Luận văn Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF

Luận văn thạc sỹ Ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quĩ đạo bão trên Biển Đông bằng mô hình WRF LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Tân Tiến, là người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thủ trưởng phòng Bảo đảm hàng hải và các đồng chí trong phòng đã quan tâm động viên và tạo điều kiện về mọi mặt để tôi được học tập và nghiên cứu tại Khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc Gia Hà Nội. Tôi xin cảm ơn các Thầy, các Cô và các cán bộ trong khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý giá, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi để tôi học tập và làm việc tại Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ để tôi có thời gian hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Nguyễn Xuân Yên MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 ........................................................................................................................... 3 TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MÔ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO............................................................................. 3 1.1. Bão và dự báo quỹ đạo bão .......................................................................................... 3 1.1.1. Một số khái niệm và đặc trưng cơ bản về bão ........................................................ 3 1.1.2. Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình số ............................................................. 7 1.1.3. Ứng dụng mô hình số dự báo quỹ đạo bão ...........................................................10 1.2. Vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão ............................... 7 CHƯƠNG 2 ..........................................................................................................................22 MÔ HÌNH WRF VÀ ỨNG DỤNG TRONG DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO ..............................29 2.1. Mô hình WRF trong nghiên cứu và dự báo thời tiết.....................................................29 2.1.1. Hệ tọa độ thẳng đứng và các biến thông lượng ....................................................31 2.1.2. Sơ đồ tích phân theo thời gian ..............................................................................32 2.1.3. Tham số hóa vật lý ...............................................................................................32 2.1.4. Lưới lồng .............................................................................................................36 2.2. Áp dụng mô hình WRF trong dự báo quỹ đạo bão ......................................................41 2.2.1. Cấu hình miền tính và nguồn số liệu.....................................................................41 2.2.2. Lựa chọn cấu hình cho WRF để dự báo quỹ đạo bão ............................................42 2.2.3. Hiển thị trường kết quả mô phỏng ........................................................................43 2.2.4. Xác định tâm bão .................................................................................................43 2.2.5. Chỉ tiêu đánh giá..................................................................................................44 CHƯƠNG 3 ..........................................................................................................................31 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI ĐẾN KẾT QUẢ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG ..................................................................................46 3.1. Phương án thử nghiệm ảnh hưởng của độ phân giải trong mô hình WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão.................................................................................................................46 3.1.1. Tập số liệu nghiên cứu .........................................................................................46 3.1.2. Các trường hợp thử nghiệm .................................................................................47 3.2. Đánh giá ảnhh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão ......................48 3.2.1. Đánh giá trên một số cơn bão điển hình ...............................................................48 3.2.2. Đánh giá các cơn bão mạnh và các cơn bão yếu tại thời điểm dự báo ..................62 3.2.3. Đánh giá các cơn bão theo thời gian hoạt động ...................................................67 3.2.4. Đánh giá trên toàn bộ tập mẫu lựa chọn ..............................................................71 3.3. Sai số hệ thống............................................................................................................74 KẾT LUẬN...........................................................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................78 Page 1 MỞ ĐẦU Bão từ lâu đã là nỗi khiếp sợ đối với người dân vùng biển cũng như các ngư dân trên biển, và đặc biệt là các chiến sỹ Hải quân thường xuyên phải hoạt động trên biển vì mức độ nguy hiểm của bão cũng như sức mạnh và qui mô của nó. Mặc dù, bão đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều thập kỷ qua, nhưng cho đến nay vẫn chưa có một lý thuyết đầy đủ về các cơ chế chuyển động của bão. Thêm vào đó, dưới tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu hiện nay thì cường độ bão mạnh và phạm vi ảnh hưởng của bão đều có xu hướng tăng, đặc biệt là các cơn bão có quỹ đạo phức tạp cũng tăng lên gây nhiều khó khăn cho công tác dự báo. Vì thế, dự báo bão nói chung, dự báo quỹ đạo bão nói riêng luôn là đề tài được rất nhiều nhà dự báo và nghiên cứu khí tượng quan tâm. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khí tượng đã có rất nhiều nghiên cứu về bão dựa trên việc quan trắc thực nhiệm, nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu mô hình số và đã có những hiểu biết đầy đủ hơn về bão, dẫn tới những cải thiện đáng kể trong công tác dự báo. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, nhiều mô hình số khu vực đã được đưa vào nghiên cứu, thử nghiệm dự báo và bước đầu đã thu được một số kết quả nhất định góp phần quan trọng trong công tác dự báo thời tiết, đặc biệt là dự báo bão với độ chính xác được nâng lên rõ rệt. Một số mô hình số hiện đại có hỗ trợ nhiều ‘module’ cho các mục đích như cài xoáy giả, cập nhật số liệu địa phương, đồng hóa số liệu, tăng độ phân giải,… nhằm cải thiện sai số dự báo. WRF là một hệ thống bao gồm nhiều module khác nhau, linh hoạt và tối ưu cho cả mục đích nghiên cứu cũng như chạy nghiệp vụ. Ngoài ra, mô hình còn thường xuyên được cập nhật các phiên bản mới và có mã nguồn mở để người sử dụng, cũng như các nhà nghiên cứu có thể đưa thêm vào mô hình các sơ đồ tham số hóa vật lý khác nhau, điều kiện biên di động, hệ thống đồng hóa số liệu 3DVAR, hệ thống ban đầu hóa xoáy giả, và cấu hình miền lưới lồng ghép. Trong luận văn này, với mục đích khảo sát, đánh giá ảnh hưởng Page 2 của độ phân giải trong mô hình WRF đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông. Tôi đã lựa chọn cài đặt lưới lồng trong mô hình WRF với một miền thô có độ phân giải ngang 27km và một miền lồng nằm bên trong có độ phân giải ngang 9km. Việc tăng độ phân giải của mô hình WRF trong miền lồng với hy vọng mô hình có khả năng mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ mà với độ phân giải thô hơn khó có thể mô phỏng hết được. Nội dung của luận văn gồm các phần: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về bão nhiệt đới và vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão. Trong phần này, tôi trình bày khái quát một số đặc trưng về bão nhiệt đới và nghiên cứu gần đây về dự báo quỹ đạo bão của các mô hình số. Đưa ra một số nghiên cứu tiêu biểu về vai trò của độ phân giải trong các mô hình số dự báo quỹ đạo bão. Chương 2: Mô hình WRF và áp dụng để dự báo quỹ đạo bão. Trong phần này, tôi trình bày các đặc trưng cơ bản của mô hình WRF. Thiết lập cấu hình lưới lồng để thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão, đưa ra các công cụ hỗ trợ xử lý kết quả dự báo của mô hình. Chương 3: Phân tích và đánh giá vai trò của độ phân giải đến kết quả dự báo quỹ đạo bão trên biển Đông. Trong phần này, tôi trình bày các kết quả nghiên cứu thu được, phân tích hình thế synốp của một số cơn bão điển hình, và chỉ ra khả năng dự báo bão của mô hình WRF. So sánh và đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão khi có sử dụng lưới lồng và khi không sử dụng lưới lồng. Kết luận Tài liệu tham khảo Page 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ BÃO NHIỆT ĐỚI VÀ VAI TRÒ CỦA ĐỘ PHÂN GIẢI TRONG CÁC MÔ HÌNH SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO 1.1. Bão và dự báo quỹ đạo bão 1.1.1. Một số khái niệm và đặc trưng cơ bản về bão Định nghĩa: Bão ở nhiều nơi trên thế giới cũng có nhiều cách gọi khác nhau: ở vùng châu Á Thái Bình Dương bão được gọi là “Typhoon”; ở vùng Ấn Độ Dương người ta gọi bão là “Cyclone”; ở vùng Đại Tây Dương người ta gọi bão là “Uragan” hay “Hurricane”; ở châu Úc người ta gọi bão là “Villy-Villy”. Tất cả những tên gọi đó được quy tụ lại dưới một tên cơ bản chung là “Tropical Cyclone” – xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ). XTNĐ là một vùng gió xoáy, có đường kính tới hàng trăm ki-lô-mét, hình thành trên vùng biển nhiệt đới, gió thổi xoáy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và theo chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu, áp suất khí quyển (khí áp) trong XTNĐ thấp hơn nhiều so với xung quanh và thường là dưới 1000mb. Chuyển động xoáy vào tâm làm đối lưu phát triển mạnh, gây mưa to trên một khu vực rộng lớn, đôi khi còn kèm theo các hiện tượng thời tiết quy mô nhỏ khác như tố, lốc, vòi rồng. Theo Atkinson : “Bão là xoáy thuận qui mô synốp không có front, phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hoàn lưu xác định”. Phân loại bão: Tùy theo tốc độ gió mạnh nhất ở vùng gần trung tâm mà Tổ chức Khí tượng thế giới quy định phân loại XTNĐ thành: áp thấp nhiệt đới (Tropical Depression – viết tắt là TD); bão nhiệt đới (Tropical Storm – TS); bão mạnh (Severe Tropical Storm – STS); bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane). Phân loại bão theo cấp gió được cho trong Bảng 1.1. Page 4 Bảng 1.1. Phân loại bão theo cấp gió STT Cấp bão Gió cực đại (m/s) Cấp gió (cấp Beaufort) 1 Áp thấp Nhiệt đới 1.17 6-7 2 Bão 17.2-24.4 8-9 3 Bão mạnh 24.5 – 32.6 10-11 4 Bão rất mạnh 7.32 12 Đối với bão rất mạnh, có thể phân chia thành 5 cấp theo thang Saffir – Simpson. Tuy nhiên, giữa Hurricane và Typhoon có sự phân chia 5 cấp với tốc độ gió duy trì cực đại hơi khác nhau như trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Thang SaffirSimpson Cấp Gió duy trì cực đại (m/s) Thiệt hại khả năng Hurricane Typhoon 1 3342 3037 Không thiệt hại đáng kể về các công trình. Các thiệt hại chủ yếu đối với tàu bè không neo đậu, cây cối và có thể gây lụt ở gần bờ. 2 4349 3843 Thiệt hại đáng kể đối với tàu bè nhỏ, hoa màu. Lụt lội có thể gây thiệt hại đối với các bến cảng và tàu thuyền không neo đậu chắc chắn. 3 5058 4451 Gây một số thiệt hại đối với các nhà và công trình nhỏ, có thể một số công trình lớn hơn. Lụt gần bờ, có thể gây lụt ở trong đất liền. 4 5969 5261 Các công trình bị thiệt hại nặng nề, ven biển bị xói lở. Có thể gây lụt ở trong đất liền. 5 ≥70 ≥62 Nhiều công trình công nghiệp và nhà ở bị phá hủy hoàn toàn. Các công trình nhỏ có thể bị thổi bay. Lụt lội gây thiệt hại nặng nề đối với các vùng ven bờ và có thể cần di tản dân cư. Page 5 Tất cả những phân loại hệ thống XTNĐ trên đây chủ yếu dựa vào tốc độ gió cực đại, không nêu được bản chất vật lý của quá trình. Mặt khác, những thông tin về gió ở vùng gần tâm bão không phải lúc nào cũng nhận được một cách chính xác. Để có được nhận thức tương đối đầy đủ về bão nhiệt đới cần phải nắm được quy luật hình thành, bản chất về cấu trúc và các đặc trưng của bão. Sự di chuyển của bão Sự di chuyển của bão nhiệt đới là kết quả tương tác phức tạp giữa những tác nhân bên trong và bên ngoài trên quy mô ngang khác nhau. Ảnh hưởng bên trong bao gồm quy mô bão và tương tác phi tuyến giữa hoàn lưu xoáy và môi trường. Tốc độ quay của bão càng lớn thì phạm vi của bão và nội lực của bão càng lớn, bão cũng có khả năng di chuyển theo tác động của nội lực. Có trường hợp bão cắt ngang qua áp cao cận nhiệt, nghĩa là cắt ngang qua dòng dẫn đường và di chuyển về phía cực. Michael Fiorino và Russell L. Elsberry (1988) khi nghiên cứu ảnh hưởng của cấu trúc xoáy có liên quan tới sự di chuyển của xoáy thuận nhiệt đới, kết quả cho thấy sự di chuyển của xoáy có liên quan với dòng khí nằm giữa khoảng cách 300km và 1000km từ tâm xoáy. Nếu các dòng khí trong vùng này trở nên xoáy hơn thì quỹ đạo xoáy có xu hướng chuyển dịch về phía tây hơn trong bán cầu bắc [21]. Ảnh hưởng bên ngoài quan trọng nhất là dòng dẫn đường. Ở miền nhiệt đới, dòng dẫn đường đối với bão chủ yếu là dòng khí ở rìa phía nam, phía tây và tây bắc của áp cao cận nhiệt. Tuy nhiên, dòng dẫn này thay đổi theo không gian và thời gian. Những biến đổi trong hoàn lưu quy mô lớn và các hệ thống synop gần kề cũng ảnh hưởng tới dòng dẫn. Một vấn đề quan trọng cần giải quyết đầu tiên là xác định mực dòng dẫn đường phù hợp nhất đối với bão. Kết quả nghiên cứu của nhiều chuyên gia đã chỉ ra rằng do trọng tâm của bão nằm ở gần mặt đất nên dòng dẫn đường không thể nằm ở quá cao. Các kết quả tính toán mối tương quan giữa đường đi của bão và dòng dẫn mực 300 mb đều không cho kết quả tốt. Page 6 Theo Car, Elsberry, về mặt định lượng dòng dẫn đường được lấy trung bình trong một số lớp có quan hệ chặt chẽ nhất với chuyển động của bão, mực dòng dẫn đường phụ thuộc vào cường độ bão thông qua tốc độ gió cực đại như bảng dưới đây: Bảng 1.3. Mối quan hệ giữa mực dòng dẫn đường với cường độ bão Cường độ bão Tốc độ gió cực đại (m/s) Mực dòng dẫn đường (mb) Xoáy mực thấp Áp thấp nhiệt đới Bão Bão mạnh Bão rất mạnh < 12,5 m/s 12,5- 15 m/s 17,5- 30 m/s 32,5- 62,5 m/s 65- 90 m/s 850 mb 700 mb 700 mb 500 mb 400 mb Như vậy là bão càng mạnh, mực dòng dẫn đường phù hợp càng nằm ở độ cao lớn hơn. Đối với các cơn bão rất mạnh do không thường xuyên thiết lập bản đồ AT400 nên có thể dùng bản đồ AT500 để xác định mực dòng dẫn đường cho bão. Đường đi của bão khu vực tây bắc Thái Bình Dương dịch xuống phía nam cùng với dải hội tụ nhiệt đới và dòng dẫn đường ở rìa phía nam của cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương như minh hoạ bằng các quỹ đạo trung bình của bão trên Hình 1.1. Hình 1.1. Quỹ đạo bão trung bình nhiều năm ở Biển Đông và ven biển Việt Nam và vị trí trung bình của dải hội tụ nhiệt đới (Alat khí tượng thuỷ văn Việt Nam, 1994). Page 7 Từ Hình 1.1 ta thấy quỹ đạo ở vị trí nam nhất là vào tháng 5 với tần suất bão rất nhỏ vào thời điểm bắt đầu mùa gió mùa tây nam và hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới. Quỹ đạo trung bình của bão và dải hội tụ nhiệt đới đều liên quan với dòng tín phong phía nam và cực tây của áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương nên hai đường này có xu thế trùng nhau, nhất là vào tháng 9 khi bão có tần suất cực đại [7]. Một số khái niệm cơ bản về bão được trình bày ở đây nhằm phục vụ việc phân loại và định hướng khảo sát, đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo bão của mô hình WRF đối với từng loại bão trong chương sau. 1.1.2. Dự báo quỹ đạo bão bằng các mô hình số Trước đây, dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới ở hầu hết các trung tâm dự báo trên thế giới đều dựa trên kinh nghiệm dự báo và sự đánh giá hình thế synop của họ. Từ những năm 1990, cùng với sự cải tiến đáng kể kỹ xảo dự báo số, đặc biệt với công nghệ dự báo tổ hợp được xây dựng dựa trên nhiều mô hình động lực đã minh chứng sự tiến bộ đáng kể việc dự báo chủ quan quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới và sai số dự báo đã giảm đáng kể. Theo nghiên cứu của Bangzhong Wang, Yinglong Xu và Baogui Bi (2007) [31] thì đến nay sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới trong 24 giờ, 48 giờ, 72 giờ tương ứng là 140 km, 250 km, 380 km như được biểu diễn trong Hình 1.2. Hình 1.2. Trung bình sai số dự báo quỹ đạo xoáy thuận nhiệt đới tại cơ quan khí tượng Trung Quốc với hạn dự báo 24h, 48h, 72h từ năm 1991 đến năm 2005 (đơn vị km). Page 8 Theo các tài liệu đã công bố trên thế giới thì mức sai số trung bình về dự báo quỹ đạo của một số trung tâm trên thế giới như Bảng 1.4 sau: Bảng 1.4. Sai số dự báo của một số trung tâm dự báo trên Thế giới (nguồn từ JMA ) Khu vực Sai số vị trí theo thời gian (hải lý) Thời gian lấy số liệu thống kê 0h 12h 24h 36h 48h 72h 96h 120h Bắc Đại Tây Dương 7.9 38.8 68 96.4 125.9 186.5 235.7 * 310.2* 2000-2004 Đông bắc Thái Bình Dương 9.6 35.4 62.1 86.2 107.6 154.4 210.8* 273.7* 2000-2004 Tây bắc Thái Bình Dương 14 42 72 100 126 182 241* 326* 2000-2004 Bắc Ấn Độ 15 49 78 104 129 192 N/A N/A 2000-2004 Nam bán cầu 14 42 77 107 137 204 N/A N/A 2000-2004 Hiện nay, dự báo quỹ đạo bão gồm các phương pháp chính: Phương pháp synốp, phương pháp thống kê, phương pháp số trị. Ngoài ra, các sản phẩm thu được từ vệ tinh và radar cũng được sử dụng để dự báo quỹ đạo bão. - Phương pháp dự báo synốp: chủ yếu dựa vào việc phân tích các bản đồ hình thế thời tiết, dựa trên khái niệm dòng dẫn đường với giả thiết xoáy bão được đặt vào trường môi trường (dòng nền) và di chuyển với dòng nền này. Phương pháp này cho kết quả dự báo tốt đối với hạn dự báo ngắn 12h-24h, song lại có nhược điểm là mang tính chủ quan, phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của các dự báo viên. - Phương pháp dự báo thống kê: dựa trên mối quan hệ thống kê giữa tốc độ và hướng di chuyển của xoáy bão với các tham số khí tượng khác nhau, người ta đã xây dựng được các phương trình dự báo quỹ đạo bão. Hiện nay, phương pháp này cho kết quả có thể chấp nhận được đối với các cơn bão ở khu vực có tần suất bão tương đối Page 9 cao. - Phương pháp dự báo số trị: là phương pháp dựa trên việc giải các phương trình toán học mô tả trạng thái của khí quyển để đưa ra các yếu tố thời tiết trong khoảng thời gian cần dự báo. Phương pháp này có ưu điểm là cho phép tích phân các phương trình mô tả động lực học khí quyển một cách khách quan, tính được các biến khí tượng một cách định lượng. Các mô hình thủy động lực học được xây dựng từ đơn giản đến phức tạp dựa trên việc tích phân theo thời gian hệ các phương trình thủy động lực học trong môi trường khí quyển và lý thuyết về cấu trúc và chuyển động của bão. Đặc điểm của các mô hình loại này là mô tả đầy đủ các quá trình vật lý tác động đến chuyển động của bão trong quá trình tương tác và phát triển của chúng, song lại đòi hỏi về điều kiện số liệu và phương tiện tính toán. Mặc dù, các mô hình số đã được cải tiến đáng kể nhưng chất lượng dự báo vẫn còn hạn chế. Một trong những nguyên nhân hạn chế xuất phát từ việc các mô hình dự báo khu vực thường sử dụng kết quả phân tích và dự báo của mô hình toàn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên. Hơn nữa, do mạng lưới quan trắc trên vùng biển nhiệt đới rất thưa thớt và do chính cấu trúc toán lý, cũng như độ phân giải rất thô nên trong các mô hình toàn cầu tâm xoáy bão ban đầu thường bị sai lệch vị trí và có cường độ yếu hơn so với xoáy bão thực tế. Để khắc phục những hạn chế này nhằm nâng cao chất lượng dự báo bão, người ta có thể tập trung vào một số hướng nghiên cứu chính như sau: - Thay đổi các p