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

ng tác với lớp biên hành tinh thông qua thông lượng 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. 27 Hình 2.3. 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 28 2.2. Mô hình ROMS Hiện có 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, thì thuật toán, cấu trúc mã nguồn và quan điểm phát triển mô hình lại hoàn toàn khác nhau (Eze và nnk, 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 đạc biệt là tại các nước và các cơ quan nghiên cứu có năng lực tính toán thấp. 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 thich 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 biênvà 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 khoản 20 lần và người sử dụng ROMS cần có kiến thức sâu về máy tính, lập trình, phương pháp tính và phản ứng của mo hình với các sơ đồ tham số hoá khác nhau. 29 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: 30 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 nnk, 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     sssC 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 31 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 (Sơn, 1997; Ezer, 2002) và, 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, 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: HH MM lqSK lqSK   (2.16) 32 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 l HM                  (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 ~22 0 2222 (2.19) lHMq FlWz KgEl z v z uKlE z lqK zDt lDq                             ~~ 0 3 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:   HcH HHc Hc HcH GG GG G GG lB q    0 0 1.0 /9.00.1 0.1 2/3 1 3  (2.21) 33 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   65.0220   vu hgR mb   (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: 25.0 22 0                  z v z u z g 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 34 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 Trong luận văn của tôi với mục đích chạy dự báo bão cho khu vưcc Biển Đông, tôi đã thay đổi thành phần mô hình đại dương POM thành mô hình ROMS. Tôi sử dụng hệ thống mô hình COAWST (Coupled-Ocean-Atmosphere- Wave-Sediment Transport ) với tùy chọn kết hợp “online” 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 bồi lắng-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 - 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) 35 Hình 2.4. Sơ đồ cấu truc mô hình COAWST Trong hệ thống COAWST có rất nhiều phương án chạy kết hợp khac nhau như: WRF-ROMS, WRF-SWAN, WRF-ROMS-SWAN, ROMS-SWAN, WRF- ROMS-SWAN- CSTMS. Trong hệ thống COAWST hoàn thiện năm 2010 và liên tục cải tiến và cập nhật cho tới nay. Trong luận vặn của tôi sử dụng hệ thống COAWST với phương án mô hình liên hoàn WRF-ROMS tương tác 2 chiều. Các thông số về gió (u,v), áp suất khí quyển, nhiệt độ, thông lượng sóng ngắn, sóng dài, biến 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 của mình 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. Cụ thể namelist như sau: ! Multiple model coupling parameters. ! !======================================================= ======================= ! Copyright (c) 2005 ROMS/TOMS Group, version 3.0 === ! John C. Warner === 36 ! 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 37 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 ! 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. !-------------------------------------------------- 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: 38 Hình 2.5. 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 thì 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 2.1). 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 2.1 Gianh 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 0.000 19 -0.050 -0.0034043 -0.5 -8.114 -15.728 18 -0.100 -0.0070225 -1.0 -16.706 -32.413 17 -0.150 -0.0110820 -1.5 -26.285 -51.071 16 -0.200 -0.0158376 -2.0 -37.422 -72.843 15 -0.250 -0.0215883 -2.5 -50.783 -99.067 14 -0.300 -0.0286952 -3.0 -67.178 -131.357 13 -0.350 -0.0376050 -3.5 -87.606 -171.711 12 -0.400 -0.0488774 -4.0 -113.317 -222.634 11 -0.450 -0.0632206 -4.5 -145.896 -287.292 10 -0.500 -0.0815356 -5.0 -187.359 -369.717 39 9 -0.550 -0.1049732 -5.5 -240.278 -475.056 8 -0.600 -0.1350059 -6.0 -307.948 -609.896 7 -0.650 -0.1735206 -6.5 -394.588 -782.675 6 -0.700 -0.2229368 -7.0 -505.610 -1004.220 5 -0.750 -0.2863593 -7.5 -647.958 -1288.415 4 -0.800 -0.3677727 -8.0 -830.543 -1653.086 3 -0.850 -0.4722919 -8.5 -1064.805 -2121.111 2 -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, 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). 2.5 Chỉ tiêu đánh giá dự báo bão Đối với quỹ đạo đánh giá bằng sai số vị trí (Khoảng cách giữa tâm bão thực tế và tâm bão dự báo):  1 1 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: 40 . 1 n i j i j PE MPE 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 j i ATE MATE n   , 1 n i j i j CTE MCTE 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 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). 41 CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO Trong luận văn của 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 giữa chạy liên hoàn khí quyển-đại dương với không liên hoàn . 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/VIII áp thấp nhiệt đới này ở vào khoảng 16,30N - 114,40E. Sáng ngày 23/VIII 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/VIII, 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/VIII 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 đi ở Lào. 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/VII. Hồi 13h ngày 25/VII 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/VII. Bão di chuyển vào Biển Đông vào sáng ngày 28/VII. Bão tiếp tục di chuyển theo hướng giữa Tây và Tây Tây. Đêm ngày 29/VII bão đổ bộ vào khu vực phía Đông Nam đảo Hải Nam (Trung Quốc). Đến chiều tối ngày 30/VII 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. Cơn bão Nalgae được hình thành trên Thái Bình Dương từ ngày 27 tháng IX, đây là cơn bão rất mạnh khi di chuyển qua Philippines đạt cấp 14-15 đầu tháng X và di chuyển theo hướng chủ đạo là Tây và tan ngoài biển gần bắc Trung bộ nước ta ngày 4 tháng X/2011. 42 3.1 Nhiệt độ bề mặt biển 3.1.1 Bão Mindulle Thông qua hình vẽ 3.1 ta thấy trường nhiệt độ bề mặt nước biển (SST) tại thời điểm ban đầu giữa 2 trường hợp có kết hợp khí quyển đại dương và không kết hợp có sự sai khác rõ rệt. Cụ thể thông qua hiệu SST giữa có và không kết hợp thấy trường SST (WRF-ROMS) nhỏ hơn SST (WRF) khoảng trung bình 2-30 C trền toàn miền tính. Sự sai khác này tiếp tục thấy tại các hạn dự báo 12h và 24h khoảng 3-40 C. Từ hình 3.2 đối với hạn dự báo 36h và 48h thì thấy nhiệt độ bề mặt nước biển trong khi có kết hợp khí quyển-đại dương thấp hơn so với không kết hợp trung bình khoảng 4-50 C trên toàn miền tính. Hình 3.1. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h 43 3.1.2 Bão Nock-ten Từ hình vẽ 3.3 ta thấy trường nhiệt độ bề mặt nước biển (SST) tại thời điểm ban đầu giữa 2 trường hợp có kết hợp khí quyển đại dương và không kết hợp có sự sai khác rõ rệt. Cụ thể thông qua hiệu số SST giữa có và không kết hợp thấy trường SST (WRF-ROMS) nhỏ hơn SST (WRF) khoảng trung bình 2-30 C trền toàn miền tính. Sự sai khác này tiếp tục thấy tại các hạn dự báo 12h và 24h khoảng 3-40 C. Hình 3.3. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h Hình 3.2. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h và 48h 44 Hình 3.4. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h Từ hình 3.4 đối với hạn dự báo 36h và 48h thì thấy nhiệt độ bề mặt nước biển trong khi có két hợp khí quyển-đại dương thấp hơn so với không kết hợp trung bình khoảng 4-50 C trên toàn miền tính. Tới hạn 72h ta thấy tại vịnh Bắc bộ nơi mà có tâm bão theo mô phỏng dự bão độ chênh SST trong hai phương án vào khoảng trung bình hơn 50 C. 3.1.3 Bão Nalgae Tương tự như 2 cơn bão trên, thông qua hình 3.5 và 3.6 ta thấy trường nhiệt độ bề mặt nước biển (SST) tại thời điểm ban đầu SST (WRF-ROMS) nhỏ hơn SST (WRF) khoảng trung bình 2-30 C trên toàn miền tính. Sự sai khác này tiếp tục thấy tại các hạn dự báo 12h và 24h khoảng 3-40 C, với hạn 48h và 72h thì lệch khoảng 4- 50 C. 45 Như vậy tổng kết lại trong cả 3 trường hợp thử nghiệm ta thấy phương án chạy có kết hợp khí quyển-đại dương nhiệt độ bề mặt nước biển thấp hơn khoảng 2- 30 C tại thời điểm ban đầu và tăng dần lên 3-40 C dối với hạn dự báo 12h và 24h, tiếp tục tăng lên 4-50 C tới hạn 48h và 72h so với phương án không kết hợp khí quyển-đại dương mà chỉ nguyên khí quyển. Hình 3.5. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 00h, 12h và 24h Hình 3.6. Độ chênh lệch SST giữa WRF-ROMS và WRF ứng với hạn dự báo 36h, 48h và 72h 46 Hình 3.7. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm 00Z Hình 3.8. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 3.2 Áp suất bề mặt biển 3.2.1 Bão Mindulle Từ hình 3.7 bên ta thấy trường khí áp bề mặt biển (SLP) tại thời điểm ban đầu (2010082300Z) dường như không có sư chênh lệch giữa 2 phương án có liên hoàn khí quyển đại dương với phương án chỉ chạy WRF. Tuy nhiên khi tới hạn dự báo 12h thì đã thấy sự chênh lệch của SLP giữa 2 phương án liên hoàn và không liên hoàn khí quyển đại dương khoảng 4-6 mb tai tâm bão dự báo. Đến khoảng 24h dự báo thì SLP của phương án chạy liên hoàn cao hơn khoảng 8-10 mb tại tâm bão mô phỏng so với SLP của phương án không liên hoàn (hình 3.8) 47 Hình 3.9. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 36h và 48h Hình 3.10. Độ chênh lệch SLP giữa WRF- ROMS và WRF tại thời điểm 00Z Đối với hạn 36h và 48h thì thấy sự gia tăng rõ rệt và khá lớn giữa SLP của 2 phương án co và không liên hoàn khí quyển đại dương tương ứn là khoảng 16-18 mb và 24-26 mb tại tâm bão dữ báo (hình 3.9) 3.2.2 Bão Nock-ten Từ hình 3.10 ta thấy trường khí áp bề mặt biển (SLP) tại thời điểm ban đầu (2011072700Z) dường như không có sự chênh lệch giữa 2 phương án có liên hoàn khí quyển đại dương với phương án chỉ chạy WRF. 48 Hình 3.11. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h Tuy nhiên khi tới hạn dự báo 12h thì đã thấy sự chênh lệch của SLP giữa 2 phương án liên hoàn và không liên hoàn khí quyển đại dương khoảng 1-2 mb tai tâm bão dự báo. Đến khoảng 24h dự báo thì SLP của phương án chạy liên hoàn cao hơn khoảng 4-6 mb tại tâm bão mô phỏng so với SLP của phương án không liên hoàn (hình 3.11) Đối với hạn 48h và 72h thì thấy sự gia tăng nhanh chóng và rất rõ rệt giữa SLP của 2 phương án có và không liên hoàn khí quyển đại dương tương ứng là khoảng 16-18 mb và 20-22 mb tại tâm bão dữ báo (hình 3.12). 49 Hình 3.13. Độ chênh lệch SLP giữa WRF- ROMS và WRF tại thời điểm 00Z Hình 3.12. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h 3.2.3 Bão Nalgae Từ hình 3.13 , giống như 2 trường hợp trên thấy trường khí áp bề mặt biển (SLP) tại thời điểm ban đầu (2011100200Z) dường như không có sự chênh lệch giữa 2 phương án có liên hoàn khí quyển đại dương với phương án chỉ chạy WRF. Tuy nhiên khi tới hạn dự báo 12h thì đã thấy sự chênh lệch rõ rệt của SLP giữa 2 phương án liên hoàn và không liên hoàn khí quyển đại dương khoảng 6-8 mb 50 Hình 3.14. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 12h và 24h Hình 3.15. Độ chênh lệch SLP giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h tai tâm bão dự báo. Đến khoảng 24h dự báo thì SLP của phương án chạy liên hoàn cao hơn khoảng 14-16 mb tại tâm bão mô phỏng so với SLP của phương án không liên hoàn (hình 3.14). Đối với hạn 48h và 72h thì thấy sự gia tăng nhanh chong và rất rõ rệt giữa SLP của 2 phương án có và không liên hoàn khí quyển đại dương tương ứng là khoảng 16- 18 mb và 20-22 mb tại tâm bão dữ báo (hình 3.15) 51 Hình 3.16. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h Thông qua 3 trường hợp thử nghiệm cho thấy rằng khí áp bề mặt biển của phương án liên hoàn luôn cao hơn so với không liên hoàn 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. Như vậy bước đầu có thể khẳng định rằng cường độ bão trong phương án liên hoàn khí quyển đại dương WRF-ROMS yếu hơn so với phương án mô phỏng đơn thuần bằng WRF. 3.3 Gió bề mặt 3.3.1 Bão Mindulle Trường gió bề mặt tại thời điểm ban đầu không có sự sai khác vận tốc gió giữa phương án có liên hoàn và không liên hoàn. Tuy nhiên sau 12h dự báo vận tốc gió tại vùng gió mạnh của phương án dự báo có liên hoàn nhỏ hơn khoảng 8-10m/s, tuy vậy trong tâm bão nơi thường có vận tốc gió nhỏ thậm chí là lặng gió thì phương án không kết hợp lại lớn hơn không đáng kể khoảng 1-2m/s. 52 Hình 3.17. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF- ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h và 48h Hình 3.18. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF- ROMS và WRF tại hạn dự báo 00h và 12h Tới 24h dự báo sự chênh lêch lớn dần lên khoảng 12-14m/s và tới 48h thì thấy sự chênh lệch khá mạnh khoảng 20m/s, đây có thể là do sau 48h cơn bão này suy yếu và sắp tan theo quan trắc và phương án chạy không liên hoàn nhưng phương án chạy liên hoàn vẫn mô phỏng đang là bão và chưa suy yếu. 3.3.2 Bão Nock-ten Trường gió bề mặt tại thời điểm ban đầu không có sự sai khác vận tốc gió giữa phương án có liên hoàn và không liên hoàn. Tuy nhiên sau 12h dự báo vận tốc gió tại vùng gió mạnh của phương án dự báo có liên hoàn nhỏ hơn khoảng 1-2m/s 53 Hình 3.19. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF- ROMS và WRF tại hạn dự báo 24h, 48h và 72h Sau 24h dự báo mức độ chênh lệch giữa 2 phương án vẫn khá nhỏ khoảng 2- 3m/s tại vùng gió mạnh của bão. Tuy nhiên đến 48h mức chênh lệch tăng lên trung bình khoảng 12-14m/s và tăng mạnh lên khi tới hạn dự báo 72h khoảng 17-19m/s tại vùng tâm bão (hình 3.19). Như vậy đối với bão Nock-ten phương án mô phỏng có liên hoàn khí quyển đại dương vận tốc gió trung bình xung quanh vùng tâm bão nhỏ hơn so với phương án không liên hoàn, phương án WRF-ROMS mô phỏng cường độ bão Nock-ten yếu hơn so với phương án WRF. 3.3.3 Bão Nalgae Trường gió bề mặt tại thời điểm ban đầu của bão Nalgae cũng giống như 2 trường hợp bão trên dường như không có sự sai khác vận tốc gió giữa phương án có liên hoàn và không liên hoàn. Sau 12h dự báo vận tốc gió tại vùng gió mạnh của phương án dự báo có liên hoàn nhỏ hơn khoảng 2-3m/s. Hình 3.20. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF- ROMS và WRF tại thời điểm 00Z và sau 12h dự báo 54 Hình 3.22. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF- ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 12h 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 chuẩn bị đổ bộ hoặc tan. 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. 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. 3.4 Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt 3.4.1 Bão Mindulle Trên hình 3.22 thấy rằng trường thông lượng nhiệt-ẩm của 2 phương án WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu là như nhau. Thông lượng nhiệt của phương án WRF-ROMS thấp hơn khoảng 60-70W/m2 và thông lượng ẩm thấp hơn không đáng kể so với phương an WRF tại xung quanh tâm bão sau 12h mô phỏng. Hình 3.21. Độ chênh lệch vận tốc gió trung bình giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 24, 48h và 72h 55 Trong khi thông lượng ẩm sau 12h dự báo có ít sự khác biệt giữa 2 phương án và vẫn duy trì mực độ chênh lệch khá nhỏ tới hạn dự báo 24h và 48h. Tuy nhiên thông lượng nhiệt lại có sự chênh lệch tăng khá nhanh vào khoảng 170-180W/m2 và 200-220W/m2 ở vùng quanh tâm bão với hạn 24h và 48h (hình 2.23). Vậy là với cơn bão Mindulle thông lượng nhiệt của phương án WRF-ROMS thấp hơn hẳn phương án WRF, mức độ chênh lệch tăng qua các hạn dự báo 12h, 24h và 48h. Trong khi đó thông lượng ẩm thì có sự sai khác không nhiều qua các hạn dự báo. Thông lượng nhiệt ẩm bề mặt của WRF-ROMS gửi lên WRF từ ROMS ít hơn so với phương án mặc định chỉ có WRF. 3.4.1 Bão Nock-ten Trên hình 3.24 thấy rằng trường thông lượng nhiệt-ẩm của 2 phương án WRF- ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu là như nhau. Thông lượng ẩm phương án WRF-ROMS thấp hơn không đáng kể so với phương án WRF sau 24h dự báo và mức chênh lêch của thông lượng nhiệt khá nhỏ dao động xung quanh 20W/m2. Hình 3.23. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h 56 Hình 3.25. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF- ROMS và WRF tại hạn dự báo 48h và 72h Thông lượng ẩm của phương án WRF-ROMS thấp hơn không nhiều so với WRF với các hạn 48h và 72h. Mặt khác thông lượng nhiệt thì có sự khác biệt lớn giữa 2 phương án khoảng 120-140 W/m2 với hạn 48h và khoảng 180-200W/m2 với hạn 72h.Thông lượng nhiệt ẩm của phương án WRF-ROMS nhỏ hơn phương án WRF (hình 3.25). 3.4.1 Bão Nalgae Cũng giống như bão Mindulle và Nock-ten trường thông lượng nhiệt-ẩm của 2 phương án WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu của bão Nalgae là như Hình 3.24. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h 57 Hình 3.26. Độ chênh thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF tại thời điểm ban đầu và sau 24h Hình 3.27. Độ chênh lệch thông lượng nhiệt (trái) và ẩm (phải) giữa WRF-ROMS và WRF sau 48h và 72h nhau. Thông nhiệt lượng ẩm có sự chênh lệch không lớn sau 24h dự báo, WRF- ROMS thấp hơn khoảng 20-30W/m2 so với phương án WRF (hình 3.26). Thông lượng ẩm của phương án WRF-ROMS thấp hơn không nhiều so với WRF với các hạn 48h và 72h. Mặt khác thông lượng nhiệt thì có sự khác biệt lớn giữa 2 phương án khoảng 180-200 W/m2 với hạn 48h và giảm xuống khi bão dần tan còn 120-130W/m2 với hạn 72h. Thông lượng nhiệt ẩm của phương án WRF- ROMS nhỏ hơn phương án WRF (hình 3.27). Tổng kết lại cho 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. Mức chênh lệch này tăng dần qua các hạn dự báo. Cho ta nhận định bước đầu cường độ bão mô phỏng băng WRF-ROMS sẽ yếu hơn so với mô phỏng bằng WRF. 58 3.5 Đánh giá 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 3.28 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 4.2a, 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 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 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 thì 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 3.28d, 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 59 d) a) bbb) di chuyển nhanh hơn và lệch phải hơn so với thực tế. Phương án WRF cho kết quả tốt hơn phương án WRF-ROMS. Hình 3.28 .Sai số khoảng cách (a), dọc (b) , ngang (c) trung bình bão Mindulle (2010082300Z). Hình 3.29 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. Gía trị PE 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 (ATE), 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 3.29d, sai số ngang (CTE) 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 nhiều hơn so với quỹ đạo thực với giai đoạn đầu. c) b) 60 a) Thông qua hình 3.29b 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 3.29. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nock-ten (2011072700Z). Hình 3.30 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 3.30a, phương án WRF- ROMS cho sai số khoảng cách (PE) đều lớn hơn phương án WRF đối với tất cả các hạn 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 đầu và khá lớn ở cuối . Đối với sai số dọc (ATE), cả hai phương án đều có xu hướng di chuyển nhanh hơn so với quan trắc (giá trị sai số đều dương) trong suôt 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 3.30d, sai số ngang (CTE) của 2 phương án giai đoạn đầu đều lệch trái hơn so với thực tế (CTE có giá trị âm). c) d) b) 61 a) c) 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 co mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn so quan trắc. Hình 3.30. Sai số khoảng cách (a), dọc (c) , ngang (d) trung bình và quỹ đạo (b) bão Nalgae (2011100200Z). 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) đối với các cơn bão thử nghiệm. Thông qua hình 3.31a thấy sai số khoảng cách trung bình (MPE) 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 thì 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 d) b) 62 a) c) b) 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 3.31. 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. Phương án WRF trong 12h đầu thì SLPmin cao hơn quan trắc , sau đó với các hạn dự báo còn lại luôn nhỏ hơn so với quan trắc (hình 3.32). 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 3.32 SLP min trung bình và ME của SLP min a) b) 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Các kết quả chính mà luận văn đạt được: 1. Tổng quan dự báo bão trên thế giới và Việt Nam về ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới dự báo quỹ đạo và cường độ bão. 2. Cài đạt và vận hành thành công hệ thống liên hoàn online khí quyển đại dương giữa mô hình WRF và mô hình ROMS. 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 cho 3 cơn bão trong 2 năm 2010 và 2011với hai phương án: mô hình WRF kết hợp với mô hình ROMS và WRF không kết hợp. Và có những kết luận đánh giá sau:  Phương án chạy có kết hợp khí quyển-đại dương nhiệt độ bề mặt nước biển thấp hơn khoảng 2-30 C tại thời điểm ban đầu và tăng dần lên 3-40 C đối với hạn dự báo 12h và 24h, tiếp tục tăng lên 4-50 C tới hạn 48h và 72h so với phương án không kết hợp khí quyển-đại dương mà chỉ nguyên khí quyển .  Khí áp bề mặt biển của phương án liên hoàn luôn cao hơn so với không liên hoàn 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.  Vận tốc gió trung bình bề mặt của phương án WRF-ROMS yếu hơn so với phương án WRF.  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 hơn, phương án WRF mô phỏng bão di chuyển lệch phải hơn so với thực tế.  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. Phương án WRF trong 12h đầu thì SLPmin cao hơn quan trắc , sau đó với các hạn dự báo còn lại luôn nhỏ hơn so với quan trắc. 64 4. SST liên tục được cập nhật từ ROMS 10 phút lên mô hình WRF làm cho nhiệt độ bề mặt biển (SST) trong trường hợp có kết hợp nhỏ hơn với trường hợp không kết hợp( SST được sử dụng mạc định từ sản phẩm mô hình toàn cầu). 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. Thông qua sai số dọc, ngang, khoảng cách và SLPmin thấy cả đều mô phỏng bão di chuyển nhanh hơn thực tế. Kiến nghị Phương án kết hợp khí quyển đại dương dự báo bão khá yếu và lệch trái, phương án không kết hợp cũng mô phỏng bão yếu hơn và lệch phải hơn mới là nhận định ban đầu do số trường hợp thử nghiệm chưa nhiều. Để khách quan hơn cần nghiên cứu với tập số liệu dài hơn. Cần thử nghiệm các phương án kết hợp với các tùy chọn cho vi vật lí và đối lưu khác, trong tương lai nên kết hợp thêm các mô hình sóng vào như một thành phần của hệ thống mô phỏng khí quyển đại dương sóng hoàn thiện hơn. 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 5. 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. 6. 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. 7. 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 8. 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. 9. 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. 66 10. 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. 11. Chiaying Lee, 2009: Effects of Atmosphere-Wave-Ocean Coupling on Tropical Cyclone Structure. 29th Conference on Hurricanes and Tropical Meteorology , China. 12. 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. 13. 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. 14. Isaac Ginis: Tropical Cyclone-Ocean Interactions. Atmosphere-Ocean Interactions. Advances in Fluid Mechanics Series, No. 33, WIT Press, 83- 114. 15. Kerry A. Emanuel, 1986: An air-sea interaction theory for tropical cyclones. Part I: steady-state maintenace. J. Atmosphere Sciences, Vol 43, pp585-604 16. 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. 17. Lloyd, Ian D., Gabriel A. Vecchi, 2011: Observational Evidence for Oceanic Controls on Hurricane Intensity. J. Climate, 24, 1138–1153. 18. 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. 19. 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- 67 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. 21. 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. 22. 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. 23. 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. 24. 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. 25. 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. 26. 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. 27. 28. 29. 30.