Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình hwrf

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- TRƯƠNG BÁ KIÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC ĐẠI DƯƠNG KHÍ QUYỂN ĐẾN CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH HWRF Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60 44 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HOÀNG ĐỨC CƯỜNG Hà Nội - 2012 LỜI CẢM ƠN Người đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, đó là TS. Hoàng Đức Cường. Thầy Cường đã hướng dẫn tôi khóa luận tốt nghiệp đại học, nay Thầy tiếp tục tận tình giúp đỡ và hướng dẫn khoa học để tôi có thể hoàn thành luận văn Thạc sỹ. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô ở Khoa khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, những người luôn tạo điều kiện và cho tôi kiến thức để tôi có thể học hỏi vươn lên trong sự nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường. Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Khí hậu, các bạn đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy Văn Trung ương đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Khí hậu, đã tạo điều kiện thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình công tác. Cuối cùng là lời cảm ơn dành cho gia đình tôi. Trương Bá Kiên MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... 3 DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... 5 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG .............................................. 8 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới .......... 8 1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão. .............. 8 1.1.2 Mô hình số trị toàn cầu .............................................................................. 8 1.1.3 Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão ................................... 10 1.1.4 Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão ................................................ 11 1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới cường độ và quỹ đạo bão................................................................ 14 1.2.1 Trên thế giới ................................................................................................. 14 1.2.2 Trong nước .................................................................................................. 17 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ... 20 2.1 Mô hình WRF ....................................................................................................... 20 2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF ........................................................................ 20 2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF ........................................................................... 21 2.1.3 Các quá trình vật lý trong mô hình .............................................................. 22 2.2. Mô hình ROMS ................................................................................................... 28 2.2.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình  .................................................................... 29 2.2.2 Phương pháp tính ........................................................................................ 30 a) Sai phân theo không gian ................................................................................ 30 b) Sai phân theo thời gian ..................................................................................... 31 2.2.3 Tham số hoá ................................................................................................. 31 2.3 Mô hình COASWT .............................................................................................. 34 2.4 Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm ............................................ 37 2.5 Chỉ tiêu đánh giá dự báo bão .............................................................................. 39 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO ......................................................... 41 3.1 Nhiệt độ bề mặt biển ............................................................................................ 42 3.1.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 42 3.1.2 Bão Nock-ten ............................................................................................... 43 3.1.3 Bão Nalgae .................................................................................................. 44 3.2 Áp suất bề mặt biển ............................................................................................. 46 3.2.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 46 3.2.2 Bão Nock-ten ............................................................................................... 47 3.2.3 Bão Nalgae .................................................................................................. 49 3.3 Gió bề mặt ............................................................................................................. 51 3.3.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 51 3.3.2 Bão Nock-ten ............................................................................................... 52 3.3.3 Bão Nalgae .................................................................................................. 53 3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt ........................................................................ 54 3.4.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 54 3.4.1 Bão Nock-ten ............................................................................................... 55 3.4.1 Bão Nalgae .................................................................................................. 56 3.5 Đánh giá quỹ đạo và cường độ bão .................................................................... 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 65 1 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AFWAM: Air Force WWMCCS ADP Modernization ATE: Along Track Error ATNĐ: Áp thấp nhiệt đới AVN: Aviation Model COADS: Comprehensive Ocean-Atmospheric Data Set COAMPS: The Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System COAWST: Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport CSTMS: Community Sediment Transport Modeling Systems CTE: Cross Track Error. ECMWF: The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts ETA: Mô hình Ê-ta GDAS: Global Data Assimilation System GEFS: Global Ensemble Forecast System GEM: Global Environmental Multiscale Model GEM: Global Environmental Multiscale Model GFDL: Geophysical Fluid Dynamics Laboratory GFDN: The US Navy version of GFDL GFS : Global Forecast System GME: Global Model Europe GSM: Global System Model HRM: High Resolution Regional Model HWRF: Hurricane Weather Research and Forecast JTYM: Japan Typhoon Model KMA: Korea Meteorological Administration KTTV: Khí tượng thủy văn LBAR :Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model MCT: Model Coupling Toolkit 2 MM5: Mesoscale Model-5 MRF: Medium Range Forecast NCAR: The National Center for Atmospheric Research NCEP: National Centers for Environmental Prediction NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration NOGAPS: Navy Operational Global Atmospheric Prediction System POM: Princeton Ocean Model RAMS: Regional Atmospheric Modeling System ROMS: Regional Ocean Model System SANBAR: Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model SLP: Sea Level Pressure SSI: Satatic Spectrum Interpolate SST: Sea surface Temprature SWAN: Simulating Waves Nearshore TC-LAPS: Tropical-Cyclone Limited Area Prediction System UKM: United Kingdom Models UM: Unified Model VICBAR: VICBAR XTNĐ: Xoáy thuận nhiệt đới 3 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF ..................................................... 21 Hình 2.2. Hệ tọa độ thẳng đứng của mô hình WRF .... Error! Bookmark not defined. Hình 2.3. Sơ đồ tương tác của các thành phần trong mô hình WRF ........................ 27 Hình 2.4. Sơ đồ cấu truc mô hình COAWST ............................................................. 35 Hình 2.5. Miền tính dự báo ....................................................................................... 38 Hình 3.1. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h ................................................................................................................. 42 Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h và 48h ............................................................................................................................. 43 Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h ................................................................................................................. 43 Hình 3.4. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h ................................................................................................................. 44 Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h ................................................................................................................. 45 Hình 3.6. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h ................................................................................................................. 45 Hình 3.7. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z ............ 46 Hình 3.8. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h ................................................................................................................................... 46 Hình 3.9. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 36h và 48h ................................................................................................................................... 47 Hình 3.10. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z .......... 47 Hình 3.11. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h ............................................................................................................................. 48 Hình 3.12. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h ............................................................................................................................. 49 Hình 3.13. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z .......... 49 Hình 3.14. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h ............................................................................................................................. 50 Hình 3.15. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h ............................................................................................................................. 50 4 Hình 3.16. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h ..................................................................................................... 51 Hình 3.17. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h và 48h ..................................................................................................... 52 Hình 3.18. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h ..................................................................................................... 52 Hình 3.19. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h, 48h và 72h ............................................................................................. 53 Hình 3.20. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z và sau 12h dự báo ..................................................................................... 53 Hình 3.21. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24, 48h và 72h ............................................................................................... 54 Hình 3.22. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 12h ..................................................................... 54 Hình 3.23. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h ............................................................................... 55 Hình 3.24. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h ................................................................................... 56 Hình 3.25. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h ............................................................................... 56 Hình 3.26. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h ..................................................................... 57 Hình 3.27. Độ chênh lệch thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF sau 48h và 72h ............................................................................................ 57 Hình 3.28 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z). ......................................................................................................... 59 Hình 3.29. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z). .................................................................................. 60 Hình 3.30. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z). ..................................................................................... 61 Hình 3.31. Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình. ......................... 62 Hình 3.32 SLP min trung bình và ME của SLP min ................................................. 62 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF ............................................................. 23 Bảng 1.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF ........ 24 Bảng 1.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF .............................................................. 24 Bảng 1.4. Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF ........................................................... 26 Bảng 2.1 Gianh giới các lớp nước (m) tại các độ sâu khác nhau ........................... 38 6 MỞ ĐẦU Hàng năm Việt Nam chịu thiệt hại rất nặng nề do thiên tai như lũ lụt, hạn hạn, rét đậm, rét hại… và trong đó phải kể đến thiên tai do bão-áp thấp nhiệt đới gây thiệt hại lớn về người và của cho nước ta. Chính vì vậy, yêu cầu về dự báo và cảnh báo bão chính xác, kịp thời cường độ và quỹ đạo bão là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối với cơ quan dự báo nghiệp vụ nhằm đưa ra các cảnh báo cho nhân dân và các cấp, các nghành liên quan. Hiện nay việc dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác là rất khó đặc biệt là cường độ bão. Có nhiều phương pháp dự báo bão như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp dự báo số trị. Trong những năm gần đây nhờ những tiến bộ về khoa học máy tính và sự phát triển mãnh mẽ của mô hình số trị trên thế giới nên các mô hình số trị ngày càng hoàn thiện và dự báo chính xác hơn . Chính vì vậy pháp dự báo số trị có ưu điểm vượt trội do đưa ra được kết quả dự báo khách quan, định lượng… so với hai phương pháp trên. Hiện nay trên thế giới có rất nhiều loại mô hình số trị khác nhau chuyên dự báo quỹ đạo và cường độ bão như AFWAM, AVN, COAMPS, UKM, GFDL, GSM, JTYM, NOGAPS, TC-LAPS… và mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting). Mô hình HWRF là mô hình khí quyển đại dương dự báo nghiệp vụ bão tại Hoa Kỳ từ năm 2007, mô hình này được phát triển với mã nguồn mở và cộng đồng khoa học hợp tác phát triển lớn. HWRF là phương án lựa chọn cho các nước không tự xây dựng được mô hình nghiệp vụ dự báo bão như nước ta. Hiện tại Việt Nam cũng đã sử dụng một số mô hình số trị dự báo bão như ETA, MM5, HRM, WRF, RAMS… Tuy nhiên các mô hình trên mới chỉ chạy mảng khí quyển. Các tương tác của đại dương - khí quyển không tính tới sự biến đổi của điều kiện đại dương trong suốt khoảng thời gian dự báo do đó các ảnh hưởng của tương tác vật lí từ đại dượng có thể làm cho dự báo cường độ và quỹ đão không được tốt. 7 Trong khuôn khổ luận văn này, sẽ tập trung “ Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình HWRF ” và hướng tới thử nghiệm dự báo quỹ đạo và cường độ bão cho Việt Nam. Nội dung của luận văn gồm có: Mở đầu Chương I. Tổng quan về dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng mô hình khí quyển đại dương Chương II. Hệ thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão và phương pháp đánh giá. Chương III. Đánh giá ảnh hưởng tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường độ bão Kết luận, kiến nghị và tài liệu tham khảo. 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới 1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão. Hiện nay, ở các nước phát triển phương pháp số là phương pháp dự báo thời tiết chính thống. Ở Châu Âu, Mỹ và các nước phát triển phương pháp này bắt đầu phát triển từ những năm 50 của thế kỷ XX, trong đó sự đầu tư cao nhất cho hướng nghiên cứu phát triển này của Liên minh Châu Âu được tập trung ở Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF). Tuy nhiên, cho đến trước những năm 80 của thế kỷ XX, các nghiên cứu phát triển về lý thuyết cũng như ứng dụng chủ yếu vẫn chỉ quan tâm đến các khu vực ngoại nhiệt đới của Châu Âu và Mỹ. Trong những thập niên 1980-1990 cùng với sự phát triển của khoa học máy tính và sự đầu tư phối hợp phát triển các mô hình số trị từ các nước có ngành dự báo số phất triển như Châu Âu, Hoa Kỳ và tiếp theo đó là sự ra đời và phân loại riêng rẽ mô hình dự báo số trị toàn cầu và mô hình số trị khu vực. 1.1.2 Mô hình số trị toàn cầu Mô hình số trị toàn cầu hiện nay chủ yếu là mô hình của các Trung tâm dự báo số trị lớn từ các nước phát triển trên thế giới, một số mô hình số trị toàn cầu trên thế giới là: GFS (Global Forecast System) là mô hình số trị toàn cầu được phát triển và chạy nghiệp vụ bởi NOAA. Tiền thân của GFS là mô hình AVN. Hiện nay, trong dự báo nghiệp vụ GFS chạy bốn lần trong ngày ở các thời điểm: 00Z