Để tính quá trình dự báo lệch trái hay lệch phải hơn, sai số ngang CTE (Cross Track Error) theo hướng di chuyển của cơn bão.
[ d R ]
Arc R
CTE= e. sin sin( 13/ e)*sin(q13-q12) (2.24)
d13: khoảng cách của tâm bão quan trắc trước 6 giờ tới tâm bão dự báo
[ ]
Arc tan 2cos( 1)*sin( 3) sin( 1)*cos( 3)*cos( 3 1),sin( 3 1)*cos( 3)
13 a a a a b b b b a
q = - - -
[cos( )*sin( ) sin( )*cos( )*cos( ),sin( )*cos( )]
2
tan 1 2 1 2 2 1 2 1 2
12 a a a a b b b b a
q =Arc - - -
α3 và β3 là vĩ độ và kinh độ của tâm bão quan trắc trước 6 giờ sau khi đã đổi sang đơn vị radian.
CTE nhận dấu dương khi tâm bão nằm phía phải so với tâm bão quan trắc và nhận dấu âm khi nằm về trái. Sai số CTE trung bình (MCTE) dương cho thấy
quỹ đạo bão có xu thế lệch phải còn MCTE âm cho thấy xu thế lệch trái so
với quỹ đạo thực.
n CTE MCTE n i i j j å = =1 , (2.25) 2.8.3 Tính sai số dọc
Để tính tốc độ di chuyển của bão dự báo nhanh hơn hay chậm hơn so với
vận tốc di chuyển của bão thực, người ta còn dùng thêm sai số dọc ATE
(Along Track Error).
[ d R CTE R ]
Arc R
ATE= e. cos cos( 13/ e)/cos( / e) (2.26) ATE nhận dấu dương nếu tâm bão dự báo nằm phía trước tâm bão quan trắc
và nhận dấu âm khi tâm bão dự báo nằm phía sau tâm bão quan trắc.
Với qui ước này, nếu sai số bão trung bình (MATE) nhận giá trị dương có
nghĩa tâm bão dự báo có xu thế di chuyển nhanh hơn so với thực và ngược lại,
82
Hình 2.8 mô phỏng các chỉ tiêu sai số được tính.
n ATE MATE n i ij j å = =1 , (2.27) 2.8.4 Độ lệch chuẩn
Dùng để đánh giá mức độ phân tán hoặc độ nhạy của một tham số. Giả sử để tính độ lệch chuẩn cho một hệ thống tổ hợp, M số thành phần tổ hợp, độ
lệch chuẩn tại hạn dự báo t, được định nghĩa là:
[ ] å - = = M m MEM t MEM t M t SD m m 1 2 )) ( ) ( ( 1 ) ( (2.28) Trong đó, MEMm(t) là sai số vị trí của trường hợp bão đang xem xét tại hạn
dự báo t ứng với thành phần tổ hợp thứ m, MEM (t) là sai số vị trí trung bình của M thành phần.
Độ lệch chuẩn trung bình (SDA) Độ lệch chuẩn trung bình là trung bình của độ lệch chuẩn lấy trên toàn bộ tập hợp N các trường hợp bão thử nghiệm:
( ) ( ) 1 1 N n n SDA t SD t N = = å (2.29)
Trong đó n là số thứ tự của trường hợp bão, SDn(t) là độ lệch chuẩn của trường hợp bão thứ n tại hạn dự báo t.
83
CHƯƠNG 3: Dự báo tổ hợp quỹ đạo bão
ở Việt Nam dựa trên phương pháp
nuôi nhiễu phát triển
3.1 Khảo sát vai trò của các tham số trong mô hình RAMS và vai trò của nhiễu xoáy và nhiễu môi trường để dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày nhiễu xoáy và nhiễu môi trường để dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày
Các trường hợp khảo sát trong mục này tiến hành với cơn bão Washi hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương. Quỹ đạo chuyển động của cơn
bãoWashi thể hiện hình 3.1.
Hình 3.1 Quỹ đạo cơn bão Washi
(http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/summary/wnp/l/201121.html.en)
Cơn bão Washi hình thành từ ngày 11/12/2011 trên khu vực Tây Bắc Thái
Bình Dương. Trong 2 ngày đầu bão di chuyển chủ yếu theo hướng Tây. Đến
ngày 14/12/2011 bão có xu hướng di chuyển theo hướng Tây Tây Bắc. Tới ngày 18/11/2011 bão lại đổi hướng và di chuyển theo hướng Tây. Đến trưa ngày
19/11/2011 bão tan dã trên khu vực phía nam của Biển Đông trên khu vực quần đảo Trường Sa. Tiến hành các thí nghiệmtrên cơn bão này.
3.1.1 Lựa chọn sơ đồđối lưu trong mô hình RAMS để dự báo quỹđạo bão
Sự thay đổi các sơ đồ tham số hóa đối lưu ảnh hưởng rất lớn đến khả năng
dự báo quỹ đạo bão. Như ta biết, bão có cấu trúc phát triển theo phương thẳng đứng lớn dẫn tới đối lưu phát triển mạnh. Vì vậy,khi thay đổi các sơ đồ tham
84
số hóa đối lưu dẫn tới thay đổi cấu trúc và quỹ đạo bão dự báo. Để làm rõ hơn
vấn đề này, đã tiến hành thử nghiệm thay đổi các sơ đồ tham số hóa đối lưu
trong mô hình RAMS và thử nghiệm dự báo cho cơn bão Washi 12 giờ ngày
13 tháng 12 năm 2013
Hình 3.2 Quỹ đạo dự báo khi thay đổi 3 sơ đồ đối lưu ngày 13/12/2011+120h; Tròn
rỗng: Qũy đạo trung bình tổ hợp; Tam giác: Quỹ đạo thực; Sao: KUO; chấm tròn đặc:
KFCT; mũi tên: KF
Kết quả thử nghiệm cho thấy đối với phương án sử dụng mô hình RAMS dùng sơ đồ KF thì quỹ đạo bão dự báo có xu hướng di chuyển lên phía Bắc
Tây Bắc, trong khi đó sử dụng mô hình RAMS dùng 2 sơ đồ KUO và KF cải
tiến, xu hướng di chuyển của bão trong 72 giờ đầu là theo hướng Bắc Tây Bắc, tuy nhiên tại các hạn dự báo tiếp theo, 2 phương án này lại dự báo quỹ đạo bão di chuyển theo hướng Tây Nam. Tiến hành đánh giá sai số vị trí của trường hợp này (Hình 3.3), kết quả tính sai số khoảng cách cho thấy trong
84 giờ đầu 2 trường hợp sử dụng mô hình RAMS dùng sơ đồ KUO và sơ đồ
KF cho kết quả sai số là nhỏ nhất, sai số vị trí dưới 300 km, đặc biệt là với phương án sử dụng RAMS với sơ đồ KUO, sai số tại hạn 84 giờ dưới 100
km. Tuy nhiên, tại các hạn dự báo tiếp theo, các phương án sử dụng mô hình RAMS dùng sơ đồ KF và KF cải tiến cho kết quả dự báo quỹ đạo bão tốt hơn, với sai số 300 km ở hạn dự báo 96 giờ và khoảng 500 kmở hạn dự báo
85
Hình 3.3 Sai số vị trí khi thay đổi 3 sơ đồ đối lưu ngày 13/12/2011+120h
Để đánh giá thống kê, trong luận án đã tiến hành dự báo thử nghiệm cho 22
cơn bão tương ứng với 178 trường hợp được thống kê trong (Bảng 2.3) hoạt động trên khu vực nghiên cứu trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012.
Hình 3.4 Biểu đồ sai số vị trí tâm bão dự báo bằng mô hình RAMS
Kết quả đánh giá bước đầu chỉ ra rằng, phương án sử dụng mô hình RAMS với sơ đồ KUO cho kết quả tốt nhất tại các hạn dự báo. Đặc biệt tại hạn dự
báo 120 giờ sai số vị trí của phương án sử dụng mô hình RAMS với sơ đồ
KUO là 550 km. Tuy nhiên, sử dụng các sơ đồ đối lưu khác cho kết quả sai số
dọc và ngang rất khác nhau tức là hướng di chuyển của bão dự báo được thay đổi khi sử dụng sơ đồ đối lưu khác nhau. Vì vậy việc sử dụng cả 3 sơ đồ đối lưu cho hệ thống dự báo tổ hợp là cần thiết, nó góp phần tăng độ chính xác của dự báo.
86
a) b)
Hình 3.5 Biểu đồ sai số dọc (a) và ngang (b) của tâm bão dự báo bằng mô hình RAMS
Từ kết quả này, một cách hợp lý nhất là lựa chọn phương án sử dụng mô
hình RAMS với sơ đồ KUO để tham gia vào quá trình xây dựng trường ban đầu cho hệ thống dự báo tổ hợp bão. Sau khi xây dựng 6 trường ban đầu bằng phương pháp nuôi nhiễu, sẽ chạy mô hình với cả 3 sơ đồ đối lưu. Như vậy sẽ
tạo ra bộ dự báo tổ hợp 39 thành phần dự báo (gồm 1 số liệu GFS, 6 nhiễu dương, 6 nhiễu âm và 3 sơ đồ đối lưu).
3.1.2 Cấu trúc nhân ban đầu
Như đã giới thiệu trong phần trên, luận án chỉ tạo nhân ban đầu phục vụ
cho dự báo bão nên khi có phát báo bão tại các trung tâm quốc tế thì hệ thống
dự báo bão tổ hợp mới bắt đầu khởi động. Từ lý do trên, để tiết kiệm thời gian
nuôi nhiễu, trong luận án sử dụng phương pháp dự báo trễ để tạo ra các nhân ban đầu.
Để chứng minh nhân ban đầu có cấu trúc hơn so với nhân ngẫu nhiên, tiến
hành thí nghiệm tạo nhân ban đầu cho cơn bão Washi tại thời điểm 12h ngày 13/12/2011. Đã sử dụng số liệu GFS tại thời điểm (T-48), (T-42), (T-36), (T-
30), sau đó tích phân với các số liệu tại các thời điểm trên đến (T-24), tìm hiệu các trường nhiệt (t), gió (u,v) ở các mực tại thời điểm (T-24) từng đôi một. Kết quả sẽ nhân được 6 nhân ban đầu là D1, D2, …, D6 của ba trường (2
trường gió (u,v) và 1 trường nhiệt độ). Các nhân này được minh họa bằng trường nhiễu tốc độ gió và nhiệt tại mực 850 hpa ở Hình 3.6 và 3.7 và Hình 4.1 và 4.2 phần phụ lục.
87
Hình 3.6 Trường nhiễu tốc độ gió (m/s) của nhân D3 tại mực 850 hpa
Hình 3.7 Trường nhiễu nhiệt (độ K) của nhân D3 tại mực 850 hpa
88
hpa được tạo ra cho thấy độ lớn của nhiễuở khu vực bão của cả nhiễu trường
tốc độ gió và trường nhiệt là lớn, độ lớn của nhiễu trường tốc độ gió trong bão được xác định lên tới 21 m/s, trong khi độ lớn của nhiễu trường nhiệt
trong tâm bão lớn hơn 20
K tại mực 850 hpa. Độ lớn của nhiễu ở khu vực
ngoài bão là nhỏ hơn 3 m/s đối với nhiễu trường tốc độ gió và dưới 10
K với
nhiễu trường nhiệt độ mực 850 hpa. Để làm rõ hơn cấu trúc của nhiễu trường
tốc độ gió và trường nhiệt, đã tiến hành khảo sát biến động của 2 trường này
theo phương thẳng đứng và cắt qua 6 độ vĩ Bắc (khu vực cơn bão hoạt động) các trườngnày được thể hiện ở Hình 4.3, 4.4 phần phụ lục và Hình 3.8, 3.9.
Hình 3.8 Trường nhiễu tốc độ gió (m/s) của nhân D3 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011.
Từ kết quả hình 3.8 cho thấy độ lớn của nhiễu trường nhiễu tốc độ gió xảy
ra mạnh, lớn hơn 3 m/s và chủ yếu tại khu vực bão từ khoảng 138 đến 145E
và phát triển của vùng nhiễu này đến mực 200 hpa. Trong khi đó nhiễu xung
quanh khu vực này đều nhỏ hơn 3m/s. Đối với trường hợp này, độ lớn của
nhiễu trường tốc độ gió trong khu vực bão lớn. Tuy nhiên độ lớn của nhiễu trường tốc độ gió trên từng khu vực sẽ khác nhau tùy thuộc vào các mực.
89
6 độ Bắc cho thấy độ lớn của nhiễu trường nhiệt độ biến động lớn (khoảng 20 K) tại khu vực bão từ 135 đến 150E và khu vực sát đất (dưới 850 hpa).
Hình 3.9 Trường nhiễu nhiệt(độ K) của nhân D3 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011
So sánh các kết quả trên với phương án tạo nhân ban đầu bằng phân bố
chuẩn Gause với độ lớn của nhiễu trường tốc độ gió là 3 m/s và độ lớn của
nhiễu trường nhiệt 10
K (Hình 3.10). Kết quả cho thấy phương pháp tạo nhân ban đầu bằng phương pháp dự báo trễ được trình bày ở trên có cấu trúc hơn so
với phương án tạo nhân ban đầu bằng phân bố chuẩn Gause.
a) b)
Hình 3.10 Trường nhiễu nhiệt(độ K) và trường nhiễu tốc độ gió (m/s) tại mực 850hpa được
90
a) b)
Hình 3.11 Trường nhiễu nhiệt(độ K) và trường nhiễu gió (m/s) cắt qua vĩ tuyến 6Nđược tạo
từ phân bố chuẩn Gause với độ lớn của nhiễutrường gió là 3 m/s và nhiệt độ là 10C
Từ phân tích trên cho thấy, khi sử dụng nhân ban đầu bằng phương pháp dự
báo trễ, đã tạo ra trường ban đầu có cấu trúc và giúp cho hệ thống dự báo bão tiết kiệm được thời gian nuôi nhiễu. Các trường nhiễu ban đầu được tạo ra
trong luận án có cấu trúc khác với trường hợp sử dụng nhiễu ngẫu nhiên (Monte Carlo) với trường hợp cho nhiễu trường gió là 3 m/s trong nghiên cứu
của Võ Văn Hòa hay cho nhiễu ban đầu theo phân bố chuẩn trong nghiên cứu
của Kiều Quốc Chánh.
3.1.3 Ảnh hưởng của nhiễu môi trường tới quỹđạo dự báo
3.1.3.1 Phân tích quá trình phát triển của nhiễu môi trường trong 24 giờnuôi nhiễu nuôi nhiễu
Hoàn lưu của khí quyển xung quanh bão như dòng dẫn đường, gió mùa Tây Nam … ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và hướng di chuyển của bão. Vì vậy
cần thiết nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu môi trường tới dự báo quỹ đạo bão.
Đánh giá vai trò của nhiễu môi trường tới dự báo quỹđạo bão, luận án đã sử
dụng phương pháp nuôi nhiễu trên mô hình RAMS với sơ đồ đối lưu KUO. Phương pháp nuôi nhiễu môi trường được trình bày trong chương 2, miền xác
định nhiễu môi trường là 5S-35N và 100-150E. Để thấy rõ hơn về biến đổi
91
từ 12 giờ ngày 13 tháng 12 năm 2011 tới 12 giờ ngày 14 tháng 12 năm 2011. Độ biến động của các trường khí áp, gió và nhiệt trong 24 giờ nuôi được thể
hiện bằng các bản đồ ghép chồng các giá trị trung bình theo phương thẳng đứng của 12 thành phần tổ hợp. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.12 và hình 4.5 phần phụ lục. Trường nhiễu được nuôi là trường gió (u,v) và trường nhiệt độ, tuy nhiên trong quá trình nuôi các nhiễu này cũng ảnh hưởng tới các trường khác. Để thuận tiện cho phân tích sự phát triển của nhiễu, trong phần
này sử dụng trường địa thế vị.
Từ Hình 3.12 tại thời điểm bắt đầu nuôi, các nhiễu chủ yếu tập trung ở phần
phía Nam của miền tính, cụ thể là từ 5S đến 15N. Điều này được thể hiện trên bản đồ ghép chồng về trung bình khí áp theo phương thẳng đứng (Hình 3.12a). Đường khí áp 6090 hpa của 12 thành phần trải từ 5S đến 15 N. Sau 24
giờ nuôi nhiễu, khu vực có khí áp 6090 hpa này thu hẹp về phía Bắc, khu vực
có trị số khí áp này chỉ nằm từ 5N đến 15N (Hình 3.12b). Trong quá trình nuôi nhiễu, các nhiễu phát triển sẽ được giữ lại, còn các nhiễu không phát
triển sẽ bị mất đi nên kết quả cho thấy độ lớn và phân bố không gian của trường nhiễu địa thế vị.
a) b)
Hình 3.12 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24 và 00 giờ các của trường
92
3.1.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu môi trường tới quỹđạo bão dự báo hạn 5 ngày
Để làm rõ hơn vai trò của nhiễu môi trường tới quỹ đạo bão, đã phân tích
trường khí áp mực 850hpa của các hạn dự báo được vẽ trên Hình 3.13.
Từ bản đồ ghép chồng của 12 thành phần dự báo được tạo ra từ phương
pháp nuôi nhiễu môi trường cho thấy, do tác động của môi trường, trong 48
giờ đầu, tác dụng của nhiễu môi trường lên bão là nhỏ, các thành phần tổ hợp
gần như sát nhau, tuy nhiên hạn dự báo tăng, các thành phần tổ hợp bắt đầu
tán lớn ở các thời điểm từ 96 đến 120 giờ. Do ảnh hưởng của các nhiễu môi trường, bão có xu hướng dự báo bị đẩy dần về phía Nam, điều này được thể
hiện trên Hình 3.13f về quỹ đạo dự báo bão.
a) b)
93
e) f)
Hình 3.13 Bản đồ ghép chồng 12 thành phần của các hạn dự báo 24, 48, 72, 96 và 120 giờ
(a,b,c,d,e) tại mực H850 và quỹ đạo dự báo của các thành phần (f)trong trường hợp nuôi
nhiễu môi trường.
3.1.4 Ảnh hưởng của nhiễu xoáy tới quỹđạo bão dự báo
3.1.4.1 Phân tích quá trình phát triển của nhiễu xoáy trong 24 giờ nuôi nhiễu
Nghiên cứu nhiễu khu vực bão rất quan trọng trong quá trình dự báo bão. Bão có bán kính càng lớn và tốc độ gió xoáy càng mạnh thì nội lực của bão càng lớn. Khi bản thân nội lực rất lớn bão có thể di chuyển độc lập, không
phụ thuộc vào ngoại lực. Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu cho khu
vực bão bằng các phương pháp khác nhau, tuy nhiên hiện nay con người vẫn chưa thể mô tả được chính xác khu vực này. Trong mục này sẽ áp dụng