Cấu hình miền tính
Để thực hiện dự báo những cơn bão hoạt động trên Biển Đông và đổ bộ vào bờ biển Việt Nam, tác giả đã thực hiện cài đặt miền dự báo và cấu hình l−ới tính nh− sau: Miền l−ới tính bao gồm 161ìììì161 điểm l−ới theo ph−ơng ngang với b−ớc l−ới 28km, tạo ra miền l−ới từ 5°S đến 35°N và 90°E đến 130°E để có thể nắm bắt đ−ợc những cơn bão hình thành từ phía đông Philippin và di chuyển vào Biển Đông. Tâm miền l−ới tính đ−ợc đặt ở 15°N và 110°E. Miền tính này bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và một phần lục địa Trung Quốc. Biên phía nam của miền tính ở 5°S, với mục tiêu mô tả tốt hơn hoàn l−u gió mùa tây nam vào mùa hè, thổi từ nam bán cầu v−ợt qua xích đạo vào khu vực Đông Nam á. B−ớc thời gian tích phân là 80s và hạn dự báo 72h. Điều kiện biên đ−ợc cập nhật 6h/1 lần.
Hình 2.2. Miền l−ới tính của mô hình
Các sơ đồ tham số hóa vật lý đ−ợc sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: sơ đồ vi vật lý của Kessler, sơ đồ phát xạ sóng dài RRTM, sơ đồ phát xạ sóng ngắn Dudhia, sơ đồ cho lớp sát đất Monin- Obukhov, sơ đồ khuếch tán nhiệt với các quá trình bề mặt, sơ đồ lớp biên hành tinh MRF và sơ đồ tham số hóa mây đối l−u Kain- Fritsh.
Nguồn số liệu
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên là số liệu phân tích và dự báo của mô hình toàn cầu AVN. Thông tin chỉ thị bão cho quy trình xây dựng xoáy giả và so sánh kết quả dự báo đ−ợc lấy từ website: http://weather.unisys.com.
2.2.Mô hình xây dựng xoáy giả 2.2.1. Cơ sở lý thuyết
Tr−ớc khi tiến hành quy trình đồng hóa số liệu xoáy “giả” cần xây dựng một xoáy giả có cấu trúc gần đúng với xoáy thực tại thời điểm ban đầu dựa vào các thông tin chỉ thị bão nh−: kinh độ, vĩ độ, áp suất tại tâm, tốc độ gió duy trì cực đại, bán kính gió 15m/s, h−ớng gió tại thời điểm hiện tại và 12 giờ tr−ớc. Trong luận văn
này, tác giả đã sử dụng ch−ơng trình tạo xoáy giả của Jianjun Li và Shiweng Wang. Việc xây dựng và cài xoáy giả vào tr−ờng ban đầu bao gồm các quá trình sau:
• Các giá trị tr−ờng môi tr−ờng nhận đ−ợc bằng cách lấy trung bình các tr−ờng ban đầu trong vùng vành khuyên đ−ợc xác định bởi các bán kính REO, REI:
REO = Max(2R15, R15 + 300km) (2.37)
REI = 0.6*REO (2.38)
Cấu trúc xoáy giả sẽ đ−ợc gắn vào tr−ờng ban đầu theo vùng vành khuyên có các bán kính: RCO, RCI
RCO = Min(2R15, 500km ) (2.39)
RCI = 0.5*RCO (2.40)
Với R15 là bán kính gió 15 m/s.
• Phân bố theo bán kính của tr−ờng khí áp bề mặt sử dụng công thức kinh nghiệm của Fujita (1953) :
( ) ( ) 1 2 2 0 1 E P r P P r R − = − ∆ + (2.41)
trong đó PE là áp suất bề mặt môi tr−ờng;
∆P=(PE - PC): độ hụt áp suất tại tâm xoáy (tham số xác định c−ờng độ xoáy) R0 tham số thực nghiệm.
• Tr−ờng độ lệch D của độ cao địa thế vị so với tr−ờng môi tr−ờng tại đỉnh mây đ−ợc cho bởi một công thức giải tích nhằm mô phỏng xoáy nghịch phía trên có dạng:
2 0 1 1 . ) , ( + = R r b P r D t Nếu r ≤ RCO D(r,Pt) = 0 Nếu r > RCO (2.42)
Tham số b xác định c−ờng độ xoáy nghịch phía trên cao tại đỉnh mây: b = D(0, Pt) = -0.3D(0, Ps)
Với Ps là khí áp bề mặt
Phía trên đỉnh mây, độ lệch độ cao địa thế vị so với tr−ờng môi tr−ờng triệt tiêu tại mực 20mb (giữa tầng bình l−u):
( , mid) 0
D r P = (2.43)
• Tr−ờng nhiệt độ tại tâm bão từ bề mặt đến đỉnh mây đ−ợc xây dựng có dạng xoáy lõi nóng có dạng:
(0, ) 1 c( ) E( ) E( )
T P =C T P −T P +T P với Ps > P > Pt (2.44) Trong đó TE là nhiệt độ môi tr−ờng, TC là nhiệt độ trong mây (nhiệt độ của khối khí nâng lên từ bề mặt theo quá trình đoạn nhiệt ẩm), hằng số C1 đ−ợc tính sao cho độ lệch của độ cao địa thế vị tại đỉnh mây bằng với giá trị đã tính ở (2.42).
Phía trên đỉnh mây, công thức xác định nhiệt độ tại tâm là: (0, ) 2(ln ln mid)(ln ln t) E( )
T P =C P− P P− P +T P (2.45)
với C2 đ−ợc xác định từ độ lệch độ cao địa thế vị sử dụng ph−ơng trình thủy tĩnh.
• Độ lệch của độ cao địa thế vị so với tr−ờng môi tr−ờng từ bề mặt đến đỉnh mây đ−ợc nội suy bằng công thức:
( , ) ( ) (0, ) ( )
D r P =α r D P +β r (2.46)
Với α và β đ−ợc xác định sao cho thỏa mãn các điều kiện (1.1), (2.42) và (2.43).
• Các thành phần gió tiếp tuyến nhận đ−ợc từ ph−ơng trình cân bằng gió gradient:
0 1 2 = ∂ ∂ − + r P fv r v o ρ (2.47)
• Giải các ph−ơng trình động l−ợng đối xứng trục ở trạng thái dừng kết hợp với lực ma sát và các thành phần bình l−u để thu đ−ợc dòng đi vào tại mực thấp.
• Các dòng đi vào tại các mực khác nhau trong lớp biên hành tinh đ−ợc sinh ra từ ph−ơng trình xoắn Ekman.
• Tính toán các dòng đi ra theo phân bố dạng Gauss ở mực trên cao theo ph−ơng thẳng đứng với cực đại của nó tại 2km d−ới tầng đối l−u hạn sao cho chúng (các dòng đi ra) cân bằng với các dòng đi vào ở bên d−ới.
• Tr−ờng độ ẩm không có quan hệ động lực chặt chẽ với các tr−ờng còn lại và đ−ợc xác định sao cho có độ ẩm t−ơng đối là 90% ở nửa d−ới tầng đối l−u [25], [26].
2.2.2. Xây dựng xoáy giả
Số liệu quan trắc giả đ−ợc tạo ra nhờ một ch−ơng trình xây dựng xoáy nhân tạo Bogus.f đ−ợc đặt trong mô-đun BOGUS, với lý thuyết đã đ−ợc mô tả ở trên.
áp dụng ch−ơng trình xây dựng xoáy giả để tiến hành ban đầu hóa xoáy giả cho mô hình WRF, tác giả đã lựa chọn miền l−ới có kích th−ớc 60ì60 điểm nút l−ới theo ph−ơng ngang, với độ phân giải 1ì1 độ kinh vĩ, bao phủ khu vực từ -15 - 44°N và 80 - 139°E, với tâm l−ới đ−ợc đặt ở (15°N - 110°E). Miền l−ới của ch−ơng trình xây dựng xoáy giả đ−ợc lựa chọn rộng hơn miền l−ới dự báo của mô hình WRF nhằm đảm bảo quá trình cập nhật điều kiện biên cho mô hình. Cấu trúc xoáy này đ−ợc mô tả trên 18 mực đẳng áp: Mặt biển, 1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30, 20 và 10 mb. Nguồn số liệu đầu vào của ch−ơng trình bao gồm:
• File rmov.dat gồm các biến đ−ợc trích ra từ tr−ờng phân tích toàn cầu của mô hình AVN là thành phần gió U, V; độ ẩm t−ơng đối RH và độ cao địa thế vị
• File địa hình terrain.dat, là số liệu về địa hình toàn cầu đã đ−ợc cắt về miền l−ới của Bogus.f
• Những thông tin chỉ thị bão (Bảng 2.1) đ−ợc lấy từ trang web l−u trữ dữ liệu bão của Hoa Kỳ: http://weather.unisys.com/huricane/archive. Các dữ liệu này sẽ đ−ợc đ−a vào file tyrcd_dat.
Bảng 2.1. Các thông tin chỉ thị bão Tham số
ý nghĩa
LON0 Kinh độ của cơn bão tại thời điểm dự báo LAT0 Vĩ độ của cơn bão tại thời điểm dự báo PC0 áp suất tại tâm bão tại thời điểm dự báo R150 Bán kính gió 15m/s tại thời điểm dự báo VMX0 Tốc độ gió cực đại tại thời điểm dự báo
LON12 Kinh độ của cơn bão tại thời điểm 12 giờ tr−ớc LAT12 Vĩ độ của cơn bão tại thời điểm 12 giờ tr−ớc PC12 áp suất tại tâm bão tại thời điểm 12 giờ tr−ớc R1512 Bán kính gió 15m/s tại thời điểm 12 giờ tr−ớc. VMX12 Tốc độ gió cực đại tại thời điểm 12 giờ tr−ớc.
BB H−ớng di chuyển của bão trong 24 giờ tới. Có giá trị từ 0 đến 360 độ. Trong đó h−ớng Bắc đ−ợc quy định là 0°, h−ớng Đông là 90°, h−ớng Nam là 180° và h−ớng Tây là 360°.
Sau khi đ−a ba file đầu vào vào mô-đun BOGUS sẽ đ−ợc file kết quả là Onlybogus.txt. Đây là file số liệu các tr−ờng đã đ−ợc cài xoáy giả.
2.3. Đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả trong mô hình WRF
WRF - 3DVAR là hệ thống đồng hóa số liệu thích hợp cùng mô hình WRF với mục đích cơ bản là đ−a ra một −ớc l−ợng tối −u trạng thái khí quyển thực ở thời điểm phân tích thông qua cực tiểu hóa hàm giá (cost function):
) ( ) ( ) ( 2 1 ) ( ) ( 2 1 ) ( ) ( ) ( 1 0 1 0 0 x x x B x x y y E F y y J x J x J b T b T b + = − − + − + − = − − (2.48)
Quá trình cực tiểu hóa hàm giá đ−ợc thực hiện thông qua một thủ tục lặp, kết quả sẽ nhận đ−ợc giá trị phân tích x, đ−ợc xem nh− là nghiệm của ph−ơng trình (2.48). Nghiệm x đ−ợc xem là xấp xỉ tốt nhất trạng thái khí quyển thực khi cho tr−ớc hai nguồn số liệu: xb là giá trị nền (hay tr−ờng ban đầu) và y0 là giá trị quan trắc. Trong công thức (2.48), B, E và F theo thứ tự là các ma trận t−ơng quan sai số nền, sai số quan trắc và sai số đặc tr−ng (representivity error) (sai số đặc tr−ng là các sai số của các quan trắc có tính chất biến đổi ở quy mô d−ới l−ới, không đ−ợc mô phỏng theo các giá trị trên l−ới của mô hình); y = H(x) là giá trị của x đ−ợc biến đổi về vị trí các điểm trạm quan trắc thông qua toán tử H(x) để so sánh với y0.
Nh− đã mô tả trong Baker (2004), thuật toán đồng hóa số liệu biến phân cụ thể đ−ợc mô phỏng trong WRF-Var là không gian mô hình, công thức gia số của bài toán biến phân. Trong tiếp cận này, các quan trắc, các dự báo có tr−ớc, các sai số của chúng và các định luật vật lý đ−ợc kết hợp với nhau để đ−a ra các gia số tr−ờng phân tích xa’ đ−ợc cộng đến tr−ờng dự đoán ban đầu xbđể đ−a ra để đ−a ra tr−ờng phân tích đ−ợc cập nhật.
Ba thành phần đầu vào đối với WRF-Var:
• Tr−ờng dự đoán ban đầu xb: trong mode cold-start, tr−ờng phân tích hoặc dự báo lấy từ các mô hình khác đ−ợc nội suy đến l−ới ARW (và các biến) bởi các ch−ơng trình WPS và real. Trong mode cycling, tr−ờng dự đoán ban đầu là các dự báo hạn ngắn của ARW (1-6 giờ).
• Các quan trắc y0: trong phiên bản hiện tại của WRF-Var, các quan trắc có thể đ−ợc hỗ trợ hoặc dạng định dạng PREPBUFR (ob_format=1) hoặc định dạng ASCII “little_r” (ob_format=2). Mo-đun xử lý quan trắc (3DVAR_OBSPROC) đ−ợc hỗ trợ để thực hiện kiểm tra chất l−ợng cơ bản, ấn định các sai số tổng cộng (R=E+F) và định dạng lại các quan trắc từ định dạng text “little_r” của MM5 thành định dạng text của 3DVAR.
• Các ph−ơng sai sai số nền B: đ−ợc dùng để xác định phản hồi của tr−ờng phân tích đến các quan trắc theo không gian và theo các biến (multivariate). Trong các hệ thống biến phân này, các ph−ơng sai này đ−ợc tính toán off-line và phải có hiệu chỉnh đáng kể để tối −u hóa việc thực hiện đối với ứng dụng cụ thể.
Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn sai số nền (BES) cho tr−ờng toàn cầu đ−ợc cung cấp từ số liệu thống kê của NCEP.
Sau khi đồng hóa tất cả các số liệu, tr−ờng phân tích xa đ−ợc sinh ra phải đ−ợc hòa hợp với các điều kiện biên bên đã tồn tại xlbc trong ứng dụng WRF_BC. Tại giai đoạn này, các file điều kiện biên bên wrfbdy là đầu ra của WPS/real đ−ợc cập nhật để tạo các biên bên ổn định với tr−ờng phân tích và các tr−ờng bề mặt (chẳng hạn SST) cũng đ−ợc cập nhật trong file phân tích wrfinput [3], [13], [14], [15], [34].
Quy trình đồng hóa tr−ờng cài xoáy giả
Sau khi đã sinh ra đ−ợc file số liệu tr−ờng cài xoáy giả, file Onlybogus.txt sẽ đ−ợc đ−a vào mô-đun Oblittle để thu đ−ợc file “oblittle_r” có định dạng đúng với đầu vào của ch−ơng trình xử lý số liệu trong hệ thống 3DVAR (mô-đun OBSPROC).
cài xoáy nhân tạo. Mạng l−ới quan trắc “giả” này đ−ợc coi nh− các trạm quan trắc phân bố xung quanh vùng bão. Các yếu tố quan trắc “giả” đ−ợc sử dụng bao gồm: áp suất mặt biển và gió trên 10 mực: 1000, 925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200 mb. Vùng xoáy bão sẽ đ−ợc xác định bởi vùng hình vành khuyên với các bán kình RCO= Min(2R15, 500km ) và RCI = 0.5*RCO. Xoáy nhân tạo sẽ đ−ợc hòa hợp vào tr−ờng môi tr−ờng nh− là các quan trắc bổ sung thông qua quá trình đồng hóa số liệu này.
Chạy mô-đun OBSPROC sẽ sinh ra file obs_gst_yyyy-mm- dd_hh:00:00.3DVAR là file kết quả của hệ thống xử lý quan trắc này. File obs_gst_yyyy-mm-dd_hh:00:00.3DVAR cùng với các file điều kiên biên và điều kiện ban đầu của mô hình WRF (wrfinput_d01 và wrfbdy_d01) và file sai số nền (BES) sẽ đ−ợc đ−a vào mô- đun 3DVAR. Cuối cùng sẽ thu đ−ợc các file điều kiện biên và điều kiện ban đầu đã cập nhật số liệu xoáy giả và làm đầu vào để bắt đầu quy trình tích phân mô hình.
Toàn bộ các quy trình trên đ−ợc thực hiện bằng lập trình Fortran kết hợp với lập trình Linux để tạo thành một hệ thống tự động liên tục.
Quy trình đ−ợc trình bày trên sơ đồ sau: Onlybogus.txt Mô-đun BOGUS Mô-đun Oblittle Oblittle_r Mô-đun OBSPROC Obs_gst… Mô-đun Gen_be Mô-đun WPS wrf* BES
rmov.dat terrain.dat tyrcd_dat
Mô-đun VAR Mô hình WRF
2.4. Chỉ tiêu đánh giá
• Để đánh giá kết quả dự báo tôi đã sử dụng công thức tính khoảng cách giữa tâm bão thực tế và tâm bão dự báo nh− sau:
[ ]
Arc R
PE= e. cossin(α1).sin(α2)+cos(α1)cos(α2)cos(β1 −β2) (2.49)
• Và giá trị trung bình của sai số khoảng cách PE đ−ợc tính nh− sau:
n PE MPE n i j i j ∑ = = 1 , (2.50)
Với Re là bán kính Trái đất Re = 6378.16 km. α1 và α2 là vĩ độ của tâm bão thực tế và tâm bão do mô hình dự báo sau khi đã đổi sang đơn vị radian. β1và
2
β là kinh độ của tâm bão thực tế và tâm bão do mô hình dự báo sau khi đã đổi sang đơn vị radian.
• Ngoài ra, để tính toán tốc độ di chuyển dọc theo quỹ đạo của bão dự báo nhanh hơn hay chậm hơn so với vận tốc di chuyển thực của bão, quá trình dự báo lệch trái hay lệch phải hơn, ng−ời ta còn dùng thêm sai số dọc ATE (Along Track Error) và sai số ngang CTE (Cross
Track Error) theo h−ớng di chuyển của cơn bão. ATE nhận dấu d−ơng nếu tâm bão dự báo nằm phía tr−ớc tâm bão quan trắc và nhận dấu âm khi tâm bão dự báo nằm phía sau tâm bão quan trắc. CTE nhận dấu d−ơng khi tâm bão nằm phía phải so với tâm bão quan trắc và nhận dấu âm khi nằm về trái. Với qui −ớc này, nếu sai số ATE trung bình (MATE) nhận giá trị d−ơng có nghĩa tâm bão dự báo có xu thế di chuyển
Tõm bóo dựbỏo
PE CTE
ATE Tõm bóo quan trắc
Tõm bóo quan trắc 6h trước
bão dự báo cho xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo chậm hơn. Sai số CTE trung bình (MCTE) d−ơng cho thấy quỹ đạo bão có xu thế lệch phải còn MCTE âm cho thấy xu thế lệch trái so với quỹ đạo thực. Hình 3.1 mô phỏng các chỉ tiêu sai số đ−ợc tính.
n ATE MATE n i j i j ∑ = = 1 , (2.51); n CTE MCTE n i j i j ∑ = = 1 , (2.52)
trong đó i là dung l−ợng mẫu (i=1, n), j là hạn dự báo (j =0, 6, 12...72).
• Sai số trung bình (Mean Error) ∑ = − = N i f o x x N x ME 1 ) ( 1 ) ( (2.53)
Trong đó: xf : giá trị dự báo xo: giá trị quan trắc N: dung l−ợng mẫu
Sai số trung bình (ME) đánh giá xu thế đúng (v−ợt quá hay thấp hơn) của mô hình so với quan trắc nh−ng không đánh giá đ−ợc mức độ sai số của mô hình v−ợt quá hay thấp hơn giá trị thực tế.
• Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error)
∑ = − = N i f o x x N x MAE 1 1 ) ( (2.54)
Sai số tuyệt đối trung bình xác định mức độ sai lệch của giá trị dự báo so với quan trắc nh−ng không đề cập đến dấu của sự sai khác.
CHƯƠNG 3: ĐáNH GIá KếT QUả Dự BáO BãO Đổ Bộ