NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẠI DƯƠNG KHÍ QUYỂN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH HWRF

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẠI DƯƠNG KHÍ QUYỂN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH HWRF Hàng năm Việt Nam chịu thiệt hại rất nặng nề do thiên tai như lũ lụt, hạn hạn, rét đậm, rét hại…...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TRƯƠNG BÁ KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẠI DƯƠNG KHÍ QUYỂN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH HWRF Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60 44 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC CƯỜNG Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Người đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, đó là TS. Hoàng Đức Cường. Thầy Cường đã hướng dẫn tôi khóa luận tốt nghiệp đại học, nay Thầy tiếp tục tận tình giúp đỡ và hướng dẫn khoa học để tôi có thể hoàn thành luận văn Thạc sỹ. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô ở Khoa khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Tr ường Đại học Khoa học Tự nhiên, những người luôn tạo điều kiện và cho tôi kiến thức để tôi có thể học hỏi vươn lên trong sự nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường. Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứ u Khí tượng Khí hậu, các bạn đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy Văn Trung ương đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Khí hậu, đã tạo điều kiện thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình công tác. Cuối cùng là lờ i cảm ơn dành cho gia đình tôi. Trương Bá Kiên MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 1 DANH MỤC HÌNH 3 DANH MỤC BẢNG 5 MỞ ĐẦU 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG 8 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới 8 1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão. 8 1.1.2 Mô hình số trị toàn cầu 8 1.1.3 Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão 10 1.1.4 Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão 11 1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới cường độ và quỹ đạo bão 14 1.2.1 Trên thế giới 14 1.2.2 Trong nước 17 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 20 2.1 Mô hình WRF 20 2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF 20 2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF 21 2.1.3 Các quá trình vật lý trong mô hình 22 2.2. Mô hình ROMS 28 2.2.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình  29 2.2.2 Phương pháp tính 30 a) Sai phân theo không gian 30 b) Sai phân theo thời gian 31 2.2.3 Tham số hoá 31 2.3 Mô hình COASWT 34 2.4 Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm 37 2.5 Chỉ tiêu đánh giá dự báo bão 39 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO 41 3.1 Nhiệt độ bề mặt biển 42 3.1.1 Bão Mindulle 42 3.1.2 Bão Nock-ten 43 3.1.3 Bão Nalgae 44 3.2 Áp suất bề mặt biển 46 3.2.1 Bão Mindulle 46 3.2.2 Bão Nock-ten 47 3.2.3 Bão Nalgae 49 3.3 Gió bề mặt 51 3.3.1 Bão Mindulle 51 3.3.2 Bão Nock-ten 52 3.3.3 Bão Nalgae 53 3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt 54 3.4.1 Bão Mindulle 54 3.4.1 Bão Nock-ten 55 3.4.1 Bão Nalgae 56 3.5 Đánh giá quỹ đạo và cường độ bão 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 1 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AFWAM: Air Force WWMCCS ADP Modernization ATE: Along Track Error ATNĐ: Áp thấp nhiệt đới AVN: Aviation Model COADS: Comprehensive Ocean-Atmospheric Data Set COAMPS: The Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System COAWST: Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport CSTMS: Community Sediment Transport Modeling Systems CTE: Cross Track Error. ECMWF: The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ETA: Mô hình Ê-ta GDAS: Global Data Assimilation System GEFS: Global Ensemble Forecast System GEM: Global Environmental Multiscale Model GEM: Global Environmental Multiscale Model GFDL: Geophysical Fluid Dynamics Laboratory GFDN: The US Navy version of GFDL GFS : Global Forecast System GME: Global Model Europe GSM: Global System Model HRM: High Resolution Regional Model HWRF: Hurricane Weather Research and Forecast JTYM: Japan Typhoon Model KMA: Korea Meteorological Administration KTTV: Khí tượng thủy văn LBAR :Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model MCT: Model Coupling Toolkit 2 MM5: Mesoscale Model-5 MRF: Medium Range Forecast NCAR: The National Center for Atmospheric Research NCEP: National Centers for Environmental Prediction NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration NOGAPS: Navy Operational Global Atmospheric Prediction System POM: Princeton Ocean Model RAMS: Regional Atmospheric Modeling System ROMS: Regional Ocean Model System SANBAR: Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model SLP: Sea Level Pressure SSI: Satatic Spectrum Interpolate SST: Sea surface Temprature SWAN: Simulating Waves Nearshore TC-LAPS: Tropical-Cyclone Limited Area Prediction System UKM: United Kingdom Models UM: Unified Model VICBAR: VICBAR XTNĐ: Xoáy thuận nhiệt đới 3 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF 21 Hình 2.2. Hệ tọa độ thẳng đứng của mô hình WRF Error! Bookmark not defined. Hình 2.3. Sơ đồ tương tác của các thành phần trong mô hình WRF 27 Hình 2.4. Sơ đồ cấu truc mô hình COAWST 35 Hình 2.5. Miền tính dự báo 38 Hình 3.1. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h 42 Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h và 48h 43 Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h 43 Hình 3.4. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h 44 Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h 45 Hình 3.6. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h 45 Hình 3.7. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z 46 Hình 3.8. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 46 Hình 3.9. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 36h và 48h 47 Hình 3.10. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z 47 Hình 3.11. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 48 Hình 3.12. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 49 Hình 3.13. Độ chênh lệ ch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z 49 Hình 3.14. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 50 Hình 3.15. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h 50 4 Hình 3.16. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h 51 Hình 3.17. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h và 48h 52 Hình 3.18. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h 52 Hình 3.19. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h, 48h và 72h 53 Hình 3.20. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình gi ữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z và sau 12h dự báo 53 Hình 3.21. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24, 48h và 72h 54 Hình 3.22. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 12h 54 Hình 3.23. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h 55 Hình 3.24. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩ m (phải) WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h 56 Hình 3.25. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h 56 Hình 3.26. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h 57 Hình 3.27. Độ chênh lệch thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF sau 48h và 72h 57 Hình 3.28 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z). 59 Hình 3.29. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z). 60 Hình 3.30. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z). 61 Hình 3.31. Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình. 62 Hình 3.32 SLP min trung bình và ME của SLP min 62 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF 23 Bảng 1.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF 24 Bảng 1.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF 24 Bảng 1.4. Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF 26 Bảng 2.1 Gianh giới các lớp nước (m) tại các độ sâu khác nhau 38 6 MỞ ĐẦU Hàng năm Việt Nam chịu thiệt hại rất nặng nề do thiên tai như lũ lụt, hạn hạn, rét đậm, rét hại… và trong đó phải kể đến thiên tai do bão-áp thấp nhiệt đới gây thiệt hại lớn về người và của cho nước ta. Chính vì vậy, yêu cầu về dự báo và cảnh báo bão chính xác, kịp thời cường độ và quỹ đạo bão là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối với cơ quan dự báo nghiệp vụ nhằm đưa ra các cảnh báo cho nhân dân và các cấp, các nghành liên quan. Hiện nay việc dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác là rất khó đặc biệt là cường độ bão. Có nhiều phương pháp dự báo bão như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp dự báo số trị. Trong những năm gần đây nhờ những tiến bộ về khoa học máy tính và sự phát triển mãnh mẽ của mô hình s ố trị trên thế giới nên các mô hình số trị ngày càng hoàn thiện và dự báo chính xác hơn . Chính vì vậy pháp dự báo số trị có ưu điểm vượt trội do đưa ra được kết quả dự báo khách quan, định lượng… so với hai phương pháp trên. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại mô hình số trị khác nhau chuyên dự báo quỹ đạo và cường độ bão như AFWAM, AVN, COAMPS, UKM, GFDL, GSM, JTYM, NOGAPS, TC-LAPS… và mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting). Mô hình HWRF là mô hình khí quyển đại dương dự báo nghiệp v ụ bão tại Hoa Kỳ từ năm 2007, mô hình này được phát triển với mã nguồn mở và cộng đồng khoa học hợp tác phát triển lớn. HWRF là phương án lựa chọn cho các nước không tự xây dựng được mô hình nghiệp vụ dự báo bão như nước ta. Hiện tại Việt Nam cũng đã sử dụng một số mô hình số trị dự báo bão như ETA, MM5, HRM, WRF, RAMS… Tuy nhiên các mô hình trên mới chỉ chạy mảng khí quyển. Các tương tác của đại dương - khí quyển không tính tới sự biến đổi của điều kiện đại dương trong suốt khoảng thời gian dự báo do đó các ảnh hưởng của tương tác vật lí từ đại dượng có thể làm cho dự báo cường độ và quỹ đão không được tốt. [...]... tập trung “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình HWRF ” và hướng tới thử nghiệm dự báo quỹ đạo và cường độ bão cho Việt Nam Nội dung của luận văn gồm có: Mở đầu Chương I Tổng quan về dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng mô hình khí quyển đại dương Chương II Hệ thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão và phương pháp... động của bão (2008)… Nghiên cứu về tương tác biển -khí quyển ảnh hưởng tới cường độ và quỹ đạo XTNĐ bằng mô hình đại dương- khí quyển còn khá ít và rất khiêm tốn ở nước ta 19 CHƯƠNG II MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 2.1 Mô hình WRF 2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF Mô hình Nghiên cứu và Dự báo WRF (Weather Research and Forecast) là mô hình. .. pháp đánh giá Chương III Đánh giá ảnh hưởng tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão Kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG 1.1 Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới 1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão Hiện nay, ở các nước phát triển... quyển -đại dương nghiên cứu bão thấy rằng cường độ của bão bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện đại dương và đã chỉ ra hiệu hứng phản hồi âm (ngược) SST, đối với những cơn bão di chuyển nhanh thì bị ảnh ảnh hưởng lớn từ hiệu ứng phản hồi SST và bão di chuyển chậm ít chịu ảnh hưởng này [21] Hong và nnk (2000) nghiên cứu tương tác giữa bão Opal với tâm nóng của vịnh Mexico thông qua mô hình khí quyển -đại. .. đền bão nhiệt đới [15] Bender và nnk (1993) : Mô phỏng tương tác khí quyển đại dương bằng mô hình kết hợp khí quyển đại dương độ phân giải cao nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của trường nhiệt độ bề mặt biển (SST) và dòng môi trường dẫn đường thấy bão lệch hướng Đông-Đông Nam, nếu không có dòng dẫn đường thì bão lệch hướng Đông – Đông Bắc Kerry Emanuel và Lars R.Schade (1999): Dùng mô hình liên hoàn khí quyển -đại. .. các vùng nước nông (bão sắp đổ bộ) thấy ảnh hưởng mãnh mẽ của SST, SST thay đổi làm thay đổi cường độ bão [23] 14 Chun-Chieh Wu và nnk (2007) nghiên cứu ảnh hưởng của dị thường SST đối xứng yếu và bất đối xứng mạnh tới tâm và cường độ bão bằng mô hình kết hợp khí quyển -đại dương, kết quả thấy rằng quỹ đão của bão thay đổi khá nhỏ trong trường hợp có và không liên hoàn biển khí quyển Tuy nhiên thành... đổi giữa khí quyển đại dương trong bão nhiệt đới đã kết luận rằng: Cùng với tương tác của hải lưu và sóng do gió tới thông lượng từ đại dượng là nguyên nhân chính gây giảm tốc độ gió của bão (cường độ bão yếu đi) [12] Liu và nnk (2011): Sử dụng mô hình kết hợp khí quyển -đại dương- sóng (WRF-POM-SWAN) mô phỏng cường độ xoáy thuận nhiệt đới đã chỉ ra rằng : Trong khi quan hệ giữa sóng và khí quyển làm... tới cường độ và quỹ đạo bão 1.2.1 Trên thế giới Ooyama (1969), Chang và Anthes (1979) chỉ ra rằng sự suy yếu đáng kể của bão khi di chuyển qua vùng nước lạnh Kerry Emanuel (1986) trên tạp chí khoa học khí quyển đã nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô hình số đơn gian đầu tiên cho tương tác khí quyển -đại dương đối với bão nhiệt đới và thấy rằng ảnh hưởng và vai trò của các thông lượng nhiệt ẩm từ đại dương. .. lên, tuy nhiên mối quan hệ động lực của khí quyển -đại dương làm bão yếu đi Ảnh hưởng tổng thể được xác định bởi phản hồi dương của sóng và phản hổi âm của SST lạnh tới cường độ bão, nếu bão di chuyển qua vùng nước biển lạnh thì sẽ yếu đi và bão làm giảm SST [16] Isacc Ginis và Yablonsky (2011) sử dụng mô hình kết kết hợp khí quyển ại dương (GFDL) và kết quả thấy rằng khi bão di chuyển qua vùng biển... dự báo quỹ đạo mà còn những yếu tố khác cũng rất quan trọng như cường độ bão, mưa trong bão, tốc độ gió mạnh trong bão, hiện tượng nước dâng do bão, Chính vì vậy, hiện nay các trung tâm dự báo bão lớn trên thế giới đều phát triển hệ thống mô hình tà áp cho mục đích dự báo cường độ và quỹ đạo bão cũng như các yếu tố liên quan Một số mô hình đang được sử dụng dự báo nghiệp vụ cường độ và quỹ đạo bão tại . “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình HWRF ” và hướng tới thử nghiệm dự báo quỹ đạo và cường. thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão và phương pháp đánh giá. Chương III. Đánh giá ảnh hưởng tương tác khí quyển đại dương