Mô hình WRF sử dụng sơ đồ tích phân thời gian Runge-Kutta. Phương pháp
Runge-Kutta được miêu tả bởi Wicker và Skamarock năm 2002. Tích phân thời gian
Runge-Kutta được đưa ra gồm 3 bước để giải (t) và (tt)
( ) 3 t t R t (2.3) ( ) 2 t tR (2.4) tt t tR() (2.5) 2.1.3. Tham số hóa vật lý
Các sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF rất phong phú, tạo điều kiện
trong mô hình WRF bao gồm: các quá trình vật lý vi mô, tham số hóa đối lưu mây tích,
lớp biên hành tinh, mô hình bề mặt, các quá trình đất-bề mặt (mô hình đất), bức xạ,
khuếch tán.
Vật lý vi mô (Microphysics)
Vi vật lý bao gồm các quá trình xử lý hơi nước, mây và quá trình giáng thủy. Các sơ đồ vi vật lý dùng để tính toán xu thế của nhiệt độ, độ ẩm khí quyển và mưa bề
mặt. WRF cho phép lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vi vật lý sau: Sơ đồ Kessler, sơ đồ Purdue Lin, sơ đồ WSM3, sơ đồ WSM5, sơ đồ WSM6, sơ đồ Eta Ferrier và sơ đồ
Thompson. Mỗi sơ đồ có độ phức tạp và các biến ẩm riêng khác nhau.
Lựa chọn mặc định của mô hình WRF trong mảng vật lý vi mô là sơ đồ mây,
giáng thủy theo lưới Eta (EtaGCP). Sơ đồ này dự báo những thay đổi của hơi nước ngưng tụ trong các dạng mây chứa nước, mây gây mưa, mây chứa băng, giáng thủy băng (tuyết, băng tròn, mưa đá).
Đối lưu mây tích (Cumulus)
Trong mô hình số trị nói chung, tham số hóa đối lưu mây tích có tầm quan trọng đặc biệt đối với mô phỏng có độ phân giải trên 10km, mô hình không mô phỏng được
các ổ đối lưu riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm. Mây đối lưu Cb, Cu sâu có xu hướng làm nóng và khô không khí môi trường do chúng làm tiêu hao ẩm môi trường còn mây tầng Ci, Cs nông lại có xu hướng làm cho môi trường lạnh và ẩm nhờ
sự bốc hơi của hơi nước và nước cuốn ra từ mây (do không khí môi trường khô hơn).
Chính vì vậy, việc xem xét phổ mây tích với các kích cỡ khác nhau là rất quan trọng
trong nghiên cứu mối tương tác giữa mây tích và môi trường quy mô lớn. Mây tích có
quy mô nhỏ hơn nhiều so với độ phân giải thông thường của lưới mô hình, nên ảnh hưởng của nó đối với hoàn lưu quy mô lớn không thể tính trực tiếp mà chỉ có thể tính
Như vậy, mục đích chính của vấn đề tham số hóa đối lưu là:
- Dự báo lượng mưa sinh ra do đối lưu.
- Tính toán tác động của đối lưu đến các quá trình nhiệt động lực học mô hình
như tính ổn định thẳng đứng, phân bố lại trường nhiệt, ẩm hình thành mây, các ảnh hưởng đến đốt nóng bề mặt, bức xạ khí quyển,….
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để liên kết mây với các trường giải được như nhiệt độ, độ ẩm và gió, nhưng vẫn chưa một phương pháp nào là
hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều có những ưu, nhược điểm riêng.
Tham số hóa đối lưu mây tích về mặt lý thuyết chỉ đúng cho những lưới thô, đối
với lưới tinh thì bỏ qua sự đối lưu. Trong mô hình WRF có những tùy chọn tham số hóa đối lưu khác nhau: Sơ đồ Kain-Fritsh, sơ đồ Betts-Miller-Janjic, sơ đồ tổ hợp
Grell-Devenji.
Lớp bề mặt và các mô hình bề mặt đất (Surface Layer, Land-Surface Model) Những sơ đồ lớp bề mặt tính toán hệ số vận tốc và trao đổi ma sát, cho phép tính
dòng nhiệt và ẩm bề mặt bởi mô hình đất-bề mặt và sơ đồ lớp biên hành tinh. Các sơ đồ lớp bề mặt trong mô hình WRF gồm: Sơ đồ lớp bề mặt MM5, sơ đồ lớp bề mặt Eta.
Những mô hình bề mặt đất (LSMs) dùng thông tin khí quyển từ lớp bề mặt, bức
xạ từ sơ đồ bức xạ, giáng thủy từ vật lý vi mô và sơ đồ đối lưu, cùng với thông tin quan
trọng trên những biến trạng thái của đất và thuộc tính của bề mặt đất để cung cấp
những thông tin về thông lượng nhiệt và ẩm qua những điểm mặt đất và những điểm
trên mặt biển, băng. Các thông lượng này cung cấp điều kiện biên ban đầu cho dòng
thăng trong mô hình PBL.
Mô hình mặt đất không cung cấp những xu hướng, nhưng cập nhật những biến
trạng thái của đất gồm: nhiệt độ bề mặt, profile nhiệt độ đất, profile độ ẩm đất, tuyết. Không có trao đổi ngang giữa những điểm lân cận trong LSMs, vì vậy nó có thể coi
như mô hình cột một chiều cho mỗi điểm lưới trong mô hình WRF. Hiện nay, có nhiều
mô hình bề mặt có thể chạy độc lập. Mô hình khuếch tán nhiệt 5 lớp, mô hình Noah 4 lớp, mô hình chu trình cập nhật nhanh RUC
Lớp biên hành tinh (Planetary Boundary Layer, PBL)
Lớp biên hành tinh (PBL) có nhiệm vụ tính toán thông lượng xoáy quy mô dưới lưới. Vì vậy khi PBL được kích hoạt thì khuếch tán theo chiều thẳng đứng cũng được
kích hoạt. Hầu hết, khuếch tán ngang là không đổi (Kk=const). Thông lượng bề mặt được cung cấp bởi bề mặt và sơ đồ bề mặt đất. Sơ đồ PBL xác định các profile thông
lượng giữa lớp biên và trạng thái của lớp biên. Vì vậy, sẽ cung cấp những khuynh hướng của nhiệt độ, độ ẩm (bao gồm cả mây), động lượng ngang trong toàn cột khí
quyển. Hầu hết, các sơ đồ PBL xét sự xáo trộn khô, nhưng cũng bao gồm hiệu ứng bão hòa trong sự ổn định thẳng.
Bức xạ khí quyển
Các sơ đồ bức xạ khí quyển cho ta thấy sự đốt nóng bề mặt khí quyển bởi thông lượng bức xạ sóng ngắn của mặt trời và sóng dài của bề mặt đất. Bức xạ sóng dài bao gồm tia hồng ngoại (IR) hoặc bức xạ nhiệt hấp thụ được phát ra từ khối không khí và bề mặt. Dòng bức xạ sóng dài từ bề mặt phụ thuộc vào loại bề mặt đất, nhiệt độ bề mặt đất. Bức xạ sóng ngắn có chứa cả bức xạ sóng dài, và phụ cận sóng dài trong phổ mặt
trời. Vì chỉ có nguồn là mặt trời, nên bức xạ sóng dài gồm các quá trình hấp thụ, phản
xạ, phát xạ trong khí quyển và tại bề mặt. Phản xạ phụ thuộc vào Albedo của mặt đệm.
Bức xạ còn phụ thuộc vào phân bố của mây, hơi nước và các khí CO2, O3,…. Các tùy chọn bức xạ trong mô hình WRF gồm: Sơ đồ sóng dài RRTM, sơ đồ sóng ngắn và
sóng dài Eta GFDL, sơ đồ sóng ngắn MM5 (Dudhia), sơ đồ sóng ngắn Goddard.
Trong khi mô hình tham số hóa vật lý phân loại theo các module và sự tương tác
giữa chúng thông qua những biến trạng thái mô hình (ẩn nhiệt, ẩm, gió, …), xu hướng
của chúng và thông lượng bề mặt.
Quá trình tham số hóa mây tích tác động vào vi vật lý thông qua dòng đi ra. Vi
vật lý cùng với mây tích tác động đến bức xạ thông qua sự ảnh hưởng của mây tới bức
xạ. Bức xạ và bề mặt tương tác với nhau thông qua phát xạ sóng ngắn, dài và albedo bề
mặt. Bề mặt tương tác với lớp biên hành tinh thông qua thông lượng nhiệt ẩm bề mặt
và gió. Lớp biên hành tinh và mây tích tương tác với nhau thông qua dòng giáng và mây tầng thấp.
2.1.4. Lưới lồng
Mô hình WRF hỗ trợ sử dụng lưới lồng tương tác một chiều, lưới lồng tương tác
hai chiều và lưới lồng di chuyển. Mô phỏng ARW gồm một lưới thô ngoài cùng (có thể
gọi là lưới mẹ) và có thể chứa nhiều lưới mịn hơn bên trong (có thể gọi là lưới con).
Mỗi một lưới lồng con được chứa hoàn toàn bên trong một lưới mẹ đơn lẻ. Các lưới
lồng mịn hơn được xem như là các lưới con. Các lưới con này cũng là lưới mẹ khi
nhiều mực lồng được sử dụng. Lưới mịn có thể được lồng với bất kỳ một độ sâu nào và một vài lưới mịn có thể chia sẻ lưới mẹ tại cùng một mực lồng. Lưới mịn có thể là miền tĩnh hoặc có thể di chuyển theo một cách thức đã được quy định. Lưới chồng lấn và lưới có hơn một lưới mẹ đơn lẻ là không được phép (như trường hợp c và d trong
Hình 2.2).
Mô hình WRF sử dụng lưới Akarawa-C được bố trí như sau (Hình 2.3):
Hình 2.3. Lưới Akarawa-C theo không gian
Lưới Akarawa-C chia kích thước miền mẹ và miền lồng bên trong theo tỷ lệ 3:1
(Hình 2.4). Đường nét liền chỉ các biên của ô lưới thô và đường nét gạch ngang là các biên cho mỗi ô lưới mịn. Các thành phần gió ngang được xác định dọc theo bề mặt ô
chuẩn tắc. Và biến nhiệt lực được xác định tại tâm ô lưới. Dòng nét đậm biến đổi dọc
mặt tương tác giữa lưới thô và lưới mịn xác định các vị tríở đó biên bên xác định cho lưới lồng đang có hiệu lực.
Chạy lồng tương tác một chiều được định nghĩa là chạy độ phân giải lưới mịn hơn sau khi đã chạy độ phân giải lưới thô. Chương trình ndown chạy giữa 2 mô phỏng này. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên ngoài cho việc chạy lưới mịn thu được từ
chạy lưới thô. Các bước để chạy lồng tương tác một chiều (xem Hình 2.5): B1: chạy lưới thô như chạy miền lưới đơn.`
B2: Tạo file điều kiện ban đầu tạm thời của lưới mịn.
B3: Tạo file điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho lưới mịn.
B4: Chạy WRF cho lưới mịn.
Hình 2.5. Sơ đồ chạy lồng một chiều
Chạy lồng 2 chiều là chạy nhiều miền lưới với độ phân giải lưới khác nhau cùng một lúc và kết nối với các miền khác: Miền thô cung cấp các giá trị biên cho miền lồng
bên trong nó, và khi miền lồng này tính toán xong sẽ cung cấp trở lại miền thô. Mô
hình WRF có thể xử lý nhiều miền ở cùng một mực lồng hoặc nhiều mực lồng nhưng
không có sự chồng lấn giữa các miền.
Về cơ bản, chạy lưới lồng không khó hơn chạy một lưới đơn. Sự khác biệt đó là chạy lưới lồng phải xử lý nhiều lưới hơn chạy lưới đơn. Trong nghiên cứu này, tôi chạy
hai miền lưới cố định lồng nhau (một miền thô cộng với một miền đơn như mô tả ở
trên). Biến max_dom được chọn giá trị bằng 2 là tổng số miền lưới trong mô phỏng,
bao gồm cả miền thô. Các biến chỉ thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc phải được
cho với mỗi miền lưới với hạn chế miền lồng không thể bắt đầu trước hoặc kết thúc sau
miền mẹ của nó. Thời gian bắt đầu và kết thúc của hai miền lưới trong nghiên cứu này
được chọn trùng nhau (WRF đề nghị nên thiết lập như vậy bởi vì các miền lồng nhận điều kiện biên ngoài từ miền thô hơn). Một số biến cơ bản được thiết lập cho chạy lưới
lồng trong nghiên cứu này gồm:
Start_*, end_*: thời gian mô phỏng lúc bắt đầu và lúc kết thúc cho miền lồng.
Input_from_file: ví dụ wrfinput_d02. Lựa chọn này được sử dụng cho trường
hợp dữ liệu thực khi file đầu vào của miền lồng chứa thông tin địa hình và đất.
Max_dom: là tổng số miền chạy lưới lồng. Ví dụ, nếu muốn có một miền thô và một miền lồng của nó thì thiết lập max-dom là 2.
Grid_id: để nhận biết miền được sử dụng trong quy ước tên cho wrfout. Lưới
thô nhất phải có grid_id là 1.
Parent_id: là một số nguyên xác định số miền mẹ của một miền con. Với miền
thô thì giá trị của biến này được thiết lập là 1 (có một miền mẹ là chính nó). Miền lồng
Parent_grid_ratio: là một số nguyên xác định tỷ lệ khoảng cách lưới của miền
mẹ so với miền con của nó. Miền thô được thiết lập là 1, miền lồng phía trong được
thiết lập là 3 (dẫn đến bước lưới của miền lồng phía trong bằng 1/3 bước lưới của miền
thô bên ngoài).
Parent_time_step_ratio: số nguyên chỉ bước thời gian cho miền lồng. có thể
khác với parent_grid_ratio. Thường cài đặt giống nhau.
Feedback: là chìa khóa để xác định chạy lồng tương tác một chiều hay hai
chiều. Khi feeback là on (hoặc 1) thì giá trị các biến của miền thô được ghi đè lên giá trị các biến của miền lồng tại các điểm trùng nhau. Khi feeback là off (hoặc 0) thì nó
tương đương với chạy lồng tương tác một chiều, do đó kết quả của miền lồng không được phản hồi trong miền thô.
Smooth_option: Lựa chọn làm nhẵn này dành cho miền cha mẹ nằm trong vùng lồng nếu feeback là on (hoặc 1).
I_parent_start: là một số nguyên xác định giá trị điểm lưới nằm ở góc bên trái-
phía dưới theo trục vĩ độ của miền lồng con theo miền mẹ. Miền lưới thô được thiết lập
là 1, miền lồng được thiết lập là 65 (là điểm lưới thứ 65 trong miền thô).
J_parent_start: là một số nguyên xác định giá trị điểm lưới nằm ở góc bên trái-
phía dưới theo trục kinh độ của miền lồng con theo miền mẹ. Miền lưới thô được thiết
lập là 1, miền lồng được thiết lập là 60 (là điểm lưới thứ 60 trong miền thô).
E_we: là một số nguyên xác định kích thước đầy đủ theo phương đông-tây của
mỗi miền lồng (e_we = n*parent_grid_ratio +1, với n là một số nguyên dương). Miền lưới thô được thiết lập là 161 (gồm 161 điểm lưới theo phương vĩ độ), miền lưới lồng được thiết lập là 121 (gồm 121 điểm lưới theo phương vĩ độ).
E_sn: là một số nguyên xác định kích thước đầy đủ theo phương bắc-nam của
lưới thô được thiết lập là 161 (gồm 161 điểm lưới theo phương kinh độ), miền lưới
lồng được thiết lập là 121 (gồm 121 điểm lưới theo phương kinh độ).
S_we và s_sn được thiết lập mặc định là 1.
Chạy lưới lồng di chuyển
WRF đưa ra hai phương pháp sử dụng lưới lồng ghép di động: xác định
(specified) với lựa chọn preset moves và tự động (automatic) với lựa chọn votex-
following. Đối với trường hợp lồng di động xác định, thời gian di chuyển của lưới lồng
và số lần di chuyển được xác định bởi người sử dụng. Đối với trường hợp lồng di
chuyển tự động, lưới lồng ghép được ban đầu hóa để bao phủ xoáy bão, và lưới lồng di
chuyển để duy trì sao cho xoáy bão luôn ở tâm của lưới lồng. Cả hai kiểu chạy đều đòi hỏi file đầu vào của miền lưới thô mà không cần file đầu vào của miền lưới lồng.
2.2. Áp dụng mô hình WRF trong dự báo quỹ đạo bão
2.2.1. Cấu hình miền tính và nguồn số liệu
Cấu hình miền tính
Miền lưới thô: Tâm miền lưới được chọn ở 150N và 1100E bao gồm 161x161 điểm lưới theo phương ngang với bước lưới 27 km tạo ra miền tính có kích thước từ
5S đến 35N và 90E đến 130E. Mục đích của việc chọn miền tính này là để nắm bắt được những cơn bão hình thành từ phía đông Philippin và di chuyển vào biển Đông, đồng thời tính đến ảnh hưởng của hoàn lưu gió mùa đông bắc và hoàn lưu gió mùa tây
nam (Hình 2.6).
Miền lưới lồng: Tâm miền lưới lồng được chọn ở 150N và 111.250E bao gồm 121x121 điểm lưới theo phương ngang với bước lưới 9 km tạo ra miền tính có kích thước từ 10N đến 20N và 106.25E đến 116.25E (Hình 2.7). Miền lưới lồng được đặt bên trong miền lưới thô (Hình 2.6).
Hình 2.6. Mô phỏng miền lưới lồng bên trong miền lưới thô (trích ra từ kết quả mô phỏng của mô hình)
Nguồn số liệu
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình WRF trong nghiên cứu này là
các trường phân tích và dự báo 6 giờ một của mô hình toàn cầu GFS. Số liệu tâm bão thực được lấy từ website: http://weather.unisys.com.
2.2.2. Lựa chọn cấu hình cho WRF để dự báo quỹ đạo bão
Trong nghiên cứu này, tôi sử dụng mô hình WRF phiên bản 3.1 chạy song song
với bộ nhớ phân tán MPI. Cả hai trường hợp mô phỏng có lưới lồng và không có lưới
lồng cùng được tham số hóa với điều kiện ban đầu giống nhau với 27 mực thẳng đứng. Trường hợp mô phỏng có lưới lồng thì miền thô vẫn có độ phân giải lưới ngang là