2.2.1 Phương pháp cài xoáy giả
Quá trình ban đầu hóa xoáy (cài xoáy giả) có thể được mô tả sơ lược qua hình dưới đây:
Hình 2.1 Sơ đồ ban đầu hoá xoáy (cài xoáy giả)
Để có thể ban đầu hóa 1 xoáy nhân tạo, thông thường có 3 bước cơ bản: Xây dựng xoáy giả, phân tích xoáy từ trường phân tích và tiến hành kết hợp xoáy giả. Để xây dựng xoáy nhân tạo, có thể sử dụng 2 phương pháp đó là phương pháp
thực nghiệm và phương pháp động lực. Cả hai phương pháp đều xây dựng xoáy nhân tạo dựa trên hệ tọa độ trụ cho các mô hình 3 chiều dựa trên các phương trình giải tích toán học, cũng như các công thức thực nghiệm mô tả sự phân bố các yếu tố khí tượng theo bán kính. Điểm khác nhau giữa 2 phương pháp này nằmở cách thức xây dựng nên xoáy nhân tạo [3].
Phân tích xoáy là bước tách được trường xoáy và trường môi trường từ trường phân tích. Đây là bước đặc biệt quan trọng và cũng rất phức tạp trong bài toán ban đầu hóa xoáy. [3].
xoáy hoặc đồng hóa số liệu. Phương pháp cài xoáy có thể sử dụng để cộng trực tiếp trường môi trường và trường xoáy một cách hài hòa, tránh được sự bất liên tục giữa hai trường này.
2.2.2 Chuẩn bị số liệu đầu vào và cài xoáy trong thử nghiệm
Như đã mô tả ở mục 2.2.1, bộ số liệu do tác giả thu thập được lưu trữ dưới định dạng netCDF. Bộ số liệu này sẽ được chuyển đổi và định dạng lại để đưa vào làm số liệu đầu vào cho mô hình RAMS theo các bước sau:
Sử dụng chương trình Data-preparation-generic để chuyển đổi số liệu từ dạng netCDF về dạng text.
- Chỉnh sửa namelist, lựa chọn thời điểm bắt đầu và kết thúc, chỉnh sửa đường dẫn tới thư mục chứa số liệu cũng như số điểm theo phương ngang, số mực theo phương thẳng đứng.
- Tiến hành chạy chương trình dp-gen sẽ thu được số liệu dưới dạng text bao gồm các file ip2011*… là số liệu đầu vào cho RAMS và các file avn.HGT avn.PRMSL avn.RH avn.TMP avn.UGRD avn.VGRD lần lượt chứa các biến: độ cao địa thế vị, áp suất mực biển, độ ẩm tương đối, nhiệt độ khí quyển và 2 thành phần gió vĩ hướng kinh hướng để phục vụ cho việc tiến hành cài xoáy giả. Tiến hành cài xoáy giả cho trường ban đầu.
- Chỉnh sửa namelist thông tin chỉ thị bão bao gồm các thông tin như áp suất tâm bão (TPC), bán kính gió 15m/s (T15), kinh vĩ độ tâm bão quan trắc trong thực tế (TLO và TLA), và tốc độ di chuyển tức thời kinh vĩ hướng của bão (VTY, UTY).
- Tiến hành cài xoáy giả, chương trình sẽ dựa vào thông tin chỉ thị bão được cung cấp để tạo ra một xoáy nhân tạo có cấu trúc và cường độ sát nhất với xoáy bão thực tế tại thời điểm tiến hành dự báo.
2.3 Số liệu ECMWF.
2.3.1 Mô tả bộ số liệu ECMWF
Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu ECMWF hiện là Trung tâm dự báo bão tốt nhất và đáng tin cậy nhất trên thế giới với sai số dự báo thấp, độ ổn định cao khi ứng dụng dự báo bão. Trong luận văn này, tác giả sử dụng bộ số liệu của trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu ECMWF. Bộ số liệu được thu thập bao gồm trường dự báo cho các cơn bão các năm 2009, 2010 và 2011 hoạt động trong khu vực Tây Bắc Thái Bình Dươngvà Biển Đông dưới dạng netCDF. Bộ số liệu được giới hạn trong miền từ 50S – 350N và 800E – 1400E, độ phân giải ngang 0.5 x 0.5 độ kinh vĩ, 25 mực theo chiều thẳng đứng, từ bề mặt cho đến đỉnh khí quyển.
2.3.2 Thiết lập miền tính và các tham số mô hình RAMS
Với bộ số liệu ECMWF, tác giả đã thiết lập miền tính cho mô hình theo hình dưới đây:
Hình 2.2 Miền tính sử dụng trong mô hình RAMS
Mô hình RAMS được chạy với miền dự báo gồm 122x107 điểm lưới theo phương ngang, bước lưới 36km. Miền tính giới hạn từ xích đạo đến 340N, 900E – 1400E, tâm miền tính đặt tại 150N - 117.50E, bước thời gian tích phân là 60s, hạn dự báo 120h, số mực thẳng đứng là 25 mực. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu được cập nhật 6h một từ bộ số liệu châu Âu ECMWF với độphân giải 0.5 x 0.5 độ kinh vĩ. Số liệu nhiệt độ mặt biển thu được từ số liệu vệ tinh, sử dụng sơ đồ Klemp- Wilhelmson để cập nhật điều kiện biên xung quanh, sơ đồ bức xạ sóng ngắn và sóng dài Mahrer-Pielke và 2 sơ đồ đối lưu Kain- Fritsch và Kuo.
2.4 Chỉ tiêu đánh giá dự báo
Để đánh giá kết quả dự báo trong các phương án thử nghiệm cũng như trên toàn tập mẫu ta sử dụng công thức tính khoảng cách giữa tâm bão thực và tâm bão dự báo như sau :
(2.44) Sai số khoảng cách trung bìnhđược tính :
(2.45) Trong đó, Re =6378.16 km là bán kính trái đất, α1và α2lần lượt là vĩ độ của tâm bão thực tế và tâm bão dự báo sau khi đã đổi sang đơn vị radian, β1 và β2 là kinh độ của tâm bão thực tế và tâm bão dự báo sau khi đổi.
Để đánh giá tốc độ di chuyển dọc theo quỹ đạo của bão mô hình nhanh hay chậm hơn so với vận tốc di chuyển thực tế của bão ta dùng chỉ số sai số dọc ATE.
- Nếu ATE >0: Tâm bão dự báo di chuyển nhanh hơn, nằm phía trước tâm bão thực. - Nếu ATE <0: Tâm bão dự báo di chuyển chậm hơn và nằm phía sau tâm bão thực.
Sai số dọc trung bình MATEđược tính:
(2.46) Ta cũng có những nhận xét tương tự như ATE.
Sai số ngang CTE (Cross Track Error): Dùng để đánh giá sự lệch phải hay lệch trái hơn của tâm bão dự báo so với tâm bão thực tế.
- Nếu CTE >0: Tâm bão dự bão di chuyển lệch phải so với tâm bão thực. - Nếu CTE <0: Tâm bão dự báo di chuyển lệch trái so với tâm bão thực. Sai số ngang trung bình MCTEđược tính: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(2.47) Ta cũng nhận xét giá trị của MCTE tương tự CTE.
Hình 2.3Sơ đồ mô tả sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang.
Trong các công thức tính trung bình trên thì i là dung lượng mẫu tiến hành thử nghiệm dự báo(i=1,2…n) và j là các hạn dự báo(j= 0,6,…120).
Chương 3
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO HẠN 5 NGÀY TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG
Bộ số liệu sử dụng thử nghiệm là một số cơn bão trong03 năm: năm 2009, năm 2010 và năm 2011. Trong những năm này có số lượng cơn bão hoạt động trên tây bắc Thái Bình Dương và Biển Đông xấp xỉ so với trung bình nhiều năm, tuy nhiên quỹ đạo bão, cường độ bão rất phức tạp và khó dự báo.
Bộ số liệu ECMWF được thử nghiệm đầu tiên với mô hình RAMS, sử dụng dự báo quỹ đạo bão hoạt động trên khu vực tây bắc Thái Bình Dương và Biển Đông.ECMWF là một dạng số liệu toàn cầu mới, khả năng khó tích hợp với các mô hình số trị dự báo bão hiện nay. Vì vậy, quá trình thử nghiệm gặp nhiều khó khăn, khi kết quả dự báo với mô hình RAMS khôngổn định và bắt tâm bão không rõ nét. Sau nhiều nổ lực chính sửa các thông số và thử nghiệm với các sơ đồ đối lưu khác nhau thì kết quả có nhiều khả quan hơn.
Nhằm đánhkhả năng dự báo của RAMS với số liệu ECMWF, tôi thử nghiệm dự báo hai cơn bão: cơn bão Megi (2010) và cơn bão Nalgae (2011), là hai cơn bão mạnh, tác động rất lớn đến đời sống dân sinh trên Biển Đông và trên đầt liền Việt Nam. Kết quả dự báo sau khi chạy mô hình RAMS được đánh giá các loại sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang. Từ đó, thực hiện các thử nghiệm dự báo khác với các cơn bão hoạt động trên Biển Đông.
3.1 Danh sách các cơn bão
Trong luận văn này, tác giả sử dụng 09 cơn bão hoạt động trên khu vực tây bắc Thái Bình Dương và Biển Đông giai đoạn từ năm 2009 đến năm 2011, tương ứng với 30 thời điểm và 60 trường hợp thử nghiệm dự báo. Các cơn bão được lựa chọn có thời gian hoạt động trên 5 ngày. Danh sách các cơn bão được thể hiện chi tiết tại Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Cáccơn bão và thời điểm dự báo thử nghiệm trong Luận văn(Các giá trị kinh độ, vĩ độ và khí áp thấp nhất được lấy tại trang web:
http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/)
Tên bão Thời điểm
dự báo Vĩ độ(độ) Kinh độ(độ) Pmin(Mb)
00z- 03/05/2009 9.7 111.3 1005 00z- 04/05/2009 10.8 112.2 993 00z- 05/05/2009 12.1 111.8 982 CHANHOM 00z- 06/05/2009 13.7 113.3 978 00z- 01/10/2009 11.9 130.9 922 00z- 02/10/2009 14.6 126.3 948 00z- 03/10/2009 17.3 123 956 00z- 04/10/2009 18.7 120.1 974 00z- 05/10/2009 20.2 119.4 982 00z- 06/10/2009 19.4 120.2 982 00z- 07/10/2009 17.5 121.6 996 00z- 08/10/2009 17.5 122.3 1000 PAMAR 00z- 09/10/2009 17.1 119.9 1000 00z- 17/10/2009 15.0 132.8 959 00z- 18/10/2009 17.0 132.9 933 00z- 20/10/2009 20.2 130.5 948 LUPIT 00z- 21/10/2009 20.2 127.2 959 00z- 21/06/2011 11.4 132.4 1002 MEARI 00z- 22/06/2011 13.2 129.3 998 CONSON 00z- 13/07/2010 14.3 124.8 975 00z- 29/07/2010 13.1 133.9 985 00z- 30/07/2010 15.8 133.9 974 00z- 31/07/2010 16.9 132.7 922 MUIFA 00z- 02/08/2010 22.1 134.2 944 00z- 16/10/2010 17.4 132.9 956 00z- 17/10/2010 18.7 127.5 918 00z- 18/10/2010 17.5 123.3 911 MEGI 00z- 19/10/2010 16.3 119.2 950 00z- 15/09/2010 20.0 128.5 996 FANAPI 00z- 16/09/2010 21.3 128.0 985 NAEGLE 00z- 29/09/2011 18.1 134.2 980
3.2 Thử nghiệm dự báo 02 cơn bão điển hình.
3.2.1 Thử nghiệm dự báo bão Megi (13 – 23/10/2010)
Bão Megi (2010) tồn tại trong vòng 11 ngày (từ ngày 13 đến ngày 23/10/2010), bão hoạt động từ kinh tuyến 140.9– 117.70E và khoảng 11.8– 25.00N vĩ độ. Megi là siêu bão đầu tiền năm 2010 và là cơn bão mạnh nhất hoạt động trên khu vực tây bắc Thái Bình Dương kể từ năm 1973 với khí áp thấp nhất trong quá trình hoạt động của bão là 885mb. Quỹ đạo bão Megi dạng quỹ đạo hình parabol điển hình của các bão hoạt động trên khu vực tây bắc Thái Bình Dương và Biển Đông. Mặc dù, bão Megi không ảnh hưởng đến lãnh thổ Việt Nam nhưng cường độ bão và hướng di chuyển của bão phức tạp, chuyển hướng rõ nét, đó chính là lý do tác giả chọn Megi làm cơn bão dự báo thử nghiệm.
3.2.1.1 Diễn biến và hình thế synốp bão Megi 2010
Ngày 13/10/2010, một vùng thấp trên khu vực giữa tây bắc Thái Bình Dương đã mạnh lên thành bão, cơn bão có tên quốc tế là Megi (1013) và nhanh chóng mạnh lên thành một siêu bão với sức gió mạnh nhất vùng gần tâm bão mạnh cấp 17, giật trên cấp 17, tương đương bão mạnh cấp 5, cấp bão mạnh nhất trong cấp báo bão hoạt động của Mỹ. Bão Megi chủ yếu di chuyển theo hướng Tây Bắc, sau đó quỹ đạo bão có dạng hình cánh cung từ Tây Tây Bắc sang Tây Tây Nam mỗi giờ đi được khoảng 20– 25km.Đêm ngày 18/10/2010, bão Megi sau khi vượt qua bán đảo Luzon (Philippin) đi vào Biển Đông.
Sáng ngày 20/10, bão di chuyển chậm lại đổi hướng giữa Bắc Tây Bắc và Bắc, sau di chuyểnổn định theo hướng Bắc. Đêm ngày 21 đến trưa ngày 22/10, bão Megi suy yếu dần, khi cách bờ biển tỉnh Quảng Đông (Trung Quốc) 240 km về phía Đông Nam sức gió mạnh nhất vùng gần tâm bão mạnh cấp 12, cấp 13, giật cấp 14, cấp 15, mỗi giờ đi được khoảng 10km.
Chiều ngày 23/10, bão Megiđãđộ bộ vào địa phận phía Tây Nam tỉnh Phúc Kiến (Trung Quốc). Như vậy, Bão Megi chỉ ảnh hưởng giữa, bắc Biển Đông và không ảnh hưởng đến thời tiết đất liền Việt Nam. Tuy nhiên, bão Megi có cường
mạnh, hướng di chuyển phức tạp và khó lường rất cần thiết sử dụng thử nghiệm với bộ số liệu ECMWF, dự báo quỹ đạo bão hoạt động trên Biển Đông.
Hình 3.1 Quỹ đạo thực bão Megi (13– 23/10/2010) [22]
Hình thế synốp
Bão Megi hình thành trên dải hội tụ nhiệt đới có trục vào khoảng 11 – 140N, ở giữa tây bắc Thái Bình Dương. Trên vĩ độ cao không khí lạnh đang tăng cường xuống phía Nam. Trên cao Lưỡi áp cao cận nhiệt đới hoạt động cường độ trung bình, trục lưỡi áp cao cận khoảng 20– 220N và có xu hướng rút ra phía Đông.
Hình 3.2Ảnh vệ tinh, Megi vượt qua bán đảo Luzon vào biển Đông
Từ ngày 17/10/2010, dải hội tụ nhiệt đới có trục qua Nam Trung Bộ nối với tâm bão Megiở phía Đông Bắc Phinlippin; Lưỡi áp cao lạnh lục địa có cường độ ổn định, sau suy yếu và di chuyển ra phía Đông; trên cao Lưỡi áp cao cận nhiệt đới bắt đầu hoạt động yếu và rút ra phía Đông. Bão Megi đã phát triển nhanh và di chuyển Tây với sức gió vùng gần tâm bão mạnh cấp 17, giật trên cấp 17.
Sau khi đi vào Biển Đông, ngày 20 bão Megi di chuyển hướng, di chuyển khá nhanh lên phía Bắc, sau chậm dần khi gần thềm lục địa Trung Quốc do ma sát
với thềm lục địa và đi vào vùng biển khá lạnh. Đến ngày 23/10/2010, bão Megi độ bộ vào địa phận tỉnh Phúc Kiến (Trung Quốc). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.1.2 Kết quả dự báo bão Megi bằng mô hình RAMS
a) Kết quả thử nghiệm tại thời điểm 00Z ngày 16/10/2010
Tại thời điểm tiến hành thử nghiệm lúc 00Z ngày 16/10/2010, bão Megi có vị trí khoảng 17.40N – 132.90E và cường độ vùng gần tâm bão mạnh cấp 17, giật trên cấp 17. Trong thử nghiệm sử dụng sơ đồ đối lưu Kuo và Kain – Fritsch hạn dự báo từ 6h đến 120h (5 ngày). Kết quả tính sai số trong trường hợp 2 sơ đồ đối lưu với cơn bão Megi bằng mô hình RAMS được biểu diễn trong bảng 3.3 và hình 3.5.
Bảng 3.2 Sai số dự báo bão Megi tại thời điểm 00z ngày 16/10/2010
Kain – Fritsch Kuo
Hạn dự
báo (h) PE (km) ATE (km) CTE (km) PE (km) ATE (km) CTE (km)
24 241.79 233.01 -64.57 241.79 233.01 -64.57
48 284.59 260.97 -113.52 223.62 186.76 -122.99
72 309.18 216.19 -221.04 278.68 215.72 -176.44
96 311.70 -225.05 -215.65 267.17 -192.87 -184.88
120 557.51 -554.73 55.65 513.06 -510.76 48.61
Phân tích kết quả sai số theo hạn dự báo cho thấy (Bảng 3.2 và Hình 3.3): Sai
số khoảng cách giữa hai sơ đồ đối lưu có sự khác biệt sau hạn dự báo 24h và sơ đồ Kuo có sai số khoảng cách bé hơn sơ đồ KF. Trong hạn dự báo 48h, sai số khoảng cách của sơ đồ KF khoảng 285 km, lớn hơn trường hợp sơ đồ Kuo 71 km. Đến hạn dự báo 72h, sai số khoảng cách của sơ đồ KF là 309 km, lớn hơn trường hợp sơ đồ Kuo 30 km. Trong hạn dự báo 96h, sai số khoảng cách của sơ đồ KF là 312 km, lớn hơn trường hợp sơ đồ Kuo 45 km. Đến hạn dự báo 120h, sai số khoảng cách của sơ đồ KF là 557 km, lớn hơn trường hợp sơ đồ Kuo 44 km. Như vậy, sai số khoảng cáchtăng dầnkhi tăng hạn dự báo của mô hình RAMS, trường hợp sơ đồ Kuo có xu hướng dự báo quỹ đạo bão tốt hơn trường hợp sơ đồ KF.
Sai số khoảng cách PE dự báo bão Megi tại thời điểm 16/10/2010 0 100 200 300 400 500 600 1 2 3 4 5 Ngày dự báo K m KF Kuo a)
Sai số dọc ATE dự báo bão Megi tại thời điểm 16/10/2010
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300