Nghiên cứu sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới ở Biển Đông bằng mô hình mô phỏng động lực học chất lỏng
MỤC LỤC
Những điểm mới của đề tài
- Nghiên cứu cải tiến các mô hình, đặc biệt chú trọng đến mô hình nước nông ba lớp từ một mô hình mô phỏng thành một mô hình dự báo qui đạo bão phù hợp với các. - Thử nghiệm dự báo dong bộ bang ca ba loại mô hình cho các cơn bão hoạt động trong vùng Biển Đông của những năm gan đây.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đã đánh giá khả năng dự báo của từng loại mô hình trong các trường hợp cụ thể để.
XOAY THUAN NHIET DOI
ĐỘNG CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI
NHỮNG NGHIÊN CỨU VỀ HIỆU UNG PHI CHÍNH ÁP LÊN CHUYỂN
Hai cơ chế cơ bản ở đây là điều khiển bình lưu bằng dòng môi trường của xoáy tương đối gắn liền với XTND - được gọi là dòng dẫn, và quá trình bình lưu kèm theo tương tác phi tuyến giữa dòng môi trường, gradien xoáy hành tinh và hoàn lưu xoáy - được gọi là lan truyền hiệu ứng 2. Wu & Emanual (1993) cũng cho rằng sự bảo toàn xoáy thế sẽ làm cho xoáy nghịch trên cao xuyên sâu xuống và xoáy thuận mực thấp xuyên. lên cao; kết quả sẽ có tác động bổ sung đến dòng dẫn. Những nghiên cứu nêu trên. đều chỉ ra khả năng dùng xoáy thế là một tham số nghiên cứu chuyển động của. XTND, đương nhiên cũng làm nay sinh nhiều vấn đề kèm theo. Trước hết, các sơ đồ tham số hoá đối lưu trong thử nghiệm số có thể đưa đến những phân bố khác nhau của đối lưu và do đo là cả xoáy thế. Điều đó có nghĩa là chuyển động xoáy trong mô hình số là kết quả của sơ đồ nhiều hơn là kết quả vật lý. Sau đó là khái niệm xuyên sâu xoáy thế theo chiều đứng đòi hỏi thừa nhận khí quyển là ổn định, và do đó phụ. thuộc chính mô hình. lại tập trung nghiên cứu tác động của độ đứt gió đứng. Họ đã tìm thấy rằng, độ đứt. gió môi trường mạnh sẽ làm xoáy của XTND nghiêng và do đó làm thay đổi mạnh. quỹ đạo của XTNĐ. trên cao và độ đứt gió đứng đối với chuyển động cua XTND bằng một mô hình tựa địa chuyển hai mực và tim thấy chuyển động của xoáy hoàn toàn bị chi phối bởi độ. đứt gió thang đứng. Sự can trở của đối lưu là một hạn chế lớn đối với các mô hình. Trong những vùng có đối lưu sâu chuyển động thang đứng sẽ vận chuyển khối. lượng và dong lượng từ mực thấp lên mực cao và do đó làm tăng cường sự lồng ghép. thang đứng giữa những lớp xoáy. the ba lớp có tính đến hiệu ứng phi đoạn nhiệt cùng với sự có mặt của dòng xiết gió. tay de nghiên cứu chuyển động của XTND. Kết quả nghiên cứu này cho thấy xoáy mực giữa chuyền động vẻ phía phải của vùng đứt gió. của sự biến đổi các tham số lớp biên, của điều kiện ban đầu và điều kiện biên xung quanh cũng như kích thước miền tính toán đối với sự phát triển và duy trì xoáy mô. Kết quả cho thấy: a) Sự thay đổi của dòng ẩn nhiệt trên biển có vai trò quyết định đối với sự duy trì và phát triển xoáy thuận mô hình, còn của hiển nhiệt lại ít. quan trọng hơn, b) Những thí nghiệm với điều kiện biên xung quanh mở thì cấu trúc và cường độ giai đoạn chín mudi của xoáy thuận mô hình là ít nhạy đối với nhiễu ban. đầu và kích thước miền tính, song thời gian để đạt được giai đoạn chin mudi lại rất. nhạy đối với những ảnh hưởng này, c) Điều kiện biên xung quanh (đóng hay mở) là.
DỰ BAO QUY ĐẠO VÀ CƯỜNG ĐỘ CUA XOÁY THUAN NHIỆT DOI BANG MÔ HÌNH THUY ĐỘNG LUC
Lớp mô hình cuối cùng và phức tạp nhất là các mô hình sử dụng hệ phương trình nguyên thuỷ có độ phân giải ngang và đứng cao, với tham số hoá phức tạp các quá trình vật lý, đang được áp dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết khu vực - khu vực hạn chế ở nhiều nước trên thế giới. Ngoài các phương pháp dựa trên các mô hình số đã được trình bày ở trên, phương pháp dự báo qui đạo bão theo quán tính khí hau CLIPER (CLImate. PERsisten) cũng được sử dụng rộng rãi tại các Trung tam dự báo bão lớn trên thế gidi như Trung tam Hon hợp Cảnh báo bão (JTWC), Trung tam Quốc gia Du báo bão (NHC) của Hoa Ky.
DAC DIEM CUA XTND TREN KHU VỤC BIỂN ĐÔNG VÀ CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH SỐ Ở VIỆT NAM
Việc chạy song song cùng một bộ mô hình tại một cơ sở dự báo nghiệp vụ và một cơ sở nghiên cứu đào tạo đã xây dựng được một môi trường tốt cho việc đưa nhanh những tiến bộ khoa học công nghệ vào áp dụng và xây dựng đội ngũ cán bộ trẻ tiếp cận được với công nghệ mới ngay từ khi còn đang học tại trường đại học. Để khác phục những nhược điểm của từng mô hình riêng lẻ, dự báo to hợp (DBTH) là một hướng nghiên cứu phát triển và ứng dụng. hiện nay tại các trung tâm dự báo trên thế giới. Nguyễn Chi Mai và Nguyễn Thu. vào với các phiên bản khác nhau của một mô hình; 3) Sử dụng kết quả dự báo của các.
MO PHONG CHUYỂN ĐỘNG CUA XTNĐ
ĐỘNG LỰC HỌC CUA MÔ HÌNH CHÍNH AP
Như ta biết, chuyển động khí quyền quy mô lớn nhiệt đới điển hình là chính áp, nghĩa là phản kỳ dòng quy mô lớn nhiệt đới rất nhỏ có thể bỏ qua và do đó thoả mãn định luật bảo toàn xoáy. Tuy vậy đối với mô hình chính áp không phân kỳ, vấn đề này không phải là trầm trọng vì sóng trọng trường quán tính không xuất hiện ở đây, và do đó thường sử dụng điều kiện biên tuần hoàn vĩ hướng (biên Đông-Tây) đốt với trường ban đầu và duy trì.
ĐỘNG LUC HỌC CUA MÔ HÌNH NƯỚC NÔNG
Nếu coi khí quyển là một môi trường lỏng không nén được, trong đó mật độ là một hàm của áp suất thoả mãn gần đúng thuỷ tĩnh thì động lực học khí quyển đó biểu diễn bằng hệ hai phương trình chuyển động ngang, phương trình liên tục và phương. Chiếu phương trình (2.19) lên hai trục x và y và lưu ý rằng các thành phần ứng suất rối là đối xứng và sẽ nhận được điều kiện biên cho ứng suất rối tại mặt biên (để đơn giản ta chỉ viết phương trình cho trục x), đồng thời biểu diễn phân biệt cho hai biên là biên trên (z, ) và biên dưới (z, ) riêng biệt.
Sơ đồ trao đổi thông lượng khi không có đối lưu
Dựa vào hệ phương trình nước nông tổng quát nêu trên, Dengler đã xây dựng một mô hình cho ba lớp khí quyển với đầy đủ các số hạng rối, ma sát với mặt đệm và đối lưu, tức là mô hình đã đưa vào tham số hoá lớp biên, đối lưu và trao đổi năng lượng bề mặt theo tư tưởng của Ooyama(1969). Ban đâu hoá mode chuẩn ẩn (INMI): Khả năng dự báo của một mô hình dự báo số để đưa ra được những dự báo hữu ích không chỉ phụ thuộc độ phân giải mô hình và độ chính xác của biểu diễn các quá trình động lực học và vật lý trong mô hình mà còn phụ thuộc rất nhiều vào các điều kiện ban đầu được sử dụng để tích phân mô hình.
DỰ BAO QUI ĐẠO BAO TRONG BIỂN ĐÔNG BẰNG CÁC MÔ HÌNH THỦY ĐỘNG
MÔ TẢ SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU
Bên cạnh đó, đánh dấu “v” ở các cột WBAR, SM, HRM và HRMI4 có nghĩa đã thực hiện dự báo thử nghiệm với các thời điểm tương ứng bằng các mô hình ương ứng WBAR, D95, mô hình HRM 28. Trong các năm trên, còn có một số cơn bão khác hoạt động trên Biển Đông nhưng do di chuyển ra ngoài vùng nghiên cứu, không ảnh hưởng đến Việt nam và.
Ì, — TPHCM
DỰ BAO QUI ĐẠO BAO BANG MÔ HÌNH WBAR
Vì vậy chúng tôi thử nghiệm dự báo chuyển động bão bằng mô hình WBAR với các thay đổi về ảnh hưởng của dòng dẫn và hiệu ứng beta (thông qua cấu trúc ngang của xoáy). Các thử nghiệm đó là: a) sử dụng gió từ các mực khác nhau, và b) sử dụng các phương pháp cài xoáy khác nhau. Trọng số của mỗi mực đẳng áp được tính bằng tỷ số giữa độ dày (áp suất) của lớp mà mực đó đại diện và độ dày của cả lớp khí quyển được sử. dụng để tính trung bình. Ví dụ minh họa kết quả các thử nghiệm WBAR với các mực đẳng áp khác nhau. Xem xét quỹ đạo dự báo nhận được ở đây, một nhận xét chung có thể rút ra là W7 thường đưa ra quỹ đạo dự báo có hướng khác han với W5 và WD. Hình 3.5 minh hoa một ví dụ quỹ đạo dự báo của các thử nghiệm này, bat đầu tại 00z ngày. Bảng 3.3 liệt kê các đặc tính thống kê cơ bản của các sai số dự báo với các thử. Có thể nhận thấy, W7 đưa ra sai số nhỏ nhất, trong khi sai số của các thử. nghiệm W5 và WD rất lớn và tương đương nhau. Còn sai số của WS thì nằm ở giữa. Hơn nữa, phương sai của các sai số khoảng cách của W7. cũng là nhỏ nhất so với ba trường hợp kia thé hiện tính ổn định của W7 so với các sơ. đồ còn lại. Sai số dự báo vị trí tâm bão bằng WBAR với các lựa chọn khác nhau của. mực dong dẫn trong thử ba 1 a kê chi tiết các sai số trong Phu lục 1) Thử nghiệm.
FE = FEL + FES (3.2)
Các sóng này lại được làm trơn trong khoảng bán kính r, và r, (xem hình 2.3 trong chương 2) sao cho chúng tiến tới 0 khi bán kính r tăng tir r, tới rạ. Việc xác định giá trị của r, và r; có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả dự báo vì chúng quyết định cấu trúc của phi đối xứng trong trường ban đầu, mà đây lại là nhân tố. quyết định chuyển động của bão. Giá trị của r, và r; phụ thuộc vào bán kính ảnh. hưởng và tốc độ gió cực đại của xoáy bão. Bước tiếp theo là dựng một xoáy gia đối xứng F”Š dựa trên các thông tin về vi trí tâm bão, tốc độ gió cực đại, bán kính gió cực đại và bán kính ảnh hưởng. lại được càng nhiều thông tin trong trường ban đầu, thành phần xoáy nhân tạo đối. xứng F?° được xây dung dựa trên sự kết hợp có trong số giữa thành phần đối xứng thực FYS và đối xứng giả FŠ theo công thức sau:. R là khoảng cách nhỏ nhất từ tâm xoáy đến biên của miền M4. Hàm trọng số W có dạng. Thanh phan gió tiếp tuyến đối xứng giả của xoáy F® được coi là một ham của. bán kính tính từ tâm xoáy theo công thức. lông PM em). + Trường hợp mô hình được ban đầu hoá với trường phân tích và dự báo toàn cầu mà chỉ thành phần xoáy đối xứng được phân tích lại và thay vào đó bằng một xoáy đối xứng nhân tạo, không có hiệu chỉnh trường ban đầu dựa trên các thông tin thực về bão (như sơ đồ 07) thì sai số dự báo trở nên lớn sau 12h dự báo.
Š 900 AWI5
DU BAO QUY ĐẠO BAO BANG MÔ HÌNH NƯỚC NONG BA LỚP
Trong phản này chúng tôi sẽ trình bày chỉ tiết về nghiên cứu cải tiến mô hình nước nông ba lớp của Dengler - D9Š (xuất phát là một mô hình thuần tuý mô phỏng một số điều kiện lý tưởng của bão trong khí quyển) mà chúng tôi thực hiện với ý đồ áp dụng thử nghiệm D95 cải tiến vào dự báo chuyển động của 12 cơn bão hoạt động. Có thể nhận thấy trên Hình 3.8, gió của D95 ở biên phía tây bị “cưỡng ép” để bang gió ở biên phía đông do điều kiện biên tuần hoàn, và gió ở biên Bac và Nam không có thành phần vĩ hướng theo giả thiết không thẩm thấu của mô hình D95.
NAS WINS
Tuy nhiên, đối với bão hoạt động trên một khu vực cụ thể là Biển Đông, chịu ảnh hưởng của những hình thế thời tiết đặc trưng nhất định, nên rất có thể một sơ đồ lại thể hiện khả năng dự báo tốt hơn các sơ đồ khác. Do vậy, sơ đồ tham số hoá đối lưu DP88 sẽ được sử dụng trong các nghiên cứu tiếp theo, và kết qua dự báo bằng D95 với sơ đỏ DP88 sẽ.
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUÁ TÍNH TOÁN
ĐÁNH GIÁ DU BAO 24 GIO HƯỚNG CHUYỂN ĐỘNG CUA BAO
- WBAR cho dự báo lệch trái (so với hướng chuyển động của bão) đối với tất cả các trường hợp của Nepartak (0320), diễn ra gần cuối mùa bão (tháng 11/2004) do chịu tác động chi phối của hoàn lưu gió mùa đông quy mô lớn quá mạnh được ngoại suy từ vĩ độ cao hơn thông qua điều kiện biên. Trong khi đó, mô hình D95 tuy có dự báo sự chuyển hướng lên phía bắc rồi sang đông bác nhưng sự chuyển hướng này lại xảy ra quá sớm, trong 24 giờ đầu, nên gây ra sai số lớn về hướng (lệch 36.5 độ so với hướng chuyển động thực của bão).
MEKKHALA 200208241 — *
- Một số điều cần lưu ý khi sử dụng dự báo hướng chuyển động của các mô hình trên
Trên thực tế, bão Nepartak (0320) chuyển hướng dần sang hướng bác, thể hiện rằng xoáy bão thực được vận chuyển bởi dòng dẫn ở rìa tây nam của cao áp phía đông của bão, trong khi các dự báo của WBAR cho bão di chuyển theo hướng tây và tây tây nam chứng tỏ bão đã di chuyển bởi dòng dẫn là dòng ở rìa đông nam của cao áp phía. Căn cứ vào những chỉ số sai số thống kê cơ bản (sai số trung bình, độ tán của sai. số) về hướng chuyển động của bão có thể nói các mô hình số trị WBAR, D95 và HRM đều thể hiện tốt hơn dự báo quán tính khí hậu CLIPER, nghĩa là đều có kỹ. năng dự báo được chấp nhận. Trong đó, mô hình HRM và D95 luôn bộc lộ tốt hơn. han của mô hình WBAR. Phân bố sai số của các mô hình đều có dạng gần với phân bố chuẩn, có độ trải nhỏ, đặc biệt trong đó HRM gần với phân bố chuẩn nhất, với độ trải nhỏ nhất thể hiện. kỹ năng dự báo của HRM có độ tin cậy cao. Mô hình WBAR có một cực trị sai số. với một số trường hợp có hướng dự báo lệch trái so với chuyển động thực. Một số điều cần lưu ý khi sử dụng dự báo hướng chuyển động của các mô hình trên. - Nếu hoàn lưu bão nam ở gan trường yên giữa hai hoàn lưu xoáy nghịch ở phía đông và phía tây của cơn bão, hướng chuyển động của bão dự báo bằng WBAR có xu hướng xuống phía tây nam, lệch trái nhiều so với đường đi thực của bão. - Bản chất chính áp của WBAR làm cho kết quả dự báo của WBAR phụ thuộc nhiều. vào các tham số và mực dòng dẫn được chọn để chừng mực nào đó tính được ảnh hưởng phi chính áp đối với chuyển động bão. Đây là đặc điểm làm giảm tính khách. quan của mô hình này so với loại mô hình phi chính áp và là hạn chế lớn của nó đối. với bão hoạt đông trên Biển Đông. b) Mô hình D95: Với câu trúc ba lớp khí quyển khá thuần nhất của mình, D95 có thể nắm bat được sự chuyển hướng từ tây bac sang bác tây bác và bac do anh hưởng của. rìa tây nam áp cao cận nhiệt đới đối với những cơn bão mạnh. Tuy nhiên đối với các. cơn bão yếu, nông có hệ thống mây chưa phát triển hoàn chỉnh, bão phát triển tập trung trong nửa tầng khí quyển dưới, do D95 không mô tả chính xác được cấu trúc thẳng đứng của xoáy bão nên dự báo của D95 thường có sai số lớn. Trong trường hợp này nên sử dụng ảnh mây vệ tinh để đánh giá độ sâu và mức độ phát triển của hệ thống. mây bão, từ đó có định hướng đánh giá độ tin cậy của các dự báo từ các mô hình. c) Mô hình HRM: Thực tế cho thấy, với cấu trúc động lực và vật ly khá hoàn chỉnh.
04 : 0 LẦU
Phiên bản WBAR trong nghiên cứu này có kỹ năng dự báo chuyển động bão luôn
48h nên được coi là có kỹ năng đối với dự báo chuyển động bão hoạt động trên Biển Đông. Cũng vì vậy, trong một số hình thế thời tiết khi qui đạo bão bị ảnh hưởng bởi các hệ thống thời tiết vĩ độ trung bình (như rãnh thấp trong trường gió tây trên cao hay hoàn lưu gió mùa đông bắc mạnh) thì mô hình HRM thường phân tích và dự báo không tốt diễn biến của các hệ thống này mà làm ảnh hưởng xấu đến kết quả du báo qui đạo bão.
KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Cần nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo tổ hợp qui đạo bão từ nhiều kết qua dự
Nhu vay ta thay, không có mô hình hoàn thiện cho dự báo bão nói riêng và thời.
Nghiên cứu xây dựng hệ thống phân tích, đồng hoá số liệu quan trắc cũng như số liệu dự báo của các mô hình toàn cầu của các Trung tâm dự báo khác nhau trên
Xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu và phan mềm hỗ trợ dự báo bão, giúp cho các dự.
TIẾNG VIỆT
Trần Tân Tiến, Nguyễn Minh Trường (2004), "Ảnh hưởng của độ phân giải lưới
16.Kiéu Thị Xin, Phan Văn Tân, Lê Công Thành, Đỗ Lệ Thuỷ, Nguyễn Văn Sáng.
00Z OST
Phương pháp dự báo quán tính Khí hau được su dụng ở day được thực hiện theo Neumann (1972). Các hệ số hỏi qui được tính dựa trên so liệu besttrack của Trung tam Liên hợp.