TRUONG DAI HOC TAINGUYEN VA MOI TRUONG TP.HO CHI MINH KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
PHẠM THỤY NHA TRANG
THU NGHIEM DU BAO CUONG DO BAO BANG PHUONG PHAP LOC KALMAN TO HOP DA VAT LY
TRONG ĐIÊU KIỆN CÓ KHƠNG KHÍ LẠNH
DO AN TĨT NGHIỆP KỸ SƯ KHÍ TƯỢNG HỌC
Mã ngành: 52410221
Trang 2TRUONG DAI HOC TAINGUYEN VA MOI TRUONG TP.HO CHI MINH KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
DO AN TOT NGHIỆP
THU NGHIEM DV BAO CUONG BOQ BAO BANG | PHUONG PHAP LOC KALMAN TO HOP DA VAT LY
TRONG ĐIÊU KIỆN CÓ KHÔNG KHÍ LẠNH
Sinh viên thực hiện: Phạm Thụy Nha Trang MSSV: 0250010042 Khóa: 2013 — 2017
Giảng viên hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Minh
Trang 3TRUONG DH TAI NGUYEN VA MOI TRUONG CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM
THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH _ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN —————_—
Tp Hồ Chí Minh,ngày tháng năm
NHIỆM VỤ CỦA ĐỎ ÁN TÓT NGHIỆP
Khoa: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Bộ mơn: KHÍ TƯỢNG
Ho va tén: PHAM THUY NHA TRANG MSSV: 0250010042
Ngành: KHÍ TƯỢNG HỌC Lớp: 02 ĐHKT
1 Đầu đề đồ án: Thử nghiệm dự báo cường độ bão bằng phương pháp lọc Kalman tổ hợp đa vật lý trong điều kiện có không khí lạnh
2 Nhiệm vụ:
- _ Tìm hiểu phương pháp lọc Kalman tô hợp đa vật lý và mô hình WRE
-_ Tìm hiểu hoàn lưu qui mô lớn trong trường hợp có bão hoạt động trong điều
kiện không khí lạnh
- _ Chọn một cơn bão để thử nghiệm
- Ap dung loc Kalman té hop da vat lý để dự báo cường độ bão trong điều kiện có không khí lạnh
- Danh gia kết quả sai số dự báo so với quan trắc 3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/07/2017
4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/11/2017
5 Họ và tên người hướng dẫn: Th.S Phạm Thị Minh
Người hướng dẫn I Người hướng dẫn 2
(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)
Nội dung và yêu cầu đã được thông qua bộ môn Ngày tháng năm
Trang 4LOI CAM ON
Trong suốt bốn năm rưỡi học tập và rèn luyện dưới giảng đường trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP Hồ Chí Minh, với lòng yêu nghề, sự tận tâm, hết lòng truyền đạt của các thầy cô, em đã tích lũy được rất nhiều kiến thức cũng như các kỹ năng cần thiết trong cuộc sống
Lời đầu tiên, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến cô Th.S Phạm Thị Minh,
người đã tận tình hướng dẫn em thực hiện đồ án tốt nghiệp này Tiếp theo, em xin cám ơn cô Th.S Bùi Thị Tuyết, trưởng bộ môn Khí tượng, và các thầy cô trong khoa Khí tượng — Thủy văn đã giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường Những kiến thức Thầy Cô đã truyền đạt cho em là hành trang quý báu cho em trên con đường sau này
Cuối cùng, con xin chân thành cám ơn ba mẹ - người đã sinh ra, dưỡng dục và nuôi con khôn lớn, tạo mọi điều kiện vật chất lẫn tinh thần, luôn ủng hộ và động viên cho
con, là một điểm tựa vững chắc cho con an tâm học tập đến ngày hôm nay
Nguồn kiến thức thì vô tận và thời gian thực hiện đồ án còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, em chân thành cám ơn những góp ý vô cùng quý giá và chân thành của Quý Thầy Cô
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 6 thang 11 nam 2017
Sinh viên thực hiện
Trang 5MUC LUC
DANH MUC HINH 00 ccscssecssccsecssecsvessesssesseesuessuessessuessessuesstessessuessessessessuesstestesseseseens I DANH MUC BANG wooo ecccccccsecsessessessessessessessessessesvesucsussvssuesussussesssesssessesssteensaneeses II MỞ ĐẦU Q20 110112 111112 1111k k TT TT TT TT net 4 CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP LOC KALMAN TO HOP DA VAT LÝ VÀ MƠ HÌNH WRE- -222222222222222 E22 Erererererererrereree 4 1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC -2 -z+czz=- 4
1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nưỚC . ¿2+5 ++2+222S2E2E2E2E2E2EEEErEErrrrrrrrrrrrre 4 1.1.2 Các nghiên cứu trong NƯỚC . -¿-+-++++++++E+E+E+E+Eexrxerrrrrrrrrerrrrerererrree 5
1.2 PHƯƠNG PHÁP LỌC KALMAN TỔ HỢP ĐA VẬT LÝ -222zz2zszzz 5 1.3 SƠ LƯỢC VẺ MƠ HÌNH WRE -2- 222 2122112211211221122122112212212ecee 9 1.3.1 Giới thiệu về mô hình WRE -2+22+2E+EE+2E2EE27EEEE27E12E1221221222221222 222 cxeE 9
1.3.2 Dữ liệu đầu vào, đầu ra và các bước chạy mô hình WRE - 10
CHƯƠNG 2: HỒN LƯU QUY MƠ LỚN TRONG ĐIÊU KIỆN CÓ KHÔNG KHÍ
LẠNH SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KHƠNG KHÍ LẠNH VÀ BÃO - 12
2.1 HOÀN LƯU QUY MƠ LỚN TRONG THỜI KÌ CĨ KHƠNG KHÍ LẠNH 12
2.1.1 Áp cao Siberia 2s+22s2212211221112711221112711221121112112121 1e 12
2.1.2 Áp cao Thái Bình Dương 2-©222+SEE22EE2E2122712171121122711211222 e2 13
2.2 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KHƠNG KHÍ LẠNH VÀ BÃO -ccs e: 13
b W0) 00009A2T0n087 aa 13
2.2.2 Tín phong và rãnh thấp xích đạo 2-©-222222222222222221222212222222222e 14
2.2.3 Áp cao Thái Bình Dương -22+22C22222EE22222227212222271222227112222221 14
2.2.4 Áp cao lục địa châu FT 15
2.3 CƠN BÃO ĐƯỢC CHỌN ĐỀ THỬ NGHIỆM 2-©22+2EE2 s22zz+erxcee 15
2.3.1 Bão Nari (2013) 22-2222 222122211222122 22222 erereerre 15
2.3.2 Đường đi cơn bão + 2+2 22 *23232E 25251512121 2112121 2111112211 16
Trang 62.4.1 Cầu trúc miền lưới - 2-2 k+EE+EEEESEEEE21211111111211211111111111x c1 18
2.4.2 Cầu trúc tổ hợp ::-22+©22++2222+t2221122211122111121111271112111121111 211 cty 19
2.4.3 Các trường hợp thử nghiệm 2]
2.4.4 Các phương pháp đánh giá . - BS 21
CHƯƠNG 3: KÉT QUÁ THỬ NGHIỆM 23
3.1 KẾT Q MƠ PHỎNG HỒN LƯU -22©22222222E22EE22E522212252225222522222552 23 3.2 KET QUA DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 22-222 2222222212211221122122122EsxeE 30 3.3 KÉT QUÁ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ BÃO - 22 2222212221221122121122122xEeE 30
3.3.1 Dự báo áp suất mực biển cực tiểu tại tâm -2+2s22E2EE22E2EtZEzExrrrrer 31
3.3.2 Dự báo tốc độ gió cực đại gần tâm 222222 2221222211222711222112222cee 37 KÉT LUẬN -2-2222E12E12E12212212712121271211212212112121211211211211211211EE SE erce 45 KHUYÉNNGHỊ _ -+-22E22212E1221211221221211211 21122 2EEEEE.SEEcre 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 22-22222222 22E2225225522312212215221221122112112121122112112x2E Xe 47 PHU LUC Loneecccccscccsecsesssecssessuessessuessecssessesssesevesseessesasessessuesseessesstesuesssessesstsssessseesees PL.1
Trang 7DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mô hình WRF Hình 2.1: Đường đi bão ÌNGTÌ St x SE kh Tnhh Hình 2.2: Ảnh vệ tỉnh từng H8ày 55c 55c SE SE E212 18
Hình 2.3 Cấu trúc miễn tính .-© 2+2222222221222212222112222112221222221221ee 19
Hình 3.1: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 12 thang 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L.//7/00340/2000n0nẼn88 23 Hình 3.2: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 12 UTC ngày 12 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2/7/00x40/20000nnẺ8h 24 Hình 3.3: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bão Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 13 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2/7/00x40/20 0n 25 Hình 3.4: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 12 UTC ngày 13 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2Ä//00348/20000nnẺẺ8h 25 Hình 3.5: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 14 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2Ä/7/00x40/20 0n 26 Hình 3.6: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 12 UTC ngày 14 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2Ä/7/00x40/20 0n 27 Hình 3.7: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 15 thang 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), L /2Ä/7/00x40/20 0n 28 Hình 3.8: Quỹ đạo quan trắc (màu đen), các thành phân tổ hợp (đường mảnh), thử nghiệm PH (hình a); MI (hinh b) và MP (hình c) bắt đầu dự báo lúc 00 UTC ngày 12 tháng 10 năm 2 Ï -i- - tk EE SE EEEEk SE kTtT KT Tàn TH Tàn TH Hà Hệ 29
Trang 8Hình 3.10: Biến trình PMIN quan trắc và PMIN trung bình trong các thử nghiệm MI, I //uNNGg : 33 Hình 3.11: Biến trình áp suất mực biển cực tiểu của các thành phân tổ hợp (đường màu tím mảnh); trung bình tổ hợp (màu đen); quan trắc (xanh dương) trong trường hop MI (hinh a); MP (hình b); PH (hình c); của cơn bão Nari dự báo lúc 00 UTC ngày
72/2068 h 34 Hình 3.12: Biến trình tốc độ gió cực đại gần tâm quan trắc -ce+ccce+ 38 Hình 3.13: Biến trình VMAX quan trắc và VMAX trung bình trong các thử nghiệm MI,
LƯU Ha “ , 40
Trang 9DANH MUC BANG
Bảng 2.1 Thông tin co béin vé BGO NAV i sc.scccccccsscsssssssssesssessssesssessseesssesssesssessssesssesssees 16
Bảng 2.2 So do tham sé héa vat lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ thể
Bảng 2.4 Danh sách các trường hợp thử nghiỆI - + SxSsseEseesrsesves 21
Bảng 3.1 Sai số qũy đạo cơn bão Nari với thời điểm dự báo lúc 00 UTC ngày
12//1(/2()13 (ÄHH) - - EEEEEkỀEEEEE SE HH ret 30 Bảng 3.2 Kết quả dự báo áp suất mực biển cực tiểu tại tâm quan trắc và trung bình trong các thử nghiệm MI, ÌP, PP Ì - c5 tt EEtEEEESESEEkEkkEkEkkkrk tk Triệt 32
Bảng 3.3 Sai số áp suất mực biển cực tiểu tại tâm của cơn bao Nari du bdo lúc 00
UTC ngay 12/10/2013 (ÑHHH|) - - SE ‡E‡E‡EEEEEEEEEEEEEEEEEEEkEkEkEkrkrkrkrkrkrkrkrkkkrkei 34 Bảng 3.4 Kết quả dự báo áp suất mực biển cực tiểu tại tâm quan trắc và trung bình trong các thử nghiệm MI, ÌP, PP .Ẳ SsSxStE*tE*VEEEEESEEEEKkEEkrEkkhkHtnhn HTr ry 39 Bảng 3.5 Sai số tốc độ gió cực đại gần tâm của cơn bão Nari dự báo lúc 00 UTC ngày
L2/LO/2013 (1/8) P00E7 Ầ 41
Trang 10MO DAU
1 Đặt vấn đề
Việt Nam là quốc gia ven biển nằm bên bờ Tây của Biển Đông, với đường bờ
biển trải dài từ Bắc xuống Nam Tuy được thiên nhiên ưu đãi nhưng mặt khác, Việt
Nam lại nằm trong khu vực ổ bão Tây Bắc Thái Bình Dương, hằng năm đều chịu ảnh hưởng của bão với tần suất lớn Mùa bão hằng năm thường rơi vào mùa hè và mùa thu Tuy nhiên, vẫn có những cơn bão xuất hiện vào mùa đông, trong điều kiện có không khí lạnh Không khí lạnh ảnh hưởng đến cường độ và quỹ đạo bão, có thê làm thay đôi cường độ bão và khiến quỹ đạo bão trở nên khó dự báo Chính vì vậy, trường hợp bão kết hợp với không khí lạnh có thé gây ra thiệt hại lớn về người và tài sản khi bão đồ bộ vào đất liền
Vì thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão nên việc dự báo bão rất được chú
trọng tại Việt Nam Theo nghiên cứu của NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration Commissioned Corps) nam 2017, trong công tác dự báo bão khoảng 10 năm trở lại đây, sai số dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình số đã giảm được khoảng 50% nhờ cải tiễn các mô hình, các thám sát xung quanh được tăng cường liên tục và
kỹ năng của người dự báo được cải thiện Tuy nhiên, việc dự báo cường độ bão chỉ cải thiện được khoảng 10 đến 20% nhờ các mô hình động lực thống kê Vì vậy việc nâng cao độ chính xác của việc dự báo cường độ bão là yêu cầu cấp thiết hiện nay
Mặt khác, trong những năm gần đây bài toán cải thiện trường ban đầu của mô hình được phát triển rất mạnh Một trong những phương pháp tiên tiến hiện nay là phương pháp lọc Kalman tổ hợp đa vật lí
Xuất phát từ những lí do trên, đề tài đồ án được chọn: “Thử nghiệm dự báo cường độ bão bằng phương pháp lọc Kalman tổ hợp đa vật lý trong điều kiện có không khí lạnh”
2 Mục tiêu
Mục tiêu của đồ án là khảo sát xem phương pháp lọc Kalman tô hợp đa vật lý
có cải thiện được khả năng dự báo cường độ bão trong điều kiện có không khí lạnh so
Trang 11Để đạt được các mục tiêu này trong đồ án sẽ thực hiện các nhiệm vụ: Tìm hiểu
phương pháp lọc Kalman tô hợp đa vật lý và mô hình WRE, hoàn lưu qui mô lớn trong
trường hợp có bão hoạt động trong điều kiện không khí lạnh, chọn một cơn bão dé thir
nghiệm, áp dụng lọc Kalman tô hợp đa vật ly dé dự báo cường độ bão trong điều kiện có không khí lạnh và cuối cùng là đánh giá kết quả sai số dự báo cường độ bão so với quan trắc, so sánh sai số dự báo cường độ bão với kết quả dự báo của các phương pháp khác
4 Nội dung nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu bao gồm nghiên cứu về hoàn lưu qui mô lớn trong thời kì có bão và không khí lạnh hoạt động, nghiên cứu về phương pháp lọc Kalman tô hợp đa
vật lí và mô hình WRF, chọn một cơn bão nằm trong phạm vi nghiên cứu để thử
nghiệm, áp dụng phương pháp lọc Kalman tổ hợp đa vật lý để dự báo cường độ bão và đánh giá sai số dự báo
5 Phạm vỉ nghiên cứu
Trong khuôn khổ đồ án, phạm vi nghiên cứu được giới hạn theo không gian là khu vực biên Đông và Việt Nam, theo thời gian là trong thời gian có không khí lạnh
hoạt động
Đề tiến hành nghiên cứu, đồ án sử dụng ba phương pháp chính: Phương pháp số, phương pháp phân tích đánh giá và phương pháp thống kê
6 Ý nghĩa thực tiễn của đồ án
Trong quá trình tìm hiểu về đồ án, em đã đọc được nhiều tai liệu chuyên ngành trong và ngoài nước, từ đó hiểu thêm về chuyên ngành Khí tượng Quá trình thực hiện đồ án đã giúp em rèn luyện kĩ năng phân tích tổng hợp kiến thức, cách sử dụng từ ngữ trong nghiên cứu khoa học và trên hết là học hỏi được phương pháp luận thông qua các công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài
7 Kết cầu của đồ án
Với những nội dung trên đồ án có bố cục gồm 3 chương
Trang 12Chuong 1: Phuong phap loc Kalman tô hợp đa vật lý và mô hình WRE
Chương 2: Hoàn lưu quy mô lớn trong điều kiện có không khí lạnh Sự tương tác giữa không khí lạnh và bão
Trang 13CHUONG 1:
PHUONG PHAP LOC KALMAN TO HOP DA VAT LY VA MO
HINH WRF
1.1 CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NGOÀI NƯỚC
Dự báo bão được quan tâm nhiều nhất ở ba khía cạnh là dự báo quỹ đạo, dự báo cường độ và dự báo bão đỗ bộ Trong vài thập kỉ qua, cùng với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật, việc dự báo quỹ đạo bão đã có những bước tiến đáng kể Tuy nhiên,
hầu như không có cải thiện nhiều về kỹ năng dự báo cường độ bão trong suốt thời gian này
Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bão bao gồm: nhiệt độ mặt nước biên, tương
tác với địa chính, địa hình, gió thắng đứng, độ âm trong môi trường bão, các thay đổi
về cầu trúc và tương tác với các hệ thống thời tiết khác Trong đó, việc thay đổi cấu trúc của mắt bão rất phức tạp và khó dự báo
1.1.1 Các nghiên cứu ngoài nước
Theo một nghiên cứu của NOAA (Cơ quan quản trị Khí quyên và Đại dương Quốc gia) năm 2017, có ít cách để dự báo cường độ bão hơn so với dự báo quỹ đạo Dù vậy
trong vòng 20 năm qua, đã có một số cải thiện nhỏ trong việc dự báo cường độ bão,
khoảng từ 10 đến 20% nhờ các mô hình động lực thống kê [3]
Một số mô hình động lực tiêu biểu là HWRE (Hurricane Weather Research and
Forecast System), HMON (Hurricanes in a Multi-scale Ocean coupled Non- hydrostatic model) Cac m6 hinh này hoạt động dựa vào việc giải các phương trình điều chỉnh khí quyền (và đại đương) Những mô hình này còn nhiều hạn chế như mạng lưới quan trắc thưa, mô phỏng vật ly thay đổi cường độ không đầy đủ và có vấn đề với biểu diễn cắt
Trong một nghiên cứu năm 2013, Kiều và các cộng sự đã tiễn hành thử nghiệm trên
cơn bão Conson (2010) [2] Để xem xét phương pháp lọc Kalman tổ hợp địa phương
biến đổi (Local ensemble transform Kalman filter: LETKF) trong điều kiện thực, các
Trang 14phiên bản phi thủy tĩnh Kết quả cho thấy, phương pháp tăng cấp nhân (MI) cho dự báo cường độ trong đó các thành phần dự báo gần như tương tự nhau trong toàn bộ thời gian dự báo, còn phương pháp đa vật lý (MP) cho biến trình các thành phần dự
báo có độ mở rộng lớn, một nửa trong số đó biểu diễn cường độ yếu hơn, nửa còn lại
biểu diễn cường độ mạnh hơn thực tế, nên dự báo chính xác hơn so với phương pháp tăng cấp nhân
1.1.2 Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam cũng có những nghiên cứu ứng dụng phương pháp lọc Kalman tổ hợp vào dự báo Trong bài báo “Ứng đụng phương pháp lọc Kalman tổ hợp vào dự báo quỹ đạo và cường độ bão 5 ngày” của Trần Tân Tiến, phương pháp lọc Kalman tô hợp
(LETKE) được kết hợp với mô hình WRF nhằm cải thiện việc dự báo quỹ đạo và
cường độ bão ở Việt Nam hạn 5 ngày và thu được kết quả khả quan [11] Nghiên cứu đã chỉ ra dự báo cường độ bão bằng phương pháp này cho hiệu quả hơn hắn các phương pháp khác đang sử dụng tại Việt Nam Cụ thể dự báo hạn 5 ngày sai số tốc độ gió cực đại trong bão khoảng 9m/s còn áp suất cực tiêu khoảng 7mb
Trong một nghiên cứu khác, GS.TS Trần Tân Tiến đã tiến hành khảo sát vai trò của bộ lọc Kalman tổ hợp đồng hóa số liệu vệ tỉnh và cao không trong mô hình WRF Cơn
bao duoc chon dé thir nghiệm 1a bao Nari, han dự bao 5 ngày [12] Trong hầu hết các
trường hợp dự báo, bão Nari chịu ảnh hưởng của sự mở rộng hoạt động của áp cao Tây Thái Bình Dương sang phía tây, mức độ lấn tây ít hay nhiều tùy trường hợp dự báo, nhưng hồn tồn khơng có sự xuất hiện của không khí lạnh Và hiện nay cũng chưa có nghiên cứu nào về dự báo cường độ bão bằng bộ lọc Kalman tô hợp trong điều kiện có không khí lạnh
1.2 PHƯƠNG PHÁP LỌC KALMAN TỎ HỢP ĐA VẬT LÝ
Hiện nay, các bản tin dự báo thời tiết đôi khi cho kết quả sai lệch do điều kiện ban
đầu không chính xác [8], điều này do đặc thù của mô hình dự báo thời tiết có tính phụ
thuộc mạnh vào trường ban đầu (trường đầu vào của mô hình) Một trong những phương pháp làm chính xác điều kiện ban đầu cho mô hình là đồng hóa số liệu, quá
Trang 15thành các nhóm khác nhau : tuần tự; không tuần tự, gián đoạn, liên tục, biến phân, phụ thuộc vào quá trình đồng hóa, thuật toán Hiện tại đồng hóa số liệu được
chia thành 2 nhómchính:
Đồng hóa bién phân (3Dvar, 4Dvar): cực đại hóa khả năng của trạng thái
phân tích, dựa vào số liệu quan sát và trạng thái nền Phương pháp tiếp cận này dựa trên thuật toán bình phương tối thiêu của hàm giá
Đồng hóa dãy (OI, KF, EnKF): cực tiêu phương sai của trạng thái phân tích dựa vào số liệu quan sát và trạng thái nền Phương pháp này thực hiện dựa trên các quá trình địa phương hóa để ước tính các toán tử ma trận khác nhau
Trong đó phương pháp lọc tổ hợp mà đại điện là lọc Kalman tổ hợp là một trong những phương pháp được tiếp cận nhiều nhất hiện nay Vì tính ưu việt trong quá trình tính toán song song hóa và dễ dàng ứng dụng trong nghiệp vụ Và hơn nữa lọc Kalman tô hợp cho phép xác định được sai số dự báo theo thời gian, đây là ưu điểm của Kalman tô hợp so với các phương pháp đồng hóa biến phân (3Dvar, 4Dvar)
Trong phần này một biến thể cụ thể của lọc Kalman tổ hợp, gọi là lọc Kalman tổ hợp biến đổi địa phương hóa (LETKF) sẽ được trình bày và thử nghiệm Một cách cơ bản, lọc LETKF là một phương pháp theo đó tại mỗi điểm nút lưới, chúng ta sẽ chọn một lân cận mô hình với kích thước cho trước (ví dụ một không gian 3 chiều có kích
thước 9 x 9 x 3 với tâm là điểm nút chúng ta đang quan tâm) Với không gian con này, chúng ta sẽ chọn ra tất cả các quan trắc cho được bên trong không gian này và
tạo ra một vector quan sát lân cận riêng biệt Sau đó, sử dụng ma trận nhiễu tổ hợp
nền đê biến đổi từ không gian căng bởi số điểm nút lưới địa phương sang không gian con căng bởi số thành phần tổ hợp Điều này sẽ làm giảm đáng kê khối lượng tính toán ma trận vì không gian tô hợp thường nhỏ hơn không gian địa phương rất nhiều
Do đó, các phép toán ma trận sẽ có độ chính xác cao hơn Để minh họa thuật toán một cách rõ ràng, nhắc lại rằng ma trận nhiễu tổ hợp nền XÍ (có số chiều M xK) được định nghĩa như sau:
Trang 16trong đó 1 K xf = =) xf k=1 Gọi w là một vector biến đổi trong không gian tổ hợp được định nghĩa như sau: x=#?+X?w (1.2) Khi đó, hàm giá trong không gian tô hợp địa phương sẽ chuyển thành ƒ@) = (k — 1)w”{I ~ (X?)T[X?(X")T] 'X°}w + J|x° + X?w], (13)
trong dé J[x’ + X°w] 1a hàm giá trong không gian mô hình Hàm giá sẽ được cực tiêu hóa nếu w là trực giao với không gian con rong của toán tử xt Lấy đạo hàm của ƒ(w) theo w và sử dụng: V„(dTx) = d V„(xTAx) = 2Ax chúng ta sẽ thu được giá trị #“ làm cực tiêu hóa hàm giá (2.3) như sau: We = P“(yfJTR"*[y9 = HŒ))|, (4) trong đó Yf = [H(x{ — #/),H(xƒ — #?), , H(x/ — #?)] (1.5) và Pa = [(K — 1)I + (Y7)TR~1y7]~1 (1.6) Như vậy, trong không gian tổ hợp, ma trận trọng số thu được từ (2.6) sẽ có dang: £=*(f)TR "1 và do đó ma trận trọng số K trở thành: K=XfR=X/P*(Yf3TR"1 (1.7)
Với ma trận K thu được ở trên, giá trị trạng thái trung bình tổ hợp tại điểm nút chúng
Trang 17P“ = (I— KH)Pf, và kết hợp với (2.8), chúng ta thu được: =Ä*(X®J! = P4 = (I— XfP*(Yf)TR"1)——Xf(X?JƑ ==:X/- P*Œ/)*R"1Y?)(Xf7T =z-X/P*((P4)"1~— (/)TR"1Y(XƑ' (19) Sử dụng (2.7), chúng ta sẽ thu được: X*(X*%)T = (K - 1)XfP*“(Xf)" (1.10) và do đó, X*# = Xf[(K — 1)Ê*]1⁄2 (1.11)
Qua trinh đồng hóa theo bộ lọc LETKF như vậy có thể tóm tắt như sau:
- Bước 1: tại mỗi điểm nút lưới, chọn một vùng thể tích lân cận bao xung quanh
điểm nút đó để xây dựng ma trận nhiễu nền địa phương
Xf = [(x{ — #/), ,(x£ — #2]:
- Bước 2: Trong mỗi thê tích lân cận, tìm tất cả các quan trắc bên trong thể tích lân cận này và xây dựng ma trận quan trắc nhiễu nền Yƒ =[H (xf —
#7), ,H(x/ — #7)] (Nếu H là toán tử tuyến tính, khi đó Yƒ = HX7) Đồng
thời xây dựng ma trận sai số quan trắc R ứng với các quan trắc bên trong thê tích;
- Bước 3: Tính ma trận sai số hiệp biến biến đổi Ê* theo (2.6) và sau đó ma trận
trọng số K theo (1.7);
- Bước 4: Cập nhật giá trị trung bình tổ hợp địa phương Z* theo (1.8)
- Bước 5: Tính ma trận nhiễu phân tích X° theo (1.11) và cộng vào ## để thu được tô hợp phân tích lân cận mới (x# = #“ + Xÿ);
- Bước 6: Chọn điểm giữa của vector tô hợp vector phân tích lân cận x£ và gán điểm này cho điểm nút lưới chọn ở bước 1
- Bước 7: Quay trở lại bước l và lặp lại cho đến hết tất cả các điểm nút lưới
Có thê nhận thấy dễ dàng trong các bước tính toán ở phía trên rằng các điểm nút
Trang 18quả bằng cách chia các phần công việc độc lập cho các lõi tinh toán khác nhau Điều này cho phép tăng tính hiệu quả tính toán lên rất nhiều và giúp lọc LETKF có được ưu điểm mà lọc Kalman tô hợp không có được
1.3 SO LUQC VE MO HÌNH WRE 1.3.1 Giới thiệu về mô hinh WRF
Mô hình Dự bao va Nghién ctru Thoi tiét WRF (Weather Research and Forcasting Model) là mô hình số trị được ứng dụng trong công tác dự báo và cảnh báo thời tiết
nghiệp vụ tại nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Mô hình này phục vụ
một loạt các ứng dụng khí tượng trên nhiều quy mô khác nhau, từ vài mét đến hàng ngàn kilômét
Mô hình WRE cung cấp hai bộ giải dé tính các phương trình khí quyên Các biến thể cua m6 hinh la WRF-ARW (Advanced Research WRF) phién ban nghién ctru nâng cao và WRF-NMM (Nonhydrostatic Mesoscale Model) phiên bản quy mô vừa phi thủy tĩnh
Mô hình WRE nâng cao phiên bản 3.0 hỗ trợ nhiều chức năng khác nhau, bao gồm: e _ Số liệu thực và mô phỏng lí tưởng;
e _ Các lựa chọn điều kiện biên cho cả trường hợp số liệu thực và trường hợp lí tưởng;
e _ Đầy đủ tùy chọn vật lý; thủy tĩnh và phi thủy tĩnh (tùy chọn thời gian chạy); © _ Ứng dụng theo các quy mô khác nhau, từ mét đến hàng ngàn cây số [6] Các thành phần của mô hình WRE:
Dựa vào sơ đồ ta thấy các thành phần chính của mô hình WRF gồm:
e _ Hệ thống tiền xử lý của mô hình WPS (The WRF Pre-processing System)
e Môđdun đồng hóa số liệu (WREDA)
e Médun mé phong ARW (ARW solver)
Trang 19SO’ DO HE THONG MO HINH WRF NGUON SO LIEU MÔ HINH WRF BEN NGOAI 3 7 HE THONG TIEN XU LY WRF
ng sung SỐ LIỆU LÍ TƯỞNG
ed 2D: Hill, Gray, VAPOR Squall Line & ze
a 3D: Supercell ; LES
Số neg & Baroclinic Waves NCL
Bots 1 Global: heldsuaroz ARWpost (GrADS / OBSGRID Vis5D) $6 ligu WRF RIP4 bề mặt WPP (GrADS/ WPS REAL GEMPAK) MET Số liệu từ mô hình lưới: INAM, GFS, RUC, INNRP, AGRMET Hình 1.1: Sơ đồ hệ thống mô hình WRF [6]
1.3.2 Dữ liệu đầu vào, đầu ra và các bước chạy mô hình WRE
Dữ liệu đầu vào của mô hình WRE là số liệu phân tích và dự báo của mơ hình tồn cầu
GES Dữ liệu dau ra là số liệu các trường khí tượng dự báo Trong dự báo cường độ bão, dữ liệu đầu ra là số liệu tốc độ gió mạnh nhất gần tâm bão (VMAX) và áp suất cực tiểu tại tâm
Chạy mô hình WRF ARW trường hợp dữ liệu thật
Bước 1: Cần phải chạy thành công WPS và tạo tệp met_em.*
Bước 2: Liên kết hoặc sao chép các tập tin đầu ra WPS để chạy thư mục cd
test/em_real va In —s / / /WPS/met_em.d01.*
Bước 3: Chỉnh sửa tệp tin namelist.input cho các tùy chọn thời gian chạy (phải sửa &time control dé bat dau, két thúc và tích phân thời gian và &domains cho miền lưới)
Bước 4: Chạy chương trình khởi tạo dữ liệu thực: /real.exe
Bước5: Chạy chương trình thành công sẽ cho ra tệp tin khởi tạo mô hình (wrfnput_d01) và biên (wrfbd_ d01)
Trang 20Bước 6: Chạy mô hình bằng cách gõ /wrf.exe >& wrf.out & hay mpirun -np N n
/wrf.exe &
Trang 21CHƯƠNG 2:
HOÀN LƯU QUY MÔ LỚN TRONG DIEU KIEN CĨ KHƠNG KHÍ LẠNH SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KHƠNG KHÍ LẠNH VÀ
BAO
2.1 HỒN LƯU QUY MƠ LỚN TRONG THỜI KÌ CĨ KHƠNG KHÍ LẠNH
Khơng khí lạnh là hiện tượng khối không khí rất lạnh từ lục địa Châu Á di chuyên
xuống khu vực nước ta vào thời kỳ gió mùa mùa đông Diễn biến của gió mùa mùa
đông trên lãnh thổ Việt Nam có thê phân thành hai thời kì: Thời kì tiến triển của gió
mùa mùa đông (thang 11-1) va thoi ki suy thoái của gió mùa mùa đông (tháng 2-4) [14] Vậy thời kì có không khí lạnh hoạt động ở nước ta là khoảng từ tháng 11 đến tháng 4
Vào thời kì tiến triển của gió mùa mùa đông, rãnh thấp xích đạo đã lùi xuống bán cầu
Nam trước sự phát triển của áp cao lục địa châu A Ap cao cận nhiệt đới Thái Bình
Dương thu hẹp lại, lùi sang phía đông và lùi về phía nam Trên cao (từ mực 700mb trở
lên) dòng xiết gió tây cận nhiệt đới chiếm ưu thế trên lục địa châu Á tới tận vĩ tuyến
18°N Những hình thế chính chỉ phối thời tiết trong thời kì có không khí lạnh bao gồm: áp cao Siberia và áp cao Thái Bình Dương
2.1.1 Áp cao Siberia
Về mùa đông, ở mực sát mặt đất (850 mb), hoàn lưu của áp cao Siberia bao trùm cả
vùng viễn đông Nga và bắc Trung Quốc Khi áp cao nảy mạnh lên, khí áp bề mặt ở trung tâm lên tới 1030mb, rìa phía nam của nó mở rộng lần sau xuống phía nam tới tận các vĩ độ thấp của vùng nhiệt đới Khi đó dải áp thấp xích đạo đã lùi xuống phía nam
xích đạo với một vùng áp thấp trên lục địa châu Úc [14]
Áp cao cận nhiệt đới Thái Bình Dương lúc này thu hẹp lại và lùi xa về phía đông Cũng thời gian đó lưỡi phía nam của áp cao Siberia tách ra, hình thành một áp cao phụ trên biên Đông Trung Quốc có vị trí gần trung với áp cao cận nhiệt đới Ở xa hơn về phía bắc, nằm giữa hai áp cao Siberia và áp cao Thái Bình Dương là áp thấp Aleut Trong mùa đông, không khí cực đới từ rìa phía nam của áp cao Siberia mỗi khi mạnh
Trang 22lên lại tràn về phía nam và ảnh hưởng đến Việt Nam theo hướng đông bắc, tạo ra những đợt gió mùa đông bắc Vào thời kì đầu, không khí cực đới tràn đến miền bắc
Việt Nam chủ yếu qua đường lục địa Trung Quốc, vì thế nó còn giữ được đặc tính lạnh
khô
Khi áp cao này suy yếu, lưỡi áp cao bị tách ra và hình thành hoặc tiếp thêm cho áp cao phụ trên biển Đông Trung Quốc Áp cao phụ này mạnh lên và thay thế áp cao Siberia
đã rút khỏi lãnh thổ Việt Nam
Như vậy đối với nửa phần phía bắc, về mùa đông tồn tại đan xen ảnh hưởng chủ yếu của hai trung tâm tác động là áp cao Siberia và áp cao phụ biển Đông Trung Quốc
2.1.2 Áp cao Thái Bình Dương
Áp cao Thái Bình Dương là một trong những trung tâm khí áp ít đi chuyển nhất Trong thời kì chuyên tiếp từ mùa đông sang mùa hè, áp cao Thái Bình Dương di chuyền lên phía Bắc và lấn dần sang phía Tây, đồng thời cường độ cũng mạnh dần lên [14|
Trong tháng 11, tại bề mặt, tâm áp cao lùi về phía đông nam và phạm vi thu hẹp hơn so với tháng 10 Lưỡi áp cao vẫn lấn mạnh sang phía tây và hoàn lưu của nó vẫn bao
trùm lãnh thổ Việt Nam Trong tháng 12, tại bề mặt, áp cao Thái Bình Dương tiếp tục
lùi về phía Đông nhường chỗ cho áp thấp Aleut hoạt động mạnh trên khu vực giữa Bắc Thái Bình Dương.Trên mực 850mb, áp cao tiếp tục dich chuyền về phía nam nên hoàn lưu phía tây của nó chỉ thôi tới phần nhỏ phía nam của lãnh thô Việt Nam Trong tháng
1 và tháng 2, trên mực 850, so với bề mặt, vị trí trung tâm áp cao không thay đổi nhiều
nhưng hoàn lưu của nó đã vươn mạnh sang phía tây, tới nam biển Đông và phần phía
nam của lãnh thổ Việt Nam
2.2 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KHƠNG KHÍ LẠNH VÀ BÃO
2.2.1 Dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ):
Trên vùng nhiệt đới, trong nửa dưới tầng đối lưu thường tồn tại một dai tương đối hẹp,
tại đó có sự hội tụ của các dòng tín phong từ hai bán cầu, đối lưu phát triển mạnh, di chuyên hướng B-N cùng với hoạt động biểu kiến của Mặt trời được gọi là dải hội tụ
Trang 23ITCZ dịch chuyển từ NBC về lại BBC
Trong tháng 11, từ mực 1000 đến 850mb, gió mùa mùa đông kết hợp với tín phong đông bắc xâm nhập xuống phía nam, tiếp tục đây ITCZ xuống vùng cận xích đạo Trên
mực §50mb, ITCZ cũng bị đây xuống và hình thành ITCZ kép, kết thúc thời kì hoạt
động của ITCZ ở BBC Trong tháng 4, ở vùng xích đạo tồn tại ITCZ kép Tín phong BBC chưa rút lui hắn nhưng tín phong NBC cũng chưa vượt lên được phía Bắc Hình thé nay phản ánh tháng chuyên tiếp mùa hè sang mùa đông ở BBC.:
Khi bão đồ bộ lên các vĩ độ cao thường kéo theo ITCZ lên phía bắc, nhưng khi bão đồ bộ vào đất liền thì ITCZ mất đi, một ITCZ khác lại được thiết lập ở vĩ độ thấp hơn
Khi không khí lạnh xâm nhập xuống phía Nam cũng làm cho ITCZ bị đây lùi xuống phía nam
2.2.2 Tín phong và rãnh thấp xích đạo
Tín phong là dòng không khí tầng thấp thôi từ rìa phía xích đạo của áp cao cận nhiệt đới vào vùng xích đạo Vào thời kì mùa đông, tín phong có tốc độ trung bình mạnh
nhất và có thể mở rộng đến vĩ độ 30 [10]
Rãnh thấp xích đạo là dải áp thấp nằm giữa hai đới áp cao cận nhiệt đới, cũng là dải hội tụ của hai dòng tín phong NE ở BBC và tín phong SE ở NBC
Tại đây dong thăng khổng lồ đi lên tạo điều kiện cho nguồn ẩm của các khối khí nóng am tồn tại lâu ngày trên biển ở rìa của hai đới áp cao cận nhiệt đới ngưng kết để hình thành mây và mưa
Rãnh xích đạo là một trong những nhân tố của gió mùa mùa đông Dọc theo rãnh này thường tồn tại những nhiễu động Sự phát triển của chuyên động đối lưu gắn liền với các đợt xâm nhập lạnh và thường là gần như ít di chuyển
2.2.3 Áp cao Thái Bình Dương
Vào mùa đông, áp cao Thái Bình Dương suy bắt đầu suy yếu và lùi ra phía đông, trục sống áp cao ở khoảng 30-320N Từ rìa phía tây nam của sống áp cao TBD, nhiễu động sóng đông hình thành có trục rãnh ở khoảng 1200E Phía trước rãnh có gió đông bắc, phía sau rãnh có gió đông nam, phía nam trục của dải thấp có gió tây nam Từ phần phía trước của sóng đông áp thấp hình thành trên biển và phát triển thành xoáy thuận nhiệt đới Bão di chuyên dưới tác động của gió đông trên mực 500 mb, ở rìa phía nam
Trang 24nam cua truc ap cao Thai Binh Duong [10] 2.2.4 Áp cao lục địa châu Á
Áp cao lạnh kèm theo front lạnh từ nam lục địa Trung Quốc di chuyền xuống miền Bắc Việt Nam trong thời kì mùa đông
Rãnh thấp từ lục địa Trung Quốc di chuyên ra phía đông đến bờ Đông Á, vẫn duy trì cường độ hoặc sâu thêm Trục của áp cao TBD nằm theo vĩ hướng khoảng 250N và
phạm vi ảnh hưởng của nó đến 1300E [10]
2.3 CƠN BÃO ĐƯỢC CHỌN ĐẺ THỨ NGHIỆM
2.3.1 Bão Nari (2013)
Bão Nari (tên chỉ định quốc tế: 1325, tên chỉ định JTWC: 24W, tên Việt Nam: Bão số
11) là cơn áp thấp thứ 40, cơn bão nhiệt đới thứ 25 và cơn bão cuồng phong thứ § (theo danh sách bão) trong mùa bão Tây Bắc Thái Bình Dương 2013
Vùng chịu ảnh hưởng của bão gồm: Philippines, Việt Nam, Lào và Thái Lan
Cơn bão Nari (bão số 11) được xác định đi vào Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng và Quảng
Nam Bão đồ bộ vào thành phố Đà Nẵng rạng sáng ngày 15/10/2013 với sức gió cấp 12, giật cấp 13, tương đương 130 km/h và gây thiệt hai nặng nề, khiến ít nhất 3 người chết và 49 người bị thương Theo báo cáo của UBND thành phố Đà Nẵng, ước tính
tổng thiệt hại lên đến 868,8 tỷ đồng (khoảng hơn 4l triệu USD)
Tại thành phố Đà Nẵng, từ 13:00 đến 22:45 ngày 14/10, bão Nari đã gây sự cố trên
đường dây trung thế, làm mất điện tại nhiều khu vực trong thành phố Ngoài ra hơn 1200 cột đèn chiếu sáng bị gãy đồ Ước tỉnh thiệt hại của ngành điện khoảng 30 tỷ
đồng (trên 1,4 triệu USD)
Ngày 15/10, tuyến đường sắt Bắc-Nam đi qua quận Liên Chiểu bj ach tắc do cây đô Tuyến quốc lộ 1A cũng bị chia cắt, hàng ngàn ô tô phải chờ bão tan, hết ngập mới có thể tiếp tục hành trình Các tuyến đường ven biên bị hư hỏng nghiêm trọng Ước tính thiệt hại của hệ thống giao thông khoảng 45 tỷ đồng (trên 2,1 triệu USD)
Thiệt hại về nhà cửa và cơ sở vật chất ước tính khoảng 141,6 tỷ đồng Toàn thành phố
Đà Nẵng có 122 nhà bị sập hoàn toàn, hơn 4200 nhà bị hư hỏng Ước tính thiệt hại về
Trang 25giáo và phòng học bị hư hỏng, ước tính thiệt hại khoảng 45 tỷ đồng (trên 2,1 triệu
USD)
Bão Nari là cơn bão có mức độ thiệt hại về sinh thái nghiêm trọng nhất so với các cơn
bão trước đây Một phần khác do hệ thống cây xanh ở Đà Nẵng thuộc loại cây khoảng 10-15 năm tuổi, dé bị bật gốc và gãy ngang thân Theo thống kê, có hơn 40 nghìn cây
xanh đô thị bị ngã đồ, gây thiệt hại lên đến 260 tỷ đồng (khoảng 12,4 triệu USD) [13]
Bảng 2.1: Thông tin cơ bản về bão Nari [5] Hình thành 2013-10-09 12:00:00 UTC Tan rã 2013-10-15 18:00:00 ƯTC
Thời gian tôn tại 150 (gid) / 6.250 (ngày) Thời gian tôn tai (JMA) 150 (giờ) / 6.250 (ngày)
Khí áp thấp nhất 965 (hPa)
Sức gió mạnh nhất 75 (knot)
Duy trì liên tục trong 10 phút: 140 km/h
Duy trì liên tục trong I phút: 195 km/h Bán kính gió lớn nhất 70 (nm) / 130 (km) Đường kính gió lớn nhất 140 (nm) / 260 (km) Bán kính gió lốc lớn nhất 210 (nm) / 390 (km) Đường kính gió lốc lớn nhất 420 (nm) / 800 (km) Chiều đài đường đi 2367 (km) Vận tốc trung bình 17.6 (km/h) | 421 (km/d) Pham vi di chuyén 1.8 vĩ độ : 22.5 kinh độ
Thông lượng gió 1.5600E+03
Tông năng lượng bão 1.0195E+05
Chỉ số công suất 6.8805E+06
Trang 26Khởi tạo dữ liệu 2013-10-08 12:00:00 UTC Kết thúc dữ liệu 2013-10-16 12:00:00 ƯTC
Thời hạn dữ liệu 192 (giò) / 8.000 (ngày)
2.3.2 Đường đi cơn bão
120°E 1400E 7 160°E
Hinh 2.1: Duong di bao Nari [5]
Bao Nari hình thành từ ngoài khơi biển phía Đông Phillipines, bão đi ngang qua miền
Trang 272.3.3 Ảnh vệ tỉnh từng ngày 9/10 10/10 11/10 12/10 Hình 2.2: Ảnh vệ tỉnh từng ngày [5] 2.4 THIẾT KÉ THÍ NGHIỆM
2.4.1 Cấu trúc miền lưới
Miền lưới thiết kế cho thử nghiệm dự báo cơn bão Nari năm 2013 là lưới lồng gồm 2
miền (36/12 km), miền lưới 1 gồm 151x151 điểm lưới và miền lưới 2 là 181x181 với tâm miền tính cố định ở 119.0°E và 15.4°N, sử dụng trong mô hình WRF phiên bản
3.1.1 Lưới tính được mô tả trên hình 2.3
Trang 2838N Tớ: ` 30N 4 “§ ` ——— 25N 20N — 15N We \r — |^ ~ 10N > ÀG: SN‡†< Ea a WE - aye Ba REDS (> $$
5E 100E 105E 110E 115E 120E 125E 130E 135E 140E
Hình 2.3 Cấu trúc miễn tinh
2.4.2 Cấu trúc tô hợp
Hiện tại trong mô hình WRE có các sơ đồ tham số hóa vi vật lý, tham số hóa bức xạ
sóng đài và sóng ngắn, tham số hóa đối lưu; tương ứng với các option trong bảng 2 [5] do đó có thể kết hợp giữa các sơ đồ vật lý khác nhau đó dé tao ra thành phân tô hợp tương ứng với 1 dự báo (bảng 2.2)
Bảng 2.2 Sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ thé
Sơ đồ tham số hóa Kí hiệu Các option
Vi vat ly mp_physics | = 1, Kessler scheme
= 2, Lin et al scheme
= 3, WSM 3-class simple ice scheme = 4, WSM 5-class scheme
= 5, Ferrier (new Eta) microphysics
= 6, WSM 6-class graupel scheme
Trang 29
Sơ đô tham số hóa Kí hiệu Cac option
Bức xạ sóng ngắn | ra _sw_physics | = 1, Dudhia scheme = 2, Goddard short wave Đối lưu cu_physics |= 1, Kain-Fritsch (new Eta) scheme = 2, Betts-Miller-Janjic scheme
Dự báo tổ hợp với điều kiện ban đầu được tạo ra từ Kalman tổ hợp đồng hóa số liệu
quan trắc với 21 thành phần tô hợp tương ứng với 21 lần dự báo ứng với các tổ hợp sơ đồ tham số hóa vật lý khác nhau trong bảng 2.2
Trang 302.4.3 Cac trường hợp thử nghiệm
Căn cứu vào mục đích nghiên cứu và bám sát nội dung nghiên cứu, chúng tôi đưa ra
các thí nghiệm như sau:
Bảng 2.4 Danh sách các trường hợp thử nghiệm
Kí hiệu Mô tả
Dự báo bão với điều kiện ban đầu được tạo ra từ lọc
PF Kalman t6 hop trong trường hợp coi mô hình là hoàn hảo (PF —Perfect Model)
Dự báo bão với điều kiện ban đầu được tạo ra từ lọc Kalman tổ hợp với sai số của mô hình được xác định
MI bằng phương pháp tăng cap nhan (Multiplicative Inflation)
Dự báo bão với điều kiện ban đầu được tạo ra từ lọc
MP Kalman tổ hợp với sai số của mô hình được xác định
bằng phương pháp đa vật lý (Multiple Physics)
2.4.4 Các phương pháp đánh giá - Phương pháp thống kê
Theo Wilks (1995) , sai sé trung bình tuyệt đối (MAE) được sử dụng để đánh
giá các dự báo của biến khí quyền liên tục Do vậy, MAE được áp dụng như một chỉ số để đánh gia sai 86 cường độ bão (áp suất mực biễn cực tiểu tại tâm - PMIN và tốc
độ gió cực đại gần tâm - VMAX) Với MAE - sai số trung bình tuyệt đối được tính
bằng công thức sau:
MAE = ~X7:ly¡ — 0| (2.1)
Trong do, MAE là sai 36 trung binh tuyét đối; Yià giá trị dự báo; Oi la gia tri quan trắc; n là độ dài chuỗi số liệu
- _ Phương pháp đánh giá dựa vào sai số quỹ đạo bão
Trang 31PE = R, «arcos[sin(a,) * sin(a,) + cos(a,) * cos(a,) * cos(B; — B2)] (2.2)
Trong đó, Re là bán kính trái đất có gia tri 6378.16 km; ơi, da là vĩ độ của tâm bão thực tế và tâm bão do mô hình dự báo (don vi radian); B1, B2 1a kinh d6 cua tam bao thực té
và tam bao do m6 hinh du bao (don vi radian)
Và giá trị trung bình sai số khoảng cách MPE được tính như sau:
MPE, = — (2.3)
Trong đó, PE là sai số kháng cách của từng trường hợp dự báo; n là số trường hợp thử
nghiệm; j là hạn dự báo
Trang 32CHUONG 3: KET QUA THU NGHIEM
3.1 KET QUA MO PHONG HOAN LUU
Thử nghiệm dự báo quỹ đạo và cường độ bão Nari hạn 3 ngày, với thời điềm bắt đầu từ 00 giờ ngày 12 tháng 10 năm 2013 và kết thúc vào 00 giờ ngày 15 tháng 10 năm 2013 Để đánh giá vai trò của phương pháp lọc Kalman tổ hợp đa vật lí, thử nghiệm dự
báo bão Nari được tiến hành trong ba trường hợp MI (tăng cấp nhân), MP (đa vật lí),
PF (trường hợp xem mô hình là hồn hảo khơng chứa sai số)
Về hình thế synop trong khoảng thời gian trên, tại mực 850 hPa, bão chịu tác động của áp cao lạnh phía bắc và cơn bão ở phía đông đảo Luzon Phillipines Áp cao này tác động trực tiếp đến cường độ và quỹ đạo bão
00Z120CT2015 + (07) local time 00Z12012015 + (07) loeal time
00Z120E12015 + (07) locol time
Hình 3.1: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 12 tháng 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Vào thời diém 00 gid ngày 12 tháng 10, cũng là thời điểm khởi tạo miền tính, tâm bão nằm tại vị tri (16°N; 119°E), tốc độ gió cực đại gần tâm bão khoảng 20-25 m/s Phía
Trang 3312Z120CT2013 + (07) local time 12Z120CT2013 + (07) local time 122Z120CT2013 + (07) local time
Hình 3.2: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 12 UTC ngày 12 tháng 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Sau 12 giờ, đến 12 giờ ngày 12 tháng 10, hình thế synop bắt đầu có sự biến đổi Ở phía bắc, áp cao lạnh lục địa có xu hướng dịch sang phía đông Bão di chuyên theo hướng
tây và mạnh dần lên, vị trí tâm bão vào khoảng (16°N; 118°E) Không có sự chênh lệch
lớn về vị trí tâm bão trong ba trường hợp thử nghiệm, nhưng có sự khác biệt về cường
độ Cụ thể ở hình 3.2b, khu vực xung quanh vị trí tâm bão được thể hiện chủ yếu bằng
màu xanh đương, tốc độ gió cực đại vào khoảng 35-40 m/s Trong khi đó ở hình 3.2a
và 3.2c, tốc độ gió cực đại chỉ khoảng 30-35 m/s Hoàn lưu của áp cao lạnh mở rộng
xuống phía nam nhiều hơn trong hình 3.2c so với hình 3.2a và 3.2b, dẫn đến tâm bão trong thử nghiệm PF lùi xuống phía nam hơn, vị trí tâm bão vào khoảng (15°N;
118°E)
Trang 3400Z150CT2015 + (07) local time 00Z150CT2015 + (07) local time ) local time Z 00Z150CT2015 + (07 r
Hình 3.3: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 13 thang 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Trong 12 giờ tiếp theo, tức là thời điểm 00h ngày 13 tháng 10 năm 2013, bão tiếp tục
mạnh lên và đổi hướng rõ rệt trong cả ba thử nghiệm MI, MP và PF Bão di chuyển theo hướng tây Trong thử nghiệm MI và MP (hình 3.3a và 3.3b), bão đi chuyển nhanh hơn so với thử nghiệm PF (hình 3.3c) Cụ thé, trong hình 3.3a và 3.3b, tâm bão
vào khoảng (16°N; 114°E), hình 3.3c la (16°N; 115°E)
Trong cả ba thử nghiệm dự báo, bão mạnh lên nhanh chóng, tốc độ gió cực đại đạt mức 40-50 m/s, hoàn lưu của áp cao thu hẹp lại, tạo điều kiện cho quỹ đạo bão dịch lên phía bắc 122130CT2013 + (07) local time 12Z130CT2013 + (07) local time 12Z130CT2013 + (07) local time
Hình 3.4: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bão Nari dự báo lúc I2 UTC ngày 13 tháng 10 năm 2013 trong ba trường hợp MI (a), MP (b), PF
(e)
Trang 35Đến 12 giờ ngày 13 tháng 10, bão tiếp tục di chuyên theo hướng tây trong ca ba thử nghiệm MI, MP và PE VỊ trí tâm bão vào khoảng (169°N; 1129E) trong thử nghiệm MI và MP (hình 3.4a và 3.4b) Riêng thử nghiệm PF (hình 3.4c), bão đi chuyển theo hướng tây chậm hơn, tâm bão khoảng (16°N; 115°E) Về cường độ, thử nghiệm MP
(hình 3.4b) cho dự báo tốc độ gió cực đại yếu hơn thử nghiệm MI và PF (hình 3.4a và hình 3.4c), cụ thé & hình 3.4b, tốc độ gió cực đại khoảng 35-40 m/s so với 40-50 m/s
trong hình 3.4a và 3.4c Ở phía bắc, áp cao lạnh đang di chuyển dần sang phía đông, tâm áp cao khoảng (37°N; 126°E), hoàn lưu tiếp tục thu hẹp lại trong cả ba thử nghiệm MI, MP va PF 00Z140CT2015 + (07) local time 00Z140CT2015 + (07) local time 00Z140CT2013 + (07) local time IAS US
Hình 3.5: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 14 thang 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Trong 12 giờ tiếp theo, tức thời điểm 00 giờ ngày 14 tháng 10 năm 2013, trong cả ba thử nghiệm MI, MP và PF, hoàn lưu áp cao lạnh thu hẹp nhanh chóng nên quỹ đạo bão lệch bắc rõ rệt Lúc này áp cao lạnh đã di chuyển sang phía đơng, hồn lưu của nó không còn ảnh hưởng nhiều đến quỹ đạo bão Trong thử nghiệm MI và PF (hình 3.5a và 3.5c), tâm bão ở vị trí khoảng (17°N; 112°E) Riêng thử nghiệm MP (hình 3.5b), tâm bão là (17°N; 111°E), bão di chuyên theo hướng tây nhanh hơn so với hai trường
hợp còn lại và cường độ, trong thử nghiệm MP (hình 3.5b) cường độ bão dự báo van
yếu hơn so với hai thử nghiệm MI và PF (tốc độ gió cực đại trong thử nghiệm MP khoảng 35-40 m/s, thử nghiệm MI và PF là 40-50 m/$)
Trang 3612Z140CT2013 + (07) local ti 12Z140CT2015 + (07) local time 12Z140CT2013 + (07) local time
Hình 3.6: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 12 UTC ngày 14 tháng 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Sau 48 giờ dự báo, tức thời điểm 12 giờ ngày 14 tháng 10 năm 2013, thử nghiệm MP
(hình 3.6b) cho ra kết quả dự báo khác biệt rõ rệt với hai trường hợp còn lại về cả
cường độ và quỹ đạo Trong thử nghiệm MI và PF (hình 3.6a và 3.6c), bão lệch về phía bắc do khơng cịn hồn lưu của áp cao lạnh khống chế, tâm bão vào khoảng (18°N; 111°E) Nhưng ở thử nghiệm MP (hình 3.6b), bão lại không có xu hướng lệch bắc, ngoài ra bão cũng di chuyên theo hướng tây nhanh hơn Tại thời điểm 12 giờ ngày 14, tâm bão trong thử nghiệm MP là (17°N; 110°E) Về cường độ, trong thử nghiệm
MP, cường độ bão dự báo bắt đầu suy yếu, tốc độ gió cực đại chỉ còn khoảng 20-25
ms Trong hai thử nghiệm MI và PF (hình 3.6a và 3.6c) bão vẫn còn rất mạnh, tốc độ
gió cực đại trên 50 m/s
Trang 37OOZIS0CT2013 + (07) local time QOZTSOCT2013 + (07) local time Z7 ZA, a N Hig về 1 00Z150CT2013 + (07) local time
Hình 3.7: Trường đường dòng mực 850 hPa với tốc độ gió ở mực tương ứng của cơn bao Nari dự báo lúc 00 UTC ngày 15 thang 10 năm 2013 trong ba truong hop MI (a),
MP (b), PF (c)
Vào lúc 0 giờ ngày 15 thang 10, trong thử nghiệm MP (hình 3.7b) bão đồ bộ vào Bắc
Trung Bộ Việt Nam, tâm bão vào khoảng (15°N; 109°E), tốc độ gió cực đại khoảng
20-25 m/s Trong khi đó ở thử nghiệm MI và PF (hình a và c), bão vẫn còn đang ở ngoài khơi, tâm bão khoảng (17°N; 111°E), cường độ bão suy yếu đôi chút, tốc độ gió
cực đại khoảng 40-50 m/s
Sự rút lui của áp cao lạnh phía bắc tác động lên quỹ đạo bão Nari, làm cho quỹ đạo bão lệch về phía bắc Tuy nhiên thử nghiệm MP lại đưa ra dự báo khác với hai trường hợp còn lại về thời điểm bão đồ bộ và cường độ bão Trong thử nghiệm MP, dù áp cao lạnh đã rút đi và hoàn lưu của nó không còn ảnh hưởng nhưng quỹ đạo bão vẫn không bị lệch về phía bắc như trong hai thử nghiệm MI và PF Vì vậy quỹ đạo dự báo trong thử nghiệm MP tương đồng với quỹ đạo thực tế nhất và có độ chính xác cao nhất trong ba thử nghiệm
Trang 383.2 KET QUA DU BAO QUY DAO BAO
00Z120CT2013 UTC time 00Z120CT2013 UTC time oe ae ee oe 2ˆ ve ` \ i ot a a ee <6 và ộ 'c trữ 1156 1206, OSE 1T0E trồc 1Z0E 00Z120CT2015 UTC time T05E Tứ — 1röE 120€
Hình 3.8: Quỹ dạo quan trắc (màu đen), các thành phân to hợp (đường mảnh), thử nghiệm PF (hình a); MI (hình b) và MP (hình c) bắt đầu dự báo lúc 00 UTC ngày 12
tháng 10 năm 2013
Hinh 3.8 là quỹ dao con bao Nari quan trắc (màu đen) và quỹ đạo dự báo trong thử
nghiệm MI bắt đầu từ 00 giờ ngày 12 tháng 10 năm 2013 và kết thúc lúc 00 giờ ngày
15 tháng 10 Từ hình 3.8, ta thấy trong 06 giờ đầu tiên, quỹ đạo dự báo và quỹ đạo thực chênh lệch không đáng kế trong cả ba thử nghiệm (PF, MI và MP) Nhưng bắt đầu từ 00 giờ ngày 13, quỹ đạo bão lệch bắc rõ rệt trong hai thử nghiệm PF và MI (hình 3.8a và 3.8b), trong khi đó thử nghiệm MP (hình 3.8c) cho kết quả dự báo bão vẫn di chuyên theo hướng tây, quỹ đạo dự báo tương đồng với quỹ đạo thực Kết quả trên là do thời điểm này hai thử nghiệm MI và PF mô phỏng áp cao lạnh suy yếu đột ngột và di chun sang phía đơng, hồn lưu của nó thu hẹp và không còn khống chế
xuống phía nam, tạo điều kiện thuận lợi cho bão địch chuyên lên phía bắc, trong khi đó
thử nghiệm MP vẫn mô phỏng áp cao lạnh khống chế xuống phía nam Trong dự báo
Trang 39quỹ đạo bão, phương pháp MP cho kết quả tốt ở hạn dự báo 12 giờ trở đi Điều nay thé hiện rõ trong sai số quỹ đạo được trình bày ở bảng 3
Bảng 3.1 Sai số qũy đạo cơn bão Nari với thời điểm dự báo lúc 00 UTC ngày 12/10/2013 (km) Hạn dự báo PF MI MP 0 46.4 46.4 46.4 12 39.8 39.8 35.2 24 61.9 69.7 24.1 36 141.1 153.7 44.4 48 203.9 207.7 39.7 60 226.2 231.3 30.9 72 294.1 299.7 54.8
Từ bảng 3.1 ta thay, trong tại 00 giờ ngày 12 tháng 10, sai số quỹ đạo bão bằng nhau ở
cả ba thử nghiệm PF, MI và MP Riêng đối với thử nghiệm PF và MI, từ sau 24 giờ,
sai số quỹ đạo tăng vọt gấp đôi, và tăng liên tục sau đó Nhìn chung, quỹ đạo dự báo bão trong hai thử nghiệm PF và MI có hướng đi chuyển và độ lệch bắc gần tương đồng nhau, nhưng sai số quỹ đạo trong thử nghiệm MI lớn hơn PE
Như vậy, thử nghiệm MP cho dự báo quỹ đạo bão tốt hơn thử nghiém MI va PF Sai
số quỹ đạo lớn nhất trong thử nghiệm MP là 54.8 km, thấp hơn 6 lần so với hai thử nghiệm PF và MI Thử nghiệm MP cũng dự báo hướng di chuyên tương đồng với quỹ
đạo thực nhất
3.3 KET QUA DU BAO CUONG ĐỘ BAO
Cường độ bão được thể hiện qua giá trị áp suất mực biển cực tiểu tại tâm bão (PMIN)
và tốc độ gió bề mặt cực đại (VMAX) gần tâm
Trang 403.3.1 Du bao ap suất mực biến cực tiểu tại tâm 3.3.3.1 Ap suất mực biển cực tiểu tai tam quan trắc 1010 10/09 10/10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 10/16 1000 “rr i 990 980 \ | 970 ` é
Hình 3.9: Biểu đô khí áp mực biển cực tiéu tai tam (UTC) [5]
Trên hình 3.9 là biểu đồ khí áp mực biên cực tiểu tại tâm (PMIN) Ta thấy, từ thời điểm ngày 9/10 đến 11/10, khí áp giảm liên tục Từ 11/10 đến khoảng 12 giờ UTC ngày 12/10, khí áp có sự biến thiên liên tục Sau đó khí áp đạt cực tiểu (965 hPa) và
960
kéo đài đến khoảng 06 giờ UTC ngày 14/10 Đến giai đoạn cuối của cơn bão, khí áp tăng nhanh
Số liệu PMIN quan trắc cụ thể của bão Nari được thể hiện ở bảng 3.2 với hạn dự báo
72 giờ, thời điểm bắt đầu dự báo là 00UTC ngày 12/10/2013 và thời điểm kết thúc là
00UTC 15/10/2013
3.3.3.2 Kế quả dự báo áp suất mục biển cực tiểu tại tâm
Kết quả dự báo PMIN trong các thử nghiệm MI, MP, PF cho ra 21 giá trị tại mỗi hạn dự báo (Phụ lục 1) Bảng 3.2 thể hiện gia trị trung bình của 2l giá trị đó tại mỗi hạn dự