b) Sai phân theo thời gian
3.5Đánh giá quỹ đạo và cường độ bão
Việc đánh giá kết quả dự báo quỹ đạo bão trong hai trường hợp có và không chạy liên hoàn khí quyển đại dương được thực hiện dựa trên tính toán sai số khoảng cách trung bình (MPE), sai số dọc trung bình (MATE) và sai số ngang trung bình (MCTE) đối với các cơn bão thử nghiệm.
Hình 3.28 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự báo 00Z ngày 23/08/2010 của bão Mindulle. Theo các hình 4.2a, trường hợp WRF- ROMS cho sai số khoảng cách (PE) nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp WRF, đặc biệt là trong 18h đầu dự báo vào khoảng 40-45km với phương án WRF-ROMS và 75-80km với WRF. Từ 18h đến 36h dự báo, phương án WRF-ROMS có sai số khoảng cách lớn hơn phương án WRF, nhưng độ chênh lệch không lớn lắm tới 36h PE của 2 phương án vào khoảng 250km. Từ 36h trở đi phương án phương án WRF- ROMS cho sai số PE cao hơn hẳn so với phương án WRF, trong khi phương án WRF có PE khoảng 300km ở 48h thì đối với phương án WRF-ROMS là gần 500km. Nhìn chung cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí tâm bão dự báo và tâm bão thực tương đối lớn. Đối với sai số dọc (ATE), cả hai phương án đều có xu hướng di chuyển chậm hơn so với quan trắc (giá trị sai số đều âm) trong 12h đầu. Từ khoảng 18h đến 48h thì cả 2 phương án đều cho bão di chuyển nhanh hơn so với thực tế, ATE vào khoảng 300km, mặt khác từ 42h đến 48h phương án WRF- ROMS cho bão di chuyển nhanh hơn hẳn so với phương án WRF. Thông qua sai số dọc đối với bão Mindulle thấy cả 2 phương án đều di chuyển nhanh hơn so với thực tế. Tuy nhiên theo hình 3.28d, sai số ngang (CTE) của phương án WRF-ROMS cao hơn WRF trong khoảng từ 6-18h và từ 24h-42h, trong khoảng 18h-24h thì phương án WRF-ROMS lại nhỏ hơn WRF. Thông qua CTE cả 2 phương án lúc đầu có lệch trái một chút nhưng sau đó chủ yếu lệch phải hơn so với thực tế. Thông qua cả 3 chỉ số PE, ATE, CTE cho thấy quỹ đạo bão mô phỏng bằng 2 phương án có xu hướng
59
d) a)
bbb)
di chuyển nhanh hơn và lệch phải hơn so với thực tế. Phương án WRF cho kết quả tốt hơn phương án WRF-ROMS.
Hình 3.28 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z).
Hình 3.29 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự báo 00Z ngày 27/7/2011 của bão Nock-ten. Phương án WRF-ROMS cho sai số khoảng cách đều lớn hơn phương án WRF đối với tất cả các hạn dự báo. Gía trị PE khoảng 150km cho cả 2 phương án với hạn 24h và tăng khá nhanh lên tới khoảng 300km(WRF), 400km (WRF-ROMS) với hạn 48h và tương ứng là gần 500km, 700km với hạn 72h. Nhìn chung cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí tâm bão dự báo và tâm bão thực khá lớn . Đối với sai số dọc (ATE), cả hai phương án đều có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với quan trắc ( ATE dương) trong suốt quá trình dự báo. Phương án WRF-ROMS mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn hẳn phương án WRF.Tuy nhiên theo hình 3.29d, sai số ngang (CTE) của 2 phương án giai đoạn đầu đều lệch trái hơn so với thực tế (CTE có giá trị âm). Phương án WRF- ROMS mô phỏng bão di chuyển lêch trái nhiều hơn so với quỹ đạo thực với giai đoạn đầu.
c)
60
a)
Thông qua hình 3.29b thấy quỹ đạo dự báo của cả 2 phương án xu thế di chuyển tương đối tốt so với thực tế tuy có mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn so quan trắc.
Hình 3.29. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹđạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z).
Hình 3.30 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự báo 00Z ngày 02/10/2011 của bão Nalgae. Theo các hình 3.30a, phương án WRF- ROMS cho sai số khoảng cách (PE) đều lớn hơn phương án WRF đối với tất cả các hạn dự báo. Giá trị PE khoảng 50km cho cả 2 phương án và khoảng 120km (WRF), 230km (WRF-ROMS) với hạn 48h và tương ứng là 250km, 350km với hạn 72h. Nhìn chung cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí tâm bão dự báo và tâm bão thực tương đối nhỏ ở giai đầu và khá lớn ở cuối . Đối với sai số dọc (ATE), cả hai phương án đều có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với quan trắc (giá trị sai số đều dương) trong suôt quá trình dự báo. Giá trị ATE vào khoảng 50km cho cả 2 phương án với hạn 24h. Phương án WRF có ATE nhỏ hơn khá nhiều so với phương án WRF-ROMS, với hạn 48h phương án WRF khoảng 100km còn với phương án WRF-ROMS là 230km, sau 72h dự báo thì ATE tương ứng của 2 phương án không và có liên hoàn là 200km và 350km. Tuy nhiên theo hình 3.30d, sai số ngang (CTE) của 2 phương án giai đoạn đầu đều lệch trái hơn so với thực tế (CTE có giá trị âm).
c) d)
61
a)
c)
Phương án WRF-ROMS mô phỏng bão di chuyển lêch trái hơn so với quỹ đạo thực với các hạn dự báo, đối với phương án WRF thì từ hạn 42h đến 72h mô phỏng bão lệch phải hơn (CTE dương). Thông qua hình 3.30b thấy quỹ đạo dự báo của cả 2 phương án tương đối tốt so với thực tế tuy co mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn so quan trắc.
Hình 3.30. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹđạo (b) bão Nalgae (2011100200Z).
Tổng kết lại với các trường hợp mô phỏng bão ở trên sai số khoảng cách trung bình (MPE), sai số dọc trung bình (MATE) và sai số ngang trung bình (MCTE) đối với các cơn bão thử nghiệm. Thông qua hình 3.31a thấy sai số khoảng cách trung bình (MPE) của cả hai phương án khá nhỏ trong khoảng 18h đầu mô phỏng vào khoảng 50km, tăng dần lên khoảng 100km ở hạn 24h và khi đến 48h thì vào khoảng 250km với phương án WRF và khoảng 350km với phương án WRF- ROMS. Đến hạn 72h thì khoảng cách này càng lớn khoảng 350km và 500km tương ứng phương án WRF và phương án WRF-ROMS. Sai số dọc trung bình vào khoảng 100km với hạn 24h, 200km và 350km của phương án WRF và WRF-ROMS với hạn 48h. Hạn 72h sai số dọc của phương án WRF-ROMS là khoảng 500km và phương án WRF-ROMS là 350km. Như vậy cả 2 phương án đều mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn thực tế. Sai số ngang của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn
d) b)
62
a)
c) b)
so với phương án WRF và đa phần nhỏ hơn không ở các hạn dự báo nghĩa là bão lệc trái hơn còn với phương án WRF dương nên lệch phải hơn so với thực tế.
Hình 3.31. Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình.
Đối với áp suất bề mặt biển thấp nhất (SLP min) trung bình cho các phương án thấy rằng phương án WRF-ROMS cao hơn quan trắc đối với các hạn dự báo. Phương án WRF trong 12h đầu thì SLPmin cao hơn quan trắc , sau đó với các hạn dự báo còn lại luôn nhỏ hơn so với quan trắc (hình 3.32).
Như vậy phương án WRF-ROMS mô phỏng cường độ bão yếu hơn so với quan trắc trong khi phương án WRF lại mô phỏng cường độ bão mạnh hơn quan trắc.
Hình 3.32 SLP min trung bình và ME của SLP min
63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Các kết quả chính mà luận văn đạt được:
1. Tổng quan dự báo bão trên thế giới và Việt Nam về ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới dự báo quỹ đạo và cường độ bão.
2. Cài đạt và vận hành thành công hệ thống liên hoàn online khí quyển đại dương giữa mô hình WRF và mô hình ROMS.
3. Kết quả thử nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới dự báo quỹ đạo và cường độ bão cho 3 cơn bão trong 2 năm 2010 và 2011với hai phương án: mô hình WRF kết hợp với mô hình ROMS và WRF không kết hợp. Và có những kết luận đánh giá sau:
Phương án chạy có kết hợp khí quyển-đại dương nhiệt độ bề mặt nước biển thấp hơn khoảng 2-30 C tại thời điểm ban đầu và tăng dần lên 3-40 C đối với hạn dự báo 12h và 24h, tiếp tục tăng lên 4-50 C tới hạn 48h và 72h so với phương án không kết hợp khí quyển-đại dương mà chỉ nguyên khí quyển .
Khí áp bề mặt biển của phương án liên hoàn luôn cao hơn so với không liên hoàn khoảng 2-3 mb với hạn sự báo 12h, tăng dần lên 6-8 mb với hạn 24h, tăng nhanh với hạn 48h và 72h tương ứng khoảng 14-15 mb và 22-24 mb.
Vận tốc gió trung bình bề mặt của phương án WRF-ROMS yếu hơn so với phương án WRF.
Thông lượng nhiệt-ẩm gửi lên mô hình WRF từ ROMS thấp hơn so với mặc định của WRF. Mức chênh lệch này tăng dần qua các hạn dự báo.
Cả 2 phương án đều mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn thực tế. Sai số ngang của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn so với phương án WRF và mô phỏng bão di chuyển lệch trái hơn, phương án WRF mô phỏng bão di chuyển lệch phải hơn so với thực tế.
Đối với áp suất bề mặt biển thấp nhất (SLP min) trung bình cho các phương án thấy rằng phương án WRF-ROMS cao hơn quan trắc đối với các hạn dự báo. Phương án WRF trong 12h đầu thì SLPmin cao hơn quan trắc , sau đó với các hạn dự báo còn lại luôn nhỏ hơn so với quan trắc.
64
4. SST liên tục được cập nhật từ ROMS 10 phút lên mô hình WRF làm cho nhiệt độ bề mặt biển (SST) trong trường hợp có kết hợp nhỏ hơn với trường hợp không kết hợp( SST được sử dụng mạc định từ sản phẩm mô hình toàn cầu). Tương tự gió bề mặt, áp suất khí quyển bề mặt và thông lượng nhiệt ẩm khi có kết hợp đều thấp hơn so với phương án chỉ mô phỏng bằng WRF. Điều này làm cho cường độ bão mô phỏng bằng WRF-ROMS yếu hơn so với chỉ mô phỏng bằng WRF. Thông qua sai số dọc, ngang, khoảng cách và SLPmin thấy cả đều mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn thực tế.
Kiến nghị
Phương án kết hợp khí quyển đại dương dự báo bão khá yếu và lệch trái, phương án không kết hợp cũng mô phỏng bão yếu hơn và lệch phải hơn mới là nhận định ban đầu do số trường hợp thử nghiệm chưa nhiều. Để khách quan hơn cần nghiên cứu với tập số liệu dài hơn. Cần thử nghiệm các phương án kết hợp với các tùy chọn cho vi vật lí và đối lưu khác, trong tương lai nên kết hợp thêm các mô hình sóng vào như một thành phần của hệ thống mô phỏng khí quyển đại dương sóng hoàn thiện hơn.
65
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Phạm Văn Sỹ, 2010: Nghiên cứu ứng dụng kết quả mô hình ROMS trong dự báo quỹ đạo vật thể trôi phục vụ công tác tìm kiếm. Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học XIII, tập2, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, tr.69-76.
2. Hoàng Đức Cường, 2011, Nghiên cứu ứng dụng mô hình WRF phục vụ dự báo thời tiết và bão ở Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ cấp Bộ, 115 trang.
3. Lê Công Thành, 2004, Ứng dụng các loại mô hình số dự báo bão ở Việt Nam. Tạp chí KTTV số 5-2004, tr.10-22.
4. Lê Đình Quang, 2000: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển bề mặt đến cường độ và hướng di chuyển của xoay thuận nhiệt đới trên Biển Đông. Tuyển tập kết quả nghiên cứu khoa học 1996-2000, tập 1. Nhà xuất bản Nông Nghiệp,
tr. 101-115.
5. Lê Hồng Vân, 2009: Dự báo bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam bằng mô hình WRF sử dụng đồng hóa số liệu xoáy giả. Luận văn Thạc sỹ Khí tượng, 88
trang.
6. Nguyễn Minh Huấn, 2004: Nghiên cứu ứng dụng mô hình số trị ba chiều cho vùng nước nông ven bờ biển Việt Nam. Luận án Tiến sĩ Địa lý, Đại học Khoa học Tự nhiên,180 trang.
7. Phạm Văn Ninh và cộng sự, 2009: Biển đông Tập2: Khí tượng, Thuỷ văn, Động lực biển. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ. 550 trang
8. 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.
9. Võ Văn Hòa, 2007: Nghiên cứu thử nghiệm mô hình WRF dự báo quỹ đạo bão trên khu vực Biển Đông. Tạp chí KTTV số 5, tr.13-20.
66
10. Chau-Ron Wu, Yu-Lin Chang, Lie-Yauw Oey, C.-W. June Chang, and Yi- Chia Hsin, 2008: Air-sea interaction between tropical cyclone Nari and Kuroshio. Geophysical research letters, Vol 35, L12605, doi:10.1029/2008GL033942.
11. Chiaying Lee, 2009: Effects of Atmosphere-Wave-Ocean Coupling on Tropical Cyclone Structure. 29th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology , China.
12. Fan, Yalin, Isaac Ginis, Tetsu Hara, 2009: The Effect of Wind–Wave– Current Interaction on Air–Sea Momentum Fluxes and Ocean Response in Tropical Cyclones. J. Phys. Oceanogr, 39, 1019–1034.
13. Hong, Xiaodong, Simon W. Chang, Sethu Raman, Lynn K. Shay, Richard Hodur, 2000: The Interaction between Hurricane Opal (1995) and a Warm Core Ring in the Gulf of Mexico. Mon. Wea. Rev., 128, 1347–1365.
14. Isaac Ginis: Tropical Cyclone-Ocean Interactions. Atmosphere-Ocean Interactions. Advances in Fluid Mechanics Series, No. 33, WIT Press, 83- 114.
15. Kerry A. Emanuel, 1986: An air-sea interaction theory for tropical cyclones. Part I: steady-state maintenace. J. Atmosphere Sciences, Vol 43, pp585-604 16. Liu, Bin, Huiqing Liu, Lian Xie, Changlong Guan, Dongliang Zhao, 2011: A
Coupled Atmosphere–Wave–Ocean Modeling System: Simulation of the Intensity of an Idealized Tropical Cyclone. Mon. Wea. Rev., 139, 132–152. 17. Lloyd, Ian D., Gabriel A. Vecchi, 2011: Observational Evidence for Oceanic
Controls on Hurricane Intensity. J. Climate, 24, 1138–1153.
18. Morris A Bender, Isaac Ginis, Yoshio Kurihara, 1993: Numerical Simulations of Tropical Cyclone-Ocean Interaction With a High-Resolution Coupled Model . Journal geophysical research , Vol. 98, pp 23,245-23,263. 19. Morris A. Bender, Isaac Ginis, Yoshio Kurihara, 1993: Numerical
Simulations of Tropical Cyclone-Ocean Interaction With a High-Resolution Coupled Model. Geophysical research letters, Vol. 98, pp. 23,245-
67
23,263.Richard A. Dare and John L. McBride, 2009: Sea Surface Temperature Response to Tropical Cyclones. 29th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology , China.
21. Schade, Lars R., Kerry A. Emanuel, 1999: The Ocean’s Effect on the Intensity of Tropical Cyclones: Results from a Simple Coupled Atmosphere– Ocean Model. J. Atmos. Sci., 56, 642–651.
22. Tong ZHU and Da-Lin ZHANG, 2006: The Impact of the Storm-Induced SST Cooling on Hurricane Intensity. Advances in Atmospheric Sciences,
Vol.23, pp 14–22.
23. Weixing Shen, Isaac Ginis, 2003: Effects of surface heat flux-induced sea surface temperature changes on tropical cyclone intensity. Geophysical research letters, Vol. 30, No. 18, doi:10.1029/2003GL017878.
24. Wu, Liguang, Bin Wang, Scott A. Braun, 2005: Impacts of Air–Sea Interaction on Tropical Cyclone Track and Intensity. Mon. Wea. Rev., 133, 3299–3314.
25. Yablonsky, R. M., and I. Ginis, 2011: Impact of a warm ocean eddy’s circulation on hurricane- induced sea surface cooling with implications for hurricane intensity. Mon. Wea. Rev., 139, . Monthly Weather Review.
26. Yablonsky, Richard M., Isaac Ginis, 2008: Improving the Ocean Initialization of Coupled Hurricane–Ocean Models Using Feature-Based Data Assimilation. Mon. Wea. Rev.,136, 2592–2607.
27. http://woodshole.er.usgs.gov/operations/modeling/COAWST/index.html
28. http://www.emc.ncep.noaa.gov/gc_wmb/vxt/
29. http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/