Sử dụng mô hình RAMS mô phỏng đợt mưa lớn ở miền trung tháng 9 2002

Thời gian cần đê dự báo cho 3 ngày được rấ t có ý nghĩa.. Mô hình đã dự báo được các tâm mưa lớn ở các vùng thượng lưu ứng dụng mô hình số vào việc cảnh báo trước các hiện tượng lũ lớn ở

S Ử D Ụ N G M Ô H Ì N H Rx VMS M Ô P H Ỏ N G Đ 0 T m ư a l ớ n

ở MIỀN TRUNG THÁNG 9 - 2002

T r ẩ n T â n T iế n , N g u y ễ n M in h T rư ờ n g , C ô n g T h a n h , K iề u Q u ố c C h á n h

K hoa K h í tượng - T h ủ y văn r à H ải dư ơng học

Trương Đại học Khoa học T ự nhiên, ĐHQG H à N ội

T óm tắ t: Nhằm mục đích dự báo các đợt mưa lón bằng mô hình sô’, tại khoa Khí tượng-Thuỷ văn-Hải dươngHọc, trường ĐHKHTN-ĐHQGHN, đã sử dụng mô vào tháng 9-2002 Để' dụ báo cho khu vực Trung Bộ Chúng tôi đã dùng một hệ thông gồm hai lưới lồng nhằm mục đích tãng cường chất lượng dự báo Lưới một bao phủ toàn bộ vùng Việt Nam, Đông Nam Á và biển Đông, vói độ phân giải 40km, lưới hai có độ phân giái 10km bao phủ toàn bộ vùng Trung Bộ Mô hình này được tích phân trên hệ thống gồm 12 CPU nối song song Thời gian cần đê dự báo cho 3 ngày được rấ t có ý nghĩa Mô hình đã dự báo được các tâm mưa lớn ở các vùng thượng lưu ứng dụng mô hình số vào việc cảnh báo trước các hiện tượng lũ lớn ở Việt Nam Tuy nhiên, mò hình cho vùng mưa lón hơi lệnh so với thực tê đo đạc và điểu này cần phái được xem xét thêm

1 G iớ i t h i ệ u v ề m ô h i n h RAMS

Mô h ìn h RAMS (The Regional Atm ospheric M odeling System ) được Đ ại học Tổng hợp Colorado k ế t hợp với ph ân viện ASTER-thuộc M ission R esearch C orporation p h á t triể n gồm

3 khối chính: khối mô h ình khí quyển mô phỏng các bài toán khí tượng cụ thể, khôi xử lý các quá trìn h ban đ ầu hoá sử dụng các trưồng ph án tích và s ố liệu q uan trắ c và m ột khối xử lý

k ết q u ả mô phỏng và hiển thị đổ họa kết quả của mô hình M ột s ố ưu điểm và đặc trư n g kỹ

th u ậ t ch ín h của RAMS có th ể tóm tắ t như sau:

- Mô h ìn h có th ể chạy trê n các hệ thống khác n h au n h ư UNIX, LINUX, W indows NT với m ã nguồn được viết chủ yếu bằng ngôn ngü FORTAN 90 sử dụng tín h n ă n g cấp p h á t bộ nhớ động M ột số th ao tác vào/ra được viết bằng ngôn ngữ c

- K hả n ă n g á p d ụ n g của mô hình là r ấ t rộng: từ các mô phỏng tro n g các buồng k h í động lực đến các bài to án k h í tượng vùng h ạn chế như các vùng hồ, k hu du lịch cho đến cả các bài to án toàn cầu Đ iểu này phụ thuộc m ục đích của người sử dụng và m áy tính

- Cho phép n h iều lưới lồng n hau do đó mô tả được ả n h hưởng của các q u á trìn h qui

mô nhỏ Kỹ th u ậ t lưới lồng là m ột kỹ th u ậ t mới không chỉ đối với các bài to án Khí tượng m à với cả các bài to án cơ học c h ấ t lỏng nói chung Tuy n h iên càng á p dụng n h iều lưới lồng th ì càng cần m áy tín h m ạnh, với các nước p h á t triể n thường sử dụng siêu m áy tín h

- Đ iều k iện biên của mô h ình được cập n h ậ t theo thồi gian với bưóc thời gian cập n h ậ t

tu ỳ ý lấy từ k ế t q u ả p h ân tích to àn cầu cho phép mô t ả ả n h hưởng của q u á trìn h quy mô lớn đến m iền dự báo h ạ n chế

- Bước tích ph ản có nhiều phương án lựa chọn khác n hau do vậy có th ê chọn được một bước thời gian đáp ửng yêu cầu về độ ổn định tín h toán của mô h ìn h và yêu cầu thòi gian tích phản của bài toán

- Sô' liệu của các trạ m cao không cũng n hư các trạm thòi tiế t m ặ t đ ấ t tro n g m iền tích phân có th ể được sử dụng trong quá trìn h ban đầu hóa Đây là m ột đậc điếm rấ t ưu việt của

mô hình n hằm n âng cao độ chính xác cua k ế t quả dự báo, đặc biệt là khi miên tín h có m ặt trải dưới phức tạp, độ cao địa hình th ay đôi nh an h và tại thời điếm b an đầu khí quvên tồn tại các nhiễu động m ạnh

- P h ần hiển thị đồ hoạ có th ê sứ dụng các phần mềm khác n h au được p h á t triển trong thời gian gần đây n hư NCAR, GRADS, DRIB.VIS5D

Các đặc trư n g trê n đã làm cho RAMS có khả năng dự báo với độ chính xác rấ t hứa hẹn đồng thời vẫn bảo đảm khả n ăng ứ ng dụng rấ t mềm dẻo của mô hình

2 H ệ p h ư ơ n g t r ì n h c ủ a m ô h ì n h RAMS

Phương trin h chuyển động

Ổu du ỡu ỡu

dx+ fv + i Í K m ^ ì + A Í K „ ổx l õx ) õy

d u \ õ

K

ỡ u ì (1)

ỡv

ĩ t ~

ổv

ổx

ỡv

v ổy

dv

v õz G—õy- f u + i Î K m ^ l , i - Î K m dx l dx ) dy ỉ, — ì + — í õy ) Đ z\K m

õv j

(2)

- e — - É v +ì_ (k , ^ Ì + A Ík d w i õ

■ÍK CW

~ dt~ ổx õy Õz õz e0 ỡx 1 m ổx ) dy { m õy ) õz 1 K d z Ị (3) Phương trin h nhiệt động lực

Ổ0j| _ aeu a0j| õQ.ị õ ị v

^ - = - u „ -V - - w + Kh M k Ể Ê Ì Ỉ Ị + J L Í k B l ì + Í * ! ì l

õy õz ( 5 x ^ n ổ x J ộ y i i h ổ y J < 3 z l i h ổ z J v ỡ t /

Phương trìn h bảo toàn các trạng th á i p ha của nước

drn -uÊ!k„ï*k_w*k+i:ÎKh%'| + iLÎKh£ildx õy 07 dx V ổx ) õy Ị õy )

Phương trinh bảo toàn khôi lượng

Rn0 ị apoGọU | dp090v t dp000w \ cvp0e0 { dx õy ôz ) Phương trinh th ủ y tĩnh

õn - J L +

õpu , dpv

(7)

(8)

Phương trinh không th ủ y tĩnh

õu Q õn _ ỡu

ổt ° dx âx

—— + Gt) — - = -u — - w — + g 7— = Fw (10)

ôt õz ổx ôz I 0A I

d t i c 2 r a u p 0e 0 [ c ^ P ọ Q ọ 1 ( 1 2 )

& ~ Po0 ỖL à x d z \

Các biến trong các phương trìn h trê n được v iế t theo qui ước khí tượng chuẩn quốc tế

ví dụ như u, V, w là các th à n h ph ần tốc độ gió, p là m ật độ, K là hãm Exner, 0 là nh iệt độ th ế

vị

3 M iển t í n h , đ i ề u k i ệ n b iê n v à đ iề u k i ệ n b a n d ầ u c ủ a R A M S á p d ụ n g c h o b à i to á n

d ự b á o ở V iệ t N a m

T ại Khoa Khí tượng T hủy v ăn và Hãi dương học, mô h inh RAMS được chạy trên

m ạng nội bộ, sử dụng ph ần mềm MPI cho bài toán song song-lớp bài toán có cấu trú c phửc tạp và r ấ t mới ớ Việt N am hiện nay gồm bốn m áy tín h cấu hình cao, mỗi m áy có 2 CPU tốc

độ 1,7 GHz, và 4 m áy P entum 4 tô’c độ 2.26 GHz cho miền tích p hân có các đặc trư n g như sau:

L ướ i tí c h p h â n ’ Lưới th ứ n h ấ t có độ p hân giải 40km nằm trong m iền 93.5"E -

147.229"E và 10.942°s - 36.039"N, lưới th ứ hai lồng trong lưới th ứ n h á t có độ phân giái 10km nằm trong m iển 103.457°E - 107.78°E và 16.219°s • 20.832°N, bao p hủ toàn bộ lãnh thô Việt Nam và m iển bắc là m ột phần lục dịa T rung quốc vừa báo đám h ạn chê’ sai sô khuyếch tá n vào tâm m iền tín h vừa tín h đến ản h hường của hoàn lưu gió m ùa đông bắc, xuất p h á t từ cao áp Xibia và các tru n g tâm cực đới khác

Đ ộ p h â n g i ả i : N hư đã nói ở trên , khi áp dụng kỹ th u ậ t lưới lồng trong thực tế đòi hỏi

năng lực m áy tín h m ạn h để giảm thời gian CPU vì khi đó bước thời gian sẽ ph ải giảm đi để’ thoả m ãn tiêu chuẩn ổn đ ịnh tín h toán CFL, do đó trong th ử nghiêm bước đ ầu chúng tôi đã lựa chọn độ ph ân giải thích hợp như sau:

Độ ph â n giái th ắ n g đứng- Khi áp dụng cho Việt Nam s ố mực th ắ n g đứng cho lưới thử

n h át là 25 cho lưới th ứ h a i là 31, với độ phân giái lớp s á t bề m ật là 100 m ét, hệ sô giãn là 1,25 và độ p h ân giái lớn n h ấ t không vượt quá 1300 m ét Độ cao đ ạ t tới là xấp xỉ 23 km Một

sô nữi áp dụng mô h ìn h RAMS trên th ê giới cũng áp dụng các biện p háp tương tự đê giảm thòi gian tích phân

Độ p h ả n giái ngang' T âm m iển tín h của lưới th ứ n h ấ t (141x141 điểm ) có toạ độ (14('N,

117,5°E), bước lưới là 40 km Tâm miền tín h lưới th ứ hai (50x50 điểm ) có toạ độ

Độ phân g iả i thời g ia n : Độ p hân giải thời gian cho lưới th ử n h ấ t được xác đ ịnh tự

động sau mỗi bước tích p hân th o ả m ãn tiêu chuẩn CFL

Đ iề u k iệ n b i ê n : Điểu kiện biên xung quanh sử dụng tro n g mô h ình là điều kiện biên

p hụ thuộc vào thời gian (cập n h ậ t điều kiện biên theo 6h) và có n h iều phương á n lựa chọn khác nhau: điểu kiện biên vói g radient b ằng không, điểu kiện biên vỏi dòng vào và ra không đổi, điều kiện biên bửc xạ, tu ỳ bài toán và yêu cầu cụ th ể đ ặ t ra Trong mô h ình cùa chúng tôi, điểu kiện biên xung quanh, với trường gió, là diêu kiện biên bức xạ (R adiative Boundary Condition), nó cho phép chống p hản xạ từ biên trỏ Lại tru n g tâm miền tích p h ân của lưới con Điều kiện biên bức xạ cho trường gió là:

ỏ đây u là th à n h ph ần vận tốc pháp tu yến vối đường biên, c là v ặn tốc pha V ấn để m ấu chốt

ở đây là phái tim cách xác định vận tốc pha c Vặn tốc pha này được xác đ ịnh theo O rlanski (1976) (xem [4]) n hư sau:

C ùng có th ế tín h tru n g b ình vận tốc pha này theo phương th ản g đứng và coi như không đổi khi á p dụng cho to àn cột lưới th ản g đứng Ước lượng th eo cách này của Klem p và Lilly (1978) (xem [3]) cho độ lớn của c vào cỡ 10-30m/s Đối với các biến còn lại, sẽ sử dụng các điểu kiện biên khác

Điểu kiện biên trê n cũng có một vài lựa chọn phụ thuộc vào quá trìn h ban đầu hóa và lựa chọn của mô h ình (trong mô hình RAMS có hai lựa chọn là thuý tĩn h và không thuý tĩnh) Trong th ử nghiệm ỏ đây: điểu kiện biên th ản g đứng là điều kiện h ấ p th ụ Klemp-

D urran (1983) (xem [2]) cho mô hìn h không th u ỷ tĩn h , m ục đích để hấp th ụ các sóng trọng trường lan truyền theo phương th ẳ n g đứng gây ra bởi đối lưu và các ồn tín h to án khác Điểu kiện biên dưới là điểu kiện biên sử dụng cân nảng lượng bề m ặ t với một sự mỏ rộng l/'2Az xuống dưới m ặt đất

Đ iề u k i ệ n b a n đ ầ u : Đ iều kiện ban đầu trong th ử nghiệm mô hình RAMS ở đây được

xác định như sau: tru ò n g p h ân tích toàn cầu, đo DWD cung cấp, được trích r a cho vùng Việt Nam trê n các mực 1000 900, 8Õ0, 700, 500, 400, 300, 200, 150, 100 và 50 m b cho các yếu tố: hai th à n h p hần gió ngang, độ cao địa th ê vị, nh iệt độ và độ ẩm tươ ng dôi S a u đó sơ đồ phân tích khách q uan B a rn e r được sử dụng đế nội suy về lưới mô hình Trường p hân tích toàn cầu cũng có th ể lấy trê n m ạng In te rn e t hay các nguồn khác do NC EP, NCAR hay các tru n g tám của châu Au, úc, N h ậ t Bản cung cấp Nếu sô liệu cao không hay k h í tượng bê m ặt có sẵn cũng sẽ được sử dụng đế bổ xung thông tin vê trạ n g th á i k h í quyến khi nội suy về lưới

mô hình Điều này giúp ích r ấ t nh iều trong việc tă n g cưòng c h ấ t lượng dự bảo

—

(14)

4 S ố liệ u v à k ế t q u ả m ô h ì n h d ự b á o đ ợ t lũ m iề n T r u n g t h á n g 9/2002

T rong các ngày từ 17 đến ‘22 th án g 9 năm 2002, do ản h hương của rìa phía bắc của dải hội tụ nh iệt đới có trụ c đi qua T rung T rung bộ và rìa phía T ây Nam lưởi áp cao cận

n h iệ t đới k ế t hợp với đới gió đông đông nam m ạnh nên khu vực Bắc T ru n g Bộ có m ưa, mưa vừa, m ưa to đến r ấ t to và dông m ạnh (H ình 1) Đặc b iệ t trong hai ngày 19 và 20 có m ưa rấ t

to trên diện rộng ó Nghệ An và Hà Tĩnh Lượng m ưa trong 5 ngày từ 18 đến 22/9 phố biến

từ 60 đến 100mm (Thanh Hóa), 200-300mm (Nghệ An), từ 300 đến 600m m (H à Tĩnh) Đẽ

dự báo đợt m ưa nàv đ ã sử dụng các trường sô’ liệu p h ân tích toàn cầu các yếu tô gió, địa thê

vị, độ ấm tương đôi trê n lưới 0,75 độ kinh vĩ lúc 07 giờ V iệt Nam ngày 18/09/2002

BẢN ĐỒ PHẮN t í c h k h ỉ ẮP m ặ t D ỉà NOÀY 18/09/2002 00Z

r ,„ , L V /

- , / jr \ ^

A r y

"T-rl

v ^ u ^ - r ^ s Ị J s s * V * \ \

^ "■ y \ \ ^ ’V : , i / n J J J'x»4 J V ~*

^ ^ s ^ ^ ^ s V - L-; \ i & i J \ V A

> / S " -> *» <s > f itj V ’S "S *■* ’S % “ //in /l 2: Trường áp suất mặt đất ban đầu đùng để tích phân mô hình RAMS

Kết quả dự báo trườ ng m ưa của mô h ìn h RAMS trong vùng lưới h a i s a u khi tích phân 24h, 48h và 72h từ ngày 18/9/02 cho đợt m ưa lớn được biểu diễn trê n các H ình 2, 3 và 4 Dễ

n h ận th ấ y trên các h ình này rằng mô h ình RAMS dã cho được m ột kết q u ả dự báo khá chính xác về cưòng độ m ưa trong khu vực T rung Bộ G iá trị m ưa tích luỹ cực đại th u được của mô h ìn h trong 3 ngày (18 đến 21/9) là 400mm trong khi thực t ế lượng m ưa tích luỹ trong 5 ngày (18 đến 22/9) th u được là 600mm S au 24h tích phân, mô h inh đã x u ấ t hiện

m ột diện m ưa khá rộng tạ i toàn bộ vùng Bắc T ru n g Bộ với lượng m ưa phố biến là từ 50- 100mm và đã có ba tâ m m ưa lớn b ắ t đầu được h ìn h th àn h (H ình 2) với cưòng độ và diện

m ưa tương đương n h au trong đó tâm ỏ Hà T ình có diện lớn hơn m ột chút S au 48h tích phân, cả diện m ưa, lượng m ưa tích luỹ và tâm m ưa lớn dã có n h ữ ng th a y đoi rõ rệt Tâm

m ưa lớn x u ấ t hiện tạ i tỉn h Hà Tình gần thượng nguồn sông La tiếp tục p h á t triển với lượng

m ưa tích luỹ cực đại đã đ ạ t đến hơn 300m m trong khi hai tâ m m ưa còn lại th ì ph át triển

các vùng từ T h anh Hóa đến Hà Tĩnh Việc x u ất hiện hai tâm m ưa lớn ở hai tín h Nghệ An và

Hà Tĩnh gần hai thượ ng nguồn của hai con sõng Cá và sông La đã cho thấy trưốc một khả

n ăn g dự báo được các đợt lũ lớn đúng như thực tê đã xảy ra Đ iều nàv cho th ấ y việc sử dụng lưới lồng đã tă n g k h á n ãng ứng dụng của mô hình RAMS trong việc cánh báo các đợt mưa lớn là rấ t khả quan Theo sô liệu quan trắc, giá trị lượng m ưa tích luỹ ba ngày đ ã đ ạ t đến giá trị 452m m và 550m m tại các trạm Hương Sơn và Hương Khẽ (H à T ĩnh) trong khi giá trị mưa cực trị của mô h ình lại đ ạ t giá trị vào cỡ 400mm (T hanh Hóa) Sự sai khác đối với dự báo 3 ngày này nói chung thường hay gặp ở các mô h ình dự báo sô và cần phải tiếp tục nghiên cứu và hoàn th iện khi á p dụng vào Việt Nam So s án h giữa biến trìn h tích luỹ m ưa theo thời gian của mô hìn h và thực t ế tại m ột số trạm ở vùng T ru n g bộ tại đợt m ưa lù lịch

sử này được cho trê n hìn h 5 Sự khác b iệt vể lượng mứa tích luỹ dự báo và thự c t ế s a u 3

ngày ò m ột s ố trạm k h á p hù hợp riêng ỏ trạm Hương Sơn và Hương Khê có sự khác biệt ít

nhiều Sự khác b iệt n ày do tâm m ưa cực đại thực tê và d ự báo còn lệch n hau khoảng 50 km như đã nói ỏ trẽn

H ình 2: Trường mua tích luỳ 24h của lưới 2 (bước lướilOkm) cho ngáy 19-9

H ình 4: Trường mưa tích luỹ 24h của lưới 2 (bước lưổiiokm) cho ngày 21-9

Mua tai Iram Quy Chau

Mua mo hmh 3 Mua Ihuc te

Mua tai tram Huong Son

Mua tai tram Huong Khe

H ìn h 5: Lượng mưa tích luỹ dự báo vả thực tế ỏ C! n Quỳ Châu, Vinh, Hương San, Hương Khê

5 K ế t l u ậ n

T ừ k ế t qu ả th u được có th ể r ú t ra được các kết lu ận n hư sau:

Mô h ình RAMS với hai lưđi lồng đã mô phỏng được các tâ m m ưa lớn trong đợt mưa lớn lịch sử vừa q u a tạ i vùng Bắc T rung Bộ từ ngày 18-9-02 đến 22-9-02 Kết quả mô hình đà chỉ ra được các tâm m ưa lớn và diện mUa với cưòng độ kh á s á t vói thự c tê

Tâm m ưa củ a mô h ình và cường độ m ứa còn lệch so với th ự c tê m ột ít Dự báo chinh xác mUa là việc khó V ấn để này sẽ được nghiên cứu và hoàn th iện tro n g quá trìn h áp dụng

mô hìn h vào V iệt Nam

T À I L IỆ U T H A M K H Ả O

Báo cáo nhanh đợt mưa lũ trên khu vực Bắc Trung Bộ (từ ngày 17 đến ngày 22 tháng 9 năm

2002), Đài Khí Tượng Thuỷ Văn khu vực Bắc Trung Bộ

Klemp, J.B and D.R Duran, An upper boundary condition perm itting internal gravity

wave radiation in numerical mesoscale models, Mon Wea Rev., I l l , 1983, p.430-444 Klemp.J.B and D.K Lilly, N umerical simulation of hydrostatic m ountain waves J Atmos

Sci., 35, 1978, p.78-107.

Orlanski.L., A sinple boundary condition for unbounded hyperbolic flows J Comput

Phys.,21, 1976, p.251-269.

Robert L Walko and Craig J Tremback, Introduction to R A M S version 4.3/4.4, Colorado

S tate University Press, 2001

Tripoli, G.J and W.R Cotton, A numerical investigation of several factors contributing to

1980, p 1037-1063

VNU JOURNAL OF SCIENCE, Nat Sci., & Tech., T.xx, N„3AP 2004

RAMS’S APPLICATION TO SIMULATE HEAVY RAINFALL IN THE MIDDLE OF VIETNAM IN SEPTEMBER 2002

T r a n T a n T ie n , N g u y e n M in h T r u o n g , C o n g T h a n h , K ie u Q u o c C h a n h

Department o f Hydro-Meteorology & Oceanography

College of Science, VNU

W ith th e purpose of forecasting heavy rainfall by num erical m odels, the F aculty of Hydro-M eteorology an d O ceanography, Hanoi College of Science, h a s attem p ted to use RAMS (The R egional A tm ospheric M odeling System ), one o f the m ost popular num erical

w e ath er p rediction m odels in th e world, to tentatively diagnose a p artic u la r flash flood hap p e n ed in th e M iddle of V ietnam in S eptem ber, 2002 In th is num erical experim ent, the

a u th o rs h av e u sed a n ested grid configuration consisting of two grids in order to increase

th e forecast q u ality T he coarse.grid, which covers V ietnam region an d p artly the so u th east

of Asia a n d S o u th C hina Sea, h as a horizontal grid spacing of 40km w hile the fin er one covers th e M iddle of V ietnam only, whose horizontal resolution is 10km The total CPU tim e consum ed to in te g ra te RAMS using the above grid configuration w as approxim ately four an d a h a lf h ours The 3-day forecast re su lts were p re tty good The model has shown

th re e heavy ra in fall centers, w hich have accum ulated precipitation values quite close to those of observation Two of th ese centers located over u p strea m s of Ca and La rivers in NgheAn a n d H a T in h province The regions having m axim um v alues of accum ulated

p re cipitation p re dicted by RAMS, however, was not quite exact in com parison w ith those of observations a n d th is deflection is needed to exam ine m ore carefully