hưởng tới sự phát triển xoáy
Nhằm tìm hướng giảm thiểu thời gian tính toán của phương pháp ban đầu hóa do các tác giả xây dựng, trước hết chúng tôi thực hiện cải tiến phương pháp về mặt công nghệ. Trong quá trình chạy lặp, thay vì tích phân trên toàn miền tính, chúng tôi tạo ra các vùng đệm cho mỗi lưới lồng có kích thước tương đương với bán kính ảnh hưởng của bão. Việc chạy lặp được thực hiện trên các miền tính đệm. Xoáy bão sau khi đã đạt tới cường độ quan trắc sẽ được chuyển từ các miền đệm sang các miền dự báo tương ứng để thực hiện dự báo. Việc tạo các miền dự báo, miền đệm được thực hiện tự động khi nhập vào tọa độ tâm bão quan trắc. Chạy lặp tạo xoáy trên vùng đệm thay vì trên toàn bộ miền dự báo đã giảm đáng kể thời gian tính toán.
Để cải tiến hơn nữa thời gian tính toán, chúng tôi thực hiện tám thử nghiệm vật lý (Bảng 1). Các thử nghiệm được thực hiện tại thời điểm 00 UTC ngày 15 tháng 5 năm 2006 cho cơn bão Chanchu. Tại thời điểm ban đầu hóa, theo số liệu của cơ quan khí tượng Nhật Bản, bão Chanchu có gió cực đại (Vmax) khoảng 49 m s-1 và khí áp cực tiểu ở tâm (Pmin) khoảng 930 hPa. Ngoài các diễn giải cụ thể ở Bảng 1, các thử nghiệm được thực hiện chạy lặp tương tự như mô tả tại công trình của Nguyễn Văn Hiệp và Yi-Leng Chen [3]. Ở đây, số vòng lặp được cố định là 90 cho tất cả các thử nghiệm.
Bảng 1. Ký hiệu và mô tả các thử nghiệm
Ký hiệu Mô tả
NSLP Không đưa vào trường áp giả
WSLP Đưa vào trường áp giả với giá trị Pmin quan trắc thực tế
LSLP Đưa vào trường áp giả với Pmin thấp nhất trong lịch sử quan trắc WCOR Như NSLP đồng thời thêm tâm nóng giả
CSST Như NSLP đồng thời SST giảm xuống 25.9 oC tại nơi SST lớn hơn 25.9 oC NoSH Như NSLP đồng thời tắt các trao đổi bề mặt trong mô hình
NoLH Như NSLP đồng thời tắt vai trò của ẩn nhiệt ngưng kết trong mô hình
RMIX Như NSLP đồng thời giảm tỉ số xáo trộn trong mô hình tại thời điểm ban đầu bằng 75 % giá trị phân tích
Tập 1: Khí tượng - Khí hậu, Khí tượng Nông nghiệp và Biến đổi Khí hậu 35 Ba thử nghiệm đầu tiên, NSLP, WSLP và LSLP nhằm xác định vai trò của trường áp giảđưa vào trong mỗi vòng lặp. Trong thử nghiệm LSLP, cấu trúc trường áp mực biển giả được xây dựng từ số liệu quan trắc của cơn bão Tip (1979) với giá trị Pmin là 870 hPa. Đây là một trong những giá trị Pmin nhỏ nhất trong lịch sử quan trắc [4]. Biến đổi Pmin và Vmax theo số vòng lặp của các thử nghiệp trên Hình 1 cho thấy tại một vòng lặp cốđịnh, không có sự khác biệt đáng kể trong cường độ xoáy bão giữa ba thử nghiệm NSLP, WSLP và LSLP. Trong cả ba thử nghiệm, xoáy bão đều đạt tới giá trị quan trắc của Vmax (49 m s-1, Hình 1a) và Pmin (930 hPa, Hình 1b) sau khoảng 80 vòng lặp. Điều này chứng tỏ trường áp giả không có vai trò quan trọng trong việc phát triển xoáy của phương pháp.
Một tâm nóng giảđược đưa vào tại bước thời gian đầu tiên của 10 vòng lặp đầu trong thử nghiệm WCOR. Tâm nóng được xây dựng phù hợp với đặc điểm của tâm nóng quan trắc trong bão. Cụ thể, tâm nóng có cực đại tại độ cao khoảng 250 hPa, có độ lớn tỉ lệ với cường độ bão. Tâm nóng được xây dựng đối xứng với bán kính cốđịnh là 50 km. Cấu trúc tâm nóng ở bán kính lớn hơn 50 km được phát triển tự do trong mô hình nhằm tạo thành phần phi đối xứng của tâm nóng. Từ vòng lặp thứ 11, toàn bộ tâm nóng được phát triển tự do và tự hiệu chỉnh trong quá trình tích phân. Hình 1 cho thấy với việc đưa vào tâm nóng giả, xoáy bão có thểđạt tới giá trị Vmax và Pmin quan trắc chỉ sau khoảng 40 vòng lặp (đường hồng). Như vậy số vòng lặp có thể giảm đi khoảng một nửa so với trường hợp không đưa vào tâm nóng. Các kết quả trên cho thấy không cần thiết phải đưa vào trường áp giả trong quá trình chạy lặp của phương pháp ban đầu hóa xoáy nguyên thủy do các tác giả xây dựng, thay vào đó là đưa vào tâm nóng giảở một số vòng lặp ban đầu.
Bốn thử nghiệm cuối nhằm khảo sát vai trò của các quá trình nhiệt ẩm tới sự hình thành xoáy bão trong phương pháp ban đầu hóa. Đối với thử nghiệm LSST, Hình 2 cho thấy khi giảm nhiệt độ mặt biển (SST), xoáy bão vẫn có thể phát triển, tuy nhiên sau 90 vòng lặp, cường độ bão chỉ đạt khoảng 35 m s-1đối với Vmax (Hình 2a, đường hồng) và khoảng 970 hPa đối với Pmin (Hình 2b, đường hồng). Các giá trị gió cực đại này thấp hơn rất nhiều so với quan trắc. Điều này phù hợp với thực tế là bão thường suy yếu khi đi vào vùng biển lạnh. Thử nghiệm NoSH (Hình 2, đường xanh da trời) cho thấy khi thông lượng nhiệt ẩm bề mặt được tắt đi trong mô hình, xoáy bão vẫn có thể phát triển tới một cường độ nhất định. Trong trường hợp này, mặc dù không có trao đổi nhiệt ẩm với mặt biển, ẩn nhiệt ngưng kết từ hội tụ ẩm khí quyển vẫn có thể thúc đẩy xoáy bão phát triển. Khi loại bỏ vai trò đốt nóng của ẩn nhiệt ngưng kết trong thử nghiệm NoLH (Hình 2, đường xanh lá cây), xoáy bão hoàn toàn không thể phát triển trong toàn bộ quá trình chạy lặp. Điều đó chứng tỏ giải phóng ẩn nhiệt ngưng kết đối lưu là điều kiện không thể thiếu trong việc phát triển xoáy bão. Trong thử nghiệm RMIX, tỉ số xáo trộn trong mô hình tại thời điểm ban đầu của vòng lặp đầu tiên được giảm xuống bằng 75 % giá trị phân tích. Khi ẩm trong khí quyển bị giảm xuống, ở 20 vòng lặp đầu, cả Vmax (Hình 2a, đường đen) và Pmin (hình 2b, đường đen) đều không tăng, sau đó cả Pmin và Vmax đều tiến tới tương đương với giá trị của trường hợp chạy không giảm ẩm NSLP (Hình 2, đường đỏ) ở khoảng vòng lặp 80. Có thể suy luận rằng ở 20 vòng lặp đầu, mô hình thúc đẩy trao đổi ẩm khí quyển-đại dương để tăng ẩm khí quyển. Sau khi ẩm trong khí quyển tăng tới một ngưỡng nhất định, xoáy bão sẽ bắt
36 Tập 1: Khí tượng - Khí hậu, Khí tượng Nông nghiệp và Biến đổi Khí hậu
đầu phát triển. Cấu trúc tâm nóng và trường tốc độ gió tại vòng lặp đầu tiên và tại vòng lặp xoáy bão đạt cường độ quan trắc được đưa ra trên hình 3.
Từ các thử nghiệm trên có thể nhận định rằng trong quá trình chạy lặp, năng lượng từ mặt biển và khí quyển được tập trung vào vùng bão, đốt nóng không khí thông qua giải phóng ẩn nhiệt ngưng kết đối lưu, từđó tạo tâm nóng trong bão và giúp xoáy bão phát triển trên cơ sở điều kiện trường môi trường không đổi trong qúa trình chạy lặp. Quá trình vật lý phát triển xoáy bão này cũng sảy ra tương tự khi mô hình tích phân không có cài xoáy. Tuy nhiên do xoáy bão ban đầu trong trường hợp không cài xoáy yếu và sai vị trí, xoáy này sẽ mất khoảng 1 tới 3 ngày tích phân phát triển cấu trúc và cường độ xoáy thực. Mặc dù vậy, ngay cả sau 1-3 ngày tích phân với không cài xoáy, mô hình vẫn khó có thể tạo ra xoáy bão phù hợp thực tế vì điều kiện môi trường thay đổi trong quá trình tích phân. Trong phương pháp ban đầu hóa trình bày ởđây, sự hình thành tâm nóng qua các quá trình nhiệt động đóng vai trò quyết định tới sự phát triển của xoáy bão, do vậy việc đưa tâm nóng giả vào một số vòng lặp ban đầu là giải pháp giảm đáng kể số vòng lặp và thời gian tính toán. Kết hợp cải tiến về mặt công nghệ và hiệu chỉnh vật lý giảm thời gian ban đầu hóa xoáy khoảng 5 tới 10 lần. Cụ thể, với trường hợp thử nghiệm ở đây chạy 38 mực thẳng đứng, hai miền tính độ phân giải 18 km và 6 km với số nút lưới ngang tương ứng là 301x221 và 385x337. Với trường hợp sử dụng 100 bộ vi xử lý, trước khi cải tiến cần khoảng 10-15 giờ để hoàn thành một trường hợp ban đầu hóa, sau khi cải tiến thời gian này chỉ còn 60 tới 90 phút.
4. Kết luận
Sự phát triển của xoáy bão trong quá trình chạy lặp của phương pháp ban đầu hóa không đơn thuần là sự điều chỉnh của các trường khí tượng đối với trường áp giả đưa vào. Thực tế trường khí áp giả không có vai trò quan trọng trong việc phát triển xoáy bão, do vậy bước xây dựng khí áp giả đã được loại bỏ trong phương pháp ban đầu hóa.
Các thử nghiệm vật lý cho thấy đối lưu giúp vận chuyển năng lượng từ mặt biển và giúp tập trung năng lượng từ môi trường để hình thành tâm nóng trong bão, từ đó giúp bão phát triển trong quá trình tạo xoáy của phương pháp ban đầu hóa. Do tâm nóng có vai trò quyết định trong việc phát triển xoáy bão, việc cài tâm nóng giả vào bão tại một số vòng lặp ban đầu là một trong những giải pháp hiệu quả rút ngắn thời gian tính toán.
Kết hợp cải tiến về mặt công nghệ và hiệu chỉnh vật lý giảm thời gian ban đầu hóa xoáy khoảng 5 tới 10 lần. Việc cải tiến đáng kể thời gian thực hiện ban đầu hóa xoáy tăng tiềm năng ứng dụng phương pháp trong nghiên cứu và dần tiến tới các ứng dụng trong dự báo bão nghiệp vụ. Bên cạnh việc giảm thời gian tính toán, qua mô phỏng thử nghiệm cho 4 cơn bão trên Biển Đông năm 2006 cho thấy không có sự khác biệt đáng kể về sai số dự báo giữa sơđồ nguyên thủy và sơ đồ cải tiến.
Tập 1: Khí tượng - Khí hậu, Khí tượng Nông nghiệp và Biến đổi Khí hậu 37
Hình 3. Mặt cắt thẳng đứng dọc vĩ tuyến qua tâm bão cuả tốc độ gió ( m s-1) và dị
thường nhiệt độ so với môi trường (K) tại thời điểm ban đầu hóa cho (a) vòng lặp đầu tiên sau khi đưa vào tâm nóng và (b) vòng lặp cuối cùng sau khi xoáy bão đạt cường
độ quan trắc.
a b
Hình 1. Sự thay đổi của (a) Vmax (m s-
1) và (b) Pmin (hPa) theo số vòng lặp cho các thử nghiệm: NSLP (đỏ), WCOR (hồng), WSLP (xanh da trời) và
LSLP (xanh lá cây)
Hình 2. Sự thay đổi của (a) Vmax (m s-
1) và (b) Pmin (hPa) theo số vòng lặp cho các thử nghiệm: NSLP (đỏ), CSST (hồng), NoSH (xanh da trời), NoLH (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
38 Tập 1: Khí tượng - Khí hậu, Khí tượng Nông nghiệp và Biến đổi Khí hậu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Kurihara, Y., M. A. Bender, and R. J. Ross, 1993: An Initialization scheme of hurricane models by vortex specification. Mon. Wea. Rev., 121, 2030-2045. 2. Ross, R., and Y. Kurihara, 1992: A simplified scheme to simulate asymmetries
due to the beta effect in barotropic vortices. J. Atmos. Sci., 49, 1620–1628. 3. Nguyen, H. V., and Y.-L. Chen, 2011: High Resolution Initialization and
Simulations of Typhoon Morakot (2009). Mon. Wea. Rev., 139, 1463-1491. 4. Dunnavan. G. M. and J. W. Diercks, 1980: An analysis of super typhoon Tip
(October 1979). Mon. Wea. Rev.,108, 1915-1923.
COMPUTATIONAL OPTIMIZATION IN A DYNAMICAL VORTEX INITIALIZATION SCHEME INITIALIZATION SCHEME
Hiep Van Nguyen(1), (2) and Yi-Leng Chen(2)
(1)Vietnam Institute of Meteorology, Hydrology and Environment (2)University of Hawaii at Manoa, Honolulu, Hawaii, USA
In this report, we would like to show results and approaches which reduce the computational cost of the dynamical vortex initialization technique developed by Nguyen and Chen (2011). The dynamical vortex initialization technique has advantages in generating an initial vortex with structure and intensity in reasonably good agreement with observations. In particular, the scheme can initialize asymmetric features of moisture and thermodynamic variables fairly well. The new technique also shows advantages in tropical cyclone (TC) track and intensity forecasts. One of the challenging problems in implementing the technique for operational forecasts is reducing the computational time required to spin up the vortex in the model. Toward this end, both technical and dynamical approaches were tested. In terms of the technical approach, small buffer domains are created with centers at the observed TC center for use in the vortex spin up. After the vortex has reached the observed intensity, the vortex structures are transferred from the buffer domains to the large domains, which are then used to conduct TC forecasts. Additionally, the adjustment processes during each cycle run are performed in a parallel mode to reduce the computational time. In the dynamical approach, sensitivity tests are performed to find the crucial physical processes occurring in the vortex spin up. Proper dynamical adjustments are then carried out during subsequent cycle runs. The number of cycle runs necessary for the vortex to reach the observed intensity is reduced to about a half with dynamical adjustment alone. The combination of technical and dynamical adjustments results in a 5 to 10-time reduction in computational time for model initialization. The significant reduction in computational time will make the technique more suitable in real-time operational forecasting.
Tập 1: Khí tượng - Khí hậu, Khí tượng Nông nghiệp và Biến đổi Khí hậu 39
PHÂN BỐ HẠN HÁN VÀ QUAN HỆ GIỮA ENSO VỚI HẠN HÁN Nguyễn Trọng Hiệu(1), Phạm Thị Thanh Hương(2), Nguyễn Trọng Hiệu(1), Phạm Thị Thanh Hương(2),
Vũ Văn Thăng(2), Nguyễn Thị Lan(2)
(1)Trung tâm Khoa học Công nghệ Khí tượng Thủy văn và Môi trường
(2)Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường
Hạn được đặc trưng bằng thời gian khá dài lượng mưa không đạt được yêu cầu về
nước của sản xuất và đời sống, trước hết là sản xuất nông nghiệp: không quá 10mm/tháng trong mùa đông (XI, XII, I, II), không quá 30mm/tháng trong mùa xuân (III, IV), mùa thu (IX, X) và không quá 80mm/tháng trong mùa hè (V, VI, VII, VIII).
Tần suất hạn tương đối cao trong mùa thu, mùa đông và mùa xuân trên các vùng khí hậu Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Tây Nguyên, Nam Bộ và trong mùa hè trên các vùng khí hậu Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ. Về cơ bản có thể phân định hai loại hạn: hạn
đông xuân trên các vùng Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Tây Nguyên, Nam Bộ và hạn xuân hè ở Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ.
Nói chung, các vụ hạn thường bắt đầu là mùa đông qua mùa xuân, mùa hè và sang tận mùa thu. Các vụ hạn tương đối dài ở Nam Trung Bộ, vừa phải ở Tây Bắc, Tây Nguyên, Nam Bộ và tương đối ngắn ởĐông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ và ngắn nhất ở Bắc Trung Bộ.
Hạn hán có quan hệ chặt chẽ với El Nino hơn so với La Nina. Khi có El Nino hạn tăng lên đáng kể, nhất là ở các vùng khí hậu phía Nam. Hạn cũng giảm đi trong các đợt La Nina, nhất là ở các vùng khí hậu Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ.