(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu khả năng mô phỏng mùa các yếu tố khí tượng trên lãnh thổ việt nam bằng phương pháp thủy động và thống kê

ĐẠI IIỌC Ọ lló c CIA HÀ NỘI TRI ỞN(; ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN HÒ THỊ MINH HÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG MÙA CÁC YỂU TĨ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ T H ốN G KÊ Chuyên ngành: Khí tượng học Mà số: 62.44.87.01 LUẬN ÁN TIÉN SĨ KHÍ T Ư Ợ N G H Ọ C NGƯỜI HƯỚNG DÀN KHOA HỌC: ] PGS TS Nguyền Hưởng Điền GS TS N&uyền Văn Hữu H À NỘ I - 2008 Mục lục ■ ■ L i c a m đ o a n .1 L i c ả m o m Mục lục .3 Danh mục ký hiệu chữ viết tẳt Danh mục hình ả n h Danh mục bàng 13 Mở đ ẩu 15 Chương CÁC NGHIÊN c ú u VỀ D ự BÁO KHÍ HẬU KHU v ự c BẰNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ 18 1.1 Tình hình nghiên cứu giới 21 1.1.1 Tại cần dự báo khí hậu khu vực mơ hình RCM? 21 1.1.2 Nhĩrng nghiên cứu ứng dụng RCM vào dự báo khí hậu khu vực .26 1.2 Tình hình nghiên cứu nirớc 32 1.3 Những nghiên cứu thống kê hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình số 35 Chương PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA KHÍ HẬU KHU v ự c VÀ PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SẢN PHẤM MƠ HÌNH SỐ (MOS) 38 2.1 Phương pháp mơ hình hóa khí hậu khu vực ứng dụng vào mơ hình RegCM3 39 2.1.1 Động lực học 39 2.1.2 Các thành phần vật lý trone RegCM3 45 2.2 Phương pháp thống kê sản phẩm mơ hình số 66 2.2.1 Các phương pháp đánh giá thốne, kê mơ hình khí h ậ u 66 2.2.2 Phương pháp luyện mạng thần kinh nhân tạo ANN 70 2.3 Neuồn số liệu sử dụng 74 Chương K Ế T Q U Ả M Ô P H Ỏ N G CÁ C T R Ư Ờ N G KHÍ T Ư Ợ N G T R Ê N KIUJ V ự c DƠNG NAM Á BẢNG MỔ HÌNH KHÍ HẬU KHU v ự c R e g C M .7 3.1 Thời tiết, khí hậu khu vực DNA thập kỷ cuối kỷ XX 77 3.2 Hoàn kru, nhiệt độ, dộ ẩm lượng mưa RegCM3 78 3.2.1 Cấu hình động lực 78 3.2.2 Lựa chọn sơ đồ tham sổ hóa vật lý 85 3.2.3 Kết mô 10 năm RegCM3 với tham sổ tối ưu 99 t h n g C Ả I T H IỆ N K Ế T Q U Ả M Ô P H Ỏ N G N H IỆ T Đ ộ V À L Ư Ợ N G MƯA CỬA MỒ HỈNH RegCM3 BẰNG s DÓ THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU MỚI VÀ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH THÓNG K Ê .107 4.1 Cải tiến RegCM3 bàng sơ đồ tham số hóa đối lưu 107 4.1.1 Lý chọn lựa sơ dồ tham số hóa đối kru Tieđtke 107 4.1.2 Mơ hình RegCM3 với sơ đồ đối lưu Tiedtke 109 Đ n h g i t h ố n g k ê .117 4.2 Cải thiện kết quà mô nhiệt độ lượng mưa RegCM3 nhờ h iệ u c h ì n h b n g A N N 126 4.2.1 Lý chọn phương pháp hiệu chinh bầng A N N 126 4.2.2 Các kết sau hiệu chinh 130 K É T L U Ậ N .140 TẢI LIỆU THAM KHẢO .143 1‘I IỤ L Ụ C Danh mục kỷ hiệu chữ viết tắt Acc Accuracy - Độ xác AOCM Atmosphere Global Climate Model - Mơ hình khí hậu tồn cẩu nhánh khí q u y ển ANN Artificial Neural Network - Mạng thần kinh nhân tạo AS Arakavva-Schubert - Tên sơ đồ tham số hóa đối lưu BA’I s Bio-Atmospheric Transfer Scheme - Sơ đồ tương tác khí - bè mặt BTtìộ Bấc Trung Bộ BMJ Betts-Miller-Janjic - Tên sơ đo tham số hóa đối lưu C('M Community Climate Model - Mơ hình Khí hậu cộng dồng CC3CM Couple Global Climate Model - Mô hình khí hậu tồn cầu phối hợp CRU Climatic Research Units - Trung tâm nghiên cứu khí hậu (Anh) DBK.H Dự báo khí hậu DBKHKV D ự b áo khí hậu k h u vực ĐNA Đ ông N am Á ĐBB Đ ông Bẳc Bộ ĐBBB Dồng Bẳc Bộ ECHAM M h ìn h khí hậu toàn cầu th u ộ c V iệ n M a x P la n c k (Đ ứ c ) ECMWF European Center for Medium Range Weather Forecasts báo thời tiẻt hạn vừa Châu Âu ENSO HI Nino-Southern Oscillation - El Nino-Dao động Nam EOF Empirical Orthogonal Function - Hàm trực giao kinh nghiệm IỈR A S ố liệ u tái p h â n tíc h k é t h ợ p s ả n p h ẩ m m h ì n h s ố c ù a E C M W F FC Fritsch-Chappell - Tên sơ đồ tham sổ hóa đối lưu GAIi Grell AS + Bats GCM G lo b a l C lim a te M o d el - M h ìn h khí h ậ u to n cầu GCM Global Circulation Model - Mơ hình hồn lưu chung khí 1ỈK B iệt th ứ c H a n sse n v K u ip crs HQTT H i q u y t u y ế n tín h HRM High Resolution Model - Mỏ hình (dự báo thời tiết) độ phân giải cao - Trung tâm dự HSS 1leidke Skill Score - Chì sơ kỷ í lcidke HSTỌ 1lệ so tương quan 1C ri* International Centre for Theoretical Physics - Trung tâm quốc tế nghiên cứu vật lý lý thuyết (Ý) ITCA Internal Tropical Convection Zone - Dái hội tụ nội nhiệt đới Ipec; Integovemmental Panel on Climate Chanse - Nhỏm nghiên cứu đa phũ biến đối khí hậu MM5 Mesoscale Model - Mơ hình quy mơ vừa thé hệ thứ MOS Model Output Statistics - Thống kè sán phẩm mơ hình NTrBỘ Nam Trung Bộ NCAR National Center for Atmospheric Research (USA) - Trung tàm quốc gia nghiên cứu khí quyén (Mỹ) NCIiP National Center for Environmental Prediction - Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường (Mỹ) NOAA National Oceanographical and Atmospheric Administration - Cơ quan quàn lý Khí - Đại dương (Mỹ) LAM Limited Area Model - Mơ hình khu vực hạn chế LliC Lateral Boundary Condition - Điều kiện biên xung quanh PBL Planetary Boundary Layer - Lớp biên hành tinh PC’A Principal Component Analysis - Phân tích thành phần PSU Pennsynavia States University - Dại hợc bang Pennsynavia RcgCM Regional Climate Model - Mơ hình khí hậu khu vực cùa NCAR RCM Regional Climate Model - Mơ hình khí hậu khu vực SST Sea surface temperature - nhiệt độ nước biển bề mặt T1ĨD Thái Bình Dương TBNN Trung bình nhiều năm TieB Tiedtke + Bats TieZ Tiedtke + Zeng TrTrBỘ Trung Trung Bộ XI Nỉ) Xoáy thuận nhiệt dới V Bắc Việt Bẳc VOS cộng Danh mục hình ảnh ■ H in h 1.1: Phân vùng gió mùa S.P.Khromov (1957) Phần giới hạn hình chừ nhật tỏ đậm khu vực gió mùa ĐNA theo sổ liệu Raniage (1971); .19 ỉ I n h 1.2: Sai số hệ thung cùa nhiệt độ khơng khí bề mặt (°C) giáng thủy (%) giai đoạn 1961-1990 cùa thừ nghiệm sứ dụng mơ hình AOGCM cùa CSIRO Mk2, CCSRj'NIES, ECHAM/OPYC, CGCM1 (tư hợp thành phần) HadCM2 (4 thành phần) 22 H nh 1.3: Dòng chày mùa hè Thụy Điển, (a) lính tốn từ mơ hình thủy văn, sứ dụng quan trắc mưa dòng chảy trạm [Raab Vedin, 1995]; (b) mỏ cùa GCM; (c) mơ phóng cùa RCM độ phân giãi 55km; (d) mô cùa RCM độ phân giái I8km Đơn vị dịng chảy mặt mm (Trích dan từ Christensen vcs., 1998) H n h 1.4: RCM dự báo dược đặc trung hồn hru vốn khơng giái âưực bời GCM Ví dụ trường hựp dự báo xốv thuận nhiệt đới [Giorgi, 2006] 26 H n h 1.5: Khả nàng mô Itrợng mưa nhiệt độ khu vực Tây Á cùa RegCM3 trung bình thời kỳ' từ 1987-2000 [ G i o r g i , 0 ] l i n h 1.6: Kha mô lượng mưa vờ nhiệt độ khu vực Đỏng Á RegCM3 trung bình thời kỳ' từ ì 987-2000 [Giorgi, 2006] .29 H inh : H ình 2 : Các quy mơ khơng gian cùa mỏ hình hậu [ G i o r g i , 0 ] 38 Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb cùa mơ hình RegCM3 [Eỉguindi vcs., 2003] 40 I iình : ỉ inh : Lồng ghép mỏ hình RCM vào GCM bằngphưưng pháp động lực 41 Mô hình mây đối lint chiều ổn định sư đồ Grell [ Grell, 1993 ] ỉ inh 2.5: Mơ hình máy đui lim sáu [Tiedtke, 1989] 56 D ự báo cho địa phương bảng phương pháp thống kê sàn phẩm cùa ỉ lình : GCMhoặc RCM 70 c ẩ u trúc cùa mạng thần kinh sinh hục (trên) cấu trúc ANN H ìn h : (dưới) 71 Mặt lồi hàm cùa trụng số Điếm dốc mặt lỗi nơi H ìn h : soi số tơng cộng nhị 72 Các dạng hàm truyền CƯ bán cùa ANN, (a) hàm Log-sigma, (b) tan- H ìn h : sigma, (c) tuyến tính [Demuth vcs., 2000Ị 72 H ìn h : Mạng thần kinh ìớp theo phương pháp Levenberg-Marquardt 73 H in h 1 : Dạng vectư cùa mạng lớp (rong I lìn h 73 H ìn h 3.1 : Dỏng gió mùa tháng mùa hè (6, 7, 8) Châu Ả H ìn h 2: Đường dịng độ âm trung bình tháng 8/1996 mực 850mb cùa (a) ERA40 (b) RegCMS Đơn vị độ ấm lờ kg/kg 81 H ìn h 3 : Tương tự H ì n h b nhimg miền tích phân rộng phía bắc, hẹp phía cịn lại 82 Hình 3.4: Lượng mua mô (a) GCM_300km, (b) RCM_50km, (c) R C M 25km vờ (d) Quan trắc [Giorgi, 2006], Đơn vị mm/ngày 83 H nil : Ltrợng mưa trung bình tháng năm 1996-1998 mơ phòng bới (a)RegCM3_60km (b) RegCM3 45km Dơn vị mm/ngày 84 H n h : Sai số RMSE cùa lượng mưa trung bình tháng 6-8/1996-1998 cùa (a) RegCM3 60km (b) RegCM3_45km Đơn vị mm/ngày 84 H n h : Nhiệt ĩỉộ (tộ cao 2m trung bình tháng 8/1996 (a) CRU, (b) Reg+GAS, (c) Reg+GFC (d) Reg+BMJ Đơn vị độ c 87 H n h : Lượng mưa trung bình tháng 8/1996 cùa (a) CRU, (b) Reg+GAS, (c) Reg+GFC (d) Reg-+ BMJ Đơn vị mm/ngày 88 Minh : Profile (a) nhiệt độ vờ (b) độ am trung bình tháng 8/1996 lơv (rung hình khu vực từ I2-22N, 106-11OE cùa Reg+GFC cùa phiên ban nàv lượng mưa đổi lưu giảm nửa Dưn vị nhiệt độ íỉộ c, iíưn vị độ âm riêng kg/kg 92 H i n h : Lượng mưa trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GFC (b) Reg+GFC lượng mưa đổi Ịtru giảm I nửa Đơn vị mm/ngày 93 H ì n h 1 : Nhiệt độ 2m trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GFC (b) Reg+CỈFC lượng mưa đối lưu giám nửa Đơn vị độ c 93 H ì n h : Chuối thời gian cùa CAPE (J/kg), CAPE âm (NCAPE) (J/kg) lượng mưa quan trắc (mm/ngày) Đường dậm CAPE, đường chấm, gạch NCAPE vờ đường nét đứt tốc độ mưa [Xie Zhang, 2000] 94 H ì n h 3 : Lượng bóc từ đại dương vào khí quyến cùa (a) Reg+GAB (b) Reg+G AZ trung bình 6-8/1996 Đơn vị mm/ngày H ì n h : Tirơng tự H ì n h 3 thông lượng hiến nhiệt Đơn vị w/tn Vùng màu nhụt (giá trị âm) chi nhiệt từ khí quyến v đại dương, vùng màu sâm (giá trị dương) chi thơng lirựrtg nhiệt hướng từ đại dirưng vào khí quyến H ì n h : Nhiệt độ 2m trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GAB (b)Reg+GAZ Đơn vị độ c 99 H ì n h : Áp suất mực biến trung bình J tháng 6-8/1991-2000 cùa (a) ERA40 (b) Reg+GAB Đơn vị mb 100 H ì n h : Lirợng mưa trung bình mùa hè 10 năm (aj CRU (b) Reẹ+ GAB Đơn vị mm/ngày 100 H ì n h : Hiệu nhiệt itộ 2m trung bình mùa hè (roniỊ 10 năm (91-00) Reg+GAB CRU Đưn vị độ c 102 H ì n h : Sai số RMSE cùa nhiệt độ 2m trung bình tháng 6-8 cùa 10 năm (91-00) cùa Reg^rGAB so với CRU Đơn vị độ c 102 Lát cắt thời gian - lỉộ cao cùa hiệu (a) nhiệt itộ (b) độ ấm H ìn h : phiên bán Reg+GAB so với ERA-10 10 năm, (ừ ì 99ì -2000 Dưn vị nhiệt dụ độ c, liưn vị độ âm g/kg 103 Sai su RMSE cùa ỉưựng mua trung bình tháng 6-8 10 năm (91- H in h 1: 00) cùa Reg+GAB so với CRU Đơn vị mm/ngày 104 Hình 4.1: Tương tự Hình 3.16 nhung phiên bủn Reg+ TieB 110 Hinh 4.2: Tương tự Hình 3.20a phiên bán Reg+ TieB Đưn vị độ c 111 Hiệu nhiệt độ 2m trung bình 30 tháng cùa Reg+TieB so với H ìn h : CRU Đưn vị độ c Màu sẫm chi sai số âm lớn 111 Hình 4.4: Sai so RMSE cùa nhiệt độ 2m trung bình tháng 6-8 10 năm (91-00) cùa Reg+ TieB so với CRU Đơn vị độ c 112 H in h : Profile độ ẩm trung bình tháng cùa năm (a) 1998 (ẩm nhiều), (b) 1992 (ấm trung bình) (c) 199ỉ (ẩm it) Đơn vị kg/kg 113 H ìn h : Đường dịng độ âm mực 850mb trung bình tháng 6-8/91-00 cùa (a) ERA40, (b) Reg+GAIĨ (c) Reg+ TieB Đơn vị độ ấm kg/kg 113 H ìn h : Tương tự Hình 3.20b phiên Reg+TieB Dơn vị g/kg 114 Mình : Lưựng mưa ngày tưng cộng trung bình tháng /ỉ 996 (a) CRU lượng mưa đỏi hni cùa (b) Reg+GAB (c) Reg+TieB Đưn vị mm/ngày .115 H ìn h : Lượng mưa trung bình tháng 8/1997 (năm mưa) cùa ịaj CRU, (b) Reg+GAB (c) Reg+TieB Đơn vị mm/ngày 115 H ìn h : Lượng mưa trung bình tháng 8/1998 (năm mưa nhiều) cùa (a) CRU, (b) Reg+GAB (c) Reg+TieB Dơn vị m m /ngày 115 H ìn h 1 : Dị thường nhiệt độ trung bình tháng cùa tháng 10 năm so với trung bình 10 năm cùa moi chuỗi Dơn vị độ c 118 M ình : PCA nhiệt độ trung bình tháng cùa tháng 10 năm Đơn vị độ c 118 10 H 'n h : Nhiệt lí ộ trung bình 30 tháng mùa hè cùa khu vực Việt Nam Don vị độ c Ghi chú: Theo phán vùng khí hậu cùa Phạm Ngọc Tồn Phan Tắt Đắc, (1997), Việt Nam phân chia thành 10 khu vực khí hậu nhtmg sơ liệu m ột sổ khu vực cỏ khí hậu íưưng đoi giồng mùa gió mùa mùa hè nên ghép thành khu vực 119 H n h 4 :