Khoá luận tốt nghiệp Cử nhân khoa học hệ chính quy ngành khí tượng: Phương pháp dự báo quỹ đạo bão biển đông bằng mô hình chính áp

Lời cảm ơn Trong suốt thời gian thực hiện bản Khoá luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô giáo trong Khoa Khí Tượng, Thuỷ Văn, Hải Dương Học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội. Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo thạc sỹ Nguyễn Minh Trường, người đã trực tiếp hướng đẫn chỉ bảo tận tình cho tôi từ những bước đầu thực hiện tới ngày hoàn thành khoá luận. Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa, các cán bộ khoa về sự nhiệt tình chỉ bảo. Và cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn cổ vũ, trao đổi, góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập. Do sự hạn chế cả về mặt kiến thức của tôi, cũng như thời gian thực hiện khoá luận nên không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến chân thành của các bạn để khoá luận được hoàn thiện hơn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội ngày 22/05/2007 Sinh viên NGUYễN THị Huệ Mục Lục Mở Đầu…………………………………………………………………………….2 Chương 1 TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO…………………………………………………………...................................3 1.1. Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới……………………………………3 1.2 Những điều kiện hình thành bão…………………………………………..........4 1.3 Các giai đoạn phát triển của bão………………………………………………..5 1.4 Sự di chuyển của bão và cấu trúc của bão nhiệt đới…………...........................6 1.5 Các phương pháp dự báo bão…………………………………………………7 1.5.1 Phương pháp thống kê………………………………...........................7 1.5.2 Phương pháp synop……………………………………………...........7 1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường…………………........................7 1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển của bão…………….7 1.5.3 Phương pháp số trị………………………………………………..........9 1.5.4 Phương pháp dự báo tổ hợp…………………………………………10 1.5.4.1: Lý thuyết……………………………………………………10 1.5.4.2. Phương pháp………………………………………………..10 a/ Vị trí nhiễu động……………………………………………...11 b/ Nhiễu động dựa trên EOF….………………………………….12 Chương 2. MÔ HìNH CHíNH áP………………………………….………..17 2.1 Tổng Quan về mô hình………………………………………………………..17 2.1.1 Khái niệm về khí quyển chính áp, khí quyển tà áp…………………..17 2.1.2 Các phương trình cơ bản……………………………………………..17 2.2 Đặc trưng của dòng chính áp………………………………………………….18 2.2.1 Thành phần không đổi………………………………………………..18 2.2.2 Miền không đổi………………………………………………………19 2.2.3 Trao đổi năng lượng chính áp……………………………………......19 2.3 Cấu trúc mô hình và điều kiện biên……………………………………….......20 2.4 Điều kiện ban đầu…………………………………………………………......21 2.5 Mô tả mã nguồn của mô hình………………………………………………....21 Mở ĐầU  Bão là một hiện tượng thời tiết nguy hiểm mà con người luôn phải đối mặt. Đặc biệt ở vùng nhiệt đới, bão xảy ra với tần suất lớn và gây nhiều thiệt hại về người và của. Bão thường được hình thành trên các vùng biển nhiệt đới nơi có rất ít số liệu quan trắc, nên việc dự bão thường gặp rất nhiều khó khăn. Vấn đề thiết yếu đặt ra là làm thế nào dự báo được quỹ đạo bão cũng như vị trí đổ bộ của bão nhằm đề ra công tác phòng chống. Trên thế giới từ thập kỉ 60 trở lại đây nhiều mô hình số trị dự báo xoáy thuận nhiệt đới đã được phát triển với mục đích nghiên cứu và dự báo nghiệp vụ. ở Việt Nam trước đây và hiện nay, công tác dự báo bão vẫn chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống và Synop. Phương pháp này phụ thuộc nhiều vào trình độ và kinh nghiệm người dự báo, vì vậy sai số gặp phải thường rất lớn. Tuy vậy trong những năm gần đây, nhiều nỗ lực áp dụng thử nghiệm các mô hình số cho dự báo bão đã đem lại một số kết quả khả quan. Với bản khoá luận này tôi xin trình bày những hiểu biết về mô hình chính áp cho dự báo quỹ đạo bão, và kết quả thử nghiêm với cơn bão KaiTak-29/10, 30/10, 31/10 năm 2005. Để hoàn thành được báo cáo này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thạc sỹ - Thầy giáo: Nguyễn Minh Trường – đã giúp đỡ rất nhiều về mặt kiến thức và tài liệu quý báu. Chương 1 TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO.  1.1. Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới. * Định nghĩa. Theo Atkinson (1971) “Bão là xoáy thuận qui mô synop không có front phát triển trên miền biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kì và có hoàn lưu xác định". Bão là hệ thống hoàn lưu có dạng gần tròn với gradien khí áp ngang và tốc độ gió rất lớn. Trong nghiệp vụ và trong thực tế người ta phân biệt áp thấp nhiệt đới khi tốc độ gió cực đại ở trung tâm nhỏ hơn 17,1m/s và bão khi tốc độ gió

Đại học quốc gia hà nội

Trường Đại học khoa học tự nhiên

Khoá luận tốt nghiệp

Cử nhân khoa học hệ chính quy ngành khí tượng

Phương pháp dự báo quỹ đạo bão biển

đông bằng mô hình chính áp

Nguời hướng dẫn: Th.S Nguyễn Minh Trường Người thực hiện: Nguyễn Thị Huệ

Hà nội – 2008

Lời cảm ơn

Trong suốt thời gian thực hiện bản Khoá luận tốt nghiệp này, tôi đã nhận được

rất nhiều sự giúp đỡ từ các thầy cô giáo trong Khoa Khí Tượng, Thuỷ Văn, Hải Dương Học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên - ĐHQG Hà Nội.

Lời đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy giáo thạc sỹ Nguyễn Minh Trường, người đã trực tiếp hướng đẫn chỉ bảo tận tình cho tôi từ những bước

đầu thực hiện tới ngày hoàn thành khoá luận

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong khoa, các cán bộ khoa về sự nhiệt tìnhchỉ bảo

Và cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và bạn bè, những người đã luôn cổ vũ, traođổi, góp ý và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập

Do sự hạn chế cả về mặt kiến thức của tôi, cũng như thời gian thực hiện khoáluận nên không thể tránh được những thiếu sót, rất mong nhận được sự đóng góp ýkiến chân thành của các bạn để khoá luận được hoàn thiện hơn

Mục Lục

Mở Đầu……….2

Chương 1 TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO……… 3

1.1 Định nghĩa, phân loại xoáy thuận nhiệt đới………3

1.2 Những điều kiện hình thành bão……… 4

1.3 Các giai đoạn phát triển của bão……… 5

1.4 Sự di chuyển của bão và cấu trúc của bão nhiệt đới………… 6

1.5 Các phương pháp dự báo bão………7

1.5.1 Phương pháp thống kê……… 7

1.5.2 Phương pháp synop……… 7

1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường……… 7

1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển của bão……….7

1.5.3 Phương pháp số trị……… 9

1.5.4 Phương pháp dự báo tổ hợp………10

1.5.4.1: Lý thuyết………10

1.5.4.2 Phương pháp……… 10

a/ Vị trí nhiễu động……… 11

b/ Nhiễu động dựa trên EOF….……….12

Chương 2 MÔ HìNH CHíNH áP……….……… 17

2.1 Tổng Quan về mô hình……… 17

2.1.1 Khái niệm về khí quyển chính áp, khí quyển tà áp……… 17

2.1.2 Các phương trình cơ bản……… 17

2.2 Đặc trưng của dòng chính áp……….18

2.2.1 Thành phần không đổi……… 18

2.2.2 Miền không đổi………19

2.2.3 Trao đổi năng lượng chính áp……… 19

2.3 Cấu trúc mô hình và điều kiện biên……… 20

2.4 Điều kiện ban đầu……… 21

2.5 Mô tả mã nguồn của mô hình……… 21

Mở ĐầU



Bão là một hiện tượng thời tiết nguy hiểm mà con người luôn phải đối mặt Đặcbiệt ở vùng nhiệt đới, bão xảy ra với tần suất lớn và gây nhiều thiệt hại về người vàcủa Bão thường được hình thành trên các vùng biển nhiệt đới nơi có rất ít số liệu quantrắc, nên việc dự bão thường gặp rất nhiều khó khăn Vấn đề thiết yếu đặt ra là làm thếnào dự báo được quỹ đạo bão cũng như vị trí đổ bộ của bão nhằm đề ra công tác phòngchống Trên thế giới từ thập kỉ 60 trở lại đây nhiều mô hình số trị dự báo xoáy thuậnnhiệt đới đã được phát triển với mục đích nghiên cứu và dự báo nghiệp vụ

ở Việt Nam trước đây và hiện nay, công tác dự báo bão vẫn chủ yếu dựa vào cácphương pháp truyền thống và Synop Phương pháp này phụ thuộc nhiều vào trình độ vàkinh nghiệm người dự báo, vì vậy sai số gặp phải thường rất lớn Tuy vậy trong nhữngnăm gần đây, nhiều nỗ lực áp dụng thử nghiệm các mô hình số cho dự báo bão đã đemlại một số kết quả khả quan Với bản khoá luận này tôi xin trình bày những hiểu biết về

mô hình chính áp cho dự báo quỹ đạo bão, và kết quả thử nghiêm với cơn bão 29/10, 30/10, 31/10 năm 2005

KaiTak-Để hoàn thành được báo cáo này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến Thạc sỹ

- Thầy giáo: Nguyễn Minh Trường – đã giúp đỡ rất nhiều về mặt kiến thức và tài liệuquý báu

Chương 1 TổNG QUAN Về BãO Và CáC PHƯƠNG PHáP Dự BáO BãO.

Ban đầu bão là một vùng áp thấp với dòng khí xoáy vào tâm vùng áp thấp ngượcchiều kim đồng hồ ở bắc bán cầu Trong những điều kiện thuận lợi thì vùng áp thấpnày có thể khơi sâu thêm, gió ở vùng trung tâm mạnh lên trở thành áp thấp nhiệt đới vàsau đó là bão Trong bão giai đoạn phát triển ổn định có thể thấy mắt bão, khu vực 30 -40km với áp thấp nhất, lặng gió hay gió yếu Do trong mắt bão có dòng giáng nên nhiệt

độ ở đây cao hơn xung quanh, ít mây hay quang mây

Theo tốc độ gió mạnh nhất ở gần trung tâm tổ chức khí tượng thế giới qui địnhphân loại xoáy thuận nhiệt đới thành:

- áp thấp nhiệt đới (tropical depression): Xoáy thuận nhiệt đới với hoàn lưu mặt đấtgiới hạn một hay một số đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớn nhất ở vùng trungtâm từ 10,8-17,2m/s (cấp 6-7)

- Bão nhiệt đới (tropical storm): Bão với các đường đẳng áp khép kín và tốc độ gió lớnnhất ở gần vùng trung tâm từ 17,2-24,4m/s (cấp8-cấp9)

- Bão mạnh (Severe tropical Storm): Bão với tốc độ gió lớn nhất vùng gần trung tâm từ24,5-32,6m/s (cấp 10-cấp 11)

- Bão rất mạnh (Typhoon/Hurricane): Bão với tốc độ gió lớn nhất ở vùng gần trung tâm

từ 32,7m/s trở lên (cấp 11)

Khoảng 2/3 số cơn bão đạt tới cường độ mạnh Phân bố theo mùa của bão tương

tự với phân bố bão và bão mạnh Hơn 80% bão đạt tới trạng thái áp thấp và sau đó tăngcường thành bão mạnh

1.2 Những điều kiện hình thành bão

Theo Palmen (1956) có 4 điều kiện cơ bản hình thành bão:

- Khu vực đại dương có diện tích đủ lớn với nhiệt độ mặt biển cao (từ 26- 27oC)

và tầng kết bão ổn định lớn đủ để nâng lớp không khí gần mặt đất lên cao vàđưa không khí tương đối ẩm và nóng hơn khí quyển xung quanh lên cao, ít nhất

từ mực khoảng 1km (40.000 bộ) Nhiệt độ lớn cũng bảo đảm bốc hơi mạnh cungcấp năng lượng ngưng kết cho hệ thống bão

- Thông số Coriolis có giá trị đủ lớn tạo xoáy Bão thường hình thành trong đớigiới hạn bởi vĩ độ 5-20o vĩ hai bên xích đạo

- Dòng cơ bản có chênh lệch tốc độ gió mực 1,5 và 12km nhỏ (dưới 3m/s) bảođảm sự tập trung ban đầu của dòng ẩn vào khu vực bão

- Ngoài những điều kiện trên thì mặt đất phải có nhiễu động ban đầu, thường đó

là các áp thấp trên dải hội tụ nhiệt đới và ở phần trên tầng đối lưu là khu áp cao

có các dòng khí phân kỳ Trên biển Đông vào mùa bão các điều kiện nói trênđều thỏa mãn, chỉ cần sự phối hợp của các điều kiện đó là bão có thể hình thành.Hình thế synop thường thấy khi bão hình thành trên biển Đông là áp thấp trêndải hội tụ nhiệt đới ở mực thấp và có tâm nằm ở rìa sống trên cao của cao áp cậnnhiệt Tây Thái Bình Dương

1.3 Các giai đoạn phát triển của bão.

Thời gian tồn tại của bão là khoảng thời gian từ khi bão hình thành đến khi bãotan hoặc bão di chuyển đến vùng vĩ độ cao, trở thành xoáy thuận ngoại nhiệt đới Toàn

bộ thời gian sống của bão bao gồm 4 giai đoạn sau:

 Giai đoạn hình thành

ở giai đoạn này thời tiết không ổn định, với gió giật nhiều hướng khác nhau,

là nhân tố kích thích sự hình thành của bão nhiệt đới Trên một diện tích rộnglớn, xảy ra sự giảm áp suất khí quyển, nhưng tâm áp thấp ban đầu chưa rõ, độcong xoáy thuận tăng dần, phân bố theo không gian của xoáy thuận nhiệt đớichưa đối xứng

 Giai đoạn trưởng thành

Giai đoạn này người ta gọi là giai đoạn bão non Thường thì áp thấp nhiệtđới phát triển thành bão phải trải qua vài ba ngày, nhưng cũng có trường hợp độtbiến chỉ sau 12h, thậm chí chỉ sau vài giờ áp thấp nhiệt đới đã thành bão, có mắtbão rõ ràng Trong giai đoạn bão non, áp suất không khí giảm nhanh chóng, tốc

độ gió tăng lên đáng kể, phạm vi gió mạnh mở rộng đến bán kính 40-50km, mâydày đặc, cường độ mưa tăng lên Giai đoạn này, bão phát triển đến độ cao 5-9km (tương đương với mực khí áp 500-300mb) Cấu trúc của bão trong giaiđoạn này có hình dạng cân đối nhất

 Giai đoạn phát triển cao nhất

Trong giai đoạn này áp suất giảm xuống đến giá trị thấp nhất và không cókhả năng giảm nữa Gió bão đã tăng lên đến mức cực đại và giữ ở mức ổn định

ở giai đoạn này, mắt bão được hình thành và trở nên sắc nét Phạm vi gió mạnh

và mưa lớn được mở rộng, đặc biệt là về phía bên phải tâm bão theo hướng dichuyển của bão Sự cân đối của bão bị mất dần Kích thước của bão ở giai đoạnnày thay đổi trong một khoảng lớn

 Giai đoạn bão tan

Sau khi bão đổ bộ vào bờ, đi sâu vào đất liền, suy yếu dần hoặc bão dichuyển về phía Đông Bắc, những tính chất riêng biệt của bão nhiệt đới mất dần

Sự tan dần của bão trong quá trình di chuyển về phía Bắc là do bão đi vào vùngnước biển lạnh hơn, đặc biệt là khi bão đi vào đất liền, ma sát mặt đệm lớn, làm

cho năng lượng (nhiệt ẩm) của bão bị tiêu hao đi nhiều, nên bão yếu đi nhanhchóng.

1.4 Sự di chuyển của bão và cấu trúc của bão nhiệt đới

 Sự di chuyển của bão nhiệt đới

Hiện nay hầu hết các nhà khí tượng đều cho rằng bão nhiệt đới chuyển động dướiảnh hưởng của nội lực và ngoại lực Nội lực xuất hiện ngay trong hoàn lưu xoáy củabão, nội lực có xu hướng kéo bão ở mọi vĩ độ lệch về cực Khi bản thân nội lực rất lớnbão có thể di chuyển độc lập, không phụ thuộc vào ngoại lực Ngoại lực là lực đượcsinh ra do không khí xung quanh tác động lên mọi phần tử của bão và lôi kéo nó đi.Trong vùng nhiệt đới trường (nơi sinh ra ngoại lực lớn nhất) có tính chất quyết định sự

di chuyển của bão Ngoại lực là nguyên nhân chính làm cho bão di chuyển với tốc độlớn hơn hoặc chậm hơn, lệch hướng lên phía Bắc hoặc xuống phía Nam và gây ra tínhphức tạp trong chuyển động bão

 Cấu trúc của bão nhiệt đới

Cấu trúc ngang: Mắt bão là vùng thời tiết yên tĩnh lặng gió nằm ngay trung tâmbão Mặt cắt ngang cho thấy bão có thể hình tròn hoặc hình elip tùy theo độ nghiêngcủa trục bão so với phương nằm ngang Kích thước của bão thay đổi theo từng giaiđoạn phát triển của bão Bề mặt nó rộng 35-55km trong giai đoạn đầu ở giai đoạnmạnh nhất, đường kính mắt bão giảm xuống chỉ còn trung bình khoảng 18-30km Cấu trúc thẳng đứng: Hiện nay qua khảo sát bằng máy bay, ảnh vệ tinh, người takết luận rằng bão có các trung tâm áp thấp sau đó phát triển sâu xuống và xuất hiệntrên tầng cao hơn Hoàn lưu xoáy thuận của bão phát triển theo chiều cao Nhìn chungcấu trúc thẳng đứng của bão khá đối xứng qua trục mắt bão Trục này có thể thẳngđứng hoặc nghiêng tùy thuộc vào cơn bão

1.5 Các phương pháp dự báo bão

1.5.1 Phương pháp thống kê.

Phương pháp thống kê có ưu điểm là mang tính chất khách quan, đơn giản, khảnăng ứng dụng lớn nhất là khi máy tính điện tử phát triển

Xét hai phương pháp: Phương pháp quán tính và phương pháp khí hậu

- Phương pháp quán tính: Dựa trên giả thiết là hiệu ứng tổng hợp của các

lực tác dụng đến cơn bão trong thời đoạn đã qua sẽ tiếp tục tác động tới xuthế trong thời kì cần dự báo

- Phương pháp khí hậu: Được thực hiện trên cơ sở các kết quả thống kênhiều năm đối với quỹ đạo bão Theo quỹ đạo nhiều năm trên mạng ô vuôngkinh vĩ nhất định ta xác định được quỹ đạo trung bình nhiều năm theo từngtháng Đường nối các điểm có tần suất lớn nhất sẽ được xác định là quỹ đạotrung bình nhiều năm Tốc độ dịch chuyển của bão có thể tính dựa trên tập

số liệu trung bình của các chùm quỹ đạo bão

1.5.2 Phương pháp synop

Phương pháp synop là phương pháp sử dụng chính trong dự báo nghiệp vụ ởnước ta hiện nay Với kinh nghiệm các hình thế synop kết hợp sử dụng với thông tin bổtrợ từ các sản phẩm dự báo của các mô hình số, ảnh mây vệ tinh…các nhà dự báo đãđưa ra những bản tin tốt trong phần lớn trường hợp

Trong dự báo quỹ đạo bão, phương pháp synop dựa vào hai phương pháp chính:Phương pháp dòng dẫn đường và phương pháp hệ thống dự báo đường đi của bão

1.5.2.1 Phương pháp dòng dẫn đường.

Dựa trên cơ chế bão di chuyển theo nguyên tắc dòng dẫn đường Đối với cáccơn bão yếu sử dụng mực dòng dẫn là 700mb, các cơn bão mạnh sử dụng mực dòngdẫn 500mb Sử dụng dòng dẫn có thể xác định được hướng và tốc độ di chuyển củabão, từ đó dự báo quỹ đạo bão trong tương lai

1.5.2.2 Phương pháp hệ thống hướng di chuyển của bão.

Năm 1998 Cars và Elsbery dựa trên kết quả phân tích 287 cơn bão trong thời kì10năm đã hệ thống hoá và tính tần suất đối với 4 mô hình Snop cơ bản quy định cáckhả năng di chuyển của bão ở Tây Thái Bình Dương trong đó có biển Đông

+ Mô hình chuẩn (60%)

Rãnh ôn đới dịch chuyển tới miền nhiệt đới tách áp cao cận nhiệt thànhhai bộ phận phía đông và phía tây Tuỳ theo khu vực dòng khí thịnh hành ởcác khu vực bão di chuyển tới mà các quỹ đạo bão khác nhau

Nhìn chung các đường quỹ đạo có xu thế nằm theo hướng đông đôngnam và tây tây bắc

Hình 1.1: Mô hình hướng cực

+ Mô hình hướng cực (30%)

Sự mở rộng của sống yếu giữa hai bộ phận áp cao và kéo dài theo hướngtây nam – đông bắc của bộ phận áp cao phía đông cũng như sự xuất hiệndòng khí thịnh hành hướng cực ở phía tây phần biến dạng này hoặc sự mạnhlên của dòng khí ở phần cực tây của bộ phận áp cao phía đông

Ban đầu bão di chuyển theo hướng tây nam – đông bắc trong khu vựcdòng khí hướng cực sau đó di chuyển về hướng đông bắc và đông khi tiếnvào khu vực ôn đới

+ Mô hình hoàn lưu gió mùa.

Tương tự như mô hình hướng cực nhưng ở phía tây củ bộ phận biến dạngcủa áp cao phía đông là vòng hoàn lưu gió mùa ngược chiều kim đồng hồ Dotác động của vòng hoàn lưu này mà quỹ đạo hướng cực sẽ di chuyển hướng vềphía tây theo theo vòng hoàn lưu từ đông sang tây nằm giữa bộ phận áp cao phíatây và dòng hoàn lưu gió mùa trong khu vực sống thịnh hành

G: Tâm vòng gió mùa Ranh giới khu vực

 Khu vực tốc độ gió cực đại

+ Mô hình bão kép.

Bão phía tây nằm trong khu vực dòng hướng xích đạo sẽ di chuyển vềphía tây nam và có khả năng tiến vào khu vực sống thịnh hành, tiếp đó dichuyển từ đông sang tây

Cơn bão phía đông nằm trong khu vực dòng hướng cực sẽ di chuyển vềphía tây bắc, cũng có khả năng tiến vào khu vực gió tây ôn đới và di chuyển vềphía đông bắc

1.5.3 Phương pháp số trị

Phương pháp số trị được xây dựng dựa trên việc phân tích các hệ phương trìnhthuỷ nhiệt động lực học trong môi trường khí quyển kết hợp với những cấu trúc và dichuyển của bão Đặc điểm của phương pháp này là mô tả được nhiều quá trình vật lítác động đến chuyển động của bão trong quá trình tương tác và phát triển của chúng,song lại đòi hỏi về điều kiện số liệu và phương tiện tính toán tương đối lớn

1.5.4 Phương pháp dự báo tổ hợp

Nhằm mục đích nâng cao chính xác của sản phẩm số trị mà vẫn giữ được tínhkhách quan vốn có của nó, trên thế giới tại những trung tâm lớn đã xây dựng các hệthống dự báo tổ hợp bão (EPS) từ sản phẩm của một lượng lớn các mô hình số khácnhau hiện đang được sử dụng nghiệp vụ Nội dung phương pháp này là tạo ra một tổhợp các thành phần dự báo bằng nhiều phương pháp khác nhau sau đó sử dụng các đặctrưng thống kê tổ hợp các kết quả dự báo của các thành phần tham gia tổ hợp để đưa ramột kết quả dự báo tốt nhất có thể

1.5.4.1: Lý thuyết

Phương pháp dự báo tổ hợp bao gồm vị trí nhiễu bão ban đầu và môi trường quy

mô lớn mà một cơn bão tồn tại Vị trí nhiễu được cung cấp bởi việc quan sát bão từnhững hướng khác nhau trên một khoảng cách nhỏ Phương pháp phân tích tương quantrực giao (EOF) được dùng để tìm ra những mode phát triển nhanh trong trạng thái banđầu Nó chỉ ra rằng mô hình dự báo, trong đó ám chỉ cả quỹ đạo bão và những biến vật

lí khác, thì rất nhạy cảm với vị trí ban đầu, cường độ và môi trường quy mô lớn củabão Kết quả cũng chỉ ra nhiễu trên cơ sở EOF là những mode lớn nhanh, và có thể làmgiảm những phân tích không chắc chắn ban đầu.

Dự báo bão thu được từ thống kê tổ hợp tượng tự một cải tiến lớn trong dự báoquỹ bão Cho những dự báo cường độ, dự báo tổ hợp cung cấp toàn cảnh của dự báo.Phân bố không gian của xác suất những biến dự báo tạo ra một thứ có thể tìm thấy môhình dự báo

 Sự hiểu biết chưa đầy đủ trạng thái ban đầu của khí quyển Ví thực tếtrạng thái đầu của khí quyển thực sẽ không bao giờ được quan sát mộtcách đủ chính xác, do sai số dụng cụ đo và mạng lưới quan sát cònthấp chưa đáp ứng được nhu cầu

Thời gian gần đây nhờ sử dụng những siêu máy tính và những hiểu biết tốt hơn

về vật lí khí quyển đã cải tiến kĩ năng dự báo

Có thể thừa nhận rằng có ba nhân tố trong trạng thái đầu của một mô hình dựbáo số mà ảnh hưởng đến độ chính xác tới độ chính xác của dự báo bão là:

 Dòng dẫn môi trường quy mô lớn,

 Cường độ của cơn bão,

 Độ chính xác của việc quan trắc vị trí cơn bãoViệc loại bỏ hay làm giảm sự thiếu chính xác của một trong ba nhân tố tại trạngthái ban đầu sẽ mang lại một kết quả tốt hơn trong được bão Do đó, việc tạo ra nhữngnhiễu tổ hợp ban đầu sẽ làm xuất hiện những nhân tố đó Nói một cách khác, cả vị tríban đầu và nhiễu quy mô lớn thì đều quan trọng cho dự báo tổ hợp bão

vị trí bão tại trạng thái đầu quyết định dự báo quỹ đạo bằng mô hình số Để kết hợp các

vị trí chưa chính xác trong trạng thái đầu, ta có thể xáo trộn các vị trí đã phân tích bằngcách dịch chuyển từ vị trí của nó 50km về phía Bắc, Nam, Đông, Tây (hình 1.5)

Vì vậy bằng cách dời từ vị trí ban đầu, sẽ sinh ra 5 tổ hợp trạng thái đầu Đó làcách đơn giản nhất để xáo trộn vị trí bão Nó hàm ý rằng phân bố sai số vị trí bão là

đồng đều, tức là sai số vị trí ban đầu không ưu tiên cho bất kì một hướng cụ thể nào.Hơn nữa thật khó để xác định rõ sai số vị trí ưu tiên ban đầu từ phân tích của trung tâm

dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF) bởi vì nó được dùng cho dự báo hạn vừaquy mô lớn, mà lại ít hoặc không cung cấp thông tin về vị trí bão

b/ Nhiễu động dựa trên EOF:

Phương pháp trường nhiễu động đưa ra ở đây thực tế dựa trên việc tích phân môhình trong những ngày đầu tiên, để nhiễu động lớn lên tuyến tính Hình 1.6 chỉ ra giản

đồ của phương pháp này Các thủ tục của phương pháp này có thể được mô tả như sau:

+ Thêm các nhiễu ngẫu nhiên với độ lớn được so sách với sai số dự báo củaphân tích chuẩn

+ Tích phân mô hình với đầy đủ tính vật lí của nó trong 36h, bắt đầu từđường chuẩn (không nhiễu động) dù rằng trạng thái ban đầu nhiễu động.Đầu ra của kết quả dự báo sẽ thể hiện cho từng 3h đồng hồ

+ Trừ dự báo chuẩn từ dự báo nhiễu động tương ứng thu được các dự báocho trường sai phân chuỗi thời gian

+ Thực hiện một phân tích EOF cho các trường sai phân chuỗi thời giantrên trường ta quan tâm Những nghiệm đó (các véctơ riêng) mà các hệ sốEOF của nó tăng nhanh theo thời gian được xem như là các mode lớnnhanh, và do vậy, có thể được dùng như các nhiễu động ban đầu cho việc

dự báo tổ hợp

+ Các trạng thái ban đầu của một tổ hợp được tạo ra bằng cách thêm haybớt các nhiễu động dựa trên EOF từ phân tích chuẩn

Hình 1.6: Biểu đồ

sơ lược sự sinh ra

của một nhiễu cơ

khoảng thời gian

từ 0 – 36h nhưng được ứng dụng cho giá trị thời gian ban đầu, giả thiết dòng cơ bảntiến triển chậm Nó đặc biệt đúng cho môi trường nhiệt đới Khi sự quan tâm của việcnghiên cứu này nằm trong sự tác động của việc dự báo tổ hợp trong hệ thống thời tiếtnhiệt đới, ví như bão, chúng ta nên ứng dụng phương pháp này trên toàn khu vực nhiệtđới Nhìn chung không giống với các nhiễu động vĩ độ trung bình, trường gió trongdòng quy mô lớn thì quan trọng hơn trong trường độ cao địa thế vị trong khu vực nhiệtđới Để giảm nhu cầu dùng máy tính, chỉ có trường gió và trường nhiệt độ được đưa ra

từ phân tích EOF Phân tích nhiệt độ sẽ được tiến hành bằng việc sử dụng phân tíchthang độ EOF, đó là việc phân tích một EOF phức sẽ được dùng để điều khiển bằnghướng trường gió, vì nó cho phép dự báo của thay đổi pha Hơn nữa, chỉ mode riêngEOF tương ứng với giá trị riêng lớn nhất sẽ được dùng trong nghiên cứu Nếu nó ứngdụng trong phương pháp này với từng thành phần của năm tổ hợp đã được tạo ra từ cácnhiễu động vị trí, thì nó sẽ có 3 trường hợp cho mỗi vị trí, đó là nguyên bản dương và

âm của nhiễu động dựa trên EOF Một tổng có 15 trường hợp tổ hợp được tạo rạ dựatrên các trường và các vị trí của các nhiễu động

Một số vấn đề khác đưa ra mà phải được giải quyết với độ lớn của các nhiễuđộng Như đã xét đến ở trên, các mode lớn nhanh sẽ chi phối trong trường ban đầu,mặc cho các độ lớn ban đầu nhỏ như thế nào đi nữa Bởi nó là mẫu không phải là độlớn mà xác định tốc độ tăng lên của các mode đó Nói cách khác, ngay cả một modechết có thể có độ lớn lớn tại trạng thái ban đầu Tuy nhiên, nó sẽ bị khử đi trong suốtquá trình tích phân mô hình và trở nên giảm một cách đáng kể về độ lớn Đó là lí do đểthừa nhận rằng các nhiễu động có bậc giá trị độ lớn có thể so sánh với sai số dự báo3h, xung quanh 3ms-1 cho trường gió và 0.60K cho trường nhiệt độ

Tôi sẽ miêu tả biểu diễn toán học của phương pháp nhiễu động EOF Đặt ọu và

ọv (ọu > 0 theo hướng tây đông, ọv > 0 theo hướng nam bắc) là các thành phần sai

phân của trường gió, đó là sai phân giữa đường dự báo nhiễu động và dự báo chuẩn tạicác khoảng 3h Sau đó một véctơ phức tại một điểm lưới Gaussian có thể được viếtbằng cách kết hợp ọu và ọv như sau:

T

S S

w w w

w w w

w w w

2 22 21

1 12 11

Ma trận tương quan được định nghĩa như

H =

T

1W*WTrong đó W* biểu thị ma trận chuyển vị của W Rõ ràng, H (Hermitian)là một ma trậnđối xứng và được định nghĩa là:

H = H*

H là đối xứng, và được cấu thành bởi các thành phần phức, ngoại trừ đường chéo là các

số thực Thành phần đường chéo tỷ lệ với động năng của nhiễu động cho từng điểmlưới

Giả sử ei và ởi làcác véctơ riêng và giá trị riêng của ma trận H, và các vectơriêng ei xuất phát từ độ lớn của các giá trị riêng ởi Sau đó ma trận W của mảng dữliệu có thể được khai triển trên mối quan hệ với các véctơ riêng cơ sở ei:

W = YE

ở đây ma trận E gồm các véctơ hàng của ei, là một hàm chỉ biểu diễn khônggian, thường được xác định bằng EOF Ma trận Y chứa các hệ số cho véctơ riêng khácnhau tại các điểm thời gian khác nhau và là một hàm chỉ biểu biểu diễn bởi thời gian ởđây Y được gọi là thành phần chính (PC-Principal Component) Các mode lớn nhanhđược chọn một cách dễ dàng bằng cách khai căn các hệ số EOF Các mode đó mà các

hệ số của nó tăng nhanh theo thời gian sẽ được biểu thị bằng các mode lớn nhanh vàđược chọn

Thời gian CPU của phương pháp này có thể được so sánh với phương phápvéctơ nuôi dưỡng của Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mĩ (NCEP) Cho mỗi vịtrí nhiễu động của bão, chỉ tích phân một cặp mô hình, bắt đầu từ chuẩn và phân tíchnhiễu động một cách ngâu nhiên cần thiết để tạo ra các nhiễu động cơ sở EOF Do đó,phương pháp này có khả thi cho quá trình dự báo bão.

2.1.1 Khái niệm về khí quyển chính áp, khí quyển tà áp

Khí quyển chính áp là khí quyển mà mật độ chỉ là hàm của áp suất:

 f (P) (2.1)Khí quyển tà áp là khí quyển mà mật độ là hàm của áp suất và nhiệt độ:

 fP,T (2.2)

2.1.2 Các phương trình cơ bản

WBAR là mô hình dựa trên việc giải hệ phương trình nước nông Coi khí quyểnnhư là một lớp chất lỏng mỏng Gần đúng có thể chấp nhận được vì kích thước ngangcủa khí quyển lớn hơn nhiều so với chiều thẳng đứng

Trước hết ta viết các phương trình chuyển động mô hình chính áp, có cơ sở làchuyển động không nhớt, đồng nhất và không nén được của chất lỏng quanh trục tráiđất Trên hệ toạ độ áp suất (x,y,p), chuyển động ngang của dòng chính áp có thể đượcviết như sau:

fv x

z g y

u v x

u u t

z g y

v v x

v u t

u

(2.5)Phương trình xoáy cho dòngchính áp có thể nhận được bằng cách vi phân (2.3)theo y, và (2.4) theo x và cộng vế với vế ta nhận được:

v x

u t







(2.6)với

y

v x

x y

x x

2

(2.10)Hoặc đơn giản hơn là:

2

(2.12)(2.12) xác định trường độ cao từ hàm dòng và cùng với (2.11) tạo thành một hệ đóngkín cho sự phát triển của dòng chính áp không phân kì Phương trình (2.12) mô tả mộtcách chính xác luật cân bằng ngược phi tuyến khi nó xác định độ cao địa thế vị từtrường gió

2.2 Đặc trưng của dòng chính áp

2.2.1Thành phần không đổi

Tương đối dễ dàng chỉ ra rằng trong suốt quá trình phát triển của dòng chính ápkhông phân kì, thì tất cả năng lượng của xoáy tuyệt đối được bảo toàn dọc theo sựchuyển động của chất lỏng Thêm vào hai vế của (2.11) cùng một đại lượng 1 n1

 (2.14)

Vậy trong một vùng kín thì ta có thể đánh dấu được những giá trị lớn nhất vànhỏ nhất của xoáy tuyệt đối trong tích phân thời gian của mô hình chính áp không phânkì.

2.2.2 Miền không đổi

Dòng chính áp không phân kì bảo toàn một số lượng lớn, quan trọng nhất đượcbiết như là bình phương không đổi Đó là, trung bình bình phương xoáy và trung bìnhđộng lượng trên một đơn vị khối lượng Trung bình năng lượng của xoáy tuyệt đối cònlại không đổi trong mô hình Để chỉ ra điều này thì (2.14) được viết lại như sau:

   n

a

n a

n

y

u x

Note: Bình phương trung bình xoáy và động năng trong mô hình là những đạilượng không đổi Một hệ quả quan trọng được rút ra từ những sự bảo toàn này là trungbình số sóng cũng bảo toàn

2.2.3 Trao đổi năng lượng chính áp.

Một cơ chế quan trọng cho sự hình thành và tồn tại của những nhiễu động trongđộng lực chính áp bao gồm độ đứt vận tốc trong vận tốc cong Sự bảo toàn xoáy tuyệtđối hàm ý rằng trong quá trình chuyển động có sự trao đổi giữa độ đứt, độ cong và vậntốc trái đất Khái niệm độ bất ổn định xoáy là một sự tuyến tính hoá đơn giản củanhững thay đổi này Năng lượng chủ yếu trao đổi trong động lực chính áp là biến đổi từnăng lượng thế năng sang động năng xoáy và ngược lại Từ (2.3) và (2.4), những thayđổi này có thể được biểu diễn như sau:

y u k k t

K

e z e

   u'v'

y u k k t

K

z e z

K t

2.3 Cấu trúc mô hình và điều kiện biên

Như đã đề cập trước đây mô hình chính áp dựa trên cơ sở tích phân phươngtrình (2.11) và (2.12) với điều kiện biên xấp xỉ Công nghệ số bao gồm việc viết cácphương trình chính trong vi phân hữu hạn tương ứng tại từng điểm riêng biệt theokhông gian và thời gian.Các phương trình này được giải trên một không gian lướingang có quy luật

Một vấn đề ở đây là giới hạn miền lưới mô hình phải xác định rõ điều kiện biên.Lời giải cho các phương trình chính phụ thuộc vào tính liên tục giá trị trên biên Kết quảquan trọng nhất từ sự xử lý biên là làm nhiễu dự báo bởi sóng nội trọng trường phản xạtrở lại miền từ các biên Cho mô hình chính áp không phân kì, sự xác định điều kiện biênkhông là vấn đề chính khi nội sóng trọng trường không được sinh ra Trong trường hợpnày một sự liên tục tuần hoàn theo hướng đới được lấy từ trường ban đầu, và được duytrì trong quá trình tích phân Cỏ bản thì bao gồm việc mở rộng miền tích phân bằng việcthêm vào một vài điểm lưới hướng đới Tại biên phía Nam - Bắc, vi phân xác định sẽđược áp dụng Cho ví dụ mà ta có thể dùng là

(x,y B,t)(x,y B,t o) (2.23)Hoặc

D/),,( (2.24)với to là thời gian ban đầu Trong (2.23) thường dùng dọc theo biên Bắc và Nam Điềukiện biên được dùng trong việc giải phương trình loại Poisson

2.4 Điều kiện ban đầu

Dạng vi phân xác định của phương trình dự báo (2.11) yêu cầu một trườngđường dòng ban đầu đặc biệt để dự báo Được làm một cách đơn giản qua việc giảiphương trình Poisson

) 1 , ) 1 , ) 1 ( ) 1 (