Cường độ bão

3.3 Khả năng dự báo bão hạn 5 ngày của mơ hình WRF với sơ đồ LETKF

3.3.2 Cường độ bão

Đối với dự báo cường độ bão, như đã đề cập trong phần 3.2, ngoài sự tác động của thành phần tổ hợp đa vật lý lên cường độ bão, thì các thơng tin quan trắc được bổ sung vào trường ban đầu của mơ hình thơng qua q trình đồng hóa số liệu cũng tác động tích cực đến kỹ năng dự báo cường độ bão. Do vậy, trong phần này tác giả xem xét khả năng dự báo cường độ bão của mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF (WRF-LETKF) thông qua 9 trường hợp thử nghiệm cơn bão Megi 2010.

Kết quả dự báo cường độ bão trong 9 trường hợp khảo sát cho trung bình sai số tuyệt đối áp suất mực biển cực tiểu tại tâm (PMIN) phù hợp với kết quả thử nghiệm trong phần 3.2. Cụ thể, sai số PMIN trong thử nghiệm MIX và thử nghiệm CIMS nhỏ hơn so với sai số PMIN trong thử nghiệm CTL ở hầu hết các hạn dự báo (hình 3.12). Các kết quả trên là do hệ thống WRF-LETKF khắc phục được sai số do các q trình vật lý khơng được mô tả một cách đầy đủ trong mơ hình số bằng phương pháp đa vật lý [23]. Ngoài ra kết quả dự báo quỹ đạo tốt trong hai thử nghiệm MIX và CIMSS (phần 3.3.1) cũng tác động đáng kể đến kỹ năng dự báo cường độ bão [16]. Mặt khác khi tác giả so sánh sai số PMIN trong thử nghiệm MIX với sai số PMIN trong thử nghiệm CIMSS, tác giả nhận thấy thử nghiệm MIX có sai số PMIN nhỏ hơn so với sai số PMIN trong thử nghiệm CIMSS. Kết quả này phù hợp với những nhận định đưa ra trong phần 3.2, tức là ngoài tác động của thành phần đa vật lý đến kỹ năng dự báo cường độ, thì việc bổ sung thêm các thơng tin quan trắc vào trường ban đầu của mơ hình số cũng góp phần khơng nhỏ trong việc nâng cao chất lượng dự báo cường độ bão.

Tiếp theo tác giả xem xét khả năng dự báo PMIN của hệ thống WRF-LETKF thông qua tỷ số độ tán tổ hợp và sai số tuyệt đối (η). Bảng 3.2 thống kê các trường hợp dự báo hiệu quả (η>1) trong hai thử nghiệm MIX và CIMSS. Tác giả Kiều và cộng sự (2013) [23] đã chứng minh rằng, khi áp dụng phương pháp đa vật lý để xác định sai số của mơ hình thì độ tán tổ hợp rộng hơn so với độ tán tổ hợp trong trường hợp xác định sai số mơ hình bằng phương pháp tăng cấp nhân, và do đó nâng cao được hiệu quả dự báo quỹ đạo cũng như cường độ bão. Và trên thực tế, nếu độ tán tổ hợp đủ rộng sẽ phủ được giá trị thật, và vì vậy kết quả dự báo sẽ chính xác [45].

Căn cứ vào tỷ số η, cho thấy trong 9 trường hợp dự báo thử nghiệm, có 6 trường hợp dự báo PMIN hiệu quả trong thử nghiệm MIX ở hạn dự báo 4 ngày, cịn trong thử nghiệm CIMSS thì chỉ có 1 trường hợp dự báo hiệu quả. Trong khi ở các hạn dự báo 2 ngày, 3 ngày và 5 ngày số trường hợp dự báo hiệu quả trong hai thử nghiệm MIX và CIMSS là tương đương nhau.

Hình 3.12. Trung bình sai số tuyệt đối áp suất mực biển cực tiểu, MIX (màu đen),

CIMSS (màu xám), và CTL (màu xám nhẹ).

Bảng 3.2. Thống kê các trường hợp hệ thống WRF-LETKF dự báo áp suất mực

biển cực tiểu hiệu quả trong hai thử nghiệm CIMSS và MIX

Hạn dự báo (giờ) CIMSS (trƣờng hợp) MIX (trƣờng hợp) 24-h 5 7 48-h 6 6 72-h 9 9 96-h 1 6 120-h 4 3

Như vậy, qua việc khảo sát tỷ số độ tán và sai số tuyệt đối cho thấy, hệ thống WRF-LETKF có khả năng dự báo PMIN tốt ở tất cả các hạn dự báo, nhất là khi đồng hóa số liệu hỗn hợp số liệu vệ tinh và cao khơng thì hệ WRF-LETKF có kỹ năng dự báo hiệu quả ở các hạn dự báo dài hơn 3 ngày.

0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 00-h 12-h 24-h 36-h 48-h 60-h 72-h 84-h 96-h 108-h 120-h sai số áp su ất m ực b iển cực tiể u (hP a) Hạn dự báo (giờ)

b) Khả năng dự báo tốc độ gió cực đại gần tâm

Đối với tốc độ gió bề mặt cực đại (VMAX), ở một số hạn dự báo, trung bình sai số tuyệt đối trong thử nghiệm MIX và thử nghiệm CIMSS đa số là nhỏ hơn so với thử nghiệm CTL (hình 3.13). Kết quả này cũng phù hợp với các kết quả đưa ra ở mục 3.2, nghĩa là hệ thống tổ hợp tổ hợp WRF-LETKF có kỹ năng dự báo VMAX tương đối tốt. Vì hệ thống WRF-LETKF đã hiệu chỉnh sai số mơ hình bằng phương pháp đa vật lý, hơn nữa những cải thiện trong dự báo quỹ đạo bão cũng là một nhân tố giúp nâng cao kỹ năng dự báo VMAX [16]. Tuy nhiên, ở một số hạn dự báo như 12 giờ, 84 giờ và 108 giờ, sai số VMAX trong thử nghiệm CTL lại nhỏ hơn so với 2 thử nghiệm MIX và CIMSS. Kết quả này có thể là do độ phân giải của mơ hình (12 km) chưa đủ tinh để có thể mơ phỏng được cấu trúc của bão. Ngoài ra, cũng do số trường hợp thử nghiệm cịn ít (9 trường hợp), nên chưa có một đánh giá toàn diện về khả năng dự báo VMAX của hệ thống WRF-LETKF.

Xét trong 12 giờ tích phân đầu tiên, VMAX (hình 3.13) và PMIN (hình 3.12) trong các thử nghiệm CIMSS, MIX và CTL đều có sai số lớn, sai số này là do xoáy ban đầu trong số liệu dự báo tồn cầu yếu [16], do đó phải mất một thời gian nhất định xốy mới có thể phát triển phù hợp với cơ chế động lực thực tế của bão. Điều này phù hợp với những nghiên cứu trước đây về tầm quan trọng của ban đầu hóa xốy trong dự báo xốy thuận nhiệt đới [5, 19, 8, 20, 25]. Còn sai số VMAX trong thử nghiệm MIX cũng thấp hơn hoặc cao hơn sai số VMAX trong thử nghiệm CIMSS ở một số hạn dự báo. Nhưng nhìn chung, trong dự báo cường độ thử nghiệm MIX vẫn có những ưu điểm nhất định.

Tiếp theo, để đánh giá khả năng dự báo VMAX của hệ thống WRF-LETKF, tác giả dựa vào tỷ số giữa độ tán tổ hợp và sai số tuyệt đối dự báo (η) tương tự khi đánh giá khả năng dự báo PMIN của hệ thống WRF-LETKF. Bảng 3.3 thống kê các trường hợp hệ thống WRF-LETKF dự báo VMAX hiệu quả (có tỷ số η>1).

Hình 3.13. Trung bình sai số tuyệt đối gió bề mặt cực đại trong đó sai số, MIX

(màu đen); CIMSS (màu xám); và CTL (màu xám nhẹ).

Bảng 3.3. Thống kê các trường hợp hệ thống WRF-LETKF dự báo tốc độ gió bề

mặt cực đại hiệu quả trong hai thử nghiệm CIMSS và MIX

Hạn dự báo (giờ) CIMSS (trƣờng hợp) MIX (trƣờng hợp) 24-h 4 6 48-h 9 9 72-h 5 5 96-h 1 4 120-h 4 2

Từ bảng 3.3 ta thấy, ở hạn dự báo từ 1 đến 3 ngày thử nghiệm MIX và CIMSS có số trường hợp dự báo hiệu quả là bằng nhau, trong khi ở hạn dự báo 4 ngày, thử nghiệm MIX có 4 trường hợp dự báo hiệu quả, cịn thử nghiệm CIMSS chỉ có 1 trường hợp dự báo hiệu quả. Còn ở hạn dự báo 5 ngày, CIMSS lại cho số trường hợp dự báo hiệu quả nhiều hơn so với thử nghiệm MIX (bảng 3.3).

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 00-h 12-h 24-h 36-h 48-h 60-h 72-h 84-h 96-h 108-h 120-h sai số tốc đ ộ gió b ề m ặt c ực đ ại (m /s) hạn dự báo (giờ)

Về cơ bản, do trong thử nghiệm MIX và thử nghiệm CIMSS, cấu hình tổ hợp của hệ thống WRF-LETKF là như nhau, nên sự khác biệt trong kết quả dự báo của hai thử nghiệm này chỉ do việc bổ sung số liệu cao khơng vào q trình đồng hóa số liệu vệ tinh (MIX). Mặt khác, do số trường hợp thử nghiệm cịn ít, nên chưa thể đưa ra một kết luận đầy đủ về khả năng dự báo VMAX của hệ thống WRF-LETKF. Nhìn chung hệ thống WRF-LETKF có kỹ năng dự báo VMAX tốt hơn so với hệ thống WRF khơng có đồng hóa số liệu.

Như vậy, sau khi xem xét đồng thời sai số trung bình tuyệt đối (MAE) và tỷ số giữa độ tán tổ hợp và trung bình sai số tuyệt đối (η), cho ta thấy mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF (thử nghiệm CIMSS và MIX) thể hiện kỹ năng dự báo quỹ đạo bão khá tốt so với mơ hình WRF khơng đồng hóa số liệu (thử nghiệm CTL). Đặc biệt, khi đồng hóa đồng thời số liệu gió vệ tinh và số liệu cao khơng, thì kết quả dự báo quỹ đạo bão được cải thiện đáng kể so với thử nghiệm chỉ đồng hóa số liệu vệ tinh. Cịn đối với dự báo cường độ bão, hệ thống WRF-LETKF cho kết quả dự báo PMIN tốt hơn so với VMAX. Tuy nhiên, do độ phân giải cịn thơ (12 km), nên chưa thể chi tiết được cấu trúc của bão, do vậy kết quả dự báo cường độ cịn có những hạn chế nhất định. Nhưng xét trên tổng thể, hệ thống WRF-LETKF cũng nâng cao đáng kể chất lượng dự báo cường độ bão.

KẾT LUẬN

Từ các kết quả phân tích trong chương 3, luận văn có thể rút ra được một số kết luận sau:

Qua các thử nghiệm khảo sát số thành phần tổ hợp, kết quả cho thấy số thành phần tổ hợp tối ưu trong sơ đồ LETKF bằng với số kết hợp khác nhau của các sơ đồ vật lý có trong mơ hình. Cụ thể, trong mơ hình WRF, có 24 sự kết hợp giữa các sơ đồ vật lý với nhau (sơ đồ vi vật lý, sơ đồ tham số hóa đối lưu, sơ đồ tham số hóa lớp

biên hành tinh...v.v.). Như vậy khi số thành phần tổ hợp dao động từ 20 đến 25

thành phần tổ hợp đa vật lý thì bộ lọc Kalman tổ hợp địa phương hóa biến đổi phát huy được tác dụng tối đa.

Kết quả của các thử nghiệm khảo sát vai trò của bộ số liệu hỗn hợp (vệ tinh + cao khơng) đồng hóa bởi sơ đồ đồng hóa LETKF trong dự báo cường độ và quỹ đạo cơn bão Megi 2010. Kết quả cho thấy khi đồng hóa thêm số liệu cao khơng vào q trình đồng hóa gió vệ tinh, hay các thông tin quan trắc được bổ sung thêm vào trường ban đầu của mơ hình, đã giúp cải thiện hồn lưu qui mơ lớn – dịng mơi trường, kết quả bước đầu cho thấy số liệu cao khơng cũng có vai trị đáng kể trong việc hiệu chỉnh dịng mơi trường và cải thiện kỹ năng dự báo quỹ đạo và cường độ bão. Như vậy, ngoài tác động của các thành phần tổ hợp đa vật lý, cường độ bão còn chịu ảnh hưởng của các thông tin quan trắc được bổ sung trong trường đầu vào của mơ hình.

Ngồi ra kết quả đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo và cường độ bão của mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF dựa vào kết quả của 9 trường hợp dự báo quỹ đạo và cường độ bão cơn bão Megi 2010 cho thấy sai số dự báo quỹ đạo bão giảm đáng kể trong thử nghiệm MIX, đặc biệt là ở các hạn dự báo dài hơn 3 ngày. Trong khi thử nghiệm CIMSS cho sai số dự báo quỹ đạo lớn hơn so với thử nghiệm MIX nhưng lại nhỏ hơn so với thử nghiệm CTL, kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về khả năng nâng cao chất lượng dự báo quỹ đạo bão khi đồng hóa số liệu vệ tinh bằng lọc Kalman tổ hợp [22]. Như vậy, sơ đồ LETKF đồng

hóa đồng thời 2 loại số liệu vệ tinh và cao khơng đã giúp mơ hình WRF cải thiện đáng kể kết quả dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày.

Đối với dự báo cường độ, qua kết quả thống kê của 9 trường hợp thử nghiệm cho thấy, dự báo PMIN trong thử nghiệm MIX hiệu quả hơn trong thử nghiệm CIMSS, với đa số sai số dự báo PMIN của thử nghiệm MIX nhỏ hơn đáng kể so với sai số PMIN trong thử nghiệm CIMSS ở hầu hết các hạn dự báo. Như vậy, số liệu quan trắc được bổ sung trong đầu vào của mơ hình có tác động tích cực đến kỹ năng dự báo PMIN. Nhưng đối với VMAX, tùy từng hạn dự báo mà thử nghiệm MIX hay thử nghiệm CIMSS dự báo VMAX hiệu quả. Tuy nhiên, những đánh giá trên chỉ dựa vào 9 trường hợp thử nghiệm, nên chưa thể đưa ra kết luận đầy đủ về khả năng dự báo cường độ bão của mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF. Nhưng bước đầu ta có thể khẳng định, sơ đồ LETKF đồng hóa đồng thời số liệu vệ tinh và cao khơng có ảnh hưởng nhất định đến kỹ năng dự báo cường độ bão hạn 5 ngày của mơ hình WRF. Để có kết luận đầy đủ hơn về khả năng dự báo cường độ bão của mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF, thì cần một chuỗi các thử nghiệm dự báo bão hạn 5 ngày dài hơn (có thể là các cơn bão trong 2 đến 3 mùa bão).

Như vậy, mơ hình WRF với sơ đồ đồng hóa LETKF có kỹ năng dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày cao, trong khi kỹ năng dự báo cường độ bão được cải thiện đáng kể so với mơ hình WRF (khơng có đồng hóa số liệu). Tuy nhiên, ở các thời điểm tích phân 12 giờ đầu tiên, kết quả dự báo cường độ của mơ hình WRF khi có đồng hóa chênh lệch khá nhiều so với quan trắc (hình 3.12, hình 3.13). Kết quả này cho thấy, sơ đồ LETKF góp phần nâng cao kỹ năng dự báo cường độ trong các hạn dự báo từ 2 ngày đến 5 ngày của mơ hình WRF, nhưng không khắc phục được trường xốy ban đầu yếu của mơ hình tồn cầu hay đồng hóa số liệu chỉ có tác dụng cải thiện dịng mơi trường và có tác động đáng kể đến kết quả dự báo cường độ, còn khơng có tác dụng làm trường xốy ban đầu mạnh lên, cho dù số liệu quan trắc cao không được bổ sung vào q trình đồng hóa số liệu vệ tinh.

PHỤ LỤC

Hệ thống WRF-LETKF về cơ bản có sơ đồ khối như hình 1.1. Tuy nhiên hệ thống này được điều khiển bởi một hệ thống các script tự động, được lập trìn bằng vỏ Shell. Các script này được liệt kê trong bảng dưới đây:

Tên script Chức năng Ghi chú

runobs.sh Kiểm tra chất lượng các loại số liệu quan trắc trước khi đưa vào đồng hóa, và định dạng lại số liệu quan trắc sao cho phù hợp với định dạng đầu vào của chương trình letkf.f90. Ngồi ra trong runobs.sh,

cịn gọi các chương trình fortran thực thi như: sounding_to_litter.f90, cimss_to_litter.f90, obsproc.f90, wrf3dvar_to_letkf.f90, obs.f90

Có 3 lựa chọn, obsmode=”CIMSS or

RADS or REAN or MIX”

(MIX) mới được bổ sung.

runmain.sh Chạy các thành phần tiền xử lỹ của mơ hình WRF, chạy hệ thống đồng hóa LETKF. Và cuối cùng là tích phân mơ hình dự báo.

Trong script này lần lượt gọi các script con: runwps.sh; runreal.sh; runini.sh; nlist_wrf.sh; func_cal_time.sh; runcolds.sh; runletkf.sh Có 3 lựa chọn, runmode=”REAL_TIME or EXP_REAL or EXP_REAN”

Hình P1. Sơ đồ khối cho script runobs.sh

Trong đó:

- obsmode là chế độ chạy runobs.sh với các số liệu quan trắc (2 chế độ quan trắc

khác được hỗ trợ bởi hệ thống bao gồm số liệu cao khơng RADS và số liệu tái phân tích AVN/FNL và số liệu hỗn hợp cao không và vệ tinh).

- check_f: điều kiện kiểm tra có tồn tại file số liệu vệ tinh CIMSS yyyymmddhhmm.txt.

Chương trình thực thi chính bằng ngơn ngữ FORTRAN được gọi trong runobs.sh .

T T T F F F start Get enviroment Get date/time Check date/time obsmode Check_f cimss_to_littler.exe end

Hình P2. Sơ đồ khối cho script runmain.sh

Trong đó:

- get physics option: Lấy thơng số vật lý cụ thể và đưa vào namelist.input.

start

set environment, domain cold_start= “COLD” cold_start=“COLD” T F ./runwps.sh; ./runreal.sh ./runini.sh cold_start= “WARM” end ie ≤ ne opt_physics=“YES” T ./runobs.sh ./runletkf.sh ie = 1 ./da_update_bc.exe

get physics option ./nlist_wrf.sh ie = ie + 1 ie = 1; ne; ./wrf.exe backup wrfout made bgd display results T F F

- backup wrfout: Lưu kết quả dự báo của wrf ứng với từng thành phần tổ