Nghiên cứu ảnh hưởng của số liệu thám không giả lập trên quần đảo trường sa và hoàng sa đến dự báo bão trên biển đông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Mai Khánh Hƣng NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỐ LIỆU THÁM KHÔNG GIẢ LẬP TRÊN QUẦN ĐẢO TRƢỜNG SA VÀ HOÀNG SA ĐẾN DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Mai Khánh Hƣng NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA SỐ LIỆU THÁM KHÔNG GIẢ LẬP TRÊN QUẦN ĐẢO TRƢỜNG SA VÀ HOÀNG SA ĐẾN DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG Chuyên ngành : Khí tượng khí hậu học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ ĐỨC Hà Nội – Năm 2014 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS.Lê Đức người tận tình bảo hướng dẫn trình học tập hoàn thành luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học cung cấp cho kiến thức chuyên môn quý giá Tôi xin cảm ơn cán phòng Dự báo số viễn thám, Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương tạo giúp đỡ điều kiện thuận lợi sở vật chất, máy móc thiết bị suốt thời gian thực luận văn Tôi xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện cho có thời gian hoàn thành luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân bạn bè, người bên cạnh cổ vũ, động viên tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập Mai Khánh Hƣng MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU .7 BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT .8 MỞ ĐẦU Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ PHƢƠNG PHÁP OSSE Error! Bookmark not defined 1.1 Tổng quan nghiên cứu OSSE giới Việt Nam Error! Bookmark not defined 1.2 Phương pháp OSSE Error! Bookmark not defined Chƣơng 2: HỆ THỐNG ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU Error! Bookmark not defined 2.1 Phương pháp biến phân ba chiều 3DVAR Error! Bookmark not defined 2.2 Mô hình dự báo thời tiết WRF hệ thống đồng hóa WRF – 3DVAR Error! Bookmark not defined Chƣơng 3: SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP Error! Bookmark not defined 3.1 Tổng quan bão Sơn Tinh (2012) Error! Bookmark not defined 3.2 Số liệu Error! Bookmark not defined 3.3 Thiết kế thử nghiệm mô Error! Bookmark not defined Chƣơng 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Error! Bookmark not defined 4.1 Mô khí Error! Bookmark not defined 4.2 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh Error! Bookmark not defined 4.3 Dự báo cường độ bão Sơn Tinh Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 10 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ hoạt động hệ thống OSSE Error! Bookmark not defined Hình 1.2 So sánh hệ hoạt động hệ thống đồng hóa số liệu OSSE Error! Bookmark not defined Hình 1.3 Minh họa phương pháp thử nghiệm giả lập hệ thống quan trắc Error! Bookmark not defined Hình 2.1 Hệ thống đồng WRF – 3DVAR chu kỳ 6h.Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Hiệu trường nhiệt độ phân tích nhiệt độ mực 850mb trường hợp có đồng hóa số liệu nhiệt độ tâm miền tính Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Hiệu trường gió vĩ hướng phân tích gió vĩ hướng mực 850mb trường hợp có đồng hóa số liệu gió vĩ hướng tâm miền tínhError! Bookmark not defined Hình 3.1 Quỹ đạo bão Sơn Tinh Error! Bookmark not defined Hình 3.2 Cường độ bão Sơn Tinh – áp suất thấp tâm bãoError! Bookmark not defined Hình 3.3 Trường gió độ cao địa vị mực 500mb thời điểm 7giờ ngày a) 23/10; b) 24/10; c) 25/10; d) 26/10 Error! Bookmark not defined Hình 3.4 Trường gió độ cao địa vị mực a) 850 mb; b) 750mb; c) 500mbError! Bookmark not defined Hình 3.5 Trường gió độ cao địa vị mực 500mb tạiError! Bookmark not defined Hình 3.6 Miền tính mô hình sử dụng luận vănError! Bookmark not defined Hình 3.7 Vị trí trạm quan trắc, thám không pilot mô Error! Bookmark not defined Hình 3.8 Minh họa trình đồng hóa số liệu thực thử nghiệmError! Bookmark not defined Hình 4.1 Quỹ đạo giả lập bão Sơn Tinh Error! Bookmark not defined Hình 4.2 Cường độ giả lập bão Sơn Tinh Error! Bookmark not defined Hình 4.3 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh thời điểm 19 25/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.4 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô Sơn Tinh thời điểm 19 ngày 25/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.5 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh thời điểm 01 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.6 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô Sơn Tinh thời điểm 01 ngày 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.7 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh thời điểm 07 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.8 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô Sơn Tinh thời điểm 07 ngày 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.9 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh thời điểm 13h 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.10 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô Sơn Tinh thời điểm 13h ngày 26/10/2012 Error! Bookmark not defined Hình 4.11 Dự báo áp suất cực tiểu tâm bão thời điểm 19 25/10/2012 so sánh với áp suất cực tiểu mô Error! Bookmark not defined Hình 4.12 Dự báo áp suất cực tiểu tâm bão thời điểm 01 26/10/2012 so sánh với áp suất cực tiểu mô Error! Bookmark not defined Hình 4.13 Dự báo áp suất cực tiểu tâm bão thời điểm 07 26/10/2012 so sánh với áp suất cực tiểu mô Error! Bookmark not defined Hình 4.14 Dự báo áp suất cực tiểu tâm bão thời điểm 13 26/10/2012 so sánh với áp suất cực tiểu mô Error! Bookmark not defined DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Độ lệch chuẩn thám sát với trạm SYNOP Error! Bookmark not defined Bảng 2.2 Độ lệch chuẩn thám sát với trạm cao không TEMP theo mực áp suấtError! Bookmark not defined Bảng 3.1 Vị trí đặt trạm thám không Hoàng Sa Trường SaError! Bookmark not defined Bảng 3.2 Tóm tắt thông tin trình điều khiển thử nghiệmError! Bookmark not defined BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT Three-dimensional variational Control run Đồng hóa biến phân ba chiều Điều khiển DAO DA EXP Data assimilation Office Data assimilation Experiment Bộ phận đồng hóa số liệu Đồng hóa số liệu Thử nghiệm FNL Final Operational Analysis data 3DVAR CR GARP GFS LSM NASA NCEP NR OSSE PBL WRF WRF - VAR Global Số liệu phân tích toàn cầu cuối Global Atmospheric Research Program Global Forecasct System Land – Surface model National Aeronautics and Space Administration Chương trình nghiên cứu khí toàn cầu Hệ thống dự báo toàn cầu Mô hình bề mặt đất National Centers for Environmental Prediction Nature Run Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ Giả lập khí Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ Observation system simulation Thử nghiệm giả lập hệ thống quan experiments Planetary boundary layer Weather Research and Forecast model Weather Research and Forecast – Variational trắc Lớp biên hành tinh Mô hình dự báo nghiên cứu thời tiết Mô hình dự báo nghiên cứu thời tiết kết hợp phương pháp biến phân MỞ ĐẦU Chất lượng dự báo mô hình số trị nâng cao nhanh chóng khoảng hai thập kỷ trở lại đây, nhiên độ xác dự báo tượng thời tiết có tác động lớn bão hay xoáy thuận nhiệt đới thách thức Các bão thường diễn vùng biển, đại dương nơi mà mật độ trạm quan trắc thưa thớt Việc thiếu thông tin quan trắc dẫn tới trường số liệu ban đầu mô hình số trị trở nên không xác, gây khó khăn việc dự báo bão xoáy thuận nhiệt đới Việt Nam quốc gia có đường bờ biển dài 3000 km, nằm khu vực có tần suất hoạt động bão lớn giới, thường xuyên phải đón nhận bão với sức tàn phá lớn Vì vậy, dự báo bão nhiệm vụ quan trọng hàng đầu dự báo số trị Tầm quan trọng số liệu thám sát xung quanh hoàn lưu bão biết đến từ nhiều năm Tại quốc gia tiên tiến, có bão, quan trắc dropsonde radar sử dụng máy bay thường tiến hành để cung cấp thêm thông tin trạng thái khí bão Do nhiều hạn chế công nghệ, nhân lực tài Việt Nam, loại thám sát đặc biệt chưa sử dụng Tuy nhiên, Việt Nam có hai quần đảo Trường Sa Hoàng Sa biển Đông, hoàn toàn cung cấp dự báo bổ sung dạng số liệu thám không kỳ vọng cải thiện chất lượng dự báo bão Tuy nhiên, việc kiểm chứng tác động số liệu tới dự báo bão không đơn giản trạm quan trắc chưa xây dựng số liệu thám không vực nói chưa tồn Trong đó, việc xây hay bảo trì, bảo dưỡng hệ thống quan trắc nói chung hay trạm thám không riêng lẻ đòi hỏi nhiều chi phí, bên cạnh cần có điều tra tỉ mỉ, tốn nhiều thời gian vị trí đặt trạm, tần suất hoạt động v v để đảm bảo số liệu thám sát phát huy hiệu cao Do vậy, để kiểm chứng tác động loại số liệu thám không tới dự báo bão trạm quan trắc chưa xây dựng, nhà khoa học giới sử dụng phương pháp Observing System Simulation Experiments (OSSE) tạm dịch phương pháp thử nghiệm giả lập hệ thống quan trắc Phương pháp cho phép tiến hành thử nghiệm giả lập tác động số liệu thám không Hoàng Sa Trường Sa tới trình dự báo Từ ta rút tác động tiềm số liệu thử nghiệm thực tế Trên giới phương pháp áp dụng trung tâm nghiên cứu khí tượng tiếng Trung tâm dự báo khí tượng hạn vừa Châu Âu (ECMWF), Cục hàng không vũ trụ Mỹ ( NASA), Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ (NCEP), v…v… Các kết phương pháp OSSE kênh thông tin tham khảo đắc lực cho nhà khí tượng học công tác nghiên cứu nghiệp vụ hàng ngày Trước tình hình cần thiết ước tính tác động tiềm số liệu thám không bổ sung khu vực biển Đông tới dự báo bão, luận văn tiến hành “Nghiên cứu ảnh hưởng số liệu thám không giả lập quần đảo Trường Sa Hoàng Sa đến dự báo bão biển Đông” Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, luận văn cấu trúc với bốn chương bao gồm: Chương 1: Tổng quan phương pháp OSSE Chương 2: Phương pháp đồng hóa Chương 3: Số liệu phương pháp Chương 4: Kết thử nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Hoàng Đức Cường, Nguyễn ThịThanh, Trần ThịThảo (2013), “Nghiên cứu ứng dụng sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR cho mô hình WRF nhằm dự báo quỹ đạo bão biển Đông”, Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi Khí hậu Kiều Thị Xin, Lê Đức (2003), “Nâng cao chất lượng dự báo mưa mô hình khu vực phân giải cao HRM nhờ tăng độ phân giải điều chỉnh trường ban đầu phương pháp đồng hoá số liệu ba chiều” Tuyển tập hội nghị khoa học, Viện Khoa học khí tượng thuỷ văn Môi trường Kiều Quốc Chánh(2011), “Tổng quan hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp ứng dụng cho mô hình dự báo thời tiết WRF ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 1S (2011) Tr17-28 Nguyễn Lê Dũng, Phan Văn Tân (2008), “Thử nghiệm ứng dụng hệ thống WRFVAR kết hợp ban đầu hóa xoáy dự báo quỹ đạo bão khu vực biển Đông”, Tuyển tập báo cáo Hội nghị dự báo viên toàn quốc lần thứ III, Tr 36-46 Trần Tân Tiến, Lê Thị Hồng Vân (2009), “Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tốcấu thành xoáy nhân tạo đồng hóa số liệu xoáy giả mô hình WRF bão Lêkima”, tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Số 3S (2009), tr508-516 Trần Tân Tiến, Nguyễn Thị Thanh (2011), “Đồng hóa liệu vệ tinh modis mô hình WRF để dự báo mưa lớn khu vực Trung Bộ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 27, Số 3S tr.90-95 Tiếng Anh Alane Lipton (1989), “Observing Systems Simulation Experiments:Their Role in Meteorology”, Environmental Research Papers, No1028 Arnold, C.P,Jr., and C.H Dey (1986), “Observingsystem simulation experiments: Past, present, and future” Bull Amer Meteor Soc., 67, pp 687-695 Atlas, R., E Kalnay and M Halem (1985), “The impact of satellite temperature sounding and wind data on numerical weather prediction” Optical Engineering, 24, pp.341-346 10 Atlas, R (1990), “Simulation studies of the impact of satellite temperature and humidity retrievals” GEWEX Workshop Report on Retrievals of Temperature and Humidity Retrievals from Space 11 Atlas, R and G.D Emmitt (1991), “Implications of several orbit inclinations for the impact of LAWS on global climate studies” Second Symposium on Global Change Studies, New Orleans, pp.28-32 12 Atlas, R.(1997), “Atmospheric observations and experiments to assess their usefulness in data assimilation” J Meteor Soc Japan, 75, No 1B, pp.111-130 13 Baker,W.E., G.D Emmitt, F Robertson, R.M Atlas, J.E Molinari, D.A Bowdle, J Paegle, R.M.Hardesty , R.T Menzies, T.N Krishnamurti, R.A Brown, M.J Post, J.R Anderson, A.C Lorenc, and J McElroy (1995), “Lidar measured winds from space: A key component for weather and climate prediction” Bull Amer Meteor Soc., 76(6), pp.869-888 14 Charney , J., M Halem, and R Jastrow (1969), “Use of incomplete historical data to infer the present state of the atmosphere” J Atmos Sci., 26, pp1160-1163 15 David S Nolan, Robert Atlas, Kieran T Bhatia, and Lisa R Bucci (2013), “Development and validation of a hurricane nature run using the joint OSSE nature run and the WRF model”, Journal of advances in modeling earth systems, vol.5, pp 382–405 16 Gordon, C.T., L Umscheid, Jr and K Miyakoda (1972), “Simulation experiments for determining wind data requirements in the tropics” J Atmos Sci., 29, 1064-1075 17 Jastrow, R and M Halem (1970), “Simulation studies related to GARP” Bull Amer Meteor Soc., 51, pp.490-513 18 Kasahara (1972), “Simulation experiments for meteorological observing systems for GARP” Bull Amer Meteor Soc., 53, 252-264 19 Lei Zhang and Zhaoxia Pu (2009), “An Observing System Simulation Experiment (OSSE) to Assess the Impact of Doppler Wind Lidar (DWL) Measurements on the Numerical Simulation of a Tropical Cyclone”, Advances in Meteorology 20 Michiko Masutani, John S Woollen,Stephen J Lord,G David Emmitt, Thomas J Kleespies, Sidney A Wood, Steven Greco, Haibing Sun, Joseph Terry, Vaishali Kapoor, Russ Treadon and Kenneth A Campana (2010), “Observing system simulation experiments at the National Centers for Environmental Prediction”, Journal Of Geographical Research, Vol 115 21 Rohaly , G.D and T.N Krishnamurti, (1993) “An observing system siumulation experiment for the Laser Atmospheric Wind Sounder (LAWS)” J Applied Meteor., 32, pp.1453-1471 22 S Nolan, Robert Atlas, Kieran T Bhatia,and Lisa R Bucci (2013), “Development and validation of a hurricane nature run using the joint OSSE nature run and the WRF model”, Journal Of Advances In Modeling Earth system Research, Vol5, pp.382-405 23 Williamson, D and A Kasahara (1971), “Adaptation of meteorological variables forced by updating” J.Atmos Sci., 28, pp.1313-1324 24 Xiang-Yu Huang, Hongli Wang, Yongsheng Chen, Xin Zhang, Stephen A Tjemkes, Rolf Stuhlmann (2013), “An Observing System Simulation Experiment using both MM5 and WRF: experiment configuration and preliminary results”, Volume 2013 (2013), Article ID 971501 25 Z.Pu, L.Zhang, B.Gentry,and B.Demoz (2009), “Potential impactof lidar wind measurements on high-impact weather forecasting: a regional OSSEs study” in Proceedings of the 13th AMS Conference on Integrated Observing Systems for Atmosphere, Ocean, and Land Surface (IOAS-AOLS ’09), 26 William C Skamarock, etc, 2005: A description of the advanced research WRF version [...]...cơn bão Lêkima”, tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Số 3S (2009), tr508-516 6 Trần Tân Tiến, Nguyễn Thị Thanh (2011), “Đồng hóa dữ liệu vệ tinh modis trong mô hình WRF để dự báo mưa lớn ở khu vực Trung Bộ”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 27, Số 3S tr.90-95 Tiếng Anh 7 Alane Lipton (1989), “Observing... present, and future” Bull Amer Meteor Soc., 67, pp 687-695 9 Atlas, R., E Kalnay and M Halem (1985), “The impact of satellite temperature sounding and wind data on numerical weather prediction” Optical Engineering, 24, pp.341-346 10 Atlas, R (1990), “Simulation studies of the impact of satellite temperature and humidity retrievals” GEWEX Workshop Report on Retrievals of Temperature and Humidity Retrievals... (LAWS)” J Applied Meteor., 32, pp.1453-1471 22 S Nolan, Robert Atlas, Kieran T Bhatia,and Lisa R Bucci (2013), “Development and validation of a hurricane nature run using the joint OSSE nature run and the WRF model”, Journal Of Advances In Modeling Earth system Research, Vol5, pp.382-405 23 Williamson, D and A Kasahara (1971), “Adaptation of meteorological variables forced by updating” J.Atmos Sci., 28,... experiments for determining wind data requirements in the tropics” J Atmos Sci., 29, 1064-1075 17 Jastrow, R and M Halem (1970), “Simulation studies related to GARP” Bull Amer Meteor Soc., 51, pp.490-513 18 Kasahara (1972), “Simulation experiments for meteorological observing systems for GARP” Bull Amer Meteor Soc., 53, 252-264 19 Lei Zhang and Zhaoxia Pu (2009), “An Observing System Simulation Experiment (OSSE)... J., M Halem, and R Jastrow (1969), “Use of incomplete historical data to infer the present state of the atmosphere” J Atmos Sci., 26, pp1160-1163 15 David S Nolan, Robert Atlas, Kieran T Bhatia, and Lisa R Bucci (2013), “Development and validation of a hurricane nature run using the joint OSSE nature run and the WRF model”, Journal of advances in modeling earth systems, vol.5, pp 382–405 16 Gordon,