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 Trước tiên tôi xin lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới TS. Hoàng Đức

Cường đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi luận văn tốt nghiệp này.

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn tôi xin giử lời cám ơn tập thể thầy,

cô giáo trong khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải Dương học nói riêng và các thầy cô

trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên nói chung đã truyền thụ những bài học

quý báu cho tôi.

Tôi 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.

Tôi cũng xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu

khí tượng khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã giúp đỡ

tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn

và Môi trường, ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu khí tượng khí hậu, đã tạo điều

kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình

công tác.

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người đã quan tâm giúp

đỡ, động viên tôi trong suốt thời gian qua để tôi hoàn thành luận văn được tốt hơn.

Hà Nội, tháng 6 năm 2012

Học viên cao học

Trương Bá Kiên

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ........................................................................... 1 DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... 4 DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... 6 MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 7 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới .......... 9

1.1.1 Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão ............... 9 1.1.2 Mô hình số trị toàn cầu .............................................................................. 9 1.1.3 Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão ................................... 11 1.1.4 Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão ................................................ 13

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 ............................................. 15

1.2.1 Trên thế giới ................................................................................................. 15 1.2.2 Trong nước .................................................................................................. 18

CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ... 22

2.1 Mô hình WRF ....................................................................................................... 22 2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF ........................................................................ 22 2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF ........................................................................... 23 2.1.3 Các quá trình vật lý được tham số hóa trong mô hình ................................ 24

2.2. Mô hình ROMS ................................................................................................... 30 2.2.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình ....................................................................... 31 2.2.2 Phương pháp tính ........................................................................................ 32 a) Sai phân theo không gian ................................................................................ 32 b) Sai phân theo thời gian ..................................................................................... 33 2.2.3 Tham số hoá ................................................................................................. 33

2.3 Mô hình COASWT .............................................................................................. 36 2.4 Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm ............................................ 38 2.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo, cường độ bão .......................... 40 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN

TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO ......................................................... 43 3.1 Nhiệt độ và áp suất bề mặt biển .......................................................................... 43

3.1.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 43 3.1.2 Bão Nock-ten ............................................................................................... 45 3.1.3 Bão Nalgae .................................................................................................. 47

3.2 Profile nhiệt độ tại tâm bão ................................................................................. 49 3.3 Gió và áp suất nhiễu động ................................................................................... 51 3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt ........................................................................ 55

3.4.1 Bão Mindulle ............................................................................................... 55 3.4.1 Bão Nock-ten ............................................................................................... 56 3.4.1 Bão Nalgae .................................................................................................. 57

3.5 Đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão .................................... 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 66 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 69

1

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AFWAM : Air Force WWMCCS ADP Modernization

ATE : Along Track Error (Sai số ngang)

ATNĐ : Áp thấp nhiệt đới

AVN : Aviation Mode (Mô hình Hàng không)

COADS : Comprehensive Ocean-Atmospheric Data Set (Dữ liệu phức hợp

khía quyển đại dương)

COAMPS : The Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System

(Hệ thống dự báo kết hợp quy mô vừa khí quyển đại dương)

COAWST : Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport (Mô hình

kết hợp vạn chuyển bùn cát-sóng-khí quyển-đại dương)

CSTMS : Community Sediment Transport Modeling Systems (Hệ thống mô

hình vận chuyển bùn cát)

CTE : Cross Track Error (Sai số dọc)

ECMWF : The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts

(Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa châu Âu)

ETA : Mô hình Ê-ta

GDAS : Global Data Assimilation System (Hệ thống đồng hóa dữ liệu toàn

cầu)

GEFS : Global Ensemble Forecast System (Hệ thống dự báo tổ hợp toàn

cầu)

GEM : Global Environmental Multiscale Model (Mô hình đa quy mô môi

trường toàn cầu)

GFDL : Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động

lực học chất lưu địa-vật lý)

GFDN : The US Navy version of GFDL (Phiên bản hải quân của GFDL)

GFS : Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu)

GME : Global Model Europe (Mô hình toàn cầu châu Âu)

GSM : Global System Model (Mô hình hệ thống toàn cầu)

2

HFX : Heat flux upward from surface (Thông lượng nhiệt gửi qua bề mặt)

HRM : High Resolution Regional Model (Mô hình khu vực độ phân giải

cao)

HWRF : Hurricane Weather Research and Forecast (Mô hình nghiên cứu và

dự báo bão)

JTYM : Japan Typhoon Model (Mô hình bão Nhật Bản)

KMA : Korea Meteorological Administration (Cục Khí tượng Hàn Quốc)

KTTV : Khí tượng thủy văn

LBAR : Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model

LH : Latent Heat (Ẩn nhiệt)

MCT : Model Coupling Toolkit (Công cụ kết hợp mô hình)

MM5 : Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5)

MRF : Medium Range Forecast (Dự báo hạn vừa)

NCAR : The National Center for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên

cứu khí quyển quốc gia, Mỹ)

NCEP : National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo

môi trường quốc gia, Mỹ)

NOAA : National Oceanic and Atmospheric Administration (Cơ quan quản

lý khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ)

NOGAPS : Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (Hệ

thống dự báo nghiệp vụ khí quyển toàn cầu của hải quân Mỹ)

POM : Princeton Ocean Model (Mô hình đại dương Princeton )

QFX : Moisture flux upward from surface (Thông lượng ẩm gửi qua bề

mặt)

RAMS : Regional Atmospheric Modeling System (Mô hình khí quyển khu

vực)

ROMS : Regional Ocean Model System (Mô hình đại dương khu vực)

SANBAR : Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model (Mô hình dự

báo quỹ đạo bão tà áp Sander)

3

SLP : Sea Level Pressure (Áp suất mực biển)

SSI : Static Spectrum Interpolate (Nội suy phổ thống kê)

SST : Sea surface Temprature (Nhiệt độ bề mặt nước biển)

SWAN : Simulating Waves Nearshore (Mô hình mô phỏng sóng ven bờ)

TC-LAPS : Tropical-Cyclone Limited Area Prediction System (Mô hình dự

báo giới hạn khu vực cho bão nhiệt dới)

UCAR : University Corporation for Atmospheric Research (Liên hiệp các

trường đại học về nghiên cứu khí quyển)

UKM : United Kingdom Models (Mô hình Vương Quốc Anh)

VICBAR : VICBAR

XTNĐ : Xoáy thuận nhiệt đới

4

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF ............................................ 23

Hình 2.2. Sơ đồ tương tác của các thành phần trong mô hình WRF .............. 29

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mô hình COAWST ................................................. 37

Hình 2.4. Miền tính dự báo ............................................................................. 38

Hình 2.5. Quỹ đạo thực của bão Mindulle (a), Nock-ten (b) và Nalgae (c) . . 42

Hình 3.1. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF (b), hiệu SST (c) ........ 44

của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. ..... 44

Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a) và 24h (b). ........................................................................................... 44

Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h (a) và 48h (b) ............................................................................................ 45

Hình 3.4. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. ............... 46

Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo

12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d) ................................................................. 47

Hình 3.6. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h. ............... 48

Hình 3.7. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d) ................................................................. 48

Hình 3.8. Profile nhiệt độ tại tâm bão Mindulle giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d) .............................................. 49

Hình 3.9. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nock-ten giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d) .............................................. 50

Hình 3.10. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nalgae giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d). ............................................. 51

Hình 3.11. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF (b). ............................................. 52

Hình 3.12. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 53

Hình 3.13. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 48h và 72h ......................................................................................................................... 54

5

với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 54

Hình 3.14. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. .......................................... 56

Hình 3.15. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. .......................................... 57

Hình 3.16. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF. .......................................... 58

Hình 3.17 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z). ............................................................................................... 59

Hình 3.18. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) ,ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z). .................................................................. 60

Hình 3.19. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z). ...................................................................... 61

Hình 3.20. Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình. ................. 62

Hình 3.21 SLP min trung bình và ME của SLP min ...................................... 63

Hình p.1. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 70

Hình p.2. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 24h và 48h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 70

Hình p.3. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF (b). ....................................................... 70

Hình p.4. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 70

Hình p.5. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 48h và 72h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d). .............. 70

6

DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF ............................................................ 25

Bảng 2.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF ....... 26

Bảng 2.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF .............................................................. 27

Bảng 2.4. Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF .......................................................... 28

Bảng 2.5 Ranh giới các lớp nước (m) tại các độ sâu khác nhau ............................... 38

7

MỞ ĐẦU

Hàng năm, Việt Nam chịu thiệt hại rất nặng nề do thiên tai như lũ lụt, hạn hán,

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 ngành liên quan.

Hiện nay việc dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác là khá khó khăn, đặc

biệt là cường độ bão. Có nhiều phương pháp dự báo bão như: phương pháp synốp,

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.

Phương pháp dự báo số trị có ưu điểm vượt trội do đưa ra được kết quả dự báo

khách quan, định lượng… so với phương pháp synốp và phương pháp thống kê.

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 Mỹ 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 được tính đến. Sự biến đổi của điều kiện

đại dương trong suốt khoảng thời gian dự báo gây ảnh hưởng đến dự báo cường độ

và quỹ đạo bão không được tốt.

8

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:

- Tổng quan về dự báo quỹ đạo và cường độ bão bằng mô hình khí quyển

đại dương.

- Hệ thống mô hình tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường

độ bão và phương pháp đánh giá.

- Mô hình HWRF áp dụng trong luận văn này là sự kết hợp giữa mô hình

khí quyển WRF và mô hình đại dương ROMS.

- Đánh giá ảnh hưởng tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo và cường

độ bão với 3 con bão Mindulle (2010), Nock-ten và Nalgae (2011).

9

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 phát triển

như Châu Âu, Mỹ 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, 06Z, 12Z,

18Z. Mô hình GFS có hạn dự báo tối đa tới 16 ngày với 8 ngày đầu ở độ phân giải

cao và 8 ngày sau thì ở độ phân giải thấp hơn. Hiện tại mô hình GFS có tổng số 22

thành phần dự báo được tổ hợp lại được biết với cái tên là GEFS (Global Ensemble

Forecast System) hay MRF (Medium Range Forecast). Điều kiện ban đầu cho mô

hình lấy từ hệ thống đồng hoá số liệu toàn cầu (GDAS-Global Data Assimilation

10

System). Số liệu phân tích này sẽ đưa thêm thông tin từ số liệu thám sát của phân

tích trước đó nhờ phương pháp phân tích nội suy phổ thống kê (SSI-Satatic

Spectrum Interpolate). Hiện nay, có rất nhiều mô hình dự báo khu vực sử dụng điều

kiện biên phụ thuộc thời gian từ sản phẩm dự báo của mô hình toàn cầu GFS như:

MM5, ETA, RAMS, WRF…

NOGAPS (Navy Operational Global Atmospheric Prediction System) cũng

là mô hình dự báo số trị toàn cầu được phát triển bởi Hải Quân Hoa Ky nhằm so

sánh với mô hình GFS với bước lưới ngang là 0,5 độ kinh vĩ và chạy nghiệp vụ 4

lần một ngày.

GEM (Global Environmental Multiscale Model) là mô hình toàn cầu được

phát triển bởi cơ quan khí tượng Ca-na-da với hạn dự báo 10 ngày và là mô hình có

hệ tọa độ áp suất theo địa hình và chủ yếu là giải các phương trình bằng phương

pháp ước lượng phi thủy tĩnh.

IFS (Integrated Forecast System) được phát triển bởi Trung tâm Dự báo

thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF) hay được gọi là mô hình Châu Âu. IFS là mô

hình toàn cầu dự báo nghiệp vụ có hạn dự báo 10 ngày với khoảng 51 thành phần

dự báo được tổ hợp.

UM (Unified Model) là mô hình toàn cầu được phát triển bởi Cơ quan Khí

tượng Anh Quốc.

GME (Global Model Europe) là mô hình số trị toàn cầu được phát triển bởi

Cục khí tượng Đức.

ARPEGE là mô hình số trị toàn cầu được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng

Pháp.

11

1.1.3 Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão

Một số mô hình dự báo số trị khu vực như:

Mô hình ETA là mô hình dự báo khu vực với độ phân giải cao từ vài chục

đến vài km. Chính vì vậy, mô hình này có khả năng dự báo chi tiết đến từng khu

vực nhỏ. Tên gọi của mô hình ETA gắn liền với hệ toạ độ thẳng đứng của nó-hệ toạ

độ eta (). Hệ toạ độ này được xây dựng cho mục đích chính là tính ảnh hưởng của

các tác động địa hình ở những khu vực núi tới kết quả mô phỏng của mô hình.

Mô hình khu vực phân giải cao HRM (High Resolution Regional Model)

là mô hình số thuỷ tĩnh, dự báo thời tiết khu vực quy mô vừa -, -. HRM dùng toạ

độ lai theo trục đứng, hệ toạ độ ngang quay (’, ’) và do đó cần phải chuyển đổi

qua lại giữa toạ độ địa lý (, ) và toạ độ quay (’, ’). Hệ phương trình nguyên

thuỷ của mô hình bao gồm sáu phương trình dự báo với sáu biến tương ứng: ps, u, v,

T, qv, qc. Đối với tất cả những bước thời gian nằm trong khoảng 6h hay 3h thì giá trị

các biến trên vùng biên nhận được bằng cách nội suy tuyến tính. HRM có khả năng

ứng dụng với độ phân giải ngang khoảng 28km đến 7km. Với độ phân giải này,

HRM không thể mô tả trực tiếp các quá trình vật lý quy mô dưới lưới (Sub grid

scale) như bức xạ, đối lưu, khuếch tán rối ngang, đứng hay vật lý đất. Tất cả những

quá trình này giữ vai trò quan trọng đối với động lực học khí quyển, đối với sự hình

thành và phát triển các hiện tượng thời tiết.

Mô hình quy mô vừa MM5 (Mesoscale Model-5) của Trung tâm Quốc gia

nghiên cứu Khí quyển Mỹ (NCAR) và Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania Mỹ

(PSU) là thế hệ mới trong một loạt các mô hình dự báo được phát triển bởi Anthes

(những năm 1970). Qua quá trình thử nghiệm, mô hình đã được điều chỉnh và cải

tiến nhiều lần nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý quy mô vừa và có thể áp

dụng rộng rãi đối với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau. Phiên bản 3.7

(MM5V3.7) của mô hình ra đời vào tháng 8 năm 2003 là phiên bản hoàn thiện nhất

từ trước tới nay đã được điều chỉnh, cải tiến thêm trong các mảng: Kỹ thuật lồng

ghép nhiều mực, động lực học bất thuỷ tĩnh, đồng hoá số liệu bốn chiều. Trong các

nghiên cứu của mình: Simon Low-Nam và Christopher Davis (NCAR) đã cho thấy

12

rằng mô hình MM5 có thể sử dụng tốt trong mô phỏng và dự đoán các đặc trưng

của xoáy thuận nhiệt đới; đây là cơ sở quan trọng trong dự báo mưa lớn, gây nên

bởi xoáy thuận nhiệt đới ở những khu vực chịu ảnh hưởng của nhiễu động khí

quyển. Tại Hồng Kông, Đài Loan, mô hình MM5 được sử dụng như một công nghệ

chính trong dự báo thời tiết. Mô hình MM5 ngừng phát triển từ năm 2004.

Mô hình RAMS (Regional Atmospheric Modeling System) là mô hình mây

quy mô vừa-CSU và mô hình mây thuỷ tĩnh đã được kết hợp với nhau, phiên bản

đầu tiên của một hệ thống mô hình khí quyển khu vực (RAMS). Đến năm 1986,

toàn bộ mã nguồn của RAMS được viết lại để loại bỏ những tính chất không còn

thích hợp trong mô hình và đồng thời đưa vào các tham số hoá mới từ mô hình gió

đất biển. Mô hình RAMS có nhiều lựa chọn để có khả năng ứng dụng rộng rãi cho

các mục đích khác nhau. Trong mô hình có thể lồng nhiều miền tính khác nhau với

độ phân giải có thể từ vài chục kilômét đến vài trăm mét. Vì vậy, nó có thể mô

phỏng chi tiết được các hệ thống khí quyển quy mô nhỏ như là dòng chuyển động

trên các địa hình phức tạp, các hoàn lưu nhiệt bề mặt... Lưới thô hơn bên ngoài sử

dụng để mô phỏng các quá trình quy mô lớn và cung cấp điều kiện biên phụ thuộc

thời gian cho các lưới tinh bên trong. Hệ phương trình của mô hình RAMS là hệ

phương trình bất thuỷ tĩnh gồm các biến dự báo là u, v, w, nhiệt độ thế, tỉ số xáo

trộn. Một số lựa chọn cho việc tham số vật lý trong mô hình như mô hình đất của

Tremback và Kessler (1985), tham số hoá bức xạ theo sơ đồ của Mahrer và Pielke

(1977) và tham số hoá đối lưu theo sơ đồ Kuo (1974) và một số sơ đồ khác.

Mô hình WRF (Weather Research and Forecast) là mô hình đang được

phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của

nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới, chủ yếu là: Phòng nghiên cứu Khí tượng qui

mô nhỏ và qui mô vừa của trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển Mỹ

(NCAR/MMM), trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP), phòng thí

nghiệm phương pháp dự báo (NOAA /FSL), trung tâm phân tích và dự báo bão của

trường đại học Oklahoma (CAPS), cơ quan thời tiết hàng không Mỹ (AFWA) và các

trung tâm khí tượng quốc tế như: Học viện khoa học khí tượng của Trung Quốc

13

CAMS, Cơ quan thời tiết trung ương của Đài Loan, Cơ quan khí tượng Hàn Quốc

(KMA).

Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết

nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại Mỹ, mô

hình WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng

7/2006). Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài

Loan và Israel (từ năm 2007). Ngoài ra, một số nước khác đang sử dụng WRF trong

nghiên cứu và dự định sử dụng mô hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, Niu-di-

lân, Bra-xin,...

Giới thiệu chi tiết về mô hình WRF được trình bày trong chương 2 của luận văn

này.

1.1.4 Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão

Mô hình đầu tiên được đưa vào dự báo quĩ đạo bão nhiệt đới nghiệp vụ là

mô hình chính áp SANBAR (Sanders Barotropic Hurricane Track Forcast Model).

SANBAR được phát triển bởi Sanders và Burpee (1968) và được đưa vào dự báo

nghiệp vụ tại Trung tâm Bão Quốc gia Mỹ ở Miami vào cuối thập kỷ 60. Mô hình

dựa trên quan điểm truyền thống là bão nhiệt đới di chuyển theo dòng dẫn. Dòng

dẫn ở đây được xác định là trường trung bình lớp sâu (DLM - Deep Layer Mean:

được xác định bởi trung bình có trọng số thẳng đứng của các biến khí tượng). Quĩ

đạo bão được dự báo bằng cách tích phân phương trình xoáy chính áp sử dụng phân

bố độ xoáy và hàm dòng trung bình lớp. Các cơn bão được biểu diễn bởi các xoáy

đối xứng nhân tạo và một phân bố hàm dòng phi đối xứng để xác định vận tốc trôi

tại tâm bão. Mặc dù với độ phân giải rất thô (154 km) và số liệu quan trắc khí tượng

rất thưa thớt nhưng SANBAR đã đưa ra những dự báo quĩ đạo rất tốt so với những

mô hình khí hậu và quán tính [10].

Một mô hình chính áp rất thành công sau SANBAR là mô hình phổ lồng của

Vic Ooyama (VICBAR; DeMaria và cộng sự. 1992). VICBAR sử dụng biểu diễn

spline-B cho tất cả các biến và giải phương trình nước nông trên tọa độ sử dụng

14

phép chiếu Mercator. Bốn lưới lồng liên tiếp có độ phân giải lần lượt là: 4.8, 2.4,

1.2, 0.6 độ kinh vĩ. Số liệu phân tích 800-200 hPa của một mô hình phổ toàn cầu

của NCEP được sử dụng để tính trung bình lớp cho điều kiện ban đầu và điểu kiện

biên phụ thuộc thời gian của VICBAR. Ngoài ra, mô hình còn sử dụng thêm các số

liệu từ quan trắc máy bay và ảnh mây vệ tinh và bóng thám không trong quá trình

ban đầu hóa. Dựa trên các chỉ thị bão nghiệp vụ, một xoáy đối xứng nhận tạo và

một thành phần vận tốc gió hằng số (dựa trên tốc độ di chuyển quan trắc) được xây

dựng và kết hợp với phân tích khách quan của mô hình toàn cầu. Năm 1996,

VICBAR được phát triển thành phiên bản chạy nghiệp vụ bằng cách thay biểu diễn

spline-B bằng biểu diễn dạng chuỗi hàm sin trở thành mô hình dự báo quĩ đạo bão

LBAR (Limited_Area Sine Transform Barotropic Track Model) (Horsfall và cộng

sự. 1997) [10].

Một mô hình chính áp dự báo quĩ đạo bão khá thành công gần đây được phát

triển bởi Weber (2001) WBAR. WBAR gồm 2 phần chính: (1) ban đầu hóa xoáy

nhằm loại bỏ xoáy thiếu chính xác trên trường phân tích toàn cầu và xây dựng xoáy

nhân tạo làm đầu vào cho mô hình; (2) mô hình số tích phân hệ phương trình nước

nông trên tọa độ địa lý sử dụng các biến trung bình lớp. WBAR đã được thử nghiệm

cho 167 trường hợp bão Đại Tây Dương và đã khẳng định được kỹ năng dự báo quĩ

đạo bão tương đối tốt, tuy thế cũng thể hiện nhược điểm của mô hình chính áp là sự

tăng lên của sai số vị trí khi các hệ thống tà áp phát triển [10].

Có thể nói, các mô hình chính áp với cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ, dễ dàng cài

xoáy hai chiều tương ứng với xoáy bão quan trắc đã cho được những kết quả dự báo

khá tốt. Tuy nhiên, khi khí quyển có tính tà áp mạnh như ảnh hưởng của front lạnh

hay sự phát triển bất đối xứng của nhiệt động lực do đối lưu thì mô hình chính áp sẽ

bộc lộ những mặt bất cập của mình. Hơn nữa, các vấn đề quan tâm trong dự báo bão

không chỉ là dự báo quỹ đạo mà còn những yếu tố khác cũng rất quan trọng như

cường độ bão, mưa trong bão, tốc độ gió mạnh trong bão, hiện tượng nước dâng do

bão,... Chính vì vậy, hiện nay các trung tâm dự báo bão lớn trên thế giới đều phát

15

triển hệ thống mô hình tà áp cho mục đích dự báo cường độ và quỹ đạo bão cũng

như các yếu tố liên quan.

Một số mô hình đang được sử dụng dự báo nghiệp vụ cường độ và quỹ đạo

bão tại một số cơ quan trên thế giới như: AFWAM (phiên bản MM5 dự báo bão của

cơ quan thời tiết Không quân Hoa Kỳ); AVN (hệ thống mô hình dự báo toàn cầu tại

NCEP, Hoa Kỳ); COAMPS (hệ thống dự báo đại dương-khí quyển quy mô vừa của

Hải Quân Hoa Kỳ; UKM (mô hình dự báo thời tiết của cơ quan dự báo khí tượng

Anh Quốc); GFDN (phiên bản Hải quân Mỹcủa hệ thống dự báo bão GFDL); GSM

(mô hình phổ toàn cầu của Nhật Bản); JTYM (mô hình dự báo bão của Nhật Bản);

NOGAPS (Mô hình toàn cầu dự báo bão nghiệp vụ của Hải quân Hoa Kỳ); TC-

LAPS (Hệ thống dự báo khu vực của cơ quan khí tượng Úc)

Hiện nay, tại Mỹ đang thực hiện dự án xây dựng và phát triển một hệ thống

dự báo bão nghiệp vụ HWRF (Hurricane Weather Research and Forecast) trên cơ sở

mô hình dự báo thời tiết quy mô vừa WRF .

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

1.2.1 Trên thế giới

Ooyama (1969), Chang và Anthes (1979) chỉ ra rằng sự suy yếu đáng kể của

bão khi di chuyển qua vùng nước lạnh .

Kerry Emanuel (1986) trên tạp chí khoa học khí quyển đã nghiên cứu lý

thuyết kết hợp mô hình số đơn gian đầu tiên cho tương tác khí quyển-đại dương đối

với bão nhiệt đới và thấy rằng ảnh hưởng và vai trò của các thông lượng nhiệt ẩm từ

đại dương đến bão nhiệt đới [16].

Bender và cộng sự (1993) : Đã mô phỏng tương tác khí quyển đại dương bằng

mô hình kết hợp khí quyển đại dương độ phân giải cao nhằm nghiên cứu ảnh hưởng

của trường nhiệt độ bề mặt biển (SST) và dòng môi trường dẫn đường thấy bão lệch

hướng Đông-Đông Nam, nếu không có dòng dẫn đường thì bão lệch hướng Đông –

Đông Bắc.

16

Kerry Emanuel và Lars R.Schade (1999): Đã dùng mô hình liên hoàn khí

quyển-đại dương nghiên cứu bão và thấy rằng cường độ của bão bị ảnh hưởng mạnh

mẽ bởi các điều kiện đại dương và đã chỉ ra hiệu hứng phản hồi âm (ngược) của

SST, đối với những cơn bão di chuyển nhanh thì bị ảnh hưởng lớn từ hiệu ứng phản

hồi SST và bão di chuyển chậm ít chịu ảnh hưởng này [22]

Hong và cộng sự (2000) nghiên cứu tương tác giữa bão Opal với tâm nóng của

vịnh Mexico thông qua mô hình khí quyển-đại dương (COAMPS) phi thủy tĩnh,

trong mô hình này có tính toán tới ẩn, hiển nhiệt, độ mặn, mô-men trong tương tác

giữa biển và khí quyển, kết quả cho thấy rằng bão Opal di chuyển chậm hơn và lệch

Đông hơn, cường độ mạnh lên khi vào vùng nước ấm vịnh Mêxico [14].

Wiexing và I.Ginis (2003) nghiên cứu ảnh hưởng của thông lượng nhiệt bề

mặt cung cấp bởi SST tới sự thay đổi cường độ của bão nhiệt đới tại các vùng nước

nông (bão sắp đổ bộ) thấy ảnh hưởng mãnh mẽ của SST đối với cường độ bão [24].

Chun-Chieh Wu và cộng sự (2007) nghiên cứu ảnh hưởng của dị thường SST

tới tâm và cường độ bão bằng mô hình kết hợp khí quyển-đại dương, kết quả thấy

rằng quỹ đạo của bão thay đổi khá nhỏ trong trường hợp có và không sử dụng mô

hình liên hoàn biển khí quyển. Tuy nhiên, thành phần đối xứng trong sự lạnh đi của

SST làm yếu bão và có xu hướng làm bão lệch Bắc theo mặt beta, mặt khác thành

phần bất đối xứng ít tác động ở rìa nhưng mạnh ở phía trước của bão và tăng nén

đoạn nhiệt lên mặt phía nam của bão di chuyển hướng tây, có xu hướng làm bão

lệch Nam. Trong các trường hợp liên hoàn thấy bão di chuyển hướng Tây với xoáy

tương tối phía ngoài yếu (mạnh) làm cho bão có xu hướng di chuyển lệch Bắc

(Nam) hơn so với trường hợp không chạy mô hình liên hoàn.

Chau-Ron Wu, Yu-Lin Chang và cộng sự (2008) nghiên cứu tương tác của

bão Nari khi di chuyển vào dòng biển Kuroshio thấy rằng tại vùng nước lạnh (SST

thấp nhất) bão yếu đi nhất và mạnh lên đáng kể khi di chuyển vào vùng nước ấm

(SST cao) của dòng Korushio trong suốt thời gian di chuyển xung quanh dòng hải

lưu này (11 ngày) [11].

17

Yalinfan và cộng sự (2009) nghiên cứu ảnh hưởng tương tác của sóng do gió

tới thông lượng trao đổi giữa khí quyển đại dương trong bão nhiệt đới đã kết luận

rằng, cùng với tương tác của hải lưu và sóng do gió tới thông lượng từ đại dương là

nguyên nhân chính gây giảm tốc độ gió của bão (cường độ bão yếu đi) [13].

Chang, Saravanan và cộng sự (2010) đã sử dụng mô hình kết hợp khí quyển-

đại dương khu vực nghiên cứu ảnh hưởng của lớp ngăn cách tới SST trong bão ở

Đại Tây Dương đã thấy rằng mức độ làm lạnh bề mặt do bão giảm tới 60% khi có

lớp ngăn cách. Sự xáo trộn rối đóng vai trò phản hồi âm (ngược) với cường độ bão

và nghiên cứu chỉ ra lớp ngăn cách này có thể làm nhân tố cho dự báo cường độ

bão.

Richard A. Dare và J.McBride (2009) đã nghiên cứu ảnh hưởng của SST tới

bão cho nước Úc, thống kê bão từ 1981-2008 thấy rằng bão di chuyển qua làm lạnh

mạnh nhất khu vực đó sau một ngày, có thể giảm tới -0.90C, cần 5 ngày đề SST trở

về trạng thái bình thường cho 44% số điểm đo và 8 ngày cho khoảng 88% điểm

trạm đo [21].

Liu và cộng sự (2011) đã sử dụng mô hình kết hợp khí quyển-đại dương-sóng

(WRF-POM-SWAN) mô phỏng cường độ xoáy thuận nhiệt đới đã chỉ ra rằng:

Trong khi quan hệ giữa sóng và khí quyển làm xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) mạnh

lên, mối quan hệ động lực của khí quyển-đại dương lại làm bão yếu đi. Ảnh hưởng

tổng thể được xác định bởi phản hồi dương của sóng và phản hồi âm của SST lạnh

tới cường độ bão, nếu bão di chuyển qua vùng nước biển lạnh thì sẽ yếu đi và bão

làm giảm SST [17].

Isacc Ginis và Yablonsky (2011) sử dụng mô hình kết hợp khí quyển-đại

dương (GFDL) và kết quả thấy rằng khi bão di chuyển qua vùng biển nóng hơn

thường lệch trái cùng với cường độ thay đổi nhưng không phải thay đổi một cách

tuyến tính [27].

18

1.2.2 Trong nước

Mở đầu cho việc nghiên cứu tương tác đại dương- khí quyển là kết quả của

đề tài “Nghiên cứu tương tác biển – khí quyển vùng biển Thuận Hải - Minh Hải”

trong chương trình Nhà nước” điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên vùng biển Thuận

Hải - Minh Hải” thời kỳ 1978 – 1981. Đề tài đã nêu ra “mô hình lý thuyết của sự

tương tác các lớp biên tà áp biển - khí quyển”. Ở mô hình này chưa đề cập đến các

tính toán cụ thể các đặc trưng tương tác của biển - khí quyển [4].

Lê Đình Quang (1982), đã nghiên cứu “về một cách tham số hoá lớp biên tà

áp dừng của khí quyển” đã xây dựng mô hình lớp biên tà áp của khí quyển. Trước

hết tác giả đã nêu “vài nét tổng quát của động lực khí quyển nhiệt đới”. Khi đánh

giá bậc đại lượng của một số tham số khí tượng đến vĩ độ 500 N (theo hướng về xích

đạo). Các quy mô đặc trưng chọn lựa mô tả hình thế synốp ở vĩ độ thấp, kể cả

những XTNĐ trong thời kỳ phát triển cực đại của chúng. Khi tăng theo vĩ độ (chẳng

hạn từ 100N đến 400N) các đặc trưng rối như: tốc độ động lực, góc quay của gió

theo độ cao, độ cao của lớp biên và hệ số rối giảm đi rõ rệt. Đặc biệt hệ số rối ở

100N và 400N tương ứng giảm đi tới hàng chục lần [4].

Lê Đình Quang, Đặng Tùng Mẫn (1986) trong công trình “Mô hình dừng

tương tác động lực giữa 2 lớp biên đại dương – khí quyển” đã tính toán các đặc

trưng khí tượng - hải văn vùng ven biển Việt Nam và Biển Đông và đã tính toán các

đặc trưng tương tác đại dương-khí quyển. Các tác giả đã xây dựng “Mô hình dừng

tương tác động lực giữa hai lớp biên đại dương-khí quyển”. Trong mô hình này,

việc làm kín hệ phương trình rối có khác với mô hình được đưa ra trước đây bởi

phương trình khuếch tán năng lượng rối thành nhiệt bởi một số các biểu thức bán

kinh nghiệm và bởi một số tham số ngoài, cũng như điều kiện biên và điều kiện

“dán” giữa hai lớp biên đại dương-khí quyển. Điểm ưu việt của mô hình là việc tính

toán và giải hệ phương trình chỉ theo thông tin synốp - cao không tiêu chuẩn. Tác

giả cũng đã đưa ra các profin hệ số rối theo mùa (đông và hè) cho 2 lớp biên đại

dương-khí quyển trong sự tương tác. Ngoài ra còn có thể tính toán một số đặc trưng

như dòng chảy trôi, véc tơ gió ở độ cao bất kỳ và các đặc trưng động lực khác như

19

độ cao lớp biên (độ cao ở đó hệ số rối k đạt cực đại), hệ số địa chuyển, hệ số ma sát

địa chuyển, tốc độ động lực, lực căng ma sát rối của khí quyển; độ sâu lớp biên, độ

sâu ở đó hệ số rối đạt cực đại của lớp biên biển trong mối tương tác đồng thời [4].

Lê Đình Quang, Bôkhan, Đặng Tùng Mẫn (1987) trong công trình “Một số

kết quả nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới trên Biển Đông năm 1986” đã phân tích

cơn bão Herbert trên Biển Đông thấy rằng, khi bão vượt qua Philippin vào Biển

Đông - một vùng biển lúc đó tương đối ấm hơn (nhiệt độ nước bề mặt > + 280C; thế

nhiệt Q* > 0,2. 10-6 jun/m2), cộng với các điều kiện động lực trên cao thuận lợi, bão

nhanh chóng mạnh lên xuống, vận tốc gió cực đại tăng lên (Vmax ~ 28 m/s) và di

chuyển chậm về phía Tây. Do cơ chế nước trồi và xáo trộn, nhiệt độ nước biển hạ đi

nhanh chóng (T0 < 260C), dự trữ nhiệt của lớp tựa đồng nhất giảm xuống gần giá trị

0. Mối quan hệ ngược bắt đầu phát huy tác dụng, bão tiếp tục di chuyển lên trên

vùng có nhiệt độ nước biển thấp hơn từ 1,5 - 20C so với phần phía đông của Biển

Đông. Điều này làm bão yế đi, tuy rằng trên cao còn điều kiện thuận lợi cho sự phát

triển của bão.

Nghiên cứu tương tác đại dương-khí quyển trong sự nảy sinh, tiến triển của XTNĐ

trên Biển Đông và mối quan hệ ngược, lần đầu tiên ở Việt Nam đã được đề cập đến

trong đề tài hợp tác Việt Xô về khí tượng nhiệt đới và bão thời kỳ 1981 - 1985;

1986 - 1990 và tiếp tục trong thời kỳ 1991 - 1995 bởi Lê Đình Quang và các cộng

tác viên của đề tài. Khi nghiên cứu và tính toán các đặc trưng nhiệt động lực của

XTNĐ phát triển trên Biển Đông trong mô hình bão tổ hợp trên Biển Đông, Lê

Đình Quang và các cộng tác viên đã đề cập đến các điều kiện để áp thấp nhiệt đới

(ATNĐ) phát triển thành bão trên Biển Đông [4].

Lê Đình Quang (1997), trong đề tài cấp Tổng cục KTTV “Ảnh hưởng của

nhiệt độ nước biển bề mặt đến cường độ và hướng di chuyển của XTNĐ trên Biển

Đông (1995 – 1997)” đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển bề mặt

(SST) và hiện tượng nước trồi đến cường độ, hướng di chuyển của XTNĐ trên Biển

Đông và đưa ra kết luận chủ yếu như sau: Nhiệt độ nước biển ảnh hưởng đến

XTNĐ nhưng chỉ là điều kiện cần, tuy nhiên cũng là điều kiện quan trọng. Các

20

XTNĐ khi di chuyển trên “sống nóng” nhiệt độ nước biển bề mặt thì phát triển lên

(hoặc duy trì), còn khi di chuyển trên rãnh lạnh nhiệt độ - ngược lại bão sẽ đầy lên

hoặc tan đi. Đã xây dựng các phương trình tương quan giữa cường độ bão và SST.

Nước trồi ở ngoài khơi vùng biển nam Trung Bộ Việt Nam là một thực thể tồn tại

và có thể “chính nó” là nguyên nhân làm cho bão (nếu còn duy trì cường độ) ít đi

vào vùng bờ biển này [4].

Lê Đình Quang (2000) “ Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt nước biển đến xoáy

thuận nhiệt đới hoạt động trên biển Đông” đã chỉ ra rằng vai trò và ảnh hưởng của

nhiệt độ bề mặt biển đến XTNĐ hoạt động trên biển Đông như sau:

- SST chỉ là điều kiện cần nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc nảy

sinh XTNĐ và phát triển nó thành bão.

- Trung bình SST trên Biển Đông cực đại vào tháng 8 khá trùng với

tháng có tần suất cực đại nảy sinh của ATNĐ và bão trên Biển Đông

- XTNĐ hoạt động trên biển đông khi di chuyển sống nóng thì tương

ứng là giai đoạn XTNĐ phát triển mạnh lên. Ngược lại cường độ

XTNĐ giảm đi khi di chuyển theo rãnh lạnh của SST, thậm chí trong

điều kiện các nhân tố động lực thuận lợi cho sự phát triển của XTNĐ.

- Hiện tượng nước trồi ở ven biển Việt Nam không phải tồn tại nhất

thời mà nó trùng với tâm lạnh của SST, nó cản trở sinh ra XTNĐ hoặc

làm giảm cường độ bão khi di chuyển qua.

- Sau khi bão di chuyển qua để lại “vết nước lạnh” trên vùng nó qua

[4].

Trần Tân Tiến và cộng sự trong đề tài cấp Nhà nước “Xây dựng công nghệ

dự báo liên hoàn bão, nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mô hình số với thời gian

dự báo trước 3 ngày” đã xây dựng được tổ hợp các mô hình dự báo liên hoàn bão,

nước dâng cho Việt Nam [9].

Đinh Văn Ưu và cộng sự có nhiều nghiên cứu về tương tác khí quyển đại

dương như: Trao đổi năng lượng cơ học ở lớp biên khí quyển trên biển (1980), giáo

trình tương tác biển khí quyển (2003), xây dựng mô hình tính toán và dự báo vận

21

chuyển và bồi, xói bùn cát đáy tại đới ven bờ trong điều kiện tác động của bão

(2008).

Nghiên cứu về tương tác biển-khí quyển ảnh hưởng tới cường độ và quỹ đạo

XTNĐ bằng mô hình đại dương-khí quyển còn chưa nhiều và chưa thực sự tương

xứng với vai trò của chúng ở nước ta.

22

CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO

CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

2.1 Mô hình WRF

2.1.1 Tổng quan về mô hình WRF

Mô hình Nghiên cứu và Dự báo WRF (Weather Research and Forecast) là

mô hình đang được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với

sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới, chủ yếu là: Phòng nghiên

cứu Khí tượng qui mô nhỏ và qui mô vừa của trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí

quyển Mỹ (NCAR/MMM), trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP),

phòng thí nghiệm phương pháp dự báo (NOAA /FSL), trung tâm phân tích và dự báo

bão của trường đại học Oklahoma (CAPS), cơ quan thời tiết hàng không Mỹ (AFWA)

và các trung tâm khí tượng quốc tế như Học viện khoa học khí tượng của Trung Quốc

CAMS, Cơ quan thời tiết trung ương của Đài Loan, Cơ quan khí tượng Hàn Quốc

(KMA).

Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết

nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại Mỹ, mô

hình WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng

7/2006). Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài

Loan và Israel (từ năm 2007). Ngoài ra, một số nước khác đang sử dụng WRF trong

nghiên cứu và dự định sử dụng mô hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, Niu-di-

lân, Bra-xin...

Phiên bản 3.4 của mô hình WRF ra đời tháng 4 năm 2012, bao gồm các chức

năng chính sau: hệ phương trình động lực học bất thuỷ tĩnh nén được đầy đủ; các sơ đồ

vật lý được tích hợp cho những ứng dụng ở quy mô từ mét đến hàng nghìn km và có

mã nguồn mở để người sử dụng, cũng như các nhà nghiên cứu có thể đưa thêm các sơ

đồ vật lý vào mô hình; điều kiện biên di động; hệ thống đồng hoá số liệu 4DVAR; kỹ

thuật lồng ghép miền tính di động [1].

23

2.1.2 Cấu trúc của mô hình WRF

Sơ đồ mô tả cấu trúc các thành phần của mô hình WRF

Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF. Nguồn UCAR

Các thành phần chính của mô hình WRF gồm có:

• Hệ thống tiền xử lý của mô hình WRF (The WRF Pre-processing System

,WPS)

• Môđun đồng hóa số liệu (WRFDA)

• Môđun mô phỏng ARW (ARW MODEL)

• Chương trình đồ họa và xử lý sản phẩm của mô hình (Post-processing &

Visualization tools)

WPS: là chương trình được sử dụng chủ yếu để mô phỏng các dữ liệu thực

(real data), bao gồm: xác định miền mô phỏng; nội suy các dữ liệu địa hình, sử dụng

đất (land use), các loại đất về miền mô phỏng; đọc và nội suy các trường khí tượng

từ các mô hình khác (mô hình toàn cầu, mô hình khu vực có độ phân giải thấp) về

miền mô phỏng.

24

WRFDA: là chương trình đồng hóa số liệu quan trắc vào trường phân tích

được tạo ra bởi chương trình WPS. Chương trình này cũng cho phép cập nhật điều

kiện ban đầu trong trường hợp mô hình WRF được chạy ở chế độ tuần hoàn. Kỹ

thuật đồng hóa số liệu biến phân bao gồm cả biến phân ba chiều 3DVAR và biến

phân 4 chiều 4DVAR

ARW MODEL: Đây là mođun chính của hệ thống mô hình WRF, bao gồm

các chương trình khởi tạo đối trường hợp mô phỏng lý tưởng, các mô phỏng dữ liệu

thực và chương trình tích phân. Các chức năng chính của mô hình WRF là:

- Các phương trình không thủy tĩnh nén được đầy đủ

- Ứng dụng đối với cả miền tính toàn cầu và khu vực

- Hệ toạ độ ngang là lưới so le Arakawa C, hệ toạ độ thẳng đứng là hệ toạ độ

khối theo địa hình.

- Bước thời gian sai phân Runge-Kutta bậc 3 được sử dụng đối với các số

sóng âm thanh và sóng trọng trường, sai phân bậc 2 đến bậc 6 được sử dụng cho cả

phương ngang và phương thẳng đứng.

- Lồng ghép miền tính một chiều và 2 chiều và lựa chọn miền tính lồng ghép

di dộng (moving nest).

- WRF được thiết kế cho phép ghép nối với các mô hình khác như mô hình

đại dương, mô hình đất.

- Các lựa chọn tham số hóa vật lý đầy đủ cho bề mặt đất, lớp biên hành tinh,

bức xạ bề mặt và khí quyển, quá trình vi vật lý và quá trình đối lưu.

- Mô hình lớp xáo trộn đại dương một cột

Post-processing & Visualization tools: bao gồm một số chương trình và

phần mềm cho việc khai thác sản phẩm và đồ họa như RIP4, NCL, GrADS và

Vis5D,…

2.1.3 Các quá trình vật lý được tham số hóa trong mô hình

Các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình WRF rất phong phú, tạo điều

kiện thuận lợi cho các đối tượng sử dụng khác nhau. Các quá trình vật lý được tham

25

số hóa trong mô hình WRF bao gồm: Các quá trình vật lý vi mô, tham số hoá đối

lưu mây tích, lớp biên hành tinh, mô hình bề mặt, các quá trình đất - bề mặt (mô

hình đất), bức xạ, khuếch tán.

a. Vật lí vi mô

Vi vật lí bao gồm các quá trình xử lí hơi nước, mây và quá trình giáng thủy.

Các sơ đồ vi vật lí dùng để tính toán xu thế của nhiệt độ, độ ẩm khí quyển và mưa

bề mặt. Tuy nhiên mỗi sơ đồ có độ phức tạp và các biến ẩm riêng khác nhau. Các sơ

đồ vi vật lí có trong mô hình trên Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF Loại sơ đồ Số lượng biến Pha băng Pha hỗn hợp

Kessler 3 Không Không

Purdue Lin 6 Có Có

WSM 3 3 Có Không

WSM 5 5 Có Không

WSM 6 6 Có Có

EtaGCP 2 Có Có

Thompson 7 Có Có

Lựa chọn mặc định của mô hình WRF trong mảng vật lí vi mô là sơ đồ mây,

giáng thủy theo lưới Eta (EtaGCP). Sơ đồ này dự báo những thay đổi của hơi nước

ngưng tụ trong các dạng mây chứa nước, mây gây mưa, mây chứa băng, giáng thủy

băng (tuyết, băng hòn, mưa đá).

b. Đối lưu mây tích

Trong mô hình số trị nói chung, tham số hóa đối lưu mây tích có tầm quan

trọng đặc biệt đối với mô phỏng có độ phân giải trên 10km, mô hình không mô

phỏng được các ổ đối lưu riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm. Mây đối

lưu Cb, Cu sâu có xu hướng làm nóng và khô không khí môi trường do chúng làm

tiêu hao ẩm môi trường còn mây tầng Ci,Cs nông lại có xu hướng làm cho môi

26

trường lạnh và ẩm nhờ sự bốc hơi của hơi nước và nước cuốn ra từ mây (do không

khí môi trường khô hơn). Chính vì vậy, việc xem xét phổ mây tích với các kích cỡ

khác nhau là rất quan trọng trong nghiên cứu mối tương tác giữa mây tích và môi

trường quy mô lớn. Mây tích có quy mô nhỏ hơn nhiều so với độ phân giải thông

thường của lưới mô hình, vì vậy ảnh hưởng của nó đối với hoàn lưu quy mô lớn

không thể tính trực tiếp mà chỉ có thể tính gián tiếp từ cân bằng nhiệt và ẩm của hệ

thống hoàn lưu quy mô lớn.

Mục đích của chính của vấn đề tham số hóa đối lưu là:

- Dự báo lượng mưa sinh ra do đối lưu;

- Tính toán tác động của đối lưu đến các qua trình nhiệt động lực học mô

hình như tính ổn định thẳng đứng, phân bố lại trường nhiệt, ẩm hình thành mây, các

ảnh hưởng đến đốt nóng bề mặt, bức xạ khí quyển,....

Bảng 2.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF

Sơ đồ Mây giáng Loại kết hợp

Kain – Fritsch Có Thông lượng khối

Betts-Miller-Janjic Không Bình lưu

Grell-Devenyi Có Thông lượng khối

Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để liên kết mây với các

trường giải được như nhiệt độ, độ ẩm và gió, nhưng vẫn chưa một phương pháp nào

là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều có những ưu, nhược điểm riêng.

Tham số hóa đối lưu mây tích về mặt lí thuyết chỉ đúng cho những lưới thô,

đối với lưới tĩnh thì bỏ qua sự đối lưu. Trong mô hình WRF có những tùy chọn

tham số hóa đối lưu khác nhau được mô tả trong Bảng 2.2.

c. Mô hình đất -bề mặt

Những sơ đồ lớp bề mặt tính toán hệ số vận tốc và trao đổi ma sát, cho phép

tính dòng nhiệt và ẩm bề mặt bởi mô hình đất - bề mặt và sơ đồ lớp biên hành tinh.

Các sơ đồ bề mặt trong mô hình WRF được mô tả trong Bảng 2.3.

27

Bảng 2.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF

Sơ đồ Quá trình thực vật Biến thay đổi trong đất

(các tầng) Tuyết

5 lớp Không Nhiệt độ (5) Không có

Noah Có Nhiệt độ, nước +băng, nước (4) 1-lớp, nhỏ

RUC Có Nhiệt độ, băng, nước + băng (6) Nhiều lớp

Những mô hình bề mặt đất (LSMs) dùng thông tin khí quyển từ lớp bề mặt,

bức xạ từ sơ đồ bức xạ, giáng thủy từ vật lí vi mô và sơ đồ đối lưu, cùng với thông

tin quan trọng trên những biến trạng thái của đất và thuộc tính của bề mặt đất để

cung cấp những thông tin về thông lượng nhiệt và ẩm qua những điểm mặt đất và

những điểm trên mặt biển, băng. Các thông lượng này cung cấp điều kiện biên ban

đầu cho dòng thăng trong mô hình PBL.

Mô hình mặt đất không cung cấp những xu hướng, nhưng cập nhật những

biến trạng thái của đất gồm: nhiệt độ bề mặt, profile nhiệt độ đất, profile độ ẩm đất,

tuyết. Không có trao đổi ngang giữa những điểm lân cận trong LSMs, vì vậy nó có

thể coi như mô hình cột một chiều cho mỗi điểm lưới trong mô hình WRF. Hiện

nay có nhiều mô hình bề mặt có thể chạy độc lập.

d. Sơ đồ tham số hóa lớp biên hành tinh (Planetery Boundery Layer, PBL)

Lớp biên hành tinh (PBL) có nhiệm vụ tính toán thông lượng xoáy quy mô

dưới lưới. Vì vậy khi PBL được kích hoạt thì khuếch tán theo chiều thẳng đứng

cũng được kích hoạt. Hầu hết, khuếch tán ngang là không đổi (Kk=const). Thông

lượng bề mặt được cung cấp bởi bề mặt và sơ đồ bề mặt đất. Sơ đồ PBL xác định

các profile thông lượng giữa lớp biên và trạng thái của lớp biên. Vì vậy sẽ cung cấp

những khuynh hướng của nhiệt độ, độ ẩm (bao gồm cả mây), động lượng ngang

trong toàn cột khí quyển. Hầu hết các sơ đồ PBL xét sự xáo trộn khô, nhưng cũng

bao gồm hiệu ứng bão hòa trong sự ổn định thẳng.

28

e. Bức xạ khí quyển

Các sơ đồ bức xạ khí quyển cho ta thấy sự đốt nóng bề mặt khí quyển bởi

thông lượng bức xạ sóng ngắn của mặt trời và sóng dài của bề mặt đất. Bức xạ sóng

dài bao gồm tia hồng ngoại (IR) hoặc bức xạ nhiệt hấp thụ được phát ra từ khối

không khí và bề mặt. Dòng bức xạ sóng dài từ bề mặt phụ thuộc vào loại bề mặt

đất, nhiệt độ bề mặt đất. Bức xạ sóng ngắn có chứa cả bức xạ sóng dài, và phụ cận

sóng dài trong phổ mặt trời. Vì chỉ có nguồn là mặt trời, nên bức xạ sóng dài gồm

các quá trình hấp thụ, phản xạ, phát xạ trong khí quyển và tại bề mặt. Phản xạ phụ

thuộc vào Albedo của mặt đệm. Bức xạ còn phụ thuộc vào phân bố của mây, hơi

nước và các khí CO2 , O3 ,…Các tùy chọn bức xạ trong mô hình WRF cho trên

Bảng 2.4.

Bảng 2.4. Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF

Sơ đồ Sóng dài (LW)/Sóng ngắn

(SW)

Số dải Loại

RRTM Sóng dài 16 CO2 ,O3, mây

GFTL-LW Sóng dài 14 CO2 ,O3, mây

GFDLSW Sóng ngắn 12 CO2 ,O3, mây

MM5SW Sóng ngắn 1 mây

Goddard Sóng ngắn 11 CO2 ,O3, mây

f. Sơ đồ tương tác giữa các quá trình vật lí

Trong khi mô hình tham số hóa vật lí phân loại theo cách môđun, và sự

tương tác giữa chúng thông qua những biến trạng thái mô hình (ẩn nhiệt, ẩm,

gió,…), xu hướng của chúng, và thông lượng bề mặt (Hình 2.2)

Quá trình tham số hóa mây tích tác động vào vi vật lí thông qua dòng đi ra.

Vi vật lí cùng với mây tích tác động đến bức xạ thông qua sự ảnh hưởng của mây

tới bức xạ. Bức xạ và bề mặt tương tác với nhau thông qua phát xạ sóng ngắn, dài

và Albedo bề mặt. Bề mặt tương tác với lớp biên hành tinh thông qua thông lượng

29

nhiệt ẩm bề mặt và gió. Lớp biên hành tinh và mây tích tương tác với nhau thông

qua dòng giáng và mây tầng thấp.

Hình 2.2. Sơ đồ tương tác của các thành phần trong mô hình WRF

VI VẬT LÍ MÂY TÍCH

BỨC XẠ PLB

BỀ MẶT

Ảnh hưởng của mây

Một phần mây

Tương tác giữa các quá trình vật lí

Thông lượng nhiệt ẩm bề mặt

Sóng ngắn, dài

Phát xạ bề mặt Albedo bề mặt T, Qv, gió bề mặt

Mây tầng thấp hoặc sự tăng cường dòng giáng

Dòng đi ra

30

2.2. Mô hình ROMS Hiện nay, hai mô hình hoàn lưu đại dương được sử dụng nhiều nhất là POM

(Princeton Ocean Model) và ROMS( Regional Ocean Model System). Trong khi cả

hai mô hình đều dùng chung hệ phương trình nguyên bản (primitive) trên các hệ

lưới tính tương tự nhau, thuật toán, cấu trúc mã nguồn và quan điểm phát triển mô

hình lại hoàn toàn khác nhau (Eze và cộng sự, 2002). POM nguyên bản là chương

trình nguồn độc lập trong đó chỉ có một số hạn chế các chọn lựa với các sơ đồ số trị

chuẩn (sai phân xen kẽ theo thời gian bậc ba) và ít thay đổi từ khi mô hình này được

phát triển. Do sự đơn giản và hiệu quả nên mô hình POM nhanh chóng được chấp

nhận và sử dụng rộng rãi trong cộng đồng khoa học: lượng người sử dụng tăng

khoảng năm mươi phần trăm sau mỗi năm đặc biệt là tại các nước và các cơ quan

nghiên cứu có năng lực tính toán thấp [6].

ROMS cũng là một mô hình mang tính cộng đồng và rất nhiều nhà nghiên sử

dụng với nhiều qui mô không gian và thời gian khác nhau: từ dải ven bờ tới các đại

dương thế giới; mô phỏng cho vài ngày, vài tháng tới hàng chục năm. Tuy nhiên, về

quan điểm xây dựng mô hình, ROMS được xây dựng trên cơ sở các nghiên cứu số

trị bậc cao mới nhất cùng với kỹ thuật tiên tiến cho phép triển khai một cách có hiệu

quả các tính toán có độ phân dải cao. Mô hình giải các phương trình thuỷ động lực

thuỷ tĩnh và bề mặt tự do cho các địa hình phức tạp trên hệ lưới cong trực giao theo

phương ngang và thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng. Mô hình ROMS cho

phép có rất nhiều lựu chọn về sơ đồ đối lưu, gradient áp suất, khép kín rối, điều

kiện biên và thậm chí cả sơ đồ đồng hoá dữ liệu. Mã thực hiện được xây dựng thông

qua hệ thống lệnh tiền xử lý của ngôn ngữ C. Vì những lý do trên đây nên mã nguồn

của ROMS lớn hơn POM khoảng 20 lần và người sử dụng ROMS cần có kiến thức

sâu về máy tính, lập trình, phương pháp tính và phản ứng của mô hình với các sơ đồ

tham số hoá khác nhau [6].

31

2.2.1 Hệ toạ độ thích ứng địa hình Việc sử dụng hệ toạ độ thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng (lưới

hoặc s) xấp xỉ địa hình đáy biển và bề mặt tự do bắt đầu được triển khai từ những

năm 80 nhằm mục đích mô phỏng các quá trình rối gần các bề mặt chất lỏng cũng

như các quá trình động lực vùng cửa sông ven biển. Các cố gắng này dẫn tới sự phát

triển mô hình của Blumberg-Mellor và sau này được xem như là mô hình của

trường Princeton (POM). Cùng với việc phát triển mô hình này, các phiên bản

tương tự của trường Rutgers như SPEM, SCRUM (sử dụng sơ đồ phổ theo phương

thẳng đứng hoặc mặt tự do không đổi) hay ROMS (lưới ) cũng được phát triển.

Mặc dù các mô hình này đều dùng sai phân xen kẽ C trên lưới cong trực giao theo

phương ngang và trên lưới theo phương thẳng đứng, chúng có sự khác nhau đáng

kể trong cách tham số hoá và phương pháp giải.

Các mô hình thích ứng địa hình tuy có ưu điểm là mô phỏng ảnh hưởng của

địa hình tới dòng chảy một cách trung thực hơn các mô hình sai phân thông thường,

chúng cũng có một số nhược điểm. Sai số số học trong quá trình tính gradient áp

suất tại các vị trí có độ dốc lớn (có thể tới 10 cm/s ) trong các mô hình loại này cũng

đã được quan tâm trong nhiều năm qua. Mặc dù các sai số này không thể loại bỏ

được hoàn toàn, hiện nay cũng đã có nhiều phương pháp đã được ứng dụng để giảm

sai số tới mức có thể chấp nhận được và phương pháp tái tạo parabolic do

Shchepetkin và McWiliams (2002) đưa ra đã được sử dụng trong ROMS.

Hệ toạ độ thích ứng địa hình tổng quát có dạng:

tyxyxH

tyxzss

,,),(

,,

01 s (2.1)

trong đó H là độ sâu, là mực nước. Trong trường hợp s phụ thuộc tuyến

tính vào z, phép chuyển toạ độ trên sẽ trở thành hệ toạ độ truyền thống. Các phép

chuyển hệ toạ độ này sẽ tạo ra hệ thống lưới không trực giao, tuy nhiên tỷ số giữa

kích thước lưới theo phương ngang và phương thẳng đứng thường được giả thiết

rằng rất lớn do vậy có thể bỏ qua một số các số hạng liên quan tới hệ toạ độ cong và

phép chuyển toạ độ có thể được đơn giản hoá thành:

32

zx

z

xx z

.

Mối phụ thuộc phi tuyến trong phương trình 1 cho phép tập trung lưới tính

vào những miền có bất đồng nhất mạnh. Nhằm mô phỏng tốt các quá trình động lực

trong lớp xáo trộn cũng như lớp thermocline, mô hình ROMS sử dụng phép chuyển

toạ độ dưới đây (Haidvogel và cộng sự, 2000):

sChhshz ss (2.2)

trong đó hs là độ sâu đặc trưng của lớp xáo trộn và:

2/tanh2

2/tanh2/1tanh

sinh

sinh1

ss

sC bb (2.3)

trong đó , b là các các tham số không thứ nguyên kiểm soát độ co giãn của

lưới theo phương thẳng đứng: độ phân dải tại bề mặt tỷ lệ thuận với giá trị và tại

đáy tăng lên khi b tiến dần đến 1. Ưu điểm của phép giãn trục toạ độ (2) và (3) là

cho phép tăng độ phân dải tuỳ ý tại những nơi độ sâu lớn (tăng độ phân dải trong

lớp nhảy vọt nhiệt độ, thermocline) trong khi duy trì độ phân dải tương đối đều tại

vùng nước nông

2.2.2 Phương pháp tính

a) Sai phân theo không gian

Sai phân trung tâm bậc hai trên lưới Arakawa C áp dụng cho phương ngang

(,) với các điều kiện biên trượt tự do (toàn phần), trượt một phần, hoặc điều kiện

dính. Theo phương thẳng đứng (trục s) sử dụng sai phân xen kẽ bậc hai.

Cũng như các mô hình khác, tuy đã sử dụng phương pháp giảm thiểu sai số

gây ra bởi thành phần gradient áp suất, ROMS vẫn sử dụng kỹ thuật là trơn địa hình

đáy để tăng độ ổn định của mô hình thông qua tham số r sau:

2/12/1

2/12/1

2

HH

hh

h

hr (2.15)

Vì độ dầy của các lớp nước thường nhỏ hơn rất nhiều so với bước tính theo

phương ngang nên bước thời gian thường bị giới hạn bởi điều kiện ổn định theo

33

phương thẳng đứng (Vreugdenhill 1994), t<z2/4Nv, hơn là theo phương nằm

ngang (chỉ tiêu Courant-Friedrichs-Levy).

b) Sai phân theo thời gian

Do vậy có hai cách sử dụng mô hình. Phương pháp thứ nhất là giải phương

trình chuyển động để tính vận tốc ngang sau đó tích phân phương trình liên tục từ

mặt tới đáy để tính thành phần vận tốc thẳng đứng và áp dụng điều kiện động học

tại mặt nước để tính sự thay đổi của mực nước. Phương pháp thứ hai hay kỹ thuật

tách thời gian được sử dụng rộng rãi trong các mô hình hoàn lưu đại dương nhằm

phân giải được các sóng barotropic có tốc độ chuyển động nhanh mà vẫn tiết kiện

thời gian tính:

Chế độ barotrop: giải hệ phương trình động lượng hai chiều “trung bình theo

độ sâu” với bước thời gian ngắn thoả mãn điều kiện Courant-Friedrichs-Lewy

Chế độ barocline: giải hệ phương trình động lượng ba chiều với bước thời gian

tương đối dài

Tuy nhiên sai số khác nhau giữa hai hệ phương trình này đòi hỏi các phương

pháp điều chỉnh sao cho chúng cùng thỏa mãn phương trình liên tục và bảo toàn các

đại lượng vô hướng. Về lý thuyết, hai phương pháp trên sẽ cho cùng một kết quả,

nhưng trên thực tế do sai số trong tính toán nên các kết quả sẽ khác nhau (Son,

1997; Ezer, 2002), do đó trong quá trình giải, một số kỹ thuật hiệu chỉnh số trị và

lọc đã được sử dụng. Các kỹ thuật khác nhau này cũng tạo nên sự khác biệt giữa

POM và ROMS.

2.2.3 Tham số hoá

Xáo trộn rối

Tiền thân của ROMS là mô hình SCRUM, sử dụng sơ đồ Mellor-Yamada

bậc 2 để tham số hoá các hệ số khuyếch tán động lượng KM và nhiệt KH theo

phương thẳng đứng:

34

HH

MM

lqSK

lqSK

(2.16)

trong đó q2/2 là động năng rối, l là kích thước rối, và SM, SH là hàm của số Richarson Rr.

Trong sơ đồ M-Y bậc 2 (phiên bản SCRUM), q được tính từ phương trình dừng của động năng rối:

2

222

lB

q

z

gS

z

v

z

uS

lHM

(2.17)

trong đó B1=15, và l được ước tính từ lớp biên Blackadar: 1

z

hz

z

hz

qdzqdzzl (2.18)

với g=0.2.

ROMS sử dụng sơ đồ M-Y bậc 2 1/2 trong đó q và l là nghiệm của các phương trình sau:

qHMq Fz

Kg

z

v

z

uK

z

qK

zDt

Dq

2~2

20

2222

(2.19)

lHMq FlWz

Kg

Elz

v

z

uKlE

z

lqK

zDt

lDq

~~

03

22

1

22

(2.20)

Trong các phương trình trên, gia tốc của q và l cân bằng với khuyếch tán rối

theo phương thẳng đứng, phát sinh do ma sát, lực nổi, tiêu hao và khuyếch tán theo

phương ngang. W~

là hàm xấp xỉ hiệu ứng biên cứng, E1 và E3 là hằng số không thứ

nguyên. Các hệ số khuyếch tán KM và KH thường được cộng thêm 2x10-5 m2/s (đại

diện cho ảnh hưởng của các quá trình khác tới sự xáo trộn mà mô hình M-Y chưa

mô tả được).

Các quan trắc thực nghiệm cho thấy rối trong chất lỏng phân tầng bị phân rã

tương tự chất lỏng không phân tầng cho tới khi đạt tới số Richarson tới hạn và khi

đó quá trình phân rã gần như dừng lại. Trên cơ sở này công thức nguyên bản của M-

Y: lB

q

1

3

với B1=16.6 được thay thế bằng:

35

HcH

HHc

Hc

HcH

GG

GG

G

GGlB

q

0

0

1.0

/9.00.1

0.12/3

1

3

(2.21)

trong đó 5.225.0 HcG là giá trị tới hạn của số Richarson HG

Xáo trộn do bất ổn định động học

Các profile mật độ theo phương thẳng đứng thường cho thấy lớp mặt biển

mang tính ổn định trung tính (lớp xáo trộn) và phía dưới là lớp thermocline mùa.

Các lớp xáo trộn này rất dễ bị phá vỡ do ứng suất bề mặt, lực nổi và do đó ảnh

hưởng của các quá trình tương tác giữa đại dương và khí quyển nhanh chóng được

phân bố lại trong lớp xáo trộn. ROMS sử dụng phương pháp xáo trộn bất ổn định để

tiếp cận độ dầy lớp xáo trộn. Phương pháp này giả thiết rằng mật độ và vận tốc tại

mặt biển bị xáo trộn theo phương thẳng đứng cho tới khi thoả mãn ba tiêu chuẩn ổn

định sau:

Ổn định tĩnh học

0

z

(2.22)

Bất ổn định tĩnh học thường gây ra bởi các quá trình lạnh bề mặt như khi bắt

đầu mùa thu và mùa đông trong chu trình mùa hay ban đêm trong chu trình ngày.

Quá trình này gây ra đối lưu tự do theo phương thẳng đứng và làm chìm lớp xáo

trộn.

Ổn định lớp xáo trộn

65.022

0

vu

hgR m

b

(2.23)

trong đó hm là độ dày lớp xáo trộn là khoảng cách giữa lớp xáo trộn và lớp

bên dưới. Rb là số Richarson tổng quát. Quá trình này thể hiện sự nhập lưu vào lớp

xáo trộn và tăng cường quá trình chìm xuống của lớp xáo trộn.

Ổn định dòng ma sát:

36

25.022

0

z

v

z

u

zg

Rg

(2.24)

trong đó Rg là số Richarson gradient. Khác với hai quá trình trên làm chìm

lớp xáo trộn, quá trình này gây giảm các đột biến trong lớp chuyển tiếp. Tiêu chuẩn

ổn định dòng ma sát gây ra sự xáo trộn đáng kể trong lớp chuyển tiếp khi tại đáy

của lớp xáo trộn có shear đáng kể theo phương thẳng đứng.

Khép kín dưới lưới

Một số các toán tử xáo trộn ngang đã được sử dụng trong mô hình ROMS:

điều hoà (Laplace) và song điều hoà cho các thành phần nhớt và khuếch tán Trong

đó các hệ số liên quan có thể là hằng số, phụ thuộc vào bước lưới hay thời gian (tỷ

lệ với các đặc trưng của trường dòng chảy).

2.3 Mô hình COASWT

Mô hình HWRF nguyên bản chỉ có thể dự báo bão cho khu vực Đại Tây

Dương và Vịnh Mê-xi-cô. Trong luận văn này, với mục đích dự báo bão cho khu

vực Biển Đông, tôi đã thay đổi thành phần mô hình đại dương POM thành mô hình

ROMS. Mô hình POM được phát triển bởi trường đại học Princeton và có nhiều

điểm về cấu trúc và lõi động lực tương đồng với mô hình ROMS. Sự kết hợp giữa

mô hình WRF và ROMS thông qua hệ thống mô hình COAWST (Coupled-Ocean-

Atmosphere-Wave-Sediment Transport) với tùy chọn kết hợp “online” và tương tác

2 chiều giữa mô hình khí quyển WRF và mô hình đại dương ROMS. Hệ thống mô

hình COAWST được xây dựng với mục đích nhằm kết hợp mô hình khí quyển đại

dương do nhóm chuyên gia của liên đoàn khảo sát địa chất Hoa Kỳ phát triển hệ

thống mô hình kết hợp “vận chuyển bùn cát -sóng-khí quyển-đại dương”, COAWST

với mã nguồn mở và chạy song song với MPI hoặc OpenMPI. Hệ thống COAWST

có các thành phần như sau:

- Mô hình khí quyển: WRF

- Mô hình đại dương: ROMS

37

- Mô hình sóng : SWAN (Simulating Waves Nearshore)

- Mô hình vận chuyển bồi lắng: CSTMS (Community Sediment

Transport Modeling Systems)

- Công cụ kết hợp các mô hình này với nhau là MCT (Model Coupling

Toolkit)

Hình 2.3. Sơ đồ cấu trúc mô hình COAWST

Trong hệ thống COAWST có rất nhiều phương án chạy kết hợp khác nhau

như: WRF-ROMS, WRF-SWAN, WRF-ROMS-SWAN, ROMS-SWAN, WRF-

ROMS-SWAN- CSTMS. Hệ thống COAWST được hoàn thiện năm 2010 và liên

tục được cải tiến và cập nhật cho tới nay.

Trong luận vặn này, tôi sử dụng hệ thống COAWST với phương án mô hình

liên hoàn WRF-ROMS tương tác 2 chiều. Các thông số về biến gió (u,v), áp suất

khí quyển, nhiệt độ, thông lượng sóng ngắn, thông lượng sóng dài, mưa, thông số

mây được mô hình WRF gửi xuống mô hình ROMS và mô hình ROMS sẽ gửi

thông số về SST lên mô hình WRF. Trong thử nghiệm này, tôi sử dụng bước thời

gian kết hợp (couple) giữa 2 mô hình là 10 phút (600s) cùng với bước tích phân của

WRF, ROMS tương ứng là 120s, 150s trên hệ thống máy tính bó song song 8

nodes. Chi tiết namelist trong phần phụ lục.

38

2.4 Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm

Trong mô hình liên hoàn WRF-ROMS, miền tính của cả 2 thành phần khí

quyển (WRF) và đại dương (ROMS) có kích thước lưới và độ phân giải lưới giống

hệt nhau. Miền tính từ khoảng 30 tới 300 Bắc, 900 đến 1300 Đông bao phủ toàn bộ

Biển Đông và bán đảo Đông Dương. Chi tiết miền tính như sau:

Hình 2.4. Miền tính dự báo Kích thước: 110x160 điểm lưới, độ phân giải ¼ độ kinh vĩ (27.75km), phép

chiếu bản đồ Mercator. Trong mô hình WRF sử dụng tọa độ với 27 mực trên cao.

Với mô hình ROMS, địa hình đáy biển được nội suy từ số liệu địa hình đáy biển

toàn cầu ETOPO-2 có độ phân dải 2’ (khoảng 4km). Độ sâu lớn nhất của miền tính

khoảng 4500 m và độ sâu nhỏ nhất được giới hạn bằng 10 m và được chia thành 20

lớp theo phưong thẳng đứng (Bảng 2.5). Tất cả các eo nối Biển Đông với các biển

lân cận đều nông ngoại trừ eo Luzon là nơi có độ sâu khoảng trên 2000m.

Bảng 2.5 Ranh giới các lớp nước (m) tại các độ sâu khác nhau với =5 b=0

STT C() Độ sâu nhỏ Độ sâu TB Độ sâu lớn 20 0.000 0.0000000 0.0 0.000 0.00019 -0.050 -0.0034043 -0.5 -8.114 -15.72818 -0.100 -0.0070225 -1.0 -16.706 -32.41317 -0.150 -0.0110820 -1.5 -26.285 -51.07116 -0.200 -0.0158376 -2.0 -37.422 -72.843 15 -0.250 -0.0215883 -2.5 -50.783 -99.067

39

14 -0.300 -0.0286952 -3.0 -67.178 -131.35713 -0.350 -0.0376050 -3.5 -87.606 -171.71112 -0.400 -0.0488774 -4.0 -113.317 -222.63411 -0.450 -0.0632206 -4.5 -145.896 -287.29210 -0.500 -0.0815356 -5.0 -187.359 -369.717

9 -0.550 -0.1049732 -5.5 -240.278 -475.0568 -0.600 -0.1350059 -6.0 -307.948 -609.8967 -0.650 -0.1735206 -6.5 -394.588 -782.6756 -0.700 -0.2229368 -7.0 -505.610 -1004.2205 -0.750 -0.2863593 -7.5 -647.958 -1288.415 4 -0.800 -0.3677727 -8.0 -830.543 -1653.0863 -0.850 -0.4722919 -8.5 -1064.805 -2121.1112 -0.900 -0.6064833 -9.0 -1365.431 -2721.863 1 -0.950 -0.7787778 -9.5 -1751.277 -3493.054

0 -1.000 -1.0000000 -10.0 -2246.552

-4483.104

Điều kiện ban đầu cho mô hình ROMS được xây dựng bằng cách nội suy số

liệu quan trắc nhiều năm COADS (Comprehensive Ocean-Atmospheric Data Set),

thành phân bố ba chiều trung bình tháng của mực nước và nhiệt độ. Trường dòng

chảy ban đầu được lấy bằng 0. Điều kiện biên hay các yếu tố ngoại vi (trung bình

tháng) ảnh hưởng tới kết quả tính toán được đưa vào xem xét bao gồm độ muối, áp

suất khí quyển, ứng suất gió trên mặt biển, nhiệt độ không khí, độ ẩm, bức xạ sóng

ngắn. Hiện nay, cộng đồng sử dụng mô hình ROMS đã phát triển công cụ

ROMSTOOL giúp xây dựng miền tính, tạo điều kiện biên, điều kiện ban đầu, cập

nhật SST cho mô hình ROMS.

Số liệu sử dụng trong mô hình là dự liệu đầu cho mô hình WRF từ mô hình

toàn cầu GFS, SST và các trường đại dương cho ROMS từ NCEP với 3 cơn bão là

Mindule (2010), Nalgae và Nock-ten (2011).

40

2.5 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo, cường độ bão

Đối với quỹ đạo đánh giá bằng sai số vị trí (Khoảng cách giữa tâm bão thực

tế và tâm bão dự báo):

11 2 1 2 2 1os sin sin os os os( )AB ed R c c c c (2.25)

- Giá trị trung bình của sai số khoảng cách PE được tính:

.1

n

i ji

j

PEMPE

n

(2.26)

Với Re là bán kính trái đất Re = 6378.16km.

Ngoài ra, để tính toán tốc độ di chuyển dọc theo quỹ đạo của bão dự báo

nhanh hay chậm hơn so với vận tốc di chuyển thực của bão, quá trình dự báo lệch

trái hay lệch phải người ta còn dùng thêm sai số dọc ATE (Along Track Error) và

sai số ngang CTE (Cross Track Error).

ATE > 0: tâm bão dự báo nằm phía trước tâm bão quan trắc.

ATE < 0: tâm bão dự báo nằm phía sau tâm bão quan trắc.

CTE > 0: tâm bão dự báo nằm phía phải tâm bão quan trắc

CTE < 0: tâm bão dự báo nằm phía trái tâm bão quan trắc

Với quy ước này nếu sai số ATE trung bình (MATE) nhận giá trị dương có

nghĩa tâm bão dự báo có xu thế di chuyển dọc theo quỹ đạo nhanh hơn so với thực

và ngược lại, MATE nhận giá trị âm thì tâm bão dự báo có xu thế di chuyển dọc

theo quỹ đạo chậm hơn. Sai số CTE trung bình (MCTE) dương cho thấy quỹ đạo

bão có xu thế lệch phải còn MCTE âm cho thấy xu thế lệch trái so với quỹ đạo thực.

,1

n

i ji

ATEMATE

n

,1

n

i ji

j

CTEMCTE

n

(2.27)

(2.28)

Trong đó i là dung lượng mẫu (i=1,n), j là hạn dự báo (j=0, 6, 12, 18…72).

Đối với cường độ bão đánh giá kết quả dự báo bằng giá trị chênh lệch của trị

số áp suất thấp nhất tại tâm bão (hPa) theo dự báo và theo giá trị thực tế (Pmin dự

41

báo –Pmin quan trắc) và giá trị chênh lệch tốc độ gió lớn nhất ở gần tâm bão (m/s)

theo dự báo và theo giá trị thực tế (Vmax dự báo – Vmax quan trắc).

Trong luận văn này, tôi thử nghiệm đánh giá ảnh hưởng của tương tác biển

khí quyển tới cường độ và quỹ đạo cho 3 trường hợp bão với 2 phương án WRF-

ROMS và WRF. Cơn bão số 3/2010 (Mindulle) là cơn bão được hình thành từ một

vùng áp thấp ở phía Đông Đông Nam quần đảo hoàng Sa rồi mạnh lên thành áp

thấp nhiệt đới. Lúc 13h ngày 22/8 áp thấp nhiệt đới này ở vào khoảng 16,30N -

114,40E. Sáng ngày 23/8 áp thấp nhiệt đới mạnh lên thành bão, có tên quốc tế là

Mindulle và là cơn bão số 3 hoạt động ở Biển Đông. Lúc 10 giờ ngày 23/8, vị trí

tâm bão ở khoảng 16,30N - 110,50E. Hồi 14 giờ ngày 24/8, vị trí tâm bão ở khoảng

18,70N-106,20E, cách bờ biển các tỉnh Thanh Hóa–Nghệ An khoảng 40km về phía

Đông. Đêm ngày 24/8 bão số 3 đổ bộ vào các tỉnh từ Thanh Hóa đến Nghệ An, sau

đó suy yếu thành vùng thấp đi sâu vào đất liền và tan ở Lào (Hình 2.5b).

Cơn bão số 3/2011 (Nock-ten) được hình thành từ một áp thấp nhiệt đới ở

vùng biển ngoài khơi Philippin vào sáng ngày 25/7. Hồi 13h ngày 25/7 vị trí tâm áp

thấp nhiệt đới này ở vào khoảng 13,10N; 127,40E. Áp thấp nhiệt đới này mạnh lên

thành bão vào sáng sớm ngày 26/7. Bão di chuyển vào Biển Đông vào sáng ngày

28/7 theo hướng giữa Tây và Tây Tây. Đêm ngày 29/7, bão đổ bộ vào khu vực phía

Đông Nam đảo Hải Nam (Trung Quốc). Đến chiều tối ngày 30/7, bão đổ bộ vào địa

phận các tỉnh từ Thanh Hóa đến Nghệ An và suy yếu thành áp thấp nhiệt đới. Tối

cùng ngày áp thấp nhiệt đới đã suy yếu thành một vùng áp thấp di chuyển theo

hướng Tây và tan dần trên khu vực Trung Lào (Hình 2.5b).

Cơn bão Nalgae được hình thành trên Thái Bình Dương từ ngày 27 tháng 9,

đây là cơn bão rất mạnh khi di chuyển qua Phi-líp-pin đạt cấp 14-15 đầu tháng 10

và di chuyển theo hướng chủ đạo là hướng Tây và tan ngoài biển gần bắc Trung bộ

nước ta ngày 4 tháng 10/2011 (Hình 2.5c).

42

Hình 2.5. Quỹ đạo thực của bão Mindulle (a), Nock-ten (b) và Nalgae (c). Nguồn JMA

43

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO

3.1 Nhiệt độ và áp suất bề mặt biển

Tại các thời điểm, SST của WRF-ROMS chính là SST của ROMS, SST của

ROMS luôn thấp hơn so với SST của WRF. Đối với cả 3 cơn bão, ta thấy phương

án WRF-ROMS có nhiệt độ bề mặt nước biển thấp hơn khoảng 2-30C so với

phương án WRF tại thời điểm ban đầu. Độ chênh lệch này tăng dần lên 3-40C đối

với hạn dự báo 12h và 24h, tiếp tục tăng lên 4-50C với hạn 48h và 72h. Chính SST

của WRF-ROMS luôn thấp hơn so với WRF nên gây ảnh hưởng mạnh mẽ tới các

quá trình động lực, nhiệt lực của bão, gây ảnh hưởng tới các biến đặc trưng của bão.

Nguyên nhân làm cho SST của WRF-ROMS thấp hơn WRF bắt nguồn từ SST của

mô hình ROMS. Mặt khác, SST của ROMS được lấy từ NCEP với giá trị trung bình

tuần nên đây cũng có thể là nguyên nhân làm cho SST của phương án WRF-ROMS

thấp.

Khí áp bề mặt biển của phương án WRF-ROMS luôn cao hơn so với phương

án WRF khoảng 2-3 mb với hạn sự báo 12h, tăng dần lên 6-8 mb với hạn 24h, tăng

nhanh với hạn 48h và 72h, tương ứng khoảng 14-15 mb và 22-24 mb.

Cả 3 trường hợp thử nghiệm phương án WRF-ROMS đều mô phỏng bão yếu

hơn so với phương án WRF. Do vậy bước đầu có thể khẳng định rằng cường độ bão

trong phương án WRF-ROMS yếu hơn so với phương án mô phỏng đơn thuần bằng

WRF. Chi tiết đối với từng cơn bão cụ thể như sau:

3.1.1 Bão Mindulle

Kết quả mô phỏng diễn biến của bão Mindulle cho thấy trường nhiệt độ bề

mặt nước biển tại thời điểm ban đầu giữa 2 phương án có sự sai khác rõ rệt. Cụ thể

thông qua hiệu SST giữa WRF-ROMS và WRF cho thấy trường SST của phương

án WRF-ROMS nhỏ hơn SST của phương án WRF khoảng trung bình 2-30C trên

toàn miền tính. Tại tâm bão, SST của ROMS vào khoảng 25-260C trong khi SST

44

của WRF vào khoảng 27-280C ở thời điểm ban đầu (. Sự sai khác này tiếp tục thấy

tại các hạn dự báo 12h và 24h khoảng 3-40C (Hình 3.2).

Không có sự khác nhau của khí áp bề mặt biển giữa 2 phương án tại thời

điểm ban đầu, tuy nhiên sự sai khác này tăng lên khoảng 4-6 mb tại hạn 12h và 8-10

mb tại hạn dự báo 24h (Hình 3.2).

Hình 3.1. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm 00h.

Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a) và 24h (b).

45

Kết quả mô phỏng diễn biến của bão Mindulle với hạn dự báo 36h và 48h thì

hiệu SST và SLP tăng lên nhanh chóng , trung bình khoảng 4-50C cho SST trên

toàn miền tính và khoảng 15-20 mb cho SLP tại tâm bão (Hình 3.3).

3.1.2 Bão Nock-ten

Tương tự với bão Mindulle, kết quả mô phỏng diễn biến của bão Nock-ten

cho thấy trường nhiệt độ bề mặt nước biển tại thời điểm ban đầu giữa 2 phương án

cũng có sự sai khác rõ rệt. Tuy nhiên tại thời điểm ban đầu bão đang di chuyển qua

vùng đất liền của Phi-líp-pin nên tại tâm bão ta không xét tới SST nhưng trên toàn

miền tính SST của ROMS (WRF-ROMS) nhỏ hơn khoảng 2-30C so với phương án

WRF (Hình 3.4). Khí áp bề mặt biển của 2 phương án đều như nhau tại thời điểm

ban đầu này.

Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h (a) và 48h (b)

46

Trên hình 3.5 cho thấy độ chênh SST và SLP của phương án WRF-ROMS

và WRF tăng dần khoảng 2-30C và 3-4 mb với hạn 12h, khoảng 3-40C và 6-8 mb

với hạn 24h, khoảng 4-50C và 14-16 mb với hạn 48h. Tới hạn 72h ta thấy tại gần

đảo Hải Nam nơi mà có tâm bão theo mô phỏng, độ chênh SST trong hai phương án

vào khoảng trung bình hơn 50C và SLP khoảng hơn 20 mb.

Hình 3.4. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF (b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d) tại thời điểm

00h.

47

3.1.3 Bão Nalgae

Tương tự như 2 cơn bão trên, thấy trường nhiệt độ bề mặt nước biển tại thời

điểm ban đầu giữa 2 phương án có sự sai khác rõ rệt. Tại tâm bão, SST của ROMS

vào khoảng 26-280C trong khi SST của WRF vào khoảng 28-290C ở thời điểm ban

đầu. Như vậy hiệu SST giữa phương án WRF-ROMS và WRF cho thấy trường SST

của phương án WRF-ROMS nhỏ hơn SST của phương án WRF khoảng trung bình

2-30C trên toàn miền tính (Hình 3.6).

Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d)

48

Độ lệch của SST và SLP giữa 2 phương án tiếp tục tăng theo các hạn dự báo,

mức tăng đạt khoảng 2-30C và 4-6 mb với hạn 12h, khoảng 3-50C và 10-12 mb với

hạn 24h, khoảng 3-50C và 16-18 mb với hạn 48h. Tới hạn 72h theo mô phỏng thì

dương như bão tan (Hình 3.7).

Hình 3.6. SST và SLP của WRF-ROMS (a) và WRF(b), hiệu SST (c) của 2 phương án. SST và dòng bề mặt của ROMS (d)

tại thời điểm 00h.

Hình 3.7. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 12h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d)

49

3.2 Profile nhiệt độ tại tâm bão

Kết quả mô phỏng diễn biến của bão Mindulle cho thấy tại thời điểm ban đầu

profile nhiệt độ tại tâm của bão không có sự sai khác giữa 2 phương án. Sau 12h mô

phỏng, nhiệt độ không khí theo các mực bắt đầu có sự sai khác, khoảng 30C tại bề

mặt và 20C tại mực 500 m. Đối với hạn 24h mức chênh lệch giữa 2 phương án

WRF-ROMS và WRF vào khoàng 3,50C và 2,50C tại mực bề mặt và mực 500 m.

Độ chênh lệch này tăng hơn đối với hạn dự báo 48h, khoảng 50C và 40C tại bề mặt

và 500 m (Hình 3.8).

Như vậy, từ profile nhiệt độ không khí tại tâm bão cho thấy nhiệt độ của

phương án WRF-ROMS chịu ảnh hưởng của SST nên thấp hơn hẳn so với phương

án WRF, tăng dần theo các hạn dự báo.

Tương tự với bão Mindulle, kết quả mô phỏng profile nhiệt độ của bão

Nock-ten tại thời điểm ban đầu của 2 phương án là như nhau. Tuy nhiên sau 24h

tích phân, nhiệt độ của phương án WRF cao hơn phương án WRF-ROMS khoảng

Hình 3.8. Profile nhiệt độ tại tâm bão Mindulle giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d)

50

30C và 1,50C ở bề mặt và mực 500m. Độ chênh lệch này lớn nhất ở hạn dự báo 48h,

khoảng 40C tại bề mặt và mực 500m. Với hạn dự báo 72h, mức chênh này giảm

xuống còn khoảng 30C tại bề mặt và 10C tại mực 500m (Hình 3.9).

Cũng giống như 2 cơn bão trên, kết quả mô phỏng profile nhiệt độ của bão

Nalgae tại thời điểm ban đầu là như nhau với 2 phương án. Sự sai khác về nhiệt độ

giữa 2 phương án WRF-ROMS và WRF tăng lên nhanh với hạn 24h và 48h, tương

ứng khoảng 3,50C tại bề mặt và 30C tại mực 500 m (Hình 3.10).

Như vậy, nhiệt độ không khí của cả 3 cơn bão với phương án WRF-ROMS

chịu ảnh hưởng từ SST nên luôn thấp hơn so với phương án WRF (SST mặc định từ

GFS). Bão mô phỏng bằng WRF-ROMS có cấu trúc nhiệt lực nhỏ hơn và cường độ

bão nhỏ hơn yếu hơn so với bão mô phỏng bởi WRF.

Hình 3.9. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nock-ten giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 12h (b), 24h (c) và 48h (d)

51

3.3 Gió và áp suất nhiễu động

Trong dự báo số trị, biến áp suất không khí thường được chia ra làm 2 thành

phần nhằm mục đích cho việc đánh giá áp suất dễ ràng hơn. Hai thành phần của áp

suất không khí là: áp suất nền (base pressure) và áp suất nhiễu động (pertubation

pressure). Áp suất nhiễu động phản ảnh rất rõ cấu trúc và lõi động lực của bão, tính

chất mạnh yếu của bão, bất ổn định của bão.

Thông qua 3 cơn bão cho thấy rằng vận tốc ngang và áp suất nhiễu động của

bão của phương án WRF-ROMS luôn nhỏ và yếu hơn phương án WRF. Do vậy,

cường độ bão mô phỏng bởi WRF-ROMS yếu hơn so với phương án WRF. Cụ thể

cho bão Nalgae như sau:

Trường gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm ban đầu của bão Nalgae

là như nhau với 2 phương án. Vận tốc gió vào khoảng 24-25 m/s, áp suất nhiễu

động khoảng -8 đến -6 mb (Hình 3.11).

Hình 3.10. Profile nhiệt độ tại tâm bão Nalgae giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h (a), 24h (b), 48h (c) và 72h (d).

52

Sau 12h dự báo vận tốc gió ngang bắt đầu tăng so với trường ban đầu. Vận tốc

gió và áp suất nhiễu động của phương án WRF mạnh hơn hẳn phương án WRF-

ROMS. Từ hình 3.12 ta thấy vận tốc gió khoảng 30-33m/s và 33-36 m/s với hạn

12h và 24h của phương án WRF. Trong khi đó phương án WRF-ROMS mô phỏng

vận tốc gió là 24-27 và khoảng 21 m/s tại vùng gió mạnh với hạn 12h và 48h. Các

đường đẳng tốc của phương án WRF rất dày và ken xít trong khi của phương án

WRF-ROMS rất thưa và nhỏ.

Tương tự, trị số giá trị áp suất nhiễu động của phương án WRF lớn hơn khá

nhiều so với phương án WRF-ROMS. Trong khi trị số lớn nhất của áp suất nhiễu

động tại tâm trong phương án WRF là khoảng 16 mb và 18 mb tại hạn dự báo 12h

và 24h, trong khi đó với phương án WRF-ROMS là 8-10 mb và 6-8 mb (Hình 3.12).

Hình 3.11. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF (b).

53

Dường như phương án WRF-ROMS mô phỏng bão yếu đi và có xu hướng tan

tới hạn 48h, trong khi đó phương án WRF mô phỏng bão đang rất phát triển tại hạn

dự báo 48h. Vận tốc gió của phương án WRF-ROMS khá là yếu khoảng 15-18 m/s

và áp suất nhiễu động khá nhỏ và đổi dấu từ âm sang dương đến khoảng 2-3 mb tại

tâm bão. Tới hạn 72h, phương án WRF-ROMS mô phỏng bão tan. Phương án WRF

mô phỏng bão có dấu hiệu suy yếu nhưng vẫn còn khá mạnh, vận tốc gió cực đại

đạt khoảng 21-24 m/s và áp suất nhiễu động khoảng -3 mb (Hình 3.13).

Hình 3.12. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c),

(d).

54

Tuy nhiên đến hạn 24h mức độ chênh lệch giữa 2 phương án lớn dần vào

khoảng 10-12m/s tại vùng gió mạnh xung quanh tâm bão. Với hạn 48h mức chênh

lệch tăng lên trung bình khoảng 12-14m/s. Độ lệch nhỏ lại rất nhanh khi tới hạn

72h, sau 72h dự báo cả 2 phương án đều cho bão suy yếu.

Cũng giống như 2 cơn bão trên phương án WRF-ROMS mô phỏng cho vận

tốc gió trung bình nhỏ hơn phương án WRF cho tất cả các hạn dự báo tương ứng

cường độ bão yếu hơn đối với cơn bão Nalgae.

Như vậy tổng kết lại với 3 trường hợp thử nghiệm vận tốc gió trung bình bề

mặt phương án WRF-ROMS yếu hơn so với phương án WRF. Hay nói cách khác

cường độ bão mô phỏng của phương án WRF-ROMS yếu hơn so WRF.

Trường gió ngang và áp suất nhiễu động của 2 cơn bão Mindulle và Nock-ten

có xu hướng tương tự bão Nalgae, chi tiết trong phần phụ lục.

Hình 3.13. Vận tốc gió ngang và nhiễu động áp suất tại thời điểm 48h và 72h với 2 phương án WRF-ROMS và WRF tương ứng (a), (b), (c), (d).

55

3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt

Cả 3 trường hợp thử nghiệm thấy rằng thông lượng nhiệt-ẩm gửi lên mô hình

WRF từ ROMS thấp hơn so với mặc định của WRF (từ mô hình GFS). Mức chênh

lệch này tăng dần qua các hạn dự báo. Đây là nguyên nhân dẫn đến cường độ bão

mô phỏng bằng WRF-ROMS sẽ yếu hơn so với mô phỏng bằng WRF.

3.4.1 Bão Mindulle

Thông lượng nhiệt gửi qua bề mặt lên khí quyển HFX (heat flux upward

from surface), thông lượng ẩm gửi qua bề mặt lên khí quyển QFX (moisture flux

upward from surface) và ẩn nhiệt LH (latent heat) là các biến thông lượng đặc trưng

cho trao đổi năng lương trong bão. Thực chất thì QFX và LH là một. Trên hình 3.14

thấy rằng trường thông lượng nhiệt-ẩm trung bình ô lưới (1/4 độ kinh vĩ) vùng tâm

bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu là như nhau.

Thông lượng nhiệt trung bình ô lưới vùng tâm bão của phương án WRF-ROMS

luôn âm đối với tất cả các hạn dự báo, ngược lại phương án WRF luôn dương.

Thông lượng nhiệt trung bình ô lưới vùng tâm bão của phương án WRF-ROMS là -

37 W/m2 và thấp hơn phương án WRF (58 W/m2) khoảng 95W/m2 với hạn dự báo

12h. Mức chênh lệch này tăng dần theo các hạn dự báo, tương ứng khoảng 120

W/m2 và 150 W/m2 với hạn dự báo 24h và 48h. Tại thời điểm ban đầu, thông lượng

nhiệt và ẩm chưa có sự trao đổi đối với cả 2 phương án. Thông lượng ẩm chính là

ẩn nhiệt, ẩn nhiệt của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn so với phương án

WRF, tương ứng là khoảng 700 W/m2 , 850 W/m2 và 1000 W/m2 cho các hạn 12h,

24h và 48h.

56

3.4.1 Bão Nock-ten Tương tự với bão Mindulle, kết quả mô phỏng của bão Nock-ten cho thấy

rằng trường thông lượng nhiệt-ẩm trung bình ô lưới (1/4 độ kinh vĩ) vùng tâm bão

của 2 phương án WRF-ROMS và WRF không có sự sai khác do chưa có sự trao đổi

tại thời điểm ban đầu. Thông lượng nhiệt trung bình ô lưới vùng tâm bão của

phương án WRF-ROMS hầu như nhỏ hơn 0, trừ hạn dự báo 72h là 2 W/m2, tuy

nhiên phương án WRF lại luôn dương. Thông lượng nhiệt trung bình ô lưới vùng

tâm bão của phương án WRF-ROMS là -50 W/m2 và thấp hơn phương án WRF (12

W/m2) khoảng 60 W/m2 với hạn dự báo 12h. Mức chênh lệch này giảm xuống một

ít với hạn 24h (40 W/m2) và tăng trở lại khoảng 60 W/m2 với hạn 48h và 72h dự

báo. Ẩn nhiệt (thông lượng ẩm) lúc đầu của cả 2 phương án đều bằng 0. Ẩn nhiệt

của phương án WRF luôn lớn hơn khá nhiều phương án WRF-ROMS vào khoảng

400 W/m2, 450 W/m2, 700 W/m2 và 900 W/m2 với các hạn dự báo tương ứng 12h,

24h, 48h và 72h (Hình 3.15).

Hình 3.14. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF.

57

3.4.1 Bão Nalgae

Cũng như bão Mindulle và Nock-ten, kết quả mô phỏng của bão Nalgae cho

thấy thông lượng nhiệt trung bình ô lưới vùng tâm bão của phương án WRF-ROMS

nhỏ hơn rất nhiều so với phương án WRF tại các hạn dự báo. Thông lượng trong

phương án WRF cao hơn phương án WRF-ROMS khoảng 50 W/m2, 70 W/m2 và

150 W/m2 với hạn 12h, 24h và 48h. Tuy nhiên tới hạn 72h thì độ chênh này giảm

xuống còn khoảng 90 W/m2. Điều này cũng xảy ra tương tự với ẩn nhiệt, khoảng

330 W/m2, 400 W/m2 và 580 W/m2 với hạn 12h, 24h và 48h. Tới hạn 72h thì có

giảm xuống khoảng 380 W/m2 (Hình 3.16).

Hình 3.15. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF.

58

3.5 Đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão

Việc đánh giá kết quả dự báo quỹ đạo bão trong hai trường hợp có và không

chạy liên hoàn khí quyển đại dương được thực hiện dựa trên tính toán sai số khoảng

cách trung bình (MPE), sai số dọc trung bình (MATE) và sai số ngang trung bình

(MCTE) đối với các cơn bão thử nghiệm.

Hình 3.17 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo

bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự

báo 00Z ngày 23/08/2010 của bão Mindulle. Theo các hình 3.17a, trường hợp

WRF-ROMS cho sai số khoảng cách (PE) nhỏ hơn đáng kể so với trường hợp

WRF, đặc biệt là trong 18h đầu dự báo vào khoảng 40-45km với phương án WRF-

ROMS và 75-80km với WRF. Từ 18h đến 36h dự báo, phương án WRF-ROMS có

sai số khoảng cách lớn hơn phương án WRF, nhưng độ chênh lệch không lớn lắm

tới 36h PE của 2 phương án vào khoảng 250km. Từ 36h trở đi, phương án WRF-

ROMS cho sai số PE cao hơn hẳn so với phương án WRF, trong khi phương án

WRF có PE khoảng 300km ở 48h thì đối với phương án WRF-ROMS là gần

500km. Nhìn chung, cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí tâm bão dự

Hình 3.16. Bảng và đồ thị biểu diễn thông lượng trung bình cho một ô lưới tâm bão của 2 phương án WRF-ROMS và WRF.

59

d)

a)

bbb)

báo và tâm bão thực tương đối lớn. Đối với sai số dọc (ATE), cả hai phương án đều

có xu hướng di chuyển chậm hơn so với quan trắc (giá trị sai số đều âm) trong 12h

đầu. Từ khoảng 18h đến 48h, cả 2 phương án đều cho bão di chuyển nhanh hơn so

với thực tế, ATE vào khoảng 300km, mặt khác từ 42h đến 48h phương án WRF-

ROMS cho bão di chuyển nhanh hơn hẳn so với phương án WRF. Thông qua sai số

dọc đối với bão Mindulle thấy cả 2 phương án đều di chuyển nhanh hơn so với thực

tế. Tuy nhiên theo hình 3.17d, sai số ngang (CTE) của phương án WRF-ROMS cao

hơn WRF trong khoảng từ 6-18h và từ 24h-42h, trong khoảng 18h-24h thì phương

án WRF-ROMS lại nhỏ hơn WRF. Thông qua CTE cả 2 phương án lúc đầu có lệch

trái một chút nhưng sau đó chủ yếu lệch phải hơn so với thực tế. Thông qua cả 3 chỉ

số PE, ATE, CTE cho thấy quỹ đạo bão mô phỏng bằng 2 phương án có xu hướng

di chuyển nhanh hơn và lệch phải hơn so với thực tế.

Hình 3.17 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z).

Hình 3.18 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo

bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự

báo 00Z ngày 27/7/2011 của bão Nock-ten. Phương án WRF-ROMS cho sai số

khoảng cách đều lớn hơn phương án WRF đối với tất cả các hạn dự báo. Giá trị PE

c)

b)

60

a)

khoảng 150km cho cả 2 phương án với hạn 24h và tăng khá nhanh lên tới khoảng

300km (WRF), 400km (WRF-ROMS) với hạn 48h và tương ứng là gần 500km,

700km với hạn 72h. Nhìn chung cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí

tâm bão dự báo và tâm bão thực khá lớn. Đối với sai số dọc, cả hai phương án đều

có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với quan trắc (ATE dương) trong suốt quá

trình dự báo. Phương án WRF-ROMS mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn hẳn

phương án WRF. Tuy nhiên theo hình 3.18d, sai số ngang của 2 phương án tại giai

đoạn đầu đều lệch trái hơn so với thực tế (CTE có giá trị âm). Phương án WRF-

ROMS mô phỏng bão di chuyển lệch trái nhiều hơn so với quỹ đạo thực với giai

đoạn đầu.

Thông qua hình 3.18b thấy quỹ đạo dự báo của cả 2 phương án xu thế di

chuyển tương đối tốt so với thực tế tuy có mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn so

quan trắc.

Hình 3.18. Sai số khoảng cách (a), dọc (c), ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b)

bão Nock-ten (2011072700Z).Hình 3.19 biểu diễn sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang và quỹ đạo

bão dự báo trong hai trường hợp WRF-ROMS, WRF so với thực tế tại thời điểm dự

báo 00Z ngày 02/10/2011 của bão Nalgae. Theo các hình 3.19a, phương án WRF-

ROMS cho sai số khoảng cách đều lớn hơn phương án WRF đối với tất cả các hạn

c) d)

b)

61

a)

c)

dự báo. Giá trị PE khoảng 50km cho cả 2 phương án và khoảng 120km (WRF),

230km (WRF-ROMS) với hạn 48h và tương ứng là 250km, 350km với hạn 72h.

Nhìn chung cả 2 phương án cho sai số về khoảng cách vị trí tâm bão dự báo và tâm

bão thực tương đối nhỏ ở giai đoạn đầu và khá lớn ở giai đoạn cuối. Đối với sai số

dọc, cả hai phương án đều có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với quan trắc (giá

trị sai số đều dương) trong suốt quá trình dự báo. Giá trị ATE vào khoảng 50km cho

cả 2 phương án với hạn 24h. Phương án WRF có ATE nhỏ hơn khá nhiều so với

phương án WRF-ROMS, với hạn 48h phương án WRF khoảng 100km còn với

phương án WRF-ROMS là 230km, sau 72h dự báo thì ATE tương ứng của 2

phương án không và có liên hoàn là 200km và 350km. Tuy nhiên theo hình 3.19d,

sai số ngang của 2 phương án giai đoạn đầu đều lệch trái hơn so với thực tế (CTE

có giá trị âm). Phương án WRF-ROMS mô phỏng bão di chuyển lêch trái hơn so

với quỹ đạo thực với các hạn dự báo, đối với phương án WRF thì từ hạn 42h đến

72h mô phỏng bão lệch phải hơn (CTE dương). Thông qua hình 3.30b thấy quỹ đạo

dự báo của cả 2 phương án tương đối tốt so với thực tế tuy có mô phỏng bão di

chuyển nhanh hơn so quan trắc.

Hình 3.19. Sai số khoảng cách (a), dọc (c), ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z).

d)

b)

62

a)

c) b)

Tổng kết lại với các trường hợp mô phỏng bão ở trên sai số khoảng cách

trung bình (MPE), sai số dọc trung bình (MATE) và sai số ngang trung bình

(MCTE) nhằm đánh giá cho các cơn bão thử nghiệm. Trên hình 3.20 thấy sai số

khoảng cách trung bình của cả hai phương án khá nhỏ trong khoảng 18h đầu mô

phỏng vào khoảng 50km, tăng dần lên khoảng 100km ở hạn 24h và khi đến 48h thì

vào khoảng 250km với phương án WRF và khoảng 350km với phương án WRF-

ROMS. Đến hạn 72h, khoảng cách này càng lớn khoảng 350km và 500km tương

ứng phương án WRF và phương án WRF-ROMS. Sai số dọc trung bình vào khoảng

100km với hạn 24h, 200km và 350km của phương án WRF và WRF-ROMS với

hạn 48h. Hạn 72h sai số dọc của phương án WRF-ROMS là khoảng 500km và

phương án WRF-ROMS là 350km. Như vậy cả 2 phương án đều mô phỏng bão di

chuyển nhanh hơn thực tế. Sai số ngang của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn

so với phương án WRF và đa phần nhỏ hơn không ở các hạn dự báo nghĩa là bão

lệc trái hơn còn với phương án WRF dương nên lệch phải hơn so với thực tế.

Hình 3.20. Sai số khoảng cách (a), dọc (b), ngang (c) trung bình.

Đối với áp suất bề mặt biển thấp nhất (SLP min) trung bình cho các phương

án thấy rằng phương án WRF-ROMS cao hơn quan trắc đối với các hạn dự báo.

63

Phương án WRF trong 12h đầu cho SLPmin cao hơn quan trắc , sau đó với các hạn

dự báo còn lại luôn nhỏ hơn so với quan trắc (Hình 3.20 và 3.21).

Như vậy, phương án WRF-ROMS mô phỏng cường độ bão yếu hơn so với

quan trắc trong khi phương án WRF lại mô phỏng cường độ bão mạnh hơn quan

trắc.

Hình 3.21 SLP min trung bình và ME của SLP min

a) b)

64

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

1. Đã thực hiện tổng quan về các mô hình dự báo bão trên thế giới, ở Việt

Nam và về ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới quỹ đạo, cường độ

bão. Nhìn chung, ở Việt Nam vấn đề tích hợp đồng thời mô hình khí tượng và mô

hình hải dương nhằm mô phỏng và dự báo bão chưa được quan tâm đúng mức và

chưa có nhiều kết quả nghiên cứu về hướng này. Đa số các công trình nghiên cứu

hiện có chỉ sử dụng hai mô hình theo cách độc lập với nhau và chỉ chuyển kết quả

cho nhau sau khi đã mô phỏng toàn bộ thời gian cần thiết.

2. Đã thử nghiệm vận hành hệ thống liên hoàn hai mô hình: khí quyển

(WRF) và đại dương (ROMS) trong chế độ tương tác đồng thời nhằm dự báo quỹ

đạo và cường độ bão ở trên Biển Đông. Hai mô hình có cùng miền tính và độ phân

giải ngang bao phủ Biển Đông và vùng phụ cận. Bước thời gian chuyển tải thông tin

giữa hai mô hình là 10 phút.

3. Kết quả thử nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại

dương tới dự báo quỹ đạo và cường độ bão đối với 3 cơn bão đại diện trong 2 năm

2010 và 2011 với hai phương án WRF-ROMS và WRF cho thấy:

- Phương án WRF-ROMS cho SST thấp hơn khoảng 2-30C tại thời điểm

ban đầu, tăng dần lên 3-40 C đối với hạn dự báo 12, 24h và đến 4-50C đối với hạn

dự báo 48, 72h so với phương án WRF đơn thuần. Đây sẽ là nguyên nhân chính

dẫn đến mô phỏng bão yếu hơn khi sử dụng đồng thời hai mô hình khí tượng và

hải dương.

- Khí áp bề mặt biển tại vùng gần tâm bão mô phỏng được khi sử dụng

phương án WRF-ROMS luôn cao hơn so với phương án WRF khoảng 2-3mb với

hạn dự báo 12h, tăng dần lên 6-8mb với hạn 24h, tăng nhanh đến 14-15mb và 22-

24mb tương ứng với các hạn dự báo 48 và 72h.

- Tốc độ gió trung bình bề mặt ở vùng gần tâm bão của phương án WRF-

ROMS nhỏ hơn so với phương án WRF.

65

- Thông lượng nhiệt-ẩm gửi lên mô hình WRF từ ROMS thấp hơn so với

mặc định của WRF. Mức chênh lệch này tăng dần qua các hạn dự báo.

- Cả 2 phương án đều mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn thực tế. Sai số

ngang của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn so với phương án WRF và mô

phỏng bão di chuyển lệch trái trong khi đó phương án WRF mô phỏng bão di

chuyển lệch phải hơn so với thực tế.

- Khí áp thấp nhất gần tâm bão khi sử dụng WRF-ROMS luôn cao hơn so

với thực tế, trong khi đó phương án WRF cho giá trị này thấp hơn so với thực tế ở

các hạn dự báo sau 12h.

- SST liên tục được cập nhật từ ROMS đến mô hình WRF trong 10 phút một

và khi đó chúng luôn nhỏ hơn so với với trường hợp chỉ sử dụng mô hình WRF

(SST được sử dụng mặc định từ sản phẩm mô hình toàn cầu GFS). Tương tự, gió bề

mặt, áp suất khí quyển bề mặt và thông lượng nhiệt ẩm khi có kết hợp đều thấp hơn

so với phương án chỉ mô phỏng bằng WRF. Điều này làm cho cường độ bão mô

phỏng bằng WRF-ROMS yếu hơn so với chỉ mô phỏng bằng WRF. Kết quả đánh

giá sai số dọc, sai số ngang và sai số khoảng cách cho thấy, cả hai phương án dự

báo đều cho cơn bão di chuyển nhanh hơn so với thực tế.

Kiến nghị:

1. Các nhận định nêu trên được rút ra từ kết quả thử nghiệm đối với số ít bão

hoạt động trên Biển Đông và để có các nhận định khách quan hơn về ảnh hưởng của

tương tác biển – khí quyển đến quỹ đạo, cường độ của bão, các mô phỏng cần được

thực hiện đối với tập mẫu lớn hơn với các cơn bão hoạt động với nhiều cấp cường

độ, loại quỹ đạo, vùng hoạt động và thời gian hoạt động khác nhau trong năm trên

Biển Đông.

2. Cần có các nghiên cứu nhằm hiệu chỉnh hoặc cập nhật trường SST ban

đầu cho mô hình ROMS nhằm sát với thực tế của bão hơn. Ngoài ra cũng cần thiết

triển khai các nghiên cứu nhằm đánh giá vai trò củacác sơ đồ tham số hóa vật lý

trong cả hai mô hình khí tượng và hải dương đối với quỹ đạo và cường độ bão.

66

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Hoàng Đức Cường, 2011, Nghiên cứu ứng dụng mô hình WRF phục vụ dự

báo thời tiết và bão ở Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học

và phát triển công nghệ cấp Bộ, 115 trang.

2. Võ Văn Hòa, 2007: Nghiên cứu thử nghiệm mô hình WRF dự báo quỹ đạo

bão trên khu vực Biển Đông. Tạp chí KTTV số 5, tr.13-20.

3. Nguyễn Minh Huấn, 2004: Nghiên cứu ứng dụng mô hình số trị ba chiều cho

vùng nước nông ven bờ biển Việt Nam. Luận án Tiến sĩ Địa lý, Đại học

Khoa học Tự nhiên,180 trang.

4. Phạm Văn Ninh và cộng sự, 2009: Biển đông Tập2: Khí tượng, Thuỷ văn,

Động lực biển. Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ. 550 trang

5. Lê Đình Quang, 2000: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển bề mặt đến cường

độ và hướng di chuyển của xoay thuận nhiệt đới trên Biển Đông. Tuyển tập

kết quả nghiên cứu khoa học 1996-2000, tập 1. Nhà xuất bản Nông Nghiệp,

tr. 101-115.

6. Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Phạm Văn Sỹ, 2010: Nghiên cứu ứng

dụng kết quả mô hình ROMS trong dự báo quỹ đạo vật thể trôi phục vụ công

tác tìm kiếm. Tuyển tập báo cáo hội thảo khoa học XIII, tập2, Viện Khoa học

Khí tượng Thủy văn và Môi trường, tr.69-76.

7. Phan Văn Tân, Kiều Thị Xin, Nguyễn Văn Sáng, 2002: Mô hình chính áp

WBAR và khả năng ứng dụng vào dự báo quỹ đạo bão khu vực Tây Bắc

Thái Bình Dương và Biển Đông. Tạp chí KTTV số 6, tr.27-33.

8. Lê Công Thành, 2004, Ứng dụng các loại mô hình số dự báo bão ở Việt

Nam. Tạp chí KTTV số 5-2004, tr.10-22.

9. Trần Tân Tiến và cộng sự, 2010, Xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn bão,

nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mô hình số với thời gian dự báo trước 3

ngày. Đề tài cấp Nhà nước, 202 trang.

67

10. Lê Hồng Vân, 2009: Dự báo bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam bằng mô hình

WRF sử dụng đồng hóa số liệu xoáy giả. Luận văn Thạc sỹ Khí tượng, 88

trang.

11. Chau-Ron Wu, Yu-Lin Chang, Lie-Yauw Oey, C.-W. June Chang, and Yi-

Chia Hsin, 2008: Air-sea interaction between tropical cyclone Nari and

Kuroshio. Geophysical research letters, Vol 35, L12605,

doi:10.1029/2008GL033942.

12. Chiaying Lee, 2009: Effects of Atmosphere-Wave-Ocean Coupling on

Tropical Cyclone Structure. 29th Conference on Hurricanes and Tropical

Meteorology , China.

13. Fan, Yalin, Isaac Ginis, Tetsu Hara, 2009: The Effect of Wind–Wave–

Current Interaction on Air–Sea Momentum Fluxes and Ocean Response in

Tropical Cyclones. J. Phys. Oceanogr, 39, 1019–1034.

14. Hong, Xiaodong, Simon W. Chang, Sethu Raman, Lynn K. Shay, Richard

Hodur, 2000: The Interaction between Hurricane Opal (1995) and a Warm

Core Ring in the Gulf of Mexico. Mon. Wea. Rev., 128, 1347–1365.

15. Isaac Ginis: Tropical Cyclone-Ocean Interactions. Atmosphere-Ocean

Interactions. Advances in Fluid Mechanics Series, No. 33, WIT Press, 83-

114.

16. Kerry A. Emanuel, 1986: An air-sea interaction theory for tropical cyclones.

Part I: steady-state maintenace. J. Atmosphere Sciences, Vol 43, pp585-604

17. Liu, Bin, Huiqing Liu, Lian Xie, Changlong Guan, Dongliang Zhao, 2011:

A Coupled Atmosphere–Wave–Ocean Modeling System: Simulation of the

Intensity of an Idealized Tropical Cyclone. Mon. Wea. Rev., 139, 132–152.

18. Lloyd, Ian D., Gabriel A. Vecchi, 2011: Observational Evidence for Oceanic

Controls on Hurricane Intensity. J. Climate, 24, 1138–1153.

19. Morris A Bender, Isaac Ginis, Yoshio Kurihara, 1993: Numerical

Simulations of Tropical Cyclone-Ocean Interaction With a High-Resolution

Coupled Model . Journal geophysical research , Vol. 98, pp 23,245-23,263.

68

20. Morris A. Bender, Isaac Ginis, Yoshio Kurihara, 1993: Numerical

Simulations of Tropical Cyclone-Ocean Interaction With a High-Resolution

Coupled Model. Geophysical research letters, Vol. 98, pp. 23,245-

23,263.Richard A. Dare and John L. McBride, 2009: Sea Surface

Temperature Response to Tropical Cyclones. 29th Conference on Hurricanes

and Tropical Meteorology , China.

22. Schade, Lars R., Kerry A. Emanuel, 1999: The Ocean’s Effect on the

Intensity of Tropical Cyclones: Results from a Simple Coupled Atmosphere–

Ocean Model. J. Atmos. Sci., 56, 642–651.

23. Tong ZHU and Da-Lin ZHANG, 2006: The Impact of the Storm-Induced

SST Cooling on Hurricane Intensity. Advances in Atmospheric Sciences,

Vol.23, pp 14–22.

24. Weixing Shen, Isaac Ginis, 2003: Effects of surface heat flux-induced sea

surface temperature changes on tropical cyclone intensity. Geophysical

research letters, Vol. 30, No. 18, doi:10.1029/2003GL017878.

25. Wu, Liguang, Bin Wang, Scott A. Braun, 2005: Impacts of Air–Sea

Interaction on Tropical Cyclone Track and Intensity. Mon. Wea. Rev., 133,

3299–3314.

26. Yablonsky, R. M., and I. Ginis, 2011: Impact of a warm ocean eddy’s

circulation on hurricane- induced sea surface cooling with implications for

hurricane intensity. Mon. Wea. Rev., 139, . Monthly Weather Review.

27. Yablonsky, Richard M., Isaac Ginis, 2008: Improving the Ocean

Initialization of Coupled Hurricane–Ocean Models Using Feature-Based

Data Assimilation. Mon. Wea. Rev., 136, 2592–2607.

28. http://woodshole.er.usgs.gov/operations/modeling/COAWST/index.html

29. http://www.emc.ncep.noaa.gov/gc_wmb/vxt/

30. http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/

31. http://www.myroms.org/documentation/docs.php

69

PHỤ LỤC

Namelist của WRF-ROMS ! Multiple model coupling parameters. ! !=========================================================== ! Copyright (c) 2010 ROMS/TOMS Group, version 3.0 === ! John C. Warner === ! grids nested application: ! ! AKT_BAK == 2*1.0d-6 2*5.0d-6 ! m2/s ! Number of parallel nodes assigned to each model in the coupled system. ! Their sum must be equal to the total number of processors. NnodesATM = 4 ! atmospheric model NnodesWAV = 1 ! wave model NnodesOCN = 4 ! ocean model ! Time interval (seconds) between coupling of models. TI_ATM_WAV = 600.0d0 ! atmosphere-wave coupling interval TI_ATM_OCN = 600.0d0 ! atmosphere-ocean coupling interval TI_WAV_OCN = 600.0d0 ! wave-ocean coupling interval ! Coupled model standard input file name. ! atmospheric model ATM_name = namelist.input ! wave model WAV_name = Projects/NalgaeTyphoon/INPUT_JOE_TC ! ocean model OCN_name = Projects/NalgaeTyphoon/ocean_nalgaetyphoon.in ! Sparse matrix interpolation weights files. W2ONAME == Projects/ NalgaeTyphoon /wav2ocn_weights.nc W2ANAME == Projects/ NalgaeTyphoon /wav2atm_weights.nc A2ONAME == Projects/ NalgaeTyphoon /atm2ocn_weights.nc A2WNAME == Projects/ NalgaeTyphoon /atm2wav_weights.nc O2ANAME == Projects/ NalgaeTyphoon /ocn2atm_weights.nc O2WNAME == Projects/ NalgaeTyphoon /ocn2wav_weights.nc ! If you are running a simulation using WRF + either ROMS or SWAN, ! then this featuere sets the WRF grid that will exchange fileds to ! ROMS and/or SWAN. In the future, we will have more options

70

! to couple various levels of R/S grids to various WRF grids. But we ! need to start somewhere, and for now you can only choose 1 WRF grid. ! WRF_CPL_GRID == 1 ! 1 = parent ! ! GLOSSARY: ! ========= ----------------------- ! Number of parallel nodes assigned to each model in the coupled system. !------------------------------------------------------- ! NnodesATM Number of processes allocated to the atmospheric model. ! NnodesWAV Number of processes allocated to the wave model. ! NnodesOCN Number of processes allocated to the ocean model. !--------------------------------------------------

Hình p.1. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h và 12h với 2 phương án WRF-ROMS và

WRF tương ứng (a),(b),(c),(d).

71

Hình p.3. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 00h với 2 phương án WRF-ROMS (a) và WRF

(b).

Hình p.2. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 24h và 48h với 2 phương án WRF-ROMS và

WRF tương ứng (a),(b),(c),(d).

72

Hình p.4. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 12h và 24h với 2 phương án WRF-ROMS và

WRF tương ứng (a),(b),(c),(d).

73

Hình p.5. Vận tốc gió ngang và áp suất nhiễu động tại thời điểm 48h và 72h với 2 phương án WRF-ROMS và

WRF tương ứng (a),(b),(c),(d).