Các nghiên cứu và ứng dụng về nhiễu biên ngang (LBC) của hệ thống EPS

CHƯƠNG 1 : Tổng quan về dự báo tổ hợp và dự báo tổ hợp quỹ đạo bão

1.3Các nghiên cứu và ứng dụng về nhiễu biên ngang (LBC) của hệ thống EPS

Nghiên cứu của các tác giả về hệ thống tổ hợp khu vực, họ nhận thấy điều kiện LBC có thể đóng một vai trị chủ đạo trong việc xác định độ tán của các biến (trừ lượng mưa) nếu mơ hình miền tính có cấu hình nhỏ (Warner và nnk, 1997; Du và Tracton, 1999) [116, 55]. Các tác giả này đưa ra lời khuyên khi xây dựng hệ thống quy mô khu vực cần phải tuân theo 2 ngun tắc sau: “Cấu hình miền tính của mơ hình khu vực phải đủ lớn dựa trên hệ thống tổ hợp để tránh tác động từ LBC. Nguyên tắc thứ hai là LBC cần được được gây nhiễu

để đảm bảo tính đa dạng các giải pháp tổ hợp”.

Nghiên cứu của nhóm tác giả (Nutter và nnk, 2004a) [96] thấy rằng LBC bị hạn chế trong biến động sai số phát triển quy mô nhỏ đủ để hạn chế độ phân tán trong tổ hợp mơ hình trong vùng giới hạn (LAM). Sai số phát triển bị hạn chế kết quả từ việc sử dụng giải pháp đơn giản và nội suy LBC theo thời gian.

Ảnh hưởng này xuất hiện trong bất kỳ hệ thống kết hợp nhiều mơ hình sử

dụng nhưng chỉ sử dụng một LBC duy nhất, trừ khi mơ hình cung cấp LBC có

độ phân giải tương tự như LAM và nhiễu trên LBC được cập nhật từng bước

đưa ra phương pháp mới, các LBC tạo ra được phát triển nhằm mục đích đếm

các ảnh hưởng ở trên (counter the above effect) bằng cách tạo ra một nguồn

thống kê thống nhất của sai số dọc theo biên. LBC được thiết kế để khuếch đại theo thời gian và lan truyền vào miền tính nhằm bù đắp mất mát độ tán do

LBC gây ra. Sự thống nhất trong cấu trúc giữa LBC và nhiễu ban đầu là quá trình quan trọng trong việc xây dựng EPS và cần phải được nghiên cứu.

Hiện nay, cách tiếp cận phổ biến trong thực tế là sử dụng các thành phần tổ hợp khác nhau từ một hệ thống tổ hợp toàn cầu làm LBC cho các thành phần của LAM. Theo báo cáo của WMO (2009) [120] gồm có: Hệ thống tổ hợp MOGREPS – của Anh, dùng nhiễu LBC từ mơ hình tổ hợp N144L38 (90 km). Hệ thống tổ hợp dự báo bão của Nhật Bản (TEPS), dùng nhiễu LBC từ mơ hình TL319L60. Hệ thống dự báo tổ hợp khu vực (REPS) được sử dụng tại miền Bắc của Trung Quốc, dùng LBC từ mơ hình T213. Hệ thống dự báo tổ hợp khu vực (REPS) được sử dụng vùng Tây Bắc Trung Quốc (SW- REPS), dùng LBC từ mơ hình T213. Hệ thống dự báo tổ hợp SREF của trung tâm NCEP-Mỹ, dùng LBC từ mơ hình GFS/tổ hợp GFS. Hệ thống dự báo tổ hợp COSMO của Châu Âu sử dụng nhiễu LBC từ mơ hình của 4 trung tâm NCEP, ECMWF, UM, GME.

Tuy nhiên vẫn có một số trung tâm còn sử dụng cùng một LBC cho các thành phần tổ hợp như hệ thống dự báo bão của Viện nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới Thượng Hải (GRAPES_TCM). Đây là biện pháp khác phục khi

khơng có mơ hình tồn cầu để tạo ra LBC. Đối với miền dự báo đủ lớn, nhiễu này không ảnh hưởng lớn đến kết quả dự báo.

1.4 Các nghiên cứu và ứng dụng về đa cơ chế vật lý và động lực của mơ hình để xây dựng EPS

Bên cạnh độ bất định của điều kiện ban đầu và LBC, sai số do mơ hình

cũng đóng góp vào sự tăng trưởng khơng ổn định sai số trường ban đầu. Tuy nhiên, vài nhóm nghiên cứu đã giới thiệu một số thay đổi các tham số vật lý

để cho phép độ bất định bao gồm cả sai số của mơ hình (Houtekamer và nnk,

1995; Stensrud và nnk, 2000) [67, 106]. Nhóm tác giả Chen và nnk (2003) [44] cho rằng: “Sự khác nhau của 2 dự báo từ cùng một mơ hình nhưng với

các phiên bản khác nhau về sơ đồ đối lưu sẽ giúp mô tả bất ổn định đối lưu

trong nhiễu”. Tuy nhiên để xây dựng được EPS cho một hiện tượng thời tiết cụ thể, cần phải xác định được những nhiễu phát triển ở điều kiện ban đầu

nào sẽ phát triển tiếp với mơ hình hoặc thay đổi các sơ đồ trong mơ hình như thế nào. Vấn đề này có thể được mơ tả như sau: Giả sử ta có trường ban đầu

được xác định bằng trường phân tích cộng với trường nhiễu phát triển, sử

dụng trường ban đầu này với các mơ hình A, B, C khác nhau (có thể là các mơ hình khác nhau hoặc thay đổi các tham số vật lý trong một mơ hình) sẽ cho kết quả khác nhau. Dự báo từ 3 mơ hình sẽ có 3 khả năng xảy ra: nhiễu phát triển đó tiếp tục phát triển, nhiễu không phát triển và nhiễu đó bị dập tắt. Điều này được chứng minh bằng EPS tại trung tâm NCEP (Bảng 1.1), hệ thống dự báo tổ hợp quy mô vừa (REPS) gồm 21 thành phần được tạo từ 3 mơ hình ETA, RSM và WRF kết hợp với thay đổi các phiên bản, sơ đồ đối

lưu, sơ đồ vật lý kết hợp với các cặp nhiễu được tạo từ phương pháp nuôi

nhiễu hay phương pháp ET. Tuy nhiên, tùy từng mơ hình khác nhau, số thành phần được chọn khác nhau. Ví dụ đối với mơ hình Eta sử dụng sơ đồ

đối lưu BMJ, trường ban đầu là kết hợp của trường phân tích từ mơ hình

ndas và cặp nhiễu nuôi thứ nhất. Mơ hình Eta sử dụng sơ đồ đối lưu KF, trường ban đầu là kết hợp của trường phân tích từ mơ hình ndas và cặp nhiễu

ni thứ hai …

Vì vậy, cả trường ban đầu và cơ chế vật lý khác nhau đều cần được lưu tâm

tới cùng một lúc khi xây dựng EPS quy mô vừa để làm tăng sự đa dạng của dự báo. Trong luận án đã sử dụng thay đổi 3 sơ đồ đối lưu trong mơ hình và thay đổi này như là sử dụng 3 phiên bản khác nhau của mơ hình để xây dựng

Bảng 1.1 Hệ thống dự báo tổ hợp quy mô vừa (SREF) của NCEP (Du, 2011)[52] (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Mơ hình Điều kiện ban đầu/

nhiễu ban đầu

Số thành phần Độ phân giải (km) Hạn dự báo (giờ) Nhiễu biên

Eta_BMJ Ndas/ nhiễu ni từ mơ hình khu vực

3 (ctl1,n1, p1) 32 87 GFS/GEFS Eta_KF Ndas/ nhiễu ni từ

mơ hình khu vực

3 (ctl1,n2, p2) 32 87 GFS/GEFS RSM_SAS GFS/ nhiễu nuôi từ

mơ hình khu vực

3 (ctl,n1, p1) 32 87 GFS/GEFS RSM_RAS GFS/ nhiễu nuôi từ

mơ hình khu vực 2 (n2, p2) 32 87 GFS/GEFS WRF_NMM GFS/ nhiễu ET từ mơ hình tồn cầu 5 (ctl, n1, p1, n2, p2) 32 87 GFS/GEFS WRF_NMM GFS/ nhiễu ET từ mơ hình tồn cầu 5 (ctl, n1, p1, n2, p2) 35 87 GFS/GEFS

1.5 Hoạt động của bão ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và nghiên cứu dự báo bão bằng phương pháp tổ hợp cứu dự báo bão bằng phương pháp tổ hợp

1.5.1 Đặc điểm hoạt động bão tại khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và

biển Đơng.

Bão hoạt động trên Biển Đông thường được hình thành ngay trên Biển

Đông hoặc đi vào từ Tây Bắc Thái Bình Dương vượt qua Philippines đi vào

Biển Đơng. Các cơn bão này có thể đổ bộ vào đất liền hay tan ngay trên biển.

Bảng 1.2 Các giá trị trung bình số lượng bão theo từng thập kỉ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông (Đinh Văn Ưu, 2009)[31]

Thời gian 1959-1968 1969-1978 1979-1988 1989-1998 1999-2008 Trung bình

Vùng

TBTBD 35,1 28,0 27,3 34,2 29,5 30,8

Vùng BĐ 12,4 11,6 10,6 13,5 11,4 11,9

Đinh Văn Ưu (2009) [31] đã đưa ra các bảng thống kê về hoạt động của bão

trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đơng trong 50 năm từ năm

bình bão hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương là 30,82 cơn/năm

và 11,9 cơn/năm đối với Biển Đông. Trong số 11,9 cơn/năm hoạt động trên Biển Đơng thì có tới 7,6 cơn đi vào từ ngồi Tây Bắc Thái Bình Dương và 4,3

cơn/năm được hình thành ngay trên Biển Đơng.

Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng (2010) [21] về phân bố hoạt động của bão theo từng tháng trên khu vực Biển Đông. Kết quả nghiên cứu dựa trên bộ số liệu từ năm 1961 đến năm 2010 cho thấy bão hoạt động trên Biển Đơng có tần suất lớn hơn 0,5 cơn/năm tập trung từ tháng 5 đến tháng 12. Các tháng 1, 2, 3, 4 hầu như không xuất hiện bão, tháng 7, 8, 9, 10 là thời kỳ có nhiều bão nhất trong năm (Bảng 1.3).

Bảng 1.3 Bão hoạt động trên Biển Đông thời kỳ 1961-2010 (Nguyễn Văn Thắng, 2010)[21]

Tháng V VI VII VIII IX X XI XII

1961-2010 0,62 1,08 1,88 2,02 2,22 1,90 1,48 0,66 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Bảng 1.4 Bão đổ bộ vào Việt Nam thời kỳ 1961-2010 (Nguyễn Văn Thắng, 2010)[21]

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB

năm

Số cơn 0,12 0,02 0,08 0,06 0,26 0,60 0,88 1,08 1,60 1,36 1,16 0,40 7,62

Ngồi ra nhóm nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng (2010) [21] thống kê số lượng cơn bão đổ bộ vào Việt Nam trong thời kỳ 1961 – 2010, trung bình một năm có khoảng 7,6 cơn bão đổ bộ trực tiếp tới đất liền nước ta (Bảng

1.4). Phân tích khu vực đổ bộ của bão vào Việt Nam trong tài liệu cho thấy: “vùng đất liền và ven biển từ 200N trở lên, hoạt động của XTNĐ có xu hướng giảm; vùng đất liền và ven biển từ 15 - 200N, số lượng các cơn XTNĐ ít thay

đổi; vùng đất liền và ven biển Nam Trung Bộ và Nam Bộ, từ 150N trở xuống, hoạt động của XTNĐ có xu hướng gia tăng. Như vậy hoạt động của XTNĐ có xu thế dịch chuyển về phía Nam.”

1.5.2 Dự báo bão của các nước cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương bằng EPS

Trung tâm dự báo khí tượng Hồng Kơng (HKO) bắt đầu cập nhật kỹ thuật

dự báo dựa trên tổ hợp nhiều sản phẩm mơ hình từ những năm 1980. Trong những năm gần đây, để tăng tính hiệu quả, các kết quả đầu ra từ các mơ hình số tại các trung tâm ECMWF, JMA, NCEP và UKMO đã được HKO đưa vào trong hệ thống dự báo xoáy thuận nhiệt đới. Hiệu quả của phương pháp tổ hợp các sản phẩm mơ hình từ các trung tâm trên dùng để dự báo bão là vượt trội so với các mơ hình đơn lẻ. Theo báo cáo của HKO (Queenie và nnk,

2005) [101], so sánh dự báo tổ hợp và mơ hình đơn lẻ các cơn bão từ năm 2001 đến 2003 cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông cho

thấy đã giảm sai số dự báo 10-15% hạn 24, 48 và 72 giờ.

Hình 1.8 Sai số dự báo của TMEPS (Choo, 2006)[48]

Tháng 5 năm 2005, hệ thống tổ hợp dự báo bão bằng nhiều mơ hình (TMEPS) đã được sử dụng tại KMA. Trung tâm sử dụng 12 nguồn số liệu đầu

vào khác nhau từ các trung tâm khí tượng. TMEPS là phương pháp thống kê mơ hình đơn giản, quỹ đạo bão trung bình tổ hợp được tính tốn bằng trung bình số học. Kết quả dự báo quỹ đạo bão cho năm 2005 (Hình 1.8) cho thấy

TMEPS dự báo quỹ đạo bão tốt hơn hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu T213

Tại Trung Quốc (Chen và nnk, 2009) [45] có 2 hệ thống dự báo tổ hợp dự báo bão được sử dụng trong nghiệp vụ tại 2 trung tâm là trung tâm khí tượng quốc gia Trung Quốc (NMC/Bắc Kinh) và Viện nghiên cứu xốy thuận nhiệt

đới Thượng Hải.

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của NMC Trung Quốc (Chen và nnk,

2009)[45]

Hệ thống dự báo tổ hợp bão tại Bắc Kinh sử dụng kỹ thuật nuôi nhiễu trên hệ thống tổ hợp quy mô vừa kết hợp với cài xoáy giả cho trường ban đầu và

được đưa vào nghiệp vụ năm 2007. Cách hoạt động của hệ thống như sau: Khi có bão, 15 trường nền (14 trường thành phần tổ hợp và 1 thành phần kiểm chứng) được lấy từ hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu Trung Quốc (T213L31)

được loại bỏ xốy thơ. Hệ thống này sử dụng mơ hình WRF với nhiều lựa

chọn về sơ đồ đối lưu, vật lý mây, lớp biên hành tinh, sơ đồ đất…, miền dự báo được lựa chọn từ 95E -130E và 25N - 53N, độ phân giải là 15 km. Hệ

thống dự báo 1 ngày 2 lần (00UTC và 12UTC), hạn dự báo 120 giờ, kết quả dự báo nhận được từ EPS dùng để tổ hợp quỹ đạo bão và dự báo xác suất

(Hình 1.9).

So sánh sai số quỹ đạo dự báo trung bình tổ hợp và quỹ đạo của dự báo

kiểm chứng kết quả cho thấy sai số trung bình tổ hợp tốt hơn một ít tại hạn dự báo trước 72h (Hình 1.10).

Hình 1.10 Sai số dự báo của hệ thống dự báo tổ hợp NMC, Trung Quốc (Chen và nnk, 2009)[45]

Được sự hỗ trợ bởi chính phủ Trung Quốc, hệ thống dự báo bão GRAPES_TCM được Viện nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới Thượng Hải (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

phát triển dựa trên hệ thống GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) nhằm mục đích cải tiến khả năng dự báo bão trên hệ

thống GPAPES. Hệ thống GPAPES gồm 9 thành phần được tạo từ phương

pháp nuôi nhiễu cho mơ hình khu vực WRF (trong đó 8 thành phần được lựa chọn từ 4 cặp nhiễu được nuôi khi thay đổi các sơ đồ vật lý trong mơ hình WRF và 1 thành phần kiểm chứng). Nội dung thực hiện của hệ thống

36 giờ của mơ hình GFS được sử dụng như là trường ban đầu (A). Các

trường xoáy giả và các số liệu thám sát trong bão sẽ được cộng và trừ vào trường A, các trường này được ký hiệu là (R). Tích phân trường A+R và A-

R với hạn 12 giờ, sau đó tiến hành tách nhiễu xốy và chuẩn hóa (f) cho khu vực nhiễu xoáy này. Kết quả thu được trường nhiễu mới đã chuẩn hóa, trường nhiễu xoáy mới này lại tiếp tục được cộng với trường phân tích tại

thời điểm tiếp theo cho tới khi kết thúc q trình ni. Chu trình ni được thực hiện trong 36 giờ với mỗi kỳ nuôi là 12 giờ. Như vậy trong hệ thống

này chỉ ni nhiễu xốy.

a) b)

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung Quốc. a) là chu kỳ nuôi nhiễu; b) là phương pháp nuôi nhiễu (Huang và nnk, 2007)[69]

Bảng 1.5: Sai số dự báo của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung Quốc (Chen và nnk, 2009)[45]

Hạn Số cơn bão Số trường hợp Sai số khoảng cách

trung bình (km)

24 15 170 136

48 13 125 257

Những nghiên cứu của nhóm GRAPES_TCM (Huang và nnk, 2007) [69] chỉ ra rằng: Ban đầu hóa xốy vẫn đóng vai trị quan trọng trong hệ thống dự báo số. Khi thay đổi hệ thống xử lý GRAPES_TCM đã cải tiến rất nhiều trong việc dự báo bão. Cụ thể theo đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo bão trong

năm 2007 (Bảng 1.6) cho thấy sai số vị trí trung bình dự báo trong 48 giờ là

khoảng 257 km. GRAPES_TCM có tiềm năng dự báo mưa khi bão đổ bộ vào

đất liền. Hệ thống này đưa vào nghiệp vụ năm 2006 giúp cải thiện khả năng

dự báo tổ hợp 72 giờ. Sản phẩm đạt được là quỹ đạo dự báo tổ hợp, bản đồ

xác suất xuất hiện của bão và bản đồ phân bố xác suất của vài trường synop.

Hình 1.12 Kỹ thuật đồng hóa xốy giả của JMA (Yamaguchi, 2012)[123]

Trung tâm JMA dự báo xoáy thuận nhiệt đới bằng cả hai cách tất định và xác suất. Đối với dự báo tất định, JMA sử dụng mơ hình GSM hay cịn có tên

khác là TL959L60 có độ phân giải 20 km để dự báo bão tại các kỳ quan trắc

(00, 06 và 18UTC) có hạn dự báo là 84 giờ và kỳ quan trắc 12UTC có hạn dự báo 216 giờ. Hệ thống đồng hóa dữ liệu được sử dụng là 4DVAR và sử dụng

phương pháp cài xoáy giả theo ba bước. Bước 1, tạo cấu trúc bão dựa trên vị

trí tâm bão, áp suất và bán kính gió 30 kt bằng các phân tích của các nhà dự báo của JMA. Bước tiếp theo, họ đưa các điểm được tạo từ cấu trúc bão (Hình 1.12) vào hệ thống đồng hóa 4DVAR và coi chúng như những điểm thám sát.

Bước cuối, cấu trúc bất đối xứng thu được từ phỏng đoán ban đầu được đưa

vào cấu trúc đối xứng được xây dựng ở bước 1 và 2. Kết quả dự báo sai số