Các sơ đồ tham số hóa vật lý được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: Sơ đồ vi vật lý: Kain - Fritsch
Sơ đồ phát xạ sóng ngắn: Dudhia
Tham số hóa lớp biên hành tinh: Yonsei Sơ đồ lớp sát đất: Monin - Obukhov
b) Thiết kế thí nghiệm
Để ước lượng tác động của số liệu thám khơng giả lập tại quần đảo Hồng Sa và Trường Sa tới dự bão trên biển Đông dựa trên phương pháp OSSE, nghiên cứu sẽ thực hiện xây dựng các bước của một hệ thống OSSE
1) Giả lập khí quyển
Như đã nói trong mục 1.2, khí quyển mơ phỏng là một tích phân liên tục của mơ hình tồn cầu hay khu vực. Trong nghiên cứu này, để phản ánh được quá trình cơn bão Sơn Tinh hoạt động trên biển Đơng, mơ hình WRF đã thực hiện tích phân 4.5 ngày từ 19h ngày 24/10/2012 tới 7h ngày 29/10/2012. Điều kiện biên và ban đầu của quá trình này được cập nhật từ số liệu FNL.
2) Giả lập số liệu quan trắc
Số liệu quan trắc được trích tại vị trí các trạm được lấy từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương bao gồm 575 trạm Synop, 47 trạm thám không chưa bao gồm hai trạm thám không giả lập, 5 trạm pilot và thêm hai trạm thám khơng mới tại Hồng Sa và Trường Sa có tọa độ như trong bảng 3.1. Hình 3.6 là bản đồ phân bố các trạm thám sát truyền thống được mô phỏng trong luận văn.
Bảng 3.1 Vị trí đặt trạm thám khơng mới tại Hồng Sa và Trường Sa
Danh sách trạm Vĩ độ Kinh độ
Trạm tại Hoàng Sa 16.82oN 112.33oE
Trạm tại Trường Sa 8.65oN 111.92oE
Phương pháp trích số liệu tại các điểm trạm quan trắc được sử dụng trong luận văn là phương pháp nội suy điểm gần nhất, trong đó giá trị quan trắc tại điểm trạm được gán bằng giá trị của điểm nút lưới gần nhất. Số liệu các trạm thám không và pilot được giả lập phát báo 12 giờ một lần. Riêng hai trạm thám không thêm mới là Hoàng Sa và Trường Sa trong điều kiện có bão sẽ được phát báo 6 giờ một lần (thêm hai phiên quan trắc tăng cường). Số liệu quan trắc giả lập bao gồm các áp suất, nhiệt độ, nhiệt độ điểm sương, hướng gió, tốc độ gió, độ cao địa thế vị và độ ẩm tại 26 mực áp suất. Số liệu quan trắc được giả lập sẽ được cộng thêm các sai số
quan trắc với giả định phân bố Gaussian. Các sai số này được cho trong bảng 2.1 và 2.2.
3) Thiết lập điều khiển và các thử nghiệm để ước lượng tác động của số liệu thám khơng mới.
Như đã trình bày trong mục 1.2, q trình điều khiển (CR) là q trình mơ phỏng lại hệ thống dự báo hiện thời. Do vậy các số liệu quan trắc được đồng hóa là những số liệu quan trắc được giả lập tại những điểm trạm đã tồn tại
Thử nghiệm 1 (EXP1) là thử nghiệm có đưa thêm số liệu thám khơng giả lập tại hai quần đảo Hoàng Sa và Trường Sa vào đồng hóa. Một cách đơn giản, có thể hiểu:
EXP1 = CR + thám không giả lập tại Hồng Sa + thám khơng giả lập tại Trường Sa Thử nghiệm 2 (EXP2) là thử nghiệm chỉ đưa thêm số liệu thám không giả lập tại quần đảo Trường Sa. Một cách đơn giản có thể hiểu rằng
EXP2 = CR + thám không giả lập tại Trường Sa
Như vậy, sự khác nhau giữa CR, EXP1 và EXP2 chính là số liệu quan trắc. Điều nay được tóm tắt thơng qua bảng 3.2
Bảng 3.2 Tóm tắt thơng tin của q trình điều khiển và các thử nghiệm
Quá trình Số liệu quan trắc sử
dụng đồng hóa Điều kiện biên Trường nền Điều khiển (CR) 575 trạm Synop 47 trạm thám không 5 trạm Pilot Cập nhật 6 tiếng từ số liệu GFS Từ dự báo 6 tiếng của chu kỳ trước
Thử nghiệm 1 (EXP1) Điều khiển + Thám khơng tại Hồng Sa và Trường Sa Cập nhật 6 tiếng từ số liệu GFS Từ dự báo 6 tiếng của chu kỳ trước
Thử nghiệm 2 (EXP2)
Điều khiển + Thám không tại Trường Sa
Cập nhật 6 tiếng từ số liệu GFS
Từ dự báo 6 tiếng của chu kỳ trước
Trong luận văn, tác giả lựa chọn 4 thời điểm khác nhau để thực hiện thử nghiệm tác động của số liệu là:
19 giờ ngày 25/10/2012 01 giờ ngày 26/10/2012 07 giờ ngày 26/12/2012 13 giờ ngày 26/12/2012
Đây là 4 thời điểm liên tiếp từ lúc cơn bão Sơn Tinh tiến vào biển Đông. Từ những thời điểm này, các dự báo 72 giờ được thực hiện, riêng tại thời điểm cuối cùng, dự báo sẽ chỉ đến hạn 66h. Trước khi thực hiện dự báo tại các thởi điểm nói trên, các số liệu quan trắc sẽ được đồng hóa với các chu kỳ cách nhau 6 tiếng từ 19h ngày 24/10/2012. Hình 3.7 là minh họa cho chu trình đồng hóa 6 tiếng.
19H24/10 19H25/10 19H26/10 19H27/10 19H28/10 Quan trắc giả lập Quan trắc giả lập Quan trắc giả lập Dự báo 12h Dự báo 12h Quan trắc giả lập Dự báo 12h Dự báo 12h Quan trắc giả lập Trường nền Trường nền Trường nền Trường nền
Dự báo từ mơ hình tồn cầu GFS
Trường nền Khí quyển mơ phỏng Dự báo 72h Quan trắc giả lập Trường nền Dự báo 72h Trường nền Quan trắc giả lập Dự báo 72h Quan trắc giả lập Trường nền Dự báo 66h
Chương 4
KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM 4.1 Mơ phỏng khí quyển
Hình 4.1 là kết quả mô phỏng quỹ đạo bão Sơn Tinh từ 19 giờ ngày 24/10/2012 tới 7 giờ ngày 29/10/2012. Điều kiện biên và ban đầu của quá trình này được cập nhật từ số liệu phân tích FNL. Quỹ đạo giả lập cơn bão Sơn Tinh được thể hiện bằng đường màu xanh trong hình vẽ.
Hình 4.1 Quỹ đạo giả lập cơn bão Sơn Tinh
Có thể thấy quỹ đạo giả lập này đã phản ánh được khá chính xác với quỹ đạo thực sự của cơn bão trong thực tế. Cơn bão di chuyển theo hướng giữa Tây và Tây Bắc với vị trí khá sát so với thực tế. Tại thời điểm 19 giờ ngày 26/10/2012 cơn bão có vị trí gần quần đảo Trường Sa, sau đó một ngày thì cơn bão có sự đổi hướng nhẹ lên phía Bắc. Tuy nhiên, như đã nói trong các phần trên, do khí quyển chứa nhiều các q trình quy mơ khác nhau, bên cạnh đó, các phương trình động học và động lực học của mơ hình cịn chứa nhiều tham số vì vậy, quỹ đạo bão giả lập khơng thể chính xác hồn tồn như quỹ đạo bão trong thực tế. Tuy nhiên, quỹ đạo bão giả lập đã phản ánh được những nét chính của quỹ đạo bão trong thực tế.
Hình 4.2 là kết quả giả lập áp suất cực tiểu tại tâm. Nhìn chung, quá trình giả lập phản ánh được các quá trình mạnh lên trên biển Đơng và suy yếu sau đó của cơn bão. Áp suất cực tiểu tại tâm bão của q trình giả lập khí quyển là xấp xỉ 960 mb, trong thực tế, giá trị này là 954 mb. Sự khác biệt ngày có nguyên nhân một phần từ độ phân giải thô 17km mà mơ phỏng sử dụng. Để có thể mơ phỏng tơt hơn cường độ bão, một độ phân giải cao hơn cần được sử dụng.
Hình 4.2 Cường độ giả lập của cơn bão Sơn Tinh
4.2 Dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh
Hình 4.3 là kết quả dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh tại thời điểm 19h ngày 25 tháng 10 năm 2012. Trong hình vẽ, quỹ đạo giả lập cơn bão Sơn Tinh được thể hiện bằng đường màu xanh với ký hiệu là NR – Nature Run. Dự báo của quá trình điều khiển (dự báo tham chiếu) được thể hiện bằng đường màu đen với ký hiểu là CR – Control Run. Các dự báo của thử nghiệm 1 và 2 lần lượt được thể hiện bằng đường màu đỏ (ký hiệu EXP1) và màu da cam (ký hiệu EXP2).
Hình 4.3 Dự báo quỹ đạo cơn bão Sơn Tinh tại thời điểm 19 giờ 25/10/2012.
Từ hình 4.3 có thể thấy đường màu đen bám khá sát đường màu xanh, hay dự báo của quá trình điều khiển khá gần với quỹ đạo giả lập cơn bão Sơn Tinh. Tuy nhiên, sau 36 giờ dự báo đầu tiên, quỹ đạo dự báo điểu khiển lại đổi hướng và đi lên phía bắc nhiều hơn so với quỹ đạo giả lập (NR). Nhưng nhìn chung, đây là một dự báo khá tốt, đặc biệt là trong 36 giờ đầu tiên. Trong thử nghiệm 1, (EXP1) khi có thêm sự đồng hóa số liệu thám khơng tại hai vị trí Trường Sa và Hồng Sa, quỹ đạo dự báo đã được cải thiện rõ rệt. Sự cải thiện này được thể hiện thông qua việc đường quỹ đạo dự báo của thử nghiệm 1 luôn nằm giữa đường dự báo của điều khiển và đường quỹ đạo bão mô phỏng. Nếu sau 36 giờ dự báo đầu tiên, quỹ đạo dự báo điều khiển đi lệch lên phía bắc nhiều hơn, thì việc đồng hóa thêm số liệu tại hai trạm Trường Sa và Hoàng Sa đã giúp giảm độ lệch này rõ rệt. Khi chỉ có số liệu thám khơng tại Trường Sa được đồng hóa, thì dự báo đã khơng cịn thể hiện được sử cải thiện như trong thử nghiệm 1. Sự cải thiện chỉ được thể hiện trong 36 giờ dự báo đầu tiên, đường màu da cam nằm giữa hai đường xanh và đen, nhưng không thể đạt được đến kết quả như trong thử nghiệm 1. Từ sau 36 giờ dự báo, sự khác biệt giữa quỹ đạo dự báo của thử nghiệm 2 và của điều khiển khơng cịn rõ ràng. Hai đường
số liệu thám khơng thì các kết quả tính tốn cụ thể sai số vị trí tâm bão sẽ được thể hiện trong hình 4.4 dưới đây.
Hình 4.4 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô phỏng Sơn Tinh thời điểm 19 giờ ngày 25/10/2012.
Sai số vị trí của quỹ đạo của điều khiển so với quỹ đạo mô phỏng được thể hiện bằng cột màu đen; của thử nghiệm 1 là màu đỏ và của thử nghiệm 2 là màu da cam. Với sai số của q trình điều khiển, trong vịng 24 giờ đầu tiên đều nhỏ hơn 40km. Với hạn dự báo từ 30 đến 72 giờ sai số 50 đến 100km. Khi có đồng hóa thêm số liệu thám khơng tại Trường Sa và Hoàng Sa, sai số dự báo vị trí bão đã giảm đáng kể. Trong mọi hạn dự báo, sai số của thử nghiệm 1 luôn nhỏ hơn của điều khiển. Trong 30 giờ dự báo đầu, sai số chỉ xấp xỉ trong khoảng 20km. Từ hạn dự báo 36 giờ đến 72 giờ, sai số 50 đến 70km.
Khi chỉ có thêm số liệu tại Trường Sa, sai số trong 48 giờ dự báo đầu tiên đã nhỏ hơn so với sai số của điều khiển. Tuy nhiên, khi so với thử nghiệm 1, các sai số này lớn hơn. Từ hạn dự báo 42 giờ, có thể thấy giá trị sai số của thử nghiệm 2 và điều khiển là khơng có nhiều khác biệt. Như vậy, có thể nhận thấy, tại thời điểm dự báo 19h ngày 25/10/2012, kết quả của thử nghiệm 1 là tốt nhất trong mọi hạn dự báo. Trong khi đó, với thử nghiệm 2, kết quả chỉ được cải thiện trong khoảng 48 giờ đầu. Lý giải cho việc thử nghiệm 1 có dự báo tốt nhất là vì quỹ đạo bão đi khá gần vị trí của quần đảo Hồng Sa. Trong khi đó, tại thử nghiệm hai, vị trí của trạm tại quần đảo Trường Sa lại khá xa so với vị trí tâm bão đi qua nên tác động của số liệu quan trắc mới chưa được rõ ràng như trong thử nghiệm trước.
Hình 4.5 tương tự như 4.3 là bản đồ dự báo quỹ đạo bão Sơn Tinh tại thời điểm 01 giờ 26/10/2012. Các quy ước và ký hiệu tương tự như trên. Dự báo của điều khiển vẫn là một dự báo tương đối tốt. Điều này có thể dễ dàng nhận thấy, trong khoảng 30 giờ đầu, đường màu đen và màu xanh khá sát nhau. Tuy nhiên, cũng như trong thời điểm dự báo trước, trong những hạn dự báo sau, quỹ đạo điều khiển đã lệch lên phía bắc hơn. Q trình đồng hóa thêm hai số liệu Hoàng Sa và Trường Sa đã cải thiện được quỹ đạo dự báo. Ta có thể nhận thấy, đường quỹ đạo dự báo của thử nghiệm 1 rất sát với đường quỹ đạo mô phỏng. Đặc biệt từ hạn dự báo 36 tiếng, nếu dự báo của điều khiển cho cơn bão đi lên phía bắc, thì việc đồng hóa đã giúp cho quỹ dạo dự báo trong thử nghiệm 1 khơng lệch nhiều lên phía bắc và rất sát với quỹ đạo mô phỏng. Với trường hợp thử nghiệm 2, quỹ đạo dự báo lại có xu hướng tương tự như dự báo của điều khiển. Cụ thể hơn, hình 4.6 sẽ cung cấp chi tiết hơn về sai số khoảng cách giữa tâm bão dự báo với tâm bão mơ phỏng.
Hình 4.5 Dự báo quỹ đạo cơn bão Sơn Tinh tại thời điểm 01 giờ 26/10/2012.
Hình 4.6 là sai số khoảng cách giữa tâm bão giả lập với lần lượt tâm bão dự báo của điều khiển và các thử nghiệm. Trong 30 giờ đầu dự báo, sai số của điều khiển rất thấp nhỏ hơn 40 km. Từ thời điểm dự báo 36 giờ, khi quỹ đạo dự báo của
khoảng cách lúc này đẵ tăng lên trong các hạn dự báo tiếp theo, sai số của điều khiển tăng từ 60 - 100km. Khi có thêm số liệu thám khơng tại Hồng Sa và trường Sa, các dự báo đã được cải thiện tốt hơn, đặc biệt từ hạn dự báo từ 24 – 72 giờ. Sai số khoảng cách của dự báo thử nghiệm 1 trong lần dự báo này không vượt quá 40km. Trong thử nghiệm 2, sai số khoảng cách giữa tâm bão dự báo và mô phỏng chỉ cải thiện được trong các hạn dự báo từ 24 đến 48 giờ. Ngoài khoảng thời gian này, thì sai số của thử nghiệm hai và điều khiển là xấp xỉ nhau.
Hình 4.6 Sai số khoảng cách dự báo tâm bão với quỹ đạo mô phỏng Sơn Tinh thời điểm 01 giờ ngày 26/10/2012.
Như vậy, trong hai thời điểm dự báo đầu tiên là 19 giờ ngày 25/10/2012 và 01 giờ ngày 26/10/2012 có thể nhận thấy, các dự báo của q trình điều khiển (mơ phỏng lại trạng thái dự báo hiện thời của ta) khá sát với quỹ đạo mơ phỏng của Sơn Tinh. Khi có thêm số liệu thám khơng tại hai trạm đảo Hoàng Sa và Trường Sa, dự báo quỹ đạo bão đã được cải thiện rõ rệt. Quỹ đạo dự báo của thử nghiệm 1 tiến sát với quỹ đạo mô phỏng Sơn Tinh và sai số khoảng cách giữa tâm bão dự báo và tâm bão mô phỏng của thử nghiệm 1 nhỏ hơn của quá trình dự báo điều khiển tại hầu hết các hạn dự báo. Tuy nhiên, trong thử nghiệm 2, khi chỉ có một số liệu thám khơng tại Trường Sa được đồng hóa thêm, thì sự cải thiện không thật sự rõ ràng. Chất lượng hầu như không khác biệt với dự báo của điều khiển.
Hình 4.7 là các dự báo quỹ đạo cơn bão Sơn Tinh tại thời điểm 7 giờ ngày 26/10/2012. Có thể thấy, sau khoảng 24 giờ dự báo, quỹ đạo bão dự báo của điều khiển đã đi lệch lên phía bắc khá rõ. Điều này được thể hiện qua việc đường màu
đen chỉ bám sát với đường màu xanh trong khoảng 24 giờ đầu. Trong lần dự báo này, thử nghiệm 1 tiếp tục cho thấy vai trị của số liệu thám khơng tại Hồng Sa và Trường Sa.
Hình 4.7 Dự báo quỹ đạo cơn bão Sơn Tinh tại thời điểm 07 giờ 26/10/2012
Khi có thêm hai quan trắc từ hai trạm đảo này, quỹ đạo dự báo đã ít lệch lên phía bắc hơn và sát hơn với quỹ đạo mô phỏng bão Sơn Tinh. Quỹ đạo dự báo của thử nghiệm 1 luôn nằm giữa quỹ đạo mô phỏng và dự báo điều khiển (Đường màu đỏ luôn nằm giữa đường màu xanh và màu đen). Khi khơng có số liệu trạm Hồng