Đang tải... (xem toàn văn)
Trong những năm trở lại đây ở Việt Nam, dự báo thời tiết đã có những bước chuyển biến khá rõ rệt. Từ phương pháp dự báo thời tiết bằng phương pháp Synop truyền thống, các công cụ dự báo chủ yếu dựa trên các phương pháp dân gian, dựa trên kinh nghiệm truyền thống nay đã và đang được trang bị những công cụ tiên tiến nhất như dự báo thời tiết bằng mô hình số, các sản phẩm dự báo tổ hợp. Qua kết quả mô phỏng một số đợt mưa lớn cho thấy mô hình WRF có thiên hướng dự báo lượng mưa cao hơn so với thực tế trước hiệu chỉnh đặc biệt là ở khu khu vực phía bắc của thành phố, ở các trạm Tân Sơn Hòa, Củ Chi, Cần Giờ riêng trạm Bình Chánh mô hình cho kết quả dự báo chưa tốt nhiều thời điểm đã dự báo khống lượng mua. Ngoài ra WRF cũng đã nắm bắt được tâm mưa ở một số trận mưa lớn, mặc dù vẫn còn một số sai khác về vị trí tâm mưa, tuy nhiên sau khi hiệu chỉnh kết quả dự báo thấp hơn so với thực đo
BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA LỚN GÂY NGẬP ÚNG KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SẢN PHẨM Nghiên cứu khả dự báo mơ hình số trị WRF đợt mưa lớn Tp Hồ Chí Minh Cơ quan chủ trì: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu Cơ quan thực hiện: Phân viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi Khí hậu Người thực hiện: Nguyễn Văn Tín Tp Hồ Chí Minh 2018 BỘ TÀI NGUN VÀ MƠI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA LỚN GÂY NGẬP ÚNG KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH SẢN PHẨM Nghiên cứu khả dự báo mơ hình số trị WRF đợt mưa lớn Tp Hồ Chí Minh Người thực Chủ nhiệm đề tài Nguyễn Văn Tín Nguyễn Văn Tín Cơ quan thực Tp Hồ Chí Minh 2018 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH DANH SÁCH BẢNG MỞ ĐẦU TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÁC MƠ HÌNH SỐ TRỊ .5 2.1 Mơ hình WRF - ARW 2.1.1 Sự tương tác thành phần vật lý mơ hình WRF 2.1.2 Cấu trúc mơ hình chương trình điều khiển 2.2 Ứng dụng WRF dự báo mưa ỨNG DỤNG MƠ HÌNH WRF DỰ BÁO MỘT SỐ TRẬN MƯA LỚN .10 3.1 Cấu hình động lực của WRF khu vực TP.HCM 10 3.1.1 Điều kiện biên 11 3.1.2 Điều kiện ban đầu .12 3.1.3 Cấu hình miền tính, lưới tính của mơ hình WRF 13 3.2 Kết quả dự báo số đợt mưa năm 2015 2016 14 3.3 Kết dự báo số đợt mưa lớn điển hình .19 ĐÁNH GIÁ VÀ HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LƯỢNG MƯA 24 4.1 Phương pháp đánh giá, hiệu chỉnh 24 4.2 Kết quả đánh giá sai số của mơ hình 25 4.3 Hiệu chỉnh kết quả mơ hình 25 TRÍCH XUẤT KẾT QUẢ MƠ HÌNH THEO VỊ TRÍ TRẠM ĐO MƯA .26 5.1 Định dạng tệp tin đầu vào kết quả mơ hình WRF 26 5.1.1 Giới thiệu 26 5.1.2 Thành phần của liệu NetCDF 27 5.2 Chương trình triết xuất liệu từ mơ hình số .32 KÊT LUẬN 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 DANH SÁCH HÌNH Hình 1: Tương tác thành phần vật lý WRF .7 Hình 2: Miền tính của mơ hình WRF .13 Hình 3: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 19-22/6/2015 14 Hình 4: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 28-31/7/2015 14 Hình 5: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 15-18/8/2015 15 Hình 7: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 22-25/10/2015 15 Hình 8: Lượng mưa dự báo thực đo 16-19/5/2016 16 Hình 8: Lượng mưa dự báo thực đo 21-24/6/2016 16 Hình 9: Lượng mưa dự báo thực đo 25-28/7 .17 Hình 10: Lượng mưa dự báo thực đo 1-4/8/2016 17 Hình 11: Lượng mưa dự báo thực đo 10-13/8/2016 18 Hình 12: Lượng mưa dự báo thực đo 7-10/10/2016 18 Hình 13: Lượng mưa dự báo thực đo 25-28/10/2016 19 Hình 14: Đợt mưa ngày 06/9/2014 mô từ WRF 20 Hình 15: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 05-08/9/2014 20 Hình 6: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 13-15/9/2015 21 Hình 17: Đợt mưa ngày 26/8/2016 mô từ WRF 22 Hình 18: Lượng mưa dự báo thực đo ngày 25-28/8/2018 22 Hình 19: Đợt mưa ngày 26/9/2016 mơ từ WRF 23 Hình 20: Lượng mưa dự báo thực đo 26-29/9/2016 24 Hình 21: Mối quan hệ chỉ số BIAS lượng mưa dự báo từ WRF 26 Hình 22: Mơ hình liệu NetCDF nâng cao 28 Hình 23: Chương trình chạy tự động tải số liệu .34 Hình 24: Chuyển đổi liệu wrfout_d0* sang dạng *.ctl 34 Hình 25: Cấu trúc liệu dạng *.ctl 35 Hình 26: Chương trình tự động tính tốn lượng mưa trạm 35 Hình 27 Chương trình tự động vẽ hình 36 DANH SÁCH BẢNG Bảng Cấu hình động lực, vật lý phương pháp số của mơ hình WRF 10 Bảng Số liệu của mơ hình tồn cầu GFS (dạng số) 12 Bảng Lượn mưa ngày 26/09/2016 số trạm 23 Bảng Chỉ số ME, MAE trạm 25 MỞ ĐẦU Trong năm trở lại Việt Nam, dự báo thời tiết có bước chuyển biến rõ rệt Từ phương pháp dự báo thời tiết phương pháp Synop truyền thống, công cụ dự báo chủ yếu dựa phương pháp dân gian, dựa kinh nghiệm truyền thống trang bị công cụ tiên tiến dự báo thời tiết mô hình số, sản phẩm dự báo tổ hợp Hạn dự báo trước chỉ dừng đến ngày, tăng lên ngày chí đến tuần Vì vậy, việc thu thập sản phẩm mơ hình số trị phục vụ cơng tác dự báo thời tiết hết sức cần thiết Hiện thế giới có nhiều mơ hình dự báo số trị toàn cầu sử dụng cho kết quả đáng tin cậy Hệ thống Dự báo Toàn cầu (Global Forecast System - GFS) của Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia Mỹ (National Centers for Environmental Prediction – NCEP), Mơ hình Mơi trường Tồn cầu Đa quy mơ (Global Environmental Multiscale – GEM) của Trung tâm Khí tượng Canada (Canada Meteorologycal Centre – CMC), Mơ hình Phổ Tồn cầu (Global Spectral Model – GSM) của Cơ quan Khí tượng Nhật bản (Japan Meteorologycal Agency – JMA) Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương (TTDBKTTVTW) thu nhận sử dụng sản phẩm mơ hình tồn cầu GFS từ năm 2006 đến Sản phẩm ngày có vai trò quan trọng cơng cụ thiếu cho dự báo viên bản tin dự báo thời tiết Các mơ hình số trị quy mô vừa WRF, MM5, RAM, HRM… sử dụng nghiên cứu công tác dự báo thời tiết hàng ngày hầu hết nước phát triển thế giới, từ dự báo thời tiết thông thường đến việc giải quyết dự báo mưa cả lượng pha Trong mơ hình số trị hệ thống đồng hóa số liệu có ý nghĩa tạo bước thay đổi tiếp theo dự báo số trị Việt Nam Hiện tại, mơ hình khu vực sử dụng Việt Nam dựa phân tích dự báo từ mơ hình tồn cầu hệ thống phân tích dự báo khu vực Mọi mơ hình chạy với độ phân giải cao so với độ phân giải từ phân tích dự báo của mơ hình tồn cầu Điều đồng nghĩa với việc vùng phổ nằm độ phân giải của mơ hình tồn cầu mơ hình khu vực khơng biểu diễn số liệu ban đầu số liệu biên Hệ thống đồng hóa số liệu sẽ cho phép lấp đầy khoảng trống này, tác động tới chất lượng dự báo Nằm vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, thời tiết hàng năm tỉnh thành phía nam nói chung TP.HCM nói riêng có hai mùa rõ rệt: mùa khô mùa mưa, gần trùng khớp với thời kỳ hoạt động của gió mùa đơng bắc gió mùa tây nam Mùa mưa thường kéo dài từ tháng V đến tháng XI hàng năm, với tỷ trọng lượng mưa chiếm khoảng từ 90 đến 95% tổng lượng mưa cả năm Trong thời kỳ này, hoạt động liên tục của gió mùa tây nam mạnh đơi kết hợp với bão áp thấp nhiệt đới khu vực Biển Đông mang đến đợt mưa lớn diện rộng kéo dài cho khu vực Do vậy, việc dự báo kịp thời xác xuất mưa lượng mưa tương ứng địa bàn lưu vực nhu cầu lớn phát triển kinh tế xã hội Nhằm giảm thiểu thiệt hại thiên tai mưa mưa lớn gây lũ quét, sạt lỡ đất… đáp ứng yêu cầu mưa của mơ hình thủy văn khu vực Các phương pháp dự báo synop truyền thống cho nhận định xác diện mưa quy mô không gian đủ lớn, để dự báo lượng mưa tích lũy cho khu vực có quy mơ nhỏ TP.HCM phương pháp khó đáp ứng Việc ứng dụng mơ hình dự báo thời tiết mơ hình số trị WRF sẽ phần cải tiến công tác dự báo Với phát triển của công nghệ thông tin, xuất của siêu máy tính có tốc độ tính tốn cực lớn, hệ thống lưu trữ khổng lồ, chất lượng dự báo khí tượng, khí hậu ngày cải thiện đạt độ tin cậy cao Dự báo thời tiết, dự báo khí hậu góp phần to lớn việc hoạch định chiến lược phát triển kinh tế cho tương lai TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU CÁC MÔ HÌNH SỐ TRỊ 2.1 Mơ hình WRF - ARW Sự đời q trình phát triển của Mơ hình Nghiên cứu Dự báo Thời tiết – Nghiên cứu Nâng cao (Weather Research and Forecast model – Advanced Research WRF, WRF - ARW)[ CITATION WWa16 \l 1066 ] đánh dấu bước tiến quan trọng dự báo thời tiết khu vực, nâng cao tầm hiểu biết độ xác việc nghiên cứu dự báo q trình của khí WRF kết quả của hợp tác phát triển của nhiều trung tâm nghiên cứu dự báo khí tượng Hoa Kỳ Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí Mỹ (National Center for Atmospheric Research – NCAR), NCEP…và đội ngũ đông đảo nhà khoa học làm việc trường đại học thế giới Bên cạnh mục đích dự báo nghiệp vụ, WRF khả áp dụng nghiên cứu mô điều kiện thời tiết thực Mơ hình WRF thiết kế linh động, có độ tùy biến cao có khả vân hành hệ thống máy tính lớn Chỉ với mã nguồn, WRF dễ dàng tùy biến cho cả công việc nghiên cứu dự báo Nó bao gồm nhiều tùy chọn hệ thống đồng hóa liệu tiên tiến Vì mơ hình WRF thuận tiện ứng dụng rộng rãi, đặc biệt nghiên cứu giảng dạy trường đại học Quy mơ dự báo của mơ hình đa dạng, từ hàng mét đến hàng nghìn km bao gồm nghiên cứu thực hành dự báo số (NWP), đồng hóa liệu tham số hóa ́u tố vật lý, mơ khí hậu phương pháp hạ quy mô động lực downscaling (dynamic downscaling climate simulations), nghiên cứu đánh giá chất lượng khơng khí, mơ hình kết hợp đại dương - khí mơ lý tưởng (như xốy lớp biên, đối lưu, sóng tà áp…) Chính ưu điểm trên, mơ hình WRF sử dụng nghiên cứu khí dự báo nghiệp vụ Hoa kỳ nhiều nơi thế giới Hệ phương trình thống trị của mơ hình WRF hệ phương trình đầy đủ bất thủy tĩnh Euler cho chất lỏng nén (có tùy chọn thủy tĩnh) nên có khả mơ q trình khí có quy mơ đa dạng từ vài mét đến hàng chục km Các biến dự báo của mô hình bao gồm thành phần chuyển động ngang u, v; vận tốc thẳng đứng w; nhiễu động nhiệt độ thế vị; nhiễu động địa thế vị; nhiễu động áp suất bề mặt của khơng khí khơ; biến tùy chọn động rối biến vô hướng khác tỉ hỗn hợp của nước, tỉ hỗn hợp mưa/tuyết tỉ hỗn hợp băng/nước của mây Mô hình WRF sử dụng hệ tọa độ áp suất cho phương thẳng đứng lưới tính theo phương ngang lưới xen kẽ Arakawa-C Mơ hình sử dụng sơ đồ tích phân thời gian Runge – Kutta bậc ba với bước thời gian nhỏ cho sóng âm sóng trọng lực rời rạc khơng gian bậc hai đến bậc sáu theo phương ngang thẳng đứng Điều kiện ban đầu cho WRF số liệu thực số liệu lý tưởng với điều kiện biên xung quanh biên tuần hoàn, mở, đối xứng, biên cấu hình điều kiện biên lớp hấp thụ sóng dài của trái đất (suy giảm tán xạ Rayleigh) điều kiện biên biên cứng bề mặt trượt tự WRF tính đến hiệu ứng Coriolis quay của trái đất sử dụng ba phép chiếu bản đồ: Phép chiếu cực cho vùng vĩ độ cao, phép chiếu Lambert cho vĩ độ trung bình phép chiếu Mercator cho vĩ độ thấp Các sơ đồ tham số hóa vật lý mơ hình WRF chia thành năm loại sau: q trình vi vật lý (mơ tả trình vật lý hỗn hợp pha rắn – lỏng – khí nhằm giải qút tốn mây của mơ hình), sơ đồ tham số hóa đối lưu (tham số hóa q trình đối lưu nơng, sâu), trình lý bề mặt (do đa dạng của tính chất của lớp phủ bề mặt từ mơ hình nhiệt đơn giản cho đến bề mặt có thực vật che phủ hoàn toàn bề mặt đất trồng ẩm ướt, bao gồm cả bề mặt tuyết phủ băng biển), trình xảy lớp biên (để dự báo động rối sơ đồ K) cân xạ khí (bao gồm hiệu ứng sóng dài sóng ngắn với dải phổ rộng chỉ có sóng ngắn, hiệu ứng mây thông lượng bề mặt) 2.1.1 Sự tương tác thành phần vật lý mô hình WRF Dù q trình vật lý mơ hình tham số hóa thành module riêng, nhận thấy có tương tác chúng qua biến trạng thái mơ hình (nhiệt độ thế vị, độ ẩm, gió…) xu thế của chúng, qua thơng lượng bề mặt Hình Tương tác thành phần vật lý WRF 2.1.2 Cấu trúc mơ hình chương trình điều khiển Cấu trúc mơ hình WRF-ARW bao gồm thành phần sau: - Xử lý số liệu đầu vào (điều kiện ban đầu điều kiện biên) chương trình tiền xử lý WPS - Hệ thống đồng hóa số liệu WRFDA - Thành phần động lực học WRF-ARW - Các chương trình xử lý sau mơ hình: Hiển thị đồ họa, thống kê sau mơ hình (MOS) Số liệu đầu vào số liệu mơ lý tưởng, số liệu nội suy từ phân tích quy mơ lớn mơ hình tồn cầu trường hợp dự báo thực Đối với trường hợp dự báo thực, số liệu ban đầu yêu cầu của WRF cho bao gồm: - Số liệu lưới: Dữ liệu đầu vào theo chiều ngang thẳng đứng, số liệu từ mơ hình tồn cầu nội suy lưới tính của mơ hình WRF, trạng thái trung bình điều kiện cân thủy tĩnh trường nhiễu động - Số liệu bề mặt: Số liệu địa hình tồn cầu độ cao, nhiệt độ đất, tính chất bề mặt…được cung cấp sẵn từ số liệu thống kê của tổ chức địa lý Hoa Kỳ, bao gồm độ phân giải 10m, 5m, 2m 30s Đối với trường hợp sử dụng số liệu đầu vào thực (sản phẩm dự báo từ mô hình số trị tồn cầu số liệu tái phân tích quy mơ lưới) điều kiện ban đầu cho WRF xử lý thông qua công cụ riêng biệt gọi chương trình ‘tiền xử lý” (WPS) WPS chương trình đọc liệu bề mặt khí tượng thực tế (thường dạng GRIB – General Regularly-distributed Information in Binary) chuyển đổi chúng để đưa vào WRF Bước của WPS xác định lưới tính (bao gồm loại phép chiếu, vị trí trái đất, số điểm lưới, lưới lồng bước lưới) nội suy trường tĩnh ban đầu Độc lập với việc cấu hình miền tính, WPS định dạng lại liệu GRIB dạng nhị phân (internal binary) Trên miền tính xác lập, WPS sẽ nội suy số liệu khí tượng ngang thẳng đứng hệ tọa độ η phép chiếu bản đồ sử dụng WRF Dữ liệu xuất từ WPS cung cấp hình ảnh tồn cảnh ba chiều đầy đủ của khí miền tính thời gian chọn, WRF sử dụng làm liệu đầu vào Dữ liệu đầu vào của WRF từ WPS bao gồm trường số liệu ba chiều của nhiệt độ thế vị (K), tỉ hỗn hợp (kg/kg), thành phần ngang của chuyển động (m/s, bao gồm hiệu ứng của phép chiếu) Trường số liệu tĩnh mặt đất bao gồm: albedo, số Coriolis, độ cao bề mặt, tính chất thực vật, bề mặt lục địa/ nước, yếu tố tỉ lệ bản đồ, góc quay bản đồ, tính chất đất, độ phủ thực vật, nhiệt độ trung bình năm, kinh/vĩ độ Chức của từng chương trình WPS: - geogrid: Xác định miền mô phỏng, đọc nội suy số liệu bề mặt từ lưới kinh, vĩ độ chiếu vào lưới tính của mơ hình Số liệu bề mặt đưa vào gridgn_model bao gồm địa hình, loại đất sử dụng, nhiệt độ đất, độ phủ thực vật độ dốc WPS hỗ trợ loại phép chiếu Lambert-Conformal, phép chiếu cực phép chiếu Mercator - ungrib: Đọc chuyển đổi file số liệu dạng GRIB, ghi lại dạng trung gian đơn giản File GRIB chứa số liệu của trường khí tượng thường từ mơ hình khu vực mơ hình tồn cầu ETA, GFS… - metgrid: Nội suy theo phương ngang phương thẳng đứng số liệu khí tượng từ ungrib vào miền mô tạo geogrid 2.2 Ứng dụng WRF dự báo mưa Tác giả Nguyễn Tiến Toàn (2011) ứng dụng mơ hình WRF vào dự báo mưa lớn Trung Trung Bộ, với hai miền tính lồng ghép, độ phân giải 30km, 10km 28 mực thẳng đứng, tọa độ tâm 16,0N - 108,0E Miền bao trùm toàn lãnh thổ Việt Nam, miền bao trùm khu vực Trung Bộ Tất cả mô nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tham số hóa cho cả miền tính nhau: sơ đồ tham số hố đối lưu Kain–Fritsch, sơ đồ lớp biên hành tinh YSU, Sơ đồ phát xạ sóng ngắn: Dudhia, Sơ đồ cho lớp sát đất: Monin-Obukhov, sơ đồ đất bề mặt Noah Land-Surface Model, sơ đồ xạ sóng dài RRTM Mơ hình tính tốn với hai trường hợp khác nhau: Trường hợp thứ không cập nhật số liệu địa phương sử dụng trường phân tích dự báo tồn cầu NCEP-GFS làm điều kiện ban đầu điều kiện biên Trường hợp thứ hai sử dụng trường phân tích dự báo toàn cầu NCEPGFS làm điều kiện ban đầu điều kiện biên, có cập nhật số liệu địa phương vào mơ hình Thời gian bắt đầu thực mô xét cả hai trường Hình 20 Lượng mưa dự báo thực đo 26-29/9/2016 Đối với trận mưa kỷ lục ngày 26/09 Kết quả dự báo ban đầu của WRF thấp nhiều so với thực đo (R 89mm so với thực đo 171mm) Tuy nhiên sau hiệu chỉnh lượng mưa dự báo gần với thực đo (154mm so với thực đo 171mm), đợt mưa lớn WRF nắm bắt tâm mưa diễn địa bàn thành phố ĐÁNH GIÁ VÀ HIỆU CHỈNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LƯỢNG MƯA 4.1 Phương pháp đánh giá, hiệu chỉnh Đánh giá thống kê biến liên tục số đo tương ứng giá trị dự báo giá trị quan trắc Phương pháp đánh giá thống kê dựa vào momen bậc hay bậc hai, phổ biến sử dụng chỉ số sau Sai số trung bình (ME) Sai số tuyệt đối trung bình (MAE) Sai số bình phương trung bình (RMSE) Các ký hiệu sử dụng gồm: - F: dự báo - O: quan trắc - N: tổng số trường hợp (theo pha hay tồn bộ) Vì khơng có chỉ số đánh giá có đầy đủ ý nghĩa ưu việt cần phải kết hợp tính tốn nhiều chỉ số nhằm đánh giá cách toàn diện dễ dàng 24 phân tích kết quả Trong đó, cả ba chỉ số ME, MAE, RMSE giữ lại đơn vị của biến dự báo (lượng mưa - mm) 4.2 Kết đánh giá sai số mô hình Việc đánh giá sai số hiệu chỉnh kết quả thể qua chỉ số: Chỉ số ME, MAE, RMSE Đánh giá khả dự báo định lượng của mơ hình năm 2015 2016 chỉ số ME, MAE cho kết quả Bảng Chỉ số ME < hạn dự báo 24 48 (trừ trạm Bình Chánh Củ Chi), có nghĩa lượng mưa dự báo của mơ hình có xu hướng thấp so với lượng mưa quan trắc Với hạn dự báo 72h ME>0 hầu hết trạm cho thấy WRF dự báo lượng mưa có xu hướng cao thực tế, thực tế cho thấy với hạn dự báo 72h WRF thường dự báo có mưa thực tế khơng có mưa Chỉ số MAE trung bình dao động từ 5-12mm (hạn dự báo 24h); từ 6.7-13,2mm (hạn dự báo 48h) từ 13-16,78mm với hạn dự báo 72h Điều cho thấy có sai khác đáng kể lượng mưa dự báo thực đo trận mưa lớn Bảng Chỉ số ME, MAE trạm Trạm ME (mm) MAE (mm) 24h 48h 72h 24h 48h 72h Bình Chánh -2.96 4.8 7.2 6.84 7.59 13.1 Tân Sơn Hòa -2.5 -4.7 6.2 11.9 13.23 16.78 Hóc Mơn -5.4 -5.9 5.32 10 11.74 16.18 Cần Giờ -5.6 -7.4 -12.3 6.7 13.70 Củ Chi -4.6 5.6 6.7 12 12.24 15.98 4.3 Hiệu chỉnh kết mơ hình Phương pháp hiệu chỉnh: Thơng qua chỉ số BIAS cho lượng mưa ngày trạm: Giả thiết chuỗi số liệu mưa quan trắc chuỗi số liệu mưa từ mơ hình ước lượng tốt hàm phân bố lý thuyết gamma Khi đó, hiệu chỉnh sẽ thực sở hàm phân bố gamma 25 Hình 21 Mối quan hệ chỉ số BIAS lượng mưa dự báo từ WRF Như kết quả sau dự báo từ mơ hình sẽ hiệu chỉnh từng trạm theo hàm phân bố chỉ số BIAS kết quả dự báo TRÍCH XUẤT KẾT QUẢ MƠ HÌNH THEO VỊ TRÍ TRẠM ĐO MƯA 5.1 Định dạng tệp tin đầu vào kết mơ hình WRF 5.1.1 Giới thiệu NetCDF tập thư viện phần mềm, định dạng liệu tự mô tả - độc lập máy tính việc chia sẻ liệu khoa học hướng mảng Trang chủ của dự án quản lý chương trình Unidata đại học UCAR (University Corporation for Atmospheric Research) Và đại học nơi khởi nguồn của phần mềm NetCDF, chuẩn phát triển cập nhật… Định dạng NetCDF định dạng mở Định dạng NetCDF classic phân đoạn 64-bit định dạng quốc tế theo tổ chức OGC Dự án bắt đầu từ năm 1989 đến vấn hỗ trợ UCAR Phiên bản 3.x (ra đời năm 1997) sử dụng rộng rãi thế giới UCAR trì (phiên bản cập nhật lần sau đến năm 2012) Phiên bản 4.0 đời năm 2008 cho phép việc sử dụng định dạng tập tin liệu HDF5 Phiên bản 4.1 (năm 2010) thêm vào hỗ trợ client C Fortran truy xuất vào để xác định tập của liệu từ xa thông quan OPeNDAP Cả hai phiên bản nằm kế hoạch cập nhật của UCAR 26 Ban đầu, định dạng chủ ́u dựa mơ hình ý niệm Common Data Format phát triển Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia Mỹ (National Aeronautics and Space Administration – NASA) Tuy nhiên, định dạng thay đổi khơng tương thích với định dạng của Common Data Format NetCDF ứng dụng nhiều loại ngơn ngữ lập trình C, C++, Java, Fortran 90, Fortran 77, Python, sử dụng hệ điều hành khác Đặc biệt, định dạng phù hợp với hầu hết phần mềm hỗ trợ dự báo viên dùng TTDBKTTVTW 5.1.2 Thành phần liệu NetCDF Bộ liệu NetCDF chứa giá trị bao gồm chiều không gian, biến số thuộc tính, tất cả chúng có cả tên số ID chúng xác định Các thành phần sử dụng để nắm bắt ý nghĩa của liệu mối quan hệ trường liệu tập liệu theo mảng Thư viện NetCDF cho phép truy cập đồng thời nhiều liệu NetCDF xác định số ID tập liệu, tên tệp thơng thường 5.1.2.1 Mơ hình liệu tệp NetCDF4/HDF5 Các tệp tin tạo với định dạng NetCDF-4 có quyền truy cập vào mơ hình liệu nâng cao, bao gồm nhóm có tên Các nhóm, thư mục hệ thống tập tin Unix, tổ chức theo thứ bậc, đến chiều sâu tuỳ ý Chúng sử dụng để tổ chức số lượng lớn biến 27 Hình 22 Mơ hình liệu NetCDF nâng cao Mỗi nhóm hoạt động tồn liệu NetCDF mơ hình cổ điển Tức là, nhóm có thuộc tính, chiều biến, nhóm khác Nhóm mặc định nhóm gốc, cho phép mơ hình NetCDF cổ điển phù hợp với mơ hình Các chiều phạm vi để chúng nhìn thấy tất cả nhóm thứ cấp Tức là, kích thước khơng gian chia sẻ biến nhóm khác nhau, nếu chúng định nghĩa nhóm cha mẹ Trong tệp NetCDF-4, người dùng xác định loại Ví dụ loại phức hợp chứa thơng tin từ mảng của cấu trúc C, loại biến chiều dài cho phép người dùng đọc ghi mảng của giá trị biến số chiều dài Các biến, nhóm kiểu chia sẻ khơng gian tên Trong nhóm, biến, nhóm kiểu phải có tên (Tức là, loại hay biến khơng có tên nhóm, tương tự cho nhóm của nhóm đó.) Các nhóm kiểu người dùng xác định chỉ có sẵn tệp tạo theo định dạng NetCDF-4 / HDF5 Các tệp khơng có sẵn cho tệp định dạng nén cổ điển 64-bit 28 5.1.2.2 Các chiều (Dimensions) Một chiều sử dụng để đại diện cho chiều vật lý thực, ví dụ: thời gian, vĩ độ, kinh độ chiều cao Tham số sử dụng để lập chỉ mục định lượng khác, ví dụ trạm số chạy mơ hình Một chiều của NetCDF có cả tên độ dài Chiều số nguyên dương bất kỳ, ngoại trừ chiều liệu cổ điển hay dự liệu NetCDF 64 bit có độ dài khơng giới hạn Trong liệu NetCDF-4, số của chiều sử dụng Chiều gọi chiều không giới hạn hay chiều ghi liệu Một biến với chiều khơng giới hạn phát triển đến độ dài theo chỉ mục của chiều kích thước khơng giới hạn giống số ghi nhập liệu tập tin định hướng tập tin thông thường Một liệu NetCDF cổ điển 64 bit có tối đa chiều có độ dài khơng giới hạn, khơng cần phải có Nếu biến có chiều khơng giới hạn, chiều phải chiều đặc biệt (chậm nhất) Do đó, chiều không giới hạn phải chiều dạng CDL chiều khai báo mảng tương ứng Tệp liệu NetCDF-4 có nhiều chiều khơng giới hạn khơng có hạn chế thứ tự của chúng danh sách của chiều biến số Để phát triển biến theo chiều không giới hạn, liệu viết cách sử dụng hàm ghi liệu NetCDF chỉ định chỉ mục của chiều không giới hạn cho số dự liệu mong muốn Thư viện NetCDF sẽ ghi lại nhiều liệu cần (sử dụng giá trị lấp, trừ tính bị tắt, để điền vào liệu xen vào) Các khai báo chiều CDL xuất nhiều dòng theo chiều CDL Khai báo nhiều chiều dòng phân cách dấu phẩy Mỗi khai báo có dạng tên chiều dài Sử dụng ký tự "/" để bao gồm thơng tin nhóm (chỉ có đầu NetCDF-4) Có bốn chiều ví dụ: lat, lon, level, time (xem mơ hình liệu) Ba chiều chỉ định độ dài cố định; Thời gian chỉ định độ dài UNLIMITED, có nghĩa kích thước khơng giới hạn Đơn vị bản của liệu có tên liệu NetCDF biến Khi biến xác định, hình dạng của cụ thể danh sách chiều Các chiều phải tồn Số lượng của chiều gọi hạng Một biến vơ hướng có thứ hạng 0, vector có thứ hạng ma trận có thứ hạng 29 Có thể sử dụng chiều lần việc xác định dạng biến Ví dụ, tương quan (dụng cụ, dụng cụ) ma trận cho mối tương quan phép đo dụng cụ khác Tuy nhiên, liệu có kích thước tương ứng với khơng gian / thời gian vật lý nên có hình dạng có kích thước khác nhau, cả số số có chiều dài 5.1.2.3 Các biến số (Variables) Các biến sử dụng để lưu trữ số lượng lớn liệu liệu NetCDF Một biến thể mảng giá trị kiểu Một giá trị vô hướng coi mảng chiều Một biến có tên, kiểu liệu dạng mô tả danh sách chiều xác định tạo biến Một biến có thuộc tính liên quan, thêm vào, xóa thay đổi sau biến tạo Một kiểu liệu biến ngoại tập nhỏ của kiểu NetCDF Trong tệp cổ điển 64-bit, chỉ có sáu kiểu biến nguyên gốc có sẵn (byte, character, short, int, float, and double) Các biến tệp NetCDF-4 sử dụng unsigned short, unsigned int, 64-bit int, unsigned 64-bit int, hay string Hoặc người dùng định nghĩa loại, opaque blob of bytes, mảng của mảng chiều dài biến, kiểu phức hợp, mà đóng vai trò cấu trúc C Trong ký hiệu CDL, kiểu cổ điển hay 64 bit sử dụng Chúng đặt tên đơn giản byte, char, short, int, float double Tên thực sử dụng từ đồng nghĩa cho float ký hiệu CDL Tên dài từ đồng nghĩa không dùng cho int 5.1.2.4 Biến toạ độ (Coordinate Variables) Một biến có tên với kích thước, điều hợp lệ Các biến khơng có ý nghĩa đặc biệt thư viện NetCDF Tuy nhiên, có quy ước biến nên xử lý cách đặc biệt phần mềm cách sử dụng thư viện Một biến có tên với chiều gọi biến tọa độ Nó thường xác định tọa độ vật lý tương ứng với chiều Ví dụ CDL bao gồm biến tọa độ lat, lon, level time, xác định ví dụ sau: int lat(lat), lon(lon), level(level); short time(time); level = 1000, 850, 700, 500; data: 30 lat = 20, 30, 40, 50, 60; lon = -160 -140,-118,-96,-84,-52,-45,-35,-25,-15; time = 12; Xác định vĩ độ, vĩ độ, biểu khí áp thời gian tương ứng với vị trí theo chiều Do đó, liệu độ cao tương ứng với 1000, 850, 700 500 millibar; Và vĩ độ 20, 30, 40, 50 60 độ bắc Lưu ý biến tọa độ vector có hình dạng chỉ có kích thước với tên Một vị trí theo chiều chỉ định chỉ mục Đây số nguyên với giá trị tối thiểu cho chương trình C, chương trình Fortran Do mức 700 millibar sẽ có chỉ số ví dụ chương trình C chương trình Fortran Nếu chiều có biến tọa độ tương ứng, điều cung cấp phương pháp thay thế thường thuận tiện hơn, để cụ thể vị trí theo Các gói ứng dụng sử dụng biến tọa độ thường cho chúng vector số đơn điệu nghiêm ngặt (tất cả giá trị khác tăng giảm) 5.1.2.5 Các thuộc tính (Attributes) Thuộc tính NetCDF sử dụng để lưu trữ liệu liệu (dữ liệu bổ sung siêu liệu), tương tự theo nhiều cách thông tin lưu trữ từ điển liệu giản đồ hệ thống sở liệu thông thường Hầu hết thuộc tính cung cấp thơng tin biến cụ thể Chúng xác định tên (hoặc ID) của biến đó, với tên của thuộc tính Một số thuộc tính cung cấp thơng tin tập liệu toàn thể gọi thuộc tính tồn cầu Các thuộc tính xác định tên thuộc tính với tên biến trống (trong CDL) biến vô giá trị đặc biệt ID "global variable" ("C" "Fortran") Trong tệp NetCDF-4, thuộc tính thêm vào cấp nhóm Một thuộc tính có biến liên quan (biến vơ giá trị "global variable" cho thuộc tính cấp tồn cầu cấp nhóm), tên, kiểu liệu, độ dài giá trị Phiên bản xử lý tất cả thuộc tính vector; Các giá trị vơ hướng coi vector đơn yếu tố Tên thuộc tính thơng thường nên sử dụng nếu có Tên nên có ý nghĩa tốt Kiểu bên ngồi của thuộc tính xác định tạo Các kiểu cho phép thuộc tính giống với kiểu liệu NetCDF ngồi cho biến Thuộc tính có tên cho biến khác nên thuộc kiểu khác 31 Ví dụ, thuộc tính valid_max xác định giá trị liệu hợp lệ tối đa cho biến kiểu int phải kiểu int, thuộc tính valid_max cho biến kiểu double nên thay cho kiểu double Thuộc tính có tính động biến chiều; chúng bị xóa thay đổi kiểu, chiều dài giá trị của chúng sau chúng tạo ra, giao diện NetCDF không cung cấp cách để xóa biến thay đổi kiểu dạng của 5.2 Chương trình triết xuất liệu từ mơ hình số Sau thiết lập thơng số của mơ hình namelist.input namelist.wps, thiết lập hệ thống chạy tự động kết nối modul của mơ hình từ bước tải số liệu đầu vào đến bước tính tốn liệu biên điều kiện ban đầu cho modul WRF.exe đến kết quả cuối dạng wrfout_d02_yyyy-mmdd_00:00:00 Bảng Chương trình chạy tự động WRF (auto_wrf.sh) # /bin/sh ################################## ### Chương trình chạy tự động WRF #### ################################## echo path1='/home/user/WRF/WPS' path2='/home/user/WRF/auto' path3='/home/ user /WRF/WRFV3/test/em_real' path4='/home/ user /WRF/ARWpost' path5='/home/ user /WRF/dohoa' ################################## ### Tạo namelist input#### ################################## cd $path2 /make_namelist.sh cp namelist.wps $path1 cp namelist.input $path3 cp namelist.ARWpost $path4 echo $path2 ################################## ### Download số liệu input#### ################################## /chayloadsl_0p25.sh echo " " echo " Đa load xong so lieu " 32 echo " " cd $path1 echo $path1 /geogrid.exe /link_grib.csh /home/user/WRF/gfs/gfs* mpirun -np ungrib.exe mpirun -np metgrid.exe echo " Da chay xong WPS " mv met_em* /home/user/WRF/WRFV3/test/em_real cd $path3 echo $path3 mpirun -np real.exe echo " -" echo " -Chay xong Real.exe " echo " -" mpirun -np wrf.exe echo " -Đa chay xong WRF " cp wrfout_d02* $path4 rm met_em* rm wrfout* ################################## ### Chuong trinh chuyen doi so lieu #### ################################## cd $path4 echo $path4 /ARWpost.exe cp KQ* /home/user/WRF/dohoa cd $path5 echo $path5 ################################## ### Chiết xuất KQ dạng hình bảng#### ################################## /1_auto_kq.sh Bảng chương trình tải số liệu làm đầu vào cho mơ hình WRF, số liệu tải từ mơ hình GFS, thơng qua trang website Chương trình sẽ lựa chọn thời gian tải số liệu theo thời gian máy tính, sau tải xong số liệu tự động di chuyển đến thư mục data input cho modul WPS của mơ hình 33 Hình 23 Chương trình chạy tự động tải số liệu Tiếp theo chương trình sẽ tự động chạy modul ungrib.exe, metgrid.exe, tạo đầu vào cho wrf.exe, liệu đầu vào có dạng met_em-d02* di chuyển đến thư mục input của modul WRF, chương trình real.exe, wrf.exe tự động chạy kích hoạt đến kết quả cuối có dạng wrfout_d02_yyyy-mmdd_00:00:00 Hình 24 Chuyển đổi liệu wrfout_d0* sang dạng *.ctl 34 Hình 25 Cấu trúc liệu dạng *.ctl Hình 24-25 mơ tả trường liệu, cấu trúc của từng biến khí tượng, lớp liệu bao gồm dạng số liệu 1D, 2D, 3D, Từ đó, người dùng tùy chọn biến (nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, áp suất…) để trích xuất theo yêu cầu Hình 26 Chương trình tự động tính tốn lượng mưa trạm Hình 26 trình bày chương trình tính tốn liệu mưa tự động từ file *.ctl trạm tính tốn, người dùng nhập trạm (kinh độ, vĩ độ) cần trích xuất số liệu mưa bước thời gian (1h, 3h, 6h, 12h, 24h) lấy liệu 35 Hình 27 Chương trình tự động vẽ hình Từ liệu *.ctl, nhóm nghiên cứu thiết lập chương trình tự động vẽ hình ́u tố khí tượng miền tính của mơ hình WRF, biến trình của biến khí tượng theo thời gian theo trạm 36 KÊT LUẬN Qua kết quả mô số đợt mưa lớn cho thấy mơ hình WRF có thiên hướng dự báo lượng mưa cao so với thực tế trước hiệu chỉnh đặc biệt khu khu vực phía bắc của thành phố, trạm Tân Sơn Hòa, Củ Chi, Cần Giờ riêng trạm Bình Chánh mơ hình cho kết quả dự báo chưa tốt nhiều thời điểm dự báo khống lượng mua Ngoài WRF nắm bắt tâm mưa số trận mưa lớn, số sai khác vị trí tâm mưa, nhiên sau hiệu chỉnh kết quả dự báo thấp so với thực đo Các kết quả đánh giá chỉ số thống kê ME, MAE, RMSE cho thấy mô hình dự báo cao so với thực tế, ngồi hạn dự báo xa cho sai số lớn Sau hiệu chỉnh kết quả mơ hình cho thấy lượng mưa dự báo gần với lượng mưa thực đo, có khác biệt Để phục vụ xây dựng quy trình, báo cáo nghiên cứu việc trích xuất kết quả từ mơ hình cách chi tiết thơng qua chương trình tự động trích xuất, góp phần tiết kiệm thời gian cơng sức của người dùng Các kết quả trích xuất lượng mưa bao gồm kết quả dạng txt: theo từng trạm cho thời hạn dự báo đến 72h; theo không gian theo thời gian của phiên quan trắc; tổng lượng mưa dự báo ngày, 24h, 48h 72h Nghiên cứu xây dựng chương trình tính tốn kết nối modul của mơ hình WRF, giúp cho q trình tính tốn rút ngắn, thời gian xử lý liệu kết quả nhanh gọn 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Đức Cường, Nghiên cứu thử nghiệm áp dụng mơ hình khí tượng động lực quy mô vừa MM5 dự báo hạn ngắn Việt Nam, Đề tài NCKH - Bộ TN&MT, 2005 [2] Hoàng Đức Cường 2008 Nghiên cứu lựa chọn sơ đồ tham số hóa vật lý mơ hình MM5 cho mục đích dự báo mưa lớn Việt Nam, Đề tài NCKH - Bộ TN&MT [3] Hoàng Đức Cường, Mai Văn Khiêm, Trần Thị Thảo Tham số hố vi vật lý mây mơ hình số trị Báo cáo tham dự Hội thảo khoa học Viện KTTV (Phân viện phía Nam) Tuyển tập Báo cáo, 10/2004 [4]Hoàng Đức Cường, Mai Văn Khiêm, Nguyễn Văn Hiệp Độ nhạy sơ đồ tham số hoá đối lưu mơ hình số trị Tạp chí Khí tượng Thuỷ văn số tháng 62004 [5] Nguyễn Lê Dũng, Phan Văn Tân, Thử nghiệm áp dụng hệ thống WRF-VAR kết hợp ban đầu hóa xốy dự báo quỹ đạo bão biển Đông, Tuyển tập Hội nghị dự báo viên, Trung tâm KTTV, 2008 [6], Bùi Chí Nam, 2017, Xây dựng quy trình cảnh báo mưa lớn cho thành phố Hồ Chí Minh phục vụ dự báo ngập Báo cáo tổng kết đề tài cấp thành phố, Sở Khoa học Cơng nghệ Tp Hồ Chí Minh [7] Bùi Minh Tăng, 2011, Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo mưa lớn thời hạn 2-3 ngày phục vụ công tác cảnh báo sớm lũ lụt khu vực Trung Bộ Việt Nam, [8] TS Bùi Minh Tăng 2009 Nghiên cứu thử nghiệm dự báo định lượng mưa phương pháp thống kê sản phẩm mơ hình HRM GSM, Đề tài NCKH - Bộ TN&MT [9] Bảo Thạnh, "Nghiên cứu tích hợp mơ hình khí tượng, thủy văn, hải văn nhằm nâng cao chất lượng dự báo mực nước hệ thống sông Đồng Nai, Đề tài cấp Bộ," Bộ Tài Nguyên Môi trường, 2014 [10] Kiều Thị Thúy, "Nghiên cứu ứng dụng mơ hình WRF dự báo mưa lưu vực sông Đồng Nai," Đại học khoa học tự nhiên Tp.HCM, 2012 38 ... sánh lượng mưa dự báo thực đo cho thấy với hạn dự báo 24h 48h WRF dự báo lượng mưa dự báo gần với lượng mưa thực đo, với hạn dự báo 72h mơ hình cho kết quả dự báo chưa xác Trong đợt mưa ngày... trạm, lượng mưa dự báo thấp so với thực đo, hạn dự báo 72h WRF dự báo có mưa 3/5 trạm, riêng trạm Cần Giờ Bình Chánh WRF dự báo sai quan trắc khơng có mưa 18 Hình 13 Lượng mưa dự báo thực đo... hình chi cho kết quả tốt trạm Cần Giờ Bình Chánh, trạm lại WRF dự báo có mưa quan trắc khơng mưa Hình 12 Lượng mưa dự báo thực đo 7-10/10/2016 Với hạn dự báo 24h 48h WRF cho kết quả dự báo tốt