Luận văn Khả năng dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF

LUẬN VĂN THẠC SỸ Khả năng dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF 1 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 và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các Thầy 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 báu, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành ở Khoa. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ và toàn thể các đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo điều kiện và bố trí thời gian để tôi có thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện cho 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. Nguyễn Tiến Toàn 2 MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 10 1.1 Tổng quan về dự báo mưa bằng phương pháp số .......................................... 10 1.2 Các quy định về mưa lớn diện rộng .............................................................. 14 1.2.1 Quy định về mưa lớn .............................................................................. 14 1.2.2 Quy định về mưa lớn diện rộng .............................................................. 14 1.3 Hình thế gây mưa lớn tại Trung Bộ do không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới......................................................................................................................... 15 1.3.1 Những nét đặc trưng của không khí lạnh ở các tỉnh miền trung............. 15 1.3.2 Dải hội tụ nhiệt đới ................................................................................. 16 1.3.2.1 Khái niệm......................................................................................... 16 1.3.2.2 Một số đặc trưng của dải hội tụ nhiệt đới ........................................ 16 1.3.3 Mô hình synop đặc trưng không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới gây ra mưa lớn Trung Bộ trong những tháng mùa đông ........................................ 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH WRF VÀ ÁP DỤNG ĐỂ DỰ BÁO MƯA LỚN Ở TRUNG TRUNG BỘ ............................................................................................... 20 2.1 Mô hình dự báo thời tiết WRF ....................................................................... 20 2.1.1 Cấu trúc của mô hình WRF .................................................................... 20 2.1.2 Các quá trình vật lý trong mô hình ......................................................... 21 2.1.2.1 Vật lí vi mô ...................................................................................... 22 2.1.2.2 Đối lưu mây tích .............................................................................. 22 2.1.2.3 Lớp bề mặt ....................................................................................... 23 2.1.2.4 Lớp biên hành tinh........................................................................... 23 2.1.2.5 Bức xạ khí quyển ............................................................................. 23 2.1.2.6 Sơ đồ tương tác giữa các quá trình vật lí ......................................... 24 2.2 Cập nhật số liệu địa phương trong mô hình WRF ......................................... 24 2.2.1 Phương pháp Cressman .......................................................................... 24 2.2.2 Các Kỹ thuật sử dụng trong OBSGRID.................................................. 27 2.3 Nguồn số liệu, cấu hình miền tính dự báo mưa bằng mô hình WRF............. 28 2.3.1 Cấu hình được lựa chọn .......................................................................... 28 2.3.2 Nguồn số liệu .......................................................................................... 28 2.3.3 Các bước cập nhật số liệu địa phương .................................................... 31 2.4 Phương pháp xây dựng hồi qui có lọc và các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo lượng mưa ............................................................................................................ 32 3 2.4.1 Xây dựng phương trình dự báo mưa ....................................................... 32 2.4.1.1 Phương pháp xây dựng phương trình hồi qui có lọc ....................... 32 2.4.1.2. Nguyên tắc xây dựng phương trình hồi qui.................................... 32 2.4.2 Phương pháp đánh giá ............................................................................ 33 2.4.2.1 Đánh giá tỷ số giữa vùng dự báo và vùng thám sát......................... 33 2.4.2.2 Xác suất phát hiện............................................................................ 33 2.4.2.3 Tỷ phần dự báo phát hiện sai........................................................... 33 2.4.2.4 Điểm số thành công ......................................................................... 34 2.4.2.5 Độ chính xác .................................................................................... 34 CHƯƠNG 3: ............................................................................................................. 35 KẾT QUẢ DỰ BÁO MƯA LỚN DO KHÔNG KHÍ LẠNH KẾT HỢP VỚI DẢI HỘI TỤ NHIỆT ĐỚI TỪ 1 ĐẾN 3 NGÀY BẰNG MÔ HÌNH WRF..................... 35 3.1 Phương trình hồi qui dự báo lượng mưa ............................................................ 35 3.1.1 Phương trình dự báo lượng mưa 24h ...................................................... 35 3.1.1.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 35 3.1.1.2 Khu vực Quảng Trị .......................................................................... 37 3.1.1.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 39 3.1.1.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 40 3.1.1.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 41 3.1.1 Phương trình dự báo 48h......................................................................... 43 3.1.2.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 43 3.1.2.2 Khu vực Quảng Trị .......................................................................... 44 3.1.2.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 45 3.1.2.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 47 3.1.2.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 48 3.1.3 Phương trình dự báo 72h......................................................................... 50 3.1.3.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 50 3.1.3.2 Khu vực Quảng Trị .......................................................................... 52 3.1.3.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 53 3.1.3.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 55 3.1.3.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 56 3.2 Nhận xét kết quả xây dựng phương trình....................................................... 58 3.2.1 Phân tích đợt mưa độc lập từ ngày 21-24/10/2009................................. 58 3.2.1.1 Hình thế Synop : .............................................................................. 58 3.2.1.2 Nhận xét kết quả dự báo lượng mưa................................................ 60 4 3.2.2 Đánh giá dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với ITCZ tại khu vực Trung Trung Bộ bằng các chỉ số thống kê. ............................................... 64 3.3. Quy trình dự báo mưa lớn ............................................................................. 76 3.3.1 Xác định hình thế. ................................................................................... 76 3.3.2 Chạy mô hình .......................................................................................... 76 3.3.3 Sử dụng phương trình hồi qui dự báo lượng mưa tại các trạm ............... 76 3.3.3.1 Phân vùng Quảng Bình.................................................................... 76 3.3.3.2 Phân vùng Quảng Trị....................................................................... 77 3.3.3.3 Phân vùng Thừa Thiên_Huế............................................................ 77 3.3.3.4 Phân vùng Quảng Nam – Đà Nẵng ................................................. 78 3.3.3.5 Phân vùng Quảng Ngãi.................................................................... 78 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 81 5 Danh mục hình vẽ Hình 2.1: Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF..................................................... 21 Hình 2.2: Sơ đồ tương tác vật lí................................................................................ 24 Hình 2.3: Bán kính ảnh hưởng và khu vực quét....................................................... 25 Hình 2.4: Mô tả kỹ thuật Ellipse............................................................................... 27 Hình 2.5: Mô tả kỹ thuật Banana.............................................................................. 27 Hình 2.6: Các miền tính của mô hình WRF được lựa chọn cho Việt Nam và khu vực Trung Trung Bộ ........................................................................................................ 28 Hình 2.7: Mạng lưới trạm bề mặt (a) và cao không (b) dùng trong thử nghiệm...... 29 Hình 2.8: Phân bố các trạm đo mưa ở Trung Trung Bộ ........................................... 30 Hình 3.1: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 24h .................................................................................................................................. 36 Hình 3.2: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 24h .................................................................................................................................. 38 Hình 3.3: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 24h ......................................................................................................... 39 Hình 3.4: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 24h ............................................................................................................. 41 Hình 3.5: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 24h .................................................................................................................................. 42 Hình 3.6: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 48h .................................................................................................................................. 44 Hình 3.7: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 48h .................................................................................................................................. 45 Hình 3.8: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 48h ......................................................................................................... 47 Hình 3.9: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 48h ............................................................................................................. 48 Hình 3.10: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 48h ............................................................................................................................ 50 Hình 3.11: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 72h ............................................................................................................................ 51 Hình 3.12: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 72h .................................................................................................................................. 52 Hình 3.13: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 72h ......................................................................................................... 54 6 Hình 3.14: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 72h ............................................................................................................. 56 Hình 3.15: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 72h ............................................................................................................................ 57 Hình 3.16: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 22/10/2009 ................ 59 Hình 3.17: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 23/10/2009 ................ 60 Hình 3.18: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 24/10/2009 ................ 60 Hình 3.19: Mưa tích lũy 24h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 62 Hình 3.20: Mưa tích lũy 48h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 63 Hình 3.21: Mưa tích lũy 72h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 64 Hình 3.22: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h................ 66 Hình 3.23: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h .............. 67 Hình 3.24: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h .............. 67 Hình 3.25: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h................ 68 Hình 3.26: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h ................. 68 Hình 3.27: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h................ 70 Hình 3.28: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h .............. 70 Hình 3.29: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h .............. 71 Hình 3.30: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h................ 71 Hình 3.31: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h ................. 72 Hình 3.32: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h................ 72 Hình 3.33: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h .............. 73 Hình 3.34: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h .............. 73 Hình 3.35: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h................ 74 Hình 3.36: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h ................. 74 7 Danh mục bảng Bảng 2.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF ........................................................... 22 Bảng 2.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF...... 22 Bảng 2.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF ............................................................. 23 Bảng 2.4: Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF ......................................................... 24 Bảng 2.5: Các đợt mưa và đặc điểm mưa ................................................................ 29 Bảng 2.6: Danh sách trạm tính mưa......................................................................... 30 Bảng 3.1 Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa khu vực Quảng Bình 24h và sai số bình phương trung bình ...................................................................... 36 Bảng 3.2: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 24h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 37 Bảng 3.3: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 24h và sai số bình phương trung bình ............................................................................. 39 Bảng 3.4: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 24h và sai số bình phương trung bình............................................................. 40 Bảng 3.5: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 24h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 41 Bảng 3.6: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Bình 48h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 43 Bảng 3.7: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 48h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 44 Bảng 3.8: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 48h và sai số bình phương trung bình. ............................................................................ 46 Bảng 3.9: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 48h và sai số bình phương trung bình:............................................................ 47 Bảng 3.10: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 48h và sai số bình phương trung bình. ................................................................................. 48 Bảng 3.11: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Bình 72h và sai sô bình phương trung bình .................................................................................. 51 Bảng 3.12: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 72h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 52 Bảng 3.13: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 72h và sai số bình phương trung bình. ............................................................................ 54 Bảng 3.14: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 72h và sai số bình phương trung bình............................................................. 55 8 Bảng 3.15: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 72h và sai số bình phương trung bình. ................................................................................. 56 Bảng 3.16: Các điểm số đánh giá mưa tích lũy 24h theo các ngưỡng mưa............. 65 Bảng 3.17: Các điểm số đánh giá mưa tích lũy 48h theo các ngưỡng mưa............. 69 Bảng 3.18: Các điểm số đánh giá mưa 72h theo các ngưỡng mưa.......................... 75 9 MỞ ĐẦU Khu vực Trung Trung Bộ nằm ở Trung phần Việt Nam theo hướng tây bắc - đông nam trải dài từ vĩ tuyến 14o32 - 18o06N, bao gồm 5 tỉnh và 1 thành phố: Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi và Thành phố Đà Nẵng. Trung Trung Bộ là một khu vực lớn thuộc duyên hải miền Trung có địa hình khá phức tạp: phía Đông là dải đồng bằng nhỏ hẹp ven biển tiếp cận biển Đông và vùng đồi núi thấp, phía Tây là một phần Đông Nam dãy Trường Sơn, với nhiều nhánh núi ngang vuông góc với bờ biển tạo thành những đèo cắt ngang các đồng bằng như Đèo Ngang, đèo Hải