BÁO CÁO TỔNG KẾT
BÁO CÁO TỔNG KẾT
CHỊU TRÁCH NHIỆM CHÍNH THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
I. SƠ LƯỢC VỀ SINH VIÊN:
II. QUÁ TRÌNH HỌC TẬP (kê khai thành tích của sinh viên từ năm thứ 1 đến năm đang học):
LỜI CẢM ƠN
3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt
ARW
Mô hình WRF tiên tiến (Advanced Research WRF)
BMJ
Sơ đồ tham số hóa đối lưu Betts-Miller-Janjic (Betts-Miller-Janjic Scheme)
GD
Sơ đồ tham số hóa đối lưu Grell-Devenyi (Grell-Devenyi Scheme)
GFS
Số liệu dự báo toàn cầu (Global Forecast System)
IR
Ảnh hồng ngoại (Infraced Image)
ITCZ
Dải hội tụ nhiệt đới (Inter Tropical Convergence Zone)
JMA
Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (Japan Meteorology Agency)
KF
Sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fristch (Kain-Fristch Scheme)
KMA
Cơ quan Khí tượng Hàn Quốc (Korea Meteorology Agency)
MAE
Sai số trung bình tuyệt đối (Mean Absolute Error)
ME
Sai số trung bình (Mean Error)
MM5
Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5 (Fifth-Generation NCAR Mesoscale Model)
MP
Tham số vi vật lý mây (Micro Physics)
NCEP
Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ (National Centers for Environmental Prediction
NOOA
Cục quản lý đại dương và khí quyển quốc gia Mỹ (National Oceanic and Atmospheric Administration)
PBL
Lớp biên hành tinh (Planet Boundary Layer)
SLP
Khí áp mực biển (Sea Level Pressure)
SST
Nhiệt độ bề mặt nước biển (Sea Surface Temperature)
STS
Bão rất mạnh (Severe Tropical Storm)
TD
Áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression)
TS
Bão nhiệt đới (Tropical Storm)
TY
Siêu bão (Typhoon)
VIS
Ảnh thị phổ (Visible Image)
WRFDA
Đồng hóa dữ liệu WRF (WRF Data Assimilation)
WRF
Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết (Weather Research and Forecasting)
XTNĐ
Xoáy thuận nhiệt đới
DANH MỤC BẢNG
ĐẶT VẤN ĐỀ
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI, VAI TRÒ CỦA ĐỒNG HÓA
DỮ LIỆU VỆ TINH VÀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY
1.1 Khái quát chung về bão
1.1.1. Một số khái niệm và phân loại bão
Bảng 1.1. Thang độ và miêu tả thang sức gió Beaufort
Bảng 1.2. Phân loại bão theo cấp gió
Bảng 1.3. Thang bão Saffir – Simpson
1.1.2 Cấu trúc của bão
Hình 1.1 Cấu trúc của bão theo mặt cắt thẳng đứng
(Nguồn: https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&q=huricane%20structure#imgrc=ckqcN_9un6-PvM:)
Hình 1.2 Mắt bão trên ảnh mây vệ tinh của hai siêu bão Haiyan (2013) và Harvey (2017) từ trái qua phải
Ảnh mây vệ tinh cơn bão Haiyan (2013) được khai thác tại đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&sa=1&ei=GoAGW6mfOo6M8gXwwrWoAw&q=Haiyan+storm&oq=Haiyan+storm&gs_l=img.3..0j0i30k1j0i5i30k1j0i8i30k1.11537.14015.0.14111.10.8.2.0.0.0.181.853.5j3.8.0....0...1c.1.64.img..1.7.602...0i19k1j0i7i30i19k1j0i7i30k1j0i7i5i30k1j0i8i7i30k1.0.aj9UORNjUq4#imgrc=Qv3EEAiQBbeKyM:
Ảnh mây vệ tinh của cơn bão Harvey (2017) được khai thác tại đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?tbm=isch&sa=1&ei=CoAGW7L_I8-M8gWNh5OwBg&q=eye+harvey+hurricane&oq=eye+harvey+hurricane&gs_l=img.3...288070.288724.0.288890.4.4.0.0.0.0.97.336.4.4.0....0...1c.1.64.img..0.0.0....0.4l5rPx8332w#imgrc=ukYhzXhLuIlaSM:
2. Thành mắt bão (Eye Wall)
Hình 1.3 Thành mắt bão trên ảnh mây vệ tinh
Ảnh thành mắt bão được khai thác trực tiếp thông qua đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?biw=975&bih=550&tbm=isch&sa=1&ei=7YUGW5nKDcil8QXnvaWYBg&q=eye+wall&oq=eye+wall&gs_l=img.3..35i39k1j0j0i30k1l3j0i10i30k1j0i30k1l4.25966.25966.0.26230.1.1.0.0.0.0.111.111.0j1.1.0....0...1c.1.64.img..0.1.111....0.7yQpmT-03TM#imgrc=wEnC_5q2Ti3XLM:
và tại đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?biw=975&bih=550&tbm=isch&sa=1&ei=7YUGW5nKDcil8QXnvaWYBg&q=eye+wall&oq=eye+wall&gs_l=img.3..35i39k1j0j0i30k1l3j0i10i30k1j0i30k1l4.25966.25966.0.26230.1.1.0.0.0.0.111.111.0j1.1.0....0...1c.1.64.img..0.1.111....0.7yQpmT-03TM#imgrc=VJpSR03zM7J5nM:
Hình 1.4 Dải mây mưa (Rainbands) trên ảnh mây vệ tinh
Ảnh dải mây mưa trên ảnh mây vệ tinh được khai thác qua đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?biw=1920&bih=889&tbm=isch&sa=1&ei=ZYcGW7_3NsLc8QXKhqWICg&q=Rainbands&oq=Rainbands&gs_l=img.3..0i19k1l3j0i30i19k1j0i5i30i19k1.11905.11905.0.12095.1.1.0.0.0.0.99.99.1.1.0....0...1c.1.64.img..0.1.97....0.7Jqzk_xFJeU#imgrc=2VeVTiMGqP_G4M:
và tại đường dẫn:
https://www.google.com.vn/search?biw=1920&bih=889&tbm=isch&sa=1&ei=ZYcGW7_3NsLc8QXKhqWICg&q=Rainbands&oq=Rainbands&gs_l=img.3..0i19k1l3j0i30i19k1j0i5i30i19k1.11905.11905.0.12095.1.1.0.0.0.0.99.99.1.1.0....0...1c.1.64.img..0.1.97....0.7Jqzk_xFJeU#imgrc=qWkZogkcBJq8TM:
1.1.3. Các điều kiện hình thành bão
1.1.4 Các giai đoạn phát triển của bão
Ảnh mây vệ tinh từng giai đoạn của cơn bão Damrey (2017) được khai thác trực tiếp qua website:
http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/summary/wnp/s/201723.html.en
1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu bão
1.3 Dữ liệu vệ tinh và sự cần thiết của việc đồng hóa dữ liệu vệ tinh
1.4 Phương pháp và vai trò ban đầu hóa xoáy trong dự báo bão
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, SỐ LIỆU VÀ MIỀN TÍNH
2.1 Mô hình WRF
2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF
2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF
Mô hình WRF gồm các bộ phận chính sau:
2.1.3 Các sơ đồ tham số hóa vật lý
2.2 Nguồn số liệu
2.3. Miền tính
2.4 Các sơ đồ tham số hóa sử dụng trong mô hình
2.5 Phương pháp nghiên cứu
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Sau khi chạy khởi tạo nhằm cung cấp trường ban đầu cho mô hình, em tiến hành chạy mô hình WRF với lưới lồng di động với độ phân giải lần lượt là 18km – 6km với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau bao gồm sơ đồ Betts-Miller-Janjic, Kain-Fritsch, Grell-Devenyi. Sau đây em sẽ trình bày kết quả nghiên cứu theo từng từng giai đoạn phá triển của bão.
3.1. Kết quả mô phỏng cơn bão Damrey (2017)
3.1.1. HIển thị kết quả
1. Giai đoạn hình thành
Hình 3.1. Bản đồ nhiệt độ bề mặt và khí áp mực biển vào 18Z 31/10/2017 với lần lượt ba mô phỏng của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD - KF.
Hình 3.2 Bản đồ trường gió ngang và tốc độ gió lúc 18Z 31/10/2017 lần lượt ở ba mô phỏng với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF.
Hình 3.3 Bản đồ mặt cắt vĩ hướng qua tâm bão của trường khí áp mực biển và tốc độ gió ở độ cao 10m lúc 18Z ngày 31/10/2017 của ba mô phỏng với lần lượt ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF.
Hình 3.4 Bản đồ phân bố mưa vào 18Z ngày 31/10/2017 lần lượt của mô phỏng với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ - GD – KF.
Hình 3.5 Bản đồ độ phản hồi vô tuyến vào 18Z ngày 31/10/2017 của lần lượt mô phỏng với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ - GD – KF.
Hình 3.6 Bản đồ mặt cắt vĩ hướng trường tốc độ gió ngang và tổng tỉ số xáo trộn ngưng kết với mô phỏng của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF.
Hình 3.7 Bản đồ mặt cắt kinh hướng tốc độ gió thẳng đứng, tốc độ gió ngang và tổng tỉ số xáo trộn ngưng kết với mô phỏng của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF.
Hình 3.8 Bản đồ nhiệt độ bề mặt và khí áp mực biển vào 18Z ngày 01/11/2017 với lần lượt mô phỏng của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD- KF.
Hình 3.9 Bản đồ gió ngang và tốc độ gió lúc 18Z 01/11/2017 với mô phỏng lần lượt ở ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF trên mực 950mb.
Phân tích bản đồ mặt cắt kinh hướng khí áp mực biển và tốc độ gió ở độ cao 10m lúc 18Z ngày 01/11/2017 (hình 3.10), trong mô phỏng với sơ đồ BMJ, trị số khí áp trung tâm của bão đạt khoảng 998mb, so với ngày 31/10 trị số khí áp trung tâm đã giảm 6mb. Tốc độ gió mạnh nhất vùng gần tâm bão tại độ cao 10m đạt 19m/s. Vùng có tốc độ gió mạnh nhất này nằm ở phần phía bắc của mắt bão. Trong mô phỏng với sơ đồ GD, trị số khí áp tại tâm bão đạt 995mb, giảm 7mb so với ngày 31/10. Tốc độ gió mạnh nhất vùng gần tâm bão tại độ cao 10 m lên tới 23m/s và phân bố ở phần phía nam của mắt bão. Trong ba mô phỏng, mô phỏng với sơ đồ KF, trị số khí áp trung tâm giảm xuống thấp nhất, so với ngày 31/10 trị số khí áp trung tâm giảm 11mb, đạt khoảng 991 mb. Tốc độ gió mạnh nhất nằm ở phía nam của mắt bão, gió ở đây đạt tốc độ lên tới 25m/s, lớn nhất trong ba mô phỏng.
Phân tích bản đồ mặt cắt vĩ hướng khí áp mực biển và tốc độ gió ở độ cao 10m lúc 18Z ngày 01/11/2017 (hình 3.11), trị số khí áp trung tâm của bão tương tự như phân tích trong bản đồ mặt cắt kinh hướng. Tốc độ gió mạnh nhất tại độ cao 10m trên mô phỏng với sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ và GD nằm ở phần phía đông của mắt bão, lần lượt là 18m/s và 24m/s. Trong mô phỏng với sơ đồ KF, tốc độ gió cực đại phân bố đối xứng giữa hai bên thành mắt bão, đạt xấp xỉ 25m/s.
Phân tích hình 3.12 bản đồ phân bố mưa lúc 18Z ngày 01/11/2017, ta thấy được vùng mưa rất lớn với lượng từ 85 – 95 mm trên cả ba mô phỏng. Vùng mưa tập trung ở phía tây và phía đông của mắt bão. Vùng mưa phần phía tây mắt bão lớn hơn ở phần phía đông. Càng đi ra phía ngoài lượng mưa giảm dần, phổ biến từ 30 - 50mm. Tuy nhiên ba sơ mô phỏng có sự khác nhau ở vùng mưa phía đông quần đảo Lu-zon của Phi-lip-pin. Trên mô phỏng với sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ, lượng mưa chủ yếu ở đây đạt từ 30 – 45mm; khi mô phỏng bằng sơ đồ GD và KF, lượng mưa ở đây đạt trên 80 mm kéo dài từ phía bắc xuống phía nam.
Phân tích hình 3.13, ta thấy vùng có độ phản hồi lớn tương ứng với vị trí của cơn bão. Từ ngoài vào bên trong tâm bão, độ phản hồi vô tuyến càng lớn. Rìa phía ngoài độ phản hồi từ 15 - 20dbz. Càng vào trong độ phản hồi tăng dần phổ biến từ 20-35 dbz. Vùng có độ phản hồi lớn nhất tập trung theo một dải gần với mắt bão, ở đây độ phản hồi có thể đạt 50 - 60dbz. Ở ba sơ đồ tham số hóa đối lưu, độ phản hồi có sự khác biệt nhất định của vùng gần tâm bão. Ở sơ đồ GD và KF, vùng có độ phản hồi lớn tập trung theo một dải ở khoảng vĩ tuyến 12°N, còn ở sơ đồ BMJ vùng có độ phản hồi lớn phân bố rải rác xung quanh mắt bão. Trong cả ba mô phỏng, hoàn lưu của bão được mở rộng mạnh về phía nam.
Phân tích bản đồ mặt cắt vĩ hướng (hình 3.14), ta thấy lúc 18Z ngày 01/11/2017 tổng lượng hơi nước ngưng kết trong mây phía trong cơn bão đã được tăng lên so với ngày 31/10/2017. Trong mô phỏng với sơ đồ tham số hóa đối lưu GD cấu trúc đối xứng giữa hai bên thành mắt bão được mô phỏng tốt hơn ở hai sơ đồ còn lại. Giữa hai bên thành mắt bão, phần phía tây tập trung phần lớn lượng ẩm hơn là phần phía đông, được thể hiện qua tỉ số xáo trộn ngưng kết tạo thành cột khá dày phát triển từ bề mặt lên tới mực 100mb. Đặc biệt vùng gần tâm bão có tỉ số xáo trộn ngưng kết khá lớn, đạt từ 3 – 4,5g/kg. Phần phía đông của mắt bão, lượng hơi nước ngưng kết tỏng mây phân bố tập trung thành từng dải xen lẫn với vùng không mây. Càng gần mắt bão và càng lên cao lượng ẩm càng lớn. Với mô phỏng bằng sơ đồ BMJ và KF, lượng hơi nước ngưng kết trong mây tập trung chủ yếu ở phần phía tây, phát triển từ mực 1000mb lên tới mực 100mb. Với mô phỏng của sơ đồ GD, lượng hơi nước ngưng kết trong mây lớn hơn so với hai sơ đồ còn lại, với tỉ số xáo trộn ngưng kết đạt 4-6g/kg. Ngoài ra, tốc độ gió trong bão cũng có sự khác nhau giữa các mô phỏng. Với sơ đồ BMJ, tốc độ gió cực đại đạt 20m/s phát triển từ bề mặt tới mực 700mb. Mô phỏng với sơ đồ BMJ, tốc độ gió cực đại đạt 20m/s phát triển từ mực 1000mb đến mực 700mb và tập trung ở phần phía đông của bão. Với mô phỏng của sơ đồ GD, tốc độ gió cực đại đạt 25m/s, phân bố đồng đều hai bên mắt bão. Trong mô phỏng của sơ đồ KF, đường đẳng tốc 20m/s phát triển từ mực 1000mb đến 100mb ở phía tây mắt bão, phía đông mắt bão, đường đẳng tốc 20m/s phát triển tới độ cao thấp hơn, từ 1000mb đến 500mb.
Phân tích bản đồ mặt cắt kinh hướng lúc 18Z ngày 01/11/2017 (hình 3.15), ta thấy sự bất đối xứng giữa hai bên thành mắt bão ở cả ba mô phỏng. Trong mô phỏng với sơ đồ tham số hóa đối lưu GD và KF, tổng hơi nước ngưng kết trong mây tập trung chủ yếu ở phần phía nam của mắt bão, được thể hiện qua cột khá dày phát triển từ bề mặt lên tới mực 100mb. Trong sơ đồ KF, tỉ số xáo trộn ngưng kết phổ biến đạt từ 3 – 5g/kg, còn sơ đồ GD cho kết quả tỉ số xáo trộn ngưng kết nhỏ hơn, đạt từ 0,4 – 1g/kg. Vùng có tỉ số trên 3g/kg chỉ tồn tại trên mực 400mb tới mực 100mb. Trong mô phỏng với sơ đồ BMJ, phần có tỉ số xáo trộn ngưng kết lớn ở phần phía bắc của mắt bão. Vùng có tỉ số xáo trộn ngưng kết đạt trên 3 g/kg phát triển từ mực 600 tới mực 100 mb. Phần phía nam của mắt bão, tỉ số xáo trộn dao động từ 0,1 – 1g/kg. Tốc độ gió cực đại đạt 25m/s duy trì từ bề mặt tới trên mực 800mb trong hai mô phỏng của sơ đồ BMJ. Trong mô phỏng với sơ đồ KF, tốc độ gió cực đại cũng đạt 20 m/s nhưng được duy trì từ bề mặt tới mực 100 mb. Trường hợp sử dụng sơ đồ GD, tốc độ gió cực đại đạt 25m/s tại phía bắc của bão, phát triển từ mực 1000-700mb.
3. Giai đoạn chín muồi
a. Mô phỏng lúc 18Z ngày 02/11/2017
Phân tích bản đồ bề mặt (hình 3.16), cơn bão số 12 tiếp tục di chuyển sang phía tây đi sâu vào biển Đông nơi có nhiệt độ bề mặt từ 28-29°C, phần phía đông của bão nhiệt độ bề mặt nước biển cao hơn 29-30°C. Ở ba mô phỏng vị trí tâm bão và trị số khí áp trung tâm có sự khác biệt. Đối với sơ đồ BMJ tâm bão ở khoảng 13°N-115°E với trị số khí áp trung tâm đạt 984mb. So với ngày 01/11, trị số khí áp trung tâm giảm 14mb. Với sơ đồ GD và KF, vị trí tâm bão gần như trùng nhau, ở khoảng 12,4°N-115°E. Trị số khí áp trung tâm của sơ đồ GD đạt 973mb, giảm 22mb so với ngày 01/11. Mô phỏng với sơ đồ KF trị số khí áp tại tâm bão đạt 964mb, giảm 27mb so với ngày 01/11. Như vậy, trường hợp mô phỏng với sơ đồ KF, khí áp giảm nhanh hơn so với hai sơ đồ còn lại với gradient khí áp đạt 27mb/ngày.
Trên mặt cắt vĩ hướng lúc 18Z ngày 02/11/2017 (hình 3.21), trị số khí áp trung tâm của bão và tốc độ gió cực đại tại độ cao 10m tương tự như phân tích ở mặt cắt kinh hướng. Trong ba mô phỏng, sơ đồ KF cho kết quả sự đối xứng trường áp và tốc độ gió tại độ cao 10 m trong cấu trúc thẳng đứng tốt hơn hai sơ đồ còn lại.
b. Mô phỏng lúc 12Z ngày 03/11/2017
Phân tích trường gió, với mô phỏng bằng sơ đồ BMJ, tốc độ gió cực đại đạt 40m/s, duy trì từ mặt đất tới trên mực 800mb. Mô phỏng bằng sơ đồ GD, tốc độ gió cực đại lên tới 55m/s, phát triển từ bề mặt tới mực 800mb. Với mô phỏng sơ đồ KF, tốc độ gió cực đại đạt 55m/s duy trì từ mặt đất tới gần mực 700mb. Tại cả ba mô phỏng tốc độ gió cực đại đều ở vùng thành mắt bão và nằm ở phía bắc của mắt bão.
4. Giai đoạn tan rã
Xem xét sự phân bố mưa trên hình 3.33, vùng mưa lớn (trên 85mm) tập trung ở các tỉnh Quảng Ngãi, Bình Định và Phú Yên. Vùng mưa với lượng từ 30 – 50mm diễn ra trên khu vực Tây Nguyên.
Phân tích bản đồ độ phản hồi vô tuyến vào 06Z ngày 04/11/2017 (hình 3.34), ta có thể thấy hoàn lưu của bão đã suy yếu, không còn cấu trúc đối xứng như trong 12Z ngày 03/11. Trong mô phỏng với sơ đồ BMJ và KF, độ phản hồi vô tuyến phổ biến từ 20-35dbz. Trong sơ đồ GD, vẫn còn những điểm có độ phản hồi trên 50dbz trên khu vực tỉnh Đà Nẵng, Bình Định, Phú Yên, Quảng Ngãi.
Hình 3.37 Bản đồ synop tại bề mặt lúc 01h và 07 ngày 04/11/2017
), các tỉnh duyên hải Nam Trung Bộ chịu ảnh hưởng của rìa phía nam lưỡi áp cao lục địa kết hợp với rìa phía bắc hoàn lưu cơn bão số 12.
3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng
Bảng 3.1. Sai số của Pmin tại các hạn mô phỏng của từng sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF trong ngày 31/10/2017
Hình 3.40 Biểu đồ sai số trung bình và trung bình tuyệt đối tại các hạn mô phỏng của ba sơ đồ BMJ – GD – KF ngày 31/10/2017
Bảng 3.2 Sai số của Pmin tại các hạn mô phỏng của từng sơ đồ tham số hóa đối lưu
BMJ – GD – KF trong ngày 01/11/2017
Hình 3.41 Biểu đồ sai số trung bình và trung bình tuyệt đối tại các hạn mô phỏng của ba sơ đồ BMJ – GD – KF ngày 01/10/2017
Bảng 3.3 Sai số Pmin tại các hạn dự báo của từng sơ đồ tham số hóa đối lưu
BMJ – GD – KF trong ngày 02/11/2017
Hình 3.42 Biểu đồ sai số trung bình và trung bình tuyệt đối tại các hạn mô phỏng của ba sơ đồ BMJ – GD – KF ngày 02/10/2017
Bảng 3.4 Sai số Pmin tại các hạn dự báo của từng sơ đồ tham số hóa đối lưu
trong ngày 03/11/2017
Hình 3.43 Biểu đồ sai số trung bình và trung bình tuyệt đối tại các hạn mô phỏng của ba sơ đồ BMJ – GD – KF ngày 03/10/2017
Hình 3.44 Biểu đồ giá trị Pmin với mô phỏng bằng mô hình và quan trắc
b. Đánh giá sai số tốc độ gió lớn nhất (vmax) vùng gần tâm bão
Bảng 3.5 Bảng sai số tốc độ gió lớn nhất vùng gần tâm bão ngày 02/11/2017
Hình 3.45 Biểu đồ sai số vận tốc gió cực đại ngày 02/11/2017 của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD - KF
Hình 3.46 Biểu đồ sai số vận tốc gió cực đại ngày 03/11/2017 của ba sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ – GD – KF
Bảng 3.6 Bảng sai số tốc độ gió lớn nhất vùng gần tâm bão ngày 03/11/2017
3.2. Kết quả mô phỏng cơn bão Haiyan (2013)
3.2.1. Ban đầu hóa xoáy bằng cycle_warm
Để tiến hành ban đầu hóa cần nguồn số liệu đầu vào. Nguồn số liệu ban đầu cho quá trình khởi tạo là số liệu besttrack của cơn bão Haiyan, được viết theo định dạng của JTWC. Sau khi chạy xong chương trình đọc số liệu quan trắc sẽ tạo ra các file dữ liệu bao gồm thông tin về ngày, tháng, năm, giờ bắt đầu chạy mô phỏng; tọa độ tâm bão, tốc độ gió lớn nhất (vmax), khí áp thấp nhất (Pmin), bán kính (Rmax) của cơn bão. Sử dụng các dữ liệu ban đầu để chạy khởi tạo, thông thường máy sẽ chạy hết 80 vòng, sau đó em chọn một vòng gần với dữ liệu trong besttrack nhất (Vmax < 2m/s, Pmin < 5mb) để chạy mô phỏng với lần lượt ba sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau.
Sau khi nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng cấu trúc của cơn bão Haiyan(2013) với các sơ đồ tham số hóa khác nhau, em xin trình bày kết quả mô phỏng cấu trúc của cơn bão từ 06/11 đến 11/11/2013.
3.2.2. Hiển thị kết quả
a. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 06/11/2013
Phân tích bản đồ bề mặt 00Z ngày 06/11 (hình 3.48), ta thấy cơn bão Haiyan đang hoạt động trên vùng biển Tây Thái Bình Dương. Tuy nhiên mô phỏng với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau cho kết quả khác nhau. Với mô phỏng bằng sơ đồ BMJ, vị trí tâm bão ở khoảng 8°N-114°E. Khi mô phỏng bằng sơ đồ GD, vị trí tâm bão ở khoảng 6.5°N-142°E. Còn khi mô phỏng bằng sơ đồ KF, vị trí tâm bão ở 9°N-134°E.
Trên bản đồ đồ phản hồi vô tuyến lúc 00Z ngày 06/11/2013 (hình 3.49), trên cả ba mô phỏng với lần lượt ba sơ đồ tham số đối lưu đều mô phỏng được cấu trúc của bão. Cả ba mô phỏng đều mô phỏng được phần có độ phản hồi lớn từ 40-55dbz nằm ở phía nam của mắt bão. Tuy nhiên trong ba sơ đồ, mô hình chạy thử nghiệm với sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ và GD ngoài thể hiện được độ phản hồi của cơn bão mà còn mô phỏng được dải mây phía bắc rìa cơn bão.
Tương ứng với vùng có độ phản hồi vô tuyến cao là những vùng có lượng giáng thủy lớn. Vùng có độ phản hồi trên 50dbz đều có lượng mưa trên 900 mm. Vùng có độ phản hồi trung bình từ 25-35dbz ứng với vùng có lượng mưa từ 30-50mm (hình 3.50).
Trên bản đồ mặt cắt vĩ hướng 00Z ngày 06/11 (hình 3.51), có thể thấy cấu trúc khá đối xứng của cơn bão Haiyan, đặc biệt với mô phỏng bằng sơ đồ KF. Lượng ẩm chủ yếu tập trung ở phần phía trên của cơn bão, từ mực 500-200mb, phổ biến trên 1g/kg, có những vùng lên đến 5g/kg. Trong ba mô phỏng, hoàn lưu của cơn bão khi mô phỏng với sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ nhỏ hơn so với hai sơ đồ còn lại. Phân tích tốc độ gió trong cơn bão, tốc độ gió lớn nhất trong sơ đồ BMJ đạt 35m/s và duy trì lên đến mực 950mb. Với sơ đồ GD tốc độ gió lớn nhất đạt 45m/s và duy trì từ mực 900-800mb. Với sơ đồ KF, tốc độ gió lớn nhất đạt 75m/s trên mực 900mb.
Trong mặt cắt kinh hướng, cấu trúc của bão cũng được thể hiện rất rõ tại ba mô phỏng. Trên bản đồ, tổng ẩm phát triển từ bề mặt lên tới mực 100mb. Càng lên cao lượng ẩm càng tăng, vùng có lượng ẩm đạt 3-5g/kg cũng mở rộng, đặc biệt từ mực 500mb. Các đường biểu diễn tốc độ gió hai bên mắt bão khá dày xít. Với sơ đồ BMJ, tốc độ gió lớn nhất đạt 45m/s duy trì từ mực 900mb đến mực 500mb. Với sơ đồ GD, tốc độ gió lớn nhất đạt 70m/s trong khi sơ đồ KF, mô hình cho kết quả tốc độ gió lớn nhất đạt 75m/s duy trì trên mực 900mb (hình 3.52).
b. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 07/11/2013
Trên bản đồ bề mặt 00Z ngày 07/11/2013, bão Haiyan tiếp tục di chuyển theo hướng tây tây bắc tiến đến vùng biển phía đông Phi-lip-pin. Hoàn lưu bão không ngừng mở rộng cùng với sự khơi sâu của khí áp. Trên bản đồ tâm bão ở khoảng 9°N-134°E (hình 3.53).
Trên bản đồ độ phản hồi vô tuyến 00Z ngày 07/11/2013 (hình 3.54), ta thấy hoàn lưu của bão Haiyan trong 07/11 được mở rộng và có hình dạng tương đối trong so với ngày 06/11. Kết quả mô hình với sơ đồ KF chỉ mô phỏng được hoàn lưu của bão và dải mây phía tây mà chưa mô phỏng được phần mây phía nam và phía đông của bão như hai sơ đồ BMJ và GD. Trên cả ba mô phỏng, cấu trúc mắt bão dần được hoàn thành và hình dạng gần tròn. Vùng có độ phản hồi lớn nhất đạt 55-60dbz tập trung xung quanh mắt bão. Đi từ thành mắt bão ra tới ngoài rìa, độ phản hồi vô tuyến càng nhỏ. Tại rìa cơn bão độ phản hồi chỉ đạt 10-15dbz.
Tương ứng với vùng có độ phản hồi lớn trên bản đồ độ phản hồi vô tuyến là những vùng có lượng mưa lớn. Trên hình 3.39, vùng có lượng mưa 85-90mm chiếm phần lớn diện tích hoàn lưu bão. Vùng có lượng mưa vừa tập trung phía rìa cơn bão.
Trên mặt cắt vĩ hướng của cơn bão Haiyan lúc 00Z ngày 07/11/2013 (hình 3.56), cấu trúc của bão ngày càng mở rộng và có sự đối xứng rõ rệt. Đường biểu diễn tốc độ gió ngang hai bên thành mắt bão càng dày xít, đặc biệt trong mô phỏng của mô hình với tham số GD. Mắt bão ở khoảng 133,5°E, tốc độ gió hai bên thành mắt bão đạt 70m/s trong sơ đồ GD và KF. Ngoài lượng ẩm được tăng cường từ mặt đất lên tới mực 100mb, trên bản đồ ta thấy những rải có độ ẩm 3-5g/kg xung quanh bão, đó chính là dải mưa trong bão.
Trên mặt cắt kinh hướng, ta có thể thấy cấu trúc đối xứng khá rõ trên mô phỏng với sơ đồ BMJ. Tâm bão ở khoảng 9,5°N. Từ mặt đất lên tới mực 500mb, lượng ẩm phân bố lớn ở phần phía nam của cơn bão.
c. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 08/11/2013
Vào 00Z ngày 08/11/2013, bão Haiyan di chuyển theo hướng tây bắc tới quần đảo Lu-zon của Phi-lip-pin, hoàn lưu bão bao trùm toàn bộ lãnh thổ phía nam của Phi-lip-pin. Tọa độ tâm bão ở khoảng 13°N– 25°E. Trị số khí áp trung tâm tiếp tục giảm. Kích thước hoàn lưu bão hầu như không có sự thay đổi so với ngày 07/11 (hình 3.58).
Vùng mưa do bão gây ra cũng dịch chuyển theo vị trí của bão. Lượng mưa lớn tập trung xung quanh mắt bão và phần hoàn lưu phía đông. Tại 00Z ngày 08/11 bão đã bắt đầu gây ra mưa cho các tỉnh phía đông và phía nam Phi-lip-pin (hình 3.59).
Độ phản hồi vô tuyến của bão Haiyan trong ngày này cũng gần tương tự nhau, riêng sơ đồ GD và BMJ thể hiện rõ độ phản hồi của dải mây mưa phía đông và đông nam (hình 3.60). Hoàn lưu bão trên cả ba mô phỏng đều khá tròn. Vùng gần tâm bão có độ phản hồi lớn từ 50-60dbz.
Trên bản đồ mặt cắt vĩ hướng 00Z ngày 08/11, cấu trúc thẳng đứng của bão ngày càng mở rộng với sự đối xứng cao giữa hai bên thành mắt bão. Đường biểu diễn vận tốc ngày càng ken xít. Tốc độ gió lớn nhất quanh mắt bão đã tăng lên. Với sơ đồ BMJ, tốc độ gió lớn nhất đạt 60m/s, trong hai sơ đồ KF và GD tốc độ gió đã lên tới 80m/s.
Trong khi đó tại bản đồ mặt cắt kinh hướng (hình 3.62), sự đối xứng cũng được thể hiện khá rõ, đặc biệt tại sơ đồ GD. Trong hai sơ đồ BMJ và GD lượng ẩm phân bố gần đối xứng qua thành mắt bão, tuy nhiên kết quả khi mô phỏng bằng sơ đồ KF lượng ẩm tập trung phần phía nam cơn bão nhiều hơn so với phần phía bắc. Hoàn lưu bão theo chiều bắc – nam có phần được mở rộng và lượng ẩm lớn hơn so với hai ngày trước đó.
d. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 09/11
Vào 00Z ngày 09/11/2013, bão Haiyan tiếp tục di chuyển theo hướng tây bắc vượt qua quần đảo Lu-zon Phi-lip-pin, tiến vào biển Đông. Tọa độ tâm bão ở khoảng 12°N – 116°E (hình 3.63).
Trên bản đồ thể hiện độ phản hồi vô tuyến 00Z ngày 09/11/2013 (hình 3.64), ba mô phỏng của mô hình với lần lượt ba tham số hóa đối lưu khác nhau cho kết quả độ phản hồi vô tuyến của cơn bão tương tự nhau. Tuy nhiên hai tham số hóa đối lưu GD và BMJ còn mô phỏng được độ phản hồi của dải mây phía tây của bão mà không có với sơ đồ KF.
Phân tích mặt cắt vĩ hướng 00Z ngày 09/11 (hình 3.67), ba mô phỏng của mô hình đều thể hiện cấu trúc thẳng đứng của bão Haiyan. Cả ba trường hợp cho thấy lượng ẩm tập trung tại phần phía tây của cơn bão. Từ mặt đất lên trên cao tổng ẩm càng lớn. Trong trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ BMJ, tốc độ gió lớn nhất đạt 60m/s, trong trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ GD tốc độ gió lớn nhất đạt 75m/s, còn trong trường hợp sơ đồ KF tốc độ gió lớn nhất đạt 70m/s.
Trong mặt cắt kinh hướng 00Z ngày 09/11 (hình 3.67), mô hình đều mô phỏng được cấu trúc cấu trúc thẳng đứng của bão. Cả trường gió và tổng ẩm gần như đối xứng tại hai bên thành mắt bão. Ba trường hợp mô hình đều cho kết quả gần tương tự nhau, tuy nhiên tốc độ gió lớn nhất tại từng trường hợp là khác nhau. Tốc độ gió lớn nhất trong trường hợp mô phỏng với sơ đồ BMJ đạt 60m/s, với sơ đồ GD đạt 70m/s, trong trường hợp sơ đồ KF đạt 65m/s.
e. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 10/11/2013
Phân tích hình 3.68, vào 00Z ngày 10/11/2013 cơn bão Haiyan tiếp tục di chuyển theo hướng tây bắc tới vùng biển các tỉnh Bắc Trung Bộ. Tọa độ tâm bão ở khoảng 16°N–110°E. Hoàn lưu của cơn bão đã ảnh hưởng đến các tỉnh ven biển Bắc Trung Bộ và Trung Trung Bộ.
Với mô phỏng của mô hình trong ba trường hợp cho kết quả hoàn lưu cơn bão không còn đối xứng, độ phản hồi lớn ở phần phía tây và phía bắc của cơn bão.
Trên bản đồ mặt cắt vĩ hướng 00Z ngày 10/11 (hình 3.72), lượng ẩm tập trung phần phía tây của cơn bão, tổng ẩm đạt từ 0.2-3g/kg. Kết quả với sơ đồ GD và KF tâm bão thể hiện rõ hơn so với sơ đồ BMJ.
Trong ba mô phỏng của mô hình, với tham số hóa đối lưu BMJ cho kết quả tốt hơn so với hai sơ đồ còn lại. Trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ BMJ thấy được sự đối xứng giữa gió và ẩm hai bên thành mắt bão, cấu trúc của như mắt bão.
f. Kết quả mô phỏng 00Z ngày 11/11/2013
Trên bản đồ bề mặt 00Z ngày 11/11/2013 (hình 3.74), bão tiếp tục di chuyển theo hướng bắc tây bắc tới vùng biển thuộc ranh giới Việt - Trung. Tọa độ tâm bão ở khoảng 21N – 107E. Hoàn lưu của bão ảnh hưởng tới địa phận tỉnh Quảng Ninh và các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ.
Trên hình 3.75, độ phản hồi vô tuyến từ 35-50dbz tập trung ở phần phía bắc mắt bão. Hoàn lưu của bão được mở rộng về phía bắc.
Phân tích mặt cắt kinh, vĩ hướng 00Z ngày 11/11/2013 (hình 3.77), cấu trúc của bão không còn sự đối xứng như các ngày trước nhưng lượng ẩm vẫn được duy trì từ bề mặt lên đến mực 200mb.
3.2.3. Đánh giá kết quả mô phỏng
a. Đánh giá sai số Pmin
Để đánh giá kết quả mô phỏng em xin tính toán sai số liên quan đến giá trị khí áp thấp nhiệt tại tâm bão trong từng hạn dự báo.
Các giá trị khí áp thấp nhất tại tâm bão khi dự báo bằng mô hình cho kết quả cao hơn giá trị quan trắc. Với ba sơ đồ, sơ đồ BMJ mô phỏng giá trị khí áp thấp nhất tại tâm bão cao hơn các sơ đồ còn lại. Tại các hạn dự báo, sơ đồ KF cho sai số nhỏ nhất, đặc biệt giá trị sai sô khí áp thấp hạn dự báo 30h là 7mb.
Khi mô phỏng cơn bão với số liệu đầu vào ngày 06/11, giá trị sai số của ba sơ đồ đều lớn. Trong các hạn dự báo, mô hình đều cho kết quả giá trị khí áp thấp nhất tại tâm bão cao hơn giá trị quan trắc. Trong từng hạn dự báo, trường hợp sử dụng sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ cho sai số lớn nhất và sơ đồ KF cho sai số nhỏ nhất.
Trong mô phỏng với số liệu ban đầu ngày 07/11, sai số trị số khí áp thấp nhất trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ lớn nhất. Sơ đồ GD và KF cho sai số nhỏ nhất với hạn dự báo 48h. Trị số sai số lần lượt là 0mb và 1mb. Ngoài ra, hạn dự báo 42h hai sơ đồ đều cho sai số khá nhỏ, sai số lần lượt là 8mb và 10mb.
Phân tích bảng 3.8, sai số của ba sơ đồ trong hạn dự báo trước 18h đều khá lớn. Sai số từ hạn 30h đến 48h của mô hình trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ BMJ đều khá nhỏ, lần lượt là 7mb, 5mb, 3mb, 6mb. Trong trường hợp mô phỏng bằng sơ đồ GD và KF, giá trị sai số khí áp thấp nhất đều có giá trị âm, khí áp trung tâm khi mô phỏng nhỏ hơn giá trị quan trắc. Trong các hạn dự báo từ 24h đến 48h của mô hình với các sơ đồ GD và KF đều khá nhỏ, chênh lệch khí áp đều nhỏ hơn 10mb.
Trong mô phỏng ngày 09/11, giá trị sai số trung bình của trị số khí áp mực biển thấp nhất giữa kết quả của mô hình và giá trị quan trắc đều dương, tức là kết quả của mô hình đều lớn hơn giá trị quan trắc. Cả ba trường hợp mô phỏng đều cho kết quả khá tốt từ hạn 30h-48h. Trong ba sơ đồ, sơ đồ BMJ cho hết quả tốt ở hạn 30h, 36h và 42h.
b. Đánh giá sai số vmax
Phân tích hình 3.84, mô phỏng của mô hình với cả ba sơ đồ tham số hóa đối lưu đều cho kết quả tốc độ gió lớn nhất nhỏ hơn giá trị quan trắc, đồng thời mô hình tính toán xu thế thay đổi tốc độ gió trong hạn dự báo 18h, hạn dự báo càng lớn sai số càng lớn. Trong ba sơ đồ, sơ đồ KF cho kết quả mô phỏng tốc độ gió lớn nhất gần với giá trị quan trắc nhất.
Phân tích biểu đồ giá trị tốc độ gió lớn nhất ngày 06/11/2013, kết quả mô phỏng của mô hình đều thấp hơn giá trị gió cực đại quan trắc được. Trong ngày 06/11, sơ đồ GD và KF biểu diễn khá tốt sự thay đổi của tốc độ gió cực đại.
Trong ngày 07/11/2013, cả ba mô phỏng của mô hình với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu cho kết quả tốc độ gió cực đại nhỏ hơn giá trị quan trắc. Tuy nhiên, mô phỏng đều cho thấy sự biến đổi của tốc độ gió cực đại khá đồng nhất với giá trị quan trắc.
Trong hình 3.87 biểu diễn giá trị tốc độ gió cực đại ngày 08/11/2013, giá trị của vmax giảm dần theo các hạn dự báo. Tại các hạn dự báo của mô hình đều cho kết quả đều thể hiện được sự giảm của tốc độ gió cực đại, trừ kết quả dự báo hạn 24h với sơ đồ KF.
Trong ngày 09/11/2013, tốc độ gió cực đại tiếp tục giảm. Trong hình 3.88, sơ đồ BMJ cho kết quả khá tốt sự thay đổi của tốc độ gió lớn nhất so với ba sơ đồ còn lại.Nhìn chung, ba mô phỏng của mô hình với ba sơ đồ tham số hóa đối lưu cũng biểu diễn được xu hướng thay đổi của giá trị vmax, tuy nhiên sai số giữa giá trị mô hình và quan trắc còn khá lớn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tài liệu nước ngoài