KHẢO sát mối QUAN hệ GIỮA kĩ NĂNG mô PHỎNG QUỸ đạo bão và CƯỜNG độ bão CHO KHU vực tây bắc THÁI BÌNH DƯƠNG BẰNG hệ THỐNG ĐỒNG hóa tổ hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DƯ ĐỨC TIẾN Cơng trình đư ợc hồn thành Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Ngô Đức Thành Trường đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội TS Kiều Quốc Chánh Trường đại học Indiana, Hoa Kỳ KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PH ỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƯỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG BẰNG HỆ THỐNG ĐỒNG HĨA TỔ HỢP Phản biện: …………………………………………………………… …………………………………………………………… Phản biện: …………………………………………………………… …………………………………………………………… Phản biện: …………………………………………………………… Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học …………………………………………………………… Mã số: 62440222 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯ ỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC Luận án bảo vệ trước Hội đồng cấp nhà nước chấm luận án tiến sĩ h ọp Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội vào hồi … … ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam HÀ NỘI - 2016 - Trung tâm Thông tin Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU Vấn đề nghiên cứu ý nghĩa Kết đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão cường độ bão năm cho vùng biển khác nói chung đố i với khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương (TBTBD) cho thấy, sai số dự báo quỹ đạo giảm với xu rõ rệt năm chất lượng dự báo cường độ bão không giảm đồng thời theo Một câu hỏi đặt cách tự nhiên mối tương quan hai kĩ dự báo bão này? liệu phương pháp mang lại hiệu cho toán dự báo số đưa lại cải thiện cách tích cực chất lượng dự báo quỹ đạo bão mức độ cải thiện cường độ bão tương ứng bao nhiêu? Đây vấn đề quan tâm nội dung nghiên cứu đặt cho luận án Luận điểm bảo vệ luận án Việc tăng cường chất lượng dự báo quỹ đạo mang hiệu ứng tích cực việc giảm sai số dự báo cường độ bão lại mức độ tương quan hai sai số không đồng v hạn dự báo khác Sai số dự báo quỹ đạo hạn dài (sau -3 ngày) giảm có hiệu ứng tích cực đến việc giảm sai số dự báo cường độ so với hạn 24h ban đầu Luận án thử nghiệm lập ngun nhân ảnh hưởng đến dự báo cường độ (sai số vật lý mơ hình, dự báo sai quỹ đạo mang lại) qua đánh giá thay đổi sai số dự báo cường độ tập có thay đổi sai số quỹ đạo giảm so với toàn tập dự báo thử nghiệm tổng thể Trong việc ứng dụng mơ hình số, việc tăng cường chất lượng dự báo cường độ bão liên quan trực tiếp đến mức độ chi tiết cấu trúc ban đầu bão mức độ phù hợp cấu trúc với động lực mơ hình Luận án thử nghiệm xây dựng thơng tin cấu trúc xốy thuận từ phân tích bão thời gian thực (chương trình vinit) áp dụng phương pháp đồng hóa tổ hợp để đồng hóa đồng thời với thơng tin quy mơ lớn từ gió vệ tinh mực cao vào mơ hình số, qua đánh giá đặc trưng trung bình kĩ dự báo xác suất dự báo quỹ đạo cường độ bão thử nghiệm dự báo tổ hợp Những đóng góp luận án Đóng góp thứ luận án: mối tương quan sai số quỹ đạo cường độ khu vực TBTBD đánh giá dựa mơ hình động lực nhằm xem xét vai trò quỹ đạo việc cải thiện chất lượng dự báo cường độ bão Thông qua việc phân tích nguyên nhân ảnh hưởng đến dự báo cường độ, luận án xây dựng thử nghiệm tương ứng hệ động lực (ở mơ hình WRF-ARW) để khảo sát tương quan hai sai số dự báo quỹ đạo cường độ, đánh giá tăng/giảm tương ứng sai số cường độ tập có sai số quỹ đạo giảm theo tiêu chuẩn đặt (áp dụng đồng thời hạn dự báo) so với toàn tập thử nghiệm ban đầu (92 trường hợp từ 2007 -2009) Khi đánh giá tập mơ có sai số quỹ đạo giảm 60% 80% hai hạn 2-3 ngày, sai số cường độ giảm tương ứng 14% 19% so với toàn tập thử nghiệm Nếu tiếp tục tăng tiêu chuẩn sai số quỹ đạo (73% 85% hạn 2-3 ngày), sai số cường độ giảm chủ yếu hạn ngày (21%) Kết cơng bố tạp chí Meteorology and Atmospheric Physics số 122 trang 55-64 tiêu đề “A study of the connection between tropical cyclone track and intensity errors in the WRF model” trình bày chi tiết Chương luận án Đóng góp thứ luận án việc phát triển hệ thống đồng hóa tổ hợp cho dự báo bão dựa phương pháp LETKF cho mơ hình WRF-ARW chương trình mơ cấu trúc xốy chiều vinit dựa số liệu phân tích trạng thái thực bão kết hợp với số liệu quan trắc đặc trưng cho quy mơ lớn (ở gió vệ tinh mực cao) thử nghiệm Việc thiết lập số liệu quan trắc bao gồm đồng thời (blending) thơng tin quy mơ lớn từ gió cao (AMV) quy mô bão (từ chương trình vinit) cách tiếp cận cho phép nguồn số liệu tự bổ sung cho thơng tin cịn thiếu đồng hóa vào mơ hình cách khách quan phương pháp LETKF Được trình bày chi tiết Chương 4, kết công bố hội thảo bão khí tượng nhiệt đới lần thứ 32 Hiệp hội Khí tượng Mỹ (AMS) năm 2016 đồng thời nộp lên tạp chí Pure and Applied Geophysical Science Cấu trúc luận án Chương 1: Tổng quan sai số dự báo quỹ đạo cường bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương ; Chương 2: Phương độ pháp nghiên cứu: mơ hình WRF-ARW, phương pháp đồng hóa LETKF xây dựng chương trình vinit tăng cường cấu trúc xốy từ thơng tin phân tích xốy thực tế; Chương 3: Khảo sát tương quan sai số dự báo quỹ đạo cường độ hệ thống tổ hợp mơ hình đa vật lý khu vực TBTBD; Chương 4: Dự báo quỹ đạo cường độ bão hệ thống đồng hóa tổ hợp WRF LETKF CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SAI SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƯỜNG ĐỘ BÃO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƯƠNG Sai số kĩ dự báo quỹ đạo bão Trên vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương (TBTBD), sai ố quỹ đạo dẫn chứng từ báo cáo RMSC-Tokyo s năm đưa hình (trái) cho thấy sai số hạn dự báo 24h trung bình năm 1982-1990 vào khoảng 200km, dự báo hạn 48h từ năm 1988 -1990 khoảng 350 -400km, hạn dự báo 72h đưa vào năm 1998 -200 với sai số khoảng 400km Các sai số từ năm 2008 -2010, hạn 24h xấp xỉ 100km, 48h xấp xỉ 200km 72h xấp xỉ 300km Các sai số tương đương so với sai số vùng biển khác nêu Sai số kĩ dự báo cường độ bão Đối với sai số cường độ bão, hình (phải) cho thấy hạn 24h mức 10 kt ~ 5m/s Đối với hạn 48h, sai số cường độ khoảng 15 -20 kt ~ 8-10 m/s hạn 72h từ 20-25 kt ~ 1012m/s Trên khu vực Biển Đơng, tính tốn cụ thể từ năm 2008-2010 cho thấy kĩ dự báo quỹ đạo phổ biến từ 20 -30% năm trước 2010 tăng lên 50 -60% sau năm 2010 (trung bình tăng từ -5% năm giai đoạn 008-2010) Kĩ dự báo cường độ từ mơ hình đến trung tâm phổ biến mức 10 -12% nghĩa mức cải thiện so với phương pháp thống kê quán tính CLIPER thấp Hình 1: Sai số quỹ đạo (trái) cường độ (phải) khu vực TBTBD Tương quan không đồng việc cải thiện chất lượng dự báo cường độ quỹ đạo bão Từ tổng kết kĩ dự báo quỹ đạo cường độ cho thấy vấn đề tồn kĩ năng/sai số dự báo quỹ đạo cải thiện rõ rệt theo năm nhiên dự báo cường độ khơng có cải thiện chất lượng Theo đánh giá DeMaria tốc độ suy giảm sai số MAE (trung bình tuyệt đối) VMAX (tốc độ gió cực đại bề mặt) ứng với dự báo cường độ cho khu vực trung bình khoảng -0.1 kts tương đương với khoảng 0.3 -0.5% năm so với khoảng -5% sai số quỹ đạo Điều có nghĩa tốc độ cải thiện chất lượng dự báo quỹ đạo gần bậc đại lượng so với tốc độ cải thiện chất lượng dự báo cường độ CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN ÁN Phương pháp giảm sai số mơ hình số Phương pháp đồng hóa biến phân : phương pháp đồng hóa số liệu biến phân dựa lý thuyết xác suát Bayer, phân bố sai số quan trắc trường để phân tích tối ưu lại trường ban đầu từ số liệu thám sát bổ sung Phương pháp tổ hợp : dự báo tổ hợp tập hợp dự báo xác định thời điểm , hướng đến việc tăng cường chất lượng dự báo thơng qua trung bình tổ hợp số định lượng độ tin cậy dự báo qua làm sở cho dự báo xác suất Bài toán tăng cường cấu trúc xoáy ban đầu cho mơ hình số i) Phương pháp bogus thực nghiệm xem xoáy ban đầu xoáy nhiễu trường quy mô lớn cần phải thay xốy nhiễu xốy có cấu trúc phù hợp , ii) phương pháp ban đầu hóa động lực sử dụng mơ hình để t ạo cân sinh xoáy nhân tạo phù hợp so với quan trắc ; phương pháp bogus khách quan xem xoáy lý tưởng quan trắc độc lập đồng hóa vào mơ hình thong qua phương pháp biến phân Mơ hình WRF-ARW hệ thống đồng hóa tổ hợp LETKF Luận án sử dụng mơ hình khu vực WRF-ARW hệ thống đồng hóa tổ hợp dựa lọc chuyển dạng địa phương Kalman LETKF Kiều Quốc Chánh phát triển cho mơ hình khu vực WRF-ARW, gọi tắt WRF-LETKF Hình 2: Minh họa khái quát chu kì dự báo, quan trắc phân tích cập nhật theo thời gian cho biến mơ hình (trái) phương pháp đồng hóa tổ hợp sử dụng lọc Kalman (phải) Phương pháp đồng hóa tổ hợp: phương pháp đồng pháp đồng hóa tổ hợp dựa hai đặc điểm gồm i) áp dụng thuật tốn lọc (ví dụ lọc Kalman, lọc lân cận cực đại Maximum Likelihood) để tính tốn trường phân tích tối ưu ii) cập nhật sai số dự báo cho ma trận thông qua độ tán hệ thống tổ hợp Minh họa phương pháp hình Nhân tố ảnh hưởng đến sai số dự báo bão mơ hình số i) Thơng tin ban đầu cấu trúc xoáy bị hạn chế khơng có thám sát lưới mơ hình tồn cầu ban đầu làm biên (trường điều khiển) cho mơ hình khu vực phân giải cao thơ mặt không gian so với quy mô bão, ii) mơ phỏng, tham số hóa chưa phù hợp q trình vật lý bão/xốy thuận nhiệt đới iii) sai số môi trường xung quanh bão dẫn tới sai số lớn dự báo quỹ đạo bão Hình 3: Sơ đồ WRF-LETKF kết hợp module xốy nhân tạo vinit Tích hợp module tạo cấu trúc xốy ba chiều nhân tạo vinit từ thơng tin quan trắc bão thực cho hệ thống WRF-LETKF Luận án sử dụng mơ hình giải tích Kieu Zhang thiết lập năm 2009 làm phương thức để xây dựng cấu trúc xốy nhân tạo Phương trình thiết lập gió tiếp tuyến: Trong gió cực đại, bán kính gió cực đại, bán kính tính từ tâm bão, , δ tham số Với phân bố gió tiến hành tính tốn hàm dòng giải lặp theo phương pháp Lipman phương trình cân cho nhiễu động địa vị Module tạo xoáy nhân tạo (gọi tắt vinit) phát triển tách biệt với đầu vào gồm thông tin phân tích xốy bão thực (các tham số gồm tâm bão, Vmax, rmax) liệu điều kiện ban đầu WRF-ARW (để lấy thông tin cấu trúc lưới) Minh họa hệ thống WRFLETF kết hợp vinit đưa hình Phương pháp đánh giá: Chỉ số để đánh giá sai số cho dự báo tất định sai số trung bình tuyệt đối MAE, với dự báo tổ hợp x ác suất biểu đồ hạng (rank) điểm số BS (Brier Score) Đại lượng đánh giá gồm vị trí, cường độ (Vmax, Pmin), độ tán, trung bình tổ hợp, dự báo xác suất CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TƯƠNG QUAN GIỮA SAI SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƯỜNG ĐỘ BẰNG HỆ THỐNG TỔ HỢP MƠ HÌNH ĐA VẬT LÝ KHU VỰC TRÊN BIỂN TBTBD xạ sóng ngắn {Goddard Dudhia} sơ đồ vật lý mây {Lin, WSM3, WSM5, WSM6, Kessler Eta (Ferrier)} Số liệu điều kiện biên: Số liệu phân tích cuối FNL (Final Operational Global Analysis) độ phân giải 1ox1o NCEP thực với tần suất tiếng lần sử dụng làm điều kiện biên Các bão lựa chọn Các bão từ năm 2007 -2010 cho khu vực TBTBD lựa chọn chu kì dự báo, thành phần có dự báo quỹ đạo tốt giữ lại tính tốn sai số cho toàn tập thử nghiệm Tiêu chuẩn lọc tập quỹ đạo có sai số nhỏ so với toàn thử nghiệm Các tiêu chuẩn sai số cao cho dự báo quỹ đạo áp dụng để lọc tập mô với chất lượng dự báo khác so với toàn tập thử nghiệm Tiêu chuẩn quỹ đạo mô tốt (gọi tắt tiêu chuẩn I): quỹ đạo dự báo xem tốt thỏa mãn điều kiện gồm sai số ngày thứ < 30km, sai số ngày thứ 2< 50km sai số ngày thứ < 70km Một tiêu chuẩn cao (tiêu chuẩn II) đưa để phân tích độ nhạy sai số nhỏ sai số tập mẫu theo tiêu chuẩn I, tương ứng với ba hạn dự báo