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 dự báo tổ hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN DƢ ĐỨC TIẾN KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC Hà Nội – 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _ DƢ ĐỨC TIẾN KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học Mã số: 62440222 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS Ngô Đức Thành TS Kiều Quốc Chánh Xác nhận Chủ tịch hội đồng Đại Học Quốc Gia Xác nhận ngƣời hƣớng dẫn GS TS Trần Tân Tiến PGS TS Ngô Đức Thành Hà Nội – 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Dƣ Đức Tiến MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG 13 DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA 14 LỜI CẢM ƠN 17 MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SAI SỐ DỰ BÁO BÃO TRÊN KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG 1.1 Vấn đề quan trắc bão phƣơng pháp dự báo bão 1.1.1 Đặc trưng bão vấn đề quan trắc bão 1.1.2 Các phương pháp dự báo bão 1.1.3 Các nguồn phát sinh sai số mơ hình nhân tố ảnh hưởng đến sai số dự báo bão 13 1.2 Vấn đề sai khác dự báo quỹ đạo cƣờng độ bão 17 1.2.1 Tổng quan sai số kĩ dự báo quỹ đạo cường độ bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương 17 1.2.2 Đánh giá sai số dự báo bão khu vực Biển Đông từ 2008-2014 22 1.2.3 Tương quan không đồng việc cải thiện chất lượng dự báo cường độ quỹ đạo bão 25 1.3 Mục tiêu luận án 30 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 31 2.1 Phƣơng pháp đồng hóa số liệu 31 2.1.2 Phương pháp đồng hóa biến phân 31 2.1.3 Phương pháp tổ hợp 34 2.1.3 Phương pháp đồng hóa tổ hợp 36 2.2 Bài toán tăng cƣờng cấu trúc xoáy ban đầu cho mơ hình số dự báo bão 41 2.3 Hệ thống mơ hình khu vực áp dụng luận án 47 2.3.1 Mô hình khu vực WRF-ARW 47 2.3.2 Hệ thống đồng hóa tổ hợp LETKF cho mơ hình khu vực WRF-ARW 48 2.3.3 Tích hợp module tạo cấ u trúc xoáy ba chiề u nhân tạo từ thông tin quan trắc bão thực cho hệ thống WRF-LETKF 52 2.4 Số liệu sử dụng luận án 57 2.4.1 Số liệu quan trắc bão gió quy mơ lớn 57 2.4.2 Số liệu tái phân tích quy mơ tồn cầu 58 2.4.3 Số liệu dự báo quy mơ tồn cầu 59 2.5 Phƣơng pháp đánh giá 59 2.5.1 Đánh giá sai số dự báo quỹ đạo cường độ 59 2.5.2 Đánh giá kĩ dự báo xác suất tổ hợp 60 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT TƢƠNG QUAN GIỮA SAI SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO BẰNG HỆ THỐNG TỔ HỢP ĐA VẬT LÝ 65 3.1 Mục đích nghiên cứu 65 3.2 Thiết lập thử nghiệm 65 3.2.1 Cấu hình tổ hợp đa vật lý dựa mơ hình khu vực WRF-ARW 65 3.2.2 Điều kiện biên bão lựa chọn mơ thí nghiệm 68 3.2.3 Tiêu chuẩn phân loại tập mẫu mô bão 69 3.3 Kết thử nghiệm 73 3.4 Kết luận chƣơng 78 CHƢƠNG 4: DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO BẰNG HỆ THỐNG ĐỒNG HÓA TỔ HỢP 81 4.1 Mục đích nghiên cứu 81 4.2 Thiết lập thử nghiệm 81 4.2.1 Cấu hình hệ thống đồng hóa tổ hợp WRF-LETKF 81 4.2.2 Điều kiện biên bão lựa chọn dự báo 82 4.2.3 Dữ liệu quan trắc đồng thời quy mô lớn quy mô bão cho sơ đồ LETKF 85 4.2.4 Các trường hợp dự báo thí nghiệm 86 4.3 Kết thử nghiệm 88 4.3.1 Tác động phương pháp đồng hóa tổ hợp đến trường phân tích 88 4.3.2 Tác động phương pháp đồng hóa tổ hợp đến kết dự báo 95 4.4 Kết luận chƣơng 110 KẾT LUẬN 113 KIẾN NGHỊ VỀ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 116 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO 118 PHỤ LỤC 128 I.1 Danh sách bão mơ mơ hình WRF-ARW chƣơng sai số tiêu chuẩn lọc quỹ đạo I 128 I.2 Phƣơng pháp xác định tâm bão cƣờng độ bão từ trƣờng khí tƣợng mơ hình 130 I.3 Miêu tả file thơng tin phân tích quan trắc bão thời gian thực TCVital JTWC 131 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Minh họa giai đoạn phát triển từ nhiễu động nhiệt đới (trái) đến áp thấp nhiệt đới (giữa) bão (phải) bão BONIE năm 1998 Nguồn: số liệu vệ tinh địa tĩnh GOES kênh phổ hồng ngoại kèm tăng cường màu Hình 1.2: Quỹ đạo chuẩn (trái cùng) dự báo ngày bão TEMBIN mơ hình Mỹ GFS Nguồn: quỹ đạo chuẩn: http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jmacenter/rsmc-hp-pub-eg/besttrack_viewer.html, số liệu mơ hình GFS NCEP 12 Hình 1.3: Minh họa sai lệch môi trường xung quanh bão dự báo quỹ đạo sai ảnh hưởng đến mô cường độ bão Trái: quỹ đạo dự báo từ mơ hình tồn cầu ốp 12Z ngày 03/12/2014 Phải: quỹ đạo chuẩn bão Hagupit 16 Hình 1.4: Trung bình năm sai số khoảng cách tâm bão dự báo hạn dự báo khác cho hai vùng biển ĐTD (trái) ĐBTBD (phải) NHC Đơn vị sai số: dặm [nm], dặm tương đương với 1,852 km Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến NHC: http://www.nhc.noaa.gov/verification 18 Hình 1.5: Kĩ dự báo trung bình năm dự báo quỹ đạo NHC cho vùng biển ĐTD từ năm 1990-2012 hạn dự báo khác Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến NHC: http://www.nhc.noaa.gov/verification 19 Hình 1.6: Sai số dự báo quỹ đạo trung bình năm hạn khác RSMC Tokyo đưa cho khu vực TBTBD Nguồn: Hui cộng (2012) [59] 19 Hình 1.7: Trái: sai số dự báo ba mơ hình NOGAPS, UMKO TYM cho vùng biển TBTBD; Phải: kĩ dự báo tương ứng hạn hình trái, đường liền đánh giá kĩ cho trung bình ba mơ hình bên trái Nguồn: Goerss cộng (2004) [49] 20 Hình 1.8: Trung bình năm sai số cường độ bão (trung bình sai số tuyệt đối Vmax) dự báo hạn dự báo khác cho hai vùng biển ĐTD (trái) ĐBTBD (phải) NHC Đơn vị sai số nốt [kt], kt tương đương với 0,54 m/s Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến NHC: http://www.nhc.noaa.gov/verification 21 Hình 1.9: Sai số cường độ từ năm 1990 đến 2010 cho hạn khác vùng biển TBTBD đưa JTWC Nguồn: DeMaria cộng (2014) [36] 21 Hình 1.10: Kĩ trung bình năm dự báo cường độ hai vùng biển ĐTD (trái) ĐTBD (phải), đánh giá dự báo NHC so với mơ hình khí hậu SHIFOR5 Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến NHC: http://www.nhc.noaa.gov/verification 22 Hình 1.11: Minh họa quỹ đạo 62 bão ảnh hưởng đến Biển Đông từ năm 2008-2014 23 Hình 1.12: Trung bình kĩ dự báo quỹ đạo (a) cường độ (b) cho khu vực Biển Đông giai đoạn 2008-2014 từ trung tâm mơ hình tồn cầu hạn dự báo 48h 24 Hình 1.13: Sai số dự báo cường độ đường xu vùng biển ĐTD, ĐTBD TTBD Nguồn: DeMaria cộng 2007 [31] 25 Hình 1.14: Sai số dự báo cường độ hạn 48h tất nguồn dự báo (động lực, thống kê), đường đỏ đường xu chung, đường đen đường xu mơ hình có sai số tốt Nguồn: DeMaria cộng 2014 [36] 28 Hình 1.15: Mục tiêu cải thiện chất lượng dự báo quỹ đạo (trái) cường độ (phải) vòng 5-10 năm tới dự án HFIP Nguồn: Gall cộng (2013) [48] 29 Hình 2.1: Minh họa dự báo tổ hợp phương pháp tạo nhiễu Monte Carlo quanh trường phân tích × ban đầu (trái) trung bình trễ LAF (phải) với trường phân tích × ban đầu xuất lấy từ thời điểm tích phân khác có thời hạn dự báo cần thiết (đường nét đứt) Nguồn: Hoffman Kalnay (1983) [51] 35 Hình 2.2: Minh họa khác biệt sai số cho ma trận phương pháp đồng hóa biến phân (a) lọc tổ hợp Kalman (b) Nguồn: Kalnay cộng (2007) [63] 36 Hình 2.3: Minh họa khái quát chu kì dự báo, quan trắc phân tích cập nhật theo thời gian cho biến mơ hình 39 Hình 2.4: Minh họa phương pháp đồng hóa tổ hợp sử dụng lọc Kalman 39 Hình 2.6: Minh họa hai chiều thể tích địa phương thuật tốn LETKF với số chiều 𝐧𝐱𝐥 = 𝐧𝐲𝐥 = 𝟓 (thể điểm lưới màu vàng với tâm điểm màu đỏ), quan trắc thuộc vào thể tích địa phương (màu tím) 51 Hình 2.7: Minh họa mặt cắt thẳng đứng gió tiếp tuyến (đường đồng mức), nhiễu động áp suất (đồng mức tơ màu) véctơ gió kèm theo áp dụng nghiệm giải tích theo phương trình (2.30) Nguồn: Kieu Zhang 2009 [64] 53 Hình 2.8: (a) phân bố gió nhiệt độ vị [K] mực thấp mơ hình (~1000hPa), (b) nhiễu động địa vị [Pa], (c) mặt cắt thẳng đứng nhiệt độ vị [K] tâm bão, (d) mặt cắt thẳng đứng tâm bão trường gió, (e) gió quan trắc vệ tinh mực 10m, (f) mặt cắt tâm bão thành phần gió tiếp tuyến nhân tạo (đường đẳng trị) trường ban đầu mơ hình GFS (đường đẳng trị có tơ màu), đơn vị [m/s] 55 Hình 2.9: Minh họa sơ đồ đồng hóa tổ hợp có kết hợp module cài xốy lý tưởng 56 Hình 2.10: Minh họa dạng biểu đồ hạng hệ tổ hợp có thành phần tổ hợp, dạng bên trái U xuôi ứng với độ tán lớn, bên phải U xuôi ứng với độ tán nhỏ độ tán với độ tin cậy cao Nguồn: Wilks (2006), trang 317, [94] 61 Hình 2.11: Minh họa vòng tròn để chuyển đổi dự báo quỹ đạo thành tượng dự báo sai phục vụ tính tốn số BS Đường đỏ quỹ đạo chuẩn, đường đen trung bình tổ hợp, đường tím dự báo từ thành phần tổ hợp Trường hợp dự báo tổ hợp gồm 21 thành phần cho bão Krosa lúc 12z ngày 30/10/2013 62 Hình 3.1: Hệ lưới lồng cấp dịch chuyển theo xoáy minh họa cho bão Cơn Sơn ngày 12/7/2010 vào thời điểm phân tích 00Z 66 Hình 3.2: Quỹ đạo hoạt động bão khảo sát chương 69 Hình 3.3: Sai số tuyệt đối Vmax hạn mơ 24h tốt nhấttại ốp mô 70 Hình 3.4: Sai số tuyệt đối Vmax hạn mơ 48h tốt ốp mô 71 Hình 3.5: Sai số tuyệt đối Vmax hạn mơ 72h tốt ốp mô 71 Hình 3.6: Sai số tuyệt đối Vmax 30 mơ ba hạn 24h, 48h 72h lọc theo tiêu chuẩn I tổng số 92 trường hợp mô 72 Hình 3.7: Sai số tuyệt đối Vmax 16 mô ba hạn 24h, 48h 72h lọc theo tiêu chuẩn II tổng số 92 trường hợp 72 Hình 3.8: Minh họa trung bình độ lệch thời điểm ban đầu giá trị Vmax (a) Pmin (b) số liệu quỹ đạo chuẩn (best track) số liệu tái phân tích FNL 74 Hình 3.9: Minh họa trường áp suất mực biển gió bề mặt ốp 00z ngày 16-08-2007 số liệu tái phân tích FNL (a) phân tích cường độ bão từ phương pháp Dvorak (b) 75 Hình 3.10: Sai số tuyệt đối gió cực đại Vmax thể dạng cột, đơn vị m/s toàn tập thử nghiệm, đạt tiêu chuẩn I đạt tiêu chuẩn II 76 Hình 3.11: Tương tự Hình 3.10 minh họa cho sai số Pmin 77 Hình 4.1: Minh họa cường độ bão hạn dự báo theo số liệu quỹ đạo chuẩn JTWC 84 Hình 4.2: (a) Minh họa quỹ đạo chuẩn (màu đỏ) quỹ đạo dự báo từ mơ hình GFS (ứng với ốp dự báo khác màu thể khác nhau) minh họa cường độ dự báo GFS chu kì dự báo (cơn bão Usagi ốp 09/19/2013 lúc 00z) cường độ chuẩn JTWC tương ứng hạn dự báo (b) 84 Hình 4.3: Minh họa gió quan trắc đồng thời trường quy mơ lớn AMV xốy lý tưởng mực 195hPa (hình a) gió mặt cắt kinh tuyến 130E (hình b) mơ hình WRF-ARW vào thời điểm 00Z ngày 19-09-2013 85 Hình 4.4: Trường gió bề mặt ban đầu mơ hình WRF-ARW (đường dịng) gió quan trắc nhân tạo (véctơr gió màu xanh) vùng tâm bão (hình a) mặt cắt thành phần gió tiếp tuyến quan trắc nhân tạo (đường đồng mức liền) ban đầu mơ hình (đường đẳng trị có tơ màu) (hình b), minh họa cho bão Usagi vào thời điểm 00Z ngày 19-09-2013 85 Hình 4.5: Mặt cắt ngang mực 850mb (a, d, g), 500mb (b, e, h) 200mb (c, f, i) gia số quan trắc thành phần gió u (đường đăng mức) gia số phân tích tối ưu tương ứng (đường đẳng mức tơ màu) trường hợp DABV cho bão Usagi lúc 0000 Z 19 09 2013 (a, b, c), bão Nari lúc 1200 Z 10 10 2013 (d, e, f), bão Krosa lúc 0000 Z 31 10 2013 (g, h, i) 89 Hình 4.6: Kí hiệu tương tự Hình 4.5 minh họa cho thành phần gió v 90 Hình 4.7: Mặc cắt thẳng đứng tâm bão minh họa cho gia số quan trắc (đường đẳng trị) gia số phân tích tối ưu (đường đẳng trị tơ màu) thành phần gió u (a, c, e) gió v (b, d, f) thử nghiệm DABV cho bão Usagi lúc 0000 Z 19 09 2013 (a, b), bão Nari lúc 1200 Z 10 10 2013 (c, d), bão Krosa lúc 0000 Z 31 10 2013 (e, f) 92 Hình 4.8: (a) Mặt cắt bão USAGI thành phần gió tiếp tuyến quan trắc lý tưởng (đường đẳng trị) ban đầu mơ hình (đường đẳng trị có tơ màu); (b) trường phân tích tối ưu (đường đẳng trị có tơ màu) phân tích lại theo LETKF dựa trường quan trắc trường bên trái 92 19 Barnes, S.L (1973), Mesoscale objective map analysis using weighted time series observations, NOAA Tech Memo, ERL NSSL-69, National Severe Storm Laboratory, Norman, 60pp 20 Bender, M.A., I Ginis, R Tuleya, B Thomas, and T Marchok (2007), ―The operational GFDL coupled hurricane-ocean prediction system and a summary of its performance‖, Mon Wea Rev., (135), pp 3965-3989 21 Bender, M.A., R J Ross, R E Tuleya, Y Kurihara (1993), ―Improvements in tropical cyclone track and intensity forecasts using the GFDL initialization system‖, Mon Wea Rev., (121), pp 2046-2061 22 Cangialosi, J.P., S S Chen, W Zhao, W Wang, and J Michalakas (2006), Real-Time High-Resolution MM5 and WRF Forecasts during RAINEX, 27th Conference AMS on Hurricanes and Tropical Meteorology 23 Cha, D.H., and Y Wang (2013), ―A Dynamical Initialization Scheme for Real-Time Forecasts of Tropical Cyclones Using the WRF Model‖, Mon Wea Rev., (141), pp 964-986 24 Chan, J C L (1984), ―An observational study of the physical processes responsible for tropical cyclone motion‖, J Atmos Sci., (41), pp 1036-1048 25 Chan, J C L (2005), ―The physics of tropical cyclone motion.‖, Annu Rev Fluid Mech., (37), pp 99-128 26 Cheung, K.K.W (2001), ―A review of ensemble forecasting techniques with a focus on tropical cyclone forecasting‖, Met Apps., (8), pp 315-332 27 Chou K.H and C.C Wu (2008), ―Typhoon Initialization in a Mesoscale Model—Combination of the Bogused Vortex and the Dropwindsonde Data in DOTSTAR‖, Mon Wea Rev., (136), pp 865-879 28 Chou, K.H., Wu, C C., Lin, P H., Aberson, S D., Weissmann, M., Harnisch, F., Nakazawa, T (2011), ―The impact of dropwindsonde observations on typhoon track forecasts in DOTSTAR and T-PARC‖, Mon Wea Rev., (139), pp 1728-1743 120 29 Cressman, G.P (1959), ―An operational objective analysis system‖, Mon Wea Rev., (87), 367-374 30 Davidson, N.E., and H C Weber (2000), ―The BMRC high-resolution tropical cyclone prediction system: TC-LAPS‖, Mon Wea Rev., (128), pp 1245-1265 31 DeMaria M., J A Knaff, C Sampson (2007), ―Evaluation of long-term trends in tropical cyclone intensity forecasts‖, Meteor Atmos Phys., (97), pp 19-28 32 DeMaria, M., Mainelli M, Shay LK, Knaff JA, Kaplan J (2005), ―Further improvements to the statistical hurricane intensitypredictionscheme (SHIPS)‖, Wea Forecast., (20), pp 531-543 33 DeMaria, M (1987), ―Tropical cyclone track prediction with a barotropic spectral model‖, Mon Wea Rev., (115), pp 2346-2357 34 DeMaria, M (2009), ―A simplified dynamical system for tropical cyclone intensity prediction‖, Mon Wea Rev., (137), 68-82 35 DeMaria, M (2010), Tropical cyclone intensity predictability estimates using a statistical-dynamical model, The 29th Conf on Hurricanes and Tropical Meteorology, Tucson, AZ, Amer Meteor Soc., 9C.5 36 DeMaria, M., C.R Sampson, J.A Knaff, and K.D Musgrave (2014), ―Is tropical cyclone intensity guidance improving?‖, Bulletin of the American Meteorological Society, (95), pp 387-398 37 Dong, J., and M Xue (2013), ―Assimilation of radial velocity and reflectivity data from coastal WSR-88D radars using an ensemble Kalman filter for the analysis and forecast of landfalling hurricane Ike (2008)‖, Quart J Roy Meteor Soc., (139), pp 467-487 38 Du Duc Tien, Thanh Ngo-Duc, Chanh Kieu (2016), Initializing the WRF Model with Tropical Cyclone Vital Record for Typhoon Forecasts based on the Ensemble Kalman Filter Algorithm, The 32nd Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology, Amer Meteor Soc., Section 6A.1 121 39 Du Duc Tien, Thanh Ngo-Duc, Hoang Thi Mai, Chanh Kieu (2013), ―A study of the connection between tropical cyclone track and intensity errors in the WRF model‖, Meteorology and Atmospheric Physics, (122), pp 55-64 40 Dvorak, V (1975), ―Tropical cyclone intensity analysis and forecasting from satellite imagery‖, Mon Wea Rev., (103), pp 420-430 41 Elsberry, R.L (1995), Tropical cyclone motion Global Perspectives on Tropical Cyclones, R Elsberry, Ed., World Meteorological Organization Rep 693 TCP-38, pp 160-197 42 Emanuel, K A (1989), ―The finite amplitude nature of tropical cyclogenesis‖, J Atmos Sci., (46), pp 3431-3456 43 Emanuel, K A (2005), Divine Wind: The history and science of hurricanes Oxford University Press, New York, 285 pp 44 Evensen, G (1994), ―Sequential data assimilation with a nonlinear quasigeostrophic model using Monte Carlo methods to forecast error statistics‖, J Geophys Res., 99(C5), pp 143-162 45 Fiorino, M., James S Goerss, Jack J Jensen, and Edward J Harrison Jr (1993), ―An Evaluation of the Real-Time Tropical Cyclone Forecast Skill of the Navy Operational Global Atmospheric Prediction System in the Western North Pacific‖, Wea Forecasting, (8), pp 3-24 46 Frank, W.M., and G S Young (2007), ―The interannual variability of tropical cyclones‖, Mon Wea Rev., (135), pp 3587-3598 47 Fujita, T (1952), ―Pressure distribution within a typhoon‖, Geophys Mag., (23), pp 437-451 48 Gall, R., James Franklin, Frank Marks, Edward N Rappaport, and Frederick Toepfer (2013), ―The Hurricane Forecast Improvement Project‖, Bull Amer Meteor Soc., (94), pp 329-343 49 Goerss, J.S, Charles R Sampson, and James M Gross (2004), ―A History of Western North Pacific Tropical Cyclone Track Forecast Skill‖, Wea Forecasting, (19), pp 633-638 122 50 Grijn, V D (2002), Tropical cyclone forecasting at ECMWF: New products and validation, ECMWF Tech Memo 386 51 Heming, J T and Coauthors (2004), Tropical cyclone ensemble forecast product development and verification at the Met Office, The 26th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology, Miami, FL, Amer Meteor Soc., 5C.6 52 Hendricks, E.A., M S Peng, and T Li (2013), ―Evaluation of Multiple Dynamic Initialization Schemes for Tropical Cyclone Prediction‖, Mon Wea Rev., (141), pp 4028-4048 53 Hoffman, R.N and Kalnay, E (1983), ―Lagged average forecasting, an alternative to Monte Carlo forecasting‖, Tellus, (35A), pp 100-118 54 Holland, G (1980), ―An analytic model of the wind and pressure profiles in hurricanes‖, Mon Wea Rev., (108), pp 1212-1218 55 Holland, G (2008), ―A revised hurricane pressure-wind model‖, Mon Wea Rev., (136), pp 3432-3445 56 Holton, J.R (2004), Introduction to Dynamic Meteorology, Elsevier Academic Press 57 Hong, L., and E Kalnay (2010), Data Assimilation with the Local Ensemble Transform Kalman Filter: addressing model errors, observation errors and adaptive inflation, Book, VDM Verlag Dr Müller , ISBN-10: 3639308123 58 Houtekamer, P.L., and H L Mitchell (1998), ―Data assimilation using an ensemble Kalman Filter technique‖, Mon Wea Rev., (126), pp 796-811 59 Hui, Y., Sai Tick Chan, Barbara Brown et al (2012), ―Operational Tropical Cyclone Forecast Verification Practice in the Western North Pacific Region‖, Tropical Cyclone Research and Review, 1(3), pp 361-372 60 Hunt, B.R., E J Kostelich, and I Szunyogh (2007), ―Efficient data assimilation for spatiotemporal chaos: A local ensemble transform Kalman Filter‖, Physica D, (230), pp 112-126 123 61 Kalnay, E (2003), Atmospheric modeling, data assimilation and predictability, Cambridge University Press, Cambridge 62 Kalnay, E., and Coauthors (1996), ―The NCEP/NCAR 40-Year Reanalysis Project‖, Bull Amer Meteor Soc., (77), pp 437-471 63 Kalnay, E., L Hong, T Miyoshi, S-C Yang, and J Ballabrera-Poy (2007), ―4D-var or ensemble Kalman filter?‖, Tellus, (59A), pp 758-773 64 Kieu, C Q., and D.-L Zhang, (2009), "An analytical model for the rapid intensification of tropical cyclones", Q J R Meteor Soc., (135), pp 13361349 65 Kieu, Q.C., M T Pham, M T Hoang (2013), ―Application of the Multiphysics Ensemble Kalman Filter to Typhoon Forecast‖, Pure and Applied Geophysics, (171)7, pp 1473-1497 66 Kieu, Q.C., M.T Nguyen, T.M Hoang, T Ngo-Duc (2012), ―Sensitivity of the Track and Intensity Forecasts of Typhoon Megi (2010) to SatelliteDerived Atmospheric Motion Véctơrs with the Ensemble Kalman Filter‖, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, (29), pp 1794–1810 67 Knaff, J.A, Charles R Sampson, and Mark DeMaria (2005), ―An Operational Statistical Typhoon Intensity Prediction Scheme for the Western North Pacific‖, Wea Forecasting, (20), pp 688-699 68 Knaff, J.A, Daniel P Brown, Joe Courtney, Gregory M Gallina, and John L Beven II (2010), ―An Evaluation of Dvorak Technique-Based Tropical Cyclone Intensity Estimates‖, Wea Forecasting, (25), pp 1362-1379 69 Knaff, J.A., M DeMaria, B Sampson, and J.M Gross (2003), ―Statistical five-day tropical cyclone intensity forecasts derived from climatology and persistence‖, Wea Forecasting, (18), pp 80-92 70 Kurihara, Y., M A Bender, and R J Ross (1993), ―An initialization scheme of hurricane models by vortex specification‖, Mon Wea Rev., (121), pp 2030-2045 124 71 Lapalme, S.L., Stephen R Macpherson, Josée Morneau, Ayrton Zadra (2015), ―Implementation of Deterministic Weather Forecasting Systems Based on Ensemble-Variational Data Assimilation at Environment Canada Part I: The Global System‖, Mon Wea Rev., (143), pp 2532-2559 72 Liu, Y., D.L Zhang, and M K Yau (1997), ―A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992) Part I: Explicit simulation and verification‖, Mon Wea Rev., (125), pp 3073-3093 73 Lorenc, A.C, Neill E Bowler, Adam M Clayton, Stephen R Pring, and David Fairbairn (2015), ―Comparison of Hybrid-4DEnVar and Hybrid4DVar Data Assimilation Methods for Global NWP‖, Mon Wea Rev., (143), pp 212-229 74 Lorenc, A.C (1986), ―Analysis methods for numerical weather prediction‖, Quart J Roy Meteor Soc., (112), pp 1177-1194 75 Lorenz, E.N (1969), ―Atmospheric Predictability as Revealed by Naturally Occurring Analogues‖, J Atmos Sci., (26), pp 636-646 76 Matricardi, M (2010), ―A principal component based version of the RTTOV fast radiative transfer model‖, Q.J.R Meteorol Soc., (136), pp 1823-1835 77 Meng, Z., and F Zhang (2007), ―Tests of an ensemble Kalman filter for mesoscale and regional-scale data assimilation Part II: Imperfect model experiments‖, Mon Wea Rev., (135), pp 1403-1423 78 Michalakes, J., J Dudhia, D Gill, T Henderson, J Klemp, W Skamarock, and W Wang (2005), The Weather Research and Forecast Model: Software Architecture and Performance, Proceedings of the Eleventh ECMWF Workshop on the Use of High Performance Computing in Meteorology, World Scientific, pp 156-168 79 Mohanty, U.C., Osuri K.K., Routray A., Mohapatra M., and Pattanayak S (2010), ―Simulation of Bay of Bengal Tropical Cyclones with WRF Model: Impact of Initial and Boundary Conditions‖, Marine Geodesy, (33), pp 294314 125 80 Montgomery, M.T., and R K Smith (2010), Tropical-Cyclone Formation: Theory and Idealized Modeling, Seventh International Workshop on Tropical Cyclones, WMO workshop, La Reunion, November 2010, WMO document 81 Montgomery, M.T., and R K Smith (2011), ―The genesis of Typhoon Nuri as observed during the Tropical Cyclone Structure 2008 (TCS08) field experiment Part 2: Observations of the convective environment‖, Atmospheric Chemistry and Physics Discussion, (11), pp 31115-31136 82 Nguyen, H.V., and Y.L Chen (2011), ―High resolution initialization and simulations of typhoon Morakot (2009)‖, Mon Wea Rev., (139), pp 14631491 83 Nguyen, H.V., and Y.L Chen, 2014), ―Improvements to a Tropical Cyclone Initialization Scheme and Impacts on Forecasts‖, Mon Wea Rev., (142), pp 4340-4356 84 Osuri, K.K., Mohanty UC, Routray A, Kulkarni MA, and Mohapatra M (2011), ―Customization of WRF-ARW model with physical parameterization schemes for the simulation of tropical cyclones over North Indian Ocean‖, Natural Hazards, (63), pp 1337-1359 85 Pattnaik, S., and T N Krishnamurti (2007), ―Impact of cloud microphysical processes on hurricane intensity, part 1: Control run‖, Meteorology and Atmospheric Physics, (97), pp 117-126 86 Pu, Z.X., and S A Braun (2001), ―Evaluation of Bogus Vortex Techniques with Four-Dimensional Variational Data Assimilation‖, Mon Wea Rev., (129), pp 2023-2039 87 Roger, G.B., Andrew M Carleton (2001), Synoptic and Dynamic Climatology, Routledge Publishing; 1st edition 88 Sasaki, Y (1958), ―An objective analysis based on the variational method‖, J Meteor Soc Japan, (36), pp 77-88 89 Skamarock, W.C., J B Klemp, J Dudhia, D O Gill, D M Barker, M G Duda, X Y Huang, W Wang, and J G Powers (2005), A description of the 126 Advanced Research WRF Version 3, NCAR Tech Note NCAR/TN475+STR, 113 pp 90 Soden, B J., C Velden, and R Tuleya (2001), ―The Impact of Satellite Winds on Experimental GFDL Hurricane Model Forecasts‖, Mon Wea Rev., (129), 835-852 91 Tallapragada, V., and Coauthors (2014), Significant Advances to the NCEP Operational HWRF Modeling System for Improved Hurricane Forecasts, The 31st Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology, San Diego, CA, Amer Meteor Soc., 14D.1 92 Wang, B., R Elsberry, Y Wang, and L Wu (1998), ―Dynamics of the tropical cyclone motion: A review‖ J of Atmos Sci., (22), pp 535-547 93 Wang, M., M Xue, K Zhao, and J Dong (2014), ―Assimilation of T-TRECRetrieved Winds from Single-Doppler Radar with an Ensemble Kalman Filter for the Forecast of Typhoon Jangmi (2008)‖, Mon Wea Rev., (142), pp 1892-1907 94 Wilks, D.S (2006), Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, Academic Press, 704 pp 95 Zhang, F., Z Meng, and A Aksoy (2006), ―Tests of an ensemble Kalman filter for mesoscale and regional-scale data assimilation Part I: Perfect model experiments‖, Mon Wea Rev., (134), pp 722-736 96 Zhang, M., Milija Zupanski, Min-Jeong Kim, and John A Knaff (2013), ―Assimilating AMSU-A Radiances in the TC Core Area with NOAA Operational HWRF (2011) and a Hybrid Data Assimilation System: Danielle (2010)‖, Mon Wea Rev., (141), pp 3889-3907 97 Zou, X and Q Xiao (2000), ―Studies on the Initialization and Simulation of a Mature Hurricane Using a Variational Bogus Data Assimilation Scheme‖, J Atmos Sci., (57), pp 836-860 127 PHỤ LỤC I.1 Danh sách bão mơ mơ hình WRF-ARW chƣơng sai số tiêu chuẩn lọc quỹ đạo I Tên bão MAN-YI MAN-YI MAN-YI USAGI FITOW FITOW FITOW FITOW FITOW HAGIBIS HAGIBIS HAGIBIS MITAG MITAG MITAG MITAG KROSA KROSA KROSA LEKIMA LEKIMA NARI NARI WIPHA WIPHA SEPAT SEPAT SEPAT SEPAT FUNG-WONG FUNG-WONG Ốp dự báo 00Z 07/14/07 12Z 07/14/07 00Z 07/15/07 00Z 07/30/07 12Z 30/08/07 12Z 31/08/07 12Z 01/09/07 00Z 02/09/07 12Z 02/09/07 12Z 19/11/07 12Z 20/11/07 00Z 21/11/07 00Z 21/11/07 00Z 22/11/07 00Z 23/11/07 00Z 24/11/07 00Z 02/10/07 00Z 03/10/07 00Z 04/10/07 12Z 30/09/07 12Z 01/09/07 00Z 13/09/07 00Z 14/09/07 00Z 15/09/07 00Z 16/09/07 00Z 13/08/07 00Z 14/08/07 00Z 15/08/07 00Z 16/08/07 12Z 25/07/08 00Z 26/07/08 Tiêu chuẩn II I Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 128 Đạt Đạt Đạt Đạt Sai số tuyệt đối Vmax (m/s) Hạn 24h Hạn 48h Hạn 72h 11,21 10,47 12.03 10,60 11,20 9.00 11,27 9,20 13.50 13,10 8,50 16.50 11,83 10,26 9.16 15,73 16,52 7.61 12,50 3,02 4.97 16,60 3,02 4.97 13,07 0,72 5.58 11,88 13,06 5.35 11,83 7,77 6.78 9,37 7,03 9.26 0,45 1,56 5.54 14,23 2,14 7.82 8,00 2,91 9.27 11,31 0,55 8.27 11,36 0,94 13.50 5,80 7,74 9.16 22,08 10,30 15.50 12,20 10,56 3.53 4,58 5,96 2.20 16,70 31,01 11.57 15,50 5,46 10.13 9,26 0,03 23.08 7,33 25,18 10.80 9,08 12,39 15.67 15,42 17,18 12.57 21,25 16,89 2.72 15,48 1,43 5.50 10,50 10,53 14.50 12,20 11,50 13.20 HALONG HALONG NAKRI NAKRI HIGOS HIGOS HIGOS MAYSAK HAGUPIT HAGUPIT HAGUPIT HAGUPIT JANGMI JANGMI JANGMI JANGMI FENGSHEN FENGSHEN FENGSHEN FENGSHEN FENGSHEN MORAKOT MORAKOT MORAKOT KETSANA KETSANA KETSANA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA PARMA 12Z 16/05/08 00Z 17/05/08 00Z 28/05/08 12Z 28/05/08 12Z 30/09/08 00Z 01/10/08 12Z 01/10/08 12Z 08/11/08 12Z 19/09/08 12Z 20/09/08 12Z 21/09/08 12Z 22/09/08 00Z 25/09/08 00Z 26/09/08 00Z 27/09/08 00Z 28/09/08 00Z 19/06/08 00Z 20/06/08 00Z 21/06/08 00Z 22/06/08 00Z 23/06/08 00Z 05/08/09 12Z 05/08/09 12Z 05/08/09 12Z 27/09/09 00Z 28/09/09 12Z 28/09/09 12Z 28/09/09 12Z 29/09/09 12Z 30/09/09 12Z 01/10/09 12Z 02/10/09 12Z 03/10/09 12Z 04/10/09 12Z 05/10/09 12Z 06/10/09 12Z 07/10/09 12Z 08/10/09 12Z 09/10/09 Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 129 Đạt 13,30 9,80 8,80 10,80 15,50 12,00 13,10 11,47 11,10 3,03 12,88 15,56 9,42 6,68 13,40 3,51 14,86 14,85 7,70 2,66 0,30 11,24 12,10 13,30 10,50 10,90 11,12 15,82 7,19 25,61 6,97 0,94 17,01 21,30 16,16 15,39 21,29 16,12 11,81 8,90 9,60 10,10 11,50 13,50 14,50 10,20 10,50 7,90 14,65 11,47 1,60 4,54 2,25 24,28 7,91 5,34 8,11 8,18 12,85 3,09 10,42 9,50 11,50 10,50 9,80 9,60 3,57 18,88 8,00 2,02 21,31 27,30 29,04 20,60 24,89 21,38 22,79 12,83 12.60 11.90 12.60 12.80 11.90 10.90 5.80 12.00 4.49 13.68 6.70 5.20 2.25 12.65 2.42 29.43 19.73 9.56 10.20 10.01 15.61 11.90 13.60 14.50 15.40 11.10 10.60 14.00 4.30 6.90 20.29 20.50 31.07 41.08 19.94 33.25 29.00 20.50 19.99 PARMA PARMA VAMCO VAMCO CONSON CONSON CONSON CHABA CHABA CHABA CHABA MEGI MEGI MEGI MEGI MEGI MEGI MEGI MEGI CHANTHU CHANTHU CHANTHU 12Z 10/10/09 12Z 11/10/09 12Z 21/08/09 12Z 22/08/09 12Z 12/07/10 12Z 13/07/10 12Z 14/07/10 12Z 24/10/10 12Z 25/10/10 12Z 26/10/10 12Z 27/10/10 00Z 13/10/10 00Z 14/10/10 00Z 15/10/10 00Z 16/10/10 00Z 17/10/10 00Z 18/10/10 00Z 19/10/10 00Z 20/10/10 12Z 17/07/10 12Z 18/07/10 12Z 19/07/10 Tổng số Trung bình tồn thử nghiệm Trung bình tiêu chuẩn I Trung bình tiêu chuẩn II Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 30 16 13,05 6,74 15,55 20,94 6,57 12,59 10,35 3,72 4,92 3,23 3,65 12,76 8,35 11,06 14,89 9,91 14,79 3,90 19,87 15,43 7,28 12,50 11,45 5,59 2,01 4,43 14,43 6,54 2,07 10,20 2,26 4,23 7,07 12,91 15,93 15,68 4,43 12,16 11,53 19,27 12,41 27,84 13,80 11,37 5.79 8.71 6.89 0.35 9.18 5.94 0.29 5.57 6.53 12.45 18.30 11.36 5.09 18.89 18.94 10.56 17.95 9.86 0.96 37.45 21.59 14.80 11.50 10.63 10.74 10,62 9,17 9,15 12,11 9,80 9,54 I.2 Phƣơng pháp xác định tâm bão cƣờng độ bão từ trƣờng khí tƣợng mơ hình Việc xác định vị trí tâm bão cường độ bão dựa vào trường áp suất trường tốc độ gió mơ hình mực thấp mơ hình Q trình tìm kiếm gồm bước sau: Tìm vị trí có áp suất cực tiểu miền tính cách thực vịng lặp toàn điểm lưới trường áp suất mực thấp mơ hình 130 Hiệu chỉnh, xác minh lại vị trí tâm cực tiểu thơng qua việc tính trung bình điểm trường áp suất mực thấp mơ hình Q trình tránh việc dị tìm tâm lỗi gặp phải điểm xuất dạng cực trị đơn miền tính Xác minh lại vị trí áp suất cực tiểu thơng qua trường gió sát bề mặt (ít lớp thấp mơ hình): vị trí cực tiểu áp suất phải thỏa mãn vị trí có gió cực tiểu (lặng gió) Việc tính trung bình lớp thấp mơ hình tránh việc tìm kiếm lỗi cực trị đơn miền tính Thực vịng lặp xung quanh điểm cực tiểu Pmin xác định bước (qt với bán kính 300km) để xác định gió cực đại Vmax thơng qua trường gió sát bề mặt (lấy trung bình lớp thấp mơ hình) I.3 Miêu tả file thơng tin phân tích quan trắc bão thời gian thực TCVital JTWC Ví dụ nội dụng thơng tin phân tích bão Usagi ngày 17 tháng năm 2013, ốp 00z: JTWC 17W USAGI 20130917 0000 175N 1317E 270 067 1004 1006 0518 13 084 0000 0000 0000 0000 M Trong đó, thơng tin cột liệu đưa bảng 131 Thứ tự cột thông tin Ý nghĩa ID tổ chức 1-4 6-7 Mã bão Nhận dạng khu vực bão Tên bão 10-18 19 20-27 29-32 34-36 37 39-42 43 44 Chỉ số lần xuất Ngày (YYYYMMDD) Giờ phút (HHMM) Vĩ độ tâm bão tính phần mười độ (N S) Chỉ số vĩ độ bắc nam Chi tiết thông tin giá trị NHC = NOAA/NWS/NCEP/TPC JTWC = Trung tâm cảnh báo bão Hải quân Hoa Kỳ 80-99 = bão thử nghiệm L = Bắc Đại Tây Dương E = Đơng Thái Bình Dương C = Trung Thái Bình Dương W = Tây Thái Bình Dương U = Úc S = Nam Ấn Độ Dương P = Nam Thái Bình Dương A = Biển Bắc Ả Rập B = Vịnh Bengal O = Biển Đông T = Biển Hoa Đông NAMELESS = mặc định cho bão khơng có tên TEST = mặc định cho bão thử nghiệm khơng có tên : (colon) = lần xuất ghi cho bão blank = lần xuất thứ nhiều ghi Ví dụ: 20070815 Ví dụ: 1800 ứng với 18 00 phút UTC N = vĩ độ Bắc S = vĩ độ Nam Kinh độ tâm bão tính phần mười độ (E W) Chỉ số kinh độ đông E = kinh độ đông tây W = kinh độ tây Ký hiệu riêng cho C = thu từ trung bình khí hậu hướng bão P = thu từ tính bền vững 132 45-47 Hướng bão tính độ từ phía bắc 270 = bão di chuyển phía tây 48 Ký hiệu riêng cho tốc độ bão C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững 49-51 Tốc độ dịch chuyển bão (m/s) Ký hiệu riêng cho áp suất tâm bão 52 53-56 57 58-61 62 63-66 67 68-69 71-73 75-78 Áp suất tâm bão, tính mb Ký hiệu riêng cho áp suất môi trường xung quanh bão Áp suất môi trừng xung quanh bão Ký hiệu phương pháp ước lượng bán kính áp suất khép kín ngồi Bán kính ước lượng đường đẳng áp khép kín ngồi (tức hoàn lưu bão, theo km) Ký hiệu riêng cho tốc độ cực đại ước lượng Tốc độ gió cực đại ước tính, đơn vị m/s Bán kính tốc độ gió cực đại ước tính, đơn vị km Bán kính gió 34knots góc tọa độ NE bão, đơn vị km2 C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững Z = áp suất tâm đặt giá trị áp suất môi trường áp suất môi trường đặt giá trị áp suất tâm (đổi cho nhau) C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững Z = áp suất tâm đặt giá trị áp suất môi trường áp suất môi trường đặt giá trị áp suất tâm (đổi cho nhau) C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững -999 = khơng ước lượng, thiếu 133 80-83 85-88 90-93 94 Bán kính gió 34knots góc tọa độ SE bão, đơn vị km2 Bán kính gió 34knots góc tọa độ SW bão, đơn vị km2 Bán kính gió 34knots góc tọa độ NW bão, đơn vị km2 Ký hiệu riêng cho số độ sâu bão Chỉ số độ sâu bão 95 -999 = không ước lượng, thiếu -999 = không ước lượng, thiếu -999 = không ước lượng, thiếu C = thu từ trung bình khí hậu P = thu từ tính bền vững S = nơng, ước lượng hoàn lưu 700 mb M = trung bình, ước lượng hồn lưu 400 mb D = sâu, ước lượng hoàn lưu 200 mb X = không ước lượng, thiếu 134 ... khác dự báo quỹ đạo cƣờng độ bão 1.2.1 Tổng quan sai số kĩ dự báo quỹ đạo cường độ bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương Đánh giá sai số kĩ dự báo bão nói chung riêng cho khu vực TBTBD tổng hợp. .. NHIÊN _ DƢ ĐỨC TIẾN KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP Chuyên ngành: Khí tượng khí... sai khác dự báo quỹ đạo cƣờng độ bão 17 1.2.1 Tổng quan sai số kĩ dự báo quỹ đạo cường độ bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương 17 1.2.2 Đánh giá sai số dự báo bão khu vực Biển