DSpace at VNU: Sử dụng mô hình RAMS mô phỏng đợt mưa lớn ở miền Trung tháng 9-2002 tài liệu, giáo án, bài giảng , luận v...
TAP CHI k h o a h ọ c DHQGHN KHTN & CN, T.xx, sổ 3PT 20Ũ4 S Ử D Ụ N G M Ơ H ÌN H Rx VMS M Ô P H Ỏ N G Đ T m a l n ởMIỀNTRUNGTHÁNG9-2002 T r ẩ n T â n T iế n , N g u y ễ n M inh T rư n g , C ô n g T h a n h , K iề u Q u ố c C h n h K hoa K hí tượng - T hủy văn r H ải dương học Trương Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG H N ội Tóm tắ t: Nhằm mục đích dự báo đợt mưa lón mơ hình sơ’, khoa Khí tượng-Thuỷ văn-Hải dươngHọc, trường ĐHKHTN-ĐHQGHN, sử dụng mơ hình RAMS đê’ thử nghiệm dự báo cho đợt mưa gây lũ lớn vừa qua ỏ miền Trung vào tháng 9-2002 Để' dụ báo cho khu vực Trung Bộ Chúng dùng hệ thông gồm hai lưới lồng nhằm mục đích tãng cường chất lượng dự báo Lưới bao phủ tồn vùng Việt Nam, Đơng Nam Á biển Đơng, vói độ phân giải 40km, lưới hai có độ phân giái 10km bao phủ tồn vùng Trung Bộ Mơ hình tích phân hệ thống gồm 12 CPU nối song song Thời gian cần đê dự báo cho 18/9 21/9/2002 xấp XI bốn tiếng rưõi, kết dự báo thu rấ t có ý nghĩa Mơ hình dự báo tâm mưa lớn vùng thượng lưu sông Cà, sông La với cường độ mưa gần phù hợp với thực tế Điều mở khả ứng dụng mơ hình số vào việc cảnh báo trước tượng lũ lớn Việt Nam Tuy nhiên, mò hình cho vùng mưa lón lệnh so với thực tê đo đạc điểu cần phái xem xét thêm G iớ i t h i ệ u v ề m h in h RAMS Mơ hìn h RAMS (The Regional Atmospheric Modeling System ) Đ ại học Tổng hợp Colorado k ết hợp với phân viện ASTER-thuộc Mission R esearch Corporation p h t triển gồm khối chính: khối mơ hình khí mơ tốn khí tượng cụ thể, khơi xử lý q trìn h ban đầu hố sử dụng trưồng phán tích số liệu quan trắc m ột khối xử lý k ết mô hiển thị đổ họa kết mơ hình M ột số ưu điểm đặc trư n g kỹ th u ậ t ch ín h RAMS có th ể tóm tắ t sau: - Mơ hìn h có th ể chạy trê n hệ thống khác nh au nh UNIX, LINUX, W indows NT với m ã nguồn viết chủ yếu ngôn ngü FORTAN 90 sử dụng tín h n ăn g cấp p h t nhớ động M ột số thao tác vào/ra viết ngôn ngữ c - K n ăn g áp dụng mơ hình rấ t rộng: từ mơ buồng khí động lực đến tốn khí tượng vùng hạn chế vùng hồ, khu du lịch tốn tồn cầu Điểu phụ thuộc mục đích người sử dụng m áy tính - Cho phép nhiều lưới lồng mơ tả ả n h hưởng q u trìn h qui mơ nhỏ Kỹ th u ậ t lưới lồng kỹ th u ậ t không tốn Khí tượng m với tốn học chất lỏng nói chung Tuy nhiên áp dụng nh iều lưới lồng th ì cần m áy tín h m ạnh, với nước p h át triển thường sử dụng siêu m áy tính - Đ iều kiện biên mơ hình cập n h ậ t theo thồi gian với bưóc thời gian cập n h ậ t tuỳ ý lấy từ k ế t ph ân tích tồn cầu cho phép mô tả ả n h hưởng trìn h quy mơ lớn đến m iền dự báo h n chế 51 Trán Tăn Tiến Nguyên Minh Trưòng Cống Thanh Kiéu Quốc Chánh - Bước tích phản có nhiều phương án lựa chọn khác có th ê chọn bước thời gian đáp ửng u cầu độ ổn định tính tốn mơ hìn h u cầu thòi gian tích phản tốn - Sơ' liệu trạm cao khơng trạm thòi tiết m ặ t đ ấ t miền tích phân có th ể sử dụng q trìn h ban đầu hóa Đây đậc điếm rấ t ưu việt mơ hình nhằm nâng cao độ xác cua k ết dự báo, đặc biệt miên tín h có m ặt trải phức tạp, độ cao địa hình thay đơi nhanh thời điếm ban đầu khí quvên tồn nhiễu động m ạnh - P hần hiển thị đồ hoạ có th ê sứ dụng phần mềm khác nh au p h át triển thời gian gần NCAR, GRADS, DRIB.VIS5D Các đặc trư n g trê n làm cho RAMS có khả dự báo với độ xác rấ t hứa hẹn đồng thời bảo đảm khả ứng dụng rấ t mềm dẻo mơ hình H ệ p h n g t r ì n h c ủ a m h ìn h RAMS Phương trinh chuyển động Ổu du di ~ ~u ổx v dy ỡv ĩt~ ổv ổx v ổy dw ~ dt~ ổw ổx ỡu ỡv ỡu w õz dv v õz ÔVJ õy dx du\ õ ỡ + fv + i Í K m ^ ì + A Í K „ (1) ổx l õx ) õy ' õ y j + õz K õz ) G— - f u + i Ỵ K m ^ l , i - Ỵ K m — ì + — í Km õy dx l dx ) dy ỉ, õy ) Đ z\ ổw dw i - e — - É v + ì _ (k , ^ Ì + A Í k Õz õz e0 ỡx m ổx ) dy { m õy ) õv j õ ■ÍK õz K (2) CW Ị (3) dz Phương trinh nhiệt động lực Ổ0j| _ aeu a j| õQ.ị õ ị v M k Ể Ê ÌỈ.Ị+ J L Ík B l ì + Í * ! ì l ^ - = - u „ -V - - w + Kh õy õz ( x ^ n ổ x J ộ y i i h ổ y J < z l i h ổ z J v ỡ t / Phương trìn h bảo tồn trạng thái pha nước drn -!k„ï*k_w*k+i:ỴKh%'|+iLỴKh£il dx õy 07 dx V ổx ) õy Ị õy ) Phương trinh bảo toàn khôi lượng Rn0 ị apoGọU | dp090v t dp000w \ cvp0e0 { dx õy ôz ) Phương trinh th ủ y tĩnh õn õz -JL + 0V õpu , dpv Ởx ởy (7) (8) Sử dụng mỏ hình RAMS mò phòng ilcrt mua IỞI1á Phương trinh khơng thủy tĩnh õu ổt Q õn _ ° dx ỡu âx ôw - õn õw —— + Gt) — - = -u — ôt õz ổx dw I u I „ w — + g — = Fw ôz I 0A I æ æ æ„ a " a * d ti & c2 ~ (11) r a u p 0e [ c ^ P ọ Q ọ Po0 ỖL àx (10) dz (1 ) \ Các biến phương trìn h trê n v iết theo qui ước khí tượng chuẩn quốc tế ví dụ u, V, w th àn h phần tốc độ gió, p m ật độ, K hãm Exner, nhiệt độ th ế vị M iển t ín h , đ iề u k iệ n b iê n v đ iề u k iệ n b a n d ầ u c ủ a RAM S p d ụ n g c h o b i to n d ự b áo V iệt N am T ại Khoa Khí tượng Thủy văn Hãi dương học, mô hinh RAMS chạy m ạng nội bộ, sử dụng phần mềm MPI cho toán song song-lớp tốn có cấu trúc phửc tạp rấ t Việt N am gồm bốn máy tính cấu hình cao, máy có CPU tốc độ 1,7 GHz, máy Pentum tô’c độ 2.26 GHz cho miền tích phân có đặc trư ng sau: L ưới tíc h p h â n ’ Lưới th ứ n h ấ t có độ phân giải 40km nằm miền 93.5"E 147.229"E 10.942°s - 36.039"N, lưới thứ hai lồng lưới th ứ n h t có độ phân giái 10km nằm miển 103.457°E - 107.78°E 16.219°s • 20.832°N, bao phủ tồn lãnh thơ Việt Nam m iển bắc phần lục dịa Trung quốc vừa báo đám hạn chê’ sai sô khuyếch tán vào tâm miền tính vừa tính đến ảnh hường hồn lưu gió m ùa đơng bắc, xuất p h át từ cao áp Xibia tru n g tâm cực đới khác Đ ộ p h â n g i ả i : N hư nói trên, áp dụng kỹ th u ậ t lưới lồng thực tế đòi hỏi lực máy tính m ạn h để giảm thời gian CPU bước thời gian phải giảm để’ thoả m ãn tiêu chuẩn ổn định tính tốn CFL, thử nghiêm bước đầu lựa chọn độ phân giải thích hợp sau: Độ phân giái thắng đứng- Khi áp dụng cho Việt Nam s ố mực th ắn g đứng cho lưới thử n hát 25 cho lưới th ứ h 31, với độ phân giái lớp s t bề m ật 100 mét, hệ sô giãn 1,25 độ ph ân giái lớn n h ấ t không vượt 1300 mét Độ cao đ ạt tới xấp xỉ 23 km Một sơ nữi áp dụng mơ hìn h RAMS th ê giới áp dụng biện pháp tương tự đê giảm thòi gian tích phân Độ phản giái ngang' T âm miển tính lưới thứ n h ất (141x141 điểm) có toạ độ (14('N, 117,5°E), bước lưới 40 km Tâm miền tín h lưới thứ hai (50x50 điểm) có toạ độ (18.5N.105.5E) với bước lưới 10 km Lưới thứ hai nằm ỏ khu vực Hà Tĩnh, Nghệ An Tràn Tan Tiến Nguyẻii Minh Truờng Còng Thanh Kiêu Quỏc Chánh 54 Độ phân giải thời g ia n : Độ phân giải thời gian cho lưới th n h ất xác định tự động sau bước tích phân thoả m ãn tiêu chuẩn CFL Đ iều k iệ n b iê n : Điểu kiện biên xung quanh sử dụng mơ hình điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian (cập n h ật điều kiện biên theo 6h) có nhiều phương án lựa chọn khác nhau: điểu kiện biên vói gradient khơng, điểu kiện biên vỏi dòng vào khơng đổi, điều kiện biên bửc xạ, tu ỳ toán yêu cầu cụ th ể đ ặ t Trong mơ hình cùa chúng tôi, điểu kiện biên xung quanh, với trường gió, diêu kiện biên xạ (R adiative Boundary Condition), cho phép chống phản xạ từ biên trỏ Lại tru n g tâm miền tích ph ân lưới Điều kiện biên xạ cho trường gió là: — at (13) ỏ u th àn h phần vận tốc pháp tuyến vối đường biên, c vặn tốc pha V ấn để m ấu chốt phái tim cách xác định vận tốc pha c Vặn tốc pha xác định theo O rlanski (1976) (xem [4]) sau: (14) Cùng có th ế tín h tru n g bình vận tốc pha theo phương th ản g đứng coi khơng đổi áp dụng cho tồn cột lưới th ản g đứng Ước lượng theo cách Klemp Lilly (1978) (xem [3]) cho độ lớn c vào cỡ 10-30m/s Đối với biến lại, sử dụng điểu kiện biên khác Điểu kiện biên trê n có vài lựa chọn phụ thuộc vào q trìn h ban đầu hóa lựa chọn mơ hình (trong mơ hình RAMS có hai lựa chọn thuý tĩn h không thuý tĩnh) Trong th nghiệm ỏ đây: điểu kiện biên th ản g đứng điều kiện h ấp th ụ KlempD urran (1983) (xem [2]) cho mơ hình khơng th u ỷ tĩnh, mục đích để hấp th ụ sóng trọng trường lan truyền theo phương th ẳn g đứng gây đối lưu ồn tín h toán khác Điểu kiện biên điểu kiện biên sử dụng cân nảng lượng bề m ặt với mỏ rộng l/'2Az xuống m ặt đất Đ iều k iệ n b a n đ ầ u : Điều kiện ban đầu th nghiệm mơ hình RAMS xác định sau: trng ph ân tích tồn cầu, đo DWD cung cấp, trích cho vùng Việt Nam trê n mực 1000 900, 8Õ0, 700, 500, 400, 300, 200, 150, 100 50 m b cho yếu tố: hai th àn h phần gió ngang, độ cao địa th ê vị, nhiệt độ độ ẩm tương dôi S au sơ đồ phân tích khách quan B arn e r sử dụng đế nội suy lưới mơ hình Trường phân tích tồn cầu có th ể lấy trê n m ạng In tern et hay nguồn khác NCEP, NCAR hay tru n g tám châu Au, úc, N hật Bản cung cấp Nếu sơ liệu cao khơng hay khí tượng bê m ặt có sẵn sử dụng đế bổ xung thông tin vê trạ n g th khí quyến nội suy lưới mơ hình Điều giúp ích rấ t nhiều việc tăn g cưòng ch ấ t lượng dự bảo Sử dụng mò hình RAMS mỏ phóng dụi mưa lớn 55 S ố liệ u v k ế t q u ả m h ìn h d ự b o đ ợ t lũ m iề n T ru n g t h n g 9/2002 T rong ngày từ 17 đến ‘22 tháng năm 2002, ảnh hương rìa phía bắc dải hội tụ nhiệt đới có trục qua T rung Trung rìa phía Tây Nam lưởi áp cao cận n h iệt đới k ết hợp với đới gió đơng đơng nam m ạnh nên khu vực Bắc T rung Bộ có m ưa, mưa vừa, m ưa to đến rấ t to dông m ạnh (H ình 1) Đặc b iệt hai ngày 19 20 có m ưa rấ t to diện rộng ó Nghệ An Hà Tĩnh Lượng mưa ngày từ 18 đến 22/9 phố biến từ 60 đến 100mm (Thanh Hóa), 200-300mm (Nghệ An), từ 300 đến 600mm (Hà Tĩnh) Đẽ dự báo đợt m ưa nàv đ ã sử dụng trường sô’ liệu ph ân tích tồn cầu yếu tơ gió, địa thê vị, độ ấm tương đôi trê n lưới 0,75 độ kinh vĩ lúc 07 Việt Nam ngày 18/09/2002 BẢN ĐỒ PHẮN t í c h k h ỉ ẮP m ặ t D ỉà NOÀY 18/09/2002 00Z V“ rj!.' "T-rl “ jr \ ^ - , / A ry r ,„ v ^ u ^ - r ^ "■ y ^ > / S ,LV/ s ^ \ \ ^ ’V : , ^ s ^ ^ " -> J Ị i / *»