nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình hwrf

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 MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 1 DANH MỤC HÌNH 4 DANH MỤC BẢNG 6 MỞ ĐẦU 7 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới 9 1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão 9 1.1.2 Mô hình số trị toàn cầu 9 1.1.3 Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão 11 1.1.4 Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão 13 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 15 1.2.1 Trên thế giới 15 1.2.2 Trong nước 18 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 22 2.1 Mô hình WRF 22 2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF 22 2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF 23 2.1.3 Các quá trình vật lý được tham số hóa trong mô hình 24 2.2. Mô hình ROMS 30 2.2.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình 31 2.2.2 Phương pháp tính 32 a) Sai phân theo không gian 32 b) Sai phân theo thời gian 33 2.2.3 Tham số hoá 33 2.3 Mô hình COASWT 36 2.4 Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm 38 2.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo, cường độ bão 40 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO 43 3.1 Nhiệt độ và áp suất bề mặt biển 43 3.1.1 Bão Mindulle 43 3.1.2 Bão Nock-ten 45 3.1.3 Bão Nalgae 47 3.2 Profile nhiệt độ tại tâm bão 49 3.3 Gió và áp suất nhiễu động 51 3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt 55 3.4.1 Bão Mindulle 55 3.4.1 Bão Nock-ten 56 3.4.1 Bão Nalgae 57 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 69 1 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AFWAM : Air Force WWMCCS ADP Modernization ATE : Along Track Error (Sai số ngang) ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới AVN : Aviation Mode (Mô hình Hàng không) COADS : Comprehensive Ocean-Atmospheric Data Set (Dữ liệu phức hợp khía quyển đại dương) COAMPS : The Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (Hệ thống dự báo kết hợp quy mô vừa khí quyển đại dương) COAWST : Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport (Mô hình kết hợp vạn chuyển bùn cát-sóng-khí quyển-đại dương) CSTMS : Community Sediment Transport Modeling Systems (Hệ thống mô hình vận chuyển bùn cát) CTE : Cross Track Error (Sai số dọc) ECMWF : The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa châu Âu) ETA : Mô hình Ê-ta GDAS : Global Data Assimilation System (Hệ thống đồng hóa dữ liệu toàn cầu) GEFS : Global Ensemble Forecast System (Hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu) GEM : Global Environmental Multiscale Model (Mô hình đa quy mô môi trường toàn cầu) GFDL : Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động lực học chất lưu địa-vật lý) GFDN : The US Navy version of GFDL (Phiên bản hải quân của GFDL) GFS : Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu) GME : Global Model Europe (Mô hình toàn cầu châu Âu) GSM : Global System Model (Mô hình hệ thống toàn cầu) 2 HFX : Heat flux upward from surface (Thông lượng nhiệt gửi qua bề mặt) HRM : High Resolution Regional Model (Mô hình khu vực độ phân giải cao) HWRF : Hurricane Weather Research and Forecast (Mô hình nghiên cứu và dự báo bão) JTYM : Japan Typhoon Model (Mô hình bão Nhật Bản) KMA : Korea Meteorological Administration (Cục Khí tượng Hàn Quốc) KTTV : Khí tượng thủy văn LBAR : Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model LH : Latent Heat (Ẩn nhiệt) MCT : Model Coupling Toolkit (Công cụ kết hợp mô hình) MM5 : Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5) MRF : Medium Range Forecast (Dự báo hạn vừa) NCAR : The National Center for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia, Mỹ) NCEP : National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo môi trường quốc gia, Mỹ) NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration (Cơ quan quản lý khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ) NOGAPS : Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (Hệ thống dự báo nghiệp vụ khí quyển toàn cầu của hải quân Mỹ) POM : Princeton Ocean Model (Mô hình đại dương Princeton ) QFX : Moisture flux upward from surface (Thông lượng ẩm gửi qua bề mặt) RAMS : Regional Atmospheric Modeling System (Mô hình khí quyển khu vực) ROMS : Regional Ocean Model System (Mô hình đại dương khu vực) SANBAR : Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model (Mô hình dự báo quỹ đạo bão tà áp Sander) 3 SLP : Sea Level Pressure (Áp suất mực biển) SSI : Static Spectrum Interpolate (Nội suy phổ thống kê) SST : Sea surface Temprature (Nhiệt độ bề mặt nước biển) SWAN : Simulating Waves Nearshore (Mô hình mô phỏng sóng ven bờ) TC-LAPS : Tropical-Cyclone Limited Area Prediction System (Mô hình dự báo giới hạn khu vực cho bão nhiệt dới) UCAR : University Corporation for Atmospheric Research (Liên hiệp các trường đại học về nghiên cứu khí quyển) UKM : United Kingdom Models (Mô hình Vương Quốc Anh) VICBAR : VICBAR XTNĐ : Xoáy thuận nhiệt đới 4 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF 23 Hình 2.2. Sơ đồ tương tác của các thành phần trong mô hình WRF 29 Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mô hình COAWST 37 Hình 2.4. Miền tính dự báo 38 Hình 2.5. Quỹ đạo thực của bão Mindulle (a), Nock-ten (b) và Nalgae (c) . . 42 Hình 3.1. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF (b), hiệu SST (c) 44 của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. 44 Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a) và 24h (b). 44 Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h (a) và 48h (b) 45 Hình 3.4. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. 46 Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d) 47 Hình 3.6. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. 48 Hình 3.7. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d) 48 Hình 3.8. Profile nhiệt độ tại tâm bão Mindulle giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d) 49 Hình 3.9. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nock-ten giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d) 50 Hình 3.10. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nalgae giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d). 51 Hình 3.11. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF (b). 52 Hình 3.12. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 53 Hình 3.13. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 48h và 72h 54 5 với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 54 Hình 3.14. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. 56 Hình 3.15. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. 57 Hình 3.16. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. 58 Hình 3.17 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z). 59 Hình 3.18. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) ,ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z). 60 Hình 3.19. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z). 61 Hình 3.20. Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình. 62 Hình 3.21 SLP min trung bình và ME của SLP min 63 Hình p.1. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 70 Hình p.2. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 24h và 48h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 70 Hình p.3. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF (b). 70 Hình p.4. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 70 Hình p.5. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 48h và 72h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). 70 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF 25 Bảng 2.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF 26 Bảng 2.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF 27 Bảng 2.4. Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF 28 Bảng 2.5 Ranh giới các lớp nước (m) tại các độ sâu khác nhau 38 7 MỞ ĐẦU Hàng năm, Việt Nam chịu thiệt hại rất nặng nề do thiên tai như lũ lụt, hạn hán, 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 ngành liên quan. Hiện nay việc dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác là khá khó khăn, đặc biệt là cường độ bão. Có nhiều phương pháp dự báo bão như: phương pháp synốp, 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. Phương pháp dự báo số trị có ưu điểm vượt trội do đưa ra được kết quả dự báo khách quan, định lượng… so với phương pháp synốp và phương pháp thống kê. 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 d ương dự báo nghiệp vụ bão tại Mỹ 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 quy ển. Các tương tác của đại dương - khí quyển không được tính đến. Sự biến đổi của điều kiện đại dương trong suốt khoảng thời gian dự báo gây ảnh hưởng đến dự báo cường độ và quỹ đạo bão không được tốt. 8 Trong khuôn khổ luận văn này, sẽ 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: - Tổng quan về dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng mô hình khí quyển đại dương. - Hệ thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão và phương pháp đánh giá. - Mô hình HWRF áp dụng trong luận văn này là sự kết hợp giữa mô hình khí quyển WRF và mô hình đại dương ROMS. - Đánh giá ảnh hưởng tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão với 3 con bão Mindulle (2010), Nock-ten và Nalgae (2011). [...]... trình tương tác biển khí quyển (2003), xây dựng mô hình tính toán và dự báo vận 20 chuyển và bồi, xói bùn cát đáy tại đới ven bờ trong điều kiện tác 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 chưa nhiều và chưa thực sự tương xứng với vai trò của chúng ở nước ta 21 CHƯƠNG II MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG... 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 15 Kerry Emanuel và Lars R.Schade (1999): Đã dùng mô hình liên hoàn khí quyển -đại dương nghiên cứu bão và thấy rằng cường độ của. .. 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 đang được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới, chủ yếu là: Phòng nghiên cứu Khí tượng qui mô nhỏ và qui mô vừa của trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển. .. của SST đối với cường độ bão [24] Chun-Chieh Wu và cộng sự (2007) nghiên cứu ảnh hưởng của dị thường SST tới tâm và cường độ bão bằng mô hình kết hợp khí quyển -đại dương, kết quả thấy rằng quỹ đạo của bão thay đổi khá nhỏ trong trường hợp có và không sử dụng mô hình liên hoàn biển khí quyển Tuy nhiên, thành phần đối xứng trong sự lạnh đi của SST làm yếu bão và có xu hướng làm bão lệch Bắc theo mặt beta,... đã nêu ra mô hình lý thuyết của sự tương tác các lớp biên tà áp biển - khí quyển Ở mô hình này chưa đề cập đến các tính toán cụ thể các đặc trưng tương tác của biển - khí quyển [4] Lê Đình Quang (1982), đã nghiên cứu “về một cách tham số hoá lớp biên tà áp dừng của khí quyển đã xây dựng mô hình lớp biên tà áp của khí quyển Trước hết tác giả đã nêu “vài nét tổng quát của động lực khí quyển nhiệt... Liu và cộng sự (2011) đã 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 xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) mạnh lên, mối quan hệ động lực của khí quyển -đại dương lại làm bão yếu đi Ảnh hưởng tổng thể được xác định bởi phản hồi dương của sóng và phản hồi âm của SST lạnh tới cường độ bão, nếu bão. .. 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 dương là nguyên nhân chính gây giảm tốc độ gió của bão (cường độ bão yếu đi) [13] Chang, Saravanan và cộng sự (2010) đã sử dụng mô hình kết hợp khí quyển ại dương khu vực nghiên cứu ảnh hưởng của lớp ngăn cách tới SST trong bão ở Đại Tây Dương đã thấy rằng mức độ làm lạnh bề mặt do bão giảm... của bão bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện đại dương và đã chỉ ra hiệu hứng phản hồi âm (ngược) của SST, đối với những cơn bão di chuyển nhanh thì bị ảnh hưởng lớn từ hiệu ứng phản hồi SST và bão di chuyển chậm ít chịu ảnh hưởng này [22] Hong và cộng sự (2000) nghiên cứu tương tác giữa bão Opal với tâm nóng của vịnh Mexico thông qua mô hình khí quyển -đại dương (COAMPS) phi thủy tĩnh, trong mô hình. .. 400N tương ứng giảm đi tới hàng chục lần [4] Lê Đình Quang, Đặng Tùng Mẫn (1986) trong công trình Mô hình dừng tương tác động lực giữa 2 lớp biên đại dương – khí quyển đã tính toán các đặc trưng khí tượng - hải văn vùng ven biển Việt Nam và Biển Đông và đã tính toán các đặc trưng tương tác đại dương- khí quyển Các tác giả đã xây dựng Mô hình dừng tương tác động lực giữa hai lớp biên đại dương- khí quyển ... báo bão nghiệp vụ của Hải quân Hoa Kỳ); TCLAPS (Hệ thống dự báo khu vực của cơ quan khí tượng Úc) Hiện nay, tại Mỹ đang thực hiện dự án xây dựng và phát triển một hệ thống dự báo bão nghiệp vụ HWRF (Hurricane Weather Research and Forecast) trên cơ sở mô hình dự báo thời tiết quy mô vừa WRF 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 . về dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng mô hình khí quyển đại dương. - Hệ thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão và phương pháp đánh giá. - Mô hình HWRF áp. 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. tương tác khí quyển đại dương tới cường độ và quỹ đạo bão 15 1.2.1 Trên thế giới 15 1.2.2 Trong nước 18 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ