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

Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF Bão từ lâu đã là nỗi khiếp sợ đối với người dân vùng biển cũng như các ngư dân trên biển, và đặc...

Luận văn thạc sỹ Ảnh hưởng độ phân giải đến kết dự báo quĩ đạo bão Biển Đơng mơ hình WRF LỜI CẢM ƠN Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS TS Trần Tân Tiến, người tận tình bảo, hướng dẫn giúp đỡ suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn Thủ trưởng phịng Bảo đảm hàng hải đồng chí phịng quan tâm động viên tạo điều kiện mặt để học tập nghiên cứu Khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội Tôi xin cảm ơn Thầy, Cơ cán khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học cung cấp cho kiến thức chuyên môn quý giá, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để học tập làm việc Khoa Tôi xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên quan tâm giúp đỡ để có thời gian hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân bạn bè, người bên cạnh cổ vũ, động viên tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập trường Nguyễn Xuân Yên MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MƠ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 1.1 Bão dự báo quỹ đạo bão 1.1.1 Một số khái niệm đặc trưng bão 1.1.2 Dự báo quỹ đạo bão mơ hình số 1.1.3 Ứng dụng mơ hình số dự báo quỹ đạo bão 10 1.2 Vai trị độ phân giải mơ hình số dự báo quỹ đạo bão CHƯƠNG 22 MÔ HÌNH WRF VÀ ỨNG DỤNG TRONG DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 29 2.1 Mơ hình WRF nghiên cứu dự báo thời tiết 29 2.1.1 Hệ tọa độ thẳng đứng biến thông lượng 31 2.1.2 Sơ đồ tích phân theo thời gian 32 2.1.3 Tham số hóa vật lý .32 2.1.4 Lưới lồng .36 2.2 Áp dụng mơ hình WRF dự báo quỹ đạo bão 41 2.2.1 Cấu hình miền tính nguồn số liệu 41 2.2.2 Lựa chọn cấu hình cho WRF để dự báo quỹ đạo bão 42 2.2.3 Hiển thị trường kết mô 43 2.2.4 Xác định tâm bão 43 2.2.5 Chỉ tiêu đánh giá 44 CHƯƠNG 31 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VAI TRỊ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI ĐẾN KẾT QUẢ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG 46 3.1 Phương án thử nghiệm ảnh hưởng độ phân giải mơ hình WRF đến kết dự báo quỹ đạo bão .46 3.1.1 Tập số liệu nghiên cứu 46 3.1.2 Các trường hợp thử nghiệm 47 3.2 Đánh giá ảnhh hưởng độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão 48 3.2.1 Đánh giá số bão điển hình .48 3.2.2 Đánh giá bão mạnh bão yếu thời điểm dự báo 62 3.2.3 Đánh giá bão theo thời gian hoạt động 67 3.2.4 Đánh giá toàn tập mẫu lựa chọn 71 3.3 Sai số hệ thống 74 KẾT LUẬN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .78 MỞ ĐẦU Bão từ lâu nỗi khiếp sợ người dân vùng biển ngư dân biển, đặc biệt chiến sỹ Hải quân thường xuyên phải hoạt động biển mức độ nguy hiểm bão sức mạnh qui mô Mặc dù, bão quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua, chưa có lý thuyết đầy đủ chế chuyển động bão Thêm vào đó, tác động biến đổi khí hậu tồn cầu cường độ bão mạnh phạm vi ảnh hưởng bão có xu hướng tăng, đặc biệt bão có quỹ đạo phức tạp tăng lên gây nhiều khó khăn cho cơng tác dự báo Vì thế, dự báo bão nói chung, dự báo quỹ đạo bão nói riêng ln đề tài nhiều nhà dự báo nghiên cứu khí tượng quan tâm Trong nhiều thập kỷ qua, nhà khí tượng có nhiều nghiên cứu bão dựa việc quan trắc thực nhiệm, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mơ hình số có hiểu biết đầy đủ bão, dẫn tới cải thiện đáng kể công tác dự báo Những năm gần đây, với phát triển khoa học kĩ thuật, nhiều mơ hình số khu vực đưa vào nghiên cứu, thử nghiệm dự báo bước đầu thu số kết định góp phần quan trọng công tác dự báo thời tiết, đặc biệt dự báo bão với độ xác nâng lên rõ rệt Một số mơ hình số đại có hỗ trợ nhiều ‘module’ cho mục đích cài xốy giả, cập nhật số liệu địa phương, đồng hóa số liệu, tăng độ phân giải,… nhằm cải thiện sai số dự báo WRF hệ thống bao gồm nhiều module khác nhau, linh hoạt tối ưu cho mục đích nghiên cứu chạy nghiệp vụ Ngồi ra, mơ hình cịn thường xun cập nhật phiên có mã nguồn mở để người sử dụng, nhà nghiên cứu đưa thêm vào mơ hình sơ đồ tham số hóa vật lý khác nhau, điều kiện biên di động, hệ thống đồng hóa số liệu 3DVAR, hệ thống ban đầu hóa xốy giả, cấu hình miền lưới lồng ghép Trong luận văn này, với mục đích khảo sát, đánh giá ảnh hưởng Page độ phân giải mơ hình WRF đến kết dự báo quỹ đạo bão biển Đông Tôi lựa chọn cài đặt lưới lồng mơ hình WRF với miền thơ có độ phân giải ngang 27km miền lồng nằm bên có độ phân giải ngang 9km Việc tăng độ phân giải mơ hình WRF miền lồng với hy vọng mơ hình có khả mơ tốt q trình vật lý có quy mơ nhỏ mà với độ phân giải thơ khó mơ hết Nội dung luận văn gồm phần: Mở đầu Chương 1: Tổng quan bão nhiệt đới vai trị độ phân giải mơ hình số dự báo quỹ đạo bão Trong phần này, trình bày khái quát số đặc trưng bão nhiệt đới nghiên cứu gần dự báo quỹ đạo bão mơ hình số Đưa số nghiên cứu tiêu biểu vai trò độ phân giải mơ hình số dự báo quỹ đạo bão Chương 2: Mơ hình WRF áp dụng để dự báo quỹ đạo bão Trong phần này, tơi trình bày đặc trưng mơ hình WRF Thiết lập cấu hình lưới lồng để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão, đưa công cụ hỗ trợ xử lý kết dự báo mơ hình Chương 3: Phân tích đánh giá vai trò độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão biển Đông Trong phần này, tơi trình bày kết nghiên cứu thu được, phân tích hình synốp số bão điển hình, khả dự báo bão mơ hình WRF So sánh đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão có sử dụng lưới lồng không sử dụng lưới lồng Kết luận Tài liệu tham khảo Page CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MƠ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 1.1 Bão dự báo quỹ đạo bão 1.1.1 Một số khái niệm đặc trưng bão Định nghĩa: Bão nhiều nơi giới có nhiều cách gọi khác nhau: vùng châu Á Thái Bình Dương bão gọi “Typhoon”; vùng Ấn Độ Dương người ta gọi bão “Cyclone”; vùng Đại Tây Dương người ta gọi bão “Uragan” hay “Hurricane”; châu Úc người ta gọi bão “Villy-Villy” Tất tên gọi quy tụ lại tên chung “Tropical Cyclone” – xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) XTNĐ vùng gió xốy, có đường kính tới hàng trăm ki-lơ-mét, hình thành vùng biển nhiệt đới, gió thổi xoáy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Bắc bán cầu theo chiều kim đồng hồ Nam bán cầu, áp suất khí (khí áp) XTNĐ thấp nhiều so với xung quanh thường 1000mb Chuyển động xoáy vào tâm làm đối lưu phát triển mạnh, gây mưa to khu vực rộng lớn, đơi cịn kèm theo tượng thời tiết quy mô nhỏ khác tố, lốc, vịi rồng Theo Atkinson : “Bão xốy thuận qui mơ synốp khơng có front, phát triển miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới mực có hồn lưu xác định” Phân loại bão: Tùy theo tốc độ gió mạnh vùng gần trung tâm mà Tổ chức Khí tượng giới quy định phân loại XTNĐ thành: áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression – viết tắt TD); bão nhiệt đới (Tropical Storm – TS); bão mạnh (Severe Tropical Storm – STS); bão mạnh (Typhoon/Hurricane) Phân loại bão theo cấp gió cho Bảng 1.1 Page Bảng 1.1 Phân loại bão theo cấp gió STT Cấp bão Gió cực đại (m/s) Cấp gió (cấp Beaufort) Áp thấp Nhiệt đới  17 6-7 Bão 17.2-24.4 8-9 Bão mạnh 24.5 – 32.6 10-11 Bão mạnh  32  12 Đối với bão mạnh, phân chia thành cấp theo thang Saffir – Simpson Tuy nhiên, Hurricane Typhoon có phân chia cấp với tốc độ gió trì cực đại khác Bảng 1.2 Bảng 1.2 Thang SaffirSimpson Cấp Gió trì cực đại (m/s) Hurricane 3342 4349 Thiệt hại khả Typhoon 3037 Không thiệt hại đáng kể cơng trình Các thiệt hại chủ yếu tàu bè khơng neo đậu, cối gây lụt gần bờ 3843 Thiệt hại đáng kể tàu bè nhỏ, hoa màu Lụt lội gây thiệt hại bến cảng tàu thuyền không neo đậu chắn 5058 4451 Gây số thiệt hại nhà cơng trình nhỏ, số cơng trình lớn Lụt gần bờ, gây lụt đất liền 5969 5261 Các cơng trình bị thiệt hại nặng nề, ven biển bị xói lở Có thể gây lụt đất liền ≥62 Nhiều cơng trình cơng nghiệp nhà bị phá hủy hồn tồn Các cơng trình nhỏ bị thổi bay Lụt lội gây thiệt hại nặng nề vùng ven bờ cần di tản dân cư ≥70 Page Tất phân loại hệ thống XTNĐ chủ yếu dựa vào tốc độ gió cực đại, khơng nêu chất vật lý q trình Mặt khác, thơng tin gió vùng gần tâm bão lúc nhận cách xác Để có nhận thức tương đối đầy đủ bão nhiệt đới cần phải nắm quy luật hình thành, chất cấu trúc đặc trưng bão Sự di chuyển bão Sự di chuyển bão nhiệt đới kết tương tác phức tạp tác nhân bên bên ngồi quy mơ ngang khác Ảnh hưởng bên bao gồm quy mô bão tương tác phi tuyến hồn lưu xốy môi trường Tốc độ quay bão lớn phạm vi bão nội lực bão lớn, bão có khả di chuyển theo tác động nội lực Có trường hợp bão cắt ngang qua áp cao cận nhiệt, nghĩa cắt ngang qua dịng dẫn đường di chuyển phía cực Michael Fiorino Russell L Elsberry (1988) nghiên cứu ảnh hưởng cấu trúc xốy có liên quan tới di chuyển xoáy thuận nhiệt đới, kết cho thấy di chuyển xốy có liên quan với dịng khí nằm khoảng cách 300km 1000km từ tâm xốy Nếu dịng khí vùng trở nên xốy quỹ đạo xốy có xu hướng chuyển dịch phía tây bán cầu bắc [21] Ảnh hưởng bên quan trọng dòng dẫn đường Ở miền nhiệt đới, dòng dẫn đường bão chủ yếu dịng khí rìa phía nam, phía tây tây bắc áp cao cận nhiệt Tuy nhiên, dòng dẫn thay đổi theo khơng gian thời gian Những biến đổi hồn lưu quy mô lớn hệ thống synop gần kề ảnh hưởng tới dòng dẫn Một vấn đề quan trọng cần giải xác định mực dòng dẫn đường phù hợp bão Kết nghiên cứu nhiều chuyên gia trọng tâm bão nằm gần mặt đất nên dịng dẫn đường khơng thể nằm q cao Các kết tính tốn mối tương quan đường bão dòng dẫn mực 300 mb không cho kết tốt Page Theo Car, Elsberry, mặt định lượng dòng dẫn đường lấy trung bình số lớp có quan hệ chặt chẽ với chuyển động bão, mực dòng dẫn đường phụ thuộc vào cường độ bão thông qua tốc độ gió cực đại bảng đây: Bảng 1.3 Mối quan hệ mực dòng dẫn đường với cường độ bão Cường độ bão Tốc độ gió cực đại Mực dịng dẫn đường (m/s) (mb) Xốy mực thấp < 12,5 m/s 850 mb Áp thấp nhiệt đới 12,5- 15 m/s 700 mb Bão 17,5- 30 m/s 700 mb Bão mạnh 32,5- 62,5 m/s 500 mb Bão mạnh 65- 90 m/s 400 mb Như bão mạnh, mực dòng dẫn đường phù hợp nằm độ cao lớn Đối với bão mạnh không thường xuyên thiết lập đồ AT400 nên dùng đồ AT500 để xác định mực dòng dẫn đường cho bão Đường bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương dịch xuống phía nam với dải hội tụ nhiệt đới dòng dẫn đường rìa phía nam cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương minh hoạ quỹ đạo trung bình bão Hình 1.1 Hình 1.1 Quỹ đạo bão trung bình nhiều năm Biển Đơng ven biển Việt Nam vị trí trung bình dải hội tụ nhiệt đới (Alat khí tượng thuỷ văn Việt Nam, 1994) Page Từ Hình 1.1 ta thấy quỹ đạo vị trí nam vào tháng với tần suất bão nhỏ vào thời điểm bắt đầu mùa gió mùa tây nam hoạt động dải hội tụ nhiệt đới Quỹ đạo trung bình bão dải hội tụ nhiệt đới liên quan với dịng tín phong phía nam cực tây áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương nên hai đường có xu trùng nhau, vào tháng bão có tần suất cực đại [7] Một số khái niệm bão trình bày nhằm phục vụ việc phân loại định hướng khảo sát, đánh giá khả dự báo quỹ đạo bão mơ hình WRF loại bão chương sau 1.1.2 Dự báo quỹ đạo bão mơ hình số Trước đây, dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới hầu hết trung tâm dự báo giới dựa kinh nghiệm dự báo đánh giá hình synop họ Từ năm 1990, với cải tiến đáng kể kỹ xảo dự báo số, đặc biệt với công nghệ dự báo tổ hợp xây dựng dựa nhiều mơ hình động lực minh chứng tiến đáng kể việc dự báo chủ quan quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới sai số dự báo giảm đáng kể Theo nghiên cứu Bangzhong Wang, Yinglong Xu Baogui Bi (2007) [31] đến sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới 24 giờ, 48 giờ, 72 tương ứng 140 km, 250 km, 380 km biểu diễn Hình 1.2 Hình 1.2 Trung bình sai số dự báo quỹ đạo xốy thuận nhiệt đới quan khí tượng Trung Quốc với hạn dự báo 24h, 48h, 72h từ năm 1991 đến năm 2005 (đơn vị km) Page dự báo 18h) Cịn với bão có cường độ yếu thời điểm dự báo mơ hình có cài lưới lồng dự báo tốt không cài lưới lồng tất hạn dự báo Và sai số khoảng cách dự báo với bão yếu nhỏ bão mạnh trường hợp có cài lưới lồng Đồng thời, mơ hình dự báo với bão mạnh có xu hướng di chuyển dọc nhanh lệch trái với bão yếu di chuyển dọc chậm lệch phải so với thực tế Và với bão yếu mơ hình có cài lưới lồng cho dự báo tốc độ di chuyển dọc sát với thực tế lệch so với khơng cài lưới lồng 3.2.3 Đánh giá bão theo thời gian hoạt động Từ đầu mùa đến cuối mùa bão, đường bão dịch dần xuống phía nam theo dịch chuyển dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) dịng dẫn đường rìa phía nam cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương Đặc điểm bão đầu mùa thường có quỹ đạo vịng lên phía bắc, cịn bão cuối mùa lại có quỹ đạo phức tạp nhiều Dựa vào đặc điểm di chuyển bão, chia bão đầu mùa từ đầu năm đến hết tháng 9, bão cuối mùa từ tháng 10 đến hết tháng 12 Như vậy, từ Bảng 3.1 ta thu 11 mẫu cho bão đầu mùa 11 mẫu cho bão cuối mùa Kết tính sai số dự báo với bão đầu mùa cuối mùa cho tương ứng Bảng 3.7 Bảng 3.8 Hình 3.19 biểu diễn sai số trung bình bão đầu mùa từ hạn dự báo 00h đến hạn dự báo 42h, hạn dự báo khác không biểu diễn lượng mẫu thử nghiệm nhỏ Hình 3.20 biểu diễn sai số dự báo trung bình bão cuối mùa từ hạn dự bão 00h đến hạn dự báo 60h, hạn dự báo cịn lại khơng biểu diễn số lượng mẫu thử nhỏ Bảng 3.7 Kết tính sai số trung bình bão đầu mùa Hạn dự báo (h) 00 Không lồng Có lồng PE (km) ATE (km) CTE (km) Số Mẫu PE (km) ATE (km) CTE (km) Số Mẫu 40.37 1.74 -12.33 11 32.93 18.75 0.18 Page 67 06 95.43 -56.96 33.86 11 74.67 -27.87 8.14 11 12 93.35 -29.98 31.20 11 84.61 -36.44 15.12 11 18 117.22 -48.92 24.39 11 116.79 -50.84 39.68 11 24 126.25 -32.95 33.85 11 94.26 -21.84 19.26 11 30 112.34 -21.40 14.87 11 103.67 -33.22 -8.68 11 36 143.35 -27.05 54.29 114.48 -29.24 -5.96 10 42 170.30 -55.38 50.31 127.90 -38.05 -28.75 48 223.72 -31.83 117.87 135.77 -40.67 34.44 54 219.74 35.52 7.80 192.56 1.69 -102.55 60 237.51 58.66 -79.16 220.94 -15.33 -125.19 66 283.67 74.59 -165.72 243.25 16.59 -163.05 72 238.59 26.92 237.07 187.36 -5.72 187.27 Phân tích kết sai số trung bình bão đầu mùa cho thấy: Sai số khoảng cách trường hợp có lưới lồng nhỏ trường hợp khơng có lưới lồng tất hạn dự báo Sai số khoảng cách hạn dự báo 12h, 24h 36h trường hợp khơng có lưới lồng tương ứng khoảng 93km, 126km 143km Cịn trường hợp có lưới lồng tương ứng khoảng 85km, 94km 114km Phân tích sai số dọc hai trường hợp khơng có lưới lồng có lưới lồng cho giá trị âm từ hạn dự báo 06h trở đi, tức mơ hình dự báo bão đầu mùa di chuyển dọc chậm so với thực tế Sai số dọc hai trường hợp khơng có chênh lệch nhiều Phân tích sai số ngang ra: trường hợp khơng có lưới lồng, sai số ngang có giá trị dương từ hạn dự báo 06h trở đi, tức dự báo bão di chuyển lệch phải so với thực tế Trường hợp có lưới lồng, sai số ngang có giá trị dương đến hạn dự báo 24h, từ hạn dự báo 30h trở có giá trị âm, tức dự báo bão di chuyển lệch phải thời gian đầu, thời gian sau lại lệch trái so với thực tế Và nhìn chung, dự báo độ lệch ngang trường hợp có lưới lồng nhỏ trường hợp khơng có lưới lồng hầu hết Page 68 hạn dự báo (trừ hạn dự báo 18h), hạn dự báo lớn độ lệch hai trường hợp có xu hướng tăng a) b) Hình 3.19 Sai số trung bình từ hạn dự báo 00h đến 42h bão đầu mùa (đơn vị: km) a) Sai số khoảng cách b) Sai số dọc c) Sai số ngang Trường hợp không lồng-màu xanh Trường hợp có lồng-màu nâu đỏ c) Bảng 3.8 Kết tính sai số trung bình bão cuối mùa Hạn dự báo (h) 00 06 12 18 24 30 PE (km) 59.99 77.98 115.09 149.33 143.05 164.19 Không lồng ATE CTE (km) (km) 5.59 24.77 -12.74 -50.04 5.13 -82.22 20.56 -78.42 16.85 -38.87 24.30 -86.67 Số Mẫu 11 11 11 11 10 10 Page 69 PE (km) 69.75 68.27 93.97 136.70 161.24 174.01 Có lồng ATE CTE (km) (km) 5.26 25.51 6.39 -35.93 2.41 -63.83 32.65 -96.09 47.03 -56.37 41.09 -90.39 Số Mẫu 9 9 10 36 42 48 54 60 66 72 177.27 187.10 186.88 180.96 205.55 201.16 209.69 35.05 16.47 43.32 46.21 49.25 2.76 11.80 -75.08 -66.13 -90.57 -77.60 -44.15 -42.96 -27.36 10 9 8 6 163.06 171.60 188.76 181.74 198.16 220.49 185.72 58.92 20.17 36.45 77.85 70.51 -18.80 35.71 -55.37 -26.73 -60.20 -38.10 -94.29 -48.06 43.09 9 Phân tích kết sai số trung bình bão cuối mùa cho thấy: Trong trường hợp khơng có lưới lồng, sai số khoảng cách trung bình với hạn dự báo 12h, 24h, 36h, 48h 60h tương ứng khoảng 115km, 143km, 177km, 187km 206km Còn trường hợp có lưới lồng tương ứng khoảng 94km, 161km, 163km, 189km 198km Độ chênh lệch sai số khoảng cách hai trường hợp 21km, -18km, 14km, -2km 8km tương ứng với hạn dự báo 12h, 24h, 36h, 48h 60h Như vậy, độ chênh lệch không lớn giảm hạn dự báo tăng lên Phân tích sai số dọc cho thấy: Trong hai trường hợp, sai số dọc có giá trị dương hầu hết hạn dự báo (trừ hạn dự báo 06h trường hợp khơng có lưới lồng), tức mơ hình dự báo bão cuối mùa có xu hướng di chuyển dọc nhanh so với thực tế Kết sai số dọc trường hợp có lưới lồng lớn trường hợp khơng có lưới lồng hầu hết hạn dự báo (trừ hạn dự báo 12h 48h) Và dự báo tốc độ di chuyển dọc bão có xu hướng tăng lên hạn dự báo tăng Phân tích sai số ngang cho thấy: Trong hai trường hợp, sai số ngang có giá trị âm hầu hết hạn dự báo trừ thời điểm đầu Tức mơ hình dự báo bão cuối mùa có xu hướng di chuyển lệch trái so với thực tế Page 70 a) b) Hình 3.20 Sai số trung bình từ hạn dự báo 00h đến 60h bão cuối mùa (đơn vị: km) a) Sai số khoảng cách b) Sai số dọc c) Sai số ngang Trường hợp không lồng-màu xanh Trường hợp có lồng-màu nâu đỏ c) Như vậy, mơ hình có xu hướng dự báo với bão đầu mùa tốt với bão cuối mùa Khi có lưới lồng mơ hình dự báo tốt khơng có lưới lồng với bão đầu mùa Đồng thời, mơ hình dự báo với bão đầu mùa bão di chuyển dọc chậm cịn với bão cuối mùa di chuyển dọc nhanh so với thực tế Và mơ hình dự báo với bão đầu mùa di chuyển lệch phải (trừ trường hợp có lưới lồng di chuyển lệch trái từ hạn dự báo 30h) với bão cuối mùa di chuyển lệch trái so với thực tế 3.2.4 Đánh giá toàn tập mẫu lựa chọn Tập mẫu lựa chọn gồm 22 mẫu dự báo cho 12 bão hai trường hợp khơng cài lưới lồng có cài lưới lồng Kết tính sai số trung bình cho Page 71 Bảng 3.9 Hình 3.21 biểu diễn kết tính sai số trung bình từ hạn dự báo 00h đến hạn dự báo 48h, hạn dự báo cịn lại khơng biểu diễn số lượng mẫu lựa chọn thử nghiệm nhỏ (thấp nửa số mẫu lựa chọn) Bảng 3.9 Kết tính sai số trung bình bão chọn Hạn dự báo (h) Khơng lồng Có lồng PE (km) ATE (km) CTE (km) Số Mẫu PE (km) ATE (km) CTE (km) Số Mẫu 00 49.68 3.66 5.71 22 52.42 11.61 13.59 17 06 86.70 -34.85 -8.37 22 71.79 -12.46 -11.59 20 12 104.22 -9.92 -24.52 22 88.82 -18.96 -20.41 20 18 133.28 -14.18 -28.27 22 126.49 -13.27 -21.41 20 24 134.25 -9.24 -1.31 21 126.16 10.95 -16.76 21 30 137.03 0.36 -35.54 21 135.32 0.22 -45.45 20 36 161.20 5.63 -15.20 19 137.49 12.52 -29.37 19 42 178.70 19.46 -7.91 18 149.75 8.94 -27.74 18 48 200.04 16.48 -16.13 14 169.83 8.91 -26.40 14 54 191.54 43.30 -54.31 11 181.90 62.62 -50.99 10 60 214.26 51.82 -53.70 11 203.85 49.05 -102.02 66 221.79 20.72 -73.65 226.99 -8.69 -80.91 72 213.82 13.96 10.42 186.04 27.43 71.92 Phân tích kết sai số trung bình cho thấy: Sai số khoảng cách trung bình trường hợp khơng có lưới lồng với hạn dự báo 12h, 24h, 36h 48h tương ứng khoảng 104km, 134km, 161km 200km Cịn với trường hợp có lưới lồng sai số khoảng cách trung bình tương ứng khoảng 89km, 126km, 137km 170km Sai số khoảng cách hai trường hợp khơng có lưới lồng có lưới lồng tăng lên hạn dự báo tăng Kết sai số khoảng cách trường hợp có lưới lồng nhỏ trường hợp khơng có lưới lồng tất hạn dự báo Sự chênh lệch sai số Page 72 khoảng cách có xu hướng tăng hạn dự báo tăng (độ chênh lệch hai trường hợp với hạn dự báo 12h, 24h, 36h 48h tương ứng khoảng 5km, 8km, 24km 30km) Phân tích sai số dọc trung bình cho thấy: Cả hai trường hợp cho sai số dọc có giá trị âm thời điểm đầu (đến hạn dự báo 18h với trường hợp có lưới lồng hạn dự báo 24h với trường hợp khơng có lưới lồng) dương thời điểm sau Tức mơ hình dự báo bão di chuyển dọc so với thực tế chậm thời gian đầu nhanh thời gian sau a) b) Hình 3.21 Sai số trung bình từ hạn dự báo 00h đến 48h tồn tập mẫu (đơn vị: km) a) Sai số khoảng cách b) Sai số dọc c) Sai số ngang Trường hợp khơng lồng-màu xanh Trường hợp có lồng-màu nâu đỏ c) Phân tích sai số ngang trung bình cho thấy: Sai số ngang hai trường hợp có giá trị âm trừ thời điểm ban đầu Tức mơ hình dự báo bão di chuyển lệch Page 73 trái so với thực tế Và dự báo bão trường hợp có lưới lồng lệch nhiều trường hợp khơng có lưới lồng (trừ hạn dự báo 12h 18h) 3.3 Sai số hệ thống Cơng thức tính sai số trung bình BIAS: BIAS  ME  N N  (F i (3.1)  Oi ) i 1 Với: Fi thành phần dự báo; Oi thành phần quan trắc Sử dụng công thức (3.1) để tính sai số trung bình vĩ độ kinh độ cho tập mẫu bão lựa chọn Kết cho Bảng 3.10 Bảng 3.10 Kết tính sai số trung bình vĩ độ kinh độ Hạn dự báo (h) Khơng lồng Có lồng  (độ)  (độ) Số Mẫu  (độ)  (độ) Số Mẫu 24 -0.2 -0.06 21 -0.3 -0.31 21 48 -0.15 -0.725 14 -0.18 -0.99 14 Sau có kết tính sai số trung bình vĩ độ kinh độ, ta tiến hành hiệu chỉnh kết dự báo mẫu thử theo công thức: ửdbhc = ửdb -  ; ởdbhc = ởdb -  Với ửdbhc , ởdbhc tương ứng vĩ độ dự báo kinh độ dự báo hiệu chỉnh ửdb , ởdb tương ứng vĩ độ dự báo kinh độ dự báo chưa hiệu chỉnh Từ đó, ta tính sai số khoảng cách cho mẫu thử nghiệm lấy trung bình sai số ta sai số khoảng cách trung bình hiệu chỉnh Kết tính sai số khoảng cách trung bình hiệu chỉnh cho Bảng 3.11 đây: Page 74 Bảng 3.11 Sai số khoảng cách trung bình hạn dự báo 24h 48h sau hiệu chỉnh Khơng lồng Có lồng Hạn dự báo (h) PE (km) PE (km) 24 130.56 125.35 48 187.93 158.24 Như vậy, sau hiệu chỉnh kết dự báo sai số khoảng cách trung bình giảm Sai số khoảng cách trường hợp khơng cài lưới lồng có cài lưới lồng giảm tương ứng 3.69km 0.81km với hạn dự báo 24h; tương ứng 12.11km 11.59km với hạn dự báo 48h Độ chênh lệch sai số khoảng cách khơng có lưới lồng có lưới lồng tương ứng với hạn dự báo 24h 48h khoảng 5km 30km Page 75 KẾT LUẬN Sau tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão biển Đông mô hình WRF, tơi thu số kết sau: 1) Đã tổng quan nghiên cứu dự báo quỹ đạo bão giới Việt Nam; đặc biệt vấn đề sử dụng lưới lồng vai trị độ phân giải mơ hình số dự báo quỹ đạo bão 2) Áp dụng thành công module cài đặt lưới lồng hai chiều cố định mơ hình WRF 3.1 với miền ngồi có độ phân giải ngang 27km, miền lồng bên có độ phân giải ngang km để dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông 3) Tiến hành dự báo với 12 bão từ năm 2004 đến năm 2007 gồm 22 mẫu thử nghiệm cho hai trường hợp khơng cài lưới lồng có cài lưới lồng Kết thu cho thấy: a) Chạy mơ hình WRF 3.1 có cài lưới lồng cố định cho kết dự báo sai số khoảng cách trung bình hạn dự báo 24h 48h tương ứng khoảng 126km 170km Sau hiệu chỉnh với sai số hệ thống sai số khoảng cách trung bình hạn dự báo 24h 48h tương ứng khoảng 125km 158km So với sai số dự báo số trung tâm dự báo giới kết cho thấy chất lượng dự báo tương đương với nước khu vực b) Chạy mơ hình WRF 3.1 sử dụng lưới lồng cố định cho kết dự báo sai số khoảng cách trung bình thấp chạy mơ hình WRF không cài lưới lồng (chênh lệch tương ứng với hạn dự báo 24h 48h 8km 30km) Và hạn dự báo tăng chất lượng dự báo cài lưới lồng cố định còn tốt không cài lưới lồng c) Về tốc độ di chuyển dọc mơ hình có xu hướng dự báo bão di chuyển chậm thực tế khoảng thời gian đầu dự báo (khoảng 24h đầu), nhanh thực tế Page 76 khoảng thời gian lệch trái so với thực tế Trường hợp có cài lưới lồng cho kết dự báo tốc độ di chuyển dọc bão sát với thực tế trường hợp không cài lưới lồng lại dự báo bão di chuyển lệch trái nhiều d) Qua kết phân tích bão ta thấy: quỹ đạo dự báo bão mạnh, bão yếu, bão đầu mùa bão cuối mùa có quy luật khác nên cần phải khảo sát kỹ e) Mơ hình cài lưới lồng cho kết dự báo quỹ đạo bão tốt không cài lưới lồng bão yếu bão đầu mùa Trong khi, bão mạnh bão cuối mùa lại cho kết khơng hồn tồn tốt tất hạn dự báo Kiến nghị: Những kết luận rút từ bước đầu nghiên cứu mơ hình WRF Để có kết luận xác cần phải tiến hành nhiều thử nghiệm có phân tích, đánh giá sâu Page 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt TS Hoàng Đức Cường (2011), “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình WRF phục vụ dự báo thời tiết bão Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp bộ, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Mơi trường Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân (2002), “Khảo sát ảnh hưởng trường ban đầu hóa đến chuyển động bão mơ hình áp dự báo bão khu vực biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 8(500) Tr 17-25 Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân, Nguyễn Minh Trường, (2005), “Nghiên cứu lý tưởng tiến triển xốy thuận nhiệt đới mơ hình WRF”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 4(532), tr 11-21 Võ Văn Hòa, (2007), “Nghiên cứu thử nghiệm mơ hình WRF dự báo quỹ đạo bão khu vực biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 561(2007), tr 13-20 Võ Văn Hòa (2008), “Khảo sát độ nhạy kết dự báo quỹ đạo bão tới sơ đồ tham số hóa đối lưu mơ hình WRF”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 571(2008), tr 12-19 Võ Văn Hòa (2008), “Đánh giá kỹ dự báo quỹ đạo bão mơ hình WRF”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 3(576) Trần Cơng Minh (2001), “Khí tượng synốp (phần nhiệt đới)”, Trường Đại học KHTN, Đại học QGHN Đặng Hồng Nga nnk (2006), “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình MM5 dự báo cường độ quỹ đạo bão Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp Bộ TS Nguyễn Thị Minh Phương (2007), “Kết dự báo nghiệp vụ quỹ đạo bão hoạt động biển Đơng năm 2005 mơ hình áp với sơ đồ Page 78 ban đầu hóa xốy cải tiến”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị khoa học lần thứ 10 – Viện KH KTTV & MT 10 Phan Văn Tân cộng sự, (2002), “Kỹ thuật phân tích xốy tạo trường ban đầu cho mơ hình áp dự báo quỹ đạo bão”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 1(493), Tr 13-22 11 Phan Văn Tân, Nguyễn Lê Dũng (2008), “Thử nghiệm ứng dụng hệ thống WRF-VAR kết hợp với ban đầu hóa xốy vào dự báo quỹ đạo bão biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 7(583), Tr 1-9 12 Phan Văn Tân, Bùi Hoàng Hải (2004), “Ban đầu hóa xốy ba chiều cho mơ hình MM5 ứng dụng dự báo quỹ đạo bão”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 10(526), Tr 14-25 13 Phan Văn Tân, Bùi Hoàng Hải (2008), “Thử nghiệm áp dụng phiên HRM_TC vào dự báo chuyển động bão Việt Nam”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 2(566), Tr 1-10 14 Phan Văn Tân, Kiều Thị Xin, Nguyễn Văn Sáng (2002), “Mơ hình áp WBAR khả dự báo quỹ đạo bão khu vực Tây Thái Bình Dương biển Đơng năm 2002”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 6(498), Tr 27-33 15 Công Thanh (2008), “Thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão mơ hình RAMS”, Đề tài TN 08-37, Phòng Dự báo thời tiết khí hậu, Khoa Khí tượng-Thủy vănHải dương học, Đại học KHTN 16 Ths Lê Công Thành (2004), “Ứng dụng loại mơ hình số dự báo bão Việt Nam”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 5(521), Tr 10-22 17 GS.TS Trần Tân Tiến nnk (2004), “Ứng dụng mô hình ETA khơng thủy tĩnh để dự báo định lượng mưa quỹ đạo bão Việt Nam” Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 5(521), Tr 1-9 Page 79 18 Nguyễn Minh Trường, (2004), “Nghiên cứu cấu trúc di chuyển xốy thuận nhiệt đới lý tưởng hóa mơ hình WRF”, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp trường 19 PGS TSKH Kiều Thị Xin, Ths Lê Công Thành, TS Phan Văn Tân (2000, 2001), “Áp dụng mơ hình số khu vực phân giải cao vào dự báo hoạt động bão Việt Nam biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 7(499), Tr 12-21 Tiếng Anh 20 John Cangialosi, Shuyi S Chen, and John Michalakes (2005), “Hurricane simulations using a vortex-following nested grid in MM5 and WRF”, RSMAS/University of Miami, Miami, Florida 21 Michael Fiorino and Russell L Elsberry (1988), “Some Aspects of Vortex Structure Related to Tropical Cyclone Motion”, Journal of The Atmospheric Sciences, Vol 46, No 22 Megan S Gentry and Gary M Lackmann (2009), “Sensitivity of simulated tropical cyclone structure and intensity to horizontal resolution”, Ame Met Soc 23 Y –R Guo, H –C Lin, X X Ma, X –Y Huang, C T Terng and Y –H Kuo, (2006), “Impact of WRF-Var (3DVAR) Background Error Statistics on Typhoon Analysis and Forecast”, WRF users workshop, Boulder, Corolado 24 Lucas M Harris and Dale R Durran (2009), “An Idealized Comparison of OneWay and Two-Way Grid Nesting”, Department of Atmospheric Sciences University of Washington 25 Edward J Harrison (1980), “Initial Results From The Navy Two-Way Interactive Nested Tropical Cyclone Model”, Mon Wea Rev., Volume 109, Tr 173-177 26 Sujata Pattanayak and U C Mohanty (2008), “A comparative study on performance of MM5 and WRF models in simulation of tropical cyclones over Page 80 Indian seas”, Center for Atmospheric Sciences, Indian Institute of Technology New Delhi, New Delhi 110016, India 27 M Rajeevan et al (2010), “Sensitivity of WRF cloud microphysics to simulations of a severe thunderstorm event over Southeast India”, Annales Geophysicae, 28, 603-619 28 William R Ryerson (2006), “Evaluation of The AFWA WRF 4-km Moving Nest Model Predictions For Western North Pacific Tropical Cyclone”, Master of Science in Meteorology from The Naval Postgraduate School 29 Shafer et al (2008), “Evaluation of WRF Forecasts of Tornado and Nontornado Outbreaks When Initialized with Synoptic-Scale Input”, Mon Wea Rev., V137, 1250-1270 30 Jonathan Vigh, Scott R Fulton, Mark DeMaria and Wayne H Schubert (2002), “Evaluation of a Multigrid Barotropic Tropical Cyclone Track Model”, Mon Wea Rev 31 Bangzhong Wang, Yinglong Xu, and Baogui Bi (2007), “forecasting and warning of tropical cyclones in China”, Data Science Journal, Volume 32 Weber H C (2001), “Hurricane track prediction with a new barotropic model”, Mon Wea Rev., 108, 642-654 33 Weber H C (2004), “Probabilistic Prediction of Tropical Cyclone Part I: Position”, Mon Wea Rev., Vol 133, pp 1840-1852 34 Prungchan Wongwises and Boonlert Archevarahuprok (2004), “The Application of Adative Mesh to the Numerical Forecasting of Tropical Storm Track”, The Joint International Conference on “Suitainable Energy and Environment”, Hua Hin, Thailand Page 81 ... đánh giá ảnh hưởng độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão, đưa công cụ hỗ trợ xử lý kết dự báo mơ hình Chương 3: Phân tích đánh giá vai trị độ phân giải đến kết dự báo quỹ đạo bão biển Đơng... giá ảnh hưởng Page độ phân giải mơ hình WRF đến kết dự báo quỹ đạo bão biển Đông Tôi lựa chọn cài đặt lưới lồng mơ hình WRF với miền thơ có độ phân giải ngang 27km miền lồng nằm bên có độ phân giải. .. hạn dự báo (j =0, 6, 12 72) Page 45 i, j (2.9) CHƯƠNG PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VAI TRỊ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI ĐẾN KẾT QUẢ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG 3.1 Phương án thử nghiệm ảnh hưởng độ phân giải