bão hạn 5 ngày
Trong phần này tác giả sẽ khảo sát vai trò của bộ số liệu hỗn hợp (vệ tinh+ cao khơng) được đồng hóa bởi sơ đồ LETKF ứng dụng trong mơ hình WRF dự báo bão hạn 5 ngày với 21 thành phần tổ hợp.
Trong dự báo tất định, tác giả tiến hành dự báo cơn bão Megi hạn 5 ngày với các thời điểm bắt đầu dự báo là 12 giờ ngày 15, 00 giờ và 12 giờ ngày 16 và ngày 17, 00 giờ ngày 18 tháng 10 năm 2010. Trong chuỗi thử nghiệm trên, sai số quỹ đạo bão hạn 5 ngày trong trường hợp lúc 00 giờ ngày 18 là 340 km trường hợp có sai số lớn nhất (Hình 3.2) và lệch đơng so với quỹ đạo thực. Sai số dự báo lớn trong trường hợp CTL là do dịng mơi trường qui mơ lớn khơng được mơ phỏng tốt trong mơ hình dự báo và một phần do sai số nội tại của mơ hình như đã chỉ ra trong nghiên cứu của tác giả Kiều và cộng sự 2012 [22]. Cịn độ lệch đơng của quỹ đạo dự báo so với quỹ đạo thực là đặc điểm chung của sản phẩm dự báo trong hầu hết các mơ hình dự báo tồn cầu [33].
Hình 3.2. Quỹ đạo cơn bão Megi quan trắc (màu đen ) và dự báo tất định với thời
điểm bắt đầu dự báo lúc 12z15 ( màu đỏ); 00z16 (xanh lá cây); 12z16 (xanh dương); 00z17 (xanh da trời); 12z17 (màu hồng); và 00z18 (màu vàng).
Như vậy, để giảm sai số dự báo quỹ đạo bão cần hiệu chỉnh lại dịng mơi trường qui mô lớn thông qua việc bổ sung các thông tin quan trắc vào trường ban đầu của mơ hình. Vấn đề này sẽ được thực hiện được trong việc đồng hóa đồng thời số liệu vệ tinh và số liệu cao không.
Về cường độ bão của trường hợp CTL được thể hiện qua giá trị áp suất cực tiểu tại tâm bão (PMIN) và tốc độ gió bề mặt cực đại (VMAX) trên hình 3.3.
Từ hình 3.3 cho thấy khoảng 12 giờ đầu tiên, chênh lệch giữa giá trị PMIN dự báo và quan trắc lớn. Đối với giá trị VMAX cũng tương tự, điều này là do xoáy ban đầu được dự báo từ mơ hình tồn cầu là thiên thấp khá nhiều so với quan trắc, cụ thể ở Biển Tây Bắc Thái Bình Dương kết quả dự báo cường độ trung bình của mơ hình tồn cầu thấp hơn từ 30% đến 35% so với quan trắc [16]. Từ hạn dự báo 2 ngày đến các hạn dự báo dài hơn, thì kết quả dự báo cường độ của trường hợp CTL phản ánh sự mạnh lên cũng như yếu đi của bão không rõ, cụ thể ở hình 3.3 trong thời điểm bão đổi hướng và mạnh lên nhưng biến trình của PMIN giảm nhẹ cịn VMAX tăng lên khơng đáng kể. Kỹ năng dự báo cường độ kém trong trường hợp CTL đã được khắc phục phần nào khi đồng hóa số liệu vệ tinh (CIMSS) bằng lọc Kalman tổ hợp ở hạn dự báo 3 ngày [22]. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu của tác giả Kiều và cộng sự 2012 cho rằng kết quả dự báo cường độ được cải thiện dường như liên quan nhiều đến việc sử dụng các thành phần tổ hợp đa vật lý [22]. Do vậy trong luân văn này tác giả xem xét việc bổ sung số liệu cao khơng vào q trình đồng hóa số liệu vệ tinh bằng Kalman tổ hợp có giúp ích gì cho kỹ năng dự báo cường độ cơn bão Megi.
Hình 3.3. Biến trình PMIN (a) và VMAX (b), quan trắc (OBS-màu đỏ) và dự báo tất
định (CTL-màu xanh dương), với thời điểm bắt đầu dự báo lúc 00 giờ (UTC) ngày 18 tháng 10 năm 2010.
3.2.2 Các thử nghiệm dự báo với sơ đồ đồng hóa LETKF
Hình 3.4 chỉ ra kết quả dự báo quỹ đạo cơn bão Megi từ thử nghiệm CIMSS và thử nghiệm MIX với thời điểm bắt đầu dự báo lúc 00 giờ (UTC) ngày 18/10/2010. Qua đó cho thấy trong cả 2 trường hợp quỹ đạo bão đều giảm độ lệch đơng và có sai số nhỏ hơn so với thử nghiệm CTL. Trong đó thử nghiệm CIMSS sau hạn dự báo 3 ngày, quỹ đạo bão lệch về phía tây so với quỹ đạo thực và có sai số quỹ đạo hạn dự báo 5 ngày là 259 km. Còn quỹ đạo bão trong thử nghiệm MIX sau khi đổi hướng, quỹ đạo bão gần như song song với quỹ đạo thực với sai số quỹ đạo hạn 5 ngày là 179 km. Tuy nhiên, ở hạn dự báo 3 ngày sai số quỹ đạo trong thử nghiệm CIMSS nhỏ hơn so với sai số quỹ đạo trong thử nghiệm MIX. Như vậy, với số liệu vệ tinh được đồng hóa trong hệ thống LETKF có thể giúp cải thiện kỹ năng dự báo quỹ đạo ở hạn 3 ngày, kết quả này phù hợp với nghiên cứu trước đây [22]. Hơn nữa, số liệu quan trắc ở ngồi rìa xa tâm bão cũng tác động tích cực đến kỹ năng dự báo bão [22]. Do vậy số liệu cao không tuy chỉ phân bố trên đất liền nhưng ngồi trường gió cịn có trường nhiệt và ẩm, nên việc bổ sung thêm số liệu cao khơng vào q trình đồng hóa số liệu vệ tinh có thể tác động đến kết quả dự báo quỹ đạo bão ở
hạn 5 ngày. Để làm sáng tỏ điều này, tác giả so sánh sự khác biệt trong dịng mơi trường quy mô lớn giữa thử nghiệm CIMSS và thử nghiệm MIX.
Do phần lớn quỹ đạo bão trong vùng Tây Bắc Thái Bình Dương được quyết định bởi sự tranh chấp giữa rãnh vĩ độ trung bình trên miền trung Trung Quốc đến phía đơng của cao ngun Tây Tạng và áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương nên trong phần này tác giả xem xét sự khác biệt của áp cao cận nhiệt đới Tây Thái Bình Dương cũng như rãnh ở miền trung của Trung Quốc trong 2 thử nghiệm CIMSS và MIX. Ngoài ra, do quỹ đạo bão trong thử nghiệm CIMSS lệch tây so với quỹ đạo thực sau hạn dự báo 3 ngày, trong khi quỹ đạo bão trong thử nghiệm MIX vẫn lệch đông so với quỹ đạo thực. Vì vậy, sự khác biệt về dịng mơi trường giữa 2 thử nghiệm CIMSS và MIX sẽ thấy rõ nhất ở hạn dự báo dài hơn 3 ngày.
Hình 3.5 biểu diễn trường độ cao địa thế vị mực 500 hPa trong thử nghiệm CIMSS và MIX tại các thời điểm dự báo từ hạn 3 ngày trở đi. Từ hình 3.5 cho thấy, thử nghiệm CIMSS mơ phỏng ảnh hưởng của áp cao cận nhiệt đới Tây Thái Bình Dương lấn về phía tây nhiều hơn so áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương trong thử nghiệm MIX. Cụ thể, lúc 12 UTC 22 và 00 UTC 23 sống của đường đẳng cao 580 đạt tới kinh tuyến 1270E ở thử nghiệm CIMSS, trong khi đó sống của đường đẳng cao này chỉ đạt tới kinh tuyến 1300
E trong thử nghiệm MIX. Như vậy sự mở rộng hoạt động của áp cao Tây Thái Bình Dương sang phía tây trong thử nghiệm CIMSS tác động trực tiếp đến hướng di chuyển và tốc độ di chuyển của bão làm cho quỹ đạo bão trong thử nghiệm CIMSS lệch về phía tây so với quỹ đạo thực. Ngược lại, trong thử nghiệm MIX, áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương khơng lấn nhiều về phía tây so với thử nghiệm CIMSS, nên quỹ đạo của bão vẫn giữ được độ lệch đông so với quỹ đạo thực. Cịn trong thử nghiệm CTL, thì từ hạn dự báo 3 ngày trở đi khơng cịn thể hiện ảnh hưởng của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương (khơng chỉ ra ở đây). Điều này giải thích cho độ lệch đơng lớn của quỹ đạo bão trong thử nghiệm CTL (hình 3.4). Ngồi ra, hoạt động của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương cịn được thể hiện rõ hơn ở mực 200 hPa (hình 3.6).
Hình 3.4. Kết quả dự báo quỹ đạo (a) và cường độ cơn bão Megi (PMIN - b,VMAX
- c) trong thử nghiệm MIX (hình phải) và thử nghiệm CIMSS (hình trái); với trung bình tổ hợp (màu tím), quan trắc (màu đen), các thành phần tổ hợp (đường mảnh
màu tím). Bắt đầu dự báo lúc 00 giờ ngày 18/10/2010.
a)
b)
Hình 3.5. Trường độ cao địa thế vị mực 500 hPa, CIMSS (hình trái) và MIX (hình
phải), với (a) 00 UTC 22; (b) 12 UTC 22; và (e) 00 UTC 23. Và trường gió ở mực tương ứng.
Hình 3.6. Bản đồ đường dịng mực 200 hPa trong thử nghiệm CIMSS (hình trái) và
thử nghiệm MIX (hình phải), với (a) 00 UTC 22, (b) 12 UTC 22, và (c) 00 UTC 23. Và độ lớn tốc độ gió ở mực tương ứng
Ở mực 200 hPa, áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương trong thử nghiệm CIMSS mạnh và lấn sang phía tây nhiều so với thử nghiệm MIX tương tự như ở mực 500 hPa, thể hiện qua đường dịng dày xít và sự mở rộng của áp cao (hình 3.6). Đồng thời, ở mực 200 hPa chúng ta thấy rõ ảnh hưởng của rãnh gió tây đang lấn sâu về phía nam trong cả thử nghiệm CIMSS và MIX. Tuy nhiên, rãnh gió tây trong thử nghiệm MIX lấn về phía đơng nam nhiều hơn so với thử nghiệm CIMSS, cụ thể từ lúc 00 UTC 22, rãnh gió tây trong thử nghiệm MIX liên tục lấn về phía đơng nam, xuống gần vĩ độ 150N và kinh tuyến 1100E, trong khi rãnh gió tây trong thử nghiệm CIMSS chỉ đạt tới vĩ độ 180N và kinh tuyến 1070E. Đến thời điểm 12 UTC 22 và 00 UTC 23, rãnh gió tây này dường như rút lui lên phía bắc, trong thử nghiệm MIX sự rút lui này chậm hơn và vẫn còn ảnh hưởng đến vĩ độ 170N, cịn thử nghiệm CIMSS rãnh gió tây rút lui về phía bắc nhiều hơn đến tận vĩ độ 200N (hình 3.6). Chính vì sự ảnh hưởng của rãnh gió tây trên cao này dường như góp phần làm giảm độ lệch tây của quỹ đạo dự báo so với quỹ đạo thực trong thử nghiệm MIX.
Trong dự báo cường độ, hình 3.4b, 3.4c cho thấy cường độ dự báo trung bình tổ hợp mạnh lên đáng kể trong cả 2 thử nghiệm CIMSS và MIX so với thử nghiệm CTL. Một điều dễ thấy là các dự báo thành phần được phân đôi (cường độ mạnh và yếu) bắt đầu sau 24 giờ dự báo đầu tiên. Trong đó các thành phần tổ hợp cho kết quả dự báo cường độ cao hơn có điểm chung là sự tham gia của sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch (kết hợp với các sơ đồ vi vật lý, bức xạ … khác nhau), cịn ½ thành phần tổ hợp cho dự báo cường độ yếu hơn là có sự hiện diện của sơ đồ tham số hóa đối lưu BMJ. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của tác giả Kiều và cộng sự 2012 [22] và các nghiên cứu trước đây về độ nhạy dự báo cường độ xoáy thuận nhiệt đới và dự báo mưa lớn [14]. Ngồi ra, ta có thể thấy cường độ trung bình tổ hợp trong thử nghiệm MIX mạnh lên đáng kể so với thử nghiệm CIMSS từ lúc 12 UTC ngày 20 trở đi. Sự tăng lên đáng kể trong dự báo cường độ của thử nghiệm MIX sẽ được thấy rõ hơn ở hình 3.7.
Trên hình 3.7, biến trình của PMIN cũng như VMAX trong các thử nghiệm tổ hợp thể hiện được sự mạnh lên và yếu đi của bão rõ hơn so với thử nghiệm CTL.
Đối với VMAX cũng có biến trình tương tự, nghĩa là có xu hướng tăng rõ rệt khi bão mạnh lên và xu hướng giảm rõ rệt khi bão yếu đi. Nhưng điểm cần quan tâm ở đây là sự khác biệt trong dự báo cường độ giữa 2 thử nghiệm CIMSS và MIX. Một điều dễ thấy, trước hạn dự báo 3 ngày thì biến trình PMIN và VMAX trong thử nghiệm CIMSS và MIX chênh lệch ít. Kết quả này có thể là vì ở hạn dự báo 3 ngày và trước hạn dự báo 3 ngày ảnh hưởng của số liệu cao không dường như không nhiều. Hơn nữa việc cải thiện trong dự báo cường độ dường như liên quan nhiều đến các thành phần tổ hợp đa vật lý [22]. Nhưng sau hạn dự báo 3 ngày ta thấy cường độ bão trung bình tổ hợp (PMIN và VMAX) trong thử nghiệm MIX tăng nhẹ và có xu thế và độ lớn gần với giá trị quan trắc hơn so với thử nghiệm CIMSS (hình 3.7). Mặc dù trong cả 2 thử nghiệm CIMSS và MIX đêù khơng có ban đầu hóa xốy (cài xốy giả) và nhược điểm của các quá trình vật lý trong mơ hình được khắc phục bằng việc sử dụng các thành phần tổ hợp đa vật lý, nhưng thử nghiệm MIX cho thấy dự báo cường độ tốt hơn so với dự báo cường độ trong thử nghiệm CIMSS ở các hạn dự báo dài. Như vậy, liệu số liệu nhiệt và ẩm trong số liệu cao không đã tác động đến kỹ năng dự báo cường độ cũng như quỹ đạo của cơn bão Megi.
Để phân biệt vai trò nhiệt, ẩm trong số liệu cao không đến kỹ năng dự báo cường độ và quỹ đạo bão, tác giả tiến hình một thử nghiệm khác, trong đó số liệu nhiệt, ẩm của số liệu cao không được loại bỏ hoàn toàn, chỉ giữ lại số liệu gió và đồng hóa đồng thời gió vệ tinh và gió cao khơng dự báo cơn bão Megi hạn 5 ngày (ký hiệu: MIXNO).
Kết quả trong thử nghiệm MIXNO được đưa ra trong hình 3.8. Nhìn chung, quỹ đạo dự báo trong thử nghiệm MIXNO có hướng di chuyển và độ lệch đông gần tương đồng so với thử nghiệm MIX, nhưng sai số quỹ đạo ở các hạn dự báo 3 ngày, 4 ngày và 5 ngày là 140 km, 206 km và 190 km lớn hơn so với sai số quỹ đạo trong thử nghiệm MIX nhưng độ lớn sai số này chênh lệch không nhiều chỉ khoảng 5-6 km, nên dịng mơi trường ở mực 500 hPa thay đổi không nhiều giữa 2 thử nghiệm MIX và MIXNO (không được chỉ ra ở đây). Tuy nhiên, ở mực 200 hPa ta có thể thấy rõ ảnh hưởng của rãnh gió tây trong thử nghiệm MIXNO lấn về phía đơng nam
nhiều hơn so với rãnh gió tây trong thử nghiệm MIX (hình 3.9), do đó làm quỹ đạo bão trong thử nghiệm MIXNO lệch đông nhiều hơn so với quỹ đạo bão trong thử nghiệm MIX, vì vậy có sai số quỹ đạo lớn. Nhưng sai số quỹ đạo trong thử nghiệm MIXNO nhỏ hơn so với sai số quỹ đạo trong thử nghiệm CIMSS ở hạn 5 ngày (259 km). Kết quả này cho thấy, việc bổ sung thêm gió của số liệu cao không vào q trình đồng hóa đã cải thiện phần nào kết quả dự báo quỹ đạo cơn bão Megi ở hạn 5 ngày. Còn cường độ bão trong thử nghiệm MIXNO tăng nhẹ so với cường độ bão trong thử nghiệm MIX (hình 3.10).
Hình 3.7. Tương tự hình 3.3, thêm 2 biến trình cho CIMSS (xanh lá cây) và MIX
Hình 3.8. Tương tự như hình 3.4 cho quĩ đạo dự báo, trong thử nghiệm đồng hóa
đồng thời gió vệ tinh và gió cao khơng (MIXNO – hình bên trái), và thử nghiệm đồng hóa đồng thời số liệu vệ tinh và cao khơng (MIX – hình bên phải).
Hình 3.9. Tương tự như hình 3.6, MIXNO (hình trái) và MIX (hình phải), (a) 00
Hình 3.10. Tương tự hình 3.3, 3 biến trình cho CIMSS (xanh lá cây); MIX (màu
tím); và MIXNO (xanh da trời)
Hình 3.10 cho thấy, biến trình PMIN và VMAX trong thử nghiệm MIXNO thay đổi một chút so với biến trình PMIN và VMAX trong thử nghiệm MIX. Nhưng ở một số thời điểm thử nghiệm MIXNO dự báo cường độ bão mạnh lên nhẹ so với thử nghiệm MIX, đặc biệt là ở hạn dự báo 1 ngày, 2 ngày và 3 ngày. Như vậy ở các hạn dự báo ngắn số liệu cao không vẫn tác động đến kết quả dự báo bão, đặc biệt là dự báo cường độ. Tuy nhiên về độ lớn, thì PMIN và VMAX trong thử nghiệm MIX vẫn gần với giá trị quan trắc hơn so với PMIN và VMAX trong thử nghiệm MIXNO ở các hạn dự báo ngắn. Còn đối với các hạn dự báo dài hơn 3 ngày, kết quả dự báo cường độ trong thử nghiệm MIXNO và MIX không khác nhau nhiều cả về xu thế lẫn độ lớn (hình 3.10).
Như vậy, trong phần này tác giả đã khảo sát vai trò của bộ số liệu hỗn hợp cao không và vệ tinh trong dự báo quỹ đạo và cường độ cơn bão Megi. Các kết quả phân tích cho thấy, khi đồng hóa bộ số liệu hỗn hợp bằng lọc Kalman tổ hợp địa phương hóa biến đổi ứng dụng trong mơ hình WRF, đã cho phép cải thiện dịng mơi trường qui mô lớn, cụ thể là áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương và rãnh gió tây trên cao (mực 200 hPa). Áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương được tăng cường sau khi đồng hóa số liệu hỗn hợp, tuy nhiên bị hạn chế phát triển sang phía tây so