Thử nghiệm mô hình wrf kết hợp đồng hóa 3dvar và letkf trong dự báo sự hình thành của xoáy thuận nhiệt đới trên biển đông

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Thử nghiệm mơ hình WRF kết hợp đồng hóa 3DVAR LETKF dự báo hình thành xốy thuận nhiệt đới Biển Đông Trần Tân Tiến*, Đào Nguyễn Quỳnh Hoa Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 30 tháng 11 năm 2018 Chỉnh sửa ngày 11 tháng 12 năm 2018; Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2018 Tóm tắt: Nghiên cứu thực số thí nghiệm sử dụng WRF để nghiên cứu hình thành xốy thuận nhiệt đới với đồng hóa số liệu kết hợp phương pháp đồng hóa biến phân 3DVAR lọc Kalman tổ hợp địa phương LETKF Trường phân tích cho điều kiện ban đầu kết hợp nhiều loại số liệu trạm, synop, cao không, cung cấp 36h với hạn dự báo lên tới 72h trước nhiễu động nhiệt đới trở thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông Kết trường áp phân tích so sánh với điều kiện ban đầu thí nghiệm tất định CTL cho thấy khu vực dị thường áp cao +0.4mb khu vực xung quanh nơi hình thành xốy thực tế Thời gian dự báo hình thành xốy tính tốn cho thấy tính đa dạng phân kỳ thành phần tổ hợp Trường áp trường gió 10m bão WUTIP 2013 lấy làm ví dụ cho phát triển khác nhau, tính đa dạng cấu trúc XTNĐ thành phần tổ hợp Từ khóa: Xốy thuận nhiệt đới, hình thành XTNĐ, WRF, đồng hóa số liệu, 3DVAR, LETKF Đặt vấn đề chỉnh cho cho q trình Xốy thuận nhiệt đới (XTNĐ) hệ thống khí áp thấp quy mơ synop khơng có front vùng biển nhiệt đới cận nhiệt đới với hoạt động đối lưu có tổ chức (tức hoạt động dơng) hồn lưu gió bề mặt hướng xốy thuận (Holland 1993) [1] Đây định nghĩa NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) sử dụng Từ nhiễu động nhiệt đới ban đầu (Tropical disturbance), điều kiện thuận lợi xoáy thuận nhiệt đới mạnh dần lên trải qua trình trở thành áp thấp nhiệt đới (Tropical depression), bão nhiệt đới Sự hình thành phát triển, cấu trúc, ảnh hưởng tác động xoáy thuận nhiệt đới, nhà khoa học đặt câu hỏi nghiên cứu nhiều năm Tuy đạt thành tựu định, xác định số khía cạnh q trình phát triển từ nhiễu động nhiệt đới mạnh lên thành xốy thuận nhiệt đới với hồn lưu xác định, đến chưa có câu trả lời hoàn _  Tác giả liên hệ ĐT.: 84-912011599 Email: tientt@vnu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4338 77 78 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 (Tropical storm), bão mạnh (Tropical Severe storm), bão cực mạnh (Hurricane/Typhoon) Biển Đơng vùng biển rìa phía Tây Thái Bình Dương, trải dài từ vĩ độ 5˚S - 25˚N, kinh độ 90˚E - 125˚E, vùng biển tương đối kín, bao bọc đảo, quần đảo đất liền, thông với vùng biển khác qua eo biển Việt Nam nằm ven bờ tây biển Đơng Về mặt khí hậu, biển Đơng nằm hoàn toàn miền biển nhiệt đới, chịu ảnh hưởng hồn lưu gió mùa châu Á chi phối điều kiện khí hậu, vùng chịu ảnh hưởng xoáy thuận nhiệt đới thường xuyên Gió tây nam mùa hè bùng phát biển Đơng từ khoảng tháng từ phía nam mở rộng tới tồn khu vực vào khoảng tháng Gió đơng bắc mùa đơng phía bắc biển Đơng vào tháng 9, tiến tới trung tâm vùng biển vào tháng 10 bao trùm biển Đơng vào tháng 11 Gió mùa đông bắc thường suy yếu dần kết thúc vào tháng Biển Đơng Ở Việt Nam, vai trị dự báo xốy thuận nhiệt đới hình thành phát triển ảnh hưởng bão quan tâm nhiều lĩnh vực, bão phát triển tiềm tàng nhiều thảm họa ảnh hưởng nhiều đến kinh tế vấn đề dân sinh Tuy nhiên, tính phân bố rải rác hệ thống quan trắc số liệu, việc nghiên cứu hình thành phát triển xốy thuận nhiệt đới cịn gặp phải nhiều khó khăn Hiện nay, Việt Nam có phương pháp nghiên cứu để dự báo theo dõi xoáy thuận nhiệt đới: phương pháp thống kê, phương pháp synop phương pháp số trị Sản phẩm từ radar vệ tinh khí tượng ứng dụng nhiều Công tác dự báo bão phát triển dựa phân tích mơ hình số trị, phải kể đến mơ hình WRF Đồng hóa số liệu vấn đề quan tâm đặc biệt, nhiều trung tâm lớn giới thử nghiệm thành cơng sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu, bổ sung trường ban đầu từ loại số liệu quan trắc, số liệu vệ tinh, radar,… Bộ đồng hóa biến phân 3DVAR phát triển kết hợp với mơ hình WRF ứng dụng rộng rãi Ở Việt Nam, nghiên cứu theo phương pháp vấn đề mẻ, tác giả Kiều Quốc Chánh (2011) [2] tổng quan hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp ứng dụng cho mơ hình dự báo thời tiết WRF Trong đó, tác giả có đề cập tới sở lý thuyết lọc Kalman, lọc Kalman tổ hợp thiết kế phương pháp đồng hóa với mơ hình dự báo thời tiết WRF Phương pháp thực luận văn Hoàng Thị Mai [3] Phạm Thị Minh [4] ứng dụng dự báo bão với 21 thành phần tổ hợp Đặc biệt với nghiên cứu tác giả Kiều cộng 2013 [5] đề xuất phương pháp đa vật lý để hiệu chỉnh sai số mơ hình, thành phần tổ hợp thành phần đa vật lý với kết hợp lựa chọn sơ đồ vật lý khác (một sơ đồ vi vật lý kết hợp với sơ đồ tham số hóa đối lưu, sơ đồ tham số hóa xạ, sơ đồ tham số hóa lớp biên hành tinh …v.v.) phương pháp đa vật lý lựa chọn tốt cho ứng dụng dự báo hạn ngắn Vì vậy, báo tác giả chọn sơ đồ LETKF với phương pháp đa vật lý Để tiến hành thí nghiệm, tác giả sử dụng Mơ hình dự báo thời tiết WRF phiên 3.2 kết hợp đồng hóa biến phân WRF-3DVAR kết hợp với lọc Kalman tổ hợp gọi mơ hình WRF – LETKF thiết kế vởi Phịng Thí nghiệm Dự báo Thời tiết Khí hậu, Kiều Quốc Chánh thiết lập Hệ thống WRF – LETKF phát triển cho mơ hình WRF – ARW dựa đề xuất Hunt cộng (2007) [6] Việc sử dụng phương pháp đồng hóa biến phân 3DVAR lọc Kalman tổ hợp cần thực hai lí sau đây: 3DVAR để làm xác hóa trường ban đầu song khơng đạt trường thực tế (100% ) mà chứa sai số Sau sử dụng 3DVAR sai số giảm so với trường ban đầu T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 79 Hình Miền tính mơ hình WRF – LETKF LETKF tạo trường nhiễu (21 thành phần tổ hợp) từ trường ban đầu Tập hợp trường nhiễu chứa trường khí thực (trường khí thực nằm trường nhiễu) nên tổ hợp cho kết tốt Thiết kế mơ hình số liệu 2.1 Thiết kế mơ hình Mơ hình thiết kế với miền tính có độ phân giải 27km, gồm 31 mực thẳng đứng, 201 x 123 điểm nút lưới theo phương kinh – vĩ Với cấu hình miền tính bao phủ vùng diện tích rộng lớn, kéo dài từ 0º - 30ºN, 95ºE – 145ºE, bao phủ toàn khu vực Biển Đông mở rộng phần khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương để xem xét bổ sung q trình tương tác hồn lưu khu vực Việc lựa chọn độ phân giải 27km thực dựa hai sở sau: - Đối với độ phân giải 27km, q trình quy mơ lưới tham số hóa - Tác giả sử dụng lưới lồng 27km 9km, nhiên kết khơng có nhiều khác biệt Cùng với thời gian tích phân dài (với 21 dự báo thành phần LETKF với chế độ dự báo tất định CTL dự báo đồng hóa biến phân 3DVAR), việc lựa chọn độ phân giải tối ưu cần phải phù hợp với khả máy tính khả áp dụng nghiệp vụ Trong mơ hình, sơ đồ tham số hóa đối lưu sử dụng bao gồm sơ đồ Kain – Fritsch, sơ đồ Betts – Miller – Janjic, sơ đồ đối lưu Grell – Devenyi; tất sơ đồ vi vật lý mơ hình có sử dụng, với việc sử dụng sơ đồ xạ sóng ngắn RRTM CAM Thiết kế mơ hình cho phép member sử dụng loại sơ đồ vật lý khác nhau, xem xét khả hình thành phát triển xốy thuận nhiệt đới Có tất 21 thành phần tổ hợp sử dụng nghiên cứu Mơ hình WRF-LETKF phát triển theo quy trình ứng dụng nghiệp vụ chuẩn với tất trình vào ra, cập nhật số liệu, xử lí đồng hóa, kiểm tra chất lượng, tạo điều kiện biên tổ hợp, dự báo tổ hợp tiến hành cách tự động đồng hóa theo thời gian thực 80 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Hình Sơ đồ thực thí nghiệm WRF kết hợp đồng hóa 3DVAR LETKF Theo sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp WRFLETKF, số liệu quan trắc xử lý kiểm định chất lượng thơng qua chương trình chuẩn WRFDA cho mơ hình WRF Q trình kiểm định chất lượng xác định sai số cho mực biến quan trắc tương ứng Số liệu quan trắc sau kiểm định đồng hóa biến phân 3DVAR để dự báo tổ hợp hạn ngắn 12 giờ, trường 12 kết hợp với cập nhật số liệu CIMSS để tạo nhiễu phân tích thơng qua lọc LETKF Tại chu trình này, số liệu dự báo tồn cầu GFS phát báo tải chương trình tiền xử lý nội suy lưới mơ hình Trường dự báo GFS sau cộng vào nhiễu tái phân tích tạo đồng hóa LETKF để tạo tổ hợp trường phân tích với điều kiện biên tương ứng trường phân tích Bộ đầu vào biên tạo bước đưa vào mơ hình WRF để dự báo thời tiết với hạn tùy ý Song song với trình dự báo thời tiết xác định trước này, mơ hình WRF lưu trữ tổ hợp dự báo ngắn 12 để làm trường cho dự báo Quá trình dự báo tổ hợp liên tục lặp lại đặn ngày lần Quá trình tạo trường từ dự báo hạn ngắn 12 3DVAR thực lần dự báo ban đầu, chu trình sau lấy từ trường dự báo ngắn hạn 12 LETKF 2.2 Nguồn số liệu Điều kiện biên điều kiện ban đầu mô hình sử dụng số liệu mơ hình tồn cầu GFS với độ phân giải 0.5º × 0.5º kinh vĩ, cập nhật 6h lần Số liệu sử dụng lấy khoảng thời gian liên tiếp từ ngày trước xốy thuận nhiệt đới hình thành để tiến hành dự báo Trường ban đầu điều kiện biên thí nghiệm cập nhật SST (nhiệt độ mặt nước biển) để tăng khả bám sát thực tế mơ hình Trong nghiên cứu, số liệu quan trắc sử dụng cho thí nghiệm hệ thống đồng hóa tổ hợp LETKF số liệu gió vệ tinh CIMSS Trường Đại học Wisconsin – Madison, Hoa Kỳ Số liệu định dạng file text Ưu điểm số liệu vệ tinh sai số quan trắc đánh giá hiệu chỉnh thuật toán lọc đệ quy Mỗi điểm kiểm tra với số liệu xung quanh kĩ thuật số đánh giá Toàn sở liệu vệ tinh phân thành vùng khác nhau, để phục vụ việc nghiên cứu tác giả lấy liệu tất khu vực lựa chọn ghép vào file text hoàn chỉnh Số liệu vệ tinh CIMSS có ưu điểm liệt kê báo Nhưng việc dự báo bão đồng hóa với số liệu vệ tinh tối ưu số liệu vệ tinh nắm bắt tượng thời tiết diễn biển (nơi trực tiếp sinh XTNĐ) có khả T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 phát khu vực nhiễu động Việc đồng hóa 3DVAR khơng sử dụng số liệu vệ tinh CIMSS 3DVAR khơng đạt trường thực tế (100%), LETKF nắm bắt tốt hơn, trình tạo độ 81 phân kỳ ứng dụng trường ban đầu với tính bất định tham số vật lý, nên số liệu vệ tinh CIMSS tối ưu hóa đồng hóa LETKF Số liệu theo định dạng ASCII tải từ trang web http://tropic.ssec.wisc.edu Hình Ví dụ trạm lấy số liệu quan trắc trường hợp 12Z 23/09/2013 Số liệu SYNOP, Số liệu METAR, Số liệu thuyền SHIP, Số liệu phao BUOY, Số liệu cao khơng 82 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Loại số liệu quan trắc phổ biến nhất, số liệu trạm gồm số liệu bề mặt, synop, trạm phao, thuyền lấy từ http://rda.ucar.edu/data/ds461.0 định dạng little_R Một dạng số liệu quan trắc khác sử dụng số liệu cao không radiosonde trạm cao khơng vùng Tây Bắc Thái Bình Dương Số liệu định dạng dạng file dat, bao gồm thông tin số liệu trạm, kinh vĩ độ trạm, độ cao so với mực nước biển, giá trị số liệu trạm mực áp suất bao gồm độ cao mực áp suất (HGHT), nhiệt độ không khí mực (TEMP), nhiệt độ điểm sương (DWPT), độ ẩm tương đối (RELH), tỉ xáo trộn (MIXR), tốc độ gió (SKNT) hướng gió (DRCT),… Tồn sở liệu trạm cao không phân thành vùng khác nhau, để phục vụ việc nghiên cứu tác giả lấy liệu tất khu vực thuộc vùng Đông nam Châu Á Tây Bắc Thái Bình Dương Tác giả thu thập số liệu liên tiếp từ năm 2010 – 2016, trường hợp dự báo cho phép chọn ngày thư mục số liệu thời điểm dự báo 2.3 Phương pháp xác định tâm xoáy Việc xác định tâm xoáy giai đoạn đầu trước phát triển thành XTNĐ trở nên khó khăn nhiều thời điểm hệ thống hồn lưu vùng xốy thuận chưa rõ rệt Trong báo này, việc xác định tâm xốy tác giả thực sau: - Ví trí vùng áp suất mực biển cực tiểu nằm miền tính giá trị cực tiểu - Cực đại địa phương tốc độ gió 10m khoảng cách 4˚ kinh vĩ xung quanh điểm cực tiểu xác định tốc độ gió cực đại Vmax - Giá trị tốc độ cực đại xác định tâm xoáy thỏa mãn điều kiện Vmax ≥ 10.8m/s (cường độ áp thấp nhiệt đới) Kết 3.1 Đánh giá trường ban đầu sử dụng phương pháp đồng hóa kết hợp 3DVAR LETKF Để đánh giá biến đổi cấu trúc cải thiện trường vật lý mô hình sau q trình đồng hóa, phân bố khơng gian trường áp suất mực biển trường gió so với thí nghiệm tất định CTL phân tích thời điểm ban đầu chu trình đồng hóa lần thứ (cách trường ban đầu 12h) cách thời điểm hình thành 36 phát báo Hình miêu tả độ lệch trường ban đầu trường hợp thành phần tổ hợp với kết cho xoáy thuận nhiệt đới hình thành tốt sớm với dự báo tất định CTL, trường hợp dự báo hạn 72h chu trình đồng hóa thứ 2, cách thời gian hình thành thực tế 36h Hình bên trái mơ tả trường áp suất mực biển trường gió mực 10m (tốc độ gió (miền shaded) hướng (thanh gió)) hình bên phải mơ tả độ lệch trường áp trường gió Trong trường áp trường gió bề mặt thử nghiệm 36h trước hình thành ATNĐ 10/12/2011 (Hình 4a ), trường ban đầu dự báo tất định CTL cho thấy khu vực gió đơng bắc với cường độ mạnh khoảng 15-20m/s phía bắc Biển Đơng, vùng lưỡi cao lạnh lục địa hoạt động tốt khu vực Việt Nam Độ lệch trường áp phân tích thành phần tổ hợp mem_001 cho xốy hình thành tốt cho thấy dị thường khu vực áp thấp tồn phía bắc biển Đơng dị thường áp cao phía nam Biển Đông so với trường ban đầu dự báo tất định CTL Hình 4b thể trường áp trường gió trường phân tích dự báo tất định CTL dị thường trường phân tích dự báo kết hợp đồng hóa số liệu với thành phần tổ hợp mem_002 hình thành XTNĐ khởi đầu cho bão WUTIP năm 2013 Khu vực Biển Đông trường phân tích dự báo CTL chịu ảnh hưởng rãnh gió mùa, thuận lợi cho sinh xoáy, đồng thời thời tiết Biển Đông chịu ảnh hưởng bão xa Tây Bắc T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Mơi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Thái Bình Dương Trong trường phân tích dự báo đồng hóa số liệu mem_002, dị thường áp cao tồn khu vực Biển Đơng so với trường phân tích CTL dị thường áp cao với trị số khoảng +0.8mb khu vực hoạt 83 động bão ngồi Tây Bắc Thái Bình Dương, cho thấy việc bổ sung số liệu quan trắc làm suy giảm ảnh hưởng số khu vực thấp tồn trường phân tích dự báo tất định CTL a) Trường hợp áp thấp nhiệt đới 10/12/2011 (12Z 08/12/2011) (dự báo tốt nhất: mem_001) b) Trường hợp bão WUTIP ngày 25/09/2013 (12Z 23/09/2013) (dự báo tốt nhất: mem_020) Hình Trường áp mặt biển (hPa) (đường đẳng trị) trường gió 10m (ms-1) (thanh gió + miền đẳng trị tốc độ gió) ban đầu dự báo tất định (CTL) (hình trái) độ lệch trường áp - trường gió trường phân tích thành phần tổ hợp cho thấy XTNĐ hình thành 84 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Các kết biểu trường phân tích dự báo tổ hợp đồng hóa số liệu kết hợp phương pháp đồng hóa biến phân 3DVAR lọc Kalman tổ hợp LETKF cho thấy khu vực hình thành xốy có xu hướng dị thường áp cao so với trường ban đầu dự báo tất định, gây nên khác biệt kết trường dự báo so với dự báo tất định Điều phân tích mục 3.2 Dự báo thời gian vị trí hình thành XTNĐ Với điều kiện vật lý khác nhau, việc cập nhật trường p, T, u, v từ số liệu trạm (synop, METAR, phao, thuyền, cao khơng, ) phương pháp đồng hóa biến phân 3DVAR cập nhật trường gió u, v số liệu vệ tinh CIMSS phương pháp LETKF tạo đa dạng cấu trúc trường không gian Cùng với việc ứng dụng sơ đồ tham số vật lý khác trình tích phân mơ hình, kết dự báo hình thành xốy thuận nhiệt đới Biển Đơng có phong phú đa dạng Tính phân kỳ kết dự báo thành phần tổ hợp khác với sơ đồ tham số vật lý khác bước đầu thể thông qua thời gian hình thành xốy Có trường hợp xốy hình thành ATNĐ (áp thấp nhiệt đới), có trường hợp vùng thấp tan rã sát nhập với bão hoạt động vùng Tây Bắc Thái Bình Dương cách nhanh chóng, có vùng ATNĐ hình thành sớm (chậm hơn) thời gian dự báo Chi tiết hơn, dự báo hình thành XTNĐ phương pháp kết hợp số liệu quan trắc trạm 3DVAR số liệu vệ tinh LETKF mô tả sau: - Trường hợp áp thấp nhiệt đới 10/10/2013: Tất thành phần tổ hợp cho thấy XTNĐ hình thành từ vùng thấp đảo Luzon Philippine thuộc hoàn lưu bão UTOR ngồi Tây Bắc Thái Bình Dương, thời gian tồn khơng dài sát nhập với hồn lưu bão di chuyển vào khu vực Biển Đơng - Trường hợp áp thấp nhiệt đới 10/12/2011: có thành phần tổ hợp khơng cho thấy hình thành XTNĐ, trường hợp thành phần tổ hợp mem_016 mem_017 Nhìn chung tất thành phần tổ hợp lại cho thấy trường hợp hình thành sớm so với thực tế (00Z ngày 08/12/2011) - Trường hợp áp thấp nhiệt đới 30/10/2013: có thành phần tổ hợp cho thấy khơng hình thành xốy thuận nhiệt đới, mem_008, mem_010, mem_011 mem_016 Các trường hợp cho thấy xoáy sát nhập vào bão Krosa Tây Bắc Thái Bình Dương cách nhanh chóng, thành phần cịn lại sát nhập muộn hơn, nói chung tất xoáy tan rã khơng có trường hợp phát triển tốt đạt tới cường độ bão - Trường hợp bão WUTIP1312 ngày 25/09/2013: có 18/21 thành phần tổ hợp cho thấy hình thành XTNĐ trường hợp này, trường hợp lại nhiễu động nhiệt đới chưa đạt đủ tiêu ngưỡng hình thành mơ tả phía thành phần tổ hợp mem_011, mem_016 mem_017 Sự sinh xoáy trường hợp bão thành phần tổ hợp đa dạng, xuất từ vùng thấp phía Bắc Biển Đơng nơi hoạt động rãnh gió mùa, cấu trúc sinh xốy đặc biệt, hợp hai vùng xốy thuận liền kề, sinh xoáy đơn, đặc biệt sinh xoáy kép với cường độ tương đương hoạt động vùng biển phía Bắc Biển Đơng thành phần tổ hợp mem_001 Dựa biểu đồ hộp (boxplot) (Hình 5) thời gian hình thành XTNĐ hình thành khu vực Biển Đơng, thấy việc dự báo thời gian hình thành XTNĐ biến đổi khác trường hợp quy luật rõ ràng Trong trường hợp dự báo trường hợp ATNĐ ngày 10/08/2013 cho thầy dự báo thời gian hình thành khoảng rộng nhất, kéo dài từ hạn 6h hạn 66h, median lại hạn 54h, lớn nhiều so với thời gian dự báo thật (hạn 36h) Như vậy, việc sử dụng trung T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 bình tổ hợp (ensemble mean) trường hợp để dự báo thời gian hình thành XTNĐ khơng khả thi, có xu hướng cho dự báo muộn thực tế Hình Biểu đồ hộp ( Boxplot) thời gian hình thành trường hợp XTNĐ hình thành Biển Đơng Đường kẻ đậm diễn tả thời gian hình thành thực tế (hạn dự báo 36h) Ở khoảng biến đổi ngắn hơn, trường hợp ATNĐ ngày 10/12/2011 lại cho thấy thời gian hình thành dự báo dao động khoảng 18 – 36h, có xu hướng cho dự báo sớm thực tế Đối với trường hợp ATNĐ ngày 30/10/2013 lại cho thấy median đạt gần khoảng 85 hạn dự báo 36h, dự báo trung bình tổ hợp thành phần dự báo có xu hướng gần với thực tế cả, sớm chút Song song với việc thực dự báo tổ hợp dựa phương pháp đồng hóa 3DVAR LETKF, dự báo với phương pháp đồng hóa biến phân 3DVAR riêng lẻ dự báo tất định (CTL) thực nhằm mục đích so sánh Trong Hình 6, sai số khoảng cách hình thành trung bình xốy thuận nhiệt đới thí nghiệm tính toán so với số liệu quan trắc báo cáo Và ưu điểm phương pháp kết hợp thể rõ Trước hết nhận định phân kỳ sai số khoảng cách thành phần tổ hợp độ bất định tham số vật lý mơ hình, với thành phần tổ hợp mem_008 cho thấy sai số khoảng cách hình thành trung bình lớn (217,17 km) mem_003 sai số nhỏ (104,02 km) Với trung bình tổ hợp (ensmean), sai số khoảng cách trung bình 160,45 km, nhỏ nhiều so với trung bình trường hợp có 3DVAR 3DVAR 223,89 km, khả thi nhiều so với dự báo tất định 292,69 km Ưu điểm phương pháp kết hợp 3DVAR LETKF thể rõ trường hợp Hình Sai số khoảng cách hình thành trung bình tất trường hợp với thành phần tổ hợp, trung bình tổ hợp (ensmean), thí nghiệm 3DVAR tất định (CTL) 86 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 Hình Trường áp mặt biển gió 10m thời điểm hình thành xốy mem_020 tương ứng trường hợp mem_011 khơng hình thành xốy hạn 54h a) mem_020 b) mem_002 3.3 Đánh giá trường hợp bão WUTIP năm 2013 Để đánh giá rõ tính phân kỳ thành phần tổ hợp thử nghiệm sử dụng phương pháp đồng hóa kết hợp đồng hóa biến phân 3DVAR lọc Kalman tổ hợp LETKF, tác giá sử dụng trường hợp điển hình bão WUTIP, với thời gian hình thành đạt cường độ ATNĐ 00Z 25/09/2013, trường phân tích đánh giá thời điểm 36h trước hình thành, chu kỳ dự báo thứ phương pháp đồng hóa Thơng qua trường áp trường gió 10m (Hình 7) hai trường hợp thành phần tổ hợp hình thành sớm (TD) mem_020 khơng hình thành (non-TD) XTNĐ mem_011, tác giả mô tả số đặc trưng hai trường hợp Nhìn chung, trường áp trường gió hai trường hợp thể tương đồng định, hình hồn lưu phân bố hoàn lưu tương tự nhau, với xuất bão ngồi Tây Bắc Thái Bình Dương Sự khác biệt rõ rệt trường hợp XTNĐ trường hợp tồn XTNĐ khu vực áp thấp Biển Đông Nếu vùng thấp trường hợp khơng phát triển thành xốy bao phủ miền Bắc Biển Đông phần khu vực Đơng Dương, vùng thấp trường hợp có phát triển có hình dạng đường đẳng áp gần tròn với áp suất 1006mb tập trung Biển Đơng, gió hướng xốy thuận khu vực cực đại tương tốc độ gió 10m đạt vận tốc 15m/s phía nam ATNĐ Ngồi ra, tính phân kỳ đa dạng thành phần tồ hợp ứng dụng phương pháp đa tham số vật lý tốn đồng hóa số liệu phương pháp 3DVAR kết hợp với LETKF bão WUTIP 2013 cịn thể hình phát triển nhiễu động nhiệt đới XTNĐ thành phần tổ hợp phát triển từ nhiễu động đơn lẻ xuất từ vùng áp thấp tồn Biển Đơng Hình 8a) (mem_020), có tồn hai nhiễu động kép phát triển từ khu vực áp thấp (Hình 8b) (mem_002) Cấu trúc phát triển hai kiểu hình khác rõ rệt, chí có trường hợp hai nhiễu động kép sát nhập vào (mem_007 – hiện) chúng phát triển tồn Biển Đông tận XTNĐ phát triển tới cường độ bão (mem_002 mem_003) T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 87 Hình Trường áp mặt biển (đường đẳng trị) gió 10m (thang gió + miền đẳng trị tốc độ) thời điểm hình thành xốy mem_020 (hình trái) tương ứng trường hợp mem_011 khơng hình thành xốy (hình phải) Cấu trúc thẳng đứng thử nghiệm 3DVAR trường hợp điển hình (mem_001) thử nghiệm kết hợp hình thành thời điểm (12Z ngày 25/09/2013) thể qua mặt cắt thẳng đứng trường nhiệt độ vị tương đương trường xoáy qua tâm xoáy (dấu X) Hình Trong thử nghiệm 3DVAR (Hình 9a), cấu trúc lõi xoáy thể khát tốt với khu vực cực đại xốy vị trí tâm xốy, cao tới khoảng gần 10.3km, với cực đại nằm hai vị trí khoảng độ cao 1.5km từ – 8.3km Cấu trúc lõi nóng XTNĐ thể tốt từ phần tới phần tầng đối lưu Cấu trúc lõi lóng lại khơng thể rõ trường hợp mem_001 thử nghiệm kết hợp Xốy hình thành trường hợp mem_001 bao gồm sinh xoáy kép, cấu trúc thẳng đứng thể hai khu vực cực đại xốy dương vị trí hai tâm xốy hình thành (A B) Với khu vực xoáy A phát triển cực đại mực độ cao khoảng – 10km, xoáy B phát triển tốt tất mực Cơ chế sinh xoáy phù hợp với giả thuyết sinh xốy “tháp xốy nóng” (Vortical Hot Towers) [7] phát triển Nicholls cộng (2006) Các cấu trúc thẳng đứng thể với việc đồng hóa số liệu vệ tinh CIMSS thử nghiệm kết hợp LETKF, cấu trúc thẳng đứng xốy thuận nhiệt đới chiều hợp lí thể Và cấu trúc có khác biệt với cấu trúc sinh xoáy trường hợp sử dụng phương pháp 3DVAR Có thể nhận định hợp thân q trình đồng hóa số liệu kết tích phân mơ hình đóng vai trị việc xây dựng xốy mơ hình cấu trúc nhiệt xoáy Sử dụng phương pháp tổ hợp với độ bất định tham số vật lý mô hình phương pháp đồng hóa kết hợp 3DVAR+LETKF mang tới cấu trúc đa dạng cho sinh xoáy, phát triển nhiều lý thuyết vật lý khác Kết luận Kết trường hợp xốy thuận nhiệt đới Biển Đơng thể việc đồng hóa tổ hợp địa phương sử dụng kết hợp thuật toán 3DVAR LETKF cho thấy khác biệt trường ban đầu, dẫn tới trường dự báo thành phần tổ hợp khác có phân kì rõ rệt, tính chất XTNĐ trường hợp khác tương đối 88 T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 a) b) Hình Mặt cắt thẳng đứng trường θe (K) xoáy (PVU) cắt qua tâm xoáy cường độ áp thấp nhiệt đới thời điểm hình thành a) thử nghiệm 3DVAR b) thử nghiệm kết hợp 3DVAR+LETKF trường hợp mem_001, (X) thể vị trí hình thành XTNĐ, ô vuông thể khu vực hoạt động XTNĐ Tạo dựng trường phân tích từ đồng hóa số liệu kết hợp 3DVAR LETKF so với trường ban đầu dự báo tất định CTL làm xuất khu vực dị thường áp cao nơi trung tâm hoạt động bão Tây Bắc Thái Bình Dương, số khu vực vùng thấp Biển Đơng (nhiều số nơi có khả hình thành XTNĐ cao nhất), dị thường áp thấp nơi hoạt động rãnh gió mùa Những vùng dị thường áp cao/thấp phổ biến khoảng nhỏ ± 0.4mb, xuất chủ yếu vùng Biển Đơng Dự báo kết hợp đồng hóa số liệu với 21 thành phần tổ hợp làm xuất nhiều trường hợp xốy thuận hình thành với thời gian khác nhau, khoảng biến đổi rộng trường hợp áp thấp nhiệt đới ngày 10/08/2013 Kết cho thấy, khoảng tổ hợp biến đổi rộng, sớm muộn thời gian dự báo hình thành XTNĐ, muộn tới 18h dự báo Tài liệu tham khảo [1] G Holland, “Chapter 9, Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting,” World Meteorological Organization, Các tập %1 cuûa %2WMO/TC-No T.T Tiến, Đ.N.Q Hoa / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 34, Số 1S (2018) 77-89 560, Report No TCP-31, pp Geneva, Switzerland, 1993 [2] Kieu Quoc Chanh, Pham Thi Minh & Hoang Thi Mai (2013), “An Application of the MultiPhysics Ensemble Kalman Filter to Typhoon Forecast” Pure Appl Geophys.170: 745-954.(1) [3] H T Mai, “Đánh giá ảnh hưởng số liệu vệ tinh đến dự báo quĩ đạo cường độ bão MEGI (2010) phương pháp lọc Kalman tổ hợp.,” Luận văn Thạc sĩ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013 [4] P T Minh, “Đánh giá khả dự báo quĩ đạo cường độ bão Biển Đông hạn ngày mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF,” Luận văn Thạc sĩ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013 89 [5] Kiều Quốc Chánh, 2011, Xây dựng hệ thống đồng hóa lọc Kalman tổ hợp địa phương cho mơ hình dự báo thời tiết WRF, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ, số 1S, tr 17-28 [6] B R Hunt, E J Kostelich I Szunyogh, “Efficient data assimilation for spatiotemporal chaos: A local ensemble transform Kalman filter,” Physica D., tập 230, p 112‒126, 2007 [7] Nicholls, M E.; Cram, T A.; Saunders, A.B.; Montgomery, M T., “A vertical hot tower route to tropical cyclogenesis”, J Atmos Sci., NASA/CAMEX, 2006 Experiments on Using WRF Model Data Assimilation of Coupled 3DVAR – LETKF in Predicting the Geneses of Tropical Cyclones in the Vietnamese East Sea Tran Tan Tien, Dao Nguyen Quynh Hoa VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Abstract: In this study, several experiments using data assimilation of the coupled threedimensional variation (3DVAR) and Local Ensemble Transform Kalman filter (LETKF) in WRF for investigating the geneses of tropical cyclones have been processed The analysis field obtained from databases including synop, METAR, ships, soundings, generated inputs from 36h before the recorded tropical cyclogenese up to 72h lead-time The assimlated sea level pressure (SLP) fields were compared to the inital fields from control forecast (CTL) The results show the anomalous high pressure of +0.4mb in the area surrounding the actual genesis locations The SLP and wind fields at 10-meter level in the WUTIP 2013 case has been used as an example of the divergence and diversity of multiple members’ tropical cyclone development Keywords: Tropical cyclones, tropical cyclogenesis, WRF, data assimilation, 3DVAR, LETKF  ... thời điểm hình thành 36 phát báo Hình miêu tả độ lệch trường ban đầu trường hợp thành phần tổ hợp với kết cho xốy thuận nhiệt đới hình thành tốt sớm với dự báo tất định CTL, trường hợp dự báo hạn... vùng Biển Đông Dự báo kết hợp đồng hóa số liệu với 21 thành phần tổ hợp làm xuất nhiều trường hợp xoáy thuận hình thành với thời gian khác nhau, khoảng biến đổi rộng trường hợp áp thấp nhiệt đới. .. phân kỳ thành phần tổ hợp thử nghiệm sử dụng phương pháp đồng hóa kết hợp đồng hóa biến phân 3DVAR lọc Kalman tổ hợp LETKF, tác giá sử dụng trường hợp điển hình bão WUTIP, với thời gian hình thành