Báo cáo nghiên cứu khoa học " Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới " pptx

TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựnhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)530‐534
Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo
quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới
Nguyễn Minh Trường*, Trần Tân Tiến
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 25 tháng 11 năm 2009
Tóm tắt. Trong nghiên cứu này sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến được áp dụng cho
mục đích dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới (TC) trên khu vực Biển Đông. Những cải tiến sơ đồ
bao gồm phương trình mới tính tốc độ dòng thăng, giả thiết khép kín đối lưu và hàm kích hoạt đối
lưu được thực hiện bằng cách đưa vào gradient thẳng đứng
của nhiễu động hàm Exner. Áp dụng
cho trường hợp cơn bão Lekima và Xangxane, phiên bản RAMS 4.4 sử dụng sơ đồ cải tiến cho
thấy độ tin cậy cao trong việc dự báo quĩ đạo TC so với phiên bản RAMS 6.0 sử dụng sơ đồ Kain-
Fritsch gốc. Như vậy, các kết quả này cho thấy nhiễu động hàm Exner đóng vai trò quan trọng
trong hoạt động đối lưu, một yếu tố có thể ảnh hưởng nhiều đến q
uĩ đạo TC. Cuối cùng, phiên bản
này của RAMS có thể được dùng để tạo ra các thành phần cho dự báo quĩ đạo TC bằng phương
pháp tổ hợp.
1. Mở đầu


Trong những thập kỷ gần đây, liên quan tới
thời tiết có đối lưu và việc cải thiện chất lượng
dự báo nói chung, đã có rất nhiều nghiên cứu
theo các hướng khác nhau được tiến hành để có
được những hiểu biết tốt hơn các quá trình vật
lý và động lực của thời tiết có đối lưu. Bên cạnh
những thành tựu nghiên cứu cho các quá trình
xảy ra ở qui mô vừa-


, với các quá trình qui
mô vừa-

và lớn hơn, các nhà khí tượng học
tập trung vào việc phát triển các mô hình mây
khái niệm, qua đó mô hình hoá dòng cuốn vào-
cuốn ra quanh biên mây, cũng như là các đặc
trưng của dòng thăng và dòng giáng [1-4].
Đồng thời phát triển các sơ đồ tham số hoá đối
lưu có thể áp dụng cho các loại mô hình số dự
báo thời tiết khác nhau [
5-7], và nghiên cứu các
mô phỏng số để tìm ra các sơ đồ tham số hoá
đối lưu thích hợp cho các hoàn lưu hoặc mô
hình dự báo cụ thể [8].
530
_______

Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943
E-mail:

Một điều đáng lưu ý là các nghiên cứu của
Klem
p và Wilhemson [9, 10], Finley và các
ĐTG [11], Cai và Wakimoto [12] đã cho thấy
các bằng chứng về vai trò của gradient thẳng
đứng của nhiễu động áp suất đối với sự phát
triển của các cơn dông. Đặc biệt, liên quan gần
hơn với vấn đề tham
số hoá đối lưu, các nghiên

cứu cảnh báo của Xu và Randall [13] đã cho
thấy có tới khoảng 50% các dòng thăng trong
đối lưu trên Đại Tây Dương có lực nổi âm
nhưng lại có gradient thẳng đứng của nhiễu
động áp suất lớn.
Trong khi đó, một điều hiển nhiên là xoáy
thuận nhiệt đới (TC) luôn hình thành trên các
vùng biển và đại dương nhiệt đới. Mặt khác,
N.M.Trường,T.T.Tiến/TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)530‐534
531
các nghiên cứu về TC đều chỉ ra rằng cơ chế
sống còn để
duy trì và tăng cường TC chính là
các quá trình và hệ thống đối lưu tồn tại ngay
trong hoàn lưu TC. Đây chính là cơ sở để các
trung tâm dự báo TC trên thế giới lựa chọn các
sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau nhằm tạo
ra các thành phần cho dự báo tổ hợp: một hoặc
nhiều mô hình với nhiều module vật lý. Chính
vì vậy trong báo cáo này sẽ thử ngh
iệm hai
module vật lý khác nhau tương ứng là sơ đồ
Kain-Fritsch gốc và sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến
cho việc dự báo quĩ đạo TC trên khu vực Biển
Đông.
2. Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến
Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sử dụng trong
nghiên cứu này bao gồm:
Hàm kích hoạt đối lưu




















kh¸c USL mt kh«ng, NÕu
l−u èiho¹t kÝch
ì
đ
wFtriFtriw
wFtriFtriw
Ftri
MIXLCLUSLUSLMIX
MIXLCLUSLUSLMIX
USL
,
0,02

0,02
0
2
2
(1)
với






zPDB
zT
zTzT
gFtri
u


 1

Phương trình tính tốc độ dòng thăng

drag
uu
PEntPDB
T
TT
g
dz

dw










 1
2
1
2
(2)
và giả thiết khép kín đối lưu






dzzPDB
zT
zTzT
gCAPE
CT
LCL
u




 1
(3)
Trong đó USL là lớp nguồn đối lưu, LCL là
mực ngưng kết nâng, w
MIX
là tốc độ thẳng đứng
trung bình khối lượng trong USL, PDB là tỷ số
giữa gradient thẳng đứng nhiễu động hàm
Exner và lực nổi. Chỉ số “u” chỉ dòng thăng,
dấu gạch trên là biến trung bình ô lưới, Ent là
dòng thổi vào, và P
drag
là lực cản do mưa. Các
ký hiệu khác có ý nghĩa thông thường. Chi tiết
hơn xin xem trong Trường và các đồng tác giả
(2009) [14].
3. Một số kết quả dự báo quĩ đạo bão
Trong mục này sẽ trình bày kết quả thử
nghiệm sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu
khác nhau là sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến
(RAMS 4.4) và sơ đồ Kain-Fritsch gốc (RAMS
6.0) cho hai cơn bão Lekima và Xangsane hoạt
động trên khu vực Biển Đông. Cấu hình miền
tính bao
gồm một lưới có tâm tại 15
0
N-110

0
E
bao gồm 161x161 điểm lưới theo chiều kinh và
vĩ hướng, kích thước lưới ngang là 28 km. Theo
chiều thẳng đứng, miền tính có 30 mực với kích
thước bước lưới dưới cùng là 100 m và hệ số
giãn lưới là 1,15. Bước lưới cực đại được cho
bằng 1200 m. Như vậy đỉnh miền tính có độ
cao khoảng 21 km. Bước thời gian tích phân
được ấn định là 20 s. Thời gian giữa hai lần kích
hoạt CPS và sơ đồ tham số hóa bức xạ là 300 s.
Điều kiện ban đầu là các trường phân
tích
toàn cầu AVN lúc 00Z được cung cấp bởi
Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường
(NCEP), Hoa Kỳ, bao gồm hai thành phần gió
ngang, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và độ cao địa
thế vị cho 26 mặt đẳng áp. Độ phân giải ngang
của điều kiện ban đầu và điều kiện biên là 1
0
x
1
0
. Điều kiện biên được cập nhật 6 h một lần

N.M.Trường,T.T.Tiến/TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)530‐534
532
cho các biến dự báo trong
mô hình RAMS, sử
dụng trường dự báo toàn cầu AVN. Nhiệt độ

mặt nước biển là nhiệt độ mặt nước biển phân
tích trung bình tuần do NOAA (National
Oceanic and Atmospheric Administration, Hoa
Kỳ) cung cấp.

3.1. B
ão Lekima
Lekima là một cơn bão mạnh với thời gian
tồn tại khoảng 4 ngày từ 30/9 đến 4/10 năm
2007 hình thành ngay trên Biển Đông và ảnh
hưởng trực tiếp đến Việt Nam. Lúc 00Z ngày
30/9 vị trí cơn bão vào khoảng 15,5
0
N-116,3
0
E,
cách quần đảo Hoàng Sa khoảng 50 km về phía
đông đông nam. Sức gió mạnh nhất ở vùng
trung tâm bão đạt cấp 8, giật trên cấp 8 và tiếp
tục mạnh lên.

Hình 1. Quĩ đạo dự báo 72 giờ bằng sơ đồ Kain-
Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc
(đường mảnh) so với best track (đường liền đậm)
của bão Lekima.

Bảng 1. Sai số dự báo 72 giờ (km) quĩ đạo bão
Lekima kể từ 00Z 30/9 năm 2007
Hạn dự báo (giờ) 24 48 72
Sơ đồ gốc 129.24 281.13 692.98

Sơ đồ cải tiến 81.89 302.49 322.03
Kết quả dự báo quĩ đạo bão Lekima 72 giờ
tính từ 00Z ngày 30/9 năm 2007 bằng hai sơ đồ
tham số hóa đối lưu so với best track được chỉ
ra trong Hình 1, trong đó tâm bão dự báo được
xác định nhờ sử dụng trường áp suất qui về
mực biển. Qua đó có thể thấy cả hai dự báo đều
cho sự đổi hướng khá phù hợp với thực tế, tuy
nhiên trường hợp sử dụng sơ đồ gốc cho
cơn
bão tiếp tục đi lên phía bắc trong khi sơ đồ cải
tiến cho dạng quĩ đạo phù hợp với thực tế hơn
nhiều. Bảng 1 cho sai số dự báo hạn 72 giờ sử
dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Có thể thấy
là trong 48 giờ đầu, sơ đồ cải tiến nhìn chung
không cho sai số tốt hơn sơ đồ gốc, tuy nhiên
sau đó đến 7
2 giờ sơ đồ cải tiến cho sai số 322
km trong khi sơ đồ gốc cho sai số lên tới 692
km.
3.2.Bão Xangsane
Bão Xangsane là một cơn bão di chuyển
nhanh, gần 20 km/giờ, hình thành trên khu vực
Philippines, sau khoảng 3 ngày đã ảnh hưởng
đến vùng biển ngoài khơi Miền Trung Việt
Nam. Áp suất tại tâm giảm xuống chỉ còn
khoảng 995 hPa cho thấy đây là cơn bão mạnh
và trên thực tế có sức tàn phá lớn.
N.M.Trường,T.T.Tiến/TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)530‐534
533

Hình 2. Quĩ đạo dự báo 48 giờ bằng sơ đồ Kain-
Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc
(đường mảnh) so với best track (đường liền đậm)
của bão Xangsane.
Hình 2 cho thấy quĩ đạo dự báo 48 giờ cho
bão Xangsane tính từ 00Z 28/9 năm 2006 sử
dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Trước 24
giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ đạo hầu như trùng
với sơ đồ gốc, ngoại trừ trong khoảng 18-24 giờ
sơ đồ cải tiến cho tốc độ di chuyển nhanh hơn
một chút. Sau hạn 24 giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ
đạo dự báo tốt hơn hẳn sơ đồ gốc. Sai số dự báo
quĩ đạo bão Xangsane được đưa ra tro
ng Bảng
2, và một lần nữa cho thấy việc sử dụng sơ đồ
tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến là rất
hứa hẹn cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy
thuận nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông.
Bảng 2. Sai số dự báo 48 giờ (km) quĩ đạo bão
Xangsane kể từ 00Z 28/9 năm 2006
Hạn dự báo (giờ) 24 48
Sơ đồ gốc 82.86 246.68
Sơ đồ cải tiến 135.11 77.13

4. Kết luận
Sơ đồ tham số hóa đối lưu có ảnh hưởng lớn
đến dự báo quĩ xoáy thuận nhiệt đới. Cụ thể
trong nghiên cứu này sơ đồ Kain-Fritsch cải
tiến cho chất lượng dự báo tốt hơn sơ đồ gốc,

nhất là những ngày cuối của hạn dự báo.
Nguyên nhân là do sơ đồ cải tiến đã tính đến
ảnh hưởng của gradient thẳng đứng nhiễu động

áp suất trong quá trình đối lưu hình thành và
phát triển.
Phiên bản RAMS 4.4 có thể được sử dụng
để tạo ra các thành phần mới cho việc dự báo
quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới bằng phương pháp
tổ hợp. Trong tương lai nên áp dụng sơ đồ
Kain-Fritsch cải tiến cho phiên bản RAMS 6.0
cũng như các mô hình số bất thủy tĩnh khác.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được sự hỗ trợ của đề tài

cấp Nhà nước KC 0805/06-10.
Tài liệu tham khảo
[1] W.M. Frank, C. Cohen, Properties of tropical
cloud ensembles estimated using a cloud model
and an observed updraft population, J. Atmos.
Sci. 42 (1985) 1911.
[2] J.S. Kain, J.M. Fritsch, A one-dimensional
entraining /detraining plume model and its
application in convective parameterization,
J. Atmos. Sci. 47 (1990) 2784.
[3] B.E. Mapes, Convective inhibition, subgrid-
scale triggering energy, and stratiform instability
in a toy tropical wave model, J. Atmos. Sci. 57
(2000) 1515.
[4] J.S. Kain, The Kain-Fritsch convective

parameterization scheme: An update, J. Appl.
Meteor. 43 (2004) 170.
[5] A. Arakawa, W.H. Schubert, Interaction of a
cumulus cloud ensemble with the large-scale
environment. Part I, J. Atmos. Sci. (31), (1974)
674.
[6] H.L. Kuo, Further studies of the
parameterization of the influence of cumulus
convection on large scale flow, J. Atmos. Sci. 31
(1974) 1232.
N.M.Trường,T.T.Tiến/TạpchíKhoahọcĐHQGHN,KhoahọcTựNhiênvàCôngnghệ25,Số3S(2009)530‐534

534
[7] J.M. Fritsch, C.F. Chappell, Numerical
prediction of convectively driven mesoscale
pressure systems. Part I: Convective
parameterization, J. Atmos. Sci. 37 (1980) 1722.
[8] C. Cohen, A comparison of cumulus
parameterizations in idealized sea-breeze
simulations, Mon. Wea. Rev. 130 (2002) 2554.
[9] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, “The simulation
of three-dimensional convective storm
dynamics”, J. Atmos. Sci. 35 (1978a) 1070.
[10] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, Simulations of
right- and left-moving storms produced through
storm splitting, J. Atmos. Sci. 35 (1978b) 1097.
[11] C.A. Finley, W.R. Cotton, R.A. Pielke Sr.,
Numerical simulation of tornadogenesis in a
high-precipitation supercell. Part I: Storm
evolution and transition into a bow echo, J.

Atmos. Sci. (58) (2001) 1597.
[12] H. Cai, R.M. Wakimoto, Retrieved pressure field
and its influence on the propagation of a
supercell thunderstorm, Mon. Wea. Rev. 129
(2001) 2695.
[13] K.M. Xu, D.A. Randall, Updraft and downdraft
statistics of simulated tropical and midlatitude
cumulus convection, J. Atmos. Sci. 58 (2001)
1630.
[14] Truong, N.M., T.T. Tien, R.A. Pielke Sr., C.L.
Castro, G. Leoncini,: A modified Kain-Fritsch
scheme and its application for simulation of an
extreme precipitation event in Vietnam, Mon.
Wea. Rev. 137 (2009) 766.

Convective parameterization scheme and its influence on
tropical cyclone track forecasts
Nguyen Minh Truong, Tran Tan Tien
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU
334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam

In this study the modified Kain-Fritsch scheme is used to forecast tropical cyclone (TC) tracks in
Bien Dong Sea. The scheme modifications include a new diagnostic equation to compute updraft
velocity, closure assumption, and trigger function which are developed by taking the vertical gradient
of the Exner function perturbation into account. Applied for Lekima and Xangxane case studies, the
version of RAMS 4.4 using the modified scheme shows much better reliability in TC track forecasts in
comparison with the RAMS 6.0 using the original Kain-Fritsch scheme. Accordingly, the present
results exhibit that the Exner function perturbation plays an important role in convection activity
which in turn might lead to the changes in TC tracks. Finally, this version of RAMS can be used to
create members for TC ensemble track forecasts.