Chạy lồng 2 chiều là chạy nhiều miền l-ới với độ phân giải l-ới khác nhau cùng một lúc và kết nối với các miền khác: Miền thô cung cấp các giá trị biên cho miền lồng bên trong nó, và khi miền lồng này tính tốn xong sẽ cung cấp trở lại miền thơ. Mơ hình WRF có thể xử lý nhiều miền ở cùng một mực lồng hoặc nhiều mực lồng nh-ng khơng có sự chồng lấn giữa các miền.
Về cơ bản, chạy l-ới lồng khơng khó hơn chạy một l-ới đơn. Sự khác biệt đó là chạy l-ới lồng phải xử lý nhiều l-ới hơn chạy l-ới đơn. Trong nghiên cứu này, tôi chạy hai miền l-ới cố định lồng nhau (một miền thô cộng với một miền đơn nh- mô tả ở trên). Biến max_dom đ-ợc chọn giá trị bằng 2 là tổng số miền l-ới trong mô phỏng, bao gồm cả miền thô. Các biến chỉ thời gian bắt đầu và thời gian kết thúc phải đ-ợc cho với mỗi miền l-ới với hạn chế miền lồng không thể bắt đầu tr-ớc hoặc kết thúc sau miền mẹ của nó. Thời gian bắt đầu và kết thúc của hai miền l-ới trong nghiên cứu này đ-ợc chọn trùng nhau (WRF đề nghị nên thiết lập nh- vậy bởi vì các miền lồng nhận điều kiện biên ngồi từ miền thơ hơn). Một số biến cơ bản đ-ợc thiết lập cho chạy l-ới lồng trong nghiên cứu này gồm:
Start_*, end_*: thời gian mô phỏng lúc bắt đầu và lúc kết thúc cho miền lồng.
Input_from_file: ví dụ wrfinput_d02. Lựa chọn này đ-ợc sử dụng cho tr-ờng
hợp dữ liệu thực khi file đầu vào của miền lồng chứa thơng tin địa hình và đất.
Max_dom: là tổng số miền chạy l-ới lồng. Ví dụ, nếu muốn có một miền thơ và
một miền lồng của nó thì thiết lập max-dom là 2.
Grid_id: để nhận biết miền đ-ợc sử dụng trong quy -ớc tên cho wrfout. L-ới thơ
nhất phải có grid_id là 1.
Parent_id: là một số nguyên xác định số miền mẹ của một miền con. Với miền
thơ thì giá trị của biến này đ-ợc thiết lập là 1 (có một miền mẹ là chính nó). Miền lồng bên trong cũng đ-ợc thiết lập là 1 (có một miền mẹ là miền thơ bên ngoài).
Parent_grid_ratio: là một số nguyên xác định tỷ lệ khoảng cách l-ới của miền
mẹ so với miền con của nó. Miền thơ đ-ợc thiết lập là 1, miền lồng phía trong đ-ợc thiết lập là 3 (dẫn đến b-ớc l-ới của miền lồng phía trong bằng 1/3 b-ớc l-ới của miền thơ bên ngồi).
Parent_time_step_ratio: số nguyên chỉ b-ớc thời gian cho miền lồng. có thể
khác với parent_grid_ratio. Th-ờng cài đặt giống nhau.
Feedback: là chìa khóa để xác định chạy lồng t-ơng tác một chiều hay hai chiều.
Khi feeback là on (hoặc 1) thì giá trị các biến của miền thơ đ-ợc ghi đè lên giá trị các biến của miền lồng tại các điểm trùng nhau. Khi feeback là off (hoặc 0) thì nó t-ơng
đ-ơng với chạy lồng t-ơng tác một chiều, do đó kết quả của miền lồng không đ-ợc phản hồi trong miền thô.
Smooth_option: Lựa chọn làm nhẵn này dành cho miền cha mẹ nằm trong vùng
lồng nếu feeback là on (hoặc 1).
I_parent_start: là một số nguyên xác định giá trị điểm l-ới nằm ở góc bên trái-
phía d-ới theo trục vĩ độ của miền lồng con theo miền mẹ. Miền l-ới thô đ-ợc thiết lập là 1, miền lồng đ-ợc thiết lập là 65 (là điểm l-ới thứ 65 trong miền thô).
J_parent_start: là một số nguyên xác định giá trị điểm l-ới nằm ở góc bên trái-
phía d-ới theo trục kinh độ của miền lồng con theo miền mẹ. Miền l-ới thô đ-ợc thiết lập là 1, miền lồng đ-ợc thiết lập là 60 (là điểm l-ới thứ 60 trong miền thơ).
E_we: là một số ngun xác định kích th-ớc đầy đủ theo ph-ơng đông-tây của
mỗi miền lồng (e_we = n*parent_grid_ratio +1, với n là một số nguyên d-ơng). Miền l-ới thô đ-ợc thiết lập là 161 (gồm 161 điểm l-ới theo ph-ơng vĩ độ), miền l-ới lồng đ-ợc thiết lập là 121 (gồm 121 điểm l-ới theo ph-ơng vĩ độ).
E_sn: là một số nguyên xác định kích th-ớc đầy đủ theo ph-ơng bắc-nam của
l-ới thô đ-ợc thiết lập là 161 (gồm 161 điểm l-ới theo ph-ơng kinh độ), miền l-ới lồng đ-ợc thiết lập là 121 (gồm 121 điểm l-ới theo ph-ơng kinh độ).
S_we và s_sn đ-ợc thiết lập mặc định là 1.
Chạy l-ới lồng di chuyển
WRF đ-a ra hai ph-ơng pháp sử dụng l-ới lồng ghép di động: xác định (specified) với lựa chọn preset moves và tự động (automatic) với lựa chọn votex- following. Đối với tr-ờng hợp lồng di động xác định, thời gian di chuyển của l-ới lồng và số lần di chuyển đ-ợc xác định bởi ng-ời sử dụng. Đối với tr-ờng hợp lồng di chuyển tự động, l-ới lồng ghép đ-ợc ban đầu hóa để bao phủ xốy bão, và l-ới lồng di chuyển để duy trì sao cho xốy bão ln ở tâm của l-ới lồng. Cả hai kiểu chạy đều đòi hỏi file đầu vào của miền l-ới thô mà không cần file đầu vào của miền l-ới lồng.
2.2. áp dụng mơ hình WRF trong dự báo quỹ đạo bão
2.2.1. Cấu hình miền tính và nguồn số liệu
Cấu hình miền tính
Miền l-ới thô: Tâm miền l-ới đ-ợc chọn ở 150N và 1100E bao gồm 161x161 điểm l-ới theo ph-ơng ngang với b-ớc l-ới 27 km tạo ra miền tính có kích th-ớc từ 5S đến 35N và 90E đến 130E. Mục đích của việc chọn miền tính này là để nắm bắt đ-ợc những cơn bão hình thành từ phía đơng Philippin và di chuyển vào biển Đơng, đồng thời tính đến ảnh h-ởng của hồn l-u gió mùa đơng bắc và hồn l-u gió mùa tây nam (Hình 2.6).
Miền l-ới lồng: Tâm miền l-ới lồng đ-ợc chọn ở 150N và 111.250E bao gồm 121x121 điểm l-ới theo ph-ơng ngang với b-ớc l-ới 9 km tạo ra miền tính có kích th-ớc từ 10N đến 20N và 106.25E đến 116.25E (Hình 2.7). Miền l-ới lồng đ-ợc đặt bên trong miền l-ới thơ (Hình 2.6).
Hình 2.6. Mơ phỏng miền l-ới lồng bên trong miền l-ới thơ (trích ra từ kết quả mơ phỏng của mơ hình)
Nguồn số liệu
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mơ hình WRF trong nghiên cứu này là các tr-ờng phân tích và dự báo 6 giờ một của mơ hình tồn cầu GFS. Số liệu tâm bão thực đ-ợc lấy từ website: http://weather.unisys.com.
2.2.2. Lựa chọn cấu hình cho WRF để dự báo quỹ đạo bão
Trong nghiên cứu này, tơi sử dụng mơ hình WRF phiên bản 3.1 chạy song song với bộ nhớ phân tán MPI. Cả hai tr-ờng hợp mơ phỏng có l-ới lồng và khơng có l-ới lồng cùng đ-ợc tham số hóa với điều kiện ban đầu giống nhau với 27 mực thẳng đứng. Tr-ờng hợp mơ phỏng có l-ới lồng thì miền thơ vẫn có độ phân giải l-ới ngang là 27km, cịn miền mịn (miền lồng ở trong) có độ phân giải l-ới ngang là 9km.
Lựa chọn tham số hóa vật lý: Sơ đồ WSM 3 cho vi vật lý; sơ đồ RRTM cho bức xạ sóng dài; sơ đồ Dudhia cho bức xạ sóng ngắn; sơ đồ Monin-Obukhov cho lớp bề mặt; sơ đồ truyền nhiệt cho lớp bề mặt đất; sơ đồ YSU cho lớp biên hành tinh; sơ đồ Kain-Fritsch cho đối l-u mây tích.
Lựa chọn gói ARWpost trong WRF-ARW để chuyển file dữ liệu đầu ra d-ới định dạng netcdf của mơ hình thành file dữ liệu đầu ra d-ới định dạng GrADs.
Trong nghiên cứu này, file dữ liệu đầu ra của mơ hình l-u các tr-ờng khí t-ợng dự báo cách nhau 6h nhằm giảm dung l-ợng của file dữ liệu và đảm bảo yêu cầu mục đích dự báo đến 72 giờ. File dữ liệu đầu ra chứa đựng hầu hết các tr-ờng khí t-ợng dự báo hai chiều và ba chiều nh- gió, m-a, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, kinh – vĩ độ,....
2.2.4. Xác định tâm bão
Bài bài toán tìm tâm bão trong tr-ờng ban đầu hoặc tr-ờng dự báo của mơ hình số là một bài tốn tìm cực trị: giá trị áp suất cực tiểu hoặc độ xốy cực đại. Có nhiều ph-ơng pháp pháp có thể sử dụng nh-ng đều phải thoả mãn yêu cầu là bảo đảm độ chính xác và tính tốn nhanh. Ph-ơng pháp Downhill th-ờng đ-ợc sử dụng trong bài toán 2 chiều để thõa mãn các yêu cầu này.
Về cơ bản, ph-ơng pháp downhill sử dụng việc so sánh các giá trị của 3 đỉnh của một tam giác và một chuỗi các phép biến hình để dị tìm vị trí của điểm cực tiểu. Giả sử chúng ta cần tìm vị trí cực đại của một hàm nào đó, Z0 là vị trí điểm cực đại phỏng đốn đầu tiên, q trình dị tìm đ-ợc thực hiện nh- sau:
B-ớc 1: so sánh giá trị của hàm tại 3 điểm Z1, Z2, Z3 với Z0. Ba điểm này lập thành một tam giác đều nội tiếp đ-ờng trịn với bán kính R là b-ớc tìm kiếm ban đầu và tâm là Z0.
B-ớc 2: Nếu điểm có giá trị lớn nhất là Zn (n=1,2,3): Tâm đ-ờng tròn đ-ợc chuyển thành Zn, và quay trở lại B-ớc 1).
B-ớc 3: Nếu điểm có giá trị lớn nhất là Z0 :
3b) Nếu sau b-ớc 3a) Z0 vẫn tiếp tục có giá trị lớn nhất, phục hồi lại giá trị bán kính R nh- cũ (bằng cách nhân 4) và quay tam giác nội tiếp mỗi lần 15o (tốiđa 7 lần) và quay trở lại B-ớc 1).
3c) Nếu sau 3a) và 3b), Z0 vẫn có giá trị lớn nhất, giảm bán kính đ-ờng trịn đi 4 lần và quay trở lại B-ớc 1).
Quá trình tìm kiếm thành cơng khi bán kính đ-ờng trịn nhỏ hơn một giá trị tiêu chuẩn đủ nhỏ hoặc thất bại nếu số b-ớc lặp v-ợt quá một giới hạn cho tr-ớc.
Ph-ơng pháp này đ-ợc lập trình hóa bằng ngơn ngữ Fortran 90 trong ch-ơng trình wrf_to_grads để hỗ trợ xác định tâm bão cho mơ hình WRF.
2.2.5. Chỉ tiêu đánh giá
Để đánh giá kết quả dự báo tơi đã sử dụng cơng thức tính khoảng cách giữa tâm bão thực tế và tâm bão dự báo nh- sau:
PE Re.Arccossin(1).sin(2)cos(1)cos(2)cos(12) (2.6) Với Re là bán kính Trái đất Re = 6378.16 km. 1 và 2 là vĩ độ của tâm bão thực tế và tâm bão do mơ hình dự báo sau khi đã đổi sang đơn vị radian. 1và 2 là kinh độ của tâm bão thực tế và tâm bão do mơ hình dự báo sau khi đã đổi sang đơn vị radian.
Tõm bóo dựbỏo
PE CTE
ATE Tõm bóo quan trắc
Tõm bóo quan trắc 6h trước
Hình 2.7. Sơ đồ mơ tả sai số
1
Và giá trị trung bình của sai số khoảng cách PE đ-ợc tính nh- sau: n PE MPE n i i j j 1 , (2.7)
Ngồi ra, để tính tốn tốc độ di chuyển dọc theo quỹ đạo của bão dự báo nhanh hơn hay chậm hơn so với vận tốc di chuyển thực của bão, quá trình dự báo lệch trái hay lệch phải hơn, ng-ời ta còn dùng thêm sai số dọc ATE (Along Track Error) và sai số ngang CTE (Cross Track Error) theo h-ớng di chuyển của cơn bão. ATE nhận dấu d-ơng nếu tâm bão dự báo nằm phía tr-ớc tâm bão quan trắc và nhận dấu âm khi tâm bão dự báo nằm phía sau tâm bão quan trắc. CTE nhận dấu d-ơng khi tâm bão nằm phía phải so với tâm bão quan trắc và nhận dấu âm khi nằm về trái. Với qui -ớc này, nếu sai số ATE trung bình (MATE) nhận giá trị d-ơng có nghĩa tâm bão dự báo có xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo nhanh hơn so với thực và ng-ợc lại, MATE nhận giá trị âm thì tâm bão dự báo cho xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo chậm hơn. Sai số CTE trung bình (MCTE) d-ơng cho thấy quỹ đạo bão có xu thế lệch phải còn MCTE âm cho thấy xu thế lệch trái so với quỹ đạo thực. Hình 2.9 mơ phỏng các chỉ tiêu sai số đ-ợc tính. n ATE MATE n i j i j 1 , (2.8); n CTE MCTE n i j i j 1 , (2.9)
CHƯƠNG 3
Phân tích và đánh giá vai trị của độ phân giảI đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên biển đông
3.1. Ph-ơng án thử nghiệm ảnh h-ởng của độ phân giải trong mơ hình WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão
3.1.1. Tập số liệu nghiên cứu
Trong nghiên cứu này, các tr-ờng phân tích và dự báo 6 giờ một của mơ hình tồn cầu GFS với độ phân giải ngang 1x1 độ kinh vĩ đ-ợc sử dụng làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mơ hình WRF. Tập số liệu bao gồm 12 cơn bão trong các mùa bão từ năm 2004 đến năm 2007 đ-ợc thử nghiệm trong miền tính và nguồn số liệu đã đ-ợc mô tả ở trên. Số mẫu thử nghiệm đ-ợc liệt kê cụ thể trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1. Danh sách các cơn bão đ-ợc lựa chọn thử nghiệm
Tên bão-ATNĐ STT
Thời điểm tiến hành dự báo Vĩ độ (0N) Kinh độ (0E) Vmax (kt) CHANTHU 1 06Z/11/6/2004 13.0 115.3 50 MUIFA 2 06Z/21/11/2004 11.8 116.1 70 WASHI 3 18Z/28/7/2005 18.9 113.1 25 4 06Z/29/7/2005 18.5 112.0 35 DAMREY 5 00Z/23/9/2005 20.2 118.4 50 6 00Z/24/9/2005 19.8 115.3 50 KAITAK 7 18Z/28/10/2005 12.7 113.6 30 8 00Z/30/10/2005 14.0 112.9 60
PRAPIROON 9 00Z/01/8/2006 16.8 118.8 40 10 00Z/02/8/2006 18.1 115.2 55 XANGSANE 11 18Z/28/9/2006 15.6 118.1 90 12 06Z/29/9/2006 15.4 115.6 105 CHEBI 13 00Z/11/11/2006 15.9 121.6 105 14 12Z/12/11/2006 15.0 115.1 60 DURIAN 15 00Z/01/12/2006 13.3 119.9 95 16 12Z/02/12/2006 13.9 115.5 75 UTOR 17 00Z/10/12/2006 12.2 121.5 100 18 00Z/12/12/2006 14.4 115.7 75 FRANCISCO 19 00Z/23/9/2007 19.6 115.9 25 20 06Z/23/9/2007 19.4 114.8 30 PEIPAD 21 00Z/06/11/2007 18.4 118.6 70 22 00Z/08/11/2007 16.7 114.0 40 3.1.2. Các tr-ờng hợp thử nghiệm
Mơ hình WRF 3.1 đ-ợc cài l-ới lồng cố định nh- mô tả ở trên để thử nghiệm ảnh h-ởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông. Lựa chọn 22 mẫu thử nghiệm trên đã chạy cho tr-ờng hợp khơng có l-ới lồng với b-ớc l-ới ngang là 27km và có l-ới lồng với b-ớc l-ới ngang của miền thô và miền mịn t-ơng ứng là 27km và 9km.
Trong nghiên cứu này, file dữ liệu đầu ra của mơ hình l-u các tr-ờng khí t-ợng dự báo cách nhau 6h nhằm giảm dung l-ợng của file dữ liệu và đảm bảo yêu cầu mục đích dự báo đến 72 giờ. Số l-ợng tâm bão thu đ-ợc ứng với từng hạn dự báo đ-ợc cho cụ thể trong Bảng 3.2. Tr-ờng hợp chạy mơ hình khơng có l-ới lồng, số l-ợng tâm bão thu đ-ợc giảm khi hạn dự báo tăng lên do một số thử nghiệm bão đ-ợc dự báo đã suy yếu hoặc tan rã nên khơng tìm đ-ợc tâm. Tr-ờng hợp chạy mơ hình có l-ới lồng, số l-ợng tâm bão thu đ-ợc ở các hạn dự báo ít hơn so với tr-ờng hợp khơng có l-ới lồng là do việc lựa chọn miền lồng nhỏ dẫn đến một số thử nghiệm thời gian đầu tâm bão ch-a đi vào miền lồng, thời gian sau tâm bão đã ra khỏi miền lồng hoặc suy yếu nên khơng tìm đ-ợc tâm.
Bảng 3.2. Số l-ợng tâm bão thu đ-ợc trong từng hạn dự báo