M Ở ĐẦU
3.2.3. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cường độ bão trên Biển Đông
Từ Bảng 3.5 và các Hình 3.18 và 3.19 mô tả trung bình sai số tuyệt đối áp suất thấp nhất tại tâm và tả trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông sử dụng mô hình HWRF với hai phương pháp chạy có ban đầu hóa xoáy coldstart và không ban đầu hóa xoáy. Sai số tuyệt đối có ý nghĩa đối với đánh giá sai số mô phỏng trên phương diện độ lớn. Từ các kết quả mô tả này có thể thấy rằng, về cơ bản sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy coldstart cho sai số thấp hơn khi mô phỏng áp suất cực tiểu và vận tốc gió cực đại trong 54 giờ đầu tích phân. Trong khoảng 54 giờ tích phân này, sai số ở cả hai yếu tố mô phỏng bởi coldstart nhỏ hơn từ 2-3 lần so với sai số tạo ra khi mô phỏng bởi nobogus. Tức là cường độ bão mô phỏng bởi mô hình HWRF có sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong khoảng 54 giờ đầu là gần sát với thực tế hơn so với trường hợp mô phỏng bởi mô hình HWRF không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy. Tiếp đến đối với mô phỏng từ 54 đến 72 giờ, sai số áp suất giữa hai trường hợp tương đối gần sát nhau, sai số chỉ khoảng 2hpa (Hình 3.19). Tuy nhiên, cũng trong hạn mô phỏng này, sai số vận tốc gió cực đại sai chênh lệch lớn nhất lên đến 4 m/s, điều này cho thấy không ban đầu hóa xoáy mô phỏng gió trong khoảng thời gian này khả quan hơn ban đầu hóa xoáy (Hình 3.20). Ngoài ra, với hạn dự báo càng lớn thì sai số mô phỏng bởi có và không ban đầu hóa xoáy cho cả hai yếu tố càng tăng lên.
Bảng 3.5. Trung bình sai số tuyệt đốiáp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng
coldstart và nobogus
Hạn dự báo (giờ)
Pmin (hpa) Vmax (m/s)
Nobogus Coldstart Nobogus Coldstart
00 13.9 1.5 8.9 4.0 06 14.8 7.3 9.7 4.7 12 14.8 6.9 9.2 4.3 18 15.3 8.5 9.6 5.6 24 15.4 10.1 9.3 6.3 30 15.7 10.2 9.6 6.6 36 15.8 11.6 9.6 7.7 42 15.9 12.5 9.9 8.0 48 15.4 14.7 9.0 9.4 54 14.4 14.8 9.1 9.5 60 14.1 15.6 8.6 10.1 66 13.4 14.3 8.5 10.1 72 13.3 14.8 8.3 10.6
Hình 3.18. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus
Hình 3.19. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus
Độ lệch giữa áp suất cực tiểu và vận tốc gió cưc đại mô phỏng cho mùa bão 2009 bằng mô hình HWRF khi có và không ban đầu hóa xoáy so với thực tế được tổng kết qua Bảng 3.6. Chênh lệch áp suất cực tiểu, vận tốc gió cực đại do mô phỏng bởi mô hình HWRF khi không ban đầu hóa xoáy lần lượt mang dấu dương, dấu âm và đều có trị số lớn cho thấy bão dự báo trong trường hợp này là yếu hơn nhiều so với thực tế. Xét đến mô phỏng áp suất cực tiểu và vận tốc gió cực đại sinh ra trong xoáy bão tạo bởi phương pháp ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF có trị số áp suất chênh lệch nhỏ chứng tỏ mô phỏng cho kết quả gần thực tế. Trong khi trị số chênh lệch vận tốc gió cực đại trong mô phỏng ở trường hợp có ban đầu hóa xoáy này mang dấu dương, điều này chứng tỏ gió do mô hình tạo ra khi xây dựng xoáy giả là lớn hơn so với xoáy thực tế. Càng ở hạn dự báo xa gió có xu thế mạnh lên, thông thường ở các mô phỏng trong các nghiên cứu trước đây với hạn dự báo càng xa thì gió sẽ càng yếu đi. Ở đây gió mô phỏng bởi mô hình HWRF ban đầu hóa xoáy lại cho xu thế ngược lại, đây có thể là điểm chưa phù hợp trong xoáy giả tạo ra do mô hình khi thực hiện ban đầu hóa xoáy (Bảng 3.6).
Bảng 3.6. Trung bình sai số áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart
và nobogus
Hạn dự báo (giờ)
BIAS_Pmin (hpa) BIAS_Vmax (m/s)
Nobogus Coldstart Nobogus Coldstart
00 12.2 0 -8.5 3.0
06 12.4 -0.7 -7.0 1.8 12 12.8 1.9 -7.5 0.8 18 12.5 1.8 -7.6 0.8 24 11.9 1.5 -7.5 0.8 30 11.5 0.7 -7.3 1.1 36 11.1 0.9 -7.3 0.9 42 10.5 1.4 -6.9 0.6 48 9.0 0.8 -5.6 0.9 54 8.4 1.4 -5.8 0.7 60 7.3 0.8 -5.1 1.0 66 5.7 -0.5 -4.2 2.2 72 4.1 -1.9 -2.4 3.9
Diễn biến sự biến đổi áp suất thấp nhất tại tâm bão và vận tốc gió cực đại qua mô phỏng bởi mô hình HWRF với hai phương pháp có và không ban đầu hóa xoáy cũng như biến đổi hai yếu tố này trong quan trắc thực tế theo nguồn số liệu của JTWC được biểu diễn qua Hình 3.20 và Hình 3.21.
Xem xét diễn biến áp suất cực tiểu có thể thấy rằng, khi sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, ở 12 giờ tích phân đầu tiên, áp suất biến đổi mạnh và không ổn định. Sau 12 giờ tích phân, xoáy bão tạo ra đã có áp suất cực tiểu biến đổi trơn tru, gần sát và tương đối phù hợp với thực tế. Trong khi đường biến đổi áp suất cực tiểu trong mô phỏng không ban đầu hóa xoáy cách xa đường biến đổi áp suất thực tế cho thấy mô phỏng xa thực tế. Một điểm đáng chú ý nữa, ở hạn dự báo từ 66 đến 72 giờ áp suất cực tiểu thực tế tăng lên, tức là bão có xu thế yếu đi. Trong khi mô hình mô phỏng áp suất cực tiểu lại giảm ở cả hai trường hợp (Hình 3.20).
Hình 3.20. Đường biểu diễn biến đổi áp suất cực tiểu tại tâm bão theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF-coldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (hpa)
Xét biến đổi vận tốc gió cực đại trong hai trường hợp mô phỏng và thực tế. Thấy rằng, đường biến đổi vận tốc gió cực đại thực tế nằm giữa hai đường mô phỏng bởi mô hình. Gió của xoáy tạo ra khi ban đầu hóa xoáy mạnh hơn so với thực tế trong khi gió tạo ra trong xoáy bão của mô hình không ban đầu hóa xoáy lại yếu hơn thực tế. Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, tương tự như đối với mô phỏng áp suất cực tiểu, gió mô phỏng bởi mô hình HWRF trong cả hai trường hợp có và không ban đầu hóa xoáy biến đổi mạnh. Ở thời điểm cuối dự báo gió bão cũng có xu thế mạnh lên ở cả hai trường hợp mô phỏng. Từ đây cho thấy sự mạnh lên của gió ở thời điểm cuối dự báo có thể là do đặc tính mô phỏng của mô hình mà không phải do đặc tính của xoáy bão tạo ra khi sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy (Hình 3.20).
Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, xoáy tạo ra do ban đầu hóa xoáy đưa vào mô hình là quá mạnh và không tương thích với trường môi trường bão thực tế. Do đó, khi đưa vào mô hình cường độ xoáy bão sẽ bị cưỡng bức sao cho phù hợp với trường môi trường qua sự hiệu chỉnh của mô hình. Sau 12 giờ đến 54 giờ dự báo, đường biểu diễn biến đổi vận tốc gió trong xoáy bão tạo ra khi có sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy gần sát với đường biến đổi vận tốc gió thực tế trong khoảng thời gian dự báo từ 12 đến 54 giờ. Điều này chứng tỏ sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy mô phỏng tốt vận tốc gió cực đại trong khoảng thời gian từ 12 đến 54 giờ tích phân.Bên cạnh đó, đối với gió trong mô phỏng không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, đường biểu diễn sự biến đổi gió cực đại cách xa đường biểu diễn gió cực đại trong thưc tế cho thấy rằng gió tạo ra do mô phỏng bởi mô hình trong trường hợp này quá yếu so với thực tế. Ngoài ra, ở thời điểm
ban đầu, xoáy từ mô hình toàn cầu đưa vào mô hình yếu và không phù hợp với trường môi trường, do đó sau 6 giờ tích phân mô hình tạo xoáy bão mạnh lên. Tuy nhiên, xoáy bão tạo ra trong trường hợp này vẫn là yếu hơn nhiều so với thực tế (Hình 3.21).
Hình 3.21. Đường biểu diễn biến đổi gió cực đại theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF- coldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (m/s)
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN
Từ các kết quả nghiên cứu trong luận văn có thể đưa ra những kết luận ban đầu như sau:
- Luận văn đã nghiên cứu và ứng dụng được sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF.
- Qua mô phỏng cơn bão Ketsana thời điểm 12Z ngày 27/09/2009 cho thấy rằng khi sử dụng ban đầu hóa xoáy coldstart trong mô hình HWRF đã mô phỏng cấu trúc tâm nóng, bán kính gió cực đại gần tâm bão, vận tốc gió mực 10m phù hợp hơn khi không sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ở thời điểm ban đầu.
- Đã đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên Biển Đông cho mùa bão 2009.Qua mô phỏng mùa bão 2009 (53 trường hợp bão lựa chọn) cho thấy:
• Về quỹ đạo:
+ Có sử dụng ban đầu hóa xoáy mô phỏng quỹ đạo có sai số thấp hơn so với không ban đầu hóa xoáy ở tất cả các hạn dự báo từ 00 giờ đến 72 giờ.
+ Bão di chuyển chậm hơn thực tế trong trường hợp có sử dụng ban đầu hóa xoáy và nhanh hơn thục tế từ hạn 54 đến 72 giờ đối với trường hợp không sử dụng ban đầu hóa xoáy.
+ Bão có xu thế lệch trái là chủ yếu trong cả hai trường hợp có và không ban đầu hóa xoáy.
• Về cường độ:
+ Sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy đã cải thiện đáng kể khả năng dự báo cường độ bão cho hạn dự báo trước 54 giờ.
+ Mô hình HWRF có xu thế mô phỏng vận tốc gió mạnh dần lên ở hạn dự báo từ 66 đến 72 giờ.
KIẾN NGHỊ
- Cần thiết khảo sát mô phỏng bão trên nhiều tập mẫu khác nhau để đưa ra những nhận định khách quan hơn về vai trò của ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên Biển Đông.
- Trong những nghiên cứu tiếp theo cần thiết phải khảo sát sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF theo phương pháp warmstart để đánh giá hoàn thiện vai trò của sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF đối với dự báo bão trên Biển Đông.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Hoàng Đức Cường (2004),"Nghiên cứu thử nghiệm áp dụng mô hình khí tượng động lực qui mô vừa MM5 trong dự báo hạn ngắn ở Việt Nam", Đề tài nghiên cứu Khoa học và Công nghệ cấp Bộ.
2. Hoàng Đức Cường (2011),"Nghiên cứu và ÁP dụng mô hình WRF nhằm dự báo bão trên Biển Đông", Đề tài nghiên cứu Khoa học và Công nghệ cấp Bộ.
3. Bùi Hoàng Hải (2008)," Nghiên cứu phát triển và ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bão ở Việt Nam", Luận án tiến sĩ Khí tượng học.
4. Bùi Hoàng Hải, Phan Văn Tân (2002), "Khảo sát ảnh hưởng của trường ban đầu hóa đến sự chuyển động của bão trong mô hình chính áp dự báo quĩ đạo bão khu vực Biển Đông",
Tạp chí Khí tượng Thủy Văn, 8(500), tr.17-23.
5. Võ Văn Hòa(2005),"Lựa chọn prôfin gió tiếp tiếp đối xứng giả tối ưu cho mô hình chính áp dự báo quỹ đạo bão WBAR", Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 535(7).
6. Đặng Thị Hồng Nga (2006),"Nghiên cứu ứng dụng và cải tiến sơ đồ phân tích xoáy trong dự báo quĩ đạo bão bằng phương pháp số", Đề Tài nghiên cứu Khoa học và Công nghệ cấp Bộ.
7. Nguyễn Thị Minh Phương (2005), "Hiệu chỉnh công thức tính thành phần xoáy bất đối xứng trong sơ đồ ban đầu hóa xoáy". Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 1(529), tr.35-45.
8. Phan Văn Tân, Bùi Hoàng Hải (2004), "Ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mô hình MM5 và ứng dụng trong dự báo quỹ đạo bão", Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 10(526), tr.14-25. 9. Phan V t T14-25.Thễn Lê Dũng (2008), "Thử nghiệm ứng dụng hệ thống WRF-VAR kết hợp với ban đầu hóa xoáy vào dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông”, Tạp chí Khí tượng Thủy văn, 7(583), Tr. 1-9.
10.Phan Văn Tân, Kiều Thị Xin, Nguyễn Văn Sáng, 2002: Mô hình chính áp WBAR và khả năng ứng dụng vào dự báo quỹ đạo bão khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông. Tạp chí KTTV số 6, tr.27-33.
11. Trần Tân Tiến, Lê Thị Hồng Vân (2009), "Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố cấu thành xoáy nhân tạo trong đồng hóa số liệu xoáy giả bằng mô hình WRF đối với cơn bão Lêkima", Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 508‐516
Tiếng Anh
1. B.Mathur, M. (1991), "The National Meteorological Center's Quasi-Lagrangian Model for Hurricane Prediction", Mon. Wea. Rev, 119.
2. Chan, J.C.-L., and R. T. Williams (1987),"Analytical and numerical studies of the beta effect in tropical cyclone motion. I: Zero mean flow", Japan. Atmos. Soc, 44.
3. Chou, K.-H., and C.-C. Wu (2008), "Typhoon initialization in a mesoscale model- Combination of the bogused vortex and the dropwindsonde data in DOTSTAR",Mon. Wea. Rev, 136.
4. Davis, C.a.S.L.-N. (2001a),"The NCAR-AFWA tropical cyclone bogussing scheme", A report prepared for the Air Force Weather Agency (AFWA),12pp.
5. Davis, C.a.S.L.-N. (2001b),"The NCAR-AFWA tropical cyclone bogussing scheme",A report prepared for the Air Force Weather Agency (AFWA), 12pp.
6. Fujita, T., 1952. Pressure distribution within typhoon. Geophys. Mag, 23.
7. Gopalakrishnan et al. (2010),"Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) Model Scientific Documentation".
8. Gopalakrishnan et al. (2012),"Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) Model Scientific Documentation".
9. Hiep N.V, and Yi.-Leng.Chen (2011), "High Resolution Initialization and Simulations of Typhoon Morakot (2009)" Mon. Wea. Rev
10. Iwasaki, T., H. Nakano, and M. Sugi (1987),"The performance of a typhoon track prediction model with convective parameterization" Japan. Meteor. Soc. Japan, 65.
11. Iwasaki T, H.H.a.M.S. (1987),"The performance of a typhoon track prediction model with cumulus parameterization", Japan.Meteor. Soc. Japan, 65.
12. Kurihara, M.A.B., Rebecca J.Ross (1993),"An Initialization Scheme of Hurricane Models by Vortex Specification",Mon.Wea. Rev, 121.
13. Kurihara, Y., M. A. Bender, R. E. Tuleya and R. J. Ross (1990), "Prediction experiments of hurricane Gloria (1985) using a multiply nested movable mesh model"Mon.Wea. Rev, 118
14) Kwon I.-H, H.-B.C. (2010),"Tropical cyclone initialization with spherical high-order filter and idealized three-dimensional bogus vortex", Mon.Wea. Rev, 138.
15. Kleist, D.T., D. F. Parrish, J. C. Derber, R. Treadon, R.M. Errico and R. Yang (2009),"Introduction of the GSI into the NCEP Global Data Assimilation System"
Mon.Wea. Rev, 24: 15.
16. MingjingTong (2011), "HWRF Initialization -GSI customization 2011 WRF for Hurricanes Tutorial", April 27, Boulder CO.
17. Liu, Y., D.-L. Zhang, and M. K. Yau (1997), "A multiscale numerical study of Hurricane Andrew (1992),Part I: Explicit simulation and verification", Mon.Wea. Rev, 125. 18. Ross, R.J.a.Y.K. (1992),"A simplified scheme to simulate asymmetries due to the beta effect in barotropic vortices", Japan. Atmos. Soc, 49: 19.
19. Skamarock, W.C., J. B. Klemp, J. Dudhia, D. O. Gill, D. M. Barker, W. Wang, and J. G. and Powers (2005), "A description of the Advanced Research WRF version 2",NCAR Tech. Note TN-468 STR, 88 pp.
20. Smith, R.K., W. Ulrich (1990), "An analytics theory of tropical cyclone motion using a barotropic model", Japan. Atmos. Soc., 47.
21. Sundararaman Gopalakrishnan, V.T., Qingfu Liu,Timothy Marchok,Mingjing Tong, (2012),"Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) Model: 2012 Scientific Documentation"
22) Weber, H.C., and R. K. Smith (1995),"Data sparsity and the tropical cyclone analysis and prediction problem: Some simulation experiments with a baratropic numerical model",Quart. J. Roy. Meteor. Soc, 121.
23) Wu, W.-S., D. F. Parrish and R. J. Purser (2002),"Three-dimensional variational analysis with spatially inhomogeneous covariances", Mon. Wea. Rev, 130: 12.0
24) Xiao, Q., Y. H. Kuo, Y. Zhang, D. M. Barker, D. J. Won (2006), "A tropical cyclone bogus data assimilation scheme in the MM5 3Dvar system and Numerical experiments with typhoon Rusa (2002) near landfall", Japan. Meteor. Soc. , 84.