Khoá luận tốt nghiệp: Tổng quan về bão và các phương pháp dự báo

Mục Lục Mở ĐầU 2 Chương 1-TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO. 3 1.1. Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới 3 1.2 Những điều kiện hình thành bão 4 1.3 Các giai đoạn phát triển của bão 4 1.4 Sự di chuyển của bão và cấu trúc của bão nhiệt đới 6 1.5 Các phương pháp dự báo bão 6 1.5.1 Phương pháp thống kê 6 1.5.2 Phương pháp Synốp 7 1.5.3 Phương pháp số trị 10 Chương 2-MÔ HìNH CHíNH áP 12 2.1 Tổng Quan về mô hình 12 2.1.1 Khái niệm về khí quyển chính áp, khí quyển tà áp 12 2.1.2 Các phương trình cơ bản 12 2.2. Đặc trưng của dòng chính áp 14 2.2.1 Thành phần không đổi 14 2.2.2 Miền không đổi 14 2.2.3 Trao đổi năng lượng chính áp 15 2.3 Cấu trúc mô hình và điều kiện biên. 16 2.4 Điều kiện ban đầu 16 2.5 .Một số thuật toán dùng trong mô hình 17 2.5.1. Sai phân không gian 17 2.5.2. Sai phân thời gian 22 2.6 Mô tả mã nguồn của mô hình 23 2.7 phương pháp tìm tâm 24 Chương 3-Kết quả thử nghiệm Dự báo và Nhận xét 26 3.1 Xác định khu vực và mực dự báo 26 3.2 Kết quả chạy thử nghiệm với cơn bão KaiTak 26 3.2.1 Thử nghiệm 27 3.2.2 Phân tích kết quả và nhận xét 28 Kết luận 36 Tài liệu tham khảo 37 phụ lục 38 Mở ĐầU Bão là một hiện tượng thời tiết nguy hiểm mà con người luôn phải đối mặt. Đặc biệt ở vùng nhiệt đới, bão xảy ra với tần suất lớn và gây nhiều thiệt hại về người và của. Bão thường được hình thành trên các vùng biển nhiệt đới nơi có rất ít số liệu quan trắc, nên việc dự bão thường gặp rất nhiều khó khăn. Vấn đề thiết yếu đặt ra là làm thế nào dự báo được quỹ đạo bão cũng như vị trí đổ bộ của bão nhằm đề ra công tác phòng chống. Trên thế giới từ thập kỉ 60 trở lại đây nhiều mô hình số trị dự báo xoáy thuận nhiệt đới đã được phát triển với mục đích nghiên cứu và dự báo nghiệp vụ. ở Việt Nam trước đây và hiện nay, công tác dự báo bão vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống và Synop. Phương pháp này phụ thuộc nhiều vào trình độ và kinh nghiệm người dự báo, vì vậy sai số gặp phải thường rất lớn. Tuy vậy trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực áp dụng thử nghiệm các mô hình số cho dự báo bão đã đem lại một số kết quả khả quan. Với bản khoá luận này tôi xin trình bày những hiểu biết về mô hình chính áp không phân kỳ cho dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông, và kết quả thử nghiêm với cơn bão KaiTak-29/10, 30/10, 31/10 năm 2005. Khoá luận gồm 3 chương Chương 1. Tổng quan về bão và các phương pháp dự báo Chương 2. Mô hình chính áp Chương 3. Kết quả thử nghiệm dự báo và nhận xét Để hoàn thành được báo cáo này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo Ths. Nguyễn Minh Trường đã giúp đỡ rất nhiều về mặt kiến thức và tài liệu quý báu. Chương 1 TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO 1.1. Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới  Định nghĩa Theo Atkinson (1971) “Bão là xoáy thuận quy mô Synốp không có front phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kì và có hoàn lưu xác định". Bão là hệ thống hoàn lưu có dạng gần tròn với gradien khí áp ngang và tốc độ gió rất lớn. Trong nghiệp vụ và trong thực tế người ta phân biệt áp thấp nhiệt đới khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm nhỏ hơn 17,1 m/s và bão khi tốc độ gió ở trung tâm lớn hơn hoặc bằng 17,1 m/s. Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấp ngược chiều kim đồng hồ ở bắc bán cầu. Trong những điều kiện thuận lợi thì vùng áp thấp này có thể khơi sâu thêm, gió ở vùng trung tâm mạnh lên trở thành áp thấp nhiệt đới và sau đó là bão. Trong bão giai đoạn phát triển ổn định có thể thấy mắt bão, khu vực 30 – 40 km với áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu. Do trong mắt bão có dòng giáng nên nhiệt độ ở đây cao hơn xung quanh, ít mây hay quang mây. Theo tốc độ gió mạnh nhất ở gần trung tâm tổ chức khí tượng thế giới qui định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành: - áp thấp nhiệt đới (tropical depression): Xoáy thuận nhiệt đới với hoàn lưu mặt đất giới hạn một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng trung tâm từ 10,8-17,2 m/s (cấp 6 – cấp 7). - Bão nhiệt đới (tropical storm): Bão với các đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở gần vùng trung tâm từ 17,2 - 24,4 m/s (cấp 8-cấp 9). - Bão mạnh (Severe tropical Storm): Bão với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6 m/s (cấp 10 - cấp 11) - Bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane): Bão với tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm từ 32,7 m/s trở lên (cấp 11). Khoảng 2/3 số cơn bão đạt tới cường độ mạnh. Phân bố theo mùa của bão tương tự với phân bố bão và bão mạnh. Hơn 80% bão đạt tới trạng thái áp thấp và sau đó tăng cường thành bão mạnh. 1.2. Những điều kiện hình thành bão Theo Palmen (1956) có 4 điều kiện cơ bản hình thành bão: - Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ 26 - 27oC) và tầng kết bão ổn định lớn đủ để nâng lớp không khí gần mặt đất lên cao và đưa không khí tương đối ẩm và nóng hơn khí quyển xung quanh lên cao, ít nhất từ mực khoảng 1km (40.000 bộ). Nhiệt độ lớn cũng bảo đảm bốc hơi mạnh cung cấp năng lượng ngưng kết cho hệ thống bão. - Thông số Coriolis có giá trị đủ lớn tạo xoáy. Bão thường hình thành trong đới giới hạn bởi vĩ độ 5-20o vĩ hai bên xích đạo. - Dòng cơ bản có chênh lệch tốc độ gió mực 1,5 và 12 km nhỏ (dưới 3 m/s) bảo đảm sự tập trung ban đầu của dòng ẩm vào khu vực bão. - Ngoài những điều kiện trên thì mặt đất phải có nhiễu động ban đầu, thường đó là các áp thấp trên dải hội tụ nhiệt đới và ở phần trên tầng đối lưu là khu áp cao có các dòng khí phân kỳ. Trên Biển Đông vào mùa bão các điều kiện nói trên đều thỏa mãn, chỉ cần sự phối hợp của các điều kiện đó là bão có thể hình thành. Hình thế Synốp thường thấy khi bão hình thành trên Biển Đông là áp thấp trên dải hội tụ nhiệt đới ở mực thấp và có tâm nằm ở rìa sống trên cao của cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương. 1.3 Các giai đoạn phát triển của bão Thời gian tồn tại của bão là khoảng thời gian từ khi bão hình thành đến khi bão tan hoặc bão di chuyển đến vùng vĩ độ cao, trở thành xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Toàn bộ thời gian sống của bão bao gồm 4 giai đoạn sau:

Mc Lc Mở ĐầU Chơng 1-TổNG QUAN Về BÃO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BÃO 1.1 Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới 1.2 Những điều kiện hình thành bÃo 1.3 C¸c giai đoạn phát triển bÃo 1.4 Sù di chun cđa bÃo cấu trúc bÃo nhiệt đới 1.5 Các phơng pháp dự báo b·o 1.5.1 Phơng pháp thống kê 1.5.2 Phơng pháp synop 1.5.2.1 Phơng pháp dòng dẫn ®êng 1.5.3 Phơng pháp số trị 11 Chơng 2-MÔ HìNH CHíNH áP 13 2.1 Tỉng Quan vỊ m h×nh 13 2.1.1 Kh¸i niƯm vỊ khÝ qun chÝnh ¸p, khÝ qun tà áp 13 2.1.2 Các phơng trình 13 2.2 Đặc trng dòng áp 15 2.2.1 Thành phần khng đổi 15 2.2.2 MiỊn khng ®ỉi .15 2.2.3 Trao đổi lợng áp 16 2.3 Cấu trúc m hình điều kiện biên 18 2.4 §iỊu kiƯn ban đầu 18 2.5 Mét sè thuËt to¸n dïng m h×nh .19 2.5.1 Sai ph©n khng gian 19 2.5.2 Sai ph©n thêi gian 24 2.6 M t¶ m· nguån cđa m h×nh 25 Chơng 3-Kết thử nghiệm Dự báo Nhận xét 28 3.1 Xác định khu vực mực dự báo .28 3.2 KÕt chạy thử nghiệm với bÃo KaiTak 29 3.2.1ThưnghiƯmthønhÊt 29 3.2.2 Ph©n tích kết nhận xét 30 KÕt luËn 38 Tài liệu tham khảo 39 Mở ĐầU Bão tượng thời tiết nguy hiểm mà người phải đối mặt Đặc biệt vùng nhiệt đới, bão xảy với tần suất lớn gây nhiều thiệt hại người Bão thường hình thành vùng biển nhiệt đới nơi có số liệu quan trắc, nên việc dự bão thường gặp nhiều khó khăn Vấn đề thiết yếu đặt làm dự báo quỹ đạo bão vị trí đổ bão nhằm đề cơng tác phịng chống Trên giới từ thập kỉ 60 trở lại nhiều mơ hình số trị dự báo xốy thuận nhiệt đới phát triển với mục đích nghiên cứu dự báo nghiệp vụ Việt Nam trước nay, công tác dự báo bão chủ yếu dựa vào phương pháp truyền thống Synop Phương pháp phụ thuộc nhiều vào trình độ kinh nghiệm người dự báo, sai số gặp phải thường lớn Tuy năm gần đây, nhiều nỗ lực áp dụng thử nghiệm mơ hình số cho dự báo bão đem lại số kết khả quan Với khoá luận tơi xin trình bày hiểu biết mơ hình áp khơng phân kỳ cho dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông, kết thử nghiêm với bão KaiTak-29/10, 30/10, 31/10 năm 2005 Khoá luận gồm chương Chương Tổng quan bão phương pháp dự báo Chương Mơ hình áp Chương Kết thử nghiệm dự báo nhận xét Để hoàn thành báo cáo xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy giáo Ths Nguyễn Minh Trường giúp đỡ nhiều mặt kiến thức tài liệu quý báu Chương TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO 1.1 Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới  Định nghĩa Theo Atkinson (1971) “Bão xốy thuận quy mơ Synốp khơng có front phát triển miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới mực có hồn lưu xác định" Bão hệ thống hồn lưu có dạng gần trịn với gradien khí áp ngang tốc độ gió lớn Trong nghiệp vụ thực tế người ta phân biệt áp thấp nhiệt đới tốc độ gió cực đại trung tâm nhỏ 17,1 m/s bão tốc độ gió trung tâm lớn 17,1 m/s Ban đầu bão vùng áp thấp với dịng khí xốy vào tâm vùng áp thấp ngược chiều kim đồng hồ bắc bán cầu Trong điều kiện thuận lợi vùng áp thấp khơi sâu thêm, gió vùng trung tâm mạnh lên trở thành áp thấp nhiệt đới sau bão Trong bão giai đoạn phát triển ổn định thấy mắt bão, khu vực 30 – 40 km với áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu Do mắt bão có dịng giáng nên nhiệt độ cao xung quanh, mây hay quang mây Theo tốc độ gió mạnh gần trung tâm tổ chức khí tượng giới qui định phân loại xoáy thuận nhiệt đới thành: - áp thấp nhiệt đới (tropical depression): Xốy thuận nhiệt đới với hồn lưu mặt đất giới hạn hay số đường đẳng áp khép kín tốc độ gió lớn vùng trung tâm từ 10,8-17,2 m/s (cấp – cấp 7) - Bão nhiệt đới (tropical storm): Bão với đường đẳng áp khép kín tốc độ gió lớn gần vùng trung tâm từ 17,2 - 24,4 m/s (cấp 8-cấp 9) - Bão mạnh (Severe tropical Storm): Bão với tốc độ gió lớn vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6 m/s (cấp 10 - cấp 11) - Bão mạnh (Typhoon/Hurricane): Bão với tốc độ gió lớn vùng gần trung tâm từ 32,7 m/s trở lên (cấp 11) Khoảng 2/3 số bão đạt tới cường độ mạnh Phân bố theo mùa bão tương tự với phân bố bão bão mạnh Hơn 80% bão đạt tới trạng thái áp thấp sau tăng cường thành bão mạnh 1.2 Những điều kiện hình thành bão Theo Palmen (1956) có điều kiện hình thành bão: - Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ 26 - 27 oC) tầng kết bão ổn định lớn đủ để nâng lớp khơng khí gần mặt đất lên cao đưa khơng khí tương đối ẩm nóng khí xung quanh lên cao, từ mực khoảng 1km (40.000 bộ) Nhiệt độ lớn bảo đảm bốc mạnh cung cấp lượng ngưng kết cho hệ thống bão - Thông số Coriolis có giá trị đủ lớn tạo xốy Bão thường hình thành đới giới hạn vĩ độ 5-20o vĩ hai bên xích đạo - Dịng có chênh lệch tốc độ gió mực 1,5 12 km nhỏ (dưới m/s) bảo đảm tập trung ban đầu dòng ẩm vào khu vực bão - Ngồi điều kiện mặt đất phải có nhiễu động ban đầu, thường áp thấp dải hội tụ nhiệt đới phần tầng đối lưu khu áp cao có dịng khí phân kỳ Trên Biển Đơng vào mùa bão điều kiện nói thỏa mãn, cần phối hợp điều kiện bão hình thành Hình Synốp thường thấy bão hình thành Biển Đơng áp thấp dải hội tụ nhiệt đới mực thấp có tâm nằm rìa sống cao cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương 1.3 Các giai đoạn phát triển bão Thời gian tồn bão khoảng thời gian từ bão hình thành đến bão tan bão di chuyển đến vùng vĩ độ cao, trở thành xốy thuận ngoại nhiệt đới Tồn thời gian sống bão bao gồm giai đoạn sau:  Giai đoạn hình thành giai đoạn thời tiết khơng ổn định, với gió giật nhiều hướng khác nhau, nhân tố kích thích hình thành bão nhiệt đới Trên diện tích rộng lớn, xảy giảm áp suất khí quyển, tâm áp thấp ban đầu chưa rõ, độ cong xoáy thuận tăng dần, phân bố theo khơng gian xốy thuận nhiệt đới chưa đối xứng  Giai đoạn trưởng thành Giai đoạn người ta gọi giai đoạn bão non Thường áp thấp nhiệt đới phát triển thành bão phải trải qua vài ba ngày, có trường hợp đột biến sau 12 h, chí sau vài áp thấp nhiệt đới thành bão, có mắt bão rõ ràng Trong giai đoạn bão non, áp suất khơng khí giảm nhanh chóng, tốc độ gió tăng lên đáng kể, phạm vi gió mạnh mở rộng đến bán kính 40 -50 km, mây dày đặc, cường độ mưa tăng lên Giai đoạn này, bão phát triển đến độ cao – km (tương đương với mực khí áp 500 – 300 mb) Cấu trúc bão giai đoạn có hình dạng cân đối  Giai đoạn phát triển cao Trong giai đoạn áp suất giảm xuống đến giá trị thấp khơng có khả giảm Gió bão tăng lên đến mức cực đại giữ mức ổn định giai đoạn này, mắt bão hình thành trở nên sắc nét Phạm vi gió mạnh mưa lớn mở rộng, đặc biệt phía bên phải tâm bão theo hướng di chuyển bão Sự cân đối bão bị dần Kích thước bão giai đoạn thay đổi khoảng lớn  Giai đoạn bão tan Sau bão đổ vào bờ, sâu vào đất liền, suy yếu dần bão di chuyển phía đơng bắc, tính chất riêng biệt bão nhiệt đới dần Sự tan dần bão q trình di chuyển phía Bắc bão vào vùng nước biển lạnh hơn, đặc biệt bão vào đất liền, ma sát mặt đệm lớn, làm cho lượng (nhiệt ẩm) bão bị tiêu hao nhiều, nên bão yếu nhanh chóng 1.4 Sự di chuyển bão cấu trúc bão nhiệt đới  Sự di chuyển bão nhiệt đới Hiện hầu hết nhà khí tượng cho bão nhiệt đới chuyển động ảnh hưởng nội lực ngoại lực Nội lực xuất hồn lưu xốy bão, nội lực có xu hướng kéo bão vĩ độ lệch cực Khi thân nội lực lớn bão di chuyển độc lập, khơng phụ thuộc vào ngoại lực Ngoại lực lực sinh khơng khí xung quanh tác động lên phần tử bão lơi kéo Trong vùng nhiệt đới trường (nơi sinh ngoại lực lớn nhất) có tính chất định di chuyển bão Ngoại lực nguyên nhân làm cho bão di chuyển với tốc độ lớn chậm hơn, lệch hướng lên phía bắc xuống phía nam gây tính phức tạp chuyển động bão  Cấu trúc bão nhiệt đới Cấu trúc ngang: Mắt bão vùng thời tiết yên tĩnh lặng gió nằm trung tâm bão Mặt cắt ngang cho thấy bão hình trịn hình elip tùy theo độ nghiêng trục bão so với phương nằm ngang Kích thước bão thay đổi theo giai đoạn phát triển bão Bề mặt rộng 35 – 55 km giai đoạn đầu giai đoạn mạnh nhất, đường kính mắt bão giảm xuống cịn trung bình khoảng 18 – 30 km Cấu trúc thẳng đứng: Hiện qua khảo sát máy bay, ảnh vệ tinh, người ta kết luận bão có trung tâm áp thấp sau phát triển sâu xuống xuất tầng cao Hồn lưu xốy thuận bão phát triển theo chiều cao Nhìn chung cấu trúc thẳng đứng bão đối xứng qua trục mắt bão Trục thẳng đứng nghiêng tùy thuộc vào bão 1.5 Các phương pháp dự báo bão 1.5.1 Phương pháp thống kê Phương pháp thống kê có ưu điểm mang tính chất khách quan, đơn giản, khả ứng dụng lớn máy tính điện tử phát triển Xét hai phương pháp: Phương pháp quán tính phương pháp khí hậu - Phương pháp quán tính: Dựa giả thiết hiệu ứng tổng hợp lực tác dụng đến bão thời đoạn qua tiếp tục tác động tới xu thời kì cần dự báo - Phương pháp khí hậu: Được thực sở kết thống kê nhiều năm quỹ đạo bão Theo quỹ đạo nhiều năm mạng ô vuông kinh vĩ định ta xác định quỹ đạo trung bình nhiều năm theo tháng Đường nối điểm có tần suất lớn xác định quỹ đạo trung bình nhiều năm Tốc độ dịch chuyển bão tính dựa tập số liệu trung bình chùm quỹ đạo bão 1.5.2 Phương pháp Synốp Phương pháp Synốp phương pháp sử dụng dự báo nghiệp vụ nước ta Với kinh nghiệm hình Synốp kết hợp sử dụng với thông tin bổ trợ từ sản phẩm dự báo mơ hình số, ảnh mây vệ tinh…các nhà dự báo đưa tin tốt phần lớn trường hợp Trong dự báo quỹ đạo bão, phương pháp Synốp dựa vào hai phương pháp chính: Phương pháp dịng dẫn đường phương pháp hệ thống dự báo đường bão 1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường Dựa chế bão di chuyển theo nguyên tắc dòng dẫn đường Đối với bão yếu sử dụng mực dòng dẫn 700 mb, bão mạnh sử dụng mực dòng dẫn 500 mb Sử dụng dịng dẫn xác định hướng tốc độ di chuyển bão, từ dự báo quỹ đạo bão tương lai 1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển bão Năm 1998 Cars Elsbery dựa kết phân tích 287 bão thời kì 10năm hệ thống hố tính tần suất mơ hình Synốp quy định khả di chuyển bão Tây Thái Bình Dương có Biển Đơng + Mơ hình chuẩn Rãnh ơn đới dịch chuyển tới miền nhiệt đới tách áp cao cận nhiệt thành hai phận phía đơng phía tây Tuỳ theo khu vực dịng khí thịnh hành khu vực bão di chuyển tới mà quỹ đạo bão khác Nhìn chung đường quỹ đạo có xu nằm theo hướng đơng đơng nam tây tây bắc Hình 1.1: Mơ hình hướng cực + Mơ hình hướng cực Sự mở rộng sống yếu hai phận áp cao kéo dài theo hướng tây nam – đông bắc phận áp cao phía đơng xuất dịng khí thịnh hành hướng cực phía tây phần biến dạng mạnh lên dịng khí phần cực tây phận áp cao phía đơng Ban đầu bão di chuyển theo hướng tây nam – đông bắc khu vực dịng khí hướng cực sau di chuyển hướng đông bắc đông tiến vào khu vực ơn đới Hình 1.2: Mơ hình hướng cực + Mơ hình hồn lưu gió mùa Tương tự mơ hình hướng cực phía tây củ phận biến dạng áp cao phía đơng vịng hồn lưu gió mùa ngược chiều kim đồng hồ Do tác động vịng hồn lưu mà quỹ đạo hướng cực di chuyển hướng phía tây theo theo vịng hồn lưu từ đơng sang tây nằm phận áp cao phía tây dịng hồn lưu gió mùa khu vực sống thịnh hành Hình1 3: Mơ hình vịng hồn lưu gió mùa G: Tâm vịng gió mùa Ranh giới khu vực  Khu vực tốc độ gió cực đại + Mơ hình bão kép Bão phía tây nằm khu vực dịng hướng xích đạo di chuyển phía tây nam có khả tiến vào khu vực sống thịnh hành, tiếp di chuyển từ đơng sang tây Cơn bão phía đơng nằm khu vực dịng hướng cực di chuyển phía tây bắc, có khả tiến vào khu vực gió tây ơn đới di chuyển phía đơng bắc Hình 1.4: Mơ hình bão kép 10 - Bước hiệu chỉnh [ u n +1 = u n + ∆t αF n + β F ( n +1)* ] (2.55) đây, F(n+1)* nhận dùng u(n+1)* Thay F vào kết hợp với (2.54) , (2.55) Ta : [ { u n +1 = u n + iω∆t αu n + β u n + iω∆tu n ]} (2.56) Hay : {[ ] } u n +1 = − βω ∆t + i[ (α + β )ω∆t ] u n (2.57) Do (α+β) =1 nên nhân tố biên độ sơ đồ [ λ = (1 − βω ∆t ) + ω ∆t ] (2.58) + Sơ đồ Đối với sơ đồ α = β = Do nhân tố biên độ sơ đồ : λ = {(1 − p ) + p } (2.59) λ = p4 − p2 +1 (2.60) Hay p = ω∆t Và điều kiện ổn định Sơ đồ biểu diễn sau λ ≤ ω∆t ≤ 2.6 Mơ tả mã nguồn mơ hình Mơ hình áp khơng phân kỳ gồm có ba chương trình chính: Infield, Baro Baro_out Mỗi chương trình thực cơng việc cụ thể: - Chương trình Infield tạo nhằm chuẩn bị trường hàm dịng ban đầu từ trường gió Chương trình định nghĩa điều kiện biên vài số cần thiết dùng cho mơ hình Chương trình dùng để chuẩn bị trường ban đầu cho mơ hình áp khơng phân kì, sau tính tốn trường hàm dịng, chương trình đánh giá trường độ cao việc sử dụng 25 phương trình cân nghịch đảo Chương trình cung cấp tuỳ chọn ban đầu mơ hình nước nơng có địa hình khơng có địa hình + IOPT1 = IOPT2 = Mơ hình áp + IOPT1 = IOPT2 = Mơ hình nước nơng khơng có địa hình + IOPT1 = IOPT2 = Mơ hình nước nơng có địa hình - Chương trình thứ hai Baro thực tích phân mơ hình Sau tích phân, mơ hình gọi chương trình INIT để định nghĩa thơng số điều khiển, tích phân bước thời gian, số đưa kết dự báo, khoảng đầu dự báo, kích thước lưới, trường hàm dịng ban đầu - Chương trình thứ ba Baro_out đọc trường hàm dịng thành phần gió dự báo, chương trình trường độ cao suy từ phép cân nghịch đảo khơng tuyến tính Ta có sơ đồ khối mơ hình áp sau: Đầu vào trường gió u,v mực 700mb Chạy chương trình “Infield” để thu trường hàm dịng ban đầu Chạy chương trình “Baro” sử dụng để dự báo Chạy chương trình Barout để thu trường độ cao thành phần gió Đầu sản phẩm dự báo 26 2.7 phương pháp tìm tâm Sản phẩm đầu mơ hình áp khơng phân kỳ trường gió u, v dự báo trường độ cao địa vị (được viết từ chương trình Baro_out) Vì chương trình tìm tâm chương trình Tcenter (Typhoon Center Tracking) hay chương trình dị tìm tâm bão phương pháp Downhill kết hợp với nội suy hàm hữu tỷ hai chiều Tính xốy vùng nghiên cứu sau tìm điểm có xốy lớn Tâm bão xác định vị trí có giá trị cực tiểu áp suất độ cao vị mực a/ Dữ liệu đầu vào chương trình Dữ liệu đầu vào cho TCenter gồm phần  File tracking.namelist bao gồm thơng tin - Vị trí đốn tâm bão: CLON_O, CLAT_O - Danh sách file liệu cần tìm tâm: Pslv_filename Chú ý: để kết đạt độ xác mong muốn, danh sách file cần xếp theo thứ tự thời gian tăng dần Ngoài ra, số lượng file không 20 - Các thông tin miền dự báo bao gồm: + Số điểm lưới theo kinh vĩ độ: Nlon, Nlat +Bước lưới: Dlat +Tọa độ kinh vĩ nút lưới đầu tiên: Lon_s,Lat_s  Các file liệu dạng ascii trường áp suất mực biển độ cao địa vị xác đinh tracking.namelist Nội dung file bao gồm lon/lat/pslv nút lưới, nút lưới hàng, vị trí bên trái lặp theo chiều kinh độ trước b/ Kết đầu Vị trí kinh độ vĩ độ tâm tìm dự báo 27 Chương Kết thử nghiệm Dự báo Nhận xét Cơn bão KaiTak bão mạnh hoạt động dọc theo bờ biển Việt Nam từ Nam Trung Bộ đến khơi Nam Định vào cuối tháng 10 đầu tháng 11 năm 2005 Quỹ đạo di chuyển bão phức tạp, hướng tốc độ di chuyển thay đổi nhiều lần nên khó dự báo xác quỹ đạo bão (Hình 3.1) Hình 3.1: Quỹ đạo thực bão KaiTak 3.1 Xác định khu vực mực dự báo Trong mơ hình này, tơi làm thử với hai miền tính có độ phân giải khác nhau: miền thứ có bước lưới 1.0 miền thứ hai có bước lưới 0.5 Số liệu 1.00 đầu vào bao gồm gió kinh, vĩ hướng U, V lấy từ số liệu phân tích tồn cầu với bước lưới kinh vĩ 1.00 mực 700 mb Miền số liệu lấy trải rộng bao phủ toàn vùng Biển Đông với vĩ độ từ 50S - 450N kinh độ từ 900E - 1400E số điểm lưới theo hướng vĩ 28 tuyến 51 theo hướng kinh tuyến 51 Trong khố luận tơi chạy thử nghiệm với bão KaiTak (bão số 8, ngày 29/10/, 30/10 31/10 năm 2007) Số liệu đầu vào lấy lúc 00h UTC ngày 29/10/, 30/10, 31/10 năm 2007 với hạn dự báo 48 h, sản phẩm đầu cách h Số liệu 0.50 đầu vào cho mơ hình nội suy từ số liệu miền lưới Khi miền tính là: 101x101 điểm từ 50S – 450N, 900E – 1400E 3.2 Kết chạy thử nghiệm với bão KaiTak 3.2.1 Thử nghiệm Thử nghiệm thứ Trong thử nghiệm dự báo đường bão Kaitak tiến hành mơ hình áp với số liệu ban đầu gồm trường gió U, V lưới có độ phân giải 1.00x1.00 độ vĩ mực 700 mb lúc 00h UTC ngày 29/10/2005, 30/10/2005, 31/10/2005, miền lưới 51x51 điểm (50S – 450N, 900E – 1400E) Thử nghiệm thứ hai Trong thử nghiệm dự báo đường bão Kaitak tiến hành mơ hình áp với số liệu nội suy từ tập số liệu ban đầu bao gồm trường gió U, V lưới có độ phân giải 0.5 0x0.50 độ vĩ mực 700 mb lúc 00h UTC ngày 29/10/2005, 30/10/2005, 31/10/2005, miền lưới 101x101 điểm (5 0S – 450N, 900E – 1400E) Thử nghiệm thứ ba Trong thử nghiệm dự báo đường bão Kaitak lần thứ ba tiến hành cách cập nhật điều kiện biên thực thay cho điều kiện biên tuần hồn Số liệu dùng lưới có độ phân giải 1.0 0x1.00, bao gồm trường gió U,V lấy từ số liệu toàn cầu thời điểm 00h, 06h, 12h, 18h, 24h, 30h, 36h, 42h, 48h ngày 29-3031/10/2005, miền lưới 51x51 điểm (50S – 450N, 900E – 1400E) 29 3.2.2 Phân tích kết nhận xét Để so sánh kết ta đánh giá sai số khoảng cách tâm bão dự báo tâm bão thực ∆ R (tính km) Cơng thức : ∆R = π a ∆λ2 cos ϕ1 + ∆ϕ 180 (3.1) π = 3.1416 , a bán kính Trái Đất (6371km), ϕ1 = vĩ độ ban đầu bão, ∆ϕ hiệu vĩ độ ban đầu tâm bão dự báo tâm bão thực, ∆λ hiệu kinh độ tâm bão dự báo tâm bão thực 30 3.2.2.1 Thử nghiệm thứ Kết dự báo đường bão Kaitak cho Hình 3.2 Hình 3.2: Quỹ đạo dự báo quỹ đạo thực bão KAITAK ba ngày 29-3031/10/2005 thử nghiệm thứ  Nhận xét Bão Kaitak bão nhiệt đới mạnh có thời gian tồn lâu từ ngày 28/10/2005 đến ngày 2/11/2005 Kaitak phát triển thành bão từ 06h UTC ngày 28/10/2005 31 Ngày 29-10-2005: Lúc 00h UTC vị trí tâm bão nằm khoảng 12.6 0N- 113.50E tốc độ gió mạnh trì 35 knots (kt), theo hướng tây tây bắc, sau tiếp tục đổi hướng nhiều lần đồng thời sức gió mạnh tăng lên tới 60kt lúc 00hUTC ngày 30/10/2005 Các kết dự báo đường bão KAITAk thử nghiệm thứ đưa Hình 3.2 Ngày 29/10/2005 đến ngày 30/10/2005 hướng di chuyển Bão KAITAK thay đổi nhiều lần Với số liệu đầu vào số liệu trường gió U,V 00h UTC ngày 29/10/2005 Quỹ đạo bão dự báo thu từ mơ hình thấy bão KAITAK di chuyển quán tính theo hướng tây tây bắc, chưa bắt đổi hướng di chuyển bão Phân tích trường hàm dịng phần phụ lục 1, thấy Ngày 29/10/2005 bão mạnh đặc biệt KAITAK trường hợp bão rãnh gió Tây Hàm dịng 00h ngày 29/10/2005 (Hình 1- phụ lục 1) vùng biển Nhật Bản tồn rãnh gió tây yếu, phía đơng tồn áp Cao Cận Nhiệt Tây Thái Bình Dương tạo thành vùng yên khoảng vĩ độ 220N, 1150E , đến 12 h sau rãnh gió tây phát triển mạnh, làm lưỡi áp cao rút lui phía tây Theo hình bão chuyển động chậm lại, có cường độ mạnh Đến 24 h rãnh gió Tây rút lên phía Bắc, áp Cao Cận Nhiệt Tây Thái Bình Dương tiến sâu sang phía tây làm bão di chuyển theo hướng tây, tây bắc đếm 48 h đổ vào Việt Nam Trong thực tế thi khơng phải Sai số quỹ đạo thực quỹ đạo dự báo ta xem Bảng 3.1, 24h đầu sai số 384.3 km đến 48 h tiếng sau sai số 624.7 km Ngày 30/10/2005 bão đạt mức typhoon sức gió mạnh 70kt có xu hướng mạnh lên Số liệu đầu vào số liệu trường gió U,V 00h UTC ngày 30/10/2005 Lúc rãnh gió tây tăng cường phát triển mạnh 12 h dự báo ngày trường hàm dịng cho thấy hình thành khu thấp mờ, rãnh tương tác với áp Cao Cận Nhiệt Tây Thái Bình Dương làm bão di chuyển theo hướng lệch bắc (xem phụ lục 1) Lúc 36h 48h áp thấp khu vực biển Nhật Bản lớn dần lên, áp Cao Cận Nhiệt bi đẩy lùi dự báo bão yếu Nhìn chung sai số quỹ đạo 32 thực quỹ đạo dự bão so với ngày 29/10/2005 có giảm ví dụ lúc 48 h sai số 480.0 km (xem Bảng 3.1) Ngày 31/10/2005 tồn mức typhoon sức gió mạnh 80kt Số liệu đầu vào số liệu trường gió U, V 00h UTC ngày 31/10/2005 Rãnh gió tây lai rút lên phía bắc, áp Cao Cận Nhiệt tiến vào nguyên nhân ta dự báo bão tăng cường mạnh lên dọc theo bờ biển miền Trung mà chưa đổ vào bờ Sai số ngày nhỏ so với ngày 29/10/2005 Nhìn chung, sai số dự báo lớn khoảng dự báo xa Ngày cường độ bão mạnh sai số giảm 33 3.2.2.2 Thử nghiệm thứ hai Kết dự báo quỹ đạo bão với tập số liệu nội suy từ lưới 1.0 lưới 0.50 kích thước lưới 101x101 điểm (50S – 450N, 900E – 1400E) cho Hình 3.3 Hình 3.3: Quỹ đạo dự báo quỹ đạo thực bão KAITAK ba ngày 29-3031/10/2005 thử nghiệm thứ hai  Nhận xét: Đối với lưới có độ phân giải nhỏ có nghĩa số liệu miền tính đầy đủ hơn, làm giảm sai số trình tính tốn Vì vậy, nhìn hình vẽ ta thấy độ xác quỹ đạo bão dự báo lớn so với thử nghiệm thứ Cụ thể sai số lúc 18h số liệu đầu vào lúc 00h ngày 29/10/2005 113.4 km nhỏ 44.8 km so với thử nghiệm thứ nhất, lúc 24h 35.4km (xem Bảng 3.1) Phân tích trường hàm dịng rãnh gió tây nhận thấy dễ dàng hơn, lúc 00 h ngày 29/10/2005 ta thấy tồn lúc hai rãnh gió tây vùng biển 34 Nhật Bản, Cao áp Cận Nhiệt tác động mạnh mẽ Vì vậy, dự bão bão di chuyển theo hướng tây, tây bắc(xem phụ lục 2) Dự báo vậy, bão chủ yếu di chuyển theo dòng dẫn áp cao cận nhiệt nghĩa theo hướng tây, tây bắc Rồi đổi vào Việt Nam sau 48h 3.2.2.3 Thử nghiệm thứ ba Thử nghiệm thứ ba đưa nhằm giảm sai số mơ hình Cách cải tiến cập nhật giá trị biên thực thay cho giá trị biên tuần hoàn Số liệu đầu vào bao gồm trường gió U, V khoảng thời gian từ 00h, 06h, 12h, 18h, 24h, 30h, 36h, 42h, 48h Kết nhận nhận Hình 3.4 Hình 3.4: Quỹ đạo dự báo quỹ đạo thực bão KAITAK ba ngày 29-3031/10/2005 thử nghiệm thứ ba 35  Nhận xét Sản phẩm dự báo mơ hình sau cập nhật biên thực thấy quỹ đạo dự báo xác so với thử nghiêm Sai số giảm đáng kể (xem Bảng 3.1) Quỹ đạo bão ngày 30/10/2005 gần với quỹ đạo thực so với hai thử nghiệm trước Phân tích trường hàm dịng dự báo thấy rõ ràng hình thể Synốp bão 3.2.2.4 Các đánh giá sai số tâm bão dự báo tâm bão thực tế Dựa vào công thức (3.1) đánh giá sai số ta có bảng sau Bảng 3.1 : Đánh giá sai số quỹ đạo thực quỹ đạo dự báo ÄR + Các thử nghiệm 06h (km) 29/10 Thử 89.2 ÄR + ÄR + ÄR + ÄR + ÄR + ÄR + ÄR + 12h 18h 24h 30h 36h 42h 48h (km) (km) (km) (km) (km) (km) (km) 133.6 158.2 384.3 388.7 476.3 530.4 624.7 30/10 34.2 140.2 197.8 393.8 454.3 450.4 451.0 480.0 31/10 24.4 148.12 183.8 211.4 223.8 432.9 438.5 477.0 29/10 31.1 39.4 113.4 349.9 357.9 529.4 616.1 646.9 30/10 32.2 80.2 167.8 343.8 415.6 450.4 441.0 472.1 31/10 24.7 70.2 173.5 251.9 275.6 428.9 433.4 572.4 29/10 10.8 34.4 89.5 302.6 334.8 453.2 474.2 538.4 30/10 55.1 77.6 164.1 216.7 331.8 354.1 346.9 359.3 thứ ba 31/10  Nhận xét: 33.3 69.5 157.0 105.1 198.6 208.7 239.8 372.7 nghiệm thứ Thử nghiệm thứ hai Thử nghiệm + Phân tích sai số dự báo qua Bảng 3.1 ta thấy, sai số đưa lớn, nằm khoảng cho phép Độ xác cao đạt khoảng dự báo thời gian ngắn 24h 36 + Phân tích qua hình quỹ đạo bão ta thấy, mơ hình khơng bắt đổi hướng di chuyển bão + Việc cập nhật giá trị biên thực thay cho giá trị biên tuần hoàn thu kết khả quan + Nếu số liệu đầu vào lấy ngày bão đạt cấp Typhoon sản phẩm dự báo tốt so với ngày bão đạt cấp Tropical Storm 37 Kết luận Khóa luận thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão khu vực Biển Đông mô hình áp khơng phân kì Với số liệu đầu vào trường gió U,V mực700mb trích từ mơ hình tồn cầu lúc 00h UTC ngày 29/10/2005, 30/10/2005, 31,10,2005 Cơn bão Kaitak bão chọn làm thử nghiệm chạy thành công tất thử nghiệm Kết Hình 3.2, Hình 3.3 Hình 3.4 giúp ta nhận thấy mơ hình khơng bắt đổi hướng di chuyển bão, số liệu đầu vào lấy ngày bão đạt cấp Typhoon sản phẩm dự báo tốt so với ngày bão đạt cấp Tropical Storm Kết qua ba thử nghiệm dự báo với bão KAITAK ta thấy rằng: + Quỹ đạo dự báo mơ hình so với quỹ đạo thực 24h đầu xác (theo Bảng 3.1) Ví dụ: ÄR + 24h (km) ngày 29/10/2005 thử nghiệm có khác biệt, thử nghiệm thứ 384.3 km, 349.9 km, 302.6 km + Thời gian dự báo dài kết mơ hình xác hơn, ÄR + 48h (km) ngày 30/10/2005 ba thử nghiệm 480.0 km, 472.1 km 359.0 km Tuy nhiên sai số nằm phạm vi cho phép Vì kết mơ hình áp dụng để tham khảo cho mơ hình số khác 38 Tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng việt [1] Trần Tân Tiến Dự báo thời tiết phương pháp số trị – NXB Đai học Quốc Gia Hà Nội (1997) [2] Trần Cơng Minh Khí tượng Synop (phần nhiệt đới) - NXB Đai học Quốc Gia Hà Nội (2006) Tài liệu tiếng anh [1] Krishnamurti, TN An Introduction to Numerical Weather Prediction Techniques, Academic Press, NewYork, 1996 [2] Zhagnd Krishnamurti - A Perturbation Method for Hurricane Ensemble Predictions, Department of Meteorology, The Florida State University, Tallahassee, Florida Tài liệu trang Wed [1] http://vnbaolut.com [2] http://vn.globalcoordinate.com [3] http://weather.unisys.com/hurricane/ 39