Đang tải... (xem toàn văn)
Lời cảm ơn Trong suốt thời gian thực hiện bản Khoá luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô giáo trong Khoa Khí Tượng, Thuỷ Văn, Hải Dương Học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội. Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo thạc sỹ Nguyễn Minh Trường, người đã trực tiếp hướng đẫn chỉ bảo tận tình cho tôi từ những bước đầu thực hiện tới ngày hoàn thành khoá luận. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa, các cán bộ khoa về sự nhiệt tình chỉ bảo. Và cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn cổ vũ, trao đổi, góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập. Do sự hạn chế cả về mặt kiến thức của tôi, cũng như thời gian thực hiện khoá luận nên không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của các bạn để khoá luận được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 22/05/2007 Sinh viên NGUYễN THị Huệ 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………………………………………………..5 1.4 Sự di chuyển của bão và cấu trúc của bão nhiệt đới…………...........................6 1.5 Các phương pháp dự báo bão…………………………………………………7 1.5.1 Phương pháp thống kê………………………………...........................7 1.5.2 Phương pháp synop……………………………………………...........7 1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường…………………........................7 1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển của bão…………….7 1.5.3 Phương pháp số trị………………………………………………..........9 1.5.4 Phương pháp dự báo tổ hợp…………………………………………10 1.5.4.1: Lý thuyết……………………………………………………10 1.5.4.2. Phương pháp………………………………………………..10 a/ Vị trí nhiễu động……………………………………………...11 b/ Nhiễu động dựa trên EOF….………………………………….12 Chương 2. MÔ HìNH CHíNH áP………………………………….………..17 2.1 Tổng Quan về mô hình………………………………………………………..17 2.1.1 Khái niệm về khí quyển chính áp, khí quyển tà áp…………………..17 2.1.2 Các phương trình cơ bản……………………………………………..17 2.2 Đặc trưng của dòng chính áp………………………………………………….18 2.2.1 Thành phần không đổi………………………………………………..18 2.2.2 Miền không đổi………………………………………………………19 2.2.3 Trao đổi năng lượng chính áp……………………………………......19 2.3 Cấu trúc mô hình và điều kiện biên……………………………………….......20 2.4 Điều kiện ban đầu…………………………………………………………......21 2.5 Mô tả mã nguồn của mô hình………………………………………………....21 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 cho dự báo quỹ đạo bão, và kết quả thử nghiêm với cơn bão KaiTak-29/10, 30/10, 31/10 năm 2005. Để hoàn thành được báo cáo này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thạc sỹ - Thầy giáo: 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 qui mô synop 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 17,1m/s và bão khi tốc độ gió
Đại học quốc gia hà nội Trường Đại học khoa học tự nhiên Khoá luận tốt nghiệp Cử nhân khoa học hệ quy ngành khí tượng Phương pháp dự báo quỹ đạo bão biển đơng mơ hình áp Nguời hướng dẫn: Th.S Nguyễn Minh Trường Người thực hiện: Nguyễn Thị Huệ Hà nội – 2008 Lời cảm ơn Trong suốt thời gian thực Khoá luận tốt nghiệp này, nhận nhiều giúp đỡ từ thầy cô giáo Khoa Khí Tượng, Thuỷ Văn, Hải Dương Học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội Lời tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới thầy giáo thạc sỹ Nguyễn Minh Trường, người trực tiếp hướng đẫn bảo tận tình cho tơi từ bước đầu thực tới ngày hoàn thành khố luận Tơi xin cảm ơn thầy khoa, cán khoa nhiệt tình bảo Và cuối xin cảm ơn gia đình bạn bè, người ln cổ vũ, trao đổi, góp ý giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập Do hạn chế mặt kiến thức tôi, thời gian thực khố luận nên khơng thể tránh thiếu sót, mong nhận đóng góp ý kiến chân thành bạn để khố luận hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 22/05/2007 Sinh viên NGUYễN THị Huệ Mục Lục Mở Đầu…………………………………………………………………………….2 Chương TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO………………………………………………………… 1.1 Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới……………………………………3 1.2 Những điều kiện hình thành bão………………………………………… 1.3 Các giai đoạn phát triển bão……………………………………………… 1.4 Sự di chuyển bão cấu trúc bão nhiệt đới………… 1.5 Các phương pháp dự báo bão…………………………………………………7 1.5.1 Phương pháp thống kê……………………………… 1.5.2 Phương pháp synop…………………………………………… 1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường………………… 1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển bão…………….7 1.5.3 Phương pháp số trị……………………………………………… 1.5.4 Phương pháp dự báo tổ hợp…………………………………………10 1.5.4.1: Lý thuyết……………………………………………………10 1.5.4.2 Phương pháp……………………………………………… 10 a/ Vị trí nhiễu động…………………………………………… 11 b/ Nhiễu động dựa EOF….………………………………….12 Chương MÔ HìNH CHíNH áP………………………………….……… 17 2.1 Tổng Quan mơ hình……………………………………………………… 17 2.1.1 Khái niệm khí áp, khí tà áp………………… 17 2.1.2 Các phương trình bản…………………………………………… 17 2.2 Đặc trưng dịng áp………………………………………………….18 2.2.1 Thành phần không đổi……………………………………………… 18 2.2.2 Miền không đổi………………………………………………………19 2.2.3 Trao đổi lượng áp…………………………………… 19 2.3 Cấu trúc mơ hình điều kiện biên……………………………………… .20 2.4 Điều kiện ban đầu………………………………………………………… 21 2.5 Mơ tả mã nguồn mơ hình……………………………………………… 21 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 phòng chống Trên giới từ thập kỉ 60 trở lại nhiều mơ hình số trị dự báo xoáy 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 khố luận tơi xin trình bày hiểu biết mơ hình áp cho dự báo quỹ đạo bão, kết thử nghiêm với bão KaiTak-29/10, 30/10, 31/10 năm 2005 Để hoàn thành báo cáo xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thạc sỹ Thầy giáo: 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 qui mơ synop 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 17,1m/s bão tốc độ gió trung tâm lớn 17,1m/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 40km 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 10,8-17,2m/s (cấp 6-7) - Bão nhiệt đới (tropical storm): Bão với đường đẳng áp khép kín tốc độ gió lớn gần vùng trung tâm từ 17,2-24,4m/s (cấp8-cấp9) - Bão mạnh (Severe tropical Storm): Bão với tốc độ gió lớn vùng gần trung tâm từ 24,5-32,6m/s (cấp 10-cấp 11) - Bão mạnh (Typhoon/Hurricane): Bão với tốc độ gió lớn vùng gần trung tâm từ 32,7m/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 - Thơng 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 12km nhỏ (dưới 3m/s) bảo đảm tập trung ban đầu dòng ẩn 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 synop 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 xoáy thuận ngoại nhiệt đới Toàn thời gian sống bão bao gồm giai đoạn sau: Giai đoạn hình thành giai đoạn thời tiết không 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 12h, 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 40-50km, mây dày đặc, cường độ mưa tăng lên Giai đoạn này, bão phát triển đến độ cao 5-9km (tương đương với mực khí áp 500-300mb) 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 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 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 hoàn lưu xốy bão, nội lực có xu hướng kéo bão vĩ độ lệch cực Khi thân nội lực lớn bão di chuyển độc lập, không phụ thuộc vào ngoại lực Ngoại lực lực sinh khơng khí xung quanh tác động lên phần tử bão lôi 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 35-55km giai đoạn đầu giai đoạn mạnh nhất, đường kính mắt bão giảm xuống cịn trung bình khoảng 18-30km 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 synop Phương pháp synop phương pháp sử dụng dự báo nghiệp vụ nước ta Với kinh nghiệm hình synop 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 synop 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 700mb, bão mạnh sử dụng mực dòng dẫn 500mb 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 Snop quy định khả di chuyển bão Tây Thái Bình Dương có biển Đơng + Mơ hình chuẩn (60%) 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 đông đông nam tây tây bắc Hình 1.1: Mơ hình hướng cực + Mơ hình hướng cực (30%) 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 Hình 3: Mơ hình vịng hồn lưu gió mùa G: Tâm vịng gió mùa Ranh giới khu vực Khu vực tốc độ gió cực đại [4 u ( x h, y ) u ( x h, y ) u ( x, y h) u ( x, y h) {u ( x h, y h) 6h u ( x h, y h) u ( x h, y h) u ( x h, y h) 20u ( x, y )}] 20u ( x, y ) (h ) 2 u (2.45) Cả phương trình (2.44) (2.45) sơ đồ ước lượng độ xác bậc hai Trong nhiều ứng dụng mơ hình điểm cho độ xác tốt mơ hình điểm Tốn tử Jacobian Jacobian toán tử đề cập đến nghiệm nhiều tốn địa vật lý Nó còng xuất hầu hết số hạng bình lưu phi tuyến Ví dụ phương trình xốy Kí hiệu tốn tử J Theo Arakawa (1966) xây dựng tương tự sai phân hữu hạn Jacobian có ba dạng : J ( , ) x y y x (2.46) J ( , ) ( ) ( ) x y y x (2.47) J ( , ) ( ) ( ) y x x y (2.48) Trong (2.46) gọi dạng bình lưu cịn (2.47) (2.48) gọi dạng thông lượng Jacobian Dạng sai phân (2.46), (2.47), (2.48) có dạng : jj1 [( i 1, j i 1, j )( i , j 1 i , j ) ( i , j 1 i , j )( i 1, j i 1, j )] 4h (2.49) [( i , j 1 ( i 1, j 1 i 1, j 1 ) i , j ( i 1, j i 1, j ) 4h i 1, j ( i 1, j 1 i 1, j ) i 1, j ( i 1, j 1 i 1, j )] (2.50) [ i 1, j ( i 1, j 1 i 1, j ) i 1, j ( i 1, j 1 i 1, j ) 4h i , j 1 ( i 1, j 1 i 1, j 1 ) i , j ( i 1, j i 1, j )] (2.51) jj jj3 25 Arakawa ước lượng xác bậc hai Jacobian xác định sau : jj ( jj1 jj jj ) (2.52) Công thức gọi cơng thức Jacobian Arakawa bậc hai thoả mãn bảo tồn động tổng cộng xốy bình phương trung bình 2.4.2 Sai phân thời gian Một vấn đề quan trọng giải phương trình thống trị chuyển động khí tích phân theo thời gian Dưới sơ đồ sai phân theo thời gian cổ điển Sơ đồ Matsuno : Sơ đồ gọi sơ đồ hiệu chỉnh – dự báo (predictor- corrector) dùng hai bước Phương trình sóng dùng để thể sơ đồ xem xét tính ổn định chúng : du F dt (2.53) Phương trình tích phân trình tự theo hai bước Đầu tiên dự báo un+1 thực kí hiệu u (n+1)* Bước thứ hai xác địnhgiá trị Fn+1 dùng u(n+1)* Cuối dùng F(n+1)* để hoàn thiện giá trị ban đầu un+1 Công thức sai phân hữu hạn phương pháp viết sau : - Bước dự báo : (2.54) u n 1 u n tF n - Bước hiệu chỉnh : u n 1 u n t F n 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 : (2.56) u n 1 t i ( )t u n (2.57) u n 1 u n it u n u n itu n Hay : 26 Do (+) =1 nên nhân tố biên độ (amplificaion factor) sơ đồ : (1 t ) t (2.58) Sơ đồ Matsuno : Đối với sơ đồ = = Do nhân tố biên độ sơ đồ : (1 p ) p (2.59) p p 1 (2.60) Hay p t Và điều kiện ổn định Sơ đồ biểu diễn sau : 1 t 1 2.6 Mô tả mã nguồn mơ hình Mơ hình áp khơng phân kỳ gồm có ba chương trình chính: Infield, Baro Barout Mỗi chương trình thực cơng việc cụ thể: - Chương trình Infield tạo nhằm chuẩn bị trường hàm dòng 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 đọ cao việc sử dụng 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 Barout đọc trường hàm dòng thành phần gió dự báo, chương trình trường độ cao suy từ phép đảo ngược cân khơng tuyến tính 27 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 dòng 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 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 Vì chương trình tìm tâm chương trình Tcenter (Typhoon Center Tracking) 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 thông tin: - Vị trí đốn tâm bão: CLON_O, CLAT_O - Danh sách file liệu cần tìm tâm: Pslv_filename 28 Chú ý: để kết đạt độ xác mong muốn, danh sách file cần xếp theo thứ tự thời gian tăng dần Ngồi ra, số lượng file khơng q 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 29 Chương Kết thử nghiệm 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 tơi làm thử với hai miền tính có độ phân giải khác nhau: bước lưới 1.00 bước lưới 0.50 Số liệu 1.00 đầu vào bao gồm gió kinh, vĩ hướng lấy từ số liệu phân tích tồn cầu với bước lưới kinh vĩ 1.00 mực 700mb Miền số liệu lấy trải rộng bao phủ tồn vùng biển đơng với vĩ độ từ 50S đến 450N kinh độ từ 900E đến 1400E số điểm lưới theo hướng vĩ tuyến 51 theo hướng kinh tuyến 51 Trong khoá luận chạy thử nghiệm với bão KaiTak (bão số 8, ngày 29/10/, 30/10 30 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 48h, khoảng output 6h 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 thứ Thử nghiệm thứ nhất: 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 700mb Thử nghiệm thứ hai: Trong thử nghiệm dự báo đường bão Kaitak tiến hành mô hình áp với số liệu nội suy từ tập số liệu ban đầu bao gồm trường gió U, V lưới có độ phân giải 0.50x0.50 độ vĩ mực 700mb 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 hoàn Số liệu dùng lưới có độ phân giải 0.5 0x0.50, 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 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 : a R 2 cos (3.1) 180 3.1416 , a bán kính Trái Đất (6371km), = vĩ độ ban đầu bão, hiệu vĩ độ ban đầu tâm bão dự báo tâm bão thực, hiệu kinh độ tâm bão dự báo tâm bão thực 31 3.2.2.1 Thử nghiệm thứ Kết dự báo đường bão Kaitak sau: 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 06hUTC ngày 28/10/2005 Ngày 29-10-2005: Lúc 00h UTC vị trí tâm bão nằm khoảng 12.6 0N- 113.50E tốc độ gió mạnh trì 35 knot (kt), theo hướng Đơng Nam, sau 32 tiếp tục đổi hướng nhiều lần đồng thời sức gió mạnh tăng lên tới 60kt lúc 00hUTC ngày 30/10/2005 đổi hướng lên phía Bắc 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 kết nhận khơng xác Mức độ sai số lớn thường gặp khoảng dự báo từ 24h đến 48h sau 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 quỹ đạo bão dự báo xác, sai số nhỏ 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 quỹ đạo bão dự báo có hướng gần giống hướng quỹ đạo bão thực tế dự báo ban đầu (06h, 12h), cịn khoảng dự báo dài quỹ đạo bão dự báo xác Nhìn chung kết dự báo quỹ đạo bão gặp sai số khoảng dự báo nhỏ (tại 06h, 12h, 18h, 24h), gặp sai số lớn với khoảng dự báo dài (30h, 36h, 42h, 48h) 33 34 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 101v101 điểm là: 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 q trình tính tốn Vì vậy, nhìn hình vẽ ta thấy độ xác quỹ đạo bão dự báo lớn so với thử nghiệm thứ 35 Đường quỹ đạo dự báo tính toán từ số liệu ngày 29/10/2005, so với thử nghiệm thứ mơ hình dự báo đổi hướng di chuyển bão Nhưng sai số khoảng 24h, 30h, 36h, 42h, 48h lớn so với quỹ đạo thực Đối với quỹ đạo dự báo tính tốn từ số liệu ngày 31/10/2005, so với thử nghiệm thứ sai số mơ hình khơng cải tiến nhiều 3.2.2.3 Thử nghiệm thứ ba Thử nghiệm thứ ba đưa nhằm cải tạo sai số mơ hình Cách cải tiến cập nhật giá trị biên thực thay cho giá trị biên tuần hồn 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 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 36 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) ÄR + 12h (km) ÄR + 18h (km) ÄR + 24h (km) ÄR + 30h (km) ÄR + 36h (km) ÄR + 42h (km) ÄR + 48h (km) 133.6 158.2 384.3 388.7 476.3 530.4 624.7 34.2 240.2 297.8 393.8 454.3 450.4 441.0 400.0 24.4 148.12 283.8 261.4 223.8 192.9 133.4 177.0 29/10 Thử nghiệm 30/10 thứ hai 31.1 39.4 113.4 349.9 357.9 529.4 616.1 646.9 34.2 240.2 297.8 393.8 454.3 450.4 441.0 372.1 31/10 24.7 148.2 283.8 261.4 223.8 192.9 133.4 172.4 29/10 Thử nghiệm 30/10 thứ ba 10.8 34.4 89.5 302.6 334.8 453.2 474.2 538.4 55.1 87.6 274.1 316.7 331.8 324.1 346.9 339.3 31/10 33.3 69.5 157.0 105.1 98.6 108.7 99.8 92.7 29/10 Thử nghiệm 30/10 thứ 31/10 89.2 Nhận xét: + Phân tích sai số dự báo qua bảng 3.1 ta thấy, sai số đưa lớn Độ xác đạt khoảng dự báo thời gian ngắn + 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 hồn khơng thu kết cao Là số liệu đầu vào số liệu đầu mơ hình tồn cầu vốn chứa sẵn sai số bên + 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 Tơi làm khóa luận với mục đích thử nghiệm dự bão quỹ đạo bão khu vực biển Đơng, tơi tìm hiểu mơ hình áp không phân kỳ Tôi thực ba thử nghiệm: thử nghiệm thứ làm với tập số liệu U,V lấy từ mơ hình tồn cầu lưới kinh vĩ mực 700mb độ phân giải 1.0 0, thực nghiệm thứ hai thực nội suy tập số liệu đầu vào thử nghiêm thứ lưới có độ phân giải 0.5 0, thử nghiệm cuối nhằm cải tiến sai số cách cập nhật biên thực thay cho biên tuần hoàn theo hướng Đông Tây Cơn bão Kaitak bão chọn làm thử nghiệm chạy thành công tất thử nghiệm Mơ hình cho kết có chứa sai số lớn, sai số cải tiến đáng kể thực thử nghiệm hai ba Kết hình 3.2, hình 3.3 hình 3.4 giúp ta nhận thấy thử nghiệm thứ ba mơ hình gần bắt đổi hướng di chuyển quỹ đạo bão khoảng thời gian từ 06h, 12h, 18h dự báo Mơ hình dự báo mực định sai số khó tránh khỏi Hơn điều kiện biên làm cho mơ hình chứa sẵn sai số 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 Công 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 ... 31/10/2005 quỹ đạo bão dự báo có hướng gần giống hướng quỹ đạo bão thực tế dự báo ban đầu (06h, 12h), khoảng dự báo dài quỹ đạo bão dự báo xác Nhìn chung kết dự báo quỹ đạo bão gặp sai số khoảng dự báo. .. 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... 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 synop Phương pháp synop phương pháp sử dụng dự báo nghiệp vụ nước