CHƯƠNG 1 : Tổng quan về dự báo tổ hợp và dự báo tổ hợp quỹ đạo bão
2.1 Nhiễu môi trường và nhiễu xoáy
Các nhân tố chính ảnh hưởng tới quỹ đạo bão là nội lực và ngoại lực tác
động lên khu vực bão. Vì vậy trong luận án này sẽ nghiên cứu nhiễu động hai
khu vực trong và ngoài bão một cách riêng rẽ.
Để giải quyết được bài toán dự báo bão bằng phương pháp số thì hai yếu tố
chính cần giải quyết là mơ hình và trường ban đầu. Đối với yếu tố mơ hình,
tuy đã có cải tiến đáng kể trong thời gian gần đây nhưng các nghiên cứu cho
thấy kết quả đạt được từ cải tiến mơ hình chỉ đạt tới một giới hạn nhất định. Vì vậy, các nhóm nghiên cứu đã chuyển hướng nghiên cứu cải tiến trường
ban đầu. Vấn đề nghiên cứu cho trường ban đầu chủ yếu là nghiên cứu cách
phục hồi lại những sai sót của số liệu do sai số của dụng cụ đo, khu vực khơng có các thiết bị thám sát hay các quá trình nội suy số liệu từ trạm về lưới để sử dụng làm trường ban đầu… Đối với bão, trường ban đầu được nghiên cứu và
cải tiến các phương pháp cài xốy giả, đồng hóa 3DVAR, 4DVAR, BV, SV,
EnKF ... Nhìn chung, các phương án trên chủ yếu dùng để xác định chính xác
hơn trường ban đầu. Khi đó, trường ban đầu bằng tổng của trường phân tích và trường sai số. Trường sai số được xác định như trường nhiễu. Trường
nhiễu trong trường hợp có bão được xác định gồm trường nhiễu trong khu
vực có bão (gọi là nhiễu xốy) và trường nhiễu vùng ngồi bão (gọi là nhiễu
mơi trường).
Gây nhiễu cho mơi trường có thể kể tới các phương pháp như SV, BV, ET, EnKF … Các phương pháp này được sử dụng tại các trung tâm dự báo
58
khí tượng lớn trên thế giới và đã được đề cập tới trong chương 1. Kết quả tác động của nhiễu môi trường tới bão có thể nhận biết thông qua kết quả dự báo về sự biến đổi giá trị của các nhân tố ngoại lực ảnh hưởng tới quỹ đạo của bão.
Nhiễu trong bão, có rất nhiều cơng trình đã đề cập tới vấn đề này, ví dụ
nghiên cứu của Zhang và Krishnamurti (1999) [127] sử dụng kết hợp gây nhiễu về sai số vị trí và sử dụng phương án trực giao để tìm ra các nhiễu phát triển trong bão. Hay cơng trình của Cheung (1999b) [47] gây nhiễu bằng cách xáo trộn cấu trúc xoáy trong khu vực bão… Tất cả các nghiên cứu này dùng
để chứng minh sự nhạy của việc thay đổi cấu trúc trong lõi bão nhằm mô
phỏng tốt hơn cho khu vực xảy ra bão khi mà các thám sát khu vực bão tại vùng nhiệt đới, ở đó các thám sát rất thưa thớt.
2.2 Đề xuất phương án nuôi nhiễu mơi trường và nhiễu xốy khi có bão cho khu vực Việt Nam
2.2.1 Tạo nhân ban đầu
Nhân ban đầu tại các Trung tâm quốc tế thường sử dụng là ngẫu nhiên, do
EPS dự báo thời tiết hàng ngày, vì vậy các nhân này được ni từ ngày này
qua ngày khác. Đối với Việt Nam, để dự báo bão, cần có phương án tạo nhân ban đầu khi có bão xuất hiện. Trong luận án này đã sử dụng phương án tạo nhân ban đầu bằng phương pháp dự báo trễ.
Nội dung của phương pháp này như sau:
Sử dụng số liệu phân tích của những kỳ quan trắc 48, 42, 36, 30 giờ trước
thời điểm dự báo để tích phân mơ hình tới 24 giờ trước thời điểm làm dự báo. Tìm hiệu và chuẩn hóa của các dự báo này từng đơi một để tạo ra nhân ban
59
Hình 2.1 Cách tạo nhân ban đầu
Kết quả của phương pháp tạo nhân ban đầu này đã tạo được 6 nhân ban đầu D1, D2, …, D6 (Hình 2.1) cho mỗi trường hợp dự báo. Như vậy, trong thử
nghiệm này, mỗi cơn bão cần phải tạo ra 6 nhân với mỗi nhân tương ứng với hiệu của 2 dự báo trễ.
2.2.2 Phương pháp cài xoáy giả cho trường GFS
Xoáy giả sử dụng trong luận án là xoáy ba chiều được phát triển và ứng dụng tại Úc (TCLAP) được nhóm tác giả Phan Văn Tân và Bùi Hồng Hải sử dụng và chuyển giao cho đề tài KC08.05/06-10. Lý do sử dụng phương pháp cài xốy giả này vì phương pháp được xây dựng và sử dụng ở một trong những
trung tâm lớn trên thế giới và đã được kiểm nghiệm và sử dụng để dự báo bão cho khu vực Biển Đông như ở trong đề tài cấp nhà nước KC08-05/06-10 do
Trần Tân Tiến chủ trì hay đề tài cấp bộ TN&MT năm 2006 do Đặng Thị Hồng Nga chủ trì. Cơ sở lý thuyết của phương pháp là xây dựng một xoáy nhân tạo ba chiều, q trình phân tích được thực hiện đối với tất cả các biến trường trên nhiều mực. Số liệu ban đầu là trường phân tích tồn cầu gồm các biến trường áp suất mực biển P, các thành phần gió ngang U, V, nhiệt độ T, độ ẩm tương
đối RH và độ cao địa thế vị H trên các mực khác nhau. Kỹ thuật và quá trình
phân tích trường được tiến hành lần lượt cho từng biến trường trên từng mực.
Trên mỗi mực, đối với từng biến trường, tâm xốy phân tích tồn cầu được xác
60
Nội dung phương pháp cài xốy giả trình bày trong bài “Về một phương
pháp ban đầu hóa xốy 3 chiều’’ (Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải, 2003)
[19]. Nội dung chính của phương pháp thực hiện gồm: xác định thành phần
đối xứng giả, sau đó kết hợp phần đối xứng giả với thành phần đối xứng phân tích. Bước cuối cùng là hiệu chỉnh các trường.
2.2.3 Phương án ni nhiễu khi có bão
Như đã đề cập ở trên, do EPS của các trung tâm khí tượng dùng để dự báo thời
tiết, nên nhiễu môi trường được ni hàng ngày và khi có bão, các trung tâm này
đưa thêm nhiễu xốy vào trường nhiễu mơi trường. Trong luận án này đã cải tiến cách nuôi như sau:
Nhân ban đầu được xác định từ phương pháp dự báo trễ, các nhân này được
cộng và trừ với trường phân tích tại thời điểm bắt đầu ni để tạo ra một cặp trường ban đầu mới (luận án sử dụng 6 nhân ban đầu, ký hiệu các nhiễu là di.
Kết quả sẽ có 6 cặp trường ban đầu mới). Chu kì phân tích là 6 giờ. Q trình ni sẽ diễn ra trong 24 giờ (Hình 2.2)
Hình 2.2 Sơ đồ 1 cặp nhiễu tổ hợp dự báo được nuôi trong 24 giờ
61
Hình 2.3 Sơ đồ ni nhiễu mơi trường kết hợp với nhiễu xốy trong 1 kỳ nuôi (từ thời điểm
trước 24 giờ tới thời điểm trước 18 giờ).
Một kỳ nuôi nhiễu của phiên bản này được thực hiện như sau (Hình 2.3):
Trường phân tích tại 24 giờ trước thời điểm làm dự báo T00 sau khi đã loại bỏ
xốy thơ (vort) và thêm xốy giả TCLAP của Úc (Phương pháp cài được trình bày trong mục 2.3.2) được ký hiệu là trường xa. Tiến hành các bước sau trong 1 kỳ nuôi.
a. Thêm vào và trừ đi trường xa một nhiễu di (i=1,2,…,6), khi đó ta có 6 cặp
trường ban đầu x1ai =xa + di (trường gán nhiễu dương) và x2ai =xa - di
(trường gán nhiễu âm)
b. Tích phân mơ hình 6 tiếng cho cả hai trường gán nhiễu dương và gán
nhiễu âm.
c. Tách các trường dự báo sau 6 giờ (toán tử Sm
và Sv) của trường gán nhiễu
dương (x1f
i) và trường gán nhiễu âm (x2fi) ra làm 2 phần là trường môi trường (Smx1fi và Sm x2fi) và trường xốy (Sv
x1fi và Sv x2fi) (hình 2.3).
d. Tìm hiệu (tốn tử H hình 2.3) của từng cặp sau khi tách ở thời điểm dự báo 6 giờ ta được các nhiễu mơi trường mi và nhiễu xốy vi.
62
e. Giảm quy mơ (chuẩn hóa) của trường nhiễu mơi trường bằng tốn tử Cm
ta được các nhiễu mơi trường chuẩn hóa Cmmi. Tiến hành trực giao bằng tốn tử T cho các nhiễu mơi trường chuẩn hóa Cmmi thu được nhiễu mơi trường
chuẩn hóa và trực giao TCmmi. Giảm quy mô của trường nhiễu xoáy bằng
toán tử Cx được nhiễu xốy chuẩn hóa Cxvi, sau đó trực giao bằng tốn tử T
cho các nhiễu xốy chuẩn hóa Cxvv, ta thu được nhiễu xốy chuẩn hóa và trực
giao TCxvi.
Trường nhiễu chuẩn hóa và trực giao sau khi thực hiện tại bước e được cộng
vào và trừ đi trường phân tích đã lọc xoáy thơ và cài xốy nhân tạo ở thời điểm dự báo 6 giờ x1ai = xa + TCmmi + TCxvi và x2ai = xa - TCmmi - TCxvi. Quá trình được quay lại bước b.
Chu kỳ nuôi nhiễu này lặp lại 3 lần nữa cho tới thời điểm làm dự báo T00 (hình 2.2). Nhiễu ni này được gọi là véc tơ nuôi phát triển (BGM)
2.2.4 Chuẩn hóa nhiễu mơi trường và nhiễu xốy
Q trình giảm quy mơ trong quy trình ni nhiễu mơi trường (tốn tử Cm) và nhiễu xoáy (toán tử Cx) được xác định bằng công thức (2.1)
(2.1)
Với δxa
và δxf
là các nhiễu ban đầu (nhiễu nuôi) và nhiễu dự báo tại thời điểm t.
Giá trị và Camp = là chuẩn hóa nhiễu tại thời điểm t và thời
điểm t =0 được xác định cho nhiễu môi trường và nhiễu xoáy khác nhau.
Trong luận án này sử dụng 3 trường nhiễu là gió (u,v) và nhiệt độ (T).
2.2.4.1 Chuẩn hóa nhiễu môi trường
được xác định theo quy tắc năng lượng tổng (Barkmeijer, 2001) [38]
) ( ) ( ) ( t d t d t d f f amp a x x C x = ) (t d f x dxf(0) ) (t d f x
63
(2.2) với u’,v’: nhiễu trường gió kinh hướng và vĩ hướng; T’: nhiễu trường nhiệt
độ, D: Miền lưới to; z1 đến z26 tương ứng với mực từ 1000hpa tới 10hpa.
Camp = được tính theo cơng thức (2.2) các giá trị tại thời điểm t=0.
Các giá trị này được lựa chọn giống hệ thống tổ hợp mơ hình khu vực sử dụng
phương pháp ni nhiễu của Nhật (Saito.K, 2010) [104] với u’=v’=1.8 m.s-1 ; T’=0.7 K, Cp = 1006 Jkg-1K-1; Tr = 300 K;
2.2.4.2 Chuẩn hóa nhiễu xốy
được tính theo cơng thức
(2.3)
với u’,v’: nhiễu trường gió kinh hướng và vĩ hướng; T’: nhiễu trường nhiệt
độ, D1: khu vực quanh tâm thực của bão có bán kính 500 km; z1 đến z17
tương ứng với mực từ 1000hpa tới 300hpa.
Camp = được tính theo cơng thức (2.3) các tham số tại thời điểm t=0
được lựa chọn giống hệ thống tổ hợp mơ hình khu vực của Nhật (Saito.K,
2010) [104] với u’=v’=6 m.s-1
; T’=4 K, Cp = 1006 Jkg-1K-1; Tr = 300 K;
2.2.5 Trực giao nhiễu môi trường và nhiễu xoáy
Vấn đề trực giao cho các véc tơ có hàng triệu điểm là rất khó khăn. Tuy
nhiên để giải quyết được vấn đề trực giao và để tránh cho các véc tơ ni phụ
thuộc tuyến tính, theo Magnusson và nnk (2008a) [90], trực giao các véc tơ là cần thiết. Dựa trên cơ sở đó, tiến hành trực giao theo công thức:
E= BTB (2.4) E = BTB = (PxM) x (MxP) = (PxP) (2.5) dzdD T T c v u x D Z Z r p f ò ò ú ú û ù ê ê ë é + + = 26 1 2 ' 2 ' 2 ' 2 2 1 ) (t d 1 2 1 ) ( 117 1 2 ' 2 ' 2 ' 2 dzdD T T c v u x DZZ r p f ò ò ú ú û ù ê ê ë é + + = t d ) (t d f x ) 0 ( f x d ) 0 ( f x d
64
Khi đó ta tìm được 6 giá trị riêng và véc tơ riêng của ma trận E (PxP),
Tìm ma trận nhiễu mới V = B * E = (MxP) * (PxP) = (MxP). (2.6)
2.2.5.1 Trực giao nhiễu môi trường
Với nhiễu môi trường B là [Cmm1, Cmm2, …, Cmm6];
khi đó B gồm (MxP) điểm, với M=l x k; l là số điểm lưới theo vĩ độ theo
miền lưới to, k là số điểm lưới theo kinh độ theo miền lưới to. P = 6 (số nhiễu)
2.2.5.2 Trực giao nhiễu xoáy
Với nhiễu xoáy B được xác định [Cmv1, Cmv2, …, Cmv6];
khi đó B gồm (MxP) điểm, với M=l x k; l là số điểm lưới theo vĩ độ của
vùng xoáy bão, k là số điểm lưới theo kinh độ của vùng xoáy bão. P = 6 (số nhiễu)
2.3 Nhiễu trên biên
Do hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu của các trung tâm lớn của thế giới được dự báo hàng ngày, các sản phẩm dự báo của các sản phẩm này sẽ được sử dụng làm nhiễu trên biên cho hệ thống dự báo tổ hợp cho mơ hình khu vực của họ. Đối với hệ thống được đề xuất, do nhiễu ban đầu là tự nuôi dựa trên hệ thống dự báo tổ hợp khu vực của ta vì vậy khơng thể thích nghi được với nhiễu trên biên từ mơ hình tồn cầu tổ hợp của các trung tâm lớn trên thế giới. Vì vậy trong hệ thống này chỉ sử dụng điều kiện biên duy nhất là sản phẩm dự báo từ mơ hình GFS. Với giả thiết, nhiễu trên biên được bỏ qua vì ảnh hưởng của nó đến kết quả không lớn. Giả thiết này cũng được sử dụng ở hệ thống dự báo bão GRAPES_TCM của Viện nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới Thượng Hải, Trung Quốc.
65
2.4 Quy trình ni nhiễu.
Quy trình ni nhiễu được thực hiện theo các bước sau:
1/ Lấy số liệu GFS tại trước thời điểm làm dự báo 48, 42, 36 và giờ (GFS- 48, GFS-42, GFS-36 và GFS-30), sử dụng các trường này làm trường ban đầu và tích phân mơ hình RAMS tới trước thời điểm làm dự báo 24 giờ. Lấy hiệu và chuẩn hóa từng cặp các trường dự báo (u, v, t) tại thời điểm trước 24 giờ để tạo ra 6 cặp nhiễu môi trường ban đầu (Trường nhiễu môi trường được tạo ra từ dự báo trễ).
Hình 2.4 Chu kỳ ni nhiễu
2/ Lấy số liệu GFS tại trước thời điểm dự báo 24 giờ (GFS-24), lọc xoáy thơ và cài xốy giả cho trường này và cộng trừ 6 trường nhiễu môi trường được tạo ra từ dự báo trễ (tạo từ bước 1) để tạo ra 12 trường ban đầu mới. Tích phân mơ hình RAMS hạn dự báo 06 giờ với 12 trường ban đầu vừa được tạo
ra, sau đó tiến hành tách trường nhiễu xốy và nhiễu mơi trường từ trường dự
báo tại thời điểm trước dự báo 18 giờ. Chuẩn hóa 6 cặp trường nhiễu này để tạo ra 6 trường nhiễu môi trường và 6 trường nhiễu xoáy mới. Trực giao 6
trường nhiễu môi trường và 6 trường nhiễu xoáy mới (quy trình được trình
66
Quy trình ở bước 2 được lặp lại tại trước thời điểm dự báo 18, 12, 06 giờ. 3/ Lấy số liệu GFS tại thời điểm làm dự báo (GFS-00), cài xoáy giả cho
trường này và cộng trừ 6 trường nhiễu môi trường và 6 trường nhiễu xoáy
được tạo ra từ bước 5 để tạo ra 12 trường ban đầu mới. Tích phân mơ hình RAMS để dự báo quỹ đạo bão hạn 120 giờ với 12 trường ban đầu vừa tạo ra.
Chu kỳ nuôi nhiễu này được minh họa trên Hình 2.4.
2.5 Lựa chọn tham số cho mơ hình RAMS để dự báo bão ở Việt Nam
2.5.1 Cấu hình miền tính
Miền dự báo gồm 192x157 điểm lưới theo phương ngang với bước lưới 30
km. Miền tính từ 5S-35N và 100E -150E, tâm miền tính được đặt ở 15N- 125E. Miền tính này có thể chứa được những cơn bão hình thành từ khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, các cơn bão này có thể di chuyển vào Biển Đơng và ảnh hưởng tới Việt Nam với hạn đến 5 ngày. Số liệu dự báo toàn cầu GFS của trung tâm NCEP được chọn làm trường dự báo kiểm chứng và trường phân tích trong q trình ni (Hình 2.5). Số mực theo chiều thẳng đứng là 26 mực, trong đó mực đẳng áp trên cùng là 10 mb. Bước thời gian tích phân được đặt là 60 giây.
Phương pháp nuôi nhiễu trong luận án được sử dụng là một cặp nhiễu dương và nhiễu âm giống nghiên cứu Toth và Kalnay (1997) [110], trường
gió và nhiệt được chọn làm đối tượng để nuôi dựa theo nghiên cứu của Zhang (Zhang, 1997; Zhang và Krishnamurti, 1999) [126, 127] vì theo tác giả: “biến đóng vai trị quan trọng nhất để dự báo thời tiết nhiệt đới là trường gió và nhiệt”. Mơ hình lựa chọn là mơ hình RAMS, lý do lựa trọn mơ hình
RAMS để dự báo bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đơng
là dựa vào đề tài KC 08-05/06-10 “Xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn bão, nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mơ hình số với thời gian dự báo