THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG HẠN 5 NGÀY BẰNG MÔ HÌNH RAMS VỚI SỐ LIỆU ECMWF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Trần Quỳnh Trang THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG HẠN NGÀY BẰNG MƠ HÌNH RAMS VỚI SỐ LIỆU ECMWF Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học Mã số: 60.440222 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Trần Tân Tiến Hà Nội – 2014 MỞ ĐẦU Bão hay xoáy thuận nhiệt đới tượng thời tiết nguy hiểm với sức ảnh hưởng lớn đến hoạt động tàu thuyền biển, tài sản, tính mạng người bão đổ vào đất liền Dưới tác động tượng biến đổi khí hậu tồn cầu, tần suất, cường độ quỹ đạo bão ngày phức tạp có nhiều bão mạnh hay “siêu bão” hoạt động Nghiên cứu, dự báo tần suất, quỹ đạo hay cường độ bão nhiệm vụ hàng đầu nhà dự báo khí tượng, nhằm nâng cao chất lượng dự báo bão giảm nhẹ thiên tai bão gây Phương pháp dự báo bão mơ hình ứng dụng rộng rãi giới Việt Nam tính hữu ích tiện dụng kết mơ hình nhà khí tượng người sử dụng Mơ hình RAMS mơ hình số nghiên cứu ứng dụng nhiều dự báo khí tượng, đặc biệt dự báo bão hạn đến ngày Mơ hình RAMS tích hợp tốt với nguồn số liệu khác nhau, biến khai báo bản, dễ sử dụng kết dự báo mơ hình RAMS ứng dụng cao thực nghiệm tốt Với tiện ích độ xác cao mơ hình RAMS, tác giả sử dụng số liệu Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu ECMWF thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão Biển Đông hạn ngày Số liệu ECMWF lần đầu sử dụng làm đầu vào chạy thử nghiệm mơ hình RAMS dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông Việt Nam Tác giả sử dụng số liệu bão ECMWF 03 năm: 2009 – 2011 nhiều bão với hai sơ đồ đối lưu Kain – Fritsch Kuo để chạy thử nghiệm, đề tài luận văn chọn: “Thử Nghiệm dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông hạn ngày mơ hình RAMS với số liệu ECMWF” Chương BÃO VÀ DỰ BÁO BÃO BẰNG MƠ HÌNH SỐ 1.1 Tổng quan Bão 1.1.1 Khái niện định nghĩa bão Theo Atkinson (1971): “Bão xốy thuận quy mơ synốp khơng có front, phát triển biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới mực có hồn lưu xác định” Hay theo Holland (1993), bão nhiệt đới vùng thời tiết có khí áp thấp vùng biển nhiệt đới cận nhiệt đới, đối lưu bão nhiệt đới có tổ chức hồn lưu đóng [6] 1.1.2 Phân loại bão Phân loại bão Việt Nam bao gồm: - Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) lấy theo loại TD (tropical depsion) vận tốc gió cực đại nhỏ 17 m/s hay gió cấp theo Beaufort - Bão thường lấy theo loại TC (tropical cyclone) TS (tropical storm) vận tốc gió nằm khoảng từ 17 đến 25 m/s hay từ cấp đến cấp theo Beaufort - Bão mạnh vận tốc gió nằm khoảng từ 25 đến 33 m/s hay từ cấp 10 đến cấp 11 theo Beaufort - Bão mạnh lấy theo loại TY (typhoon) ST (supper storm) vận tốc gió từ 33 m/s hay từ cấp gió 12 trở lên theo Beaufort 1.1.3 Hoạt động bão Biển Đông Hoạt động bão Biển Đông hàng năm thập niên qua có nhiều biến động số bão, quỹ đạo cường độ chúng Trong giới hạn kinh tuyến 1200E phía Tây vĩ tuyến 250N phía Nam, hàng năm khu vực Biển Đơng có khoảng 10 – 12 bão hoạt động ảnh hưởng đến đất liền Việt Nam trung bình – Trong có khoảng 50 % bão hoạt động Biển Đông từ vùng biển tây bắc Thái Bình Dương vượt qua quần đảo Philippin vào, số cịn lại hình thành khu vực Biển Đông Bão hoạt động Biển Đông thuộc hệ thống bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương, ổ bão lớn giới chiếm 33.3% tống số bão hàng năm trái đất Các nghiên cứu giới hoạt động bão Biển Đông thường phần nghiên cứu hoạt động bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương Ở khu vực tây bắc Thái Bình Dương, Xu cộng (2004) nghiên cứu biến đổi hoạt động bão gắn liền với vấn đề nóng lên tồn cầu Biến đổi nhiều năm bão hai thập kỷ qua chủ yếu liên quan đến tượng ENSO dao động tựa hai năm tầng bình lưu, biến đổi đa thập kỷ hoạt động bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương Shumin Chen cộng (2013) thay đổi dòng ẩn nhiệt hình thành phát triển bão Biển Đông Andy cộng (2009), nghiên cứu dao động thập kỷ hàng năm hoạt động bão Biển Đông Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Văn Tuyên (2007) nghiên cứu “Xu hướng hoạt động xoáy thuận nhiệt đới Tây Bắc Thái Bình Dương Biển Đơng theo cách phân loại khác nhau” Tác giả Vũ Thanh Hằng, 2010, “Đặc điểm hoạt động bão vùng gần bờ biển Việt Nam giai đoạn 1945 – 2007” Quy luật hoạt động bão tháng năm trọng hoạt động bão ảnh hưởng đến đất liền Việt Nam từ tháng đến tháng 11 hàng năm 1.3 Dự báo quỹ đạo bão mơ hình số Qua nhiều thập kỷ với phát triển khoa học công nghệ ứng dụng công nghệ cao đến cơng tác dự báo thời tiết khí hậu có bước tiến chất lượng dự báo đa dạng hoá sản phẩm dự báo toàn cầu, khu vực Việt Nam Dự báo quỹ đạo bão vấn đề nhiều nhà khoa học quan tâm tập trung nghiên cứu sâu cho kết sai số khoảng cách ngày bé Trên giới Trên giới mơ hình thành công bắt đầu xây dựng cuối thập niên 60 mơ hình áp như: SANBAR (Sanders, 1968) [25], mơ hình VICBAR (DeMaria, 1992), mơ hình WBAR (Weber, 2001) [28] MUDBAR (Vigh ET AL, 2003)[27] Cùng với q trình phát triển mạnh mẽ cơng nghệ thơng tin, mơ hình dự báo số dùng hệ phương trình ngun thuỷ như: mơ hình bão GFDL, AVN, NOGAPS Hoa Kỳ; ECMWF Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu; mơ hình UKMET khí tượng Anh; mơ hình GSM Nhật; TC-LAPS Australia số mơ MM5, HRM, ETA, RAMS WRF… chất lượng dự báo quỹ đạo bão ngày cải thiện Dưới sai số dự báo quỹ đạo bão Trung tâm dự báo bão lớn giới: 1) Trung tâm cảnh báo bão tây bắc Thái Bình Dương JTWC (Joint Typhoon Warning Center) [22] Hình 1.1 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương JTWC trung bình sai số dự báo năm 24h, 48h 72h Hình 1.2 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương JTWC trung bình sai số dự báo năm 96h 120h 2) Trung tâm dự báo bão Hoa Kỳ NHC (National Hurricane Center) Hình 1.3 Sai số trung bình dự báo quỹ đạo bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương trung tâm cảnh báo bão Mỹ (NHC) 3) Cục khí tượng Nhật Bản JMA (Japan Meteorological Agency): Hình 1.4 Sai số dự báo quỹ đạo bão hệ thống dự báo tất định JMA (http://www.jma.go.jp/en/typh) Nhóm GIFS-TIGGE hội thảo lần thứ WMO [29] nghiên cứu khả dự báo quỹ đạo bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương tổ chức khí tượng Úc (BOM), Canada (CMC), Đức (DWD), Châu Âu (ECMWF), Nhật (JMA), Pháp (FRN), Hoa Kỳ (NCEP, NRL) Anh (UKMO) (Hình 1.5) năm 2009, 2010 2011 a) b) c) Hình 1.5 Sai số dự báo quỹ đạo bão trung tâm giới cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương: hình a, b, c tương ứng năm 2009, 2010, 2011 (http://nwp-verif.kishou.go.jp/wgne_tc/index.html) Ở Việt Nam Hơn thập kỷ qua mơ hình số nghiên cứu ứng dụng rộng rải hiệu Việt Nam Tác giả Trịnh Văn Thư Kinsnamurti [18] (1992) nghiên cứu ban đầu hố xốy bão cho mơ hình nước nơng khu vực Biển Đông Tác giả Nguyễn Thị Minh Phương, [7] - 2007, sử dụng mơ hình áp có sơ đồ xốy tiến hay BARO_PH dự báo bão hoạt động khu vực Biển Đông năm 2005 Tác giả Phan Văn Tân Bùi Hoàng Hải, [4] - 2006, [8] 2008 sử dụng ban đầu hố xốy áp dụng mơ hình phân giải cao HRM mơ hình phát triển từ HRM với việc ban đầu hoá xoáy trường ban đầu, HRM_TC chạy thí nghiệm tập nhiều bão năm 2004 – 2006 Tác giả Trần Tân Tiến [12,13,14,15,16] có nhiều nghiên cứu sâu sắc với hoạt động bão Biển Đơng mơ hình số hạn dự báo bão, quỹ đạo cường độ bão trọng Tác giả sử dụng mơ hình số RAMS, ETA, HRM, MM5, WBAR… dự báo bão Biển Đơng hạn đến ngày Ngồi sử dụng mơ hình đơn thuần, tác giả sử dụng nhiều phương pháp hậu mơ hình để nâng cao chất lượng dự báo bão Tác giả Lê Thi ̣Hồng Vân (2009) [20] sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu xốy giả mơ hình WRF để nghiên cứu dự báo quỹ đạo cường độ bão Tác giả Hoàng Đức Cường (2011) [1] áp dụng mơ hình WRF hạn 72 với sơ đồ đồng hoá số liệu 3DVAR cập nhiệt số liệu cao không, số liệu synốp cho trường ban đầu ứng dụng sơ đồ phân tích xốy giả tích hợp với đồng hố số liệu Tác giả Công Thanh, 2013, dự báo quỹ đạo bão phương pháp dự báo tổ hợp bão dựa phương pháp ni nhiễu mơi trường kết hợp nhiễu xốy mơ hình RAMS Trong đề tài KC08-05 (2010), tác giả Trần Tân Tiến đưa phương trình dự báo tổ hợp phương án tổ hợp trung bình đơn giản, trung bình có trọng số, siêu tổ hợp sản phẩm dự báo từ mô hình riêng lẻ RAMS, WRF, ETA, HRM, WBAR … Chương MƠ HÌNH RAMS VÀ SỐ LIỆU ECMWF 2.1 Giới thiệu chung mơ hình RAMS Mơ hình RAMS, mơ hình khí khu vực, phát triển nhóm nhà khoa học thuộc đại học tổng hợp Colorado, kết hợp với ASTER division - thuộc Mission Research Corporation ATMET (Atmospheric, Meteolorogical and Enviromental Technologies) Mô hình RAMS xây dựng xung quanh hệ phương trình thủy tĩnh phi thủy tĩnh lấy trung bình Reynolds bao gồm phương trình động lực, nhiệt động lực, phương trình bảo tồn khối Thêm vào nhiều sơ đồ hỗ trợ sơ đồ tham số hóa đối lưu, sơ đồ khuếch tán, xạ, trình ẩm, trảo đổi ẩn hiển nhiệt khí bề mặt (các lớp đất, thảm thực vật, độ phủ băng, nước bề mặt…) RAMS sử dụng rộng rãi để mơ tượng, trạng thái khí quy mô vừa (2 – 2000km) sử dụng để mơ xốy lớp biên khí với độ phân giải ngang tương đối cao TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Hoàng Đức Cường, 2011, “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình WRF phục vụ dự báo thời tiết bão Việt Nam”, Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp Bộ, Viện KH KTTV & MT Nguyễn Hương Diễm, 2012, Báo cáo “Thống kê đánh giá hoạt động bão áp thấp nhiệt đới Biển Đông ảnh hưởng tới Việt Nam từ năm 1971 10 đến năm 2010” Bùi Hoàng Hải, 2008: Nghiên cứu phát triển ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xốy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bão Việt Nam, Luận án tiến sĩ ngành Khí tượng, trang 14 –32 Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân, 2006, “Vềmột sơ đồ ban đầu hóa xốy áp dụng cho mơ hình khu vực phân giải cao HRM”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 3(555), tr 42−50 Vũ Thanh Hằng, Ngô ThịThanh Hương, Phan Văn Tân, 2010, “Đặc điểm hoạt động bão vùng biển gần bờ Việt Nam giai đoạn 1945-2007”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26, Số 3S 344‐ 353 Trần Công Minh, 2006, Chương I Áp thấp nhiệt đới bão, Khí tượng nhiệt đới phần Synop, Nhà xuất Quốc Gia Hà Nội TS Nguyễn ThịMinh Phương, 2007, “Kết quảdựbáo nghiệp vụquỹđạo Các bão hoạt động Biển Đông năm 2005 mô hình áp với sơ đồ ban đầu hố xốy cải tiến”, Tuyển tập báo cao Hội nghi khoa học lần thứ 10 _ Viện KH TTV & MT Phan Văn Tân, Bùi Hoàng Hải, 2008, “Thửnghiệm áp dụng phiên HRM_TC vào dựbáo chuyển động bão ởViệt Nam”, Tạp chí Khí tượng thuỷ văn, 2(566), Tr1-10 Phan Văn Tân, Nguyễn Lê Dũng, 2008, “Thửnghiệm ứng dụng hệthống WRF-VAR kết hợp với sơ đồban đầu hóa xốy vào dựbáo quĩ đạo bão Biển Đơng”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, Hà Nội, 7(583), tr 1−9.53 10 Công Thanh, 2008, “Thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão phương pháp nuôi dao động phát triển nhanh mơ hình RAMS”, Luận văn thạc 11 sỹ, khoa KTTV –HDH Trường Đại học KHTN Hà Nội 11 Công Thanh, Trần Tân Tiến, 2013, “Đánh giá kết dự báo quỹ đạo bão Biển Đông hạn ngày hệ thống dự báo tổhợp mơ hình RAMS”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ 29, Số1S (2013) 141-146 12 Trần Tân Tiến, 2007, Phương pháp sốdựbáo thời tiết, Nhà xuất Đại học Quốc gia HàNội 13 Trần Tân Tiến, Công Thanh, Nguyễn ThịPhượng, 2011, “Dựbáo cường độ bão mơ hình WRF hạn ngày khu vực biển Đơng”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 28, Số3S (2012) 155 -160 14 Trần Tân Tiến cộng sự, 2010, “Xây dựng công nghệ dự báo liên hồn bão, nước dâng sóng Việt Nam mơ hình số với thời gian dự báo trước ngày”, Hội nghị Khoa học Cơng nghệ biển tồn quốc lần thứV -Tiểu ban Khí tượng, Thủy văn Động lực học biển Đề tài cấp nhà nước KC.08.05 15 Trần Tân Tiến, Cơng Thanh, Nguyễn ThịHồng Anh, 2010, “Dựbáo quỹ đạo bão Biển Đông phương pháp tổhợp theo trọng số”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 26, Số 3S (2010) 457‐ 462 16 Trần Tân Tiến, Công Thanh, Nguyễn Minh Trường, Trần Duy Hiền, 2009, “Dự báo quĩ đạo bão Xangsane mơ hình MM5 kết hợp với cài xốy nhân tạo cập nhật sốliệu địa phương khu vực Việt Nam”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25, Số 1S (2009) 103 -108 17 Phạm Ngọc Toàn, Phan Tất Đắt, 1968, Khí hậu Việt Nam 18 Trịnh Văn Thư(1976), Dự báo nghiệp vụcác quỹđạo tâm bão theo phương pháp dịng dẫn thủy động lực Khí tượng vật lý địa cầu, Tổng cục Khí tượng thủy văn , tr.52 54 19 Nguyễn Văn Tuyên, 2007, “Xu hướng hoạt động xoáy thuận nhiệt đới 12 Tây bắc Thái Bình Dương Biển Đơng theo cách phân loại khác nhau”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn 559, Tr4 20 Lê Thị Hồng Vân, 2009, “Áp dụng phương pháp đồng hóa số liệu xốy giả mơ hình WRF để dự báo bão” Luận văn thạc sĩ Khí tượng 21 Andy Zung-Ching Goh and Johnny C L Chan, 2009, “Interannual and interdecadal variations of tropical cyclone activity in the South China Sea”, Guy Carpenter Asia-Pacific Climate Impact Centre, City University of Hong Kong, Hong Kong, China 22 Annal Tropical Cyclone.Report Pearl Harbor, Hawaii 2010, 2011 and 2013 U.S Naval Maritime Forecast Center/Joint Typhoon Warning Center 23 Bin Wang and Johnny C L Chan, 2002, “How Strong ENSO Events Affect Tropical Storm Activity over the Western North Pacific” J Climate, 15, 1643 – 1658 24 DeMaria M., Aberson S D., and Ooyama K V., 1992: A nest spectral model for hurricane track forecasting Mon Wea Rev., 120, 1628-1643 25 Effect of ENSO on Number of Tropical Cylones Affecting Hong Kong.Y K Leung & W M Leung Bulletin of Hong Kong Meteorological Society Volume 12, Number ½, 2002 26 Mark A Lander, 1994: An Exploratory Analysis of the Relationship between Tropical Storm Formation in the Western North Pacific and ENSO Mon Wea Rev., 122, 636–651 27 Ming Xu, Ming Ying, Qiuzhen Yang, “Climate variability of tropical cyclone activities in Western North Pacifi ocean”, Shanghai Typhoon Institute, Shanghai,P.R.China, 2003 28 Klemp, J.B and R.B Wilhelmson, l978a: The simulation of three-dimensional convective storm dynamics J Atmos Sci., 35, 1070-1096 13 29 Klemp, J.B and RB Wilhelmson, 1978b: Simulations of right-and leftmoving storms produced through storm splitting J Atmos Sci., 35, 1097-1110 55 30 Klemp, J.B and DR Durran, 1983: An upper boundary condition permitting internal gravity wave radiation in numerical mesoscale models Mon Wea Rev., 111, 430-444 31 Roberto Buizza, 2004, “A Comparison of the ECMWF, MSC, and NCEP Global Ensemble Prediction Systems”, Monthly weather review, Volume 133, P 1076 32 Sanders, F., and R W Burpee, 1968: Experiments in Barotropic hurricane track forecasting J Appl Meteor., 7, 313-323 33 Shumin Chen, Weibiao Li, Youyu Lu andZhiping Wen, 2013, “Variations of latent heat flux during tropical cyclones over the South China Sea” Meteorological Applications, Volume 21, Issue 3, pages 717–723, July 2014 34 Sujata Pattanayak and U C Mohanty, 2008: “A comparetive study on performance of MM5 and WRF models in sinmulation of tropical cyclones over Indian seas”, Centerfor Atmospheric Sciences, Indian Institute of Technology New Delhi, New Delhi 110016, India 35 Tripoli, G.J., and W.R Cotton, 1982: The Colorado State University threedimensional cloud/mesoscale model -1982 Part I: General theoretical framework and sensitivity experiments J de Rech Atmos., 16, 185-220 36 VighET AL, Scott R Fulton 2003: “Evaluation of a Multigrid Barotropic Tropical Cyclone Track Model”, Department of Atmospheric Science, Colorado State University, Fort Collins, Colorado 37 Weber, H C 2001: Hurricane track prediction with a new barotropic model 14 Mon Wea Rev., 129, 1834-1858 38 WMO, 2010: “Regional perspective on NWP/EPS systems, products and infrastructure in RA II”, Report 15 ... văn chọn: ? ?Thử Nghiệm dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông hạn ngày mơ hình RAMS với số liệu ECMWF? ?? Chương BÃO VÀ DỰ BÁO BÃO BẰNG MƠ HÌNH SỐ 1.1 Tổng quan Bão 1.1.1 Khái niện định nghĩa bão Theo... mơ hình RAMS, tác giả sử dụng số liệu Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu ECMWF thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão Biển Đông hạn ngày Số liệu ECMWF lần đầu sử dụng làm đầu vào chạy thử nghiệm mơ hình RAMS. .. hoạt động bão Biển Đơng mơ hình số hạn dự báo bão, quỹ đạo cường độ bão trọng Tác giả sử dụng mơ hình số RAMS, ETA, HRM, MM5, WBAR… dự báo bão Biển Đông hạn đến ngày Ngồi sử dụng mơ hình đơn thuần,