lựa chọn sơ đồ vi vật lý tối ưu trong mô hình wrf phục vụ dự báo trường nhiệt độ ở khu vực nam bộ trong giai đoạn bùng nổ gió mùa

- Mục tiêu: Tìm được sơ đồ vi vật lý dự báo hiệu quả trường nhiệt độ ở Nam Bộ trong thời kỳ bùng nổ gió mùa..  Khảo sát từng sơ đồ vi vật lý dự báo trường nhiệt độ ở Nam bộ thời kỳ bùn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 4

TÓM TẮT 7

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC BẢNG 10

DANH MỤC HÌNH 11

MỞ ĐẦU 14

CHƯƠNG 1 16

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH WRF VÀ CÁC SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ 16

1.1 Mô hình WRF 16

1.1.1 Giới thiệu mô hình WRF 16

1.1.2 Các bước chạy mô hình WRF 18

1.2 Các sơ đồ vi vật lý 19

CHƯƠNG 2 24

ĐẶC ĐIỂM THỜI TIẾT GIAI ĐOẠN BÙNG NỔ GIÓ MÙA TẠI NAM BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 24

2.1 Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ 24

2.1.1 Giai đoạn bùng nổ gió mùa 24

2.1.2 Các trung tâm tác động trong giai đoạn bùng nổ gió mùa 26

2.1.3 Đặc điểm thời tiết 27

2.2 Phương pháp đánh giá.[3] 28

2.2.1 Phương pháp thống kê 28

2.2.2 Phương pháp đánh giá dựa vào sai số căn quân phương năng lượng trung bình thể tích 29

CHƯƠNG 3 30

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 30

3.1 Thiết kế thí nghiệm 30

3.1.1 Cấu trúc miền lưới 30

3.1.2 Giai đoạn thử nghiệm 31

3.1.3 Các trường hợp thử nghiệm 32

3.2 Kết quả thí nghiệm 33

3.2.1 Các mô phỏng hoàn lưu qui mô lớn 33

3.2.2 Trường nhiệt độ 50

KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

TÓM TẮT

1 Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án

- Mục tiêu: Tìm được sơ đồ vi vật lý dự báo hiệu quả trường nhiệt độ ở Nam Bộ trong

thời kỳ bùng nổ gió mùa

- Nhiệm vụ:

 Sơ lược về hoàn lưu chung khí quyển thời kỳ bùng nổ gió mùa

 Tìm hiểu về các mô hình WRF và 6 sơ đồ vi vật lý

 Khảo sát từng sơ đồ vi vật lý dự báo trường nhiệt độ ở Nam bộ thời kỳ bùng nổ gió mùa

 Phân tích kết quả trường nhiệt độ thu được qua 6 sơ đồ vi vật lý ở khu vực Nam

Sử dụng mô hình WRF (Weather Research Forecasting)

3 Nội dung và phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi nghiên cứu:

 Không gian nghiên cứu: Trường nhiệt độ trong khu vực Nam Bộ

 Thời gian nghiên cứu: giai đoạn bùng nổ gió mùa cuối tháng 4 và đầu tháng 5 năm

2009

- Nội dung nghiên cứu:

 Tìm hiểu sơ lược về mô hình WRF

 Tổng quan về các sơ đồ tham số hoá vi vật lý

 Tìm hiều về đặc điểm thời tiết trong giai đoạn bùng nổ gió mùa ở khu vực

 Thử nghiệm dự báo trường nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ hạn 3 ngày

 Phân tích các kết quả thu được

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

NCEP Trung tâm quốc gia dự báo môi trường Hoa Kỳ TN1 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Kessler TN2 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Lin

TN3 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 3 TN4 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 5 TN5 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Eta

TN6 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 6

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Tóm tắt các sơ đồ vi vật lý 19

Bảng 1.2 Các lựa chọn vi vật lý 20

Bảng 1.3 Sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ thể 21

Bảng 3.1 Giai đoạn thử nghiệm 32

Bảng 3.2 Danh sách các trường hợp thử nghiệm 32

Bảng 3.3 Danh sách các trạm khí tượng thủy văn ở Nam Bộ 55

Bảng 3.4 Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 29/04/2009 của mô hình WRF ứng với từng sơ đồ vi vật lý 56

Bảng 3.5 Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 30/04/2009 của mô hình WRF ứng với từng sơ đồ vi vật lý 57

Bảng 3.6 Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 01/05/2009 của mô hình WRF ứng với từng sơ đồ vi vật lý 59

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống của mô hình WRF 17 Hình 3.1 Cấu trúc miền tính 31 Hình 3.2 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 850hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/4/2009 34 Hình 3.3 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 850hPa a)ANA; b) TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 35 Hình 3.4 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 500hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 37 Hình 3.5 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 500hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 38 Hình 3.6 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 200hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 39 Hình 3.7 Bản đồ đường dòng và tốc độ gió mực 200hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 40 Hình 3.8 Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đường đẳng tốc độ cách nhau 2 ms-1 lúc 00 UTC ngày 30 tháng 04 năm 2009; Mặt cắt theo phương kinh tuyến của gió vĩ tuyến (U) dọc theo 106.70E a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 42 Hình 3.9 Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đường đẳng tốc độ cách nhau 2

ms-1 lúc 00 UTC ngày 30 tháng 04 năm 2009; Mặt cắt theo phương vĩ tuyến của gió kinh tuyến (V) dọc theo 10.80N a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 43 Hình 3.10 Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đường đẳng tốc độ cách nhau 2 ms-1 lúc 00 UTC ngày 01 tháng 05 năm 2009; Mặt cắt theo phương kinh tuyến của gió vĩ

tuyến (U) dọc theo 106.70E a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g) TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 44 Hình 3.11 Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đường đẳng tốc độ cách nhau 2

ms-1 lúc 00 UTC ngày 01 tháng 05 năm 2009; Mặt cắt theo phương vĩ tuyến của gió kinh tuyến (V) dọc theo 10.80N a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 45 Hình 3.11 Sai số tốc độ gió mực 500hPa (m/s) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4;e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 46 Hình 3.12 Sai số tốc độ gió mực 500hPa (m/s) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4;e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 47 Hình 3.13 Sai số độ cao địa thế vị mực 500hPa (m2/s2) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4; e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 48 Hình 3.14 Sai số độ cao địa thế vị mực 500hPa (m2/s2) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4; e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 49 Hình 3.15 Trường nhiệt độ 2m a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày30/04/2009 51 Hình 3.16 Trường nhiệt độ 2m a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 52 Hình 3.17 Sai số nhiệt độ mực 500hPa (độ C) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4; e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009 53 Hình 3.18 Sai số nhiệt độ mực 500hPa (độ C) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4; e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009 54 Hình 3.19 Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 29/04/2009 1)TN1; 2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6 60 Hình 3.20 Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 30/04/2009 1)TN1; 2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6 60

Hình 3.21 Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 01/05/2009 1)TN1; 2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6 61

MỞ ĐẦU

Hiện tại trong mô hình WRF có đến 6 sơ đồ vi vật lý, ứng với mỗi sơ đồ có một chỉ

số riêng và tạo ra một dự báo riêng biệt Các sơ đồ vi vật lý trên mô phỏng các quá trình giáng thuỷ, mây và bốc hơi Trong khi đó một số nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng chỉ một thay đổi nhỏ trong sơ đồ vi vật lý có thể dẫn đến kết quả dự báo rất khác nhau mặc dù điều kiện ban đầu như nhau, nhất là đối với mưa lớn hoặc xoáy thuận nhiệt đới (Zhu, 2005; Vich và Romero, 2010; Byun và ccs, 2007; Li và Pu, 2009; Im và ccs, 2007; Kiều

và Zhang, 2010; Pu, 2011, Kiều và ccs, 2013) Do đó khi sử dụng các sơ đồ vi vật lý khác nhau trong mô hình WRF cũng sẽ tạo ra các kết quả dự báo khác nhau Tuy nhiên sơ đồ nào là hữu ích cho việc dự báo thời tiết nói chung và dự báo trường nhiệt độ nói riêng vẫn chưa được nghiên cứu nào đề cập tới Mặc dù có những nghiên cứu kết hợp các sơ đồ vi vật lý trên để tạo thành một dự báo tổ hợp khá hiệu quả (Kiều và ccs 2013), song việc xây dựng hệ thống đáp ứng cho dự báo tổ hợp vẫn là một thách thức lớn đối với các đài dự báo Khí tượng thuỷ văn khu vực Trong khi đó hiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học máy tính thì sản phẩm của mô hình dự báo số đóng góp một phần quan trọng trong bản tin dự báo hàng ngày Do đó việc ứng dụng các mô hình dự báo số trong các trung tâm, các đài Khí tượng Thuỷ văn là rất cần thiết Tuy nhiên do hạn chế về kinh phí nên không thể phát triển hệ thống dự báo tổ hợp cho tất cả các đài, các trung tâm dự báo Vì vậy cần thực hiện một dự báo đơn tốt nhất với một lựa chọn sơ đồ vi vật lý tối ưu

là việc cần làm trước mắt Song hiện tại chưa có một nghiên cứu nào khảo sát các sơ đồ vi vật lý trong mô hình WRF để tìm ra một sơ đồ tối ưu phục vụ dự báo trường nhiệt độ ở

khu vực Nam Bộ Vì vậy trong đồ án tốt nghiệp này tôi xin đề xuất đề tài “Lựa chọn sơ đồ

vi vật lý tối ưu trong mô hình WRF phục vụ dự báo trường nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ trong thời kỳ bùng nổ gió mùa”

Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đồ án có bố cục gồm 3 phần:

1 Chương 1: Tổng quan về mô hình WRF và sơ đồ vi vật lý

2 Chương 2: Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ và phương pháp đánh giá

3 Chương 3: Kết quả thí nghiệm

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH WRF VÀ CÁC SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ 1.1 Mô hình WRF

1.1.1 Giới thiệu mô hình WRF

Mô hình WRF là kết quả của sự hợp tác nghiên cứu của một số trung tâm nghiên cứu của Mỹ và các trung tâm khí tượng quốc tế Ngoài những thành viên sáng lập nêu trên, còn có rất nhiều các học viện, trường đại học và nhà nghiên cứu khí tượng tại Mỹ và trên toàn thế giới tham gia vào dự án phát triển mô hình WRF Một cách khái quát, mô hình WRF là một hệ thống mô hình hóa hết sức hiện đại, linh hoạt và tối ưu cho cả mục đích nghiên cứu cũng như chạy nghiệp vụ Mô hình WRF cho phép sử dụng các tùy chọn khác nhau đối với tham số hóa các quá trình vật lý, như tham số hóa bức xạ, tham số hóa lớp biên hành tinh, tham số hóa đối lưu mây tích, khuyếch tán xoáy rối quy mô dưới lưới hay các quá trình vi vật lý khác Mô hình WRF hiện nay có 2 phiên bản đó là NNM (Nonhydrostatic Meso Model) và ARW (Advanced Research WRF)

Các mô hình WRF là một mô hình hoàn toàn chịu nén và phi thủy tĩnh (với một thời gian chạy thủy tĩnh nhất định) Hệ toạ độ ngang là lưới so le Arakawa C, hệ toạ độ thẳng đứng là hệ toạ độ khối theo địa hình Lưới dao động là lưới C Arakawa Bước thời gian sai phân Runge-Kutta bậc 3 được sử dụng đối với các số sóng âm thanh và sóng trọng trường, sai phân bậc 2 đến bậc 6 được sử dụng cho cả phương ngang và phương thẳng đứng Nó sử dụng các bước thời gian được chia nhỏ cho các sóng âm thanh và sóng trọng trường Các động lực được bảo toàn với các biến vô hướng

Các mã số mô hình WRF có chứa một chương trình khởi tạo (hoặc cho dữ liệu thực, real.exe, hoặc dữ liệu lý tưởng hóa, ideal.exe), một chương trình hội nhập số (wrf.exe), một chương trình để làm tổ một chiều (ndown.exe) và một chương trình để làm cơn bão nhiệt đới giả (tc.exe) Các mô hình WRF, phiên bản 3, hỗ trợ một loạt các khả năng Bao gồm:

 Mô phỏng dữ liệu thực và dữ liệu lý tưởng hóa

 Tùy chọn điều kiện biên khác nhau cho mô phỏng dữ liệu thực và lý tưởng hóa

 Lựa chọn vật lý đầy đủ, và các tùy chọn lọc khác nhau

 Chương trình bình lưu dương định

 Phi thủy tĩnh và thủy tĩnh (tùy chọn thời gian chạy)

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

di động

 Những ứng dụng cho khu vực và toàn cầu

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống của mô hình WRF.[7]

Như thể hiện trong biểu đồ, các mẫu hệ thống WRF bao gồm những chương trình lớn:

 Xác định các lĩnh vực mô phỏng

 Nội suy dữ liệu trên cạn (như địa hình, sử dụng đất, loại đất) để mô phỏng các miền

 Đọc và nội suy dữ liệu khí tượng từ một mô hình để mô phỏng miền này

Các tính năng chính của nó bao gồm:

 Đọc 1/2 dữ liệu khí tượng từ các trung tâm khác nhau trên khắp thế giới

 USGS 24 thể loại và các bộ dữ liệu MODIS đất 20 loại; USGS Gtopo 30 bộ dữ liệu độ cao; Toàn cầu, 5-phút United Nation FAO, và Bắc Mỹ STATSGO 30 sec loại đất dataset; 10-min dữ liệu màu xanh phần dựa trên AVHRR và 30-sec màu xanh phần dữ liệu dựa trên 10 năm MODIS; MODIS dựa trên chỉ số lá khu vực; 0,15 độ phản xạ và tuyết albedo dữ liệu hàng tháng; và 1 độ dài dữ liệu nhiệt

độ đất sâu; cộng thêm một vài bộ dữ liệu chuyên ngành

 Bản đồ dự báo cho lập thể cực, Lambert, Mercator và vĩ độ - kinh độ

 Làm thành tổ

 Giao diện để nhập dữ liệu tĩnh

ARW Solver đây là bộ phận quan trọng của hệ thống làm mô hình, trong đó bao

gồm một số các chương trình khởi tạo cho lý tưởng hóa và mô phỏng thực dữ liệu, và các chương trình lấy tích phân bằng số.[7]

1.1.2 Các bước chạy mô hình WRF

Bước 1: Chạy file / geogrib.exe để xác định phạm vi và vị trí các lưới lồng trong miền tính Kết quả có dạng: geo.emd01.nc

Bước 2: Chạy / link grib.esh / data / 2009042900/ * /

Bước 3: Chạy file / ungrib.exe để tạo ra các file dữ liệu khí tượng Và kết quả tạo ra là các file có dạng FILE *

Bước 4: Chạy file / metgrib để nội suy ngang các thông số khí tượng Và cho kết quả dạng: met_em.d01.*

Ở trên đã hoàn tất 3 bước cơ bản để chạy hệ thống tiền xử lý WRF (WPS), tiếp theo sẽ là các bước chạy hệ thống WRFV3 Kết quả của hệ thống WPS sẽ là dữ liệu đầu vào cho hệ thống WRFV3

Bước 5: Chạy ./ real.exe và / wrf.exe để tích phân hệ thống các chương trình dự báo trong mô hình Kết quả sẽ tạo ra được file wrfout_d01* và được dùng làm dữ liệu đầu vào

để vẽ

1.2 Các sơ đồ vi vật lý

Vi vật lý bao gồm giải quyết một cách rõ ràng hơi nước, điện toán đám mây, và các quá trình giáng thuỷ Mô hình này là nói chung đủ để chứa bất kỳ số lượng các biến trộn tỷ lệ khối lượng, và số lượng khác như nồng độ số

5 Và (Ferrier) Rogers, Black, Ferrier, Lin, Parrish và

10 Morrison 2-mom Morrison, Thompson và Tatarskin (2009,MWR) 2008

15 NSSL, 2-mom Mansell, Ziegler và Bruning (2010, JAS) 2012

Phase Processes

Bảng 1.3 Sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ

thể

Vi vật lý mp_physics

= 1, Kessler scheme

= 2, Lin et al scheme

= 3, WSM 3-class simple ice scheme

= 4, WSM 5-class scheme

= 5, Ferrier (new Eta) microphysics

= 6, WSM 6-class graupel scheme

= 1, Kain-Fritsch (new Eta) scheme

= 2, Betts-Miller-Janjic scheme

1 Sơ đồ Kessler (1969): được lấy từ mô hình COMMOS (Wicker and Wilhelmson, 1995), là một chương trình điện toán đám mây ấm đơn giản mà bao gồm hơi nước, nước mây, mưa Các quá trình vi vật lý bao gồm có: sản xuất, giáng thủy và bốc hơi mưa; sự bồi tụ và tự động chuyển đổi của nước đám mây; và sản xuất nước đám mây từ ngưng tụ.[6]

2 Sơ đồ Lin (Purdue) (1983): sơ đồ tinh vi mà có các quy trình băng, tuyết và graupel, thích hợp cho việc mô phỏng thực dữ liệu độ phân giải cao Sáu loại hydrometeors được bao gồm: hơi nước, nước mây, mưa, mây băng, tuyết và graupel Tất

cả các điều khoản tham số hóa sản xuất dựa trên Lin et al.(1983) và Rutledge và Hobbs (1984) với một số sửa đổi, bao gồm điều chỉnh độ bão hòa sau Tao et al.(1989) và đá trầm tích Đây là một chương trình vi vật lý tương đối phức tạp trong WRF, và nó là thích hợp nhất để sử dụng trong các nghiên cứu Các sơ đồ được lấy từ mô hình điện toán đám mây Purdue, và các chi tiết có thể được tìm thấy trong Chen và Sun (2002) [6]

3 Sơ đồ WSM3 (dựa trên Hong et al.(2004)): bao gồm cả trầm tích băng và tham số băng Một sự khác biệt lớn so với các cách tiếp cận khác là rằng một mối quan hệ đoán được sử dụng để tập trung số lượng băng đó là dựa trên nội dung của khối băng chứ không phải là nhiệt độ Các tính toán thủ tục được mô tả trong Hồng và Lim (2006) Như với WSM5 và WSM6, các quá trình đông lạnh/nóng chảy được tính trong mùa thu hạn phụ bước để tăng độ chính xác trong hồ sơ cá nhân sưởi ấm dọc của các quá trình này Thứ tự của các quá trình này cũng được tối ưu hóa để giảm sự nhạy cảm của đề án đến các bước thời gian của mô hình Sơ đồ WSM3 dự đoán ba loại thủy mét: hơi, mây nước/nước đá, và mưa/tuyết, mà là một chương trình đơn giản gọi là băng Nó sau Dudhia (1989) trong giả định nước đám mây và mưa cho nhiệt độ trên đóng băng, và đám mây băng và tuyết cho nhiệt độ dưới mức đóng băng Sơ đồ này là tính toán hiệu quả cho sự bao gồm các quá trình băng, nhưng lại thiếu nước siêu lạnh và tỷ lệ tan dần.[6]

4 Sơ đồ WSM5: Sơ đồ này cũng tương tự như các sơ đồ băng đơn giản WSM3 Tuy nhiên, hơi nước, mưa, tuyết, đám mây băng, và nước đám mây được tổ chức trong năm mảng khác nhau Do đó, nó cho phép nước siêu lạnh để tồn tại, và một tan dần tuyết rơi xuống dưới lớp nóng chảy Thông tin chi tiết có thể được tìm thấy tại Hong et al.(2004),

và Hong and Lim (2006) Như với WSM6, các dựa theo sự điều chỉnh của Dudhia (1989)

và Hong et al.(1998) trong quá trình xử lý riêng lẽ nước đá và độ bão hòa nước, chứ không phải là một bão hòa kết hợp như Purdue Lin (trên) và sơ đồ Goddard Tao et al 1989).[6]

5 Sơ đồ vi vật lí Eta: Các vi vật lý hoạt động trong mô hình NCEP Một kế hoạch hiệu quả đơn giản với các quá trình hỗn hợp pha chẩn đoán Đối với độ phân giải tốt (<5km) sử dụng tùy chọn (5) và cho độ phân giải thô sử dụng tùy chọn (95) Điều này cũng được biết đến như EGCP01 hoặc các chương trình Eta Ferrier Các chương trinh dự đoan những thay đổi trong hơi nước và nước ngưng tụ trong các hình thức của nước mây, mưa, mây băng, và lượng mưa băng (tuyết/graupel/mưa đá) Các mảng mây, mưa, sương

mù cá nhân được kết hợp thành tổng phần ngưng tụ Mảng lưu trữ địa phương giữ lại dự đoán đầu tiên thông tin trích xuất đóng góp của nước mây, mưa, mây băng, và lượng mưa

đá mật độ biến ở dạng tuyết, graupel, mưa đá Mật độ của lượng mưa băng được ước tính

từ một mảng cục lưu trữ thông tin về tốc độ tăng trưởng tổng băng bởi lắng đọng hơi và bồi tụ của nước lỏng.[6]

6 Sơ đồ WSM6: là mở rộng của sơ đồ WSM5 bao gồm graupel và các quá trình liên quan của nó Một số các điều khoản liên quan đến graupel theo Lin et al (1983), nhưng

đó là hoạt động băng pha có nhiều sự khác nhau do sự thay đổi của Hồng et al (2004) Một phương pháp mới cho đại diện cho hỗn hợp pha tốc hạt rơi cho tuyết và graupel hạt bằng cách gán một tốc độ rơi duy nhất cho cả hai đó là tỷ trọng bởi tỷ lệ pha trộn, và áp dụng mà tốc độ rơi để cả hai quá trình lắng đọng trầm tích và bồi tụ được giới thiệu

(Dudhia et al, 2008.) Các hoạt động của các sơ đồ WSM3, WSM5, và WSM6 khác chút

ít đối với lưới điện quy mô trung thô, nhưng chúng tạo nên nhiều cách khác nhau trên việc giải quyết lưới điện toán đám mây Trong ba sơ đồ WSM, sơ đồ WSM6 là thích hợp nhất cho việc giải quyết lưới điện toán đám mây, xem xét hiệu quả và lý thuyết nền (Hồng và Lin, 2006).[6]

CHƯƠNG 2

ĐẶC ĐIỂM THỜI TIẾT GIAI ĐOẠN BÙNG NỔ GIÓ MÙA TẠI

NAM BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ

2.1 Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ

2.1.1 Giai đoạn bùng nổ gió mùa

Giai đoạn bùng nổ gió mùa liên quan chặt chẽ đến sự thay thế đột ngột mùa khô bởi mùa mưa trong chu kì hàng năm và sự biến đổi của nó là nguyên nhân chính dẫn đến những thảm họa thiên nhiên như lũ lụt, hạn hán trên một phạm vi rộng lớn Thời tiết các tỉnh Nam Bộ có hai mùa rõ rệt và gần như trùng với hai mùa gió mùa có hướng hoàn toàn trái ngược nhau, do hai hệ thống khí áp hoàn toàn trái ngược nhau khống chế trên phần lớn lãnh thổ châu Á gây nên Đó là mùa mưa ở khu vực Nam Bộ gần như trùng với mùa gió mùa mùa hè, còn gọi là gió mùa tây nam, hướng gió thịnh hành trong mùa mưa từ nam đến tây nam Còn mùa khô gần trùng với gió mùa mùa đông, còn gọi là gió mùa đông bắc, hướng gió thịnh hành biến đổi từ bắc đến đông bắc Hoàn lưu của khu vực Nam

Bộ là hoàn lưu gió mùa của một vùng ven biển nằm sâu trong khu vực nội chí tuyến, điều đặc biệt là có sự tương phản sâu sắc giữa hai mùa gió mùa mùa đông và mùa hè

Từ tháng 11 đến tháng 3 là thời kỳ hoạt động mạnh của áp cao lục địa, từng đợt không khí lạnh tràn xuống phía nam có ảnh hưởng ít nhiều đến thời tiết Nam Bộ Ngoài

ra, Nam Bộ còn chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của tín phong Trong thời kỳ này gió mùa đông bắc (từ cao áp lục địa) và đới gió tín phong (từ rìa phía nam của cao áp phó nhiệt đới) đều

có hướng đông bắc Trong các tháng đầu mùa khô (từ tháng 1 đến tháng 1), gió mùa đông bắc làm cho thời tiết Nam Bộ hơi lạnh, đôi khi có mưa nhỏ, lượng mưa phân bố không đều, chủ yếu chịu ảnh hưởng của địa hình Trong trường hợp có nhiễu động sóng đông thì mưa đều cả khu vực Trong các tháng cuối mùa khô (từ tháng 2 đến tháng 3), gió thịnh hành có hướng đông đông bắc đến đông, thời tiết chủ yếu là ít mây, không mưa hoặc mưa nhỏ Cuối tháng 3 đến nửa đầu tháng 4, các khối không khí lạnh lục địa từ phương bắc đã bắt đầu suy yếu và biến tính, trong khi các khối không khí nhiệt đới hoặc xích đạo bắt đầu được tăng cường và dịch dần lên phía bắc, tạo nên loại thời tiết nắng nóng, oi bức gay gắt,

chiều tối có thể có dông nhiệt và mưa rào Đây là thời kỳ chuyển tiếp từ mùa khô sang mùa mưa Thời kỳ gió mùa mùa hè (từ tháng 5 đến tháng 9), áp thấp nóng Ấn Miến hoạt động mạnh và lấn sang phía đông, các khối không khí thịnh hành ở khu vực Nam Bộ và nam Biển Đông là không khí từ phía nam di chuyển lên, tạo nên gió mùa tây nam Thời

kỳ này là mùa mưa ở khu vực Nam Bộ và cũng là thời kỳ mà các xoáy thuận nhiệt đới (bão, áp thấp nhiệt đới) hoạt động trên Tây Thái Bình Dương và Biển Đông, làm cho lượng mưa tăng lên Tháng 10, trong thời kỳ này sự tranh chấp giữa các hệ thống cũng khá quyết liệt, gió tây nam bắt đầu suy yếu Tuy nhiên, do những nhiễu động nhiệt đới lùi dần xuống phía nam nên mùa mưa ở Nam Bộ vẫn tiếp diễn, có năm mà tháng 10 sẽ đạt lượng mưa cực đại trong năm nếu có nhiều cơn bão, áp thấp nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông Tháng 11 do chịu ảnh hưởng bởi các đợt không khí lạnh lục địa tràn xuống phía nam, gây nên những đợt gió mùa đông bắc có cường độ khá mạnh, làm đẩy lùi các nhiễu động xuống vùng vĩ độ càng thấp, đồng thời do không khí lạnh ảnh hưởng làm cho các nhiễu động này yếu đi, nên lượng mưa cũng giảm dần.[1]

Về đầu mùa hạ không chỉ duy nhất có tác động của hạ áp nhiệt được hình thành ở trên lục địa Tuy hạ áp này đã được hình thành ở tây bắc Ấn Độ, nhưng gió mùa lại bắt dầu từ nam Trung Quốc, sau phát triển sang Mianma, còn ở Ấn Độ lúc đó vẫn chưa xuất hiện mưa rào, tuy nhiệt độ ở đây vào tháng 4 đã có giá trị cực đại, nhưng một tháng sau

đó gió mùa mới xuất hiện

Sở dĩ có hiện tương trên là do đầu mùa hè đới gió tây phát triển về phía nam Himalaya đến cả độ cao 8km tạo thành một rãnh thấp ở trên cao theo hướng kinh tuyến ở vịnh Bengal Chính rãnh thấp này tạo điều kiện cho đới gió đông ở trên cao Trung Quốc, Mianma hình thành, đây là dòng thổi về xích đạo, là một bộ phận của hoàn lưu mùa hè giữ vai trò quan trọng trong quá trình xác lập gió mùa hè

Vào cuối tháng 4, đầu tháng 5 dòng gió tây trên cao bỗng đột ngột chuyển về phía bắc khối Tây Tạng - Himalaya và rãnh thấp trên cao theo hướng kinh tuyến tiến về phía tây Như vậy dòng gió đông trên cao được xác lập ở trên Ấn Độ mở đường cho gió mùa

mùa hè ở dưới thấp Gió mùa bùng nổ ở Ấn Độ và Pakixtan rồi sau phát triển toàn Đông Nam Á.[10]

Tuy nhiên do thời gian và kinh phí có hạn nên trong đồ án tốt nghiệp này em chỉ xem xét giai đoạn bùng nổ gió mùa mùa hè ở Nam Bộ

2.1.2 Các trung tâm tác động trong giai đoạn bùng nổ gió mùa

Về mùa hè ngược lại một áp thấp rất rộng lớn có tâm ở Ấn Độ hình thành trên đại lục châu Á do bị nóng lên mạnh mẽ bởi bức xạ mặt trời, áp thấp này khơi sâu nhất vào khoảng tháng 7 với trị số tâm dưới 1000mb Dải áp thấp nội chí tuyến đã tiến sang Bắc bán cầu, tới gần chí tuyến trên khu vực ven Thái Bình Dương Áp cao Hawaii (còn gọi là cao áp cận nhiệt Tây Thái Bình Dương) phát triển rõ rệt Còn ở Nam Bán cầu thể hiện rõ một áp cao cận chí tuyến hoạt động liên tục Trên cao cũng có sự đảo ngược quan trọng theo mùa về đặc điểm khí hậu Trên bản đồ đẳng cao tháng 1 trên mực 500mb, về mùa đông tồn tại một áp thấp ở gần địa cực, từ đó khí áp tăng dần về phía nam Hai rãnh thấp hướng về phía bờ biển Caspien và bờ biển châu Á Giữa đó là một lưỡi ở khoảng trung tâm Xibia và bắc Trung Quốc Dòng khí hướng tây chiếm ưu thế trên toàn bộ đại lục từ cực cho đến vĩ tuyến 180N Tới khoảng 300N, gió tây trên cao có vận tốc rất lớn, nhưng xuống tới các vĩ độ nhiệt đới, vận tốc giảm dần Ở khu vực cao nguyên Tây Tạng, dòng khí tách làm hai, lượn quanh nam cao nguyên rồi nhập lại với nhánh phía bắc ở phía đông Trên mực 200mb, thiết lập và ổn định một dòng xiết cận chí tuyến với tốc độ khá lớn (khoảng 50-80m/s), trục của nó xấp xỉ 300N Đó là dòng xiết nam cao nguyên, phân biệt với dòng xiết bắc cao nguyên, yếu và kém ổn định hơn, hai dòng xiết nhập với nhau ở khu vực Nhật Bản

Mùa hè tình hình trên cao đặc trưng bởi sự xuất hiện lưỡi cao áp cận chí tuyến, thấy rất rõ trên mực 500mb Khí áp giảm dần từ đó lên địa cực, trong khi trên cao nguyên Tây Tạng tồn tại một cao áp đóng kín khá rộng Ở phía bắc vĩ tuyến 300N, khí lưu tây được thay thế bằng khí lưu đông, thổi chậm hơn, dòng xiết cận chí tuyến phía nam cao nguyên Tây tạng biến mất, chỉ còn lại dòng xiết phía bắc cao nguyên ở xấp xỉ 400N, với tốc độ nhỏ hơn nhiều (khoảng 27m/s ở trục) Sự đảo ngược theo mùa như vậy của các

trung tâm tác động khí quyển đã gây ra một sự nhiễu loạn trên quy mô lớn trong hoàn lưu chính của khu vực nhiệt đới Tiêu biểu cho hoàn lưu khu vực nội chí tuyến là tín phong được thổi từ rìa nam các cao áp cận chí tuyến, theo hướng đông bắc về phía xích đạo Cùng với sự xê dịch của dải cao áp theo chuyển động biểu kiến của mặt trời, đới tín phong cũng có sự dịch chuyển theo mùa, nhưng bản chất vẫn giữ nguyên và hướng hầu như không thay đổi.[4]

2.1.3 Đặc điểm thời tiết

Theo trung bình khí hậu, mùa mưa tại Nam Bộ bắt đầu vào cuối tháng 4 tới đầu tháng 5, được đánh dấu bởi sự hình thành của gió tây nam nhiệt đới thổi từ vịnh Bengal sang Theo rất nhiều nghiên cứu trên thế giới, giai đoạn này trùng với thời điểm xuất hiện mưa tại vịnh Bengal và nam Biển Đông, và là những khu vực xuất hiện mưa mùa hè sớm nhất của gió mùa mùa hè châu Á Gió mùa mùa hè Ấn Độ thường xuất hiện muộn hơn sau

đó khoảng hai tuần Tuy nhiên, ngày bắt đầu mùa mưa tại Nam Bộ có sự dao động lớn giữa các năm và phân bố mưa giữa các khu vực cũng không hoàn toàn giống nhau

Từ mùa khô sang mùa mưa, trong khoảng từ cuối tháng 3 đến giữa tháng 4 thường

có một thời kỳ chuyển mùa kéo dài khoảng 7-10 ngày, cũng có năm thời kỳ này không rõ rệt (1996, 1999, 2000) Trong thời kỳ này, mưa thường mang tính cục bộ dưới dạng dông nhiệt và mưa rào, xảy ra vào chiều tối và xuất hiện theo từng đợt, mỗi đợt kéo dài trong một vài ngày Trong thời kỳ này hoàn lưu khống chế khu vực Nam Bộ thường là đới gió tín phong của bắc bán cầu vói hướng gió thịnh hành là đông nam Lượng mưa phân bố không đều, tập trung chủ yếu ở các tỉnh thuộc khu vực miền Đông Nam Bộ Hình thế Synop trong thời kỳ này là các khối không khí lạnh với cuờng độ không mạnh và biến tính, chủ yếu di chuyển xuống vùng Hoa Nam (Trung Quốc) Đồng thời, vùng áp thấp nóng Ấn Miến còn chưa phát triển sang phía đông được Ngoài ra, lưỡi áp cao phó nhiệt đới Tây Thái Bình Dương khống chế toàn bộ khu vực Biển Đông, trục sống cao này nằm theo hướng đông – tây, vị trí trung bình ở khoảng từ 13-15oB, thể hiện từ tầng thấp lên đến mực 200mb, và dải áp thấp xích đạo hoạt động ở khoảng 3-5oB Sự tranh chấp giữa các hệ thống này rất quyết liệt, và tùy theo mức độ ảnh hưởng của các hệ thống này sẽ

quyết định sự bắt đầu mùa mưa đến sớm hay đến muộn Phân tích số liệu trong 18 năm, trong thời kỳ từ cuối tháng 3 đến giữa tháng 4 của các năm 1984, 1989, 1996, 1999, 2000 chúng ta thấy lưỡi áp cao cận nhiệt đới và dải áp thấp xích đạo ở vị trí cao hơn trung bình, trên vùng nam Biển Đông có các nhiễu động xoáy trong trường gió lệch đông ở tầng thấp, các nhiễu động này có cường độ yếu và tồn tại không lâu, trên cao hoàn lưu vĩ hướng chiếm ưu thế gây nên những đơt mưa cách nhau vài ba ngày Nếu lưỡi cao áp cận nhiệt đới rút nhanh về phía đông, thì trên khu vực Nam Bộ và nam Biển Đông xuất hiện gió nam đến tây nam khá ổn định, và mùa mưa bắt đầu tạo ra thời kỳ chuyển mùa không rõ rệt

Trong những năm 1988, 1991, 1992, 1997 và 1998 sau một mùa khô kéo dài với hoạt động mạnh mẽ của các đợt không khí lạnh mạnh tràn xuống các tỉnh Bắc Bộ, trong tháng 3 và tháng 4 các khối không khí lạnh này tiếp tục tràn về phía nam và biến tính làm cho trục sống áp cao cận nhiệt đới và dải áp thấp xích đạo lùi xuống vị trí thấp hơn trung bình Trên cao, hoàn lưu kinh hướng chiếm ưu thế Cao áp cận nhiệt đới khống chế toàn

bộ Biển Đông từ tầng thấp lên đến 6000m Sau đó lưỡi cao này đột ngột lùi hẳn về phía đông hoặc có một áp cao từ nam bán cầu vượt lên, gió tây nam xuất hiện và bắt đầu vào mùa mưa mà không qua thời kỳ chuyển tiếp Như vậy, ta có thể thấy khá rõ trong các tháng cuối đông nếu trên tầng cao hoàn lưu vĩ hướng chiếm ưu thế thì mùa mưa đến sớm

và có thời kỳ chuyển tiếp nhưng không rõ Còn nếu hoàn lưu kinh hướng chiếm ưu thế thì mùa mưa đến muộn và gần như không có chuyển tiếp Các năm bình thường thì thời kỳ chuyển tiếp này kéo dài từ 10-20 ngày.[5]

trong đó: N tổng số dự báo; Fi là giá trị dự báo thứ i; Oi là giá trị quan trắc thứ i

MAE biểu thị độ lớn trung bình của sai số nhưng không nói lên xu hướng lệch của giá trị dự báo và quan trắc

c Sai số quân phương (RMSE)

trong đó:N tổng số dự báo; Fi là giá trị dự báo thứ i; Oi là giá trị quan trắc thứ i

Dùng để biểu thị độ lớn trung bình của sai số Cũng giống như MAE, RMSE

không phản ánh xu hướng lệch giữa giá trị dự báo và giá trị quan trắc Giá trị RMSE tối

ưu là RMSE = 0 tức là khi giá trị dự báo bằng giá trị quan trắc tại mọi điểm trong không gian đánh giá

2.2.2 Phương pháp đánh giá dựa vào sai số căn quân phương năng lượng trung bình thể tích

Để có thể đánh giá một cách toàn diện về tính hiệu quả của hệ thống tổ hợp LETKF với số thành phần tổ hợp khác nhau, em sử dụng sai số căn quân phương năng lượng trung bình thể tích EME (volume-averaged energy root mean squared errors), công thức:

WRF-2 / 1) (

2

1

T T T

C V V U U EME        p   (2.3)

Trong đó chữ cái U‟, V‟ ký hiệu sự chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị dự báo ở cùng thời điểm (U, V thành phần gió vĩ hướng và gió kinh hướng, T là nhiệt độ), Cp là nhiệt dung đẳng áp, ̅ là nhiệt độ trung bình, và trung bình trên toàn miền lưới

Ngoài ra trong đồ án này em còn sử dụng phương pháp đối chiếu, giữa kết quả của các thử nghiệm ứng với từng sơ đồ vi vật lý và kết quả số liệu phân tích của NCEP được coi như là số liệu quan trắc; so sánh nhiệt độ dự báo trên với số liệu thực đo tại các trạm khí tượng ở khu vực Nam Bộ

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Thiết kế thí nghiệm

3.1.1 Cấu trúc miền lưới

Thông qua việc phân tích hoàn lưu khí quyển trong trong giai đoạn bùng nổ gió mùa và căn cứ mục đích thử nghiệm để chọn ra sơ đồ vi vật lý tối ưu để dự báo trường nhiệt độ, nên em xác định miền tính như sau: tâm miền tính đặt tại 120N-106.50E, sử dụng phép chiếu Mercator với miền tính toán bao phủ là 130S-370N và 81.50E-131.50E đối với miền lưới 1, miền lưới 2 từ 4.10N-18.70N và 98.50E-113.50E Cấu hình miền tính bao gồm

103 điểm lưới theo phương vĩ tuyến, 103 bước lưới theo phương kinh tuyến đối với miền lưới 1, miền lưới 2 là 91x91 điểm lưới theo phương kinh tuyến và phương vĩ tuyến Mực

áp suất cao nhất (biên trên của mô hình) có giá trị là 10hPa Độ phân giải ngang là 54/18km cho miền lưới 1 và lưới 2 (hình 3.1), hạn dự báo là 72h Điều kiện biên được cập nhật 6 giờ một lần từ mô hình dự báo toàn cầu GFS

Hình 3.1 Cấu trúc miền tính

Nghiên cứu chọn giai đoạn là giai đoạn bùng nổ gió mùa trên khu vực Nam cuối tháng 04 năm 2009

3.1.2 Giai đoạn thử nghiệm

Tình hình thời tiết được Giám đốc TTKTTV Bùi Minh Tăng đã nêu rằng: “Trong năm 2009 này, Việt Nam sẽ còn phải đối mặt với tình hình thiên tai, lụt bão dữ dội hơn 2008” Do tác động của hiện tượng La Nina 2007-2008, ở miền Bắc nước ta xuất hiện

thời tiết rét đậm kéo dài liên tục từ 14-1 đến 18-2-2008 Một trong những năm có rét đậm, rét hại kỷ lục trong lịch sử Tuy nhiên, nhiệt độ trong cả mùa hè năm 2008 ở mức gần và thấp hơn so với trung bình nhiều năm, nhất là ở phía bắc, nên mùa hè năm 2008 được coi

là một năm có mùa hè mát mẻ hơn mọi năm Về lượng mưa có thể nói năm 2008 là một trong những năm có lượng mưa không bị thiếu hụt như những năm gần đây (2003, 2004

và 2006) Nhưng từ 30-10 đến 2-11-2008, mưa lớn xảy ra ở đồng bằng và trung du Bắc

bộ lượng mưa phổ biến từ 100 - 300mm, một số nơi lượng mưa lớn hơn 350mm Một số nơi đã lập kỷ lục về lượng mưa như Hà Đông (hơn 550mm), Láng - Hà Nội (xấp xỉ 400mm)

Với xu hướng năm 2008 đó, tình hình thời tiết năm 2009 chính là mưa, bão gia

tăng; hiện tượng nóng, rét bất thường Hiện tượng bất thường đó cũng đã được Thạc sĩ Lê

Thị Xuân Lan, Phó Phòng Dự báo Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Nam Bộ cảnh báo:

TS Xuân Lan: “Cho đến thời điểm này những bất thường của thời tiết đã diễn ra

– diễn ra gần như liên tục, kể cả Miền Bắc, Miền Trung lẫn Miền Nam Năm nay, một số

bất thường có thể kể như thế này: Mùa Đông vừa qua, ở Miền Bắc xảy ra đợt rét, rồi sau

đợt rét liên tục lại đột ngột chuyển sang thời tiết nóng và nồm Riêng về hình thái thời tiết

thì năm nay chúng tôi nhận xét nó diễn ra không bình thường Thí dụ như áp thấp nóng

Ấn Miến thông thường thì phải đến cuối tháng 3 này, sớm nhất cũng phải giữa tháng 3 thì

mới phát triển trên khu vực phía Bắc Lào, Nam Trung Quốc và Bắc Việt Nam Nhưng

năm nay, ngay sau đợt lạnh sau Tết thì lại xuất hiện áp thấp này và kéo dài liên tục trong

nửa tháng, làm cho Miền Bắc rất oi bức.”[11]

Vì vậy với tình hình thời tiết bất thường của năm 2009, trong đồ án này tôi sẽ chọn

giai đoạn thử nghiệm như sau

Bảng 3.1 Giai đoạn thử nghiệm

Năm Ngày tháng bắt đầu Ngày tháng kết

thúc

Số trường hợp thử nghiệm

TN2 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Lin

TN3 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 3

TN4 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 5

TN5 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Eta

TN6 Dự báo trường nhiệt độ với sơ đồ vi vậtl ý WSM 6