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 mô 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
37
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, toàn 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) và mực cao từ 300 hPa trở lên. Các thử nghiệm này nhằm nghiên cứu việc dự báo quĩ đạo bão phụ thuộc nhƣ thế nào vào lớp dòng dẫn trên cao của môi trƣờng.
38
Chƣơng 4
KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN 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 Đông 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) [7] 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 xoáy với xoáy.
Hình 4.1 Các quĩ đạo của Megi (6h một) từ số liệu phân tích (đƣờng màu đen) và dự báo 3 ngày tại thời điểm 0000 UTC ngày 17 (đƣờng màu xanh nhạt), 0000 UTC ngày 18 (đƣờng màu đỏ), 1200 UTC ngày 18 (đƣờng
39
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 xoáy 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 mô hình xoáy điều chỉnh với môi trƣờng xung quanh trƣớc khi phát triển động lực. Thêm vào đó, độ phân giải thô cũng góp phần làm hạn chế kĩ năng dự báo cƣờng độ.
Hình 4.2 Tốc độ gió cực đại bề mặt quan trắc đƣợc (đƣờng nét đứt) và tốc độ gió cực đại dự báo (đƣờng 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 tiên, yếu tố chính quyết định đến là xoáy ban đầu kém mặc dù vậy dự báo cƣờng độ ở các thời điểm này cũng cho thấy xu thế khá gần với quan trắc thực. Trong thí nghiệm tổ hợp tiếp theo, các chu kì dự báo 0000 UTC và 1200
40
UTC ngày 18 có sai số quĩ đạo 3 ngày lớn nhất sẽ đƣợc, nhằm đánh giá việc dự báo cƣờng độ Megi khi sử dụng số liệu gió AMV.
4.2 Thí nghiệm tổ hợp
Để xem xét khả năng nắm bắt hoàn lƣu quy mô lớn của vectơ gió quan trắc AMW và vectơ gió trƣờng nền GFS, Hình 4.3 sẽ biểu diễn vectơ gió của hai bộ số liệu này ở các mực 750hPa, 300hPa, 250hPa, 200hPa tại thời điểm xoáy xuất hiện rõ nét trên ảnh mây vệ tinh (hình 3.2) lúc 1200 UTC ngày 18/10.
Hình 4.3 Gia số phân tích sử dụng đồng hóa số liệu gió vệ tinh (cán gió màu xanh), gia số quan trắc gió (cán gió màu đen) tại thời điểm 1200 UTC ngày 18
cho các mực 750hPa, 300 hPa, 250 hPa, 200 hPa khảo sát với độ dày là 30 hPa.
Mặc dù số lƣợng 21 thành phần dự báo tham gia trong thí nghiệm tổ hợp là nhỏ, các gia số gió phân tích thu đƣợc từ hệ thống WRF-LETKF là tốt
(a)
(d) (c)
41
so với các quan trắc trong cả hƣớng và độ lớn. Lƣu ý rằng, do sự phân bố không đồng đều của số liệu quan trắc với mật độ số liệu dày hơn ở các mực trên cao, quy mô hiệp phƣơng sai địa phƣơng (covariance localization scale) không thể đƣợc đặt quá lớn (khoảng 800 km trong tất cả các thí nghiệm tổ hợp) nhằm ngăn ảnh hƣởng của các quan trắc cách xa điểm lƣới đƣợc đồng hóa. Ngoài ra, tƣơng quan chéo giữa các vectơ gió và các biến khác có chứa một phần đáng kể nhiễu. Kết quả là các gia số phân tích về cơ bản giới hạn trong khu vực lân cận điểm quan trắc.
Hình 4.4 (bên trái) Dự báo 00Z ngày 18/10/2010, Hình 4.5 (bên phải) Dự báo 12Z ngày 18/10/2010 (a) Dự báo quĩ đạo bão trung bình (đƣờng liền
gạch chéo) , dự báo CTL (đƣờng liền chấm tròn), quĩ đạo bão thực (nét đứt gạch chéo), quĩ đạo của các member (đƣởng mảnh).
Hình 4.4 và Hình 4.5 chỉ ra các dự báo quĩ đạo tổ hợp tại các thời điểm 0000 UTC và 1200 UTC ngày 18 với toàn bộ số liệu ggió AMW đã đồng hóa. Hình vẽ cho thấy có sự cải thiện đáng kể trong dự báo quĩ đạo mô hình đã nắm bắt đƣợc sự đổi hƣớng tại thời điểm 1200 UTC ngày 20, cũng nhƣ tốc độ di chuyển của Megi. Sai số dự báo 3 ngày từ 410 km trong dự báo tất định xuống còn 350 km trong dự báo tổ hợp (Hình 4.4) tại thời điểm 0000 UTC ngày 18, và từ 405 km xuống 160 km tại thời điểm 1200 UTC ngày 18 (Hình 4.5).
42
Về dự báo cƣờng độ, Hình 4.6 và Hình 4.7 cho thấy cƣờng độ trung bình tổ hợp là mạnh hơn so với dự báo tất định cho cả hai chu kì 0000 UTC và 1200 UTC ngày 18. Một đặc điểm đáng chú ý của dự báo cƣờng độ đó là sự phân nhánh bắt đầu khoảng 0000 UTC ngày 19, tại thời điểm này khoảng một nửa số thành phần tổ hợp có cƣờng độ mạnh hơn trong khi số còn lại có cƣờng độ yếu hơn. Các thành phần có cƣờng độ dự báo cao hơn đều có một điểm chung là đều sử dụng sơ đồ tham số hóa mây đối lƣu Kain-Fritsch (nhƣng với sự kết hợp khác nhau của bức xạ sóng ngắn hoặc các sơ đồ vi vật lí). Một nửa số thành phần dự báo cƣờng độ thấp có cùng sơ đồ tham số hóa mây đối lƣu Bett-Miler-Janjic. Sơ đồ đối lƣu KF tạo ra cƣờng độ bão mạnh hơn trong khi sơ đồ BMJ có cƣờng độ bão yếu hơn trong tất cả các dự báo tổ hợp, điều này khá phù hợp với các nghiên cứu dự báo cƣờng độ bão và dự báo mƣa lớn (Davis và Bosart 2002 [9]; Ratnam và Kumar 2005). Việc đánh giá cƣờng độ bão cao trong sơ đồ KF có thể liên quan tới sự tăng cƣờng của dòng xoáy nghịch đi ra trên cao do tăng cƣờng của dòng thăng qui mô đối lƣu.
Một đặc điểm nữa của dự báo tổ hợp, đó là các thành phần dự báo trong sơ đồ KF có xu hƣớng không lệch về phía Đông nhƣ trong BMJ, bão đƣợc tạo ra bởi sơ đồ KF mạnh hơn do bị ảnh hƣởng của dòng gió Tây nhiều hơn là dòng gió Đông trên cao. Nhìn chung, dòng môi trƣờng mực 800 hPa tới 300 hPa là lớp thống trị sự di chuyển của bão, đối với các cơn bão đủ mạnh có thể mở rộng tới độ cao đủ lớn, mực trên cao có thể ảnh hƣởng tới quĩ đạo. Trong trƣờng hợp dòng quy mô lớn trên cao là gió Đông, các thành phần dự báo cƣờng độ mạnh hơn trong TN1 có khả năng phục hồi hơn, trƣớc những tác động của dòng gió Tây mực thấp kết hợp với rãnh trên cao nguyên Tibet. Có thể thấy ở đây sự tƣơng quan lẫn nhau giữa dự báo cƣờng độ và quĩ đạo, cƣờng độ của Megi trong TN1 giải thích cho khả năng phục hồi mạnh của bão
43
về phía Đông của dòng mực thấp trong khi quĩ đạo lệch ít về phía Đông có thể luôn luôn giúp bão đổi hƣớng trong môi trƣờng ít bị cắt hơn để phát triển xa hơn.
Hình 4.6 (bên trái) Dự báo 00Z ngày 18/10/2010, Hình 4.7 (bên phải) Dự báo 12Z ngày 18/10/2010 (a) Tốc độ gió cực đại 10m của tổ hợp các member
(đƣờng mảnh), tốc độ gió cực đại trung bình của các member (đƣờng liền đậm) và quan trắc gió cực đại (đƣờng nét đứt); (b) Cũng giống nhƣ hình (a)
nhƣng đối với áp suất cực tiểu bề mặt.
Để xem xét thêm sự khác biệt trong dòng quy mô lớn giữa thí nghiệm CTL và thí nghiệm tổ hợp thứ nhất (TN1) tại thời điểm 0000 UTC ngày 20 khi Megi đổi hƣớng, ta quan sát trên Hình 4.7 so sánh mặt cắt ngang của độ cao theo thời gian trong miền (10oN-25oN, 110oE-125oE) bao phủ toàn bộ quĩ đạo bão tại thời điểm 1200 UTC ngày 18/10.
(b) (a)
44
Hình 4.8 Sơ đồ độ cao theo thời gian của dòng dẫn trung bình trong miền (10o
-25oN, 110o-125oE) (a) thí nghiệm CTL, (b) thí nghiệm đồng hóa với số liệu CIMSS. Đƣờng nét đứt biểu thị khoảng thời gian dự báo control
bắt đầu lệch khỏi quan trắc.
Đây là thời điểm quan trọng nhất để theo dõi quĩ đạo Megi trong khoảng 1800 UTC ngày 18/10 đến 0000 UTC ngày 20/10. Thời gian này, dòng môi trƣờng trong thí nghiệm CTL là dòng hƣớng tây từ 700 hPa lên đến 400 hPa trong khi dòng môi trong TN1 có hƣớng tây nam, điều này phù hợp với việc giảm sai số quĩ đạo bão trong Hình 4.4 và Hình 4.5. Do dòng môi trƣờng bão trong khu vực Tây bắc Thái Bình Dƣơng đƣợc xác định chủ yếu vào sự giao tranh giữa rãnh trên khu vực Trung Quốc từ phía đông của cao nguyên Tây Tạng với áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dƣơng, đây có thể là cơ chế vật lý chính chi phối sự thay đổi dòng dẫn trong Hình 4.8.
Quan sát Hình 4.9 biểu diễn mặt cắt ngang của độ cao địa thế vị tại mực 500 hPa ở thí nghiệm CTL và TN1 lúc 1800 UTC ngày 18, 0000 UTC ngày 20. Từ hình vẽ có thể quan sát thấy sự thay đổi trong hình thế quy mô lớn đƣợc kết hợp với sự mở rộng về phía Tây của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dƣơng trong TN1.
45
Hình 4.9 Độ cao địa thế vị tại mực 500 hPa hình bên trái thí nghiệm CTL, hình bên phải thí nghiệm đồng hóa tại các thời điểm (a) 1200 UTC ngày
19; (b) 1800 UTC ngày 19 và (c) 0000 UTC ngày 20.
Lƣỡi áp cao cận nhiệt đƣờng 5875 gpm trong thí nghiệm TN1 đạt tới 130o
E trong khí nó chỉ ở khoảng 128oE lúc 1800 UTC ngày 19 trong thí nghiệm
(a)
(b)
46
CTL. Ngoài ra, vùng có độ cao địa thế vị lớn hơn 5880 gpm trong TN1 là lớn hơn trong thí nghiệm CTL đã cho thấy áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dƣơng trong TN1 mạnh hơn. Sự mở rộng và tăng cƣờng của ACCN Tây Thái Bình Dƣơng có thể quan sát đƣợc trong toàn bộ thời gian từ 1800 UTC ngày 18 – 0000 UTC ngày 20/10, tƣơng ứng với sự tăng cƣờng của dòng Đông nam trên rìa phía Nam của ACCN. Điều này đã bù đắp dòng mạnh phía Tây kết hợp với rãnh vĩ độ trung bình trên khu vực trung tâm Trung Quốc, dẫn tới dòng phía Tây yếu đi trong TN1. Kết quả bão Megi không bị đẩy quá mạnh về phía Đông chính vì vậy mà dự bão quĩ đạo tốt hơn (Hình 4.5).
Ngoại trừ không có khả năng nắm bắt xoáy yếu ở các thí nghiệm tổ hợp, có thể thấy rằng trung bình tổ hợp đã chỉ ra có sự liên kết chặt chẽ với quan trắc đƣợc thêm vào so với dự báo tất định trong cả độ lớn của vận tốc gió cực đại (vmax) và giai đoạn tựa dừng. Mặc dù thời điểm ban đầu xoáy yếu, nhƣng TN1 nhằm minh họa dự báo quĩ đạo tốt hơn, đóng vai trò trong việc dự báo cƣờng độ bão. Trong khi các yếu tố khác có thể quyết định đến cƣờng độ bão nhƣ nhiệt độ mặt biển, sự cung cấp độ ẩm, độ đứt gió thẳng đứng, hay tƣơng tác địa hình, sự khác biệt nhất của dòng quy mô lớn giữa thí nghiệm CTL và TN1 thu đƣợc là ít lệch phía Đông của quĩ đạo sau 1200 UTC ngày 19. Trong Hình 4.10 độ đứt thẳng đứng giảm từ 7.3 m/s trong thí nghiệm CTL xuống còn 6 m/s từ 1200 UTC ngày 19 tới 0000 UTC ngày 20 trong khi Megi đạt trạng thái tựa tĩnh.
47
Hình 4.10 Mô phỏng độ lớn trung bình của độ đứt thẳng đứng giữa mực 200 và 850 hPa trong thí nghiệm CTL (đƣờng liền), trong TN1 (đƣờng nét
đứt)
Trong thí nghiệm TN1, áp cao cận nhiệt đới Tây Bắc Thái Bình Dƣơng mở rộng về phía Tây sau khi trƣờng ban đầu đƣợc đồng hóa bằng số liệu vệ tinh. Các vectơ gió đồng hóa phân bố chủ yếu ở mực trên cao (lớn hơn 300 hPa) chứ không phải ở các mực thấp nơi mà bị ACCN ảnh hƣởng nhiều nhất. Hình 4.11 chỉ ra sự phân bố của gió ở mực thấp tập trung chủ yếu từ mực 800 hPa tới 300 hPa và tƣơng tự lớp trên cao tập trung từ mực 300 hPa tới 50 hPa.
Hình 4.11 Đồng hóa số liệu vệ tinh mực thấp 800-300 hPa (bên trái), mực cao 300 -80 hPa (bên phải)
48
Có thể thấy gió mực thấp xoáy nằm xa trung tâm của Megi, trong khi gió ở mực cao tập trung trong hoàn lƣu chính với xoáy nghịch chiếm ƣu thế. Chính sự phân bố của gió vệ tinh đƣa ra hai vấn đề: một là, vai trò quan trọng của dòng môi trƣờng mực thấp dƣờng nhƣ cho thấy gió AMW góp phần tới quĩ đạo bão mặc dù các điểm dữ liệu thƣa thớt. Mặc khác, với hơn 80% các điểm quan trắc đƣợc thêm vào ở mực cao nhƣ trong Hình 4.11, đƣợc dùng để đánh giá ảnh hƣởng của gió mực cao tới quĩ đạo và cƣờng độ Megi. Để kiểm tra mối quan hệ của gió AMW mực cao so với gió AMW mực thấp tới dự báo Megi, hai thí nghiệm sẽ đƣợc tách ra trong phần sau.
Hình 4.12 dự báo quĩ đạo tổ hợp trong hai thí nghiệm mực thấp và mực. Mặc dù, có ít điểm quan trắc nhƣng gió AMV mực thấp có thể giúp cải thiện đƣợc quĩ đạo Megi tốt nhƣ là sự phân bố dày đặc của gió AMV mực cao, sai số quĩ đạo trung bình 3 ngày là 175 km và 188 km tƣơng ứng với hai thí nghiệm trên (dù dự báo quĩ đạo trung bình tổ hợp trong thí nghiệm mực thấp gần với quĩ đạo thực hơn trong TN1, nhƣng sai số quĩ đạo dọc lại lớn hơn hẳn do tốc độ di chuyển chậm hơn trong TN1).
Hình 4.12 Dự báo quĩ đạo Megi với đồng hóa gió AMV mực thấp (hình trái) và mực cao (hình phải).
49
trong thí nghiệm mực thấp, đã cho thấy sự lệch đáng kể về phía Đông của thành phần tổ hợp trong thí nghiệm mực cao. Xem xét hình thế của ACCN Tây Thái Bình Dƣơng, có thể thấy số liệu AMV mực thấp hiệu quả nhất trong việc tăng cƣờng và mở rộng về phía Tây của ACCN Tây Thái Bình Dƣơng. Nhƣ trong Hình 4.13, sự phân bố của ACCN Tây TBD trong mực thấp rất gần với quan sát trong thí nghiệm 1 với đƣờng độ cao địa thế vị 5875 gpm gần 130oE, trong khi thí nghiệm mực cao thì hầu nhƣ không vƣợt qua đƣợc kinh độ 130o
E. Điều này có thể chỉ ra rằng một số ít các quan trắc mực thấp trong dòng môi trƣờng ở xa tâm bão có thể giúp cải thiện đáng kể dòng dẫn bão.
So sánh thí nghiệm mực cao và thí nghiệm CTL, mặc dù cả hai thí