MÔ HÌNH WRF VÀ QUY TRÌNH ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU XOÁY GIẢ PHỤC VỤ DỰ BÁO BÃO

LUẬN VĂN THẠC SỸ

MÔ HÌNH WRF VÀ QUY

TRÌNH ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU

XOÁY GIẢ PHỤC VỤ DỰ

BÁO BÃO

i

Lêi c¶m ¬n

Tr−íc hÕt, t«i xin bµy tá lßng biÕt ¬n s©u s¾c tíi GS. TS. TrÇn T©n TiÕn, lµ

ng−êi ®· tËn t×nh chØ b¶o, h−íng dÉn vµ gióp ®ì t«i trong qu¸ tr×nh häc tËp vµ hoµn

thµnh luËn v¨n nµy.

T«i xin c¶m ¬n c¸c ThÇy c« vµ c¸c c¸n bé trong khoa KhÝ t−îng - Thñy v¨n -

H¶i d−¬ng häc ®· cung cÊp cho t«i nh÷ng kiÕn thøc chuyªn m«n quý gi¸, gióp ®ì vµ

t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi vÒ c¬ së vËt chÊt trong suèt thêi gian t«i häc tËp vµ lµm viÖc

ë Khoa.

T«i còng xin c¶m ¬n Phßng sau ®¹i häc, Tr−êng §¹i häc Khoa häc Tù nhiªn

®· t¹o ®iÒu kiÖn cho t«i cã thêi gian hoµn thµnh luËn v¨n.

Cuèi cïng, t«i xin göi lêi c¶m ¬n ch©n thµnh tíi gia ®×nh, ng−êi th©n vµ b¹n

bÌ, nh÷ng ng−êi ®· lu«n ë bªn c¹nh cæ vò, ®éng viªn vµ t¹o mäi ®iÒu kiÖn tèt nhÊt

cho t«i trong suèt thêi gian häc tËp t¹i tr−êng.

Lª ThÞ Hång V©n

ii

Môc lôc

Më ®Çu............................................................................................................................ 1

CH¦¥NG 1: TæNG QUAN VÒ B·O §æ Bé Vµ §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶...... 3

1.1. Tæng quan vÒ b·o ®æ bé....................................................................................... 3

1.1.1. C¸c nghiªn cøu vÒ b·o ®æ bé ........................................................................ 3

1.1.2. Sai sè b·o ®æ bé ........................................................................................... 7

1.2 Tæng quan vÒ ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶. ............................................................. 8

1.3 C¸c m« h×nh dù b¸o b·o trong vµ ngoµi n−íc .................................................... 12

CH¦¥NG 2: M¤ H×NH WRF Vµ QUY TR×NH §åNG HãA Sè LIÖU XO¸Y GI¶

phôc vô dù b¸o b·o .............................................................................................. 16

2.1. M« h×nh WRF sö dông trong dù b¸o b·o .......................................................... 16

2.1.1. HÖ täa ®é th¼ng ®øng vµ c¸c biÕn th«ng l−îng........................................... 17

2.1.2. HÖ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n............................................................................... 17

2.1.3. Tham sè hãa vËt lý...................................................................................... 21

2.1.4. CÊu h×nh miÒn tÝnh vµ nguån sè liÖu .......................................................... 22

2.2.M« h×nh x©y dùng xo¸y gi¶................................................................................ 23

2.2.1. C¬ së lý thuyÕt ............................................................................................ 23

2.2.2. X©y dùng xo¸y gi¶ ...................................................................................... 26

2.3. §ång hãa sè liÖu tr−êng cµi xo¸y gi¶ trong m« h×nh WRF .............................. 27

2.4. ChØ tiªu ®¸nh gi¸................................................................................................ 32

CH¦¥NG 3: §¸NH GI¸ KÕT QU¶ Dù B¸O B·O §æ Bé...............................................34

CñA M¤ H×NH WRF.............................................................................................................34

3.1. TËp sè liÖu nghiªn cøu....................................................................................... 34

3.2. §¸nh gi¸ vai trß cña ®ång hãa sè liÖu tr−êng cµi xo¸y gi¶ trong dù b¸o b·o

b»ng m« h×nh WRF. ................................................................................................. 38

3.2.1. Lùa chän yÕu tè cÊu thµnh xo¸y gi¶ trong ®ång hãa sè liÖu tr−êng cµi

xo¸y gi¶................................................................................................................. 38

3.2.2. Vai trß cña ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ ®èi víi lùa chän TH2 ..................... 44

3.3 §¸nh gi¸ kÕt qu¶ trªn bé mÉu sè liÖu c¸c c¬n b·o ®æ bé ®−îc lùa chän........... 57

3.3.1. §¸nh gi¸ vÒ quü ®¹o ................................................................................... 57

3.3.2. §¸nh gi¸ vÒ c−êng ®é ................................................................................. 60

3.4 §¸nh gi¸ vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé ...................................................................... 61

3.4.1. Ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé ......................................... 61

3.4.2. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ ......................................................................................... 63

3.4.2.1. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o vÞ trÝ ®æ bé.................................................... 64

3.4.2.2. §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o xu h−íng ®æ bé ............................................ 71

KÕt luËn ........................................................................................................................ 80

Tµi liÖu tham kh¶o........................................................................................................ 83

1

Më ®Çu

B·o lµ mét hiÖn t−îng thêi tiÕt phøc t¹p bao gåm nhiÒu qu¸ tr×nh tõ qui m«

synop ®Õn qui m« nhá t−¬ng t¸c víi nhau. MÆc dï b·o ®· ®−îc quan t©m nghiªn cøu

tõ nhiÒu thËp kû, nh−ng cho ®Õn nay ch−a cã mét lý thuyÕt ®Çy ®ñ vÒ c¸c c¬ chÕ

trong b·o. V× thÕ, b·o vµ dù b¸o b·o vÉn cßn lµ mét bµi to¸n lín thu hót sù chó ý

cña nhiÒu nhµ khoa häc. Nh÷ng khÝa c¹nh cña bµi to¸n dù b¸o b·o bao gåm: dù b¸o

quü ®¹o, dù b¸o sù thay ®æi c−êng ®é, thêi gian tån t¹i cña hoµn l−u sau khi b·o ®æ

bé, qu¸ tr×nh vµ kh¶ n¨ng m−a cña vïng bªn ngoµi vµ lâi bªn trong, dù b¸o thay ®æi

cÊu tróc trong ®ã dù b¸o vÞ trÝ vµ thêi ®iÓm ®æ bé cña c¸c c¬n b·o lµ bµi to¸n cã ý

nghÜa c¶ vÒ khoa häc vµ thùc tiÔn ®èi víi nh÷ng ng−êi nghiªn cøu vµ nh÷ng ng−êi

lµm dù b¸o. Nh÷ng n¨m gÇn ®©y, cïng víi sù ph¸t triÓn cña khoa häc kÜ thuËt, nhiÒu

m« h×nh sè khu vùc ®· ®−îc ®−a vµo nghiªn cøu, thö nghiÖm dù b¸o b·o tuy nhiªn

nh÷ng thµnh tùu thu ®−îc míi chØ ë møc khëi ®Çu. Do m¹ng l−íi quan tr¾c trªn

vïng biÓn nhiÖt ®íi rÊt th−a thít vµ do chÝnh cÊu tróc to¸n lý, còng nh− ®é ph©n gi¶i

rÊt th«, nªn trong c¸c m« h×nh toµn cÇu t©m xo¸y b·o ban ®Çu th−êng ®−îc bÞ sai

lÖch vÞ trÝ vµ cã c−êng ®é yÕu h¬n so víi xo¸y b·o thùc. §Ó kh¾c phôc h¹n chÕ nµy

ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p ban ®Çu hãa xo¸y gi¶, tøc lµ thay thÕ xo¸y ph©n tÝch

kh«ng chÝnh x¸c trong tr−êng ban ®Çu b»ng mét xo¸y nh©n t¹o míi sao cho cã thÓ

m« t¶ gÇn ®óng nhÊt víi xo¸y b·o thùc vÒ cÊu tróc, vÞ trÝ vµ c−êng ®é. Xo¸y gi¶ cã

thÓ ®−îc cµi trùc tiÕp vµo m«i tr−êng mét c¸ch hµi hßa sao cho kh«ng cã sù bÊt liªn

tôc gi÷a tr−êng xo¸y vµ tr−êng m«i tr−êng. Qu¸ tr×nh nµy còng cã thÓ ®−îc thùc

hiÖn b»ng ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu, qua ®ã mét sè thµnh phÇn cña xo¸y nh©n

t¹o ®−îc ®−a vµo s¬ ®å ®ång hãa sè liÖu d−íi d¹ng c¸c quan tr¾c gi¶.

Trªn thÕ giíi còng ®· cã nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu vÒ bµi to¸n ban ®Çu hãa b»ng

ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè liÖu cho c¸c m« h×nh sè vµ ®¹t ®−îc nh÷ng kÕt qu¶ kh¶

quan trong bµi to¸n dù b¸o quü ®¹o vµ c−êng ®é b·o. ë ViÖt Nam, ®ång hãa sã liÖu

xo¸y gi¶ vÉn cßn lµ vÊn ®Ò míi mÎ ch−a cã nhiÒu t¸c gi¶ nghiªn cøu. ChÝnh v× vËy

trong luËn v¨n nµy, t«i sÏ tiÕn hµnh t×m hiÓu vµ ¸p dông ph−¬ng ph¸p ®ång hãa sè

2

liÖu xo¸y gi¶ ®èi víi m« h×nh WRF, víi mong muèn n©ng cao h¬n chÊt l−îng dù

b¸o b·o cña m« h×nh WRF, ®Æc biÖt lµ nh÷ng c¬n b·o ®æ bé.

Bè côc luËn v¨n gåm c¸c phÇn:

Ch−¬ng 1: Tæng quan vÒ b·o ®æ bé vµ ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶.

Ch−¬ng 2: M« h×nh WRF vµ quy tr×nh ®ång hãa sè liÖu xo¸y gi¶ phôc vô dù

b¸o b·o.

Ch−¬ng 3: §¸nh gi¸ kÕt qu¶ dù b¸o b·o ®æ bé cña m« h×nh WRF.

KÕt luËn.

3

CH¦¥NG 1: TæNG QUAN VÒ B·O §æ Bé Vµ §åNG HãA Sè

LIÖU XO¸Y GI¶

1.1. Tæng quan vÒ b·o ®æ bé

1.1.1. C¸c nghiªn cøu vÒ b·o ®æ bé

Theo quy chÕ vÒ b·o, lò vµ th«ng t− cña ViÖt Nam do Tæng côc KhÝ t−îng

Thñy v¨n xuÊt b¶n th¸ng 10/1998: b·o ®æ bé lµ khi t©m b·o vµo ®Êt liÒn.

Sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o g©y ra nhiÒu nh÷ng nguy c¬ nghiªm träng ®Õn tÝnh

m¹ng vµ tµi s¶n cña nh÷ng ng−êi d©n ®Æc biÖt lµ ë c¸c vïng biÓn. C¸c c¬n b·o ®æ bé

th−êng kÌm theo thêi tiÕt nguy hiÓm, cã thÓ më réng ra phÝa ngoµi tõ t©m b·o. C¸c

vïng giã m¹nh, sãng d©ng trong b·o g©y tµn ph¸ vµ m−a lín d÷ déi th−êng x¶y ra

gÇn m¾t b·o. Chóng ta th−êng chØ nhËn ra nh÷ng nguy c¬ nµy gÇn t©m b·o nh−ng Ýt

thÊy thùc tÕ r»ng thêi tiÕt nguy hiÓm cã thÓ x¶y ra c¸ch xa ®ã, cã thÓ ®¹t cùc ®¹i t¹i

kho¶ng c¸ch 200- 400 km tõ m¾t b·o trong c¸c d¶i m−a phÝa ngoµi c¬n b·o (McCaul

1991) [17]. Do vËy ph¹m vi g©y ¶nh h−ëng cña b·o t−¬ng ®èi lín dÉn ®Õn nhiÒu khã

kh¨n trong c«ng t¸c dù b¸o.

Trªn thÕ giíi cã nhiÒu ch−¬ng tr×nh nh−: ITCLP ch−¬ng tr×nh b·o ®æ bé quèc

tÕ, thö nghiÖm b·o ®æ bé cña Trung Quèc - CLAYTEX, ch−¬ng tr×nh b·o ®æ bé cña

Hoa Kú vµ c¶ nh÷ng nghiªn cøu vÒ sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o nhiÖt ®íi b»ng c¸c sè

liÖu quan tr¾c hoÆc c¸c m« t¶ cña c¸c m« h×nh sè tõ c¸c ®iÒu kiÖn ban ®Çu lý t−ëng.

Nh÷ng ch−¬ng tr×nh vµ nghiªn cøu trªn ®· b−íc ®Çu ®Æt nÒn mãng ®Ó n©ng cao sù

hiÓu biÕt vµ ®é chÝnh x¸c cña viÖc dù b¸o c¸c qu¸ tr×nh ®æ bé cña b·o ®Ó gi¶m thiÓu

nh÷ng t¸c h¹i tõ nh÷ng c¬n b·o ®æ bé nµy.

ë Hång K«ng, Cheng (2000) ®· ®¸nh gi¸ c¸c ®Æc tr−ng c¸c c¬n b·o ®æ bé

vµo Hång K«ng n¨m 1999 b»ng viÖc sö dông c¸c ¶nh vÖ tinh vµ c¸c quan tr¾c tõ c¸c

ra ®a Doppler cña ®µi Hång K«ng, c¸c profile giã vµ c¸c tr¹m thêi tiÕt tù ®éng. Chan

(2004) ®· ®Ò xuÊt r»ng ®é ®øt giã gi÷a c¸c mùc 850mb vµ 200mb cã liªn quan mËt

thiÕt c¸c cÊu tróc bÊt ®èi xøng ®èi l−u cña c¸c c¬n b·o ®æ bé däc bê biÓn nam Trung

Quèc. §¸nh gi¸ nµy ®−îc ¸p dông ®èi víi tr−êng hîp c¬n b·o Kompasu. Sau khi ®æ

bé, t©m mùc thÊp cña c¬n b·o Kompasu ®· chØ ra ®é nghiªng th¼ng ®øng vÒ h−íng

t©y. Sù ph©n bè cña vïng ®èi l−u xung quanh t©m cña nã còng trë nªn bÊt ®èi xøng.

4

Sù bÊt ®èi xøng nµy liªn quan tíi ®é ®øt giã gi÷a c¸c mùc 850 - 200 mb víi vïng

®èi l−u chÝnh ®−îc t×m thÊy ë vïng giã cuèn xuèng cña vect¬ ®é ®øt [20].

M« h×nh ph−¬ng tr×nh nguyªn thñy nhiÒu mùc quy m« võa khu vùc còng ®·

®−îc dïng ®Ó dù b¸o sù ®æ bé vµ cÊu tróc cña b·o nhiÖt ®íi vµ chØ ra ba vïng nh¹y

cña m« h×nh trong viÖc dù b¸o c¸c c¬n b·o ®æ bé lµ: §é ph©n gi¶i ngang - ®Æc tr−ng

cho ®Þa h×nh ®åi nói; t¸c ®éng cña ph©n bè ®é Èm ®Êt bÒ mÆt ®èi víi vÊn ®Ò ®æ bé vµ

®é nh¹y cña c¬n b·o ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn biªn [12].

Tuleva (1984) ®· m« t¶ sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o nhiÖt ®íi sö dông m« h×nh

l−íi tinh cã thÓ di chuyÓn vµ ®−a ra mét vµi kÕt luËn ®¸ng quan t©m trong suèt thêi

k× ®æ bé: cã sù thay ®æi ®¸ng kÓ trong quü ®¹o cña c¬n b·o; sù gi¶m râ rÖt trong d¶i

m−a mét vµi giê sau ®æ bé vµ b·o m« h×nh cã c−êng ®é nhá h¬n nªn di chuyÓn

chËm h¬n. Nghiªn cøu cña «ng n¨m 1994 vÒ ®é nh¹y cña sù ph¸t triÓn vµ tan r· cña

c¬n b·o ®Õn c¸c ®iÒu kiÖn biªn bÒ mÆt vµ nhËn thÊy: sù gi¶m l−îng bèc h¬i qua bÒ

mÆt ®Êt, g©y ra chñ yÕu bëi sù gi¶m nhiÖt ®é bÒ mÆt ®Êt gÇn lâi b·o, lµm b·o kh«ng

thÓ ph¸t triÓn m¹nh thªm [20], [21].

Jone (1987) ®· sö dông m« h×nh b·o l−íi tinh vµ nhËn thÊy r»ng l−îng m−a

vïng lâi bªn trong, trong suèt thêi gian ®æ bé lín h¬n tr−êng hîp kh«ng ®æ bé. ¤ng

còng ®Ò xuÊt r»ng ®iÒu nµy lµ do nh÷ng thay ®æi trong c¸c qu¸ tr×nh líp biªn vµ

trong dßng ®i vµo theo ph−¬ng b¸n kÝnh khi b·o ®æ bé [20].

Sù tiÕp cËn cña c¬n b·o ®Õn vïng cã ®Þa h×nh phøc t¹p còng mang l¹i nh÷ng

thay ®æi vÒ cÊu tróc vµ chuyÓn ®éng. Tr¹ng th¸i cña c¸c c¬n b·o d−íi ¶nh h−ëng cña

c¸c ®Þa h×nh nói ®−îc chøng minh trong mét vµi nghiªn cøu, phÇn lín sö dông sè

liÖu quan tr¾c vµ c¸c m« t¶ m« h×nh. Ch¼ng h¹n, Brand vµ Blelloch (1974) vµ Chang

(1982) ®· ®¸nh gi¸ tr¹ng th¸i vµ ¶nh h−ëng cña c¸c c¬n b·o ®· gÇn Taiwan. §Þa

h×nh nói m« t¶ tr−êng hîp nµy lµ vïng ®Êt liÒn cã quy m« ngang 300km vµ cã c¸c

®é cao cùc ®¹i trªn 2000m. Trong sè ®ã c¸c kÕt qu¶ ®¸ng chó ý nhÊt ®· nhËn ®−îc

tõ nghiªn cøu nµy ®· chøng minh vÒ c¸c dao ®éng quü ®¹o vµ c−êng ®é khi hoµn l−u

b·o tiÕp cËn gÇn bê ®Õn vïng ®Êt liÒn. Nh×n chung, cã sù suy gi¶m cña c¬n b·o vÒ

c−êng ®é, sù gia tèc cña chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn vµ ®é lÖch quü ®¹o b¾t ®Çu tõ vïng

phÝa xa vïng ®æ bé [32]. Bender (1987) ®· nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña ®Þa h×nh ®¶o

5

®Õn c¸c c¬n b·o vµ nhËn thÊy nh÷ng thay ®æi vÒ c−êng ®é liªn quan rÊt lín ®Õn dù

tr÷ n¨ng l−îng Èn nhiÖt vµ sù phï hîp theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña hÖ thèng b·o. Hä

còng nhËn thÊy r»ng cã sù sai lÖch theo h−íng b¾c ®èi víi xo¸y b·o khi tiÕp cËn víi

bê biÓn Taiwan [23].

§èi víi m« h×nh khu vùc quy m« võa, Dastoor vµ Krishnamurti (1991) nhÊn

m¹nh tÇm quan träng cña viÖc xö lý c¸c biªn bªn, ®é ph©n gi¶i vµ ®Æc biÖt lµ tham

sè ®é Èm ®Êt trong viÖc dù b¸o b·o. Còng cã nhiÒu t¸c gi¶ ®· nghiªn cøu vÒ t¸c

®éng cña ®é Èm ®Êt ®Õn cÊu tróc vµ chuyÓn ®éng cña b·o ®æ bé. Dastoor vµ

Krishnamurti (1991) chØ ra c¸c tham sè ®é Èm ®Êt ®· c¶i thiÖn cÊu tróc vµ chuyÓn

®éng cña c¸c c¬n b·o ®æ bé. Tuleya (1994) nhËn thÊy ®é ghå ghÒ bÒ mÆt vµ ®é Èm

®Êt gi¶m sÏ lµm t¨ng sù tan r· cña c¸c c¬n b·o ®æ bé. Shen (2002) ®· nghiªn cøu

c¸c ¶nh h−ëng cña n−íc bÒ mÆt ®Êt ®Õn c¸c c¬n b·o ®æ bé, bao gåm nh÷ng thay ®æi

nhiÖt ®é bÒ mÆt vµ ¶nh h−ëng cña chóng ®Õn nh÷ng thay ®æi trong l−îng nhiÖt bÒ

mÆt (®èt nãng bÒ mÆt), cÊu tróc b·o vµ c−êng ®é b·o. Kimbail (2008) nghiªn cøu

t¸c ®éng cña c¸c ®Æc tr−ng bÒ mÆt ®Êt kh¸c nhau ®èi víi ph©n bè m−a b·o tr−íc,

trong vµ sau khi ®æ bé. Sù tan r· cña c−êng ®é b·o x¶y ra lµ do sù gi¶m bèc h¬i bÒ

mÆt vµ t¨ng ma s¸t khi c¬n b·o vµo gÇn bê. C¸c ®iÒu kiÖn bÒ mÆt ®Êt cã thÓ ®iÒu

khiÓn c¸c th«ng l−îng bÒ mÆt ®ãng vai trß trong viÖc m« t¶ c¸c c¬n b·o ®æ bé, ®Æc

biÖt lµ dù b¸o l−îng m−a liªn quan ®Õn b·o ®æ bé. Tuy nhiªn, c¸c chi tiÕt cña t¸c

®éng khÝ quyÓn- ®Êt ®èi víi sù ®æ bé cña c¸c c¬n b·o vÉn ch−a cã nh÷ng hiÓu biÕt

s©u s¾c. C¸c m« t¶ cña c¸c c¬n b·o ®æ bé sö dông c¸c m« h×nh ®é ph©n gi¶i cao

thùc sù cÇn thiÕt ®Ó hiÓu vÒ nh÷ng ®Æc tr−ng ®ã [12], [30].

Bªn c¹nh ®ã Krishnamurti (1994) còng lµm næi bËt viÖc c¶i thiÖn c¸c tham sè

hãa ®èi l−u, lµm t¨ng tr−êng ph©n tÝch nhiÖt ®é mÆt biÓn vµ sö dông c¸c quan tr¾c

giã bÒ mÆt bæ sung trong dù b¸o thµnh c«ng c¬n b·o B¨ngladesh. §Ó nghiªn cøu

nh÷ng ®Æc ®iÓm ®èi l−u cña b·o th× ®Æc tr−ng cña c¸c ¶nh h−ëng ®éng lùc häc vµ

nhiÖt ®éng lùc ®· quan tr¾c cña c¸c ®¸m m©y ®−îc thùc hiÖn trong m« h×nh giíi h¹n

khu vùc BMRC. §Æc tr−ng ®èi l−u nµy ®−îc kiÓm nghiÖm trong c¸c m« t¶ cña c¸c

hiÖn t−îng b·o AMEX trong ®ã cã sè liÖu kiÓm nghiÖm phï hîp trªn quy m« synop

(Davidson 1995) [20]. Nh÷ng m« t¶ sè trÞ víi ®é ph©n gi¶i cao gÇn ®©y trong céng