ (NCAR) Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania Mỹ (PSU) hệ loạt mơ hình nghiên cứu dự báo thời tiết Anthes phát triển từ năm 1970 Qua q trình hồn thiện, mơ hình cải tiến nhiều lần nhằm mơ dự báo tốt trình vật lý quy mơ !Invalid Character Setting vừa áp dụng với đối tượng sử dụng khác Phiên 3.5 (MM5V3.5) mơ hình đời năm 2001 điều chỉnh, cải tiến thêm so với phiên trước mảng: Kỹ thuật lồng ghép nhiều mức Động lực học bất thuỷ tĩnh Đồng hoá số liệu bốn chiều (FDDA) Bổ sung sơ đồ tham số hố vật lý Kỹ thuật tính toán Phiên sử dụng dự báo thời tiết Viện Khí tượng Thuỷ văn phiên mơ hình (MM5V3.7) cập nhật vào cuối năm 2004 Miền tính Các dự báo hầu hết yếu tố khí tượng thực cho hai miền tính Miền tính thứ có kích cỡ 65x95 điểm tính với kích thước lưới theo phương ngang 45 km bao trùm hầu hết diện tích Đơng Nam Á Miền tính thứ hai có kích cỡ 127x64 điểm tính với kích thước lưới 15 km lấy Việt Nam làm trung tâm miền tính (Hình dưới) Cả hai miền tính có 23 mực theo phương đứng Dữ liệu địa hình lấy từ nguồn Cơ quan Địa chất Mỹ (USGS) với độ phân giải ngang khoảng km Điều kiện ban đầu điều kiện biên Điều kiện ban đầu điều kiện biên cho mơ hình MM5 trường khí tượng phân tích dự báo tồn cầu cách 6h mơ hình AVN Trung tâm Dự báo Mơi trường Quốc gia Mỹ !Invalid Character Setting Hình 5.9 Miền dự báo mơ hình MM5 Viện Khoa học Khí tượng thuỷ văn Môi trường Dự báo thời tiết Viện Khoa học Khí tượng thuỷ văn Mơi trường Hiện thời, mơ hình MM5 chạy lần ngày với trường phân tích dự báo 07h hàng ngày Khoảng 12h30 hàng ngày mơ hình hồn tất sản phẩm dự báo cho hai miền tính với hạn dự báo đến 48h Một số sản phẩm dự báo nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm tương đối cho số điểm nước !Invalid Character Setting TÀI LIỆU THAM KHẢO Arakawa, A and W.H Schubert, 1974: Interaction of a cumulus cloud ensemble with the large-scale environment Part I Jour Atnws Sd., 31, 674-701 Emanuel, K, (1994): Atmospheric Convection Oxfort Univ Press Haltiner, G.J and Williams, R.T., (1980): Numerical Prediction and Dynamic Meteorology, New York U.S.A Wiley, Holton, James R (1992):An Introduction to Dynamic Meteorology Third Edition, Vol.48, International Geophysics Series, Academic Press, New York., Krishnamurti, T.N and Bounoua, L., (1996):Numerical Weather Prediction techniques, Academic Press, New York Smith, R.K., and Jones, S.C (1996):Tropical Meteorology, Lectures, University of Munich !Invalid Character Setting !Invalid Character Setting ... Character Setting MỞ ĐẦU Dự báo số trị phương pháp dự báo thời tiết dựa sở tích phân số trị hệ phương trình thuỷ động lực học khí Ngày nhiều nước, phương pháp sử dụng để dự báo thời tiết điều kiện nghiệp... người đưa vấn đề dự báo thời tiết cách tích phân phương trình động lực học khí Richarson người tiến hành dự báo thời tiết phương pháp số trị, năm 1922 ông viết ? ?Dự báo thời tiết q trình tính... lượng ơng phân tích phương trình xốy tìm phương trình làm sở cho việc dự báo thời tiết phương pháp trị số, mở hướng phát triển Trong năm 40 kỷ XX, lập sơ đồ dự báo phương pháp số trị Năm 1940, Kibel