Luận án Tiến sĩ Khí tượng: Dự báo quỹ đạo bão ảnh hưởng đến Việt Nam hạn 5 ngày bằng phương pháp tổ hợp sử dụng kỹ thuật nuôi nhiễu

Chia sẻ: ViJenchae ViJenchae | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:160

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Khí tượng "Dự báo quỹ đạo bão ảnh hưởng đến Việt Nam hạn 5 ngày bằng phương pháp tổ hợp sử dụng kỹ thuật nuôi nhiễu" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về dự báo tổ hợp và dự báo tổ hợp quỹ đạo bão; Phương pháp nuôi nhiễu khi có bão và lựa chọn các tham số cho mô hình RAMS để dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ở Việt Nam; Dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ở Việt Nam dựa trên phương pháp nuôi nhiễu phát triển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Khí tượng: Dự báo quỹ đạo bão ảnh hưởng đến Việt Nam hạn 5 ngày bằng phương pháp tổ hợp sử dụng kỹ thuật nuôi nhiễu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI a TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nh107 --------------------------------- CÔNG THANH DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆT NAM HẠN 5 NGÀY BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT NUÔI NHIỄU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC Hà Nội - 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI nhiệt đới 3 chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo BÃO ở Việt Nam. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- CÔNG THANH DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO ẢNH HƯỞNG ĐẾN VIỆT NAM HẠN 5 NGÀY BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP SỬ DỤNG KỸ THUẬT NUÔI NHIỄU Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 62440222 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS. Trần Tân Tiến Hà Nội - 2014
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả Công Thanh
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Tân Tiến, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin cảm ơn các Thầy cô và các cán bộ trong khoa Khí tượng - Thủy văn - Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành ở Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Công Thanh
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 14 Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 14 Mục đích của luận án ................................................................................................... 15 Những đóng góp mới của luận án ................................................................................ 15 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ...................................................................................... 16 Tóm tắt cấu trúc luận án ............................................................................................... 16 CHƯƠNG 1: Tổng quan về dự báo tổ hợp và dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ............ 18 1.1 Cơ sở lý thuyết dự báo tổ hợp ................................................................................ 18 1.2 Các cách tạo nhiễu cho trường ban đầu bằng phương pháp BV ............................ 28 1.2.1 Phương pháp nuôi nhiễu ẩn (masked breeding) ................................................ 32 1.2.2 Phương pháp nuôi nhiễu tại Nhật và Châu Âu.................................................. 33 1.2.3 Phương pháp nuôi nhiễu kết hợp với quay nhân tố (Rotation breeding-RBV). 36 1.2.4 Kỹ thuật chuyển vị tổ hợp (ET-Breeding) ........................................................ 38 1.3 Các nghiên cứu và ứng dụng về nhiễu biên ngang (LBC) của hệ thống EPS ........ 39 1.4 Các nghiên cứu và ứng dụng về đa cơ chế vật lý và động lực của mô hình để xây dựng EPS .............................................................................................................. 40 1.5 Hoạt động của bão ở khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và nghiên cứu dự báo bão bằng phương pháp tổ hợp ..................................................................................... 42 1.5.1 Đặc điểm hoạt động bão tại khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và biển Đông.42 1.5.2 Dự báo bão của các nước cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương bằng EPS . 44 1.5.3 Tình hình nghiên cứu dự báo bão ở trong nước ................................................ 51 CHƯƠNG 2: Phương pháp nuôi nhiễu khi có bão và lựa chọn các tham số cho mô hình RAMS để dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ở Việt Nam. ................. 57 2.1 Nhiễu môi trường và nhiễu xoáy ............................................................................ 57 2.2 Đề xuất phương án nuôi nhiễu môi trường và nhiễu xoáy khi có bão cho khu vực Việt Nam ............................................................................................................... 58 2.2.1 Tạo nhân ban đầu .............................................................................................. 58 2.2.2 Phương pháp cài xoáy giả cho trường GFS ...................................................... 59 2.2.3 Phương án nuôi nhiễu khi có bão ...................................................................... 60 2.2.4 Chuẩn hóa nhiễu môi trường và nhiễu xoáy ..................................................... 62 2.2.4.1 Chuẩn hóa nhiễu môi trường ............................................................. 62 2.2.4.2 Chuẩn hóa nhiễu xoáy ....................................................................... 63 2.2.5 Trực giao nhiễu môi trường và nhiễu xoáy ....................................................... 63 2.2.5.1 Trực giao nhiễu môi trường .............................................................. 64 2.2.5.2 Trực giao nhiễu xoáy ........................................................................ 64 1
2.3 Nhiễu trên biên ....................................................................................................... 64 2.4 Quy trình nuôi nhiễu. ............................................................................................. 65 2.5 Lựa chọn tham số cho mô hình RAMS để dự báo bão ở Việt Nam....................... 66 2.5.1 Cấu hình miền tính ............................................................................................ 66 2.5.2 Giới thiệu sơ lược về mô hình RAMS. ............................................................. 68 2.5.2.1 Các phương trình cơ bản của RAMS ................................................ 68 2.5.2.2 Cấu trúc lưới...................................................................................... 70 2.5.2.3 Các điều kiện biên ............................................................................. 71 2.5.2.4 Sơ đồ đối lưu ..................................................................................... 73 2.6 Số liệu sử dụng và phương pháp tìm tâm bão. ....................................................... 74 2.6.1 Số liệu ............................................................................................................... 74 2.6.2 Phương pháp dò tìm tâm bão ............................................................................ 75 2.7 Các phương pháp tổ hợp kết quả dự báo ................................................................ 76 2.7.1 Dự báo tất định từ các thành phần dự báo tổ hợp ............................................. 76 2.7.1.1 Trung bình đơn giản .......................................................................... 76 2.7.1.2 Dự báo siêu tổ hợp ............................................................................ 76 2.7.2 Dự báo xác suất từ các thành phần dự báo tổ hợp bão ...................................... 78 2.8 Đánh giá dự báo tổ hợp .......................................................................................... 80 2.8.1 Tính sai số khoảng cách .................................................................................... 80 2.8.2 Tính sai số ngang .............................................................................................. 81 2.8.3 Tính sai số dọc .................................................................................................. 81 2.8.4 Độ lệch chuẩn.................................................................................................... 82 CHƯƠNG 3: Dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ở Việt Nam dựa trên phương pháp nuôi nhiễu phát triển ................................................................................. 83 3.1 Khảo sát vai trò của các tham số trong mô hình RAMS và vai trò của nhiễu xoáy và nhiễu môi trường để dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày ........................................... 83 3.1.1 Lựa chọn sơ đồ đối lưu trong mô hình RAMS để dự báo quỹ đạo bão ................. 83 3.1.2 Cấu trúc nhân ban đầu ....................................................................................... 86 3.1.3 Ảnh hưởng của nhiễu môi trường tới quỹ đạo dự báo ...................................... 90 3.1.3.1 Phân tích quá trình phát triển của nhiễu môi trường trong 24 giờ nuôi nhiễu .............................................................................................................. 90 3.1.3.2. Ảnh hưởng của nhiễu môi trường tới quỹ đạo bão dự báo hạn 5 ngày 92 3.1.4 Ảnh hưởng của nhiễu xoáy tới quỹ đạo bão dự báo ......................................... 93 3.1.4.1 Phân tích quá trình phát triển của nhiễu xoáy trong 24 giờ nuôi nhiễu . 93 3.1.4.2. Ảnh hưởng của nhiễu xoáy tới quỹ đạo của bão hạn 5 ngày ........... 96 2
3.1.5 Ảnh hưởng của nhiễu môi trường kết hợp với nhiễu xoáy tới dự báo quỹ đạo bão 97 3.1.5.1 Phân tích quá trình phát triển của nhiễu môi trường và nhiễu xoáy trong 24 giờ nuôi nhiễu.................................................................................. 97 3.1.5.2. Ảnh hưởng của nhiễu môi trường kết hợp với nhiễu xoáy tới quỹ đạo dự báo của bão hạn 5 ngày ............................................................................ 98 3.1.6 Ảnh hưởng của nhiễu môi trường, nhiễu xoáy và sơ đồ đối lưu tới dự báo quỹ đạo bão ........................................................................................................... 100 3.2 Dự báo tổ hợp quỹ đạo bão bằng phương pháp nuôi nhiễu phát triển ................. 102 3.2.1 Dự báo từ các thành phần tổ hợp .................................................................... 102 3.2.2 Dự báo tổ hợp bằng phương pháp trung bình đơn giản các thành phần tổ hợp104 3.2.3.1 Tuyển chọn nhân tố và bộ số liệu dùng để tuyển chọn. .................. 108 3.2.3.2 Phương trình dự báo siêu tổ hợp vị trí tâm bão .............................. 113 3.3 Thử nghiệm hệ thống dự báo tổ hợp cho một số cơn bão điển hình. ................... 115 3.3.1 Bão đổi hướng ................................................................................................. 116 3.3.2 Bão đôi ............................................................................................................ 116 3.3.3 Hướng di chuyển phức tạp .............................................................................. 117 3.4 Dự báo quỹ đạo bão bằng phương pháp xác suất ................................................. 118 3.5 Đề xuất quy trình dự báo bão hạn 5 ngày bằng hệ thống dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp nuôi nhiễu. .................................................................................... 121 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 127 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 136 3
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ tổ hợp của các thành phần dự báo tổ hợp tiêu biểu: a) là các thành phần có độ tán tổ hợp tốt; b) là các thành phần có độ tán không tốt); T: là trạng thái thực của khí quyển; C: dự báo kiểm chứng; P+, P- là cặp nhiễu tổ hợp; A: trung bình của cặp nhiễu tổ hợp (Kalnay, 2003) .......................................................................................................... 29 Hình 1.2 Chu kỳ nuôi những dao động phát triển (Toth và Kalnay, 1993) ............ 31 Hình 1.3 Chu kỳ tự nuôi những dao động phát triển (Toth và Kalnay, 1993) ....... 31 Hình 1.4 Sơ đồ nuôi một cặp nhiễu (Toth và Kalnay, 1997).................................. 32 Hình 1.5 Phương pháp nuôi nhiễu tại KMA (Lee, 2006) ....................................... 37 Hình 1.6 Phương pháp nuôi nhiễu kết hợp với quay tại KMA (Lee, 2006) ........... 37 Hình 1.7 Chu kỳ nuôi nhiễu bằng phương pháp ET; P1, P2, P3, P4: là trường dự báo có nhiễu P1, P2, P3 và P4; ANL là trường phân tích (Toth, 2007) .......................................................................................................... 38 Hình 1.8 Sai số dự báo của TMEPS (Choo, 2006) ................................................. 44 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của NMC Trung Quốc (Chen và nnk, 2009) ................................................................................................. 45 Hình 1.10 Sai số dự báo của hệ thống dự báo tổ hợp NMC, Trung Quốc (Chen và nnk, 2009) ......................................................................................... 46 Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung Quốc. a) là chu kỳ nuôi nhiễu; b) là phương pháp nuôi nhiễu (Huang và nnk, 2007) ....................................................................... 47 Hình 1.12 Kỹ thuật đồng hóa xoáy giả của JMA (Yamaguchi, 2012) ................... 48 Hình 1.13 Sai số dự báo quỹ đạo bão của hệ thống dự báo tất định JMA (Yamaguchi, 2012) ........................................................................... 49 Hình 1.14 Bản đồ dự báo xác suất quỹ đạo và cường độ bão hạn 3 ngày (a) và 5 ngày (b) của hệ thống dự báo xác suất JMA (Yamaguchi, 2012) .... 49 Hình 1.15 Sai số dự báo quỹ đạo bão của các trung tâm trên thế giới cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương: hình a, b, c tương ứng các năm 2009, 2010, 2011 (http://nwp-verif.kishou.go.jp/wgne_tc/index.html) .... 51 Hình 2.1 Cách tạo nhân ban đầu ............................................................................. 59 Hình 2.2 Sơ đồ 1 cặp nhiễu tổ hợp dự báo được nuôi trong 24 giờ trước thời điểm làm dự báo T00 ................................................................................. 60 Hình 2.3 Sơ đồ nuôi nhiễu môi trường kết hợp với nhiễu xoáy trong 1 kỳ nuôi (từ thời điểm trước 24 giờ tới thời điểm trước 18 giờ). ......................... 61 Hình 2.4 Chu kỳ nuôi nhiễu ................................................................................... 65 Hình 2.5 Miền dự báo quỹ đạo bão ........................................................................ 67 Hình 2.6 Dự báo siêu tổ hợp (Kisnamurti và Jordan, 2005)................................... 77 Hình 2.7 Mô tả vòng tròn dự báo (Kishimoto, 2009) ............................................. 79 4
Hình 2.8 Sơ đồ mô tả cách tính sai số ................................................................... 80 Hình 3.1 Quỹ đạo cơn bão Washi (http://agora.ex.nii.ac.jp/digital- typhoon/summary/wnp/l/201121.html.en) ....................................... 83 Hình 3.2 Quỹ đạo dự báo khi thay đổi 3 sơ đồ đối lưu ngày 13/12/2011+120h; Tròn rỗng: Qũy đạo trung bình tổ hợp; Tam giác: Quỹ đạo thực; Sao: KUO; chấm tròn đặc: KFCT; mũi tên: KF ....................................... 84 Hình 3.3 Sai số vị trí khi thay đổi 3 sơ đồ đối lưu ngày 13/12/2011+120h ........... 85 Hình 3.4 Biểu đồ sai số vị trí tâm bão dự báo bằng mô hình RAMS ..................... 85 Hình 3.5 Biểu đồ sai số dọc (a) và ngang (b) của tâm bão dự báo bằng mô hình RAMS ............................................................................................... 86 Hình 3.6 Trường nhiễu tốc độ gió (m/s) của nhân D3 tại mực 850 hpa ................. 87 Hình 3.7 Trường nhiễu nhiệt (độ C) của nhân D3 tại mực 850 hpa ....................... 87 Hình 3.8 Trường nhiễu tốc độ gió (m/s) của nhân D3 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011. .............................................................................. 88 Hình 3.9 Trường nhiễu nhiệt (độ C) của nhân D3 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011 ........................................................................................ 89 Hình 3.10 Trường nhiễu nhiệt (độ C) và trường nhiễu tốc độ gió (m/s) tại mực 850hpa được tạo từ phân bố chuẩn Gause với độ lớn của nhiễu trường gió là 3 m/s và nhiệt độ là 10C. ....................................................................... 89 Hình 3.11 Trường nhiễu nhiệt (độ C) và trường nhiễu gió (m/s) cắt qua vĩ tuyến 6N được tạo từ phân bố chuẩn Gause với độ lớn của nhiễu trường gió là 3 m/s và nhiệt độ là 10C. ....................................................................... 90 Hình 3.12 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24 và 00 giờ các của trường địa thế vị trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường. .................................................. 91 Hình 3.13 Bản đồ ghép chồng 12 thành phần của các hạn dự báo 24, 48, 72, 96 và 120 giờ (a,b,c,d,e) tại mực H850 và quỹ đạo dự báo của các thành phần (f) trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường. ........................... 93 Hình 3.14 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24 (a) và 00 giờ (b) của trường địa thế vị trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu xoáy.............................................................. 94 Hình 3.15 Bản đồ trường tốc độ gió (m/s) của trường GFS có cài xoáy giả (a) và các trường GFS có cài xoáy giả kết hợp với nhiễu D3 (b) cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 14/12/2011 .................................................. 95 Hình 3.16 Bản đồ ghép chồng trường nhiệt độ (độ C) và trường địa thế vị (mét dtv) của trường GFS có cài xoáy giả (a) và các trường GFS có cài xoáy giả kết hợp với nhiễu D3(b) tại mực 1000 hpa lúc 12h ngày 14/12/2011 ........................................................................................ 95 5
Hình 3.17 Bản đồ ghép chồng 12 thành phần của các hạn dự báo 24, 48, 72, 96 và 120 giờ (a,b,c,d,e) tại mực H850 và quỹ đạo dự báo của các thành phần (f) trong trường hợp nuôi nhiễu xoáy. ..................................... 97 Hình 3.18 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24(a) và 00 giờ (b) các của trường địa thế vị trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường và nhiễu xoáy. ........................... 98 Hình 3.19 Bản đồ ghép chồng 12 thành phần của các hạn dự báo 24, 48, 72, 96 và 120 giờ (a,b,c,d,e) tại mực H850 và quỹ đạo dự báo của các thành phần (f) trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường và nhiễu xoáy..... 99 Hình 3.20 Sai số khoảng cách trung bình tổ hợp của 12 thành phần dự báo quỹ đạo bão ngày 12 ngày 14/12/2011 +120h của các trường hợp chỉ nuôi nhiễu môi trường (chấm tam giác), chỉ nuôi nhiễu xoáy (nét liên chấm vuông) và trường hợp nuôi kết hợp nhiễu xoáy và nhiễu môi trường (chấm tròn) .......................................................................... 100 Hình 3.21 Sơ đồ trùm của 39 thành phần dự báo tổ hợp quỹ đạo bão Washi 12h 14/12/2011+120h (Quỹ đạo thực chấm tròn rỗng, Quỹ đạo trung bình tổ hợp của 39 thành phân là chấm tròn đặc) ................................... 101 Hình 3.22 Sai số khoảng cách trung bình tổ hợp kết quả dự báo của 13 thành phần (12 thành phần có chứa nhiễu và 1 kiểm chứng) kết hợp với: lựa chọn sơ đồ đối lưu KUO (chấm tròn), lựa chọn sơ đồ đối lưu KF (chấm vuông), lựa chọn sơ đồ đối lưu KFCT (chấm tam giác) và lựa chọn cả 3 sơ đồ đối lưu (chấm gạch chéo) ngày 14/12/2011 +120 giờ. ........................................................................................................ 102 Hình 3.23 Đồ thị sai số khoảng cách trung bình của các dự báo thành phần: a) là 39 thành phần; b) là 2 thành phần tốt và kém nhất. ............................. 104 Hình 3.24 Sai số vị trí trung bình của các dự báo tổ hợp trung bình .................... 105 Hình 3.25 Đồ thị sai số khoảng trung bình của các thành phần dự báo tổ hợp trung bình trước và sau hiệu chỉnh ........................................................... 106 Hình 3.26 Đồ thị sai số thành phần KUO-01và thành phần KUO+KF+KFCT ... 107 Hình 3.27 Đồ thị biểu diễn tốc độ suy giảm sai số khoảng cách khi tăng số thành phần................................................................................................. 113 Hình 3.28 Sai số vị trí trung bình của dự báo siêu tổ hợp và trung bình tổ hợp 25 thành phần trên bộ số liệu năm 2012 và 2013 ................................ 114 Hình 3.29 Sai số dọc trung bình của dự báo siêu tổ hợp và trung bình tổ hợp 25 thành phần trên bộ số liệu năm 2012 và 2013 ................................ 114 Hình 3.30 Sai số ngang trung bình của dự báo siêu tổ hợp và trung bình tổ hợp 25 thành phần trên bộ số liệu năm 2012 và 2013 ................................ 115 Hình 3.31 Dự báo 00UTC ngày 18/10/2010 (b) bằng phương pháp siêu tổ hợp (chấm tròn đăc) , phương pháp trung bình tổ hợp (tam giác) và quỹ đạo thực (chấm tròn rỗng) của cơn bão Megi; a) là quỹ đạo thực (JMA). ............................................................................................. 116 6
Hình 3.32 Dự báo quỹ đạo bão 12UTC ngày 27/10/2011 (c) bằng phương pháp siêu tổ hợp (chấm tròn đăc) , phương pháp trung bình tổ hợp (tam giác) và quỹ đạo thực (chấm tròn rỗng) của cơn bão nesat và nalgae; a) là quỹ đạo thực của cơn bão NESAT; b) là quỹ đạo thực của cơn bão Nalgae (JMA). ......................................................................... 117 Hình 3.33 Dự báo quỹ đạo bão 12UTC ngày 30/09/2012 (b) bằng phương pháp siêu tổ hợp (chấm tròn đặc), phương pháp trung bình tổ hợp (tam giác) và quỹ đạo thực (chấm tròn rỗng) của cơn bão Gaemi từ 29/9/2012 đến 7/10/2012; a) là quỹ đạo thực cơn bão Gaemi (JMA) ........................ 118 Hình 3.34 Biểu đồ quan hệ giữa độ tán tổ hợp và sai số vị trí (độ tán tổ hợp của 1 trường hợp dự báo được xác định bằng tổng tích lũy 6 giờ của độ tán tổ hợp từ 6 đến 120 giờ dự báo) ..................................................... 119 Hình 3.35 Sai số vị trí dự báo trung bình dựa trên chỉ số tin cậy A,B,C .............. 120 Hình 3.36 Dự báo quỹ đạo và độ tán tổ hợp của cơn bão Bopha 12 giờ ngày 29/11/2012 ...................................................................................... 120 Hình 3.37 Quy trình dự báo tổ hợp quỹ đạo bão hạn 5 ngày ............................... 122 Hình 4.1 Trường nhiễu gió (m/s) của nhân D1, D2, D3, D4, D5, D6 tại mực 850 hpa................................................................................................... 137 Hình 4.2 Trường nhiễu nhiệt (độ C) của nhân D1, D2, D3, D4, D5, D6 tại mực 850 hpa................................................................................................... 138 Hình 4.3 Trường nhiễu gió (m/s) của nhân D1, D2, D3, D4, D5, D6 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011. ............................................... 139 Hình 4.4 Trường nhiễu nhiệt (độ C) của nhân D1, D2, D3, D4, D5, D6 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 13/12/2011 ................................................. 140 Hình 4.5 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24, -18, -12, -06 và 00 giờ các của trường địa thế vị (a-24, a-18, a-12, a-06, a-00), gió (b- 24, b-18, b-12, b-06, b-00), nhiệt (c-24, c-18, c-12, c-06, c-00) trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường.............................................................................................. 142 Hình 4.6 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24, -18, -12, -06 và 00 giờ các của trường địa thế vị (a-24, a-18, a-12, a-06, a-00), gió (b- 24, b-18, b-12, b-06, b-00), nhiệt (c-24, c-18, c-12, c-06, c-00) trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu xoáy. . 143 Hình 4.7 Bản đồ trường gió (m/s) của trường GFS có cài xoáy giả (D0) và các trường GFS có cài xoáy giả kết hợp với nhiễu D1, D2, D3, D4, D5, D6 cắt qua vĩ tuyến 6N lúc 12h ngày 14/12/2011 .......................... 144 Hình 4.8 Bản đồ ghép chồng các hạn trước thời điểm dự báo -24, -18, -12, -06 và 00 giờ các của trường địa thế vị (a-24, a-18, a-12, a-06, a-00), gió (b- 24, b-18, b-12, b-06, b-00), nhiệt (c-24, c-18, c-12, c-06, c-00) trung bình theo phương thẳng đứng trong trường hợp nuôi nhiễu môi trường và nhiễu xoáy. ..................................................................... 146 7
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ thống dự báo tổ hợp quy mô vừa (SREF) của NCEP (Du, 2011) ..... 42 Bảng 1.2 Các giá trị trung bình số lượng bão theo từng thập kỉ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông (Đinh Văn Ưu, 2009) ............ 42 Bảng 1.3 Bão hoạt động trên Biển Đông thời kỳ 1959-2008 (Bộ tài nguyên môi trường, 2012) .................................................................................... 43 Bảng 1.4 Bão đổ bộ vào Việt Nam 1959-2008 (Bộ tài nguyên môi trường, 2012)43 Bảng 1.5: Sai số dự báo của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung Quốc (Chen và nnk, 2009) ......................................................................................... 47 Bảng 2.1 Cấu hình dự báo bão 5 ngày ở Biển Đông .............................................. 67 Bảng 2.2 Các kí hiệu chính được sử dụng trong mô hình ...................................... 68 Bảng 2.3 Tên các cơn bão thử nghiệm ................................................................... 75 Bảng 3.1. Số trường hợp thử nghiệm ở các hạn dự báo ....................................... 102 Bảng 3.2. Ký hiệu các thành phần theo các sơ đồ đối lưu trong mô hình RAMS và trường ban đầu ................................................................................ 103 Bảng 3.3 Bảng ký hiệu các phương án tổ hợp trung bình đơn giản ..................... 104 Bảng 3.4 Số lần xuất hiện của các thành phần trong 10 thành phần đầu của 40 phương trình dự báo kinh vĩ độ tâm bão ........................................ 109 Bảng 3.5 Số lần xuất hiện của các thành phần trong 20 thành phần đầu của 40 phương trình dự báo kinh vĩ độ tâm bão ........................................ 109 Bảng 3.6 Số lần xuất hiện của các thành phần trong 25 thành phần đầu của 40 phương trình dự báo kinh vĩ độ tâm bão ........................................ 110 Bảng 3.7 Số lần xuất hiện của các thành phần trong 30 thành phần đầu của 40 phương trình dự báo kinh vĩ độ tâm bão ........................................ 111 Bảng 3.8 Bảng sai số khoảng cách của dự báo siêu tổ hợp .................................. 111 Bảng 3.9 Tốc độ trung bình suy giảm sai số khi tăng 1 thành phần dự báo ở các hạn dự báo ............................................................................................. 112 Bảng 3.10 Độ tin cậy của từng hạn dự báo........................................................... 119 Bảng 3.11 Độ tin cậy của từng hạn dự báo của cơn bão Bopha ........................... 121 Bảng 4.1 Bảng sai số khoảng cách trung bình của các cơn bão trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012 ........................................................................ 147 Bảng 4.2 Bảng sai số dọc trung bình của các cơn bão trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012................................................................................... 148 Bảng 4.3 Bảng sai số ngang trung bình của các cơn bão trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012................................................................................... 149 Bảng 4.4 Bảng sai số khoảng cách trung bình của các cơn bão trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012 bằng phương án tổ hợp .................................. 150 8
Bảng 4.5 Bảng sai số khoảng cách trung bình của các cơn bão trong 4 năm 2009, 2010, 2011 và 2012 bằng phương án tổ hợp sau khi hiệu chỉnh .... 151 Bảng 4.6 Bảng phương trình hồi quy hạn 24 giờ ................................................. 152 Bảng 4.7 Bảng phương trình hồi quy hạn 48 giờ ................................................. 153 Bảng 4.8 Bảng phương trình hồi quy hạn 72 giờ ................................................. 154 Bảng 4.9 Bảng phương trình hồi quy hạn 96 giờ ................................................. 155 Bảng 4.10 Bảng phương trình hồi quy hạn 120 giờ ............................................. 156 9
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Từ gốc Ý nghĩa viết tắt BARO Barotropic Model Mô hình chính áp BGM Breeding of Growing Modes Nuôi những dao động phát triển BOG Bogus Xoáy giả BV Bred Vectors Véc tơ nuôi CDC Climate Diagnostics Center Trung tâm chuẩn đoán khí hậu Hoa Kỳ China Meteorological CMA Cục khí tượng Trung Quốc Administration The Conditional Nonlinear Phương pháp cực đại hóa nhiễu phi CNOP Optimal Perturbation tuyến The Center for Weather Trung tâm nghiên cứu dự báo thời tiết CPTEC Forecasts and Climate và khí hậu Brazil Studies EnKF Ensemble Kalman Filtering Phương pháp tổ hợp lọc Kalman Empirical orthogonal EOF Hàm trực giao tự nhiên function EPS Ensemble Prediction System Hệ thống dự báo tổ hợp ET Ensemble Transform Kỹ thuật biến đổi tổ hợp ETA ETA model Mô hình ETA Ensemble Transform Kalman Phương pháp tổ hợp chuyển vị lọc ETKF Filter Kalman Fleet Numerical FNMOC Meteorological & Hải quân Hoa Kỳ Oceanographic Center 10
Mô hình dự báo toàn cầu của trung tâm GFS Global Forecast System NCEP Abbreviation of Global /Regional. Assimilation and GRAPES_ Hệ thống tổ hợp dự báo bão của Trung PrEdiction System - TCM Quốc Regional Typhoon Prediction Model High-resolution Regional HRM Mô hình khu vực có độ phân giải cao Model IC Initial Condition Điều kiện ban đầu Japan Meteorological JMA Cục khí tượng Nhật Bản Agency Kain-Fritsch convective KF Sơ đồ đối lưu KF parameterization scheme Modification of the Kain- Fritsch convective KFCT Sơ đồ đối lưu KF cải tiến parameterization scheme by Nguyen Minh Truong Korea Meteorological KMA Cục khí tượng Hàn Quốc Administration KUO convective KUO Sơ đồ đối lưu KUO parameterization scheme LAF Time-Lagged approach Phương pháp dự báo trung bình trễ LAM Limited-Area Model Mô hình khu vực hạn chế LBC Lateral Boundary Condition Điều kiện biên xung quanh Local Ensemble Transform LEKF Tổ hợp lọc Kalman địa phương Kalman Filter The NCAR/PSU 5th Mô hình qui mô vừa thế hệ thứ 5 của MM5 Generation Mesoscale Model NCAR 11
The Met Office Global and Hệ thống tổ hợp toàn cầu và khu vực MOGREPS Regional Ensemble MOGREPS – của Anh Prediction System National Centers for Trung tâm Quốc gia dự báo Môi trường NCEP Environmental Prediction Hoa Kỳ National Centre for Medium Trung tâm Quốc gia dự báo hạn vừa của NCMRWF Range Weather Forecasting Kỳ National Oceanic and Cơ quan Quản lý khí quyển và đại NOAA Atmospheric Administration dương Hoa Kỳ PO Perturbed Observations Nhiễu thám sát Regional Atmospheric RAMS Mô hình dự báo khí quyển khu vực Modeling System Hệ thống dự báo tổ hợp khu vực (REPS) Regional Ensemble REPS được sử dụng tại miền bắc của Trung Prediction System Quốc RSM Regional Spectral Model Mô hình phổ khu vực Scaled Time-Lagged SLAF Dự báo trung bình trễ có chuẩn hóa approach Short-Range Ensemble SREF Dự báo tổ hợp hạn ngắn của NCEP Forecasting SV Singular Vector Véc tơ kì dị Tropical Cyclone limited Hệ thống phân tích và dự báo bão nhiệt TCLAP analysis and prediction đới. system Typhoon Ensemble Hệ thống dự báo bão tổ hợp của Nhật TEPS Prediction System Bản TLM Tangent Linear Model Mô hình tiếp tuyến tuyến tính 12
WBAR Weber's Barotropic Model Mô hình chính áp của Weber One-Week Ensemble Hệ thống dự báo tổ hợp dự báo thời tiết WEPS Prediction System tuần của Nhật Bản Weather Research and WRF Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết Forecasting 13
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Bão và áp thấp nhiệt đới (gọi chung là xoáy thuận nhiệt đới, ký hiệu XTNĐ) là hiện tượng thời tiết nguy hiểm, XTNĐ xuất hiện kèm theo mưa to gió lớn thường mang lại những hiện tượng thiên tai như gây lũ lụt trên diện rộng hay nước dâng trong vùng biển nơi XTNĐ đi qua. Theo tổ chức khí tượng thế giới (www.wmo.int) “Việt Nam nằm ở khu vực của ổ bão ở Tây Bắc Thái Bình Dương (30 cơn/năm, chiếm 38% số bão trên toàn cầu)”. Vì vậy, hàng năm nước ta chịu thiệt hại nặng nề do bão gây ra cả về tài sản vật chất và con người, cùng với đó, nhà nước đã phải bỏ ra nhiều tỷ đồng khắc phục hậu quả do bão gây ra. Một trong những nỗ lực nhằm làm giảm chi phí thiệt hại về tài sản và con người do bão là dự báo tương đối chính xác đường đi của bão. Hiện nay các mô hình số dự báo thời tiết và dự báo bão đã được đưa vào ứng dụng nghiệp vụ và nghiên cứu ở Việt Nam. Tuy nhiên, chất lượng dự báo bão của các mô hình này nhiều lúc chưa đáp ứng được yêu cầu thực tế đặt ra do sai số dự báo quĩ đạo còn lớn, hạn dự báo ngắn. Về hạn dự báo, từ trước đến nay chưa có công trình nào ở Việt Nam đặt ra dự báo quỹ đạo bão đến 5 ngày trong khi Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc ... đã dự báo nghiệp vụ đến 5 ngày. Sai số vị trí quỹ đạo bão trong các trường phân tích và dự báo toàn cầu rất lớn. Để nâng cao độ chính xác của các mô hình số trong dự báo bão nhất thiết phải cải thiện trường ban đầu. Giải quyết bài toán trường ban đầu đối với bão bằng phương pháp cài xoáy giả ba chiều, những nghiên cứu trước đây cho thấy đây là một trong những cách tiếp cận có hiệu quả. Tuy nhiên xoáy ba chiều chỉ có thể cải thiện được vị trí ban đầu của bão chứ chưa phản ánh được chính xác được cấu trúc bất đối xứng của bão 14
trong thực tế. Vì vậy, bài toán nuôi nhiễu cho khu vực có bão (nhiễu xoáy) sẽ giúp mô tả cấu trúc bão tốt hơn. Ngoài ra, để cải tiến trường ban đầu, trong luận án này còn tính tới nhiễu ở khu vực bên ngoài bão (nhiễu môi trường). Bản chất của việc tìm nhiễu này là do số liệu khí tượng luôn chứa sai số nên không thể tìm được trường khí tượng chính xác. Chúng ta chỉ có thể xác định được các trường này bằng phương pháp phân tích khách quan với một sai số nhất định, các sai số này chính là trường nhiễu mà ta cần tìm. Khi xác định được trường nhiễu bằng phương pháp tìm độ bất định như nuôi nhiễu, véc tơ kỳ dị, EnKF ..., các trường nhiễu này sẽ được cộng vào trường phân tích để tạo ra trường phân tích mới chính xác hơn. Bên cạnh cải tiến trường ban đầu, để tăng thêm độ chính xác dự báo cần thay đổi các sơ đồ đối lưu khác nhau trong mô hình khu vực RAMS để tạo ra hệ thống dự báo tổ hợp khu vực nhằm mục đích dự báo bão được đặt ra trong luận án này là phù hợp và khả thi với điều kiện Việt Nam. Mục đích của luận án Luận án nhằm mục đích sau: - Cải tiến và áp dụng thành công kỹ thuật nuôi nhiễu phát triển trên mô hình RAMS khi có bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương. - Xây dựng được quy trình dự báo tổ hợp quỹ đạo bão ảnh hưởng đến Việt Nam hạn 5 ngày bằng phương pháp tổ hợp dựa trên phương pháp nuôi nhiễu phát triển. Những đóng góp mới của luận án - Áp dụng và cải tiến phương pháp nuôi nhiễu tạo trường ban đầu khi có bão và thử nghiệm thành công ở Việt Nam. - Xây dựng được phương pháp dự báo tổ hợp quỹ đạo bão hạn 5 ngày ảnh hưởng tới Việt Nam và đề xuất được qui trình dự báo. 15
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học - Đã chỉ ra được phương pháp nuôi nhiễu phát triển cải tiến có thể áp dụng trong trường hợp có bão trên khu vực nghiên cứu. - Đã chứng minh được qui trình dự báo qũy đạo bão hạn 5 ngày bằng phương pháp nuôi nhiễu phát triển là phù hợp với điều kiện Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn - Dự báo tổ hợp quĩ đạo bão với hạn 5 ngày bằng phương pháp nuôi nhiễu góp phần nâng cao chất lượng dự báo, kéo dài thời hạn dự báo, khách quan hóa vấn đề dự báo quĩ đạo bão. - Sản phẩm dự báo quĩ đạo bão với thời hạn trước 5 ngày đáp ứng nhu cầu cấp bách của xã hội trong việc phòng chống kịp thời, hạn chế thiệt hại về người và của cải đặc biệt là đối với các hoạt động kinh tế - xã hội. Tóm tắt cấu trúc luận án Ngoài các mục mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục, v.v... nội dung chính của luận án bao gồm: CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO TỔ HỢP VÀ DỰ BÁO TỔ HỢP QUỸ ĐẠO BÃO. Chương này giới thiệu cơ sở lý thuyết về dự báo tổ hợp, đặc điểm bão hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Việt Nam. Ngoài ra trong phần này còn giới thiệu chi tiết các phương pháp nuôi nhiễu để tạo trường ban đầu và nhiễu biên. Cuối chương trình bày các công trình nghiên cứu cải tiến trường ban đầu bằng phương pháp cài xoáy, dự báo tổ hợp bão ở trong nước và quốc tế. 16