M Ở ĐẦU
2.3.1. Miền tính
Luận văn sử dụng mô hình HWRF phiên bản 3.4 thử nghiệm cho mùa bão năm 2009 chia làm hai thí nghiệm, thứ nhất là chạy mô phỏng các trường đặc trưng trong bão Ketsana và thứ hai là chạy thử nghiệm 53 trường hợp bão lấy từ 7 cơn bão năm 2009 từ đó đánh giả khả năng mô phỏng cường độ và quỹ đạo bão khi sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF. Danh sách 53 trường hợp chạy được thống kê trong Bảng 3.2. Mô hình được thiết kế chạy tương tác một chiều lưới lồng di động, gồm 3 miền tính d01, d02, d03, với độ phân giải lần lượt là 27, 9 và 3 km (Bảng 2.1). Hai thí nghiệm sẽ được tiến hành: Chạy mô hình không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy (Nobogus), chạy mô hình sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy với khởi động cold start (Bogus).
Bảng 2.1. Các tham mô hình HWRF sử dụng trong các thử nghiệm
HWRF
Động lực Phương trình nguyên thủy, phi thủy tĩnh
Độ phân giải theo
chiều thẳng đứng 25 mực
Độ phân giải (*) D01 D02 D03
27 km 9km 3km Miền tính tích phân 15oS-45oN
90oE-135oE Moving Moving
Sơ đồ tham số hóa
đối lưu New GFS simplified Arakawa-Schubert scheme (HWRF) (84) Sơ đồ vi vật lí Ferrier (new Eta) microphysics, operational High-Resol (5) Sơ đồ lớp biên hành
tinh NCEP Global Forecast System scheme (NMM only) (3)
Điều kiện biên GFS
Bảng 2.2. Các trường hợp bão được khảo sát
Tên bão STT Thời điểm khảo sát Vĩ độ tâm Kinh độ tâm (ms-1) Vmax
CHAN- HOM 1 00Z 04/05/2009 10.8 N 112.2 E 20 2 06Z 04/05/2009 11 N 112 E 22.5 3 12Z 04/05/2009 11.3 N 112 E 20 4 18Z 04/05/2009 11.6 N 111.8 E 22.5 5 00Z 05/05/2009 12.1 N 111.8 E 27.5 6 06Z 05/05/2009 12.8 N 112 E 27.5 7 12Z 05/05/2009 13.2 N 112.4 E 27.5 8 18Z 05/05/2009 13.4 N 112.9 E 27.5 9 00Z 06/05/2009 13.7 N 113.3 E 30 10 06Z 06/05/2009 14.1 N 114 E 30 11 12Z 06/05/2009 14.5 N 115.1 E 32.5 12 18Z 06/05/2009 14.9 N 116.3 E 37.5
Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA tại thời điểm 2009092712
13 00Z 07/05/2009 15.3 N 117.5 E 37.5 14 06Z 07/05/2009 15.8 N 118.8 E 45 LINFA 15 12Z 18/06/2009 17.5 N 116.8 E 20 16 18Z 18/06/2009 17.7 N 117 E 22.5 17 00Z 19/06/2009 18.2 N 117.2 E 22.5 18 06Z 19/06/2009 18.7 N 117.4 E 25 19 12Z 19/06/2009 19.2 N 117.4 E 27.5 20 18Z 19/06/2009 19.7 N 117.4 E 30 MOLAVE 21 18Z 16/07/2009 18.3 N 124.1 E 17.5 22 00Z 17/07/2009 18.8 N 123.2 E 22.5 GONI 23 18Z 03/08/2009 20.1 N 114.4 E 17.5 24 00Z 04/08/2009 20.6 N 114.2 E 20 25 18Z 04/08/2009 21.7 N 113 E 22.5 KETSANA 26 00Z 26/09/2009 15.6 N 122.8 E 17.5 27 06Z 26/09/2009 15.6 N 121.3 E 17.5 28 12Z 26/09/2009 15.7 N 119.6 E 17.5 29 18Z 26/09/2009 15.4 N 117.9 E 22.5 30 00Z 27/09/2009 15.2 N 116.5 E 25 31 06Z 27/09/2009 15.4 N 115.4 E 27.5 32 12Z 27/09/2009 15.6 N 114.4 E 27.5 PARMA 33 12Z 29/09/2009 8.1 N 138.2 E 22.5 34 00Z 03/10/2009 17.3 N 123 E 45 35 06Z 03/10/2009 17.8 N 122.1 E 40 36 12Z 04/10/2009 19.9 N 119.8 E 30 37 18Z 04/10/2009 20.1 N 119.3 E 27.5 38 00Z 05/10/2009 20.2 N 119.4 E 27.5 39 06Z 05/10/2009 20.3 N 119.5 E 27.5 40 18Z 05/10/2009 19.8 N 120 E 27.5 MIRINAE 41 00Z 28/10/2009 16.2 N 138.5 E 37.5 42 06Z 28/10/2009 16.2 N 136.9 E 42.5 43 12Z 28/10/2009 16.3 N 135.3 E 45 44 18Z 28/10/2009 16.3 N 133.7 E 45 45 00Z 29/10/2009 16.1 N 132.2 E 45 46 06Z 29/10/2009 15.9 N 130.7 E 45 47 18Z 29/10/2009 15.3 N 127.4 E 45 48 18Z 30/10/2009 14.2 N 121.7 E 27.5 49 00Z 31/10/2009 14.3 N 120.3 E 25 50 06Z 31/10/2009 14.3 N 118.9 E 27.5 51 12Z 31/10/2009 14.3 N 117.7 E 25 52 18Z 31/10/2009 14.1 N 116.6 E 22.5 53 00Z 01/11/2009 14 N 115.4 E 20 2.3.2. Số liệu sử dụng
Nhằm phục khảo sát vai trò của sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF mô phỏng diễn biến của bão ở Biển Đông năm 2009 trong đó khai thác số liệu trên các ngày bão hoạt động (04 Obs/ ngày, là 00; 06; 12; 18Z) với hạn dự báo là 5 ngày (126 giờ).
Số liệu dự báo từ mô hình số trị toàn cầu GFS có độ phân giải 1o
x1o với hạn dự báo tối đa là 16 ngày (384h) với các dự báo cách nhau 3h đã được khai thác tại webstite: http://nomads.ncdc.noaa.gov/
Đây là số liệu bao gồm các trường khí tượng tối thiểu như khí áp mặt biển, nhiệt độ bề mặt nước biển, nhiệt độ không khí bề mặt, độ ẩm không khí bề mặt, thành phần gió ngang ở độ cao 2m so với bề mặt và độ cao địa thế vị, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, thành phần gió ngang ở các mực khí áp 1000, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 100mb với các định dạng grib1 và grib2.
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá
Đối với quỹ đạo: Đánh giá bằng sai số vị trí (Khoảng cách giữa tâm bão thực tế và tâm bão dự báo):
[ ]
1
1 2 1 2 2 1
os sin sin os os os( )
AB e
d =R c − ϕ ϕ +c ϕc ϕ c λ λ− (2.79)
- Giá trị trung bình của sai số khoảng cách PE được tính:
. 1 n i j i j PE MPE n = =∑ (2.80) Với Re là bán kính trái đất Re = 6378.16km.
Ngoài ra, để tính toán tốc độ di chuyển dọc theo quỹ đạo của bão dự báo nhanh hay chậm hơn so với vận tốc di chuyển thực của bão, quá trình dự báo lệch trái hay lệch phải người ta còn dùng thêm sai số dọc ATE (Along Track Error) và sai số ngang CTE (Cross Track Error).
ATE > 0: tâm bão dự báo nằm phía trước tâm bão quan trắc. ATE < 0: tâm bão dự báo nằm phía sau tâm bão quan trắc. CTE > 0: tâm bão dự báo nằm phía phải tâm bão quan trắc CTE < 0: tâm bão dự báo nằm phía trái tâm bão quan trắc
Với quy ước này nếu sai số ATE trung bình (MATE) nhận giá trị dương có nghĩa tâm bão dự báo có xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo nhanh hơn so với thực và ngược lại, MATE nhận giá trị âm thì tâm bão dự báo có xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo chậm hơn. Sai số CTE trung bình (MCTE) dương cho thấy quỹ đạo bão có xu thế lệch phải còn MCTE âm cho thấy xu thế lệch trái so với quỹ đạo thực.
, 1 n i j i ATE MATE n = =∑ (2.81) (2.82) 37
, 1 n i j i j CTE MCTE n = =∑
Trong đó i là dung lượng mẫu (i=1,n), j là hạn dự báo (j=0, 6, 12, 18…72).
Đối với cường độ bão: Đánh giá kết quả dự báo bằng giá trị chênh lệch của trị số áp suất thấp nhất tại tâm bão (hPa) theo dự báo và theo giá trị thực tế (Pmin dự báo – Pmin quan trắc) và giá trị chênh lệch tốc độ gió lớn nhất ở gần tâm bão (m/s) theo dự báo và theo giá trị thực tế (Vmax dự báo – Vmax quan trắc).
Chương 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF 3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana
3.1.1. Thông tin về cơn bão Ketsana(2009)
Bão Ketsana được hình thành từ áp thấp ở phía Đông vùng biển Philippin ngày 25/9 và mạnh lên thành bão sáng ngày 26/9, đến chiều ngày 26/9 bão vượt qua quần đảo Philippin đi vào Biển Đông. Trong các ngày 27, 28/9 bão Ketsana duy trì cường độ mạnh, với áp suất thấp nhất tại tâm khoảng 985mb và vận tốc gió cực đại xấp xỉ 28m/svà di chuyển theo hướng Tây Tây Bắc. Đáng chú ý, Từ ngày 28 đến ngày 29/9 bão Ketsana tăng cường độ, với áp suất thấp nhất tại tâm bão xuống đến 960mb, vận tốc gió cực đại lên đến trên 40m/s khi tiến sát bờ trước khi đổ bộ vào khu vực tỉnh Quảng Nam － Quảng và suy yếu thành áp thấp nhiệt đới rồi tan trên địa phận Lào (Hình 3.1 và Hình 3.2). Mục đích chính trong việc mô phỏng các trường trong bão Ketsana là để đánh giá vai trò của xoáy bão giả khi đưa vào mô hình thông qua việc khảo sát diễn biến của các trường đặc trưng trong bão ở thời điểm ban đầu cũng như một khoảng thời gian sau khi tích phân.
Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn:
http://agora.ex.nii.ac.jp
Hình 3.2. Cường độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn:
http://agora.ex.nii.ac.jp
Hình 3.3 biểu diễn hình thế Synop bão Ketsana tại các thời điểm khác nhau từ 12Z 27/09/2009 đến 18Z 29/9/2009. Trên các bản đồ Synop này, bão Ketsana thể hiện rất rõ là một cơn bão mạnh với các đường đẳng áp gần tròn khép kín. Đồng thời, bão Ketsana là một xoáy thuận nằm trên dải hội tụ nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới ớ phía Đông trong trường hợp này gần như nối liền với rãnh gió mùa nằm ở phía Tây. Trong khi cơn bão hoạt động, ở tất cả các thời điểm thì đều có một front tĩnh nằm ở phía Đông Bắc so với cơn bão. Lần lượt từ các Hình 3.3a-d, thấy rằng áp cao lạnh lục địa có xu thế lấn dần sang phía Đông. Ở các thời điểm từ 12Z 29/09/2009 đến 18Z 29/09/2009, áp cao lạnh lục địa ở các thời điểm trước lấn hẳn sang phía Đông và xuất hiện một cao lạnh lục địa mới lấn sâu xuống phía Nam hơn và có tương tác với cơn bão biểu hiện qua các đường đẳng áp trong cơn bão bị nén xuống (Hình 3.3c-d). Một điều đáng chú ý quan sát thấy từ các hình Synop này nữa là thời điểm 12Z 29/09/2009 khi bão Ketsana đổ bộ, ngoài biển Philippin hình thành một cơn bão mạnh Parma. Tuy nhiên, do khoảng cách giữa hai xoáy thuận là khoảng hơn 1500km do đó trong nghiên cứu này sẽ không xem xét đến tương tác, ảnh hưởng giữa bão Parma và bão Ketsana.
Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z 28/09/2009, (c)-12Z 29/09/2009 và (d)-18Z 29/09/2009; Nguồn:
http://joelandchoom.net/maparchives2013.html
a b
c d
Tất cả các nghiên cứu bão đều nhằm mục đích cải thiện khả năng dự báo và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra. Do đó, nghiên cứu bão Ketsana cũng không phải là ngoại lệ là nhằm mục đích góp phần nâng cao khả năng dự báo bão. Bởi vì những ảnh hưởng không nhỏ mà thiệt hại do cơn bão gây ra, theo nguồn tin đăng ngày 30/9/2009 trên http://news.bbc.co.ukđã thống kê thiệt hại tại nước ta có 33 người chết do lũ và lũ quét ở 7 tỉnh thuộc vùng bờ biển và Tây Nguyên, khoảng 170 nghìn người phải sơ tán trước khi bão đổ bộ, mực nước sông ở tỉnh Quảng Nam tăng cao và đạt mức kỉ lục kể từ năm 1964. Ngoài ra mưa lũ do bão còn làm tê liệt hệ thống đường sắt bắc nam và làm gián đoạn hoạt động của sân bay Đà Nẵng. Các trường học ở các tỉnh như Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi phải đóng cửa do mưa lũ.
3.1.2. Thiết kế thí nghiệm
Với nguồn số liệu đầu vào là số liệu GFS lấy từ thời điểm 12Z ngày 27/09/2009, lấy cách nhau 6 giờ một, mô phỏng cho hạn dự báo 72 giờ. Chi tiết về số liệu GFS được giới thiệu ở chương 2. Sử dụng mô hình HWRF với hai phương án chạy là không và có ban đầu hóa xoáy coldstart mô phỏng cho các trường đặc trưng cho bão như dị thường nhiệt độ qua tâm bão, áp suất thấp nhất tại tâm, vận tốc gió cực đại, cường độ, quỹ đạo bão. Miền tính sử dụng được mô phỏng chi tiết ở chương 2.
3.1.3. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana
a) Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão
Mặt cắt trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana tại 12Z 27/09/2009 thời điểm dự báo ban đầu 00H với các phương án chạy có ban đầu hóa xoáy và không ban đầu hóa xoáy lần lượt được biểu diễn trên Hình 3.4a và Hình 3.4b. Hình 3.4c biểu diễn trường dị thường nhiệt độ của một cơn bão nhiệt đới đặc trưng từ quan trắc (Hawkins, 1968). Từ các hình vẽ thấy rằng bão mạnh có đặc trưng bởi dòng khí nóng bốc lên cao (Trần Công Minh, 2003) được thể hiện rõ hơn qua trường hợp chạy có sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, với cấu trúc lõi nóng tương đối phù hợp với cấu trúc của bão quan trắc. Trong khi mặt cắt dị thường nhiệt độ đối với trường hợp chạy không ban đầu hóa xoáy tuy vẫn mô phỏng được cấu trúc lõi nóng của cơn bão nhưng không rõ ràng. Qua mặt cắt dị thường nhiệt độ bão quan trắc thấy rằng chênh lệch nhiệt độ ở tâm bão so với môi trường lớn nhất lên đến 16oC tức là bão đang phát triển mạnh. Đối với trường hợp bão đang xét chênh lệch nhiệt độ ở tâm bão so với trường môi trường ở trường hợp chạy coldstart và nobogus lớn nhất lần lượt là khoảng 5.5o
C, 4oC. Điều này cho thấy chạy mô phỏng có ban đầu hóa xoáy cho bão mô phỏng mạnh hơn so với trường hợp chạy không ban đầu hóa xoáy.
Hình 3.6 (a1,a2,b1,b2,c1,c2) dưới đây theo thứ tự biểu diễn mặt cắt thẳng đứng Hình 3.5a, b, c lần lượt biểu diễn mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana obs 12Z 27/09/2009 sau 3, 6 và 12 giờ tích phân trong hai trường hợp có và không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy cũng như mặt cắt dị thường bão quan trắc được đưa ra trong nghiên cứu của Hawkins và cộng sự (1968). Từ các hình vẽ này có thể thấy rằng, sau 3 giờ tích phân cấu trúc trường nhiệt đã có sự thay đổi ở cả hai trường hợp mô phỏng. Ở trường hợp chạy có ban đầu hóa xoáy, sau 3 giờ tích phân vẫn có thể quan trắc thấy lõi nóng ở tâm bão và cấu trúc lõi nóng không thay đổi nhiều, nhưng cấu trúc này đã không còn được biểu diễn tốt như ở thời điểm ban đầu. Tiếp đến sau 6 giờ và 12 giờ tích phân thì cấu trúc lõi nóng không thay đổi nhiều so với sau 3 giờ tích phân. Điều này cho thấy chạy có ban đầu hóa xoáy sau một thời gian tích phân thì cấu trúc trường nhiệt trong bão mô phỏng không phải là hoàn hảo nhưng cấu trúc lõi nóng được biểu rõ ràng. Ngược lại, cấu trúc lõi nóng sau 3 giờ, 6 giờ và 12 giờ tích phân khi không ban đầu hóa xoáy bị tản mạn ra khu vực rộng cũng như không có cấu trúc một cách rõ ràng. Sự thay đổi cấu trúc lõi nóng trong trường hợp này cho thấy sự bất hợp lí trong mô phỏng xoáy bão ở trường hợp chạy không ban đầu hóa xoáy.
a
b c
Hình 3.4. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thường
nhiệt độ bão nhiệt đới quan trắc (Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968).
b) Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão
Mặt cắt thẳng đứng trường gió theo độ cao qua tâm bão của cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 mô phỏng bởi hai trường hợp có và không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy tại thời điểm ban đầu 00H được biểu diễn qua Hình 3.6a và Hình 3.6b. Thấy rằng, cả hai mô phỏng đều bắt được rõ trường phi đối xứng trong bão. Một điều đáng chú ý nữa cần phải nhắc đến là bán kính phân bố gió cực đại, tại thời điểm ban đầu 12Z 27/09/2009, bán kính gió cực đại quan trắc theo JTWC là khoảng 67 km