Luận án Khảo sát mối quan hệ giữa kĩ năng mô phỏng quỹ đạo bão và cường độ bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương bằng hệ thống dự báo tổ hợp
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
______________________
DƢ ĐỨC TIẾN
KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG
MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ
BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH
DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
Hà Nội – 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
_______________________
DƢ ĐỨC TIẾN
KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG
MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO
CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG
BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP
Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học
Mã số: 62440222
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS. TS. Ngô Đức Thành
2. TS. Kiều Quốc Chánh
Xác nhận của Chủ tịch hội đồng
Đại Học Quốc Gia
Xác nhận của ngƣời hƣớng dẫn
GS. TS. Trần Tân Tiến
PGS. TS. Ngô Đức Thành
Hà Nội – 2017
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................................. 3
DANH MỤC HÌNH VẼ....................................................................................................... 7
DANH MỤC CÁC BẢNG................................................................................................. 13
LỜI CẢM ƠN..................................................................................................................... 17
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
THÁI BÌNH DƢƠNG.......................................................................................................... 6
1.1.1 Đặc trưng cơ bản của bão và vấn đề quan trắc bão ...............................................6
1.1.2 Các phương pháp dự báo bão ................................................................................8
báo bão..........................................................................................................................13
Tây Bắc Thái Bình Dương ...........................................................................................17
quỹ đạo bão...................................................................................................................25
1.3 Mục tiêu của luận án................................................................................................30
2.1 Phƣơng pháp đồng hóa số liệu ................................................................................31
2.1.2 Phương pháp đồng hóa biến phân .......................................................................31
2.1.3 Phương pháp tổ hợp.............................................................................................34
2.1.3 Phương pháp đồng hóa tổ hợp.............................................................................36
2.3 Hệ thống mô hình khu vực áp dụng trong luận án ...............................................47
2.3.1 Mô hình khu vực WRF-ARW .............................................................................47
2.4.1 Số liệu quan trắc bão và gió quy mô lớn .............................................................57
2.4.2 Số liệu tái phân tích quy mô toàn cầu..................................................................58
2.4.3 Số liệu dự báo quy mô toàn cầu ..........................................................................59
2.5 Phƣơng pháp đánh giá.............................................................................................59
2.5.1 Đánh giá sai số dự báo quỹ đạo và cường độ......................................................59
2.5.2 Đánh giá kĩ năng dự báo xác suất tổ hợp.............................................................60
3.1 Mục đích nghiên cứu................................................................................................65
3.2 Thiết lập thử nghiệm................................................................................................65
3.2.3 Tiêu chuẩn phân loại các tập mẫu mô phỏng bão ...............................................69
3.3 Kết quả thử nghiệm .................................................................................................73
3.4. Kết luận chƣơng 3 ...................................................................................................78
ĐỒNG HÓA TỔ HỢP....................................................................................................... 81
4.1 Mục đích nghiên cứu................................................................................................81
4.2 Thiết lập thử nghiệm................................................................................................81
4.2.4 Các trường hợp dự báo trong thí nghiệm ............................................................86
4.3 Kết quả thử nghiệm .................................................................................................88
4.4 Kết luận chƣơng 4 ..................................................................................................110
KẾT LUẬN....................................................................................................................... 113
ĐẾN LUẬN ÁN................................................................................................................ 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 118
TTBD. Nguồn: DeMaria và cộng sự 2007 [31]...........................................................25
có sai số tốt nhất. Nguồn: DeMaria và cộng sự 2014 [36] ..........................................28
gian cho các biến trong mô hình..................................................................................39
trắc thuộc vào thể tích địa phương này (màu tím). ......................................................51
vị [K] tại tâm cơn bão, (d) là mặt cắt thẳng đứng tại tâm bão của trường gió, (e) gió
quan trắc vệ tinh mực 10m, (f) mặt cắt tại tâm bão thành phần gió tiếp tuyến nhân tạo
(đường đẳng trị) và trường ban đầu của mô hình GFS (đường đẳng trị có tô màu), đơn
vị [m/s].........................................................................................................................55
ngày 12/7/2010 vào thời điểm phân tích 00Z. .............................................................66
chuẩn I trong tổng số 92 trường hợp mô phỏng ..........................................................72
chuẩn II trong tổng số 92 trường hợp ..........................................................................72
JTWC...........................................................................................................................84
thời điểm 00Z ngày 19-09-2013 ..................................................................................85
lúc 0000 Z 31 10 2013 (g, h, i). ...................................................................................89
trắc gió AMV cùng xoáy lý tưởng (véctơ màu đen)....................................................94
00Z ngày 20/9/2013.....................................................................................................95
ứng (c) và cường độ cùng độ tán tương ứng (d) ..........................................................96
tương ứng (c) và cường độ cùng độ tán tương ứng (d)................................................98
tương ứng (c) và cường độ cùng độ tán tương ứng (d)................................................99
đường đen là trung bình tổ hợp và đường tím mảnh là quỹ đạo của từng thành phần tổ
hợp); trung bình sai số từ tất cả các ốp dự báo cơn bão Neoguri của quỹ đạo cùng độ
tán tương ứng (c) và cường độ cùng độ tán tương ứng (d)........................................102
của hệ thống tổ hợp CTRL (trái) và DABV (phải)....................................................107
thống tổ hợp CTRL (trái) và DABV (phải). ..............................................................108
thử nghiệm CTRL (trái) và DABV (phải). ................................................................108
DANH MỤC CÁC BẢNG
nghiên cứu của DeMaria 2007.....................................................................................26
và 2001-2012 hạn 4-5 ngày .........................................................................................27
vực WRF-ARW phiên bản 3.2.....................................................................................67
khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương.............................................................................68
Bảng 4.1: Danh sách các cơn bão dự báo trong chương 4..................................................82
Bảng 4.2: Tổng kết các trường thử nghiệm.........................................................................87
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA
~ : xấp xỉ, tương đương
<: nhỏ hơn
>: lớn hơn
3DVAR: Phương pháp biến phân 3 chiều
4DVAR: Phương pháp biến phân 4 chiều
AL: Đại Tây Dương
AMSU: Đầu đo thám sát thẳng đứng khí quyển trên các vệ tinh NOAA
AMV/CMV: Gió tính từ sự dịch chuyển của mây vệ tinh (Atmospheric/cloud
motion wind)
BĐ: Biển Đông
BDA: Phương pháp cài xoáy bogus biến phân
Best-track: Tập số liệu quỹ đạo bão chuẩn (bao gồm các yếu tố vị trí tâm
bão, áp suất cực tiểu tại tâm, gió bề mặt cực đại)
BGM - Breeding of growing modes: phương pháp nhiễu động phát triển
nhanh
CIMSS: Viện nghiên cứu vệ tinh khí tượng CIMSS của Đại học Wisconsin-
Madison
CLIPER: Phương pháp dự báo bão bằng thống kê khí hậu
Covariance: Hiệp biến phương sai giữa hai đại lượng trong toán học thống kê
ĐBTBD: Đông Bắc Thái Bình Dương
ĐHBP: Đồng hóa biến phân
DOTSTAR: Thử nghiệm quan trắc bão của Đài Loan
DPE: Sai số vị trí quỹ đạo
ĐTBD-24h: Sai số Đông Thái Bình dương hạn 24h
ĐTBD-48h: Sai số Đông Thái Bình dương hạn 48h
ĐTBD-72h: Sai số Đông Thái Bình dương hạn 72h
ĐTD: Sai số Đại Tây dương
ĐTD-24h: Sai số Đại Tây dương hạn 24h
ĐTD-48h: Sai số Đại Tây dương hạn 48h
ĐTD-72h: Sai số Đại Tây dương hạn 72h
Dvorak technique: Phương pháp phân tích cường độ, vị trí của bão bằng ảnh
vệ tinh cực
ECMWF: Trung tâm dự báo hạn vừa của Châu Âu
EnKF: Đồng hóa tổ hợp bằng bộ lọc Kalman
EP: Đông Thái Bình dương
EPAC: Đông Thái Bình dương
FNL: Số liệu phân tích cuối cùng toàn cầu trong nghiệp vụ của NCEP - Mỹ
GFS: Mô hình toàn cầu của NCEP
GSM: Mô hình toàn cầu của JMA
HFIP: Hurricane Forecast Improvement Program - Chương trình cải thiện
chất lượng dự báo bão do NOAA chủ trì
HWRF: Mô hình dự báo bão của NOAA, Mỹ
JMA: Cục khí tượng Nhật Bản
JTWC: Trung tâm cảnh báo bão của Hải Quân Mỹ
Kalman Filter: Phương pháp lọc Kalman
LAF - Lagged Average Forecasting: phương pháp trung bình trễ
LETKF: Phương pháp lọc Kalman chuyển dạng tổ hợp địa phương – Local
Ensemble Transformation Kalman Filter
LGEM: Mô hình hồi quy Logistic
MAE: Sai số trung bình tuyệt đối
NCEP: Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ
NHC: Trung tâm dự báo bão của Mỹ
NMC: Trung tâm dự báo khí tượng quốc gia Canada
NOAA: Cơ quan quản trị khí quyển đại dương quốc gia Mỹ
NOGAPS: Mô hình toàn cầu của Hải quân Mỹ
PMIN: Giá trị đặc trưng cho cường độ bão, áp suất cực tiểu tại tâm bão
PP: Prognostic Perfect, giả thiết hoàn thiện khi coi dự báo từ mô hình làm
đầu vào cho các mô hình thống kê
RMW: Bán kính gió cực đại của bão
RSMC: Trung tâm khí tượng chuyên biệt theo phân cấp của WMO, ví dụ
JMA (Cục khí tượng Nhật Bản) cho khu vực Tây Bắc Thái Bình dương
SH: Nam bán cầu
SV – Singular Vector: phương pháp véctơ riêng kì dị
TBD: Thái Bình dương
TBTBD: Tây Bắc Thái Bình dương
TC: Tropical Cyclone, xoáy thuận nhiệt đới, bão
TCVital: Các thông tin phân tích thời gian thực về trạng thái của xoáy thuận
nhiệt đới cung cấp bởi trung tâm JTWC, bao gồm thông tin về cường độ, cấu
trúc hoàn lưu, xu thế dịch chuyển dựa trên chủ yếu số liệu vệ tinh
TTBD: Tây Thái Bình dương
TTBD-24h: Sai số Tây Thái Bình dương hạn 24h
TTBD-48h: Sai số Tây Thái Bình dương hạn 48h
TTBD-72h: Sai số Tây Thái Bình dương hạn 72h
TYM: Mô hình dự báo bão của Cục khí tượng Nhật Bản
UMKO: Mô hình toàn cầu của Cục khí tượng Anh Quốc
VINIT: Chương trình tạo xoáy lý tưởng 3 chiều
VMAX: Giá trị đặc trưng cho cường độ bão, gió bề mặt cực đại
WMO: Tổ chức Khí tượng Thế giới
WRF: Mô hình khu vực do NCEP phát triển
WRF-ARW: Mô hình khu vực do NCEP phát triển, sử dụng nhân động lực
ARW
WRFDA/WRFVAR: Hệ thống đồng hóa số liệu cho mô hình WRF dựa trên
phương pháp biên phân
XTNĐ: Xoáy thuận nhiệt đới, bão
LỜI CẢM ƠN
Luận án được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của hai Thầy Ngô Đức Thành
và Kiều Quốc Chánh. Trong quá trình thực hiện luận án, các Thầy hướng dẫn đã
định hướng nghiên cứu một cách khoa học và đây là những điều mà tác giả thu nhận
được nhiều nhất. Qua đây tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tời hai Thầy
hướng dẫn.
MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Đánh giá sai số dự báo quỹ đạo bão và cường độ bão trên các vùng biển khác
nhau nói chung và cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương nói riêng (TBTBD) cho
thấy chất lượng dự báo quỹ đạo tăng lên với xu thế rõ rệt hằng năm nhưng chất
lượng dự báo cường độ bão không tăng đồng thời theo. Nguồn dự báo ở đây gồm từ
các trung tâm dự báo bão trên thế giới, phương pháp thống kê và phương pháp dự
báo số (giải xấp xỉ phương trình động lực khí quyển). Phương pháp dự báo số là sản
phẩm đóng góp chính vào việc tăng cường chất lượng dự báo quỹ đạo, tuy nhiên
chất lượng dự báo cường độ từ phương pháp này cũng không được cải thiện rõ rệt
trong nhiều năm vừa qua. Một câu hỏi đặt ra là giữa hai kĩ năng dự báo quỹ đạo và
cường độ bão có mối tương quan như thế nào? Liệu các phương pháp mang lại hiệu
quả đối với chất lượng dự báo quỹ đạo bão thì mức độ cải thiện của cường độ bão
tương ứng là bao nhiêu? Nói cách khác, sai số dự báo quỹ đạo bão giảm có mang lại
ảnh hưởng tích cực đến chất lượng dự báo cường độ bão không? Đây là vấn đề mới
được quan tâm và cũng là nội dung nghiên cứu đặt ra cho luận án.
Tính cấp thiết của đề tài
Dự báo quỹ đạo bão và cường độ bão từ mô hình động lực đặc biệt đóng vai
trò quan trọng trong bài toán dự báo nghiệp vụ trên thế giới nói chung và tại Việt
Nam nói riêng. So với chất lượng dự báo quỹ đạo, các sản phẩm dự báo cường độ
bão còn gặp rất nhiều hạn chế. Trên thực tế, trong hạn dự báo ngắn (~24h) hầu hết
dự báo cường độ mang tính chất quán tính thay vì ứng dụng trực tiếp sản phẩm của
mô hình số. Với hạn dự báo dài hơn (2-3 ngày), độ tin cậy chỉ đạt ở mức xem xét xu
thế mạnh lên hay yếu đi của cơn bão. Như vậy, nghiên cứu nguyên nhân ảnh hưởng
đến chất lượng dự báo cường độ bão bằng mô hình số luôn là vấn đề cấp thiết đặt
ra. Sự tương quan giữa hai sai số hoặc kĩ năng/khả năng dự báo của những khía
1
cạnh đặc trưng quan trọng cho bão là quỹ đạo và cường độ sẽ cung cấp thông tin về
mặt tin cậy trong quá trình ứng dụng vào bài toán dự báo nghiệp vụ thực tế.
Luận điểm bảo vệ của luận án
1. Phương pháp tổ hợp bên cạnh việc giảm thiểu tính không hoàn thiện của
mô hình số còn cho phép tăng cường các thông tin quan trắc vào trường điều kiện
biên của mô hình một cách khách quan.
2. Sử dụng phương pháp tổ hợp đa vật lý dựa trên mô hình WRF-ARW, luận
án đã xây dựng thử nghiệm để khảo sát một cách định lượng mối quan hệ của sai số
dự báo quỹ đạo và sai số dự báo cường độ bão. Kết quả cho thấy việc tăng cường
chất lượng dự báo quỹ đạo mang lại hiệu ứng tích cực đến quá trình giảm sai số dự
báo cường độ bão nhưng mức độ tương quan giữa hai sai số là không đồng nhất và
giữa các hạn dự báo là khác nhau.
3. Chất lượng dự báo cường độ bão liên quan trực tiếp đến mức độ chi tiết
cấu trúc ban đầu của bão cũng như mức độ phù hợp của cấu trúc này với động lực
của mô hình. Thông qua việc xây dựng cấu trúc bão từ các phân tích bão thời gian
thực và áp dụng phương pháp đồng hóa tổ hợp LETKF để đồng hóa đồng thời
(blending) với thông tin quy mô lớn (quan trắc từ gió vệ tinh các mực trên cao) cho
mô hình WRF-ARW, các kết quả khảo sát bước đầu cho thấy hiệu quả tích cực cho
bài toán phân tích xoáy bão ban đầu và tăng cường chất lượng dự báo quỹ đạo bão
và cường độ bão.
Đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu: những đặc trưng của bão gồm quỹ đạo và cường độ
bão, dự báo trung bình tổ hợp và dự báo xác suất, các nguyên nhân ảnh hưởng đến
chất lượng dự báo bão trong mô hình dự báo số.
Phạm vi nghiên cứu: các cơn bão/xoáy thuận nhiệt đới (thống nhất gọi tắt là
bão trong toàn bộ luận án) hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình dương và
Biển Đông Việt Nam giai đoạn 2008-2014.
2
Phương pháp nghiên cứu: luận án ứng dụng phương pháp số thông qua mô
hình động lực quy mô khu vực (WRF-ARW) và phương pháp tổ hợp (tổ hợp đa vật
lý và đồng hóa tổ hợp) để giảm sai số cho mô hình số. Ngoài ra, luận án sử dụng
phương pháp lập trình mô phỏng để xây dựng cấu trúc xoáy và phương pháp thống
kê để phân tích và đánh giá các kết quả mô phỏng.
Những đóng góp mới của luận án
1. Đóng góp thứ nhất của luận án: đã xây dựng thử nghiệm để khảo sát định
lượng mối quan hệ về khả năng giảm sai số cường độ ở các hạn khác nhau ứng với
việc giảm sai số dự báo quỹ đạo bão bằng một hệ thống động lực (dựa trên mô hình
WRF-ARW). Kết quả cho thấy việc cải thiện chất lượng dự báo quỹ đạo sẽ đem đến
hiệu ứng tích cực cho dự báo cường độ đặc biệt ở các hạn 2-3 ngày.
2. Đóng góp thứ hai của luận án: đã phát triển chương trình mô phỏng cấu
trúc xoáy ba chiều vinit với đầu vào là các thông tin phân tích bão thời gian thực và
bộ số liệu quan trắc bao gồm đồng thời (blending) thông tin quy mô lớn (lấy từ số
liệu gió vệ tinh các mực trên cao - AMV) và thông tin quy mô bão (lấy từ chương
trình vinit). Việc tạo ra bộ số liệu tổng hợp từ thông tin từ quy mô cấu trúc bão đến
quy mô lớn là một cách tiếp cận mới, qua đó cho phép các nguồn số liệu tự bổ sung
cho nhau những thông tin còn thiếu. Kết quả thử nghiệm cho thấy khả năng hiệu
chỉnh một cách hiệu quả thông tin ban đầu của xoáy một cách khách quan và không
cần can thiệp vào mô hình bằng sơ đồ đồng hòa tổ hợp LETKF. Thử nghiệm đồng
hóa tổ hợp cho thấy hiệu ứng tích cực đồng thời đến cả dự báo quỹ đạo và cường độ
bão trên khu vực TBTBD.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Trong hai thập kỉ gần đây, chất lượng dự báo quỹ đạo được tăng lên nhiều
trong khi chất lượng dự báo cường độ không được cải thiện tương ứng. Khảo sát
tương quan giữa sai số/kĩ năng dự báo cường độ bão và sai số/kĩ năng dự báo quỹ
3
Tải về để xem bản đầy đủ
151 trang
21500
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận án Khảo sát mối quan hệ giữa kĩ năng mô phỏng quỹ đạo bão và cường độ bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương bằng hệ thống dự báo tổ hợp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_an_khao_sat_moi_quan_he_giua_ki_nang_mo_phong_quy_dao_b.pdf
