Xây dựng phương trình dự báo quỹ đạo bão biển đông hạn 5 ngày dựa trên số liệu dự báo toàn cầu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Vân Anh XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG HẠN NGÀY DỰA TRÊN SỐ LIỆU DỰ BÁO TOÀN CẦU LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Vân Anh XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG HẠN NGÀY DỰA TRÊN SỐ LIỆU DỰ BÁO TOÀN CẦU Chuyên ngành : Khí tượng Khí hậu học Mã số : 60.44.02.22 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS TRẦN TÂN TIẾN Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Người muốn gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc GS.TS Trần Tân Tiến - người thầy tận tụy nhiệt tình giúp đỡ trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo cán khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học giúp đỡ kiến thức chuyên môn tạo điều kiện sở vật chất cho suốt trình học tập nghiên cứu Tôi xin gửi lời cảm ơn tới phòng sau đại học, trường đại học Khoa học Tự nhiên luôn tạo điều kiện cho học viên cao học hoàn thành tốt khóa học Cuối xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân bạn bè luôn bên cạnh động viên giúp đỡ trình học tập Hà Nội ngày 15 tháng 11 năm 2014 Học viên Vân Anh MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ DANH MỤC BẢNG DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined CHƯƠNG I TỔNG QUAN Error! Bookmark not defined 1.1 Sơ lược trình phát triển phương pháp dự báo tổ hợp bão Error! Bookmark not defined 1.2 Dự báo khí tượng trung tâm dự báo giới loại số liệu dự báo bão cung cấp Error! Bookmark not defined 1.3 Tình hình nghiên cứu dự báo tổ hợp bão Việt NamError! Bookmark not defined ́ CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CƯU VÀ NGUỒN SỐ LIỆU Error! Bookmark not defined 2.1 Phương pháp tổ hợp Error! Bookmark not defined 2.1.1 Trung bình đơn giản Error! Bookmark not defined 2.1.2 Tính trọng số theo phương sai sai số Error! Bookmark not defined 2.1.3 Tính trọng số hồi quy tuyến tính Error! Bookmark not defined 2.2 Các tiêu đánh giá kết dự báo bão Error! Bookmark not defined 2.3 Số liệu ban đầu bước thực Error! Bookmark not defined ́ ̉ CHƯƠNG III: KÊT QUẢ VÀ THAO LUẬN Error! Bookmark not defined 3.1 Danh sách bão lựa chọn Error! Bookmark not defined 3.2 Sử dụng kết dự báo toàn cầu trung tâm quốc tế để dự báo quỹ đạo bão khu vực Việt Nam Error! Bookmark not defined 3.2.1 CMA Error! Bookmark not defined 3.2.2 ECMWF Error! Bookmark not defined 3.3 Tổ hợp kết dự báo toàn cầu trung tâm quốc tếError! not defined Bookmark 3.3.1 Xây dựng phương trình Error! Bookmark not defined 3.3.2 Đánh giá kết Error! Bookmark not defined 3.4 So sánh kết dự báo có sử du ̣ng phương pháp hồi quy tuyến tính: Error! Bookmark not defined 3.5 Đánh giá kết dự báo CMA(5)- ECMWF số bão điển hình Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 10 Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 11 Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 12 Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ Hình 1.1 Sai số dự báo quỹ đạo (a) cường độ (b) trung bình dự báo siêu tổ hợp đa mô hình (FSU SENS), dự báo trung bình tổ hợp (ENSM) mô hình thành phần cho mùa bão ĐTD năm 1999 Error! Bookmark not defined (nguồn Willford cộng (2003) ) Error! Bookmark not defined Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tổ hợp xoáy thuận nhiệt đớiError! Bookmark not defined Hình 1.3 Sai số quỹ đạo trung bình thành phần tổ hợp control Error! Bookmark not defined Hình 1.4 Trung bình sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới quan khí tượng Trung Quốc với hạn dự báo 24h, 48h, 72h từ năm 1991 đến năm 2005 (đơn vị km) Error! Bookmark not defined (nguồ n: Bangzhong Wang, Yinglong Xu Baogui Bi (2007))Error! Bookmark not defined Hình 1.5 Sai số trung bình dự báo quỹ đạo bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương trung tâm cảnh báo bão Mỹ (NHC) Error! Bookmark not defined Hình 1.6 Biểu đồ sai số dự báo quỹ đạo phương pháp đồng hóa LETKF (nguồn: trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên- ĐH Quốc Gia Hà Nội).Error! Bookmark not defined Hình 1.7 Biểu đồ sai số dự báo quỹ đạo phương pháp WRF tổ hợp (nguồn: trường ĐH Khoa Học Tự Nhiên- ĐH Quốc Gia Hà Nội).Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Sơ đồ mô tả sai số Error! Bookmark not defined Hình 3.1 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) tập số liệu db CMA Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) tập số liệu db ECMWF Error! Bookmark not defined Hình 3.3 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp 15 CMA Error! Bookmark not defined ( số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp 15 CMA Error! Bookmark not defined ( số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Hình 3.5 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp CMA Error! Bookmark not defined ( số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Hình 3.6 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp CMA Error! Bookmark not defined ( số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Hình 3.7 Biể u đồ sai s ố khoảng cách (km) dự báo tổ hợp CMA thành phần ECMWF ( số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Biể u đồ sai s ố khoảng cách (km) dự báo tổ hợp CMA thành phần ECMWF ( số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Hình 3.9 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp 15 CMA thành phần ECMWF ( số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Hình 3.10 Biểu đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp 15 CMA thành phần ECMWF ( số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Hình 3.11 Biể u đồ sai số khoảng cách (km) dự báo tổ hợp thành phần trung tâm (số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Hình 3.12 Biể u đồ sai s ố khoảng cách tổ hợp thành phần trung tâm (số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Hình 3.13 Đồ thị sai số khoảng cách trường hợp dự báo tập mẫu phụ thuộc Error! Bookmark not defined Hình 3.14 Đồ thị sai số khoảng cách trường hợp dự báo tập mẫu độc lập Error! Bookmark not defined Hình 3.15 Quỹ đạo dự báo quỹ đạo thực bão NariError! not defined Bookmark Hình 3.16 Quỹ đạo dự báo quỹ đạo thực bão Rammasun Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Sai số dự báo trung bình (độ lệch chuẩn) mô hình cho hạn dự báo 24, 48, 72 h (Lee Leung 2002) Error! Bookmark not defined Bảng 1.2 Sai số dự báo số trung tâm dự báo giới (nguồn JMA) Error! Bookmark not defined Bảng 1.3 Sai số dự báo quỹ đạo pp đồng hóa LETKF (nguồn: Trường ĐH Khoa học Tự nhiên- ĐH Quốc Gia Hà Nội) Error! Bookmark not defined Bảng 1.4 Sai số dự báo quỹ đạo phương pháp WRF tổ hợp (nguồn: Trường ĐH Khoa học Tự nhiên- ĐH Quốc Gia Hà Nội) Error! Bookmark not defined Bảng 3.1 Các bão đưa vào xây dựng phương trình dự báoError! Bookmark not defined Bảng 3.2 Số trường hợp dự báo thành phần dự báo control CMA Error! Bookmark not defined Bảng 3.3 Sai số khoảng cách tập số liệu dự báo control CMA Error! Bookmark not defined Bảng 3.4 Số trường hợp dự báo thành phần ECMWF Error! Bookmark not defined Bảng 3.5 Sai số khoảng cách tập số liệu db ECMWF Error! Bookmark not defined Bảng 3.6 Các trường hợp dự báo 15 thành phần CMAError! Bookmark not defined Bảng 3.7 Các trường hợp dự báo thành phần CMAError! Bookmark not defined Bảng 3.8 Các trường hợp dự báo thành phần CMA thành phần ECMWF Error! Bookmark not defined Bảng 3.9 Các trường hợp dự báo 15 thành phần CMA thành phần ECMWF Error! Bookmark not defined Bảng 3.10 Các trường hợp dự báo 5thành phần CMA thành phần ECMWF Error! Bookmark not defined Bảng 3.11 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp 15 thành phần CMA (số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Bảng 3.12 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp 15 thành phần CMA (số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Bảng 3.13 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần CMA Error! Bookmark not defined Bảng 3.14 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần CMAError! Bookmark not defined (số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Bảng 3.15 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần CMA thành phần ECMWF (số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Bảng 3.16 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần CMA thành phần ECMWF (số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Bảng 3.17 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp 15 thành phần CMA thành phần ECMWF (số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Bảng 3.18 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp 15 thành phần CMA thành phần ECMWF (số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined Bảng 3.19 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần trung tâm ( Số liệu phụ thuộc) Error! Bookmark not defined Bảng 3.20 Sai số khoảng cách dự báo tổ hợp thành phần trung tâm (Số liệu độc lập) Error! Bookmark not defined DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT BGM: Phương pháp nuôi nhiễu phát triển (Breeding of Growing Mode) CMC: Trung tâm khí tượng Canada (Canadian Meteorological Center ) ECMWF: Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (European Centre for Medium Range Weather Forecasts) EPS: Hệ thống dự báo tổ hợp (Ensemble Prediction System) ETA: Mô hình dự báo thời tiết bất thủy tĩnh (sử dụng hệ tọa độ eta “η ” ) EW: tổ hợp theo trọng số (ensemble weighted) FSU: Trường đại học Quốc gia Florida (Florida State Univeristy ) JGSM: Mô hình phổ toàn cầu quan khí tượng Nhật Bản JMA: Cơ quan Thời tiết Nhật Bản (Japan Meteorological Agency) HRM: Mô hình khu vực độ phân giải cao (The High-resolution Regional Model) GFS: Hệ thống dự báo toàn cầu Mỹ (Global Forecasting System) MAE: sai số trung bình tuyệt đối (mean absolute error) ME : sai số trung bình (mean error) MM5: Mô hình quy mô vừa Trung tâm nghiên cứu Khí Quốc gia Hoa Kỳ Đại học bang Pennsylvania hệ thứ (The NCAR/PSU 5th Generation mesoscale Model) NCEP: Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ (National Center for Enviromental Prediction) NHC: Trung tâm Dự báo bão Hoa Kỳ (National Hurricane Center) NOGAPS: Hệ thống dự báo phân tích toàn cầu Hải quân Mỹ (Naval Oceanography Global analysis and prediction sytem) RAMS: Hệ thống mô hình hóa khí khu vực (Regional Atmospheric Modeling System) SV: Vector kỳ dị (Singular Vector) TC : xoáy thuận nhiệt đới (tropical cyclone ) UKMO: Cơ quan Khí tượng Hoàng gia Anh (United Kingdom Meteorological Organization) WRF: Mô hình nghiên cứu dự báo thời tiết (Weather Reseach and Forecast) XTNĐ: xoáy thuận nhiệt đới TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt: TS Hoàng Đức Cường cộng (2012) với đề tài nghiên cứu khoa học: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình WRF phục vụ dự báo thời tiết bão Việt Nam” ThS Nguyễn Chi Mai, CN Nguyễn Thu Hằng, Nguyễn Phương Liên (2004) : “ Thử nghiệm dự báo tổ hợp cho quỹ đạo bão phương pháp thống kê từ dự báo trung tâm quốc tế Võ Văn Hòa, Đỗ Lệ Thủy, Nguyễn Chi Mai, 2006: Các phương pháp tạo nhiễu động dự báo tổ hợp quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới Phần II: Một số kết nghiên cứu Tạp chí KTTV, 543, tr 21-31 Võ Văn Hòa, 2006c: Dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới dựa dự báo tổ hợp hàng nghìn thành phần Tạp chí KTTV, 547, tr 7-18 Võ Văn Hòa người khác, 2008: Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho số trường dự báo bão Báo cáo tổng kết Đề tài NCKH Cấp Bộ, tr 1-131 GS.TS Trần Tân Tiến cộng (2010) Dự báo quỹ đạo bão Biển Đông phương pháp tổ hợp theo trọng số Th S Hoàng Thị Thủy (2013) luận văn thạc sĩ: “Thử nghiệm dự báo tổ hợp quỹ đạo cường độ bão hạn ngày khu vực Biển Đông WRF sử dụng sản phẩm tổ hợp toàn cầu” GS.TS Phan Văn Tân : Phương pháp thố ng kê khí hâ ̣u - NXB ĐH Quố c gia Hà Nô ̣i 2005 Tài liệu tiếng Anh: Aberson, S.D., S.L Lord, M DeMaria and M.S Tracton, 1995: Shortrange ensemble forecasting of hurricane tracks, Preprints, 21st Conf Hurr Trop Meteor., Miami, Amer Meteor Soc., 494-496 10 Aberson, S.D., M.A Bender, R.E Tuleya, 1998: Ensemble forecasting of tropical cyclone tracks, Preprints, 12th Conf on Numerical Weather Prediction, Phoenix, Amer Meteor Soc., 290-292 11 Bangzhong Wang, Yinglong Xu and Baogui Bi (2007) “forecasting and warning of tropical cyclones in China”, Data Science Journal, Volume 12 Cheung, K K W., and J C L Chan, 1999: Ensemble forecasting of tropical cyclone motion using a barotropic model Part I: Perturbations of the environment Mon Wea Rev., 127, 1229-1243 13 Cheung, K K W., and J C L Chan, 1999: Ensemble forecasting of tropical cyclone motion using a barotropic model Part II: Perturbations of the Vortex Mon Wea Rev., 127, 2617-2640 14 Elsberry R L and L.E.Carr, 2000: Consensus of dynamical tropical cyclone track forecasts 15 Lam C C., Yeung K C., and Lam H., 2005: Use of Model Ensemble Products for Weather Forecasting in Hong Kong WMO Training Workshop on Ensemble Prediction System, Shanghai, China, 18-23 April 2005, p1-19 16 Lee, T C., and W M Leung, 2002, “Performance of multiple-model ensemble techniques in tropical cyclone track prediction” The 35th session of the Typhoon Committee, Chiang Mai, Thailand, 1925, November 2002 17 Molteni F., Buizza R., Palmer T N And Petroliagis T., 1996: The ECMWF ensemble prediction system: methodology and validation Quart J Roy Meteor Soc., 122, 73-119 18 Goerss J S, 2000, Tropical cyclone track forecast using an ensemble of dynamical models 19 Palmer, T N., F Monteni, R Mureau, R Buizza, P Chapelet, and J Tribbia, 1992: Ensemble prediction ECMWF Technical Memorandum, 188 20 Richardson D S., 2001a: Ensembles using multiple models and analyses Quart J Roy Meteor Soc., 127, 1847–1864 21 Richardson D S., 2001b: Measures of skill and value of ensemble prediction systems, their interrelationship and the effect of ensemble size Quart J Roy Meteor Soc., 127, 2473-2489 22 Toth, Z., and E Kalnay, 1997: Ensemble forecasting at NCEP and the Breeding method Mon Wea Rev., 125, 3297-3319 23 Wang Y., Bellus M., Wittmann C., Steinheimer M., Weidle F and coauthors, 2011: The Central European limited area ensemble forecasting system: ALADIN-LEFS Quart J Roy Meteor Soc., 137, 483-502 24 Williford,C.E, Krisnamurti, T.N, correa- Torres R J 2002, Real – time miltimodel superensemble forecast of Atlantic tropical systems of 1999 25 Yamaguchi M., Sakai R., Kyoda M., Komori T., and Kadowaki T., 2009: Typhoon ensemble prediction system developed at the Japan Meteorological Agency Mon Wea Rev., 137, 2592-2604 26 Zhu Y., Z Toth, R Wobus, D Hou and B Cui, 2010: Upgrade of NCEP global ensemble forecast system (NAEFS), NCEP 27 Z Zhang and T N Krisnamurti, 1997: Ensemble Forecasting of Hurricane Tracks Bull, Amer Meteo Soc 78, 2785-2795 28 Z Zhang and T N Krisnamurti, 1999 : A Perturbation Method for Hurricane Ensemble Predictions Mon Wea Rev 127, 447-469 29 www.nhc.noaa.gov/verification/verify5.shtml 30 Dr Jing Chen, Hua Tian, Guo Deng, Xiaoli Li,Suhong Ma,Yan Tan, 2009: Operational Ensemble Prediction Systems at CMA