Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới Nguyễn Minh Trường*, Trần Tân Tiến Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa họ
Trang 1Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo
quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới Nguyễn Minh Trường*, Trần Tân Tiến
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 25 tháng 11 năm 2009
Tóm tắt Trong nghiên cứu này sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến được áp dụng cho
mục đích dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới (TC) trên khu vực Biển Đông Những cải tiến sơ đồ bao gồm phương trình mới tính tốc độ dòng thăng, giả thiết khép kín đối lưu và hàm kích hoạt đối lưu được thực hiện bằng cách đưa vào gradient thẳng đứng của nhiễu động hàm Exner Áp dụng cho trường hợp cơn bão Lekima và Xangxane, phiên bản RAMS 4.4 sử dụng sơ đồ cải tiến cho thấy độ tin cậy cao trong việc dự báo quĩ đạo TC so với phiên bản RAMS 6.0 sử dụng sơ đồ
Kain-Fritsch gốc Như vậy, các kết quả này cho thấy nhiễu động hàm Exner đóng vai trò quan trọng trong hoạt động đối lưu, một yếu tố có thể ảnh hưởng nhiều đến quĩ đạo TC Cuối cùng, phiên bản này của RAMS có thể được dùng để tạo ra các thành phần cho dự báo quĩ đạo TC bằng phương pháp tổ hợp
1 Mở đầu
Trong những thập kỷ gần đây, liên quan tới
thời tiết có đối lưu và việc cải thiện chất lượng
dự báo nói chung, đã có rất nhiều nghiên cứu
theo các hướng khác nhau được tiến hành để có
được những hiểu biết tốt hơn các quá trình vật
lý và động lực của thời tiết có đối lưu Bên cạnh
những thành tựu nghiên cứu cho các quá trình
xảy ra ở qui mô vừa- , với các quá trình qui
mô vừa- và lớn hơn, các nhà khí tượng học
tập trung vào việc phát triển các mô hình mây
khái niệm, qua đó mô hình hoá dòng cuốn
vào-cuốn ra quanh biên mây, cũng như là các đặc
trưng của dòng thăng và dòng giáng [1-4]
Đồng thời phát triển các sơ đồ tham số hoá đối
lưu có thể áp dụng cho các loại mô hình số dự
báo thời tiết khác nhau [5-7], và nghiên cứu các
mô phỏng số để tìm ra các sơ đồ tham số hoá đối lưu thích hợp cho các hoàn lưu hoặc mô hình dự báo cụ thể [8]
530
_
Tác giả liên hệ ĐT: 84-4-38584943
E-mail: truongnm@vnu.edu.vn
Một điều đáng lưu ý là các nghiên cứu của Klemp và Wilhemson [9, 10], Finley và các ĐTG [11], Cai và Wakimoto [12] đã cho thấy các bằng chứng về vai trò của gradient thẳng đứng của nhiễu động áp suất đối với sự phát triển của các cơn dông Đặc biệt, liên quan gần hơn với vấn đề tham số hoá đối lưu, các nghiên cứu cảnh báo của Xu và Randall [13] đã cho thấy có tới khoảng 50% các dòng thăng trong đối lưu trên Đại Tây Dương có lực nổi âm nhưng lại có gradient thẳng đứng của nhiễu động áp suất lớn
Trong khi đó, một điều hiển nhiên là xoáy thuận nhiệt đới (TC) luôn hình thành trên các vùng biển và đại dương nhiệt đới Mặt khác,
Trang 2các nghiên cứu về TC đều chỉ ra rằng cơ chế
sống còn để duy trì và tăng cường TC chính là
các quá trình và hệ thống đối lưu tồn tại ngay
trong hoàn lưu TC Đây chính là cơ sở để các
trung tâm dự báo TC trên thế giới lựa chọn các
sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau nhằm tạo
ra các thành phần cho dự báo tổ hợp: một hoặc
nhiều mô hình với nhiều module vật lý Chính
vì vậy trong báo cáo này sẽ thử nghiệm hai
module vật lý khác nhau tương ứng là sơ đồ
Kain-Fritsch gốc và sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho việc dự báo quĩ đạo TC trên khu vực Biển Đông
2 Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến
Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm:
Hàm kích hoạt đối lưu
kh¸c USL m t kh«ng, NÕu
lưu èi ho¹t kÝch ì
đ w
Ftri Ftri
w
w Ftri
Ftri w
Ftri
MIX LCL
USL USL
MIX
MIX LCL
USL USL
MIX
USL
, 0 ,
0 2
0 ,
0 2
0
2
2
(1)
với
PDB z
z T
z T z T
g
Ftri u 1
Phương trình tính tốc độ dòng thăng
u
T
T T
g
dz
dw
2
(2)
và giả thiết khép kín đối lưu
PDB z dz z
T
z T z T g
CAPE
CT
LCL
u
(3) Trong đó USL là lớp nguồn đối lưu, LCL là
mực ngưng kết nâng, wMIX là tốc độ thẳng đứng
trung bình khối lượng trong USL, PDB là tỷ số
giữa gradient thẳng đứng nhiễu động hàm
Exner và lực nổi Chỉ số “u” chỉ dòng thăng,
dấu gạch trên là biến trung bình ô lưới, Ent là
dòng thổi vào, và Pdrag là lực cản do mưa Các
ký hiệu khác có ý nghĩa thông thường Chi tiết
hơn xin xem trong Trường và các đồng tác giả
(2009) [14]
3 Một số kết quả dự báo quĩ đạo bão
Trong mục này sẽ trình bày kết quả thử nghiệm sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau là sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến (RAMS 4.4) và sơ đồ Kain-Fritsch gốc (RAMS 6.0) cho hai cơn bão Lekima và Xangsane hoạt động trên khu vực Biển Đông Cấu hình miền tính bao gồm một lưới có tâm tại 150N-1100E bao gồm 161x161 điểm lưới theo chiều kinh và
vĩ hướng, kích thước lưới ngang là 28 km Theo chiều thẳng đứng, miền tính có 30 mực với kích thước bước lưới dưới cùng là 100 m và hệ số giãn lưới là 1,15 Bước lưới cực đại được cho bằng 1200 m Như vậy đỉnh miền tính có độ cao khoảng 21 km Bước thời gian tích phân được ấn định là 20 s Thời gian giữa hai lần kích hoạt CPS và sơ đồ tham số hóa bức xạ là 300 s Điều kiện ban đầu là các trường phân tích toàn cầu AVN lúc 00Z được cung cấp bởi Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường (NCEP), Hoa Kỳ, bao gồm hai thành phần gió ngang, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và độ cao địa thế vị cho 26 mặt đẳng áp Độ phân giải ngang của điều kiện ban đầu và điều kiện biên là 10 x
10 Điều kiện biên được cập nhật 6 h một lần
Trang 3cho các biến dự báo trong mô hình RAMS, sử
dụng trường dự báo toàn cầu AVN Nhiệt độ
mặt nước biển là nhiệt độ mặt nước biển phân
tích trung bình tuần do NOAA (National
Oceanic and Atmospheric Administration, Hoa
Kỳ) cung cấp
3.1 Bão Lekima
Lekima là một cơn bão mạnh với thời gian
tồn tại khoảng 4 ngày từ 30/9 đến 4/10 năm
2007 hình thành ngay trên Biển Đông và ảnh
hưởng trực tiếp đến Việt Nam Lúc 00Z ngày
30/9 vị trí cơn bão vào khoảng 15,50N-116,30E,
cách quần đảo Hoàng Sa khoảng 50 km về phía
đông đông nam Sức gió mạnh nhất ở vùng
trung tâm bão đạt cấp 8, giật trên cấp 8 và tiếp
tục mạnh lên
Hình 1 Quĩ đạo dự báo 72 giờ bằng sơ đồ
Kain-Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc
(đường mảnh) so với best track (đường liền đậm)
của bão Lekima
Bảng 1 Sai số dự báo 72 giờ (km) quĩ đạo bão Lekima kể từ 00Z 30/9 năm 2007
Sơ đồ gốc 129.24 281.13 692.98
Sơ đồ cải tiến 81.89 302.49 322.03 Kết quả dự báo quĩ đạo bão Lekima 72 giờ tính từ 00Z ngày 30/9 năm 2007 bằng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu so với best track được chỉ
ra trong Hình 1, trong đó tâm bão dự báo được xác định nhờ sử dụng trường áp suất qui về mực biển Qua đó có thể thấy cả hai dự báo đều cho sự đổi hướng khá phù hợp với thực tế, tuy nhiên trường hợp sử dụng sơ đồ gốc cho cơn bão tiếp tục đi lên phía bắc trong khi sơ đồ cải tiến cho dạng quĩ đạo phù hợp với thực tế hơn nhiều Bảng 1 cho sai số dự báo hạn 72 giờ sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu Có thể thấy
là trong 48 giờ đầu, sơ đồ cải tiến nhìn chung không cho sai số tốt hơn sơ đồ gốc, tuy nhiên sau đó đến 72 giờ sơ đồ cải tiến cho sai số 322
km trong khi sơ đồ gốc cho sai số lên tới 692
km
3.2.Bão Xangsane
Bão Xangsane là một cơn bão di chuyển nhanh, gần 20 km/giờ, hình thành trên khu vực Philippines, sau khoảng 3 ngày đã ảnh hưởng đến vùng biển ngoài khơi Miền Trung Việt Nam Áp suất tại tâm giảm xuống chỉ còn khoảng 995 hPa cho thấy đây là cơn bão mạnh
và trên thực tế có sức tàn phá lớn
Trang 4Hình 2 Quĩ đạo dự báo 48 giờ bằng sơ đồ
Kain-Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc
(đường mảnh) so với best track (đường liền đậm)
của bão Xangsane
Hình 2 cho thấy quĩ đạo dự báo 48 giờ cho
bão Xangsane tính từ 00Z 28/9 năm 2006 sử
dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu Trước 24
giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ đạo hầu như trùng
với sơ đồ gốc, ngoại trừ trong khoảng 18-24 giờ
sơ đồ cải tiến cho tốc độ di chuyển nhanh hơn
một chút Sau hạn 24 giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ
đạo dự báo tốt hơn hẳn sơ đồ gốc Sai số dự báo
quĩ đạo bão Xangsane được đưa ra trong Bảng
2, và một lần nữa cho thấy việc sử dụng sơ đồ
tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến là rất
hứa hẹn cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy
thuận nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông
Bảng 2 Sai số dự báo 48 giờ (km) quĩ đạo bão
Xangsane kể từ 00Z 28/9 năm 2006
Hạn dự báo (giờ) 24 48
Sơ đồ cải tiến 135.11 77.13
4 Kết luận
Sơ đồ tham số hóa đối lưu có ảnh hưởng lớn
đến dự báo quĩ xoáy thuận nhiệt đới Cụ thể
trong nghiên cứu này sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho chất lượng dự báo tốt hơn sơ đồ gốc, nhất là những ngày cuối của hạn dự báo Nguyên nhân là do sơ đồ cải tiến đã tính đến ảnh hưởng của gradient thẳng đứng nhiễu động
áp suất trong quá trình đối lưu hình thành và phát triển
Phiên bản RAMS 4.4 có thể được sử dụng
để tạo ra các thành phần mới cho việc dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới bằng phương pháp
tổ hợp Trong tương lai nên áp dụng sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho phiên bản RAMS 6.0 cũng như các mô hình số bất thủy tĩnh khác
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được sự hỗ trợ của đề tài cấp Nhà nước KC 0805/06-10
Tài liệu tham khảo
[1] W.M Frank, C Cohen, Properties of tropical cloud ensembles estimated using a cloud model
and an observed updraft population, J Atmos Sci 42 (1985) 1911
[2] J.S Kain, J.M Fritsch, A one-dimensional entraining /detraining plume model and its application in convective parameterization,
J Atmos Sci 47 (1990) 2784
[3] B.E Mapes, Convective inhibition, subgrid-scale triggering energy, and stratiform instability
in a toy tropical wave model, J Atmos Sci 57
(2000) 1515
[4] J.S Kain, The Kain-Fritsch convective
parameterization scheme: An update, J Appl Meteor 43 (2004) 170
[5] A Arakawa, W.H Schubert, Interaction of a cumulus cloud ensemble with the large-scale
environment Part I, J Atmos Sci (31), (1974)
674
[6] H.L Kuo, Further studies of the parameterization of the influence of cumulus
convection on large scale flow, J Atmos Sci 31
(1974) 1232
Trang 5[7] J.M Fritsch, C.F Chappell, Numerical
prediction of convectively driven mesoscale
pressure systems Part I: Convective
parameterization, J Atmos Sci 37 (1980) 1722
[8] C Cohen, A comparison of cumulus
parameterizations in idealized sea-breeze
simulations, Mon Wea Rev 130 (2002) 2554
[9] J.B Klemp, R.B Wilhelmson, “The simulation
of three-dimensional convective storm
dynamics”, J Atmos Sci 35 (1978a) 1070
[10] J.B Klemp, R.B Wilhelmson, Simulations of
right- and left-moving storms produced through
storm splitting, J Atmos Sci 35 (1978b) 1097
[11] C.A Finley, W.R Cotton, R.A Pielke Sr.,
Numerical simulation of tornadogenesis in a
high-precipitation supercell Part I: Storm
evolution and transition into a bow echo, J Atmos Sci (58) (2001) 1597
[12] H Cai, R.M Wakimoto, Retrieved pressure field and its influence on the propagation of a
supercell thunderstorm, Mon Wea Rev 129
(2001) 2695
[13] K.M Xu, D.A Randall, Updraft and downdraft statistics of simulated tropical and midlatitude
cumulus convection, J Atmos Sci 58 (2001)
1630
[14] Truong, N.M., T.T Tien, R.A Pielke Sr., C.L Castro, G Leoncini,: A modified Kain-Fritsch scheme and its application for simulation of an
extreme precipitation event in Vietnam, Mon Wea Rev 137 (2009) 766
Convective parameterization scheme and its influence on
tropical cyclone track forecasts
Nguyen Minh Truong, Tran Tan Tien
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam
In this study the modified Kain-Fritsch scheme is used to forecast tropical cyclone (TC) tracks in Bien Dong Sea The scheme modifications include a new diagnostic equation to compute updraft velocity, closure assumption, and trigger function which are developed by taking the vertical gradient
of the Exner function perturbation into account Applied for Lekima and Xangxane case studies, the version of RAMS 4.4 using the modified scheme shows much better reliability in TC track forecasts in comparison with the RAMS 6.0 using the original Kain-Fritsch scheme Accordingly, the present results exhibit that the Exner function perturbation plays an important role in convection activity which in turn might lead to the changes in TC tracks Finally, this version of RAMS can be used to create members for TC ensemble track forecasts
