3.2.1 Mơ hình dự báo thời tiết WRF-LETKF
Mơ hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF là một trong những mô hình khí tƣợng phổ biến hiện nay. Mơ hình này cho phép sử dụng các tùy chọn khác nhau đối với tham số hóa các q trình vật lý, nhƣ tham số hóa bức xạ, tham số hóa lớp biên hành tinh, tham số hóa đối lƣu mây tích, khuyếch tán xốy rối quy mơ dƣới lƣới hay các quá trình vi vật lý khác. Mơ hình có thể sử dụng số liệu thực hoặc mô phỏng lý tƣởng với điều kiện biên xung quanh là biên tuần hoàn, mở, đối xứng.
Hiện tại WRF có hai phiên bản là phiên bản nghiên cứu nâng cao ARW sử dụng lƣới C và phiên bản quy mô vừa phi thủy tĩnh NMM sử dụng lƣới E. Trong luận văn này, tác giả sử dụng phiên bản ARW làm cơng cụ nghiên cứu. Mơ hình này bao gồm một lõi động lực ARW lƣới C và các thành phần vật lý khác. Mơ hình WRF đƣợc đánh giá là một mơ hình khá hồn thiện về hệ thống vật lý, mơ phỏng lý tƣởng hóa cùng với q trình đồng hóa chi tiết. Mơ hình WRF gồm hai bộ phận chính:
+ Bộ phận mô phỏng
Bộ phận xử lý đầu tiên sẽ thực hiện nội suy ngang và thẳng đứng số liệu các trƣờng khí tƣợng: độ cao địa thế vị (H), các thành phần gió ngang (u,v), độ ẩm tƣơng đối (RH), nhiệt độ (T), từ lƣới mơ hình tồn cầu NCEP hoặc ECMWF cũng nhƣ nội suy số liệu địa hình (Topography), loại đất (soil texture), lớp phủ thực vật (vegetation)…về lƣới của mô hình. Sau đó, bộ phận mơ phỏng của mơ hình WRF sẽ thực hiện tích phân hệ các phƣơng trình với các tham số đầu vào đó đƣợc xác định nhƣ: miền tính, độ phân giải, bƣớc thời gian.v.v…bộ phận xử lý cuối cùng sẽ sử dụng các phần mềm đồ họa (GRADS) để hiển thị các kết quả dự báo của mơ hình.
Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống của mơ hình WRF
Để tiến hành thí nghiệm, trong luận văn này sử dụng mơ hình dự báo thời tiết WRF phiên bản 3.2 kết hợp với lọc Kalman tổ hợp đƣợc gọi là mơ
hình WRF-LETKF thiết kế bởi Phịng Thí nghiệm Dự báo Thời tiết và Khí hậu. Mơ hình WRF-LETKF đƣợc phát triển theo quy trình ứng dụng nghiệp vụ chuẩn với tất cả các quá trình vào ra, cập nhật số liệu, xử lý đồng hóa, kiểm tra chất lƣợng, tạo điều kiện biên tổ hợp, và dự báo tổ hợp đƣợc tiến hành một cách tự động và đồng bộ hóa theo thời gian thực. Sơ đồ thiết kế hệ thống đƣợc biểu diễn minh họa hình 3.5 [1].
Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp WRF-LETKF
Theo sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp WRF-LETKF, số liệu quan trắc đầu tiên sẽ đƣợc xử lý kiểm định chất lƣợng thông qua bộ chƣơng trình chuẩn WRFDA cho trong mơ hình WRF. Q trình kiểm định chất lƣợng này sẽ xác định các sai số cho các mực và các biến quan trắc tƣơng ứng. Số liệu quan trắc sau khi đƣợc kiểm định sẽ đƣợc kết hợp với số liệu dự báo tổ hợp hạn rất ngắn 12 giờ từ chu trình dự báo trƣớc để tạo ra một bộ các nhiễu phân tích thơng qua bộ lọc LETKF. Tại chu trình này, do số liệu dự báo toàn cầu GFS
Dự báo tổ hợp 12-h làm trƣờng nền Kiểm định chất lƣợng Quan trắc vệ tinh Nhiễu tổ hợp phân tích LETKF Cập nhật điều kiện ban đầu
WPS
Dự báo tồn cầu cho số
liệu GFS
Tổ hợp phân tích
biên WRFDA Mơ hình
WRF
đƣợc phát báo và tải về sẽ đƣợc chƣơng trình tiền xử lý và nội suy về lƣới mơ hình. Trƣờng dự báo GFS sau đó sẽ đƣợc cộng vào nhiễu tái phân tích tạo ra bởi lọc Kalman tổ hợp để tạo ra một tổ hợp các trƣờng phân tích cùng với điều kiện biên tƣơng ứng của các trƣờng phân tích này. Bộ các đầu vào và biên tạo ra trong bƣớc này sẽ đƣợc đƣa vào mơ hình WRF để dự báo thời tiết với hạn tùy ý. Song song với quá trình dự báo thời tiết đƣợc xác định trƣớc này, mơ hình WRF cũng sẽ lƣu trữ một tổ hợp các dự báo rất ngắn 12 giờ để làm trƣờng nền cho dự báo tiếp theo. Quá trình dự báo tổ hợp nhƣ trên đƣợc liên tục lặp lại đều đặn một ngày 2 lần (hoặc có thể lên đến 4 ngày nếu hệ thống tính tốn cho phép).
Các sơ đồ tham số hóa đối lƣu đƣợc sử dụng trong luận văn nhằm giải quyết các tác động quy mô dƣới lƣới nhƣ là quá trình đối lƣu/các đám mây nơng. Các sơ đồ này đƣợc dùng để biểu diễn thông lƣợng thẳng đứng do không giải quyết đƣợc vận chuyển của các dòng thăng và dòng giáng, và sự bù lại bên ngồi các đám mây. Chúng chỉ có tác dụng trong các cột riêng ở đó sơ đồ đƣợc khởi động và cung cấp nhiệt thẳng đứng và cấu trúc ẩm. Một vài sơ đồ bổ sung cung cấp xu hƣớng mây và trƣờng giáng thủy trong các cột, trong tƣơng lai các sơ đồ cũng có thể cung cấp xu hƣớng động lƣợng do vận chuyển đối lƣu.
Các tham số hóa mây đối lƣu về lý thuyết chỉ có giá trị cho các lƣới thơ (ví dụ lớn hơn 10 km), ở đó chúng cần để giải phóng ẩn nhiệt trên quy mô thời gian thực trong các cột đối lƣu. Đôi khi các sơ đồ này đƣợc tìm thấy có ích trong việc gây ra sự đối lƣu trong các lƣới 5 -10 km. Dƣới đây sẽ là một số lựa chọn trong mơ hình WRF.
Sơ đồ Kain-Fritsch đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là phiên bản cải tiến của sơ đồ KFS gốc trong mơ hình ETA. Giống nhƣ KFS phiên bản gốc, phiên bản hiện tại vẫn dựa trên một mơ hình mây đơn giản có tính đến các dòng thăng và giáng ẩm và có đƣa vào tính tốn các hiệu ứng cuốn vào, cuốn ra và vi vật lý mây. Sự khác biệt so với phiên bản gốc gồm:
- Tốc độ cuốn vào cực tiểu đƣợc giả thiết xảy ra trong đối lƣu diện rộng trong môi trƣờng tƣơng đối khô và bất ổn định tại biên.
- Đối lƣu nông (không gây mƣa) cho phép có dịng thăng nhƣng không đạt tới độ dày mây tối thiểu gây mƣa và độ dày này là một hàm của nhiệt độ chân mây.
- Tốc độ cuốn vào là một hàm của hội tụ mực thấp. - Một số thay đổi trong tính tốn dịng giáng
- Thông lƣợng khối là của thơng lƣợng khối của dịng thăng tại đỉnh mây.
Sơ đồ Betts-Miller-Janjic
Đây là sơ đồ dựa trên sơ đồ điều chỉnh đối lƣu Betts-Miller đƣợc thực hiện bao gồm việc đƣa vào khái niệm “hiệu suất mây” để cung cấp thêm bậc tự do trong việc xác định các profile lƣợng ẩm và nhiệt độ. Điều chỉnh đối lƣu nơng cũng có vai trị quan trọng trong sơ đồ tham số hóa này. Gần đây, các nỗ lực đã đƣợc thực hiện để cải tiến các sơ đồ cho độ phân giải ngang cao hơn, chủ yếu thông qua các sửa đổi trong cơ chế hoạt động. Cụ thể:
- Một giá trị cho entropy thay đổi trong mây đƣợc thiết lập thấp mà đối với đối lƣu sâu thì khơng đƣợc kích hoạt;
- Nghiên cứu đỉnh mây, hạt tăng dần khi chuyển động trong môi trƣờng.
Lớp biên hành tinh (PBL) chịu trách nhiệm về thông lƣợng thẳng đứng quy mô lƣới con do vận chuyển xốy vào trong tồn bộ cột khơng khí, khơng chỉ là lớp biên. Vì vậy, khi sơ đồ PBL đƣợc kích hoạt, rõ ràng khuếch tán thẳng đứng cũng đƣợc kích hoạt với giả thiết rằng sơ đồ PBL sẽ xử lý quá trình này. Trong ARW cho phép lựa chọn các sơ đồ lớp biên hành tinh: Sơ đồ Yonsei University (YSU), sơ đồ Mellor-Yamada-Janjic (MYJ).
Mơ hình bề mặt đất
Mơ hình bề mặt đất (LSM) sử dụng các thơng tin khí quyển từ sơ đồ lớp sát đất, giáng thủy từ các sơ đồ vi vật lý và tham số hóa đối lƣu, cùng với các biến trạng thái đất và đặc tính bề mặt đất để tính tốn các thơng lƣợng ẩm và nhiệt từ bề mặt. Các mơ hình đất xử lý thông lƣợng ẩm, nhiệt trong các lớp đất, các hiệu ứng liên quan đến thực vật, rễ, tán cây và độ phủ tuyết. Các mơ hình bề mặt đất là một chiều và khơng có tƣơng tác giữa các ơ lƣới kề nhau. Các mơ hình đất trong ARW bao gồm: Mơ hình khuếch tán nhiệt 5 lớp, mơ hình Noah 4 lớp, mơ hình chu trình cập nhật nhanh.
Bức xạ
Tham số hóa bức xạ khí quyển nhằm cung cấp đốt nóng bức xạ do các quá trình hấp thụ, phản xạ và tán xạ bức xạ sóng ngắn từ mặt trời và bức xạ sóng dài từ bề mặt trái đất. Các sơ đồ tham số hóa bức xạ trong ARW bao 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.
3.2.2 Miền tính và cấu hình mơ hình
Mơ hình thiết kế cấu hình với hai miền tính lƣới lồng với độ phân giải 36km và 12 km, gồm 31 mực theo phƣơng thẳng đứng, 155 x 155, 151 x 151 điểm nút lƣới theo phƣơng (x, y). Với cấu hình này miền tính sẽ bao phủ một
vùng diện tích khoảng 5600 km x 5600 km, tập trung ở vùng biển Đơng Việt Nam. Do giới hạn tính tốn nên trong luận văn chỉ sử dụng 21 thành phần tổ hợp tham gia dự báo với độ phân giải 12 km mặc dù là không tối ƣu so với các thiết lập dự báo bão nghiệp vụ hiện tại, nhƣng mục đích chính của luận văn này đó là nghiên cứu độ nhạy của số liệu vệ tinh cho việc dự báo quĩ đạo bão Megi.
Các sơ đồ vi vật lý sử dụng trong dự báo tất định bao gồm: Sơ đồ tham số hóa đối lƣu Kain-Fritsch; Một phiên bản sửa đổi của sơ đồ tham số hóa đối lƣu mây tích Betts-Miler-Janjic (BMJ) cho cả hai miền tính, trong đó tham số hóa cả đối lƣu nơng và đối lƣu sâu; Tham số hóa lớp biên hành tinh của Đại học Yonsei với sơ đồ lớp sát đất Monin-Obukhov; Sơ đồ mơ hình vận chuyển bức xạ nhanh. Trong thí nghiệm tổ hợp, toàn bộ phổ của sơ đồ vi vật lý và tham số hóa lớp biên đƣợc sử dụng để tính các sai số nội tại của mơ hình.
3.2.3 Nguồn số liệu
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho dự báo tổ hợp và dự báo tất định đƣợc lấy từ Trung tâm dự báo môi trƣờng quốc gia Hoa Kỳ (NCEP) và hệ thống dự báo nghiệp vụ toàn cầu (GFS) với độ phân giải 1o x 1o. Thời điểm dự báo từ 0000UTC ngày 17/10/2010 tới 0000 UTC ngày 21/10/2010, đây là khoảng thời gian bão Megi hoạt động với sự thay đổi 90o từ hƣớng Tây Tây Bắc sang hƣớng Bắc.
Điều kiện biên đƣợc cập nhật 6h một lần, khơng cài xốy. Mặc dù có độ phân giải thấp, dự báo GFS nhìn chung vẫn bắt đƣợc xốy hồn lƣu qui mô vừa lúc 1200 UTC ngày 16 so với hình ảnh nhìn thấy trên ảnh mây vệ tinh. Tuy nhiên, ở các giờ tiếp theo dự báo GFS không nắm bắt đƣợc sự phát triển của Megi cho đến 0300 UTC ngày 19/10 khi cƣờng độ bão đạt cực đại.
Chính vì vậy, các dự báo với độ phân giải cao với các mơ hình khu vực là cần thiết để giải quyết tốt hơn sự thay đổi quĩ đạo và cƣờng độ bão.
Trong luận văn này, số liệu quan trắc sử dụng cho các thí nghiệm với hệ thống đồng hóa LETKF là số liệu gió vệ tinh AMV. Các nghiên cứu với số liệu gió vệ tinh đã cho thấy số liệu này có thể giúp nâng cao chất lƣợng dự báo của các hệ thống quy mô vừa khác nhau (Velden và cs. 2005 [17]; Berger và cs.2007 [7]). Ƣu điểm của số liệu vệ tinh đó là các sai số quan trắc đƣợc đánh giá và hiệu chỉnh bằng thuật toán lọc đệ quy. Mỗi điểm đều đƣợc kiểm tra với số liệu xung quanh bằng kĩ thuật chỉ số đánh giá. Nếu dữ liệu gió tại bất kì một điểm nào có một phân tích chỉ số chất lƣợng thấp (< 65), thì dữ liệu này đƣợc loại bỏ. Đối với các điểm dữ liệu có chỉ số đánh giá thỏa mãn tiêu chuẩn lựa chọn, thì các sai số kỳ vọng đƣợc đánh giá một cách chính xác. Tồn bộ cơ sở dữ liệu vệ tinh đƣợc phân thành các vùng khác nhau, để phục vụ việc nghiên cứu trong luận văn này, số liệu vệ tinh đƣợc lấy trong khu vực Tây bắc Thái Bình Dƣơng theo định dạng ASCII/BURF đƣợc tải từ trang web http://tropic.ssec.wisc.edu.
3.3 Thiết kế thí nghiệm
Để đánh giá ban đầu về khả năng dự báo quỹ đạo cũng nhƣ cƣờng độ bão Megi các chu kì 0000 UTC ngày 17, 0000 UTC ngày 18, 1200 UTC ngày 18 và 0000 UTC ngày 19/10 sẽ đƣợc thực hiện trƣớc bằng mơ hình WRF hạn dự báo 3 ngày. Các thí nghiệm này sẽ đƣợc dùng để xem xét khả năng dự báo sự di chuyển của Megi trong suốt thời gian cơn bão hoạt động mạnh trên khu vực Philipin, cũng nhƣ khả năng nắm bắt của cấu hình tới hình dạng của bão tại thời điểm 0000 UTC ngày 20. Các chu kỳ có sai số quĩ đạo lớn hơn 400 km (0000 UTC ngày 18/10 và 1200 UTC ngày 18/10) sẽ đƣợc chọn làm thí nghiệm tất định (thí nghiệm CTL) để đánh giá với các dự báo tổ hợp.
Sau khi đã có thí nghiệm tất định các thí nghiệm tổ hợp sẽ đƣợc thực hiện với cùng chu kì. Thí nghiệm tổ hợp đầu tiên, tồn bộ cơ sở dữ liệu gió AMW sẽ đƣợc đồng hóa để đánh giá với dữ liệu trong thí nghiệm CTL (Thí nghiệm 1).
Trong hai thí nghiệm tổ hợp tiếp theo số liệu gió AMW sẽ đƣợc phân tách ra thành hai bộ số liệu: mực thấp (1000 – 300 hPa) (Thí nghiệm 2) và mực cao từ 300 hPa trở lên (Thí nghiệm 3). Các thử nghiệm này nhằm nghiên cứu việc dự báo quĩ đạo bão phụ thuộc nhƣ thế nào vào lớp dịng dẫn trên cao của mơi trƣờng.
Chƣơng 4
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 4.1 Thí nghiệm dự báo tất định
Dự báo quĩ đạo bão Megi 72-h tại các thời điểm 0000 UTC ngày 17, 0000 UTC ngày 18, 1200 UTC ngày 18 và 0000 UTC ngày 19 (Hình 4.1). Có thể quan sát thấy, tại thời điểm 0000 UTC ngày 17 quĩ đạo dự báo khá gần với quĩ đạo thực, trong khi các trƣờng hợp còn lại biểu diễn quĩ đạo dự báo khá xa. Dự báo tại các thời điểm 0000 và 1200 UTC ngày 18 mặc dù đều nắm bắt đƣợc sự đổi hƣớng của Megi lúc 0000 UTC ngày 20, nhƣng quĩ đạo đều có xu hƣớng lệch Đơng dẫn đến sai số quĩ đạo trung bình 72 giờ tƣơng ứng là 410 km, 405 km. Theo nghiên cứu gần đây của Brown và cs 2010 [8] đã chỉ ra rằng phần lớn các trƣờng hợp có sai số lớn trong khu vực Tây Bắc Thái Bình Dƣơng liên quan tới tƣơng tác bề mặt với áp cao cận nhiệt hoặc tƣơng tác trực tiếp giữa xốy với xốy.
Hình 4.1 Các quĩ đạo của Megi (6h một) từ số liệu phân tích (đường màu đen) và dự báo 3 ngày tại thời điểm 0000 UTC ngày 17 (đường màu xanh nhạt), 0000 UTC ngày 18 (đường màu đỏ), 1200 UTC ngày 18 (đường màu tía), và 0000 UTC
Hình 4.2 dự báo cƣờng độ bão Megi tại các thời điểm 00Z17, 00Z18, 12Z18, 00Z19, có thể thấy cƣờng độ dự báo tại 4 thời điểm ban đầu đều thấp hơn hẳn so với quan trắc thực tại tất cả các thí nghiệm, đặc biệt trong 12 giờ đầu tiên khi xốy mới bắt đầu. Sự chênh lệch này có thể thấy rõ trong Hình 4.2a, 4.2b vận tốc cực đại giữa dự báo GFS và quan trắc là lớn hơn 25 m/s. Điều này là do phải mất một khoảng thời gian để các mơ hình xốy điều chỉnh với môi trƣờng xung quanh trƣớc khi phát triển động lực. Thêm vào đó, độ phân giải thơ cũng góp phần làm hạn chế kĩ năng dự báo cƣờng độ.
Hình 4.2 Tốc độ gió cực đại bề mặt quan trắc được (đường nét đứt) và tốc độ gió cực đại dự báo (đường nét liền) tại các thời điểm (a) 00Z17,(b) 00Z18, (c)
12Z18,(d) 00Z19
Tuy nhiên, sai số cƣờng độ lớn chỉ xuất hiện trong ngày tích phân đầu