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

Trung Trung Bộcũng như các vùng khác ở Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, nhưng do vị trí địa lý và địa hình phức tạp nên thời tiết do gió mùa đem đến cho khu vực Trung Bộkhác biệt nhiều so với các khu vực khác trên lãnh thổ nước ta: Gió mùa tây nam thường đem đến mưa to ở một số thung lũng đón gió tây nam của các tỉnh ven biền miền Trung, nhưng lại đem đến không khí khô hanh, nắng nóng ở phần lớn lãnh thổ các tỉnh ven biển Trung Bộ. Hoặc như gió mùa đông bắc gây ra mưa to đến rất to ở các tỉnh ven biển miền Trung. Do đó mùa mưa và mùa khô ở khu vực này khác hẳn với các nơi khác. Vì vậy các hình thế thời tiết gây ra mưa to đến rất to tại khu vực cũng có những nét riêng biệt đáng kể. Mưa lớn ở Trung Trung Bộnói chung thường do các hình thế thời tiết chủ yếu sau: 1. Bão hoặc áp thấp nhiệt đới. 2. Gió mùa đông bắc. 3. Gió mùa tây nam. 4. Các hoạt động của các nhiễu động nhiệt đới khác: gió đông (chủ yếu là sóng đông), hội tụ nhiệt đới. 5. Mưa đặc biệt lớn trong trường hợp: có sự phối hợp hoạt động giữa gió mùa hoặc tín phong đông bắc ở phía bắc với các nhiễuđộng nhiệt đới (Bão, áp thấp nhiệt đới, hoặc dải hội tụ, sóng đông) ở Biển Đông. Do các đặc điểm địa lý và các dạng hình thế gây mưa đã nêu ở trên, công tác dự báo mưa gặp rất nhiều khó khăn trong việc dự báo định lượng mưa để cảnh báo lũ cũng như phòng chống thiên tai cho khu vực này. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học máy tính mô hình số trị đã thể hiện là một công cụ hữu ích, góp phần nâng cao chất lượng dự báo thời tiết, đặc biệt là các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão và áp thấp nhiệt đới. Mô hình số là công cụ hữu ích trong dự báo hạn ngắn và đang được nghiên cứu rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng dự báo. Một trong số đó là mô hình WRF. Bên cạnh đó, sự tối ưu hóa trong mã nguồn tính toán của WRF cho phép người sử dụng có thể chạy mô hình trên rất nhiều loại máy tính với các hệ điều hành khác nhau cũng như chạy song song với bộ nhớ chia sẻ OpenMP hay bộ nhớ phân tán MPI. Chính vì những tính năng ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn mô hình WRF làm công cụ cho nghiên cứu về bài toán dự báo mưa 1 -3 ngày cho khu vực Trung Trung Bộkhi có dạng hình thế không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới.

pdf91 trang | Chia sẻ: lvbuiluyen | Lượt xem: 1996 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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
Luận văn liên quan