Hỡnh 3.2.1 mụ tả quỏ trỡnh thực hiện ban đầu húa xoỏy trong HRM_TC. Quỏ trỡnh này chỉ thực hiện đối với trường phõn tớch mà ởđõy là trường toàn cầu của mụ hỡnh GME sau khi đó chuyển về lưới của HRM. Trong trường hợp khụng cú bóo hoạt động (trong miền tớnh của mụ hỡnh), quỏ trỡnh ban đầu húa xoỏy sẽ khụng được thực hiện và HRM_TC chạy đỳng theo qui trỡnh của HRM. Khi cú bóo, chức năng ban đầu húa xoỏy sẽđược gọi tới thụng qua module hbogus. Ngoài một số chương trỡnh con thư viện liờn quan đến phần phõn tớch xoỏy được khai thỏc từ mó nguồn của sơ đồ phõn tớch xoỏy của hệ thống TC-LAPS (được viết trờn ngụn ngữ Fortran 77), toàn bộ cỏc phần cũn lại, bao gồm chương trỡnh xõy dựng xoỏy nhõn tạo, kết nối và điều khiển dữ liệu, được chỳng tụi xõy dựng mới (dựa trờn ngụn ngữ Fortran 90). Module này sẽ thực hiện cỏc nội dung sau (được biểu thị trong khung viền nột
đứt trờn Hỡnh 3.2.1). Xoỏy phi đối xứng Trường MT qui mụ lớn Xoỏy đối xứng Xoỏy giả TT chỉthịbóo Trường phõn tớch Xoỏy nhõn tạo Trườngđó
ban đầu húa xoỏy Trường phần dư Trường mụi trường Trường MT qui mụ nhỏ Tỏch trường mụi trường Phõn tớch phương vị Ban đầu húa mụ hỡnh (DFI)
Module cài xoỏy Khụng cài xoỏy
a. Phõn tớch xoỏy
Việc phõn tớch xoỏy được thực hiện trờn từng mực mụ hỡnh và lần lượt cho cỏc trường tốc độ giú u, v; trường khớ ỏp mực biển Pslv và trường nhiệt độT. Vỡ trường khớ ỏp mực biển khụng sẵn cú trong trường đầu vào nờn nú được tớnh từ trường khớ ỏp bề mặt và trường độ cao địa hỡnh với giả thiết gradient thẳng đứng của nhiệt độ
bằng 0.65K/100m. Kết quả của quỏ trỡnh này là nhận được trường mụi trường (FE) và trường xoỏy đối xứng (FVS). Cỏc thành phần cũn lại bị loại bỏ. Trường xoỏy đối xứng sau đú sẽđược sử dụng để xõy dựng xoỏy nhõn tạo.
b.Xõy dựng và cài xoỏy nhõn tạo
Xoỏy nhõn tạo ở đõy là một xoỏy đối xứng cõn bằng trong hệ tọa độ bỏn kớnh
−độ cao (r,z). Để nhận được xoỏy nhận tạo cú cường độ và vị trớ phự hợp với xoỏy thực, đó sử dụng một số thụng tin quan trắc bổ sung (gọi là chỉ thị bóo), bao gồm tọa độ tõm xoỏy, bỏn kớnh giú cực đại, tốc độ giú cực đại, bỏn kớnh giú 15m/s,... Do hệ tọa độ thẳng đứng của HRM là hệ tọa độ lai nờn trước khi cài xoỏy vào trường ban đầu cần phải thực hiện một số bước chuyển đổi:
• Thiết lập hệ tọa độ theo bỏn kớnh−khớ ỏp (r,p): Trường khớ ỏp được tớnh theo cụng thức (3.1.11) với ps là khớ ỏp bề mặt trường mụi trường tại tõm xoỏy (được nội suy theo sơ đồ nội suy 12 điểm). Nhiệt độ nội suy tại tõm trờn cỏc mực mụ hỡnh được xem là giỏ trị của nhiệt độ mụi trường. Cỏc vũng bỏn kớnh được lấy cỏch nhau 5km cho tới khoảng cỏch 1500 km tớnh từ tõm, tương ứng với 300 vũng.
• Thiếp lập hệ tọa độ trụ bỏn kớnh, độ cao (r, z): Cỏc giỏ trị độ cao được xỏc
định bằng cỏch tớch phõn phương trỡnh thủy tĩnh từ bề mặt tới mực xem xột và được coi là độ cao của cỏc mực đẳng ỏp mụi trường.
• Xõy dựng profile giú tiếp tuyến: Profile giú tiếp tuyến là hàm của bỏn kớnh và độ cao v(r,z), và cú dạng:
v(r,z) = Wr(r) . Wz(z) . Vr(r) (3.2.1) trong đú:
( ) ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − = b x x V r V b r 1 exp max (3.2.2)
với x=r/rm, r là bỏn kớnh tớnh từ tõm xoỏy, rm là bỏn kớnh giú cực đại, b là tham số xỏc định dạng của profile. Tham số này được xỏc định từ bỏn kớnh giú 15 m/s (R15).
• Hàm trọng số theo bỏn kớnh, Wr(r), được lấy sao cho tốc độ giú tiếp tuyến giảm dần đến 0 ở vũng bỏn kớnh ngoài cựng, Rout: ( ) 1 1 1 cos 2 m r m m out m r r W r r r r r R r π < ⎧ ⎪ ⎛ ⎛ ⎞⎞ =⎨ ⎜ + ⎛ − ⎞ ⎟ ≥ ⎜ ⎜ ⎟⎟ ⎪ ⎜ ⎜ − ⎟⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎩ (3.2.3)
Wz(z) là trọng số theo phương thẳng đứng. Trong luận ỏn cú khảo sỏt cỏc dạng hàm trọng số theo độ cao khỏc được mụ tả ở mục 3.3.5. Trong trường hợp đơn giản nhất, Wz(z) được cho là giảm tuyến tớnh theo độ cao đến giỏ trị
bằng 0 tại đỉnh mụ hỡnh, H: ( ) H z z Wz =1− (3.2.4)
• Trường độ cao của cỏc mặt đẳng ỏp theo bỏn kớnh, mật độ và nhiệt độ tương
ứng trờn cỏc mặt đẳng ỏp được xỏc định như đó trỡnh bày ở mục 2.2. Từ đú, ta cú thể tớnh được khớ ỏp tại bề mặt và nhiệt độ trờn cỏc mực mụ hỡnh bằng cỏch nội suy theo khớ ỏp.
Ngoài ra, để đảm bảo sự cõn bằng của trường ban đầu, thủ tục ban đầu húa xoỏy trờn đõy sẽđược thực hiện ngay sau khi mụ hỡnh đọc số liệu trường ban đầu và trước khi mụ hỡnh thực hiện quỏ trỡnh ban đầu húa.
3.3 Xỏc định cỏc tham số khả dụng 3.3.1 Số liệu và miền tớnh
Để tiến hành thử nghiệm luận ỏn đó sử dụng cỏc nguồn số liệu sau:
− Điều kiện ban đầu và điều kiện biờn phụ thuộc thời gian được lấy từ số liệu phõn tớch và dự bỏo của mụ hỡnh toàn cầu GME
− Thụng tin chỉ thị bóo: Khai thỏc từ website weather.unisys.com
− Cỏc tập số liệu vềđộ cao địa hỡnh, lớp phủ bề mặt được cung cấp bởi DWD Cỏc trường hợp bóo được chọn thử nghiệm gồm 7 cơn bóo hoạt động trờn biển
Đụng thời kỳ 2003 − 2006. Bảng 3.3.1 dẫn ra thụng tin cụ thể của cỏc trường hợp bóo sẽđược khảo sỏt.
Miền tớnh của mụ hỡnh được chọn cú kớch thước 50o kinh x 40o vĩ, trải từ
80E−130E và từ 5S−35N (Hỡnh 4.1.1). Do khả năng tớnh toỏn hạn chế của mỏy tớnh, bước lưới ngang của mụ hỡnh được sử dụng là 0.25o kinh vĩ (khoảng 28km). Như
vậy, sốđiểm nỳt lưới của miền tớnh sẽ là 201 x 161 nỳt. Bảng 3.3.1: Cỏc trường hợp bóo được khảo sỏt
Tờn Bóo STT Thời điểm khảo sỏt Vĩđộ tõm Kinh độ tõm Vmax (ms-1) 1 00z 13/05/2006 13.4 120.6 35 2 00z 14/05/2006 13.7 117.5 45 Chanchu 3 12z 14/05/2006 13.9 115.9 55 4 12z 05/06/2004 14.7 116.8 17 Conson 5 00z 06/06/2005 15.2 117.9 22 Damrey 6 00z 22/09/2005 19.4 119.8 25 Imbudo 7 12z 22/07/2003 17.7 119.9 40 8 00z 30/10/2005 14.0 112.9 33 Kai_tak 9 12z 30/10/2005 14.1 112.1 45 Koni 10 12z 18/07/2003 13.3 118.7 20 Krovanh 11 12z 23/08/2003 17.7 116.8 35
Để đỏnh giỏ khả năng ứng dụng của sơ đồ ban đầu húa xoỏy được xõy dựng cho HRM_TC, một số thớ nghiệm độ nhạy đó được thực hiện. Cỏc thớ nghiệm được thiết lập theo nguyờn tắc từđơn giản đến phức tạp nhằm mục đớch khảo sỏt mức độ ảnh hưởng (độ nhạy) của cỏc tham số đối với quĩ đạo dự bỏo, với hy vọng tỡm ra
được bộ tham số thớch hợp hoặc xỏc định được cỏc giải phỏp giảm thiểu sai số dự
bỏo. Cú năm thớ nghiệm được đưa ra, mỗi thớ nghiệm gồm cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy bóo khỏc nhau để khảo sỏt cỏc tham số trong sơ đồ ban đầu húa xoỏy (Bảng 3.3.2).
Bảng 3.3.2: Cỏc thớ nghiệm khảo sỏt sơđồ ban đầu húa xoỏy trong HRM_TC
TT Thớ nghiệm Ký hiệu
1 Thay đổi giỏ trị bỏn kớnh giú cực đại RM
2 Thay đổi giỏ trị bỏn kớnh giú 15m/s S
3 Thay đổi hàm trọng số thẳng đứng W
4 tuyKết hến tuyợp phõn bến phõn tớch ố giú tuyến tuyến lý thuyết với phõn bố giú M Trong tất cả cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy sẽ được thực hiện, những tham số khụng được đề cập đến sẽ nhận cỏc giỏ trị ngầm định. Bộ tham số ngầm định là bộ tham sốđơn giản nhất, bao gồm:
• Bỏn kớnh giú cực đại lấy bằng 90km.
• Bỏn kớnh giú 15m/s lấy bằng 300km.
• Trọng số theo phương thẳng đứng ở dạng đơn giản nhất là tuyến tớnh theo độ
cao.
• Khụng kết hợp phõn bố giú tiếp tuyến giả với phõn bố giú tiếp tuyến phõn tớch.
• Sai số vị trớ (PE): Đặc trưng cho mức độ sai lệch về mặt khụng gian giữa vị
trớ tõm bóo dự bỏo và vị trớ tõm bóo quan trắc. Giả sử xột một phương ỏn dự
bỏo cho N trường hợp bóo, tại hạn dự bỏo t (t = 6h, t = 12h,..., t = 48h) của trường hợp bóo thứn, sai số vị trớ được định nghĩa là khoảng cỏch địa lý giữa tõm xoỏy dự bỏo và tõm xoỏy quan trắc.
( )t ( )t ( )t
PEn = xpn −xon (3.3.1)
trong đú, xpn( )t là vị trớ tõm bóo dự bỏo tại thời điểm t của trường hợp bóo thứn, cũn xon( )t là vị trớ tõm bóo quan trắc tương ứng. Thực tế, khoảng cỏch
địa lý giữa 2 điểm bất kỳ A(λ1,ϕ1) và B(λ2,ϕ2) là độ dài cung của đường trũn lớn đi qua hai điểm đú và được tớnh theo cụng thức:
( )
1
1 2 1 2 2 1
cos sin sin cos cos cos
AB e
d =R − ⎡⎣ ϕ ϕ + ϕ ϕ λ λ− ⎤⎦ (3.3.2)
trong đú Re là bỏn kớnh trỏi đất, lấy giỏ trị bằng 6378.161 km. ϕ,λ lần lượt là vĩđộ và kinh độ của vị trớ tõm bóo tớnh bằng radian.
• Sai số vị trớ trung bỡnh (MPE): là trung bỡnh cỏc sai số vị trớ cho tất cả cỏc trường hợp bóo khảo sỏt: ( ) ∑ ( ) ( ) = − = N n on pn t t N t MPE 1 1 x x (3.3.3)
trong đú N là tổng số trường hợp bóo.
• Sai số vị trớ trung bỡnh tổng thể(MPEA) là trung bỡnh của MPE là trung bỡnh của MPE cho tất cả cỏc hạn dự bỏo 6h, 12h, ..., 48h:
( ) ∑ = = 8 1 8 1 i i t MPE MPEA (3.3.4)
trong đú, ti là thời điểm dự bỏo thứ i (i=1,...,8), ti∈{t0+6h, t = t0+12h,..., t =
• Kĩ năng (S) của phương ỏn dự bỏo dự bỏo A so với phương ỏn dự bỏo đối chứng B tại một hạn dự bỏo nào đú được định nghĩa là:
(MPEA A MPEBB) MPE MPE S , max 100 − = (3.3.5)
Trong luận ỏn, phương ỏn dự bỏo A là cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy bóo khỏc nhau cũn phương ỏn dự bỏo đối chứng B là phương ỏn khụng thực hiện ban đầu húa xoỏy.
• Kĩ năng trung bỡnh (SA) của phương ỏn dự bỏo dự bỏo A so với phương ỏn dự bỏo dự bỏo B tại một hạn dự bỏo nào đú được định nghĩa là:
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 8 1 1 100 8 max , A B t A B MPE t MPE t SA MPE t MPE t = − = ∑ (3.3.6) trong đú, t là hạn dự bỏo từ 6h đến 48h.
• Độ lệch chuẩn (SD) được sử dụng để đỏnh giỏ mức độ phõn tỏn hoặc độ
nhạy của một tham số. Giả sử một thớ nghiệm bao gồm M cấu hỡnh thử
nghiệm khỏc nhau, độ lệch chuẩn tại hạn dự bỏo t, được định nghĩa là: ( ) ( ( ) ( ))2 1 1 M m m SD t PE t PE t M = = ∑ − (3.3.7)
trong đú, PEm(t) là sai số vị trớ của trường hợp bóo đang xem xột tại hạn dự
bỏo t ứng với cấu hỡnh thử nghiệm m, PE t( )là sai số vị trớ trung bỡnh của M
cấu hỡnh thử nghiệm.
• Độ lệch chuẩn trung bỡnh (SDA) Độ lệch chuẩn trung bỡnh là trung bỡnh của
độ lệch chuẩn lấy trờn toàn bộ tập hợp N cỏc trường hợp bóo thử nghiệm: ( ) 1 N n( )
trong đú n là số thứ tự của trường hợp bóo, SDn(t) là độ lệch chuẩn của trường hợp bóo thứn tại hạn dự bỏo t.
3.3.3 Bỏn kớnh giú cực đại
Trong cụng thức xỏc định phõn bố giú tiếp tuyến của xoỏy nhõn tạo (3.2.2), bỏn kớnh giú cực đại (Rm) là tham số quyết định phõn bố của giú vựng gần trung tõm xoỏy bóo. Theo Lownam, 2001 [55], bỏn kớnh giú cực đại cú xu thế duy trỡ gần như
khụng đổi trong suốt thời gian 1 đến 2 ngày đầu tớch phõn, việc xỏc định khụng chớnh xỏc bỏn kớnh giú cực đại cú thể làm giảm chất lượng dự bỏo. Tuy vậy, vấn đề
nảy sinh khi xỏc định bỏn kớnh giú cực đại cho sơ đồ ban đầu húa xoỏy là khụng cú quan trắc trực tiếp, hơn nữa trong thực tế bỏn kớnh giú cực đại thường biến đổi từ
vài chục đến hơn một trăm km. Trong cỏc sơ đồ ban đầu húa xoỏy, tham số này thường được chọn đủ lớn để mụ hỡnh cú thể mụ phỏng được hoàn lưu và duy trỡ
được cường độ của xoỏy bóo. Chẳng hạn, giỏ trị này được lấy là 90km trong nghiờn cứu của Lownam (2001) [55] hay 125km trong nghiờn cứu của Davidson (2000) [29], thậm chớ tới 150km trong nghiờn cứu của Trịnh Văn Thư và Kinsnamurti (1992) [78]. Cho mục đớch khảo sỏt độ nhạy của quĩ đạo dự bỏo đối với bỏn kớnh giú cực đại, ở đõy chỳng tụi chọn cỏc giỏ trị của tham số này là 60km, 90km và 120km tương ứng với cỏc phương ỏn thử nghiệm RM1, RM2, RM3) (Bảng 3.3.3).
Bảng 3.3.3: Cỏc phương ỏn ban đầu húa với bỏn kớnh giú cực đại khỏc nhau.
Tham số RM1 RM2 RM3
Rmax 60 90 120
Ở hỡnh p1.1 (phụ lục 1) là phõn bố giú tiếp tuyến theo bỏn kớnh tại mực 850hPa của cỏc trường hợp bóo khỏc nhau. Cú thể nhận thấy, trong hầu hết cỏc trường hợp bóo, phõn bố giú tiếp tuyến phõn tớch yếu và xoỏy bóo cú qui mụ rộng hơn nhiều so với xoỏy nhõn tạo. Chẳng hạn, trường hợp bóo Imbudo vào thời điểm 12Z ngày 22/7/2003, trờn thực tế nú đang là một cơn bóo mạnh với tốc độ giú cực
đại đến 40m/s. Trờn trường phõn tớch, tốc độ giú tiếp tuyến tại mực 850hPa chỉ đạt hơn 18m/s với bỏn kớnh giú cực đại rộng tới 270km (Hỡnh 3.3.1, trỏi). Sau khi ban
đầu húa xoỏy, trường giú bề mặt đó biểu diễn hoàn lưu bóo rừ hơn với cường độ gần với quan trắc hơn (Hỡnh 3.3.3).
Hỡnh 3.3.1: Phõn bố giú tiếp tuyến tại mực 850hPa (trỏi) và phõn bố trường ỏp suất mực biển đối xứng (phải) theo bỏn kớnh đối với trường hợp bóo Imbudo lỳc 12Z ngày 22/7/2003. “Analysis” là phõn bố xỏc giú tiếp tuyến phõn tớch, RM1, RM2, RM3 là cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy với bỏn kớnh giú cực đại tương ứng là 60km, 90km,120km.
Ở Hỡnh 3.3.1 (phải) là phõn bố trường ỏp suất mực biển đối xứng của trường phõn tớch và cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy cho bóo Imbudo (12Z ngày 22/7/2003). Cú thể thấy xoỏy bóo trờn trường phõn tớch thể hiện qua trường ỏp suất mực biển đối xứng rất yếu và rộng so với cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy. Một
điểm đỏng chỳ ý là mặc dự trong cả ba phương ỏn ban đầu húa xoỏy, mặc dự tốc độ
giú cực đại khụng đổi, nhưng phõn bố trường ỏp cú những khỏc biệt đỏng kể. Khi bỏn kớnh giú cực đại nhỏ thỡ khớ ỏp cực tiểu nhỏ hơn nhưng cú dạng dạng hẹp hơn và ngược lại. Chẳng hạn ở phương ỏn RM1, khớ ỏp mực biển cực tiểu đạt tới 965hPa trong khi ở phương ỏn RM3 giỏ trị này chỉ đạt 980hPa. Hai yếu tố khớ ỏp mực biển cực tiểu và tốc độ giú cực đại là những chỉ tiờu xỏc định cường độ bóo và
được xem là cú tương quan tốt với nhau. Sau khi nội suy về lưới mụ hỡnh và được cõn bằng động lực nhờ quỏ trỡnh ban đầu húa của HRM, những khỏc biệt này đó
Hỡnh 3.3.2: Phõn bố giú tiếp tuyến trong hệ tọa độ bỏn kớnh/ỏp suất đối với cơn bóo Imbudo thời điểm 12Z ngày 22/7/2003. “Analysis” là phõn bố giú xỏc
Hỡnh 3.3.3: Trường tốc độ giú (tụ búng) và đường dũng của phương ỏn khụng ban đầu húa xoỏy bóo (control) và cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy bóo với bỏn kớnh giú cực đại khỏc nhau của trường hợp bóo Imbudo 12Z ngày 22/7/2003.
Hỡnh 3.3.4: Trường ỏp suất mực biển của phương ỏn khụng ban đầu húa xoỏy bóo và cỏc phương ỏn ban đầu húa xoỏy bóo với bỏn kớnh giú cực đại khỏc nhau của trường hợp bóo Imbudo 12Z ngày 22/7/2003. Cỏc đường đẳng ỏp cỏch nhau 5 hPa.
Nhỡn chung, sau khi ban đầu húa xoỏy, tốc độ giú tiếp tuyến lớn hơn một cỏch
đỏng kể so với trường phõn tớch. Mặc dự vậy, vẫn tồn tại một ngoại lệ đối với bóo