CHƢƠNG 2 : MƠ HÌNH WRF VÀ ỨNG DỤNG DỰ BÁO
2.2. Cấu trúc chương trình WRF
Mơ hình WRF được cấu tạo gồm ba phần: phần xử lý (tiền xử lý và hậu xử lý) và phần mô phỏng.
Phần tiền xử lý: gồm chương trình mơ phỏng dữ liệu ban đầu và chương trình đồng hóa số liệu.
WPS: là chương trình dùng để mơ phỏng các dữ liệu thực ban đầu như điều kiện địa hình, lớp phủ bề mặt, giới hạn vùng mơ phỏng, lưới hóa và nội suy số liệu khí tượng từ mơ hình khác trong vùng mơ phỏng.
WRF-Var: là chương trình đồng hóa số liệu đầu vào của mơ hình, kiểm tra các q trình phân tích nội suy đã được tạo bởi chương trình WPS, có thể được sử dụng để cập nhật điều kiện ban đầu.
ARW solver: là chương trình chính của mơ hình để khởi tạo mơ phỏng dữ liệu thực và tích phân chương trình. Ngồi ra, chương trình thực hiện lưới lồng. Các đặc trưng chính của mơ hình WRF bao gồm:
Các phương trình: thủy tĩnh và phi thủy tĩnh nén được.
Các biến dự báo: tốc độ ngang u,v, thẳng đứng w trong hệ tọa độ Đề Các.
Hệ tọa độ thẳng đứng: sử dụng hệ tọa độ áp suất thủy tĩnh theo địa hình, với lưới khơng gian có thể biến đổi theo chiều cao và biến thời gian thay đổi theo các bước thời gian riêng biệt.
Lưới ngang: sử dụng lưới Arakawa C.
Các tùy chọn phép chiếu bản đồ: Polar, Lambert, Mecator.
Lưới lồng: 1 chiều, 2 chiều với nhiều nút và nhiều mực và lưới lồng di động. Tích phân thời gian: sử dụng sơ đồ Runge-Kutta bậc 2 và 3.
Các tùy chọn bình lưu từ bậc 2 đến bậc 6 (theo chiều ngang và thẳng đứng). Điều kiện biên: cho trường hợp lý tưởng và thực, biên trên và biên dưới. Các tùy chọn vật lý: địa hình, bức xạ, vi vật lí, tham số hóa đối lưu.
Phần hậu xử lý: Sử dụng các công cụ đồ họa xử lý sản phẩm đầu ra của mơ hình như RIP4, NCL (NCAR), GrADS và Vis5D,… Ngồi ra có thể sử dụng các phần mềm phân tích khác để khai thác sản phẩm dự báo của mơ hình.
Phần tiền xử lý Phần mô phỏng Phần hậu xử lý
2.3 Các bƣớc chạy mơ hình
Bước 1: Tải bộ chương trình tại địa chỉ:
http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/get_source.html, giải nén được 2 thư mục WRFV3, WPS.
Bước 2: Chuyển tới thư mục WRFV3 để cài đặt module WRFV3 Bước 3: Chuyển tới thư mục WPS để cài đặt module WPS.
Bước 4: Trong thư mục WPS, chạy file geogrid.exe để xử lý số liệu địa hình. Bước 5: Tải số liệu GFS quy mơ tồn cầu với độ phân giải 10
x10 tại địa chỉ: http://www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs/, và chạy file ungrib.exe để giải nén bộ số liệu trên.
Bước 6: Chạy file metgrid.exe để hạ quy mô lưới và đưa các số liệu về điểm lưới của mơ hình WRF.
Bước 7: Chuyển tới thư mục WRFV3, chạy file real.exe để nội suy số liệu về điểm lưới theo cấu trúc thẳng đứng.
Bước 8: Chạy file WRF.exe để mơ hình WRF xử lý chương trình và cho số liệu dự báo đầu ra.
Bước 9: Sử dụng ngơn ngữ NCL để tính tốn, dự báo giá trị tầm nhìn, và nội suy số liệu tầm nhìn về điểm trạm.
2.4 Cấu hình miền tính, số liệu
Với mục đích thử nghiệm dự báo tầm nhìn do mù, sương mù và mưa phùn gây ra cho các sân bay thuộc Cụm cảng Hàng không miền Bắc thường xuyên bị ảnh hưởng bởi mù, sương mù, mưa phùn nên mơ hình được cấu hình 4 lưới lồng với phạm vi các miền như sau:
a, Sân bay Nội Bài
Tọa độ tham chiếu sân bay Nội Bài: 21°13'16"N - 105°48'26"E
Bảng 2.1 Cấu hình miền tính sân bay Nội Bài
Tên lƣới Miền tính Độ phân giải
D1 17N - 31N, 95E - 120E 27km
D2 17N - 30N, 98E - 112E 9km
D3 19.5N - 24N, 102E - 110E 3km D4 20N - 22N, 105E - 108E 1km
Hình 2.2 là bản đồ chi tiết về cấu hình miền tính cho sân bay Nội Bài
b, Sân bay Cát Bi
Tọa độ tham chiếu sân bay Cát Bi: 20°19'14.51"N - 106°43'28.06"E
Bảng 2.2 Cấu hình miền tính sân bay Cát Bi
Tên lƣới Miền tính Độ phân giải
D1 10N - 35N, 90E - 120E 27km D2 11N - 32N, 98E - 115E 9km D3 15N - 25N, 100E - 111E 3km D4 19N - 21.5N, 105.5E - 108E 1km
Hình 2.3 dưới đây là bản đồ chi tiết về cấu hình 4 miền tính cho sân bay Cát Bi
c, Sân bay Vinh
Tọa độ tham chiếu sân bay Vinh: 18°43'49.33’’N - 105°40'32.96’’E
Bảng 2.3 Cấu hình miền tính sân bay Vinh Tên lƣới Miền tính Độ phân giải
D1 10N - 32N, 90E - 120E 27km D2 13N - 30N, 98E - 115E 9km D3 15N - 22N, 102E - 109.5E 3km D4 17N - 20N, 104E - 108E 1km
Hình 2.4 dưới đây là bản đồ chi tiết về 4 miền tính cho sân bay Vinh
Hình 2.4 Miền tính cho sân bay Vinh
Tâm lưới D1 ở 20N - 105E, với diện tích bao phủ tồn bộ diện tích Việt Nam và phản ánh đầy đủ các hệ thống thời tiết ảnh hưởng, chi phối gây nên mù và sương mù đối với các sân bay thuộc Cụm cảng Hàng không miền Bắc.
Độ phân giải ngang cho các miền tính D1, D2, D3, D4 tương ứng là :27, 9, 3, 1km.
Số mực theo chiều thẳng đứng là 28 mực.
Điều kiện biên và điều kiện ban đầu là số liệu GFS, cập nhật 6tiếng/lần và lưu trong server của khoa Khí tượng thủy văn - Hải dương học - trường Đại học khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Sơ đồ tham số hóa vật lý Thompson Sơ đồ đất bề mặt: Noah
Sơ đồ bức xạ sóng dài: RRTM Sơ đồ lớp biên hành tinh: YSU
Sơ đồ tham số hóa đối lưu: Betts-Miller-Janjic
2.5 Số liệu METAR
Số liệu quan trắc tầm nhìn được lấy từ số liệu METAR (số liệu báo cáo thời tiết tại sân bay) và được lưu trữ lâu dài tại server của Phịng khí tượng - Trung tâm Hiệp đồng Điều hành bay - Sân bay Gia lâm. Số liệu METAR của sân bay Nội Bài được phát liên tục 24h/24h với tần suất 30phút/lần. Số liệu METAR của sân bay Cát Bi và sân bay Vinh được phát liên tục từ 22Z (5 giờ Việt Nam) cho đến khi hết hoạt động bay buổi tối và đêm với tần suất 30 phút/lần. Giá trị tầm nhìn trong bản tin METAR được đo đạc, ước lượng trực tiếp bằng mắt bởi các quan trắc viên. Riêng số liệu tầm nhìn từ năm 2011 đối với sân bay Vinh, trong thời gian có hoạt động bay (5 giờ sáng đến 23 giờ Việt Nam) là số liệu quan trắc bởi quan trắc viên được phát báo liên tục với tần suất 30phút/lần, trong thời gian khơng có hoạt động bay (từ 23 giờ đêm hơm trước đến 5 giờ sáng hôm sau) được thực hiện bởi hệ thống quan trắc tự động AWOS (Automatic Weather Observation System). Đây là hệ thống máy đo các yếu tố thời tiết hiện đại do Phần Lan sản xuất được sử dụng rộng rãi ở nhiều sân bay trên thế giới. Ở Việt Nam, hệ thống AWOS mới được lắp đặt, đưa vào sử dụng tại các sân bay Nội Bài, Vinh, Đà Nẵng, Phú Bài, Tân Sơn Nhất và được kiểm định hàng năm. Để đảm bảo an toàn cho các chuyến bay, số liệu METAR luôn được các cơ quan khí tượng Hàng khơng cũng như các nhân viên của Phịng Khí tượng - Trung tâm hiệp đồng Điều hành bay - Sân bay Gia lâm giám sát chặt chẽ nên số liệu này nhìn chung chính xác và rất tin cậy.
Bảng 2.4 Ví dụ bản tin báo cáo thời tiết sân bay Nội Bài, Cát Bi, Vinh STT Bản tin báo cáo thời tiết sân bay METAR
Q1016 NOSIG=
3 METAR VVVH 022100Z AUTO 27004KT 230V290 1900 R17/M0050V0200D R35/M0050V0225D FG FEW001 BKN014 18/17 Q1015 =
Cấu trúc điện văn METAR theo quy định như sau: 1. Tên loại điện văn (METAR).
2. Tên địa danh sân bay (theo quy định của tổ chức Hàng không dân dụng Quốc tế.
3. Nhóm ngày của tháng trong năm báo cáo điện văn, giờ và phút báo cáo điện văn kèm theo chữ Z. Khi các yếu tố khí tượng được thực hiện đo đạc trực tiếp bằng hệ thống quan trắc tự động thì điện văn METAR được phát ra ngồi sân bay kèm theo thuật ngữ AUTO.
4. Nhóm gió bao gồm cả hướng và tốc độ kèm theo đơn vị đo tốc độ gió (kt). 5. Nhóm giá trị tầm nhìn ngang đặc trưng >50% giá trị tầm nhìn trong khu vực sân bay với bán kính 8km tính từ vành đai sân bay.
6. Nhóm giá trị tầm nhìn đường cất hạ cánh. Nhóm giá trị tầm nhìn đường cất hạ cánh được báo cáo khi xuất hiện các yếu tố khí tượng làm giảm tầm nhìn ngang xuống dưới 1500m. Các hiện tượng thời tiết này được chỉ rõ trong bảng mã 4678 của tài liệu khí tượng hàng khơng dân dụng (ANNEX 3) do tổ chức Hàng không dân dụng Quốc tế quy định.
7. Nhóm hiện tượng thời tiết được quy định trong bảng mã 4678 của tài liệu Khí tượng Hàng khơng dân dụng ANNEX 3.
8. Nhóm lượng mây và độ cao chân mây với đơn vị là 100 feet. 9. Nhóm nhiệt độ/ điểm sương với đơn vị là độ C.
10. Nhóm khí áp tại sân bay được quy chuẩn về khí áp tại mực nước biển trung bình với đơn vị là hpa.
11. Bản tin dự báo hạ cánh Trend với thời gian hiệu lực 2 tiếng từ thời điểm báo cáo của bản tin METAR.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ DỰ BÁO VÀ PHÂN TÍCH
Như đã trình bày ở trên, từ cơ sở lý thuyết về sương mù và từ những kinh nghiệm dự báo mù, sương mù làm giảm tầm nhìn cho các sân bay của nhiều quốc gia trên thế giới, tác giả sử dụng mơ hình WRF với các lựa chọn vật lý như đã trình bày chi tiết trong chương 2 với 4 miền tính D1, D2, D3, D4 tương ứng với các độ phân giải 27km, 09km, 03km và 01km cho các khu vực Nội Bài, Vinh và Cát Bi. Sử dụng bộ số liệu dự báo toàn cầu GFS với độ phân giải 10×10 làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho WRF để dự báo tầm nhìn tương ứng trong các đợt có mù, sương mù. Số liệu GFS trên đã được lưu trong server của Khoa Khí Tượng - Thủy Văn - Hải Dương Học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Do mù, sương mù làm giảm tầm nhìn thường xuất hiện vào buổi sáng sớm nên thời điểm ban đầu của các đợt dự báo được tác giả chọn là 18Z với hạn dự báo 24h, đây là hạn dự báo dài trong nghiệp vụ dự báo Khí tượng Hàng không.
Trong khuôn khổ của luận văn, hai phương pháp RUC và FSI (với 2 công thức khác nhau của Hungary - quy ước là FSIH; và của AFWA - quy ước là FSIA) được áp dụng để dự báo tầm nhìn cho các sân bay thuộc Cụm cảng Hàng không miền Bắc cho các ngày có sương mù dày đặc ảnh hưởng tới hoạt động bay trong ba năm 2010, 2011, 2012. Kết quả được so sánh, đánh giá tương ứng với các hình thế Synop gây mù và sương mù từ bản đồ của Thái Lan lúc 00Z. Các phân tích dưới đây sẽ tập trung làm rõ các vấn đề sau:
- Đánh giá khả năng dự báo tầm nhìn do ảnh hưởng của mù, sương mù dựa trên các phương pháp nhau.
- Đánh giá chất lượng dự báo trong hạn dự báo 24 tiếng.
- Xem xét vai trị của độ phân giải mơ hình đến chất lượng của dự báo
- Đánh giá kết quả của ba phương pháp dự báo tương ứng với 3 sân bay Nội Bài, Cát Bi, Vinh.
và ngày 05/12/2011). Dưới đây lần lượt là kết quả chi tiết trong từng trường hợp cụ thể.
3.1.1.1 Đợt 1: ngày 17/12/2010
Trên bản đồ Synop (hình 3.1) lúc 00Z ngày 18 tháng 12 năm 2010, sân bay Nội Bài nằm trong hệ thống cao lạnh lục địa lệch đông, và cũng trên giản đồ cao khơng T- SKEW (hình 3.2) lúc 00Z ngày 18 tháng 12 năm 2010 tại địa chỉ http://weather.uwyo.edu cho thấy, tồn tại một lớp nghịch nhiệt ở độ cao khoảng từ 1000mb đến 800mb. Đây là nguyên nhân gây mù, sương mù làm giảm tầm nhìn cho sân bay Nội Bài ngày 18 tháng 12 năm 2010.
Để đánh giá dự báo sương mù ngày 18 tháng 12 năm 2010, tác giả chọn thời điểm bắt đầu dự báo là 18Z ngày 17 tháng 12 năm 2010 với hạn dự báo 24 tiếng. Sử dụng mơ hình WRF với các lựa chọn như đã trình bày chi tiết ở trên, kết quả dự báo tầm nhìn cho sân bay Nội Bài tương ứng cho 4 miền tính 27km, 09km, 03km và 01km được thể hiện ở hình 3.3.
Hình 3.1 Bản đồ hình thế Synop Hình 3.2 Giản đồ cao không lúc 00Z ngày 18/12/2010 T-Skew lúc 00Z ngày 18/12/2010
Hình 3.3 Đồ thị dự báo tầm nhìn cho sân bay Nội Bài ngày 17/12/2010 với hạn dự báo 24h cho 4 miền tính 27km, 09km, 03km và 01km. Thời điểm bắt đầu dự báo 18Z.
Từ kết quả trên hình 3.3 có thể nhận thấy cả ba phương pháp FSIH (Hungary), FSIA (Air Force - cơ quan không lực Hoa Kỳ) và RUC cho kết quả dự báo khá tốt về xu hướng tầm nhìn với thời hạn dự báo 24h. Tuy nhiên, từ thời điểm hạn 0 - 6h và từ 20 - 24h, cả hai phương pháp FSIH và FSIA đều có xu hướng cho kết quả cao hơn so với quan trắc. Ở đây cần lưu ý rằng giá trị quan trắc chỉ có đến dưới 10 km, điều này lý giải sự khác biệt lớn về xu hướng giữa mô phỏng và quan trắc thời đoạn từ 08 đến 16Z. Nhìn chung, trong các trường hợp trên FSIH cho giá trị cao hơn so với các phương pháp khác và lệch so với quan trắc nhiều nhất; RUC và FSIA cho giá trị tầm
cho thấy: khi sử dụng miền tính D2 và D3, kết quả mô phỏng về giá trị từ cả ba phương pháp đã tiến tới sát thực với giá trị quan trắc và phương pháp RUC cho kết quả khả quan hơn hai phương pháp còn lại. Tuy nhiên, tiếp tục sử dụng miền tính D4, kết quả cho thấy xu thế đã nắm bắt một cách sát thực hơn mặc dù vẫn còn sai số nhất định.
3.1.1.2 Đợt 2: Ngày 19/12/2010
Tương tự như đợt 1, để đánh giá dự báo sương mù ngày 20 tháng 12 năm 2010, tác giả chọn thời điểm bắt đầu dự báo là 18Z ngày 19 tháng 12 năm 2010 với hạn dự báo 24 tiếng. Trên bản đồ Synop (hình 3.4) lúc 00Z ngày 20 tháng 12 năm 2010, sân bay Nội Bài nằm trong hệ thống cao lạnh lục địa lệch đông, và cũng trên giản đồ cao khơng T-SKEW (hình 3.5) lúc 00Z ngày 20 tháng 12 năm 2010 cho thấy, tồn tại một lớp nghịch nhiệt ở độ cao khoảng từ 1000mb đến 800mb. Đây là nguyên nhân gây mù, sương mù làm giảm tầm nhìn cho sân bay Nội Bài ngày 20 tháng 12 năm 2010.
Hình 3.4 Bản đồ hình thế Synop lúc 00Z ngày 20/12/2010
Hình 3.5 Giản đồ cao không T-Skew lúc 00Z ngày 20/12/2010
lúc 00Z ngày 20/12/2010
Và dưới đây là kết quả dự báo tầm nhìn của mơ hình WRF cho sân bay Nội Bài ngày 19 tháng 12 năm 2010 dựa trên ba phương pháp FSIH, FSIA và RUC tương ứng.
Hình 3.6 Đồ thị dự báo tầm nhìn cho sân bay Nội Bài ngày 19/12/2010 với hạn dự báo 24h cho 4 miền tính 27km, 09km, 03km và 01km. Thời điểm bắt đầu dự báo 18Z.
Từ kết quả trên hình 3.6 có thể nhận thấy, cả ba phương pháp FSIH, FSIA và RUC cho kết quả dự báo khá tốt về xu hướng tầm nhìn với thời hạn dự báo 24h. Cả hai phương pháp FSIH và FSIA cho kết quả cao hơn so với quan trắc. Phương pháp RUC