ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN đầu hóa XOÁY TRONG mô HÌNH HWRF đối với dự báo bão TRÊN BIỂN ĐÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HOAN

ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH
HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

NGUYỄN THỊ HOAN

ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH
HWRF ĐỐI VỚI DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG
Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
Mã số: 60440222
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. HOÀNG ĐỨC CƯỜNG

Hà Nội - , 2013Hà Nội - 2013

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc tới Thầy hướng dẫn của
tôi - TS.Hoàng Đức Cường vì những chỉ bảo, hướng dẫn tận tình cho tôi hoàn thành
luận văn.
Trong suốt quá trình thực hiện luận văn, các thầy cô giáo trong Khoa Khí
tượng, Thủy văn và Hải Dương học nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học
Khoa học Tự nhiên nói chung đã chỉ dạy những bài học quý báu cho tôi trong chuyên
môn và cuộc sống. Tôi vô cùng cảm ơn những công lao to lớn đó.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, đã tạo điều kiện tốt cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường.
Tôi cũng xin cảm ơn những đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu khí tượng
-khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá
trình thực hiện luận văn đặc biệt là TS. Nguyễn Văn Hiệp, Ths. Trương Bá Kiên, CN.
Lưu Nhật Linh, CN. Nguyễn Thị Xuân về những giúp đỡ, góp ý và thảo luận quý báu
về kĩ thuật cũng như chuyên môn giúp tôi có thể hoàn thiện được luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và
Môi trường, ban lãnh đạo Trung tâm Nghiên cứu khí tượng - khí hậu, đã tạo điều kiện
thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình công tác.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn bố mẹ cùng những người thân trong gia đình tôi đã
luôn động viên và tạo điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
Học viên cao học
Nguyễn Thị Hoan


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................................................1
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................................................7

DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT...............................................................................................................10
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT...............................................................................................................11
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................................12
Chương 1. .TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY................................................................................13
1.1.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình......................................................13
1.1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm.......................................................19
1.1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu.........................................................22
1.2.Tổng quan các nghiên cứu trong nước...........................................................................................23
Chương 2. BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ.....26
2.1. Sơ lược về mô hình HWRF.............................................................................................................26
2.2. Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF........................................................................................27
2.2.1. Phân tích xoáy nhằm loại bỏ xoáy thô từ phân tích toàn cầu trong HWRF.............................29
2.2.2. Xoáy giả tạo ra trong mô hình HWRF đối với trường hợp bão yếu.........................................29
2.2.3. Hiệu chỉnh xoáy bão trước 6 giờ dự báo................................................................................30
2.3. Thiết kế thí nghiệm........................................................................................................................41
2.3.1. Miền tính................................................................................................................................41
2.3.2. Số liệu sử dụng.......................................................................................................................44
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá......................................................................................................................44
Chương 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN
ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF..............................................................................................................46
3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana............................................................................................46
3.1.1. Thông tin về cơn bão Ketsana(2009)......................................................................................46
3.1.2. Thiết kế thí nghiệm.................................................................................................................48
3.1.3. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana................................................................................48
a) Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão..................................................48
b) Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão...........................................................................50
c) Mặt cắt qua tâm bão trường gió mực 10m...............................................................................53
d) Mô phỏng quỹ đạo bão Ketsana...............................................................................................54
e) Mô phỏng cường độ bão Ketsana............................................................................................57
3.2. Thử nghiệm cho mùa bão 2009.....................................................................................................59

3.2.1. Thiết kế thí nghiệm.................................................................................................................59
3.2.2. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông..............................59


3.2.3. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cường độ bão trên Biển Đông............................64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................70
KẾT LUẬN..........................................................................................................................................70
KIẾN NGHỊ.........................................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................................72
DANH MỤC HÌNH....................................................................................................................................1
DANH MỤC BẢNG...................................................................................................................................7
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT...............................................................................................................10
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT...............................................................................................................11
MỞ ĐẦU...............................................................................................................................................12
Chương 1. .TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY................................................................................13
1.1.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình......................................................13
1.1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm.......................................................19
1.1.3. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng đồng hóa số liệu.........................................................22
1.2.Tổng quan các nghiên cứu trong nước...........................................................................................23
Chương 2. BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG MÔ HÌNH HWRF, SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ.....26
2.1. Sơ lược về mô hình HWRF.............................................................................................................26
2.2. Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF........................................................................................27
2.2.1. Phân tích xoáy nhằm loại bỏ xoáy thô từ phân tích toàn cầu trong HWRF.............................29
2.2.2. Xoáy giả tạo ra trong mô hình HWRF đối với trường hợp bão yếu.........................................29
2.2.3. Hiệu chỉnh xoáy bão trước 6 giờ dự báo................................................................................30
2.3. Thiết kế thí nghiệm........................................................................................................................41
2.3.1. Miền tính................................................................................................................................41
2.3.2. Số liệu sử dụng.......................................................................................................................44
2.4. Các chỉ tiêu đánh giá......................................................................................................................44
Chương 3. KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VAI TRÒ CỦA BAN ĐẦU HÓA XOÁY TRONG DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN

ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH HWRF..............................................................................................................46
3.1. Thử nghiệm đối với cơn bão Ketsana............................................................................................46
3.1.1. Thông tin về cơn bão Ketsana(2009)......................................................................................46
3.1.2. Thiết kế thí nghiệm.................................................................................................................48
3.1.3. Một số kết quả thử nghiệm bão Ketsana................................................................................48
a) Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão..................................................48
b) Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão...........................................................................50
c) Mặt cắt qua tâm bão trường gió mực 10m...............................................................................53
d) Mô phỏng quỹ đạo bão Ketsana...............................................................................................54
e) Mô phỏng cường độ bão Ketsana............................................................................................57


3.2. Thử nghiệm cho mùa bão 2009.....................................................................................................59
3.2.1. Thiết kế thí nghiệm.................................................................................................................59
3.2.2. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo quỹ đạo bão trên Biển Đông..............................59
3.2.3. Vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo cường độ bão trên Biển Đông............................64
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................................................70
KẾT LUẬN..........................................................................................................................................70
KIẾN NGHỊ.........................................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................................................72


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE
và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường nền quy mô lớn nhận được sau
phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd -hav, nguồn: .....................................................14
Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E theo bán kính r,
Nguồn: .................................................................................................................................................16
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF........................................................................................................26
Hình 2.2. Ví dụ mMiền tính trong mô hình HWRF................................................................................27

Hình 2.3. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF......................................................................29
Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA tại thời điểm
2009092712..........................................................................................................................................42
Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn: ........................................46
Hình 3.2. Cường độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn:
..............................................................................................................................................................46
Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z 28/09/2009, (c)12Z 29/09/2009 và (d)-18Z 29/09/2009; Nguồn: .47
Hình 3.4. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thường nhiệt độ bão nhiệt đới quan trắc
(Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968)......................................................................................................49
Hình 3.5. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
các thời điểm (a1)-coldstart+03H và (a2)-nobogus+03H; (b1)-coldstart +06H và (b2)-nobogus+ 06H;
(c1)-coldstart+12H và (c2)-nobogus+ 12H............................................................................................50
Hình 3.6. Mặt cắt trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và
(b)-nobogus..........................................................................................................................................51
Hình 3.7. Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm
(a1)-coldstart+06H và (a2)-nobogus+06H; (b1)-coldstart +12H và (b2)-nobogus+ 12H; (c1)coldstart+18H và (c2)-nobogus+ 18H; (d1)-coldstart+24H và (d2)-nobogus+ 24H...............................52
Hình 3.8. Mặt cắt trường gió mực 10m qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a)00H; (b)-06H; (c)-12H; (d)-18H; (e)-24H................................................................................................54
Hình 3.9. Quườình 3.9. Quường hợp có và khơ đnh 3.9. Quường hợp có và khôơn bão Ketsana đố
bão Ketsana ng hợpơn so vKetsana ng hợđầ so a xoáy ở thời đi so a xđầ so a ...................................55
Hình 3.10. Sai số khoảng cách PE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 55
Hình 3.11. Sai số khoảng dọc ATE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 56
..............................................................................................................................................................56
Hình 3.12. Sai số khoảng ngang CTE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
..............................................................................................................................................................56
Hình 3.13. Sai số áp suất cực tiểu dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi
mô phỏng bằng coldstart và nobogus..................................................................................................58
1

Hình 3.14. Sai số tốc độ gió cực đại dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus.............................................................................................59
Hình 3.15. Trung bình sai số khoảng cách (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng
coldstart và nobogus............................................................................................................................61
Hình 3.16. Trung bình sai số dọc (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và
nobogus................................................................................................................................................62
Hình 3.17. Trung bình sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart
và nobogus...........................................................................................................................................63
Quỹ đạo tổng hợp của 53 trường hợp bão lựa chọn mô phỏng được biểu diễn qua Hình 3.18. Ở thời
điểm ban đầu, rõ ràng sử dụng ban đầu hóa xoáy, quỹ đạo rất gần với quỹ đạo thực nguyên nhân là
mô hình đã sử dụng thông tin tâm bão quan trắc đã được đưa vào hiệu chỉnh xoáy giả tạo ra khi ban
đầu hóa xoáy. Từ hình vẽ thấy rõ xu thế di chuyển của bão trong hai trường hợp mô phỏng đó là có
sử dụng ban đầu hóa xoáy bão di chuyển chậm hơn thực tế và ở cả hai mô phỏng bão đều có xu thế
lệch Nam so với quỹ đạo thực..............................................................................................................63
..............................................................................................................................................................64
Hình 3.18. Quỹ đạo mô phỏng mùa bão 2009 bởi HWRF-coldstart (xanh lam), HWRF-nobogus (xanh
lá) và Besttrack (đỏ)..............................................................................................................................64
Hình 3.189. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng cho mùa bão
2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................65
Hình 3.1920. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão 2009 trên
Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................................66
Hình 3.20. 1Đường biểu diễn biến đổi áp suất cực tiểu tại tâm bão theo mô phỏng bởi JTWC, HWRFcoldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (hpa)........................................................................68
Xét biến đổi vận tốc gió cực đại trong hai trường hợp mô phỏng và thực tế. Thấy rằng, đường biến
đổi vận tốc gió cực đại thực tế nằm giữa hai đường mô phỏng bởi mô hình. Gió của xoáy tạo ra khi
ban đầu hóa xoáy mạnh hơn so với thực tế trong khi gió tạo ra trong xoáy bão của mô hình không
ban đầu hóa xoáy lại yếu hơn thực tế. Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, tương tự như đối với mô
phỏng áp suất cực tiểu, gió mô phỏng bởi mô hình HWRF trong cả hai trường hợp có và không ban
đầu hóa xoáy biến đổi mạnh. Ở thời điểm cuối dự báo gió bão cũng có xu thế mạnh lên ở cả hai
trường hợp mô phỏng. Từ đây cho thấy sự mạnh lên của gió ở thời điểm cuối dự báo có thể là do đặc
tính mô phỏng của mô hình mà không phải do đặc tính của xoáy bão tạo ra khi sử dụng sơ đồ ban

đầu hóa xoáy (Hình 3.201)....................................................................................................................68
Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, xoáy tạo ra do ban đầu hóa xoáy đưa vào mô hình là quá mạnh và
không tương thích với trường môi trường bão thực tế. Do đó, khi đưa vào mô hình cường độ xoáy
bão sẽ bị cưỡng bức sao cho phù hợp với trường môi trường qua sự hiệu chỉnh của mô hình. Sau 12
giờ đến 54 giờ dự báo, đường biểu diễn biến đổi vận tốc gió trong xoáy bão tạo ra khi có sử dụng sơ
đồ ban đầu hóa xoáy gần sát với đường biến đổi vận tốc gió thực tế trong khoảng thời gian dự báo từ
12 đến 54 giờ. Điều này chứng tỏ sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy mô phỏng tốt vận tốc gió cực đại
trong khoảng thời gian từ 12 đến 54 giờ tích phân.Bên cạnh đó, đối với gió trong mô phỏng không sử
dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, đường biểu diễn sự biến đổi gió cực đại cách xa đường biểu diễn gió
cực đại trong thưc tế cho thấy rằng gió tạo ra do mô phỏng bởi mô hình trong trường hợp này quá
yếu so với thực tế. Ngoài ra, ở thời điểm ban đầu, xoáy từ mô hình toàn cầu đưa vào mô hình yếu và
2


không phù hợp với trường môi trường, do đó sau 6 giờ tích phân mô hình tạo xoáy bão mạnh lên.
Tuy nhiên, xoáy bão tạo ra trong trường hợp này vẫn là yếu hơn nhiều so với thực tế (Hình 3.212).. 68
Hình 3.212. Đường biểu diễn biến đổi gió cực đại theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF-coldstart và HWRF
–nobogus cho mùa bão 2009 (m/s)......................................................................................................69
Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE
và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường nền quy mô lớn nhận được sau
phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd -hav, nguồn: .....................................................14
Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E theo bán kính r,
Nguồn: .................................................................................................................................................16
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF........................................................................................................26
Hình 2.2. Ví dụ mMiền tính trong mô hình HWRF................................................................................27
Hình 2.3. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF......................................................................29
Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA tại thời điểm
2009092712..........................................................................................................................................42
Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn: ........................................46
Hình 3.2. Cường độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn:

..............................................................................................................................................................46
Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z 28/09/2009, (c)12Z 29/09/2009 và (d)-18Z 29/09/2009; Nguồn: .47
Hình 3.4. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thường nhiệt độ bão nhiệt đới quan trắc
(Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968)......................................................................................................49
Hình 3.5. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
các thời điểm (a1)-coldstart+03H và (a2)-nobogus+03H; (b1)-coldstart +06H và (b2)-nobogus+ 06H;
(c1)-coldstart+12H và (c2)-nobogus+ 12H............................................................................................50
Hình 3.6. Mặt cắt trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và
(b)-nobogus..........................................................................................................................................51
Hình 3.7. Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm
(a1)-coldstart+06H và (a2)-nobogus+06H; (b1)-coldstart +12H và (b2)-nobogus+ 12H; (c1)coldstart+18H và (c2)-nobogus+ 18H; (d1)-coldstart+24H và (d2)-nobogus+ 24H...............................52
Hình 3.8. Mặt cắt trường gió mực 10m qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a)00H; (b)-06H; (c)-12H; (d)-18H; (e)-24H................................................................................................54
Hình 3.9. Quườình 3.9. Quường hợp có và khơ đnh 3.9. Quường hợp có và khôơn bão Ketsana đố
bão Ketsana ng hợpơn so vKetsana ng hợđầ so a xoáy ở thời đi so a xđầ so a ...................................55
Hình 3.10. Sai số khoảng cách PE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 55
Hình 3.11. Sai số khoảng dọc ATE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 56
..............................................................................................................................................................56
Hình 3.12. Sai số khoảng ngang CTE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
..............................................................................................................................................................56
3


Hình 3.13. Sai số áp suất cực tiểu dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi
mô phỏng bằng coldstart và nobogus..................................................................................................58
Hình 3.14. Sai số tốc độ gió cực đại dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus.............................................................................................59
Hình 3.15. Trung bình sai số khoảng cách (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng
coldstart và nobogus............................................................................................................................61
Hình 3.16. Trung bình sai số dọc (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và

nobogus................................................................................................................................................62
Hình 3.17. Trung bình sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart
và nobogus...........................................................................................................................................63
Quỹ đạo tổng hợp của 53 trường hợp bão lựa chọn mô phỏng được biểu diễn qua Hình 3.18. Ở thời
điểm ban đầu, rõ ràng sử dụng ban đầu hóa xoáy, quỹ đạo rất gần với quỹ đạo thực nguyên nhân là
mô hình đã sử dụng thông tin tâm bão quan trắc đã được đưa vào hiệu chỉnh xoáy giả tạo ra khi ban
đầu hóa xoáy. Từ hình vẽ thấy rõ xu thế di chuyển của bão trong hai trường hợp mô phỏng đó là có
sử dụng ban đầu hóa xoáy bão di chuyển chậm hơn thực tế và ở cả hai mô phỏng bão đều có xu thế
lệch Nam so với quỹ đạo thực..............................................................................................................63
..............................................................................................................................................................64
Hình 3.18. Quỹ đạo mô phỏng mùa bão 2009 bởi HWRF-coldstart (xanh lam), HWRF-nobogus (xanh
lá) và Besttrack (đỏ)..............................................................................................................................64
Hình 3.189. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng cho mùa bão
2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................65
Hình 3.1920. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão 2009 trên
Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................................66
Hình 3.20. 1Đường biểu diễn biến đổi áp suất cực tiểu tại tâm bão theo mô phỏng bởi JTWC, HWRFcoldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (hpa)........................................................................68
Xét biến đổi vận tốc gió cực đại trong hai trường hợp mô phỏng và thực tế. Thấy rằng, đường biến
đổi vận tốc gió cực đại thực tế nằm giữa hai đường mô phỏng bởi mô hình. Gió của xoáy tạo ra khi
ban đầu hóa xoáy mạnh hơn so với thực tế trong khi gió tạo ra trong xoáy bão của mô hình không
ban đầu hóa xoáy lại yếu hơn thực tế. Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, tương tự như đối với mô
phỏng áp suất cực tiểu, gió mô phỏng bởi mô hình HWRF trong cả hai trường hợp có và không ban
đầu hóa xoáy biến đổi mạnh. Ở thời điểm cuối dự báo gió bão cũng có xu thế mạnh lên ở cả hai
trường hợp mô phỏng. Từ đây cho thấy sự mạnh lên của gió ở thời điểm cuối dự báo có thể là do đặc
tính mô phỏng của mô hình mà không phải do đặc tính của xoáy bão tạo ra khi sử dụng sơ đồ ban
đầu hóa xoáy (Hình 3.201)....................................................................................................................68
Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, xoáy tạo ra do ban đầu hóa xoáy đưa vào mô hình là quá mạnh và
không tương thích với trường môi trường bão thực tế. Do đó, khi đưa vào mô hình cường độ xoáy
bão sẽ bị cưỡng bức sao cho phù hợp với trường môi trường qua sự hiệu chỉnh của mô hình. Sau 12
giờ đến 54 giờ dự báo, đường biểu diễn biến đổi vận tốc gió trong xoáy bão tạo ra khi có sử dụng sơ

đồ ban đầu hóa xoáy gần sát với đường biến đổi vận tốc gió thực tế trong khoảng thời gian dự báo từ
12 đến 54 giờ. Điều này chứng tỏ sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy mô phỏng tốt vận tốc gió cực đại
trong khoảng thời gian từ 12 đến 54 giờ tích phân.Bên cạnh đó, đối với gió trong mô phỏng không sử
dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, đường biểu diễn sự biến đổi gió cực đại cách xa đường biểu diễn gió
4


cực đại trong thưc tế cho thấy rằng gió tạo ra do mô phỏng bởi mô hình trong trường hợp này quá
yếu so với thực tế. Ngoài ra, ở thời điểm ban đầu, xoáy từ mô hình toàn cầu đưa vào mô hình yếu và
không phù hợp với trường môi trường, do đó sau 6 giờ tích phân mô hình tạo xoáy bão mạnh lên.
Tuy nhiên, xoáy bão tạo ra trong trường hợp này vẫn là yếu hơn nhiều so với thực tế (Hình 3.212).. 68
Hình 3.212. Đường biểu diễn biến đổi gió cực đại theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF-coldstart và HWRF
–nobogus cho mùa bão 2009 (m/s)......................................................................................................69
Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành trường môi trường hE
và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của trường nền quy mô lớn nhận được sau
phép lọc không gian và trường nhiễu không xoáy hd -hav, nguồn: .....................................................14
Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E theo bán kính r,
Nguồn: .................................................................................................................................................16
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình HWRF........................................................................................................26
Hình 2.2. Ví dụ mMiền tính trong mô hình HWRF................................................................................27
Hình 2.3. Sơ đồ ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF......................................................................29
Hình 2.5. Ví dụ miền tính sử dụng trong mô hình HWRF khi chạy cơn bão KETSANA tại thời điểm
2009092712..........................................................................................................................................42
Hình 3.1. Quỹ đạo besttrack bão Ketsana; Nguồn: ........................................46
Hình 3.2. Cường độ cơn bão KETSANA-áp suất thấp nhất tại tâm bão; Nguồn:
..............................................................................................................................................................46
Hình 3.3. Hình thế Synốp bão Ketsana tại các thời điểm (a)- 12Z 27/09/2009, (b)- 00Z 28/09/2009, (c)12Z 29/09/2009 và (d)-18Z 29/09/2009; Nguồn: .47
Hình 3.4. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
thời điểm 00H (a)-coldstart và (b)-nobogus; (c)-mặt cắt dị thường nhiệt độ bão nhiệt đới quan trắc
(Nguồn: Hawkins và cộng sự, 1968)......................................................................................................49

Hình 3.5. Mặt cắt thẳng đứng trường dị thường nhiệt độ qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại
các thời điểm (a1)-coldstart+03H và (a2)-nobogus+03H; (b1)-coldstart +06H và (b2)-nobogus+ 06H;
(c1)-coldstart+12H và (c2)-nobogus+ 12H............................................................................................50
Hình 3.6. Mặt cắt trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại thời điểm 00H (a)-coldstart và
(b)-nobogus..........................................................................................................................................51
Hình 3.7. Mặt cắt thẳng đứng trường gió qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm
(a1)-coldstart+06H và (a2)-nobogus+06H; (b1)-coldstart +12H và (b2)-nobogus+ 12H; (c1)coldstart+18H và (c2)-nobogus+ 18H; (d1)-coldstart+24H và (d2)-nobogus+ 24H...............................52
Hình 3.8. Mặt cắt trường gió mực 10m qua tâm bão Ketsana 12Z 27/09/2009 tại các thời điểm (a)00H; (b)-06H; (c)-12H; (d)-18H; (e)-24H................................................................................................54
Hình 3.9. Quườình 3.9. Quường hợp có và khơ đnh 3.9. Quường hợp có và khôơn bão Ketsana đố
bão Ketsana ng hợpơn so vKetsana ng hợđầ so a xoáy ở thời đi so a xđầ so a ...................................55
Hình 3.10. Sai số khoảng cách PE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 55
Hình 3.11. Sai số khoảng dọc ATE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009. 56
..............................................................................................................................................................56
5


Hình 3.12. Sai số khoảng ngang CTE dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
..............................................................................................................................................................56
Hình 3.13. Sai số áp suất cực tiểu dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi
mô phỏng bằng coldstart và nobogus..................................................................................................58
Hình 3.14. Sai số tốc độ gió cực đại dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009
khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus.............................................................................................59
Hình 3.15. Trung bình sai số khoảng cách (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng
coldstart và nobogus............................................................................................................................61
Hình 3.16. Trung bình sai số dọc (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và
nobogus................................................................................................................................................62
Hình 3.17. Trung bình sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart
và nobogus...........................................................................................................................................63
Quỹ đạo tổng hợp của 53 trường hợp bão lựa chọn mô phỏng được biểu diễn qua Hình 3.18. Ở thời
điểm ban đầu, rõ ràng sử dụng ban đầu hóa xoáy, quỹ đạo rất gần với quỹ đạo thực nguyên nhân là

mô hình đã sử dụng thông tin tâm bão quan trắc đã được đưa vào hiệu chỉnh xoáy giả tạo ra khi ban
đầu hóa xoáy. Từ hình vẽ thấy rõ xu thế di chuyển của bão trong hai trường hợp mô phỏng đó là có
sử dụng ban đầu hóa xoáy bão di chuyển chậm hơn thực tế và ở cả hai mô phỏng bão đều có xu thế
lệch Nam so với quỹ đạo thực..............................................................................................................63
..............................................................................................................................................................64
Hình 3.18. Quỹ đạo mô phỏng mùa bão 2009 bởi HWRF-coldstart (xanh lam), HWRF-nobogus (xanh
lá) và Besttrack (đỏ)..............................................................................................................................64
Hình 3.189. Trung bình sai số tuyệt đối của áp suất thấp nhất (hpa) tại tâm mô phỏng cho mùa bão
2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................65
Hình 3.1920. Trung bình sai số tuyệt đối vận tốc gió cực đại (m/s)mô phỏng cho mùa bão 2009 trên
Biển Đông bằng coldstart và nobogus..................................................................................................66
Hình 3.20. 1Đường biểu diễn biến đổi áp suất cực tiểu tại tâm bão theo mô phỏng bởi JTWC, HWRFcoldstart và HWRF –nobogus cho mùa bão 2009 (hpa)........................................................................68
Xét biến đổi vận tốc gió cực đại trong hai trường hợp mô phỏng và thực tế. Thấy rằng, đường biến
đổi vận tốc gió cực đại thực tế nằm giữa hai đường mô phỏng bởi mô hình. Gió của xoáy tạo ra khi
ban đầu hóa xoáy mạnh hơn so với thực tế trong khi gió tạo ra trong xoáy bão của mô hình không
ban đầu hóa xoáy lại yếu hơn thực tế. Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, tương tự như đối với mô
phỏng áp suất cực tiểu, gió mô phỏng bởi mô hình HWRF trong cả hai trường hợp có và không ban
đầu hóa xoáy biến đổi mạnh. Ở thời điểm cuối dự báo gió bão cũng có xu thế mạnh lên ở cả hai
trường hợp mô phỏng. Từ đây cho thấy sự mạnh lên của gió ở thời điểm cuối dự báo có thể là do đặc
tính mô phỏng của mô hình mà không phải do đặc tính của xoáy bão tạo ra khi sử dụng sơ đồ ban
đầu hóa xoáy (Hình 3.201)....................................................................................................................68
Trong 12 giờ tích phân đầu tiên, xoáy tạo ra do ban đầu hóa xoáy đưa vào mô hình là quá mạnh và
không tương thích với trường môi trường bão thực tế. Do đó, khi đưa vào mô hình cường độ xoáy
bão sẽ bị cưỡng bức sao cho phù hợp với trường môi trường qua sự hiệu chỉnh của mô hình. Sau 12
giờ đến 54 giờ dự báo, đường biểu diễn biến đổi vận tốc gió trong xoáy bão tạo ra khi có sử dụng sơ
đồ ban đầu hóa xoáy gần sát với đường biến đổi vận tốc gió thực tế trong khoảng thời gian dự báo từ
12 đến 54 giờ. Điều này chứng tỏ sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy mô phỏng tốt vận tốc gió cực đại
6

trong khoảng thời gian từ 12 đến 54 giờ tích phân.Bên cạnh đó, đối với gió trong mô phỏng không sử
dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, đường biểu diễn sự biến đổi gió cực đại cách xa đường biểu diễn gió
cực đại trong thưc tế cho thấy rằng gió tạo ra do mô phỏng bởi mô hình trong trường hợp này quá
yếu so với thực tế. Ngoài ra, ở thời điểm ban đầu, xoáy từ mô hình toàn cầu đưa vào mô hình yếu và
không phù hợp với trường môi trường, do đó sau 6 giờ tích phân mô hình tạo xoáy bão mạnh lên.
Tuy nhiên, xoáy bão tạo ra trong trường hợp này vẫn là yếu hơn nhiều so với thực tế (Hình 3.212).. 68
Hình 3.212. Đường biểu diễn biến đổi gió cực đại theo mô phỏng bởi JTWC, HWRF-coldstart và HWRF
–nobogus cho mùa bão 2009 (m/s)......................................................................................................69

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Các tham mô hình HWRF sử dụng trong các thử nghiệm.....................................................42
Bảng 2.2. Các trường hợp bão được khảo sát......................................................................................43
Bảng 3.1. Bán kính gió cực đại bão Ketsana 12Z 27/09/2009 sau các bước thời gian tích phân từ 6 giờ
đến 24 giờ.............................................................................................................................................54
Bảng 3.2. Sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana
thời điểm 12Z 27/09/2009...................................................................................................................56
Bảng 3.3. Sai số áp suất cực tiểu (hpa) và sai số vận tốc gió cực đại (m/s) dự báo hạn 48H cho cơn bão
Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus....................................58
Bảng 3.4. Trung bình sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009
trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus...........................................................................................59

7


Bảng 3.5. Trung bình sai số tuyệt đốiáp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình
vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus............65
Bảng 3.6. Trung bình sai số áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió
cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus...............................66
Diễn biến sự biến đổi áp suất thấp nhất tại tâm bão và vận tốc gió cực đại qua mô phỏng bởi mô
hình HWRF với hai phương pháp có và không ban đầu hóa xoáy cũng như biến đổi hai yếu tố này

trong quan trắc thực tế theo nguồn số liệu của JTWC được biểu diễn qua Hình 3.21 20 và Hình 3.212.
..............................................................................................................................................................67
Xem xét diễn biến áp suất cực tiểu có thể thấy rằng, khi sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, ở 12 giờ
tích phân đầu tiên, áp suất biến đổi mạnh và không ổn định. Sau 12 giờ tích phân, xoáy bão tạo ra đã
có áp suất cực tiểu biến đổi trơn tru, gần sát và tương đối phù hợp với thực tế. Trong khi đường biến
đổi áp suất cực tiểu trong mô phỏng không ban đầu hóa xoáy cách xa đường biến đổi áp suất thực tế
cho thấy mô phỏng xa thực tế. Một điểm đáng chú ý nữa, ở hạn dự báo từ 66 đến 72 giờ áp suất cực
tiểu thực tế tăng lên, tức là bão có xu thế yếu đi. Trong khi mô hình mô phỏng áp suất cực tiểu lại
giảm ở cả hai trường hợp (Hình 3.201)................................................................................................67
Bảng 2.1. Các tham mô hình HWRF sử dụng trong các thử nghiệm.....................................................42
Bảng 2.2. Các trường hợp bão được khảo sát......................................................................................43
Bảng 3.1. Bán kính gió cực đại bão Ketsana 12Z 27/09/2009 sau các bước thời gian tích phân từ 6 giờ
đến 24 giờ.............................................................................................................................................54
Bảng 3.2. Sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) dự báo hạn 48H cho cơn bão Ketsana
thời điểm 12Z 27/09/2009...................................................................................................................56
Bảng 3.3. Sai số áp suất cực tiểu (hpa) và sai số vận tốc gió cực đại (m/s) dự báo hạn 48H cho cơn bão
Ketsana thời điểm 12Z 27/09/2009 khi mô phỏng bằng coldstart và nobogus....................................58
Bảng 3.4. Trung bình sai số khoảng cách, sai số dọc và sai số ngang (Km) mô phỏng cho mùa bão 2009
trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus...........................................................................................59
Bảng 3.5. Trung bình sai số tuyệt đốiáp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình
vận tốc gió cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus............65
Bảng 3.6. Trung bình sai số áp suất thấp nhất tại tâm (hpa) và trung bình sai số trung bình vận tốc gió
cực đại mô phỏng cho mùa bão 2009 trên Biển Đông bằng coldstart và nobogus...............................66
Diễn biến sự biến đổi áp suất thấp nhất tại tâm bão và vận tốc gió cực đại qua mô phỏng bởi mô
hình HWRF với hai phương pháp có và không ban đầu hóa xoáy cũng như biến đổi hai yếu tố này
trong quan trắc thực tế theo nguồn số liệu của JTWC được biểu diễn qua Hình 3.21 20 và Hình 3.212.
..............................................................................................................................................................67
Xem xét diễn biến áp suất cực tiểu có thể thấy rằng, khi sử dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy, ở 12 giờ
tích phân đầu tiên, áp suất biến đổi mạnh và không ổn định. Sau 12 giờ tích phân, xoáy bão tạo ra đã
có áp suất cực tiểu biến đổi trơn tru, gần sát và tương đối phù hợp với thực tế. Trong khi đường biến

đổi áp suất cực tiểu trong mô phỏng không ban đầu hóa xoáy cách xa đường biến đổi áp suất thực tế
cho thấy mô phỏng xa thực tế. Một điểm đáng chú ý nữa, ở hạn dự báo từ 66 đến 72 giờ áp suất cực
tiểu thực tế tăng lên, tức là bão có xu thế yếu đi. Trong khi mô hình mô phỏng áp suất cực tiểu lại
giảm ở cả hai trường hợp (Hình 3.201)................................................................................................67

8


9


DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

3DVARATE 3 –Dimensional VARiation Data Assimilation (Sơ đồ đồng hóa số
4DVAR

liệu biến phân 3 chiều)Along Track Error (Sai số ngang)
4 –Dimensional VARiation Data Assimilation (Sơ đồ đồng hóa số

ARW

liệu biến phân 4 chiều)
Advanced Research WRF model (Mô hình HWRF phiên bản nghiên

ATE
CTE
GFDL

cứu nâng cao)
Along Track Error (Sai số dọc)

Cross Track Error (Sai số ngangdọc)
Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động lực

GFS
HWRF

học chất lưu địa-vật lý)
Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu)
Hurricane Weather Research and Forecasting model (Mô hình nghiên

MATE
MCTE
MM5
NCAR

cứu và dự báo bão)
Mean Along Track Error (Trung bình sai số dọc)
Mean Cross Track Error (Trung bình sai số ngang)
Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5)
The NationalCenter for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên cứu

NCEP

khí quyển quốc gia, Mỹ)
National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo môi

NMM

trường quốc gia, Mỹ)
Nonhydrostatic Mesoscale Model (Mô hình phi thủy tĩnh quy mô

NOAA

vừa)
National Oceanic and Atmospheric Administration(Cơ quan quản lý

POM
WRF

khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ)
Princeton Ocean Model (Mô hình đại dương Princeton )
Weather Research and Forecasting model (Mô hình nghiên cứu và dự
báo thời tiết)

10


DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
ATE
Along Track Error (Sai số ngang)
ATNĐ

Áp thấp nhiệt đới

AVN

Aviation Mode (Mô hình Hàng không)

CTE

Cross Track Error (Sai số dọc)

GFDL

Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (Phòng nghiên cứu động lực
học chất lưu địa-vật lý)

GFS

Global Forecast System (Hệ thống dự báo toàn cầu)

MATE

Mean Along Track Error (Trung bình sai số dọc)

MCTE

Mean Cross Track Error (Trung bình sai số ngang)

MM5

Mesoscale Model-5 (Mô hình quy mô vừa thế hệ thứ 5)

NCAR

The National Center for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên cứu
khí quyển quốc gia, Mỹ)

NCEP

National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo môi
trường quốc gia, Mỹ)

NOAA

National Oceanic and Atmospheric Administration(Cơ quan quản lý
khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ)

POM

Princeton Ocean Model (Mô hình đại dương Princeton )

11


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, dự báo bão bằng mô hình số trị đã được ứng dụng
rộng rãi ở nhiều quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam, thành quả này có được
một phần nhờ sự phát triển vượt bậc về công nghệ máy tính.
Để thực hiện dự báo với độ phân giải cao hơn trong điều kiện hạn chế về năng
lực tính toán, sử dụng mô hình khu vực là một giải pháp. Các mô hình khu vực hạn
chế dùng số liệu điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian từ mô hình
toàn cầu. Do vậy dù ban đầu hóa với độ phân giải cao hơn, chất lượng và cấu trúc
xoáy bão trong điều kiện ban đầu vẫn chứa các sai số từ mô hình toàn cầu. Một điều
kiện ban đầu không tốt có thể dẫn đến sai số lớn trong quá trình dự báo quỹ đạo và
cường độ bão. Vì vậy, để cải thiện điều kiện ban đầu cho mô hình dự báo bão đặc biệt
khu vực gần tâm bão, người ta thực hiện ban đầu hóa xoáy. Ban đầu hóa xoáy là bài
toán được xây dựng với mục đích tái tạo một xoáy bão có cấu trúc và cường độ gần
với xoáy bão thực, có vị trí tại xoáy bão quan trắc. Các bước của ban đầu hóa xoáy bao
gồm: loại bỏ xoáy từ trường phân tích toàn cầu; xây dựng xoáy xoáy giả; và cài xoáy

giả vào trường ban đầu của mô hình .
Nước ta hàng năm phải gánh chịu những thiệt hại không nhỏ do bão hoạt động
trên Biển Đông.Trong quá trình tồn tại, phát triển và di chuyển, quỹ đạo bão trên Biển
Đông biến đổi khá phức tạp. Do vậy, dự báo tốt hoạt động của bão trên Biển Đông
trước hết góp phần đảm bảo an toàn cho ngư dân, cho người dân sống ở khu vực ven
biển, giảm thiểu số người chết và mất tíchvà giảm thiệt hại to lớn về kinh tế do bão
gây ra. Luận văn này thực hiện khảo sát và đánh giá vai trò của sơ đồ ban đầu hóa
xoáy trong mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) mô hình dự báo cường độ và quỹ đạo bão nghiệp vụ tại Hoa Kỳ từ năm 2007 qua mô
phỏng các cơn bão trong mùa bão 2009 trên Biển Đông.
Ngoài các phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn được cấu trúc với
3 chương chính bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về ban đầu hóa xoáy
Chương 2: Ban đầu hóa xoáy trong mô hình HWRF, số liệu và phương pháp
đánh giá
Chương 3: Kết quả đánh giá vai trò của ban đầu hóa xoáy trong dự báo bão
trên Biển Đông bằng mô hình HWRF

12


Chương 1. .TỔNG QUAN VỀ BAN ĐẦU HÓA XOÁY
1.1.

Khái niệm ban đầu hóa xoáy

Ban đầu hóa xoáy là bài toán được đặt ra để nâng cao chất lượng điều kiện ban
đầu của mô hình dự báo bão. Cho đến nay, ban đầu hóa xoáy không còn là bài toán xa
lạ trong các nghiên cứu ở Việt Nam cũng như trên thế giới, tuy nhiên đây vẫn là một
bài toán lớn với nhiều thách thức và thu hút nhiều nhà nghiên cứu. Bản chất của ban
đầu hóa xoáy là xây dựng môt xoáy giả có cấu trúc gần với xoáy thực bằng cách bổ

sung thông tin chỉ thị về cơn bão như vị trí tâm quan trắc, tốc độ gió cực đại, thông tin
kích thước bão,… Xoáy giả này có cấu trúc, cường độ gần với thực hơn.
Theo Nguyễn Văn Hiệp và Yi-leng Chen (2011), kĩ thuật ban đầu hóa xoáy có
thể chia làm ba nhóm bao gồm: (1) xây dựng xoáy giả bằng hàm thực nghiệm; (2) xây
dựng xoáy giảbằng tích phân mô hình và (3) xây dựng xoáy bằng phương pháp đồng
hóa số liệu 3 và 4 chiều với số liệu quan trắc kết hợp với số liệu quan trắc giả (Nguyễn
Văn Hiệp và Yi-leng Chen, 2011). Trên cơ sở này, phần tổng quan về ban đầu hóa
xoáy trong luận văn sẽ được trình bày theo các cách thực thực hiện ban đầu hóa xoáy
như vậy.
1.1.1. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng tích phân mô hình
Trên thế giới đã có nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề ban đầu hóa xoáy bằng
mô hình số trị. Trong đó, công trình của Kurihara và cộng sự (1993) là một công trình
điển hình và đáng chú ý về ban đầu hóa xoáy bằng cách tích phân mô hình. Các tác giả
đã tích phân mô hình dự báo bão GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)
phiên bản đối xứng để tạo ra thành phần đối xứng của xoáy giả. Trong đó, thành phần
xoáy đối xứng được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản
đối xứng trục và xoáy giả cần phải thỏa mãn 3 điều kiện là có cấu trúc đồng nhất và
tương tự với xoáy bão thật, cộng thêm khả năng tương thích với mô hình .
Để thực hiện tách bỏ xoáy yếu, nghèo thông tin, sai vị trí, giả thiết được đặt ra
rằng phần giá trị của trường bất kỳ gây ra bởi xoáy là giá trị lệch của trường phân tích
(chứa xoáy) so với trường môi trường không có xoáy. Xoáy được tách ra khỏi trường
phân tích nhờ sử dụng một phương pháp lọc thích hợp. Phương pháp lọc được chọn
sao cho trường môi trường thu được chứa trong nó ít nhất các đặc điểm của trường
xoáy. Sau khi tách xoáy yếu, thực hiện xây dựng xoáy nhân tạo. Để phù hợp với cấu
trúc xoáy trong thực tế, xoáy nhân tạo phải gồm hai thành phần: thành phần đối xứng
và thành phần phi đối xứng, các thành phần này được tạo ra nhờ sự kết hợp dữ liệu
trong tập số liệu chỉ thị của bão và các thông tin của xoáy yếu tách được từ trường
13

phân tích. Để đảm bảo quy luật động lực, xoáy nhân tạo được thực hiện thích ứng giữa
trường gió và trường độ cao, thực hiện đồng hoá số liệu để hòa hợp giữa các trường
động và nhiệt lực , cũng như hoà hợp xoáy với trường môi trường. Cuối cùng cài xoáy
nhân tạo thu được vào vị trí chính xác của xoáy thực, thu được trường ban đầu của mô
hình. Sơ đồ của quá trình tạo xoáy giả có dạng như sau theo nghiên cứu của Kurrihara
và cộng sự (Kurihara và cộng sự, 1993).

Trong suốt quá trình tích phân, gió tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở
thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của
quá trình tích phân, thời điểm này thường được lựa chọn là khoảng sau 60h. Thành
phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả thiết là
gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứng β- β effect và xoắn
β- β gyre) được tạo ra bởi dòng đối xứng .
Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân
kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây
dựng dòng đối xứng . Sau đó thành phần gió phi đối xứng này được xây dựng từ các
thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phương vị của sóng số 1 và sóng số 2.
Sau khi các trường gió được xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối xứng và
phi đối xứng thì các biến khác được điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc của
trường gió.

Hình 1.1. Ví dụ minh họa việc tách trường phân tích khách quan ban đầu thành
trường môi trường hE và và trường xoáy hav. Trường môi trường hE là tổng hợp của
trường nền quy mô lớn nhận được sau phép lọc không gian và trường nhiễu không
xoáy hd -hav, nguồn: .
14


Khi đã có được trường gió, thì áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị được ước tính
bằng cách sử dụng phương trình phân kì. Nhiệt độ sau đó được tính toán từ một mặt

cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh .
Theo sơ đồ này, một trường h vô hướng bất kì sẽ tách ra thành hai phần là
trường nền, hay trường môi trường quy mô lớn hB và trường nhiễu động hD. Tiếp đến,
trường nhiễu động hD được tách ra thành hai phần nhiễu động gây ra do xoáy hav và
nhiễu động phi xoáy, hay trường mô trường quy mô nhỏ (hD – hav). Tổng của trường
môi trường quy mô lớn và trường môi trường quy mô nhỏ là trường môi trường hE.
Trường nền được tách ra bằng phép lặp thông qua hàm làm trơn trên lưới kinh
vĩ. Trước tiên, trường h được làm trơn theo chiều vĩ hướng bằng công thức:
h λ ,ϕ = hλ ,ϕ + K ( hλ−1,ϕ + hλ +1,ϕ − 2hλ ,ϕ )

(1.1)

Trong đó: h là trường cần được làm trơn, λ, ϕ lần lượt là kinh độ, vĩ độ. K là
tham số lọc có dạng như sau:
1
2π
(1 − cos ) −1
2
m

K=

(1.2)

Với m là tham số sẽ mang các giá trị khác nhau tương ứng với các bước lặp
khác nhau, để áp dụng cho việc làm trơn trường theo công thức (1.1), m lần lượt nhận
đúng các giá trị là: 2, 3, 4, 2, 5, 6, 7, 2, 8, 9.
Sau khi đã làm trơn và thu được trường h λ ,ϕ . Tiếp theo, trường này được làm
trơn theo chiều kinh hướng để xác định trường nền h Bλ ,ϕ :
hBλ,ϕ = h λ,ϕ + K ( h λ,ϕ −1 + h λ ,ϕ +1 − 2h λ ,ϕ )

(1.3)

Như đã trình bày ở trên Hình 1.1: trường nhiễu động hD được xác định là hiệu
của trường ban đầu h và trường nền h B. Xoáy phân tích được tách ra khỏi h D thông qua
phép lọc trên hệ tọa độ cực (r,θ) với gốc tọa độ tại tâm xoáy phân tích. Phép lọc này
được biểu diễn như sau:

{

}

hav ( r, θ ) = hD ( r, θ ) − hD ( r0 , θ ) E ( r ) + h D ( r 0 )[1 − E ( r )]

(1.4)

Trong đó, r0 là bán kính của miền lọc có độ lớn tùy theo mỗi cơn bão, r là bán
kính (0 ≤ r ≤ r0) và E(r) là hàm trọng số làm trơn có dạng:
E (r) =

e − ( r0 − r )

2

/l2

2

− e − r0 / l
2

1 − e − r0 / l

2

15

2

(1.5)


Trong đó: l là tham số của phép lọc, quy ước l=1/5r 0. Thấy rằng khi r=r0, E(r)
tiến đến đơn vị, do đó, trường xoáy phân tích không tồn tại ngoài bán kính này (hình
1.2 (a,b)).

(a)

(b)

Hình 1.2. (a)- Tỉ lệ độ nhạy của phép lặp với bước sóng, (b)- biến đổi hàm trọng số E
theo bán kính r, Nguồn: .
Hình 1.2a biểu diễn tỉ lệ giữa độ nhạy của phép lọc đối với bước sóng cho thấy
các sóng có độ dài sóng nhỏ hơn 9 o sẽ được lọc hoàn toàn, những sóng có độ dài sóng
càng lớn thì khả năng lọc sẽ giảm đi, tương ứng với khả năng lọc chỉ còn khoảng 82%,
60%, 32% lần lượt đối với các sóng bước sóng là 15 o, 20o,30o. .Ở đây những sóng dài
tương ứng với trường nền, sóng ngắn hơn ứng với trường nhiều động.
Hình 1.2b biểu diễn biến đổi của của hàm trọng số E(r) theo bán kính r trong
công thức (1.4). Đường thẳng đứng trong hình này biểu diễn độ nhạy của bán kính ảnh
hưởng đến phép lọc, với bán kính nằm trong khoảng từ r = r0 – l tới r = r0 phép lọc

được thực hiện nhiều nhất, do đây là khoảng bán kính mà nhiễu động phi xoáy tồn tại
nhiều nhất.
Trường nhiễu động hD được biểu diễn trong công thức 1.4 được coi là nhiễu do
xoáy gây ra nên xoáy chỉ tồn tại trong phạm vi chứa nhiễu động. Do đó, trường nhiễu
động trung bình được xác định bằng công thức:
h D ( r0 ) =

1
2π

∫h

D

( r0 , θ )dθ

(1.6)

Trong nghiên cứu đối với mô hình GFDL, Kurihara và cộng sự (1993) được
xây dựng với cả hai thành phân đối xứng và phi đối xứng. Thành phần xoáy đối xứng
được tạo ra bằng cách tích phân mô hình dự báo bão GFDL phiên bản đối xứng trục.
Thành phần phi đối xứng có vai trò quan trọng trong việc di chuyển của bão, được giả
thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa trên lý thuyết về hiệu ứngβ và xoắn β)
được tạo ra bởi dòng đối xứng . Để tạo ra thành phần gió phi đối xứng, phương trình
xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β được tích phân bằng cách sử dụng các
16


điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng trong nghiên cứu của Kurihara và của
Ross (1992).

Đối với thành phần gió đối xứng, một phân bố gió theo bán kính và mực mô
hình (r,σ) được gọi là phân bố gió mục tiêu được sử dụng để tính toán các trường còn
lại có dạng:
V ( r, σ ) = F (σ ) Vd ( r )

(1.7)

Trong đó: F là một hàm kinh nghiệm thể hiện trọng số của gió tiếp tuyến
phương thẳng đứng và Vd là phân bố gió tiếp tuyến tại đỉnh lớp biên có dạng:
r
r −r B
Vd ( r ) = V ( ra )( a ) A ( a
)
r
rb − ra

(1.8)

Với ra, rb, A, B là các tham số thực nghiệm. Trong suốt quá trình tích phân, gió
tiếp tuyến nhất thiết phải điều chỉnh từ 0 ở thời điểm ban đầu tới một giá trị gió tiếp
tuyến thực nghiệm vào thời điểm cuối của quá trình tích phân, thời điểm này thường
được lựa chọn là khoảng sau 60h. Điều này có thể được hiểu là bắt đầu từ trạng thái
tĩnh (gió tiếp tuyến và bán kính bằng không, khí áp, nhiệt độ và độ ẩm ban đầu là đồng
nhất theo bán kính), trong quá trình tích phân, gió tiếp tuyến được hiệu chỉnh dần về
gió mục tiêu trong khi trường khác được tự do biến đổi do tương tác giữa các trường
trong mô hình. Công thức hiệu chỉnh được xác định để gió tiếp tuyến biến đổi dần về
gió mục tiêu có dạng như sau:
τ
VR ( r, σ , t ) = VB ( r, σ ) exp(1 − )
t

(1.9)

Trong đó: t là thời gian, τ là qui mô thời gian điều chỉnh, VRlà phân bố gió tiếp
tuyến trong mô hình, VB là một phân bố gió tiếp tuyến mục tiêu xác định từ trước.
Sau mỗi bước thời gian tích phân của mô hình, gió tiếp tuyến V R dự báo bởi mô
hình ở bước thời gian trước sẽ được thay thế bằng:
VF =

VR + αυ
1+α

(1.10)

Trong đó: α là tham số trọng số liên quan đến quy mô thời gian của mô hình.
Tiếp theo sẽ xem xét đến thành phần phi đối xứng tạo ra bởi mô hình, như đã
trình bàybão, thành phần này được giả thiết là gây ra bởi bình lưu xoáy hành tinh (dựa
trên lý thuyết về hiệu ứng β và xoắn β) được tạo ra bởi dòng đối xứng . Để tạo ra thành
phần gió phi đối xứng, phương trình xoáy áp hướng không phân kỳ trên mặt phẳng β
được tích phân bằng cách sử dụng các điều kiện ban đầu từ xây dựng dòng đối xứng
17


trong nghiên cứu của Kurihara và Ross (1992). Sau đó thành phần gió phi đối xứng
này được xây dựng từ các thành phần phi đối xứng của xoáy bao gồm cả phương vị
của sóng số 1 và sóng số 2.
Các xoáy phi đối xứng được biểu diễn trên tọa độ trục (r, θ ) qua công thức như
sau:
ζ ( r, θ ) = ζ 0 ( r ) + ζ 1 ( r, θ ) + ζ 2 ( r, θ )

(1.11)

Khi đó trường gió có dạng:
V ( r, θ ) = V0 ( r ) + V1 ( r, θ ) + V2 ( r, θ )

(1.12)

Xét phương trình biểu diễn các thành phần tốc độ trên mặt phẳng β, trong hệ
trục tọa độ di chuyển với tốc độ là C khi đó, xoáy phi đối xứng đối các sóng có dạng:
∂ζ
= −(V1 .∇ζ 1 ) 0 − (V2 .∇ζ 2 ) 0 + (C.∇ζ 1 ) 0 − β ( j.V1 ) 0
∂t

(1.13)

∂ζ 1
= −V0 .∇ζ 1 − V1 .∇ζ 0 − (V1 .∇ζ 2 )1 − (V2 .∇ζ 1 )1 + C.∇ζ 0 + (C.∇ζ 2 )1 − β j.V0 − β ( j.V2 )1
∂t

(1.14)

∂ζ 2
= −V0 .∇ζ 2 − V2 .∇ζ 0 − (V1 .∇ζ 1 ) 2 + (C.∇ζ 1 ) 2 − β ( j.V1 ) 2
∂t

(1.15)

Sau khi các trường gió được xây dựng cho xoáy giả gồm cả thành phần đối
xứng và phi đối xứng thì các biến khác được điều chỉnh sao cho phù hợp với cấu trúc
của trường gió. Khi đã có được trường gió, áp suất bề mặt và độ cao địa thế vị được

ước tính bằng cách sử dụng phương trình phân kì. Nhiệt độ sau đó được tính toán từ
một mặt cắt thẳng đứng của độ cao địa thế vị sử dụng mối quan hệ thủy tĩnh .
Liu và cộng sự (1997) đã xây dựng xoáy giả từ mô hình tích phân với cải thiện
đáng kể trong cấu trúc nhiệt động lực của xoáy dẫn đến dự báo cường độ tốt hơn .
Ngoài ra, Đại học Quốc gia bang Pennsylvania, Trung tâm nghiên cứu khí quyển đã sử
dụng mô hình phi thủy tĩnh quy mô vừa phiên bản 5 (MM5) để tích phân các miền thô
nhất trong khoảng thời gian 48h. Sau đó xoáy được tích phân từ miền tính thô nhất tại
48h được chiết suất và kết hợp trở lại vào điều kiện ban đầu cho tất cả các miền tính.
Liu và cộng sự (1997) đã áp dụng kĩ thuật này cho cơn bão Andrew (1992), cơn bão
này có những đặc tính đặc biệt là: (1) Xoáy tích phân tại thời điểm 48h đạt tới cường
độ quan trắc vào thời điểm ban đầu của mô hình; (2) các trường khí tượng trong dòng
gió đông khu vực nhiệt đới tương đối chuẩn và có hướng di chuyển của xoáy bão di
chuyển lệch không đáng kể, chuyển động về hướng tây gần như không đổi trong suốt
48h tích phân . Các tác giả đưa ra kết luận rằng ban đầu hóa xoáy sử dụng mô hình
tích phân cho thấy sự cải thiện đáng kể về cấu trúc nhiệt động lực học của xoáy và dự
báo cường độ .
18


Gần đây nhất, trong các nghiên cứu của Nguyễn Văn Hiệp và Yi Leng Chen (2011)
đã xây dựng một phương pháp ban đầu hoá xoáy mới thông qua kỹ thuật chạy lặp và
áp dụng cho mô hình WRF (Weather Research and Forecasting Model). WRF phiên
bản V3 với mô đun cài xoáy mới được sử dụng để dự báo thử nghiệm cho cơn bão
Morakot (2009). Trong phương pháp ban đầu hoá xoáy này, các tác giả sử dụng hai
giả thiết: thứ nhất, trong một khoảng thời gian ngắn (< 1 giờ) bão di chuyển nhưng cấu
trúc của nó không thay đổi một cách đáng kể; thứ hai, cấu trúc bão tại thời điểm ban
đầu của mô hình là một hàm của các điều kiện môi trường như gió, nhiệt độ mặt nước
biển, độ đứt gió,… Trên cơ sở đó, thực hiện tích phân mô hình trong một khoảng thời
gian, dt (dt < 1 h), với trường áp mực biển nhân tạo tại thời điểm ban đầu phi đối
xứng. Trường áp mực biển nhân tạo được xây dựng từ công thức của Fujita (Fujita,

1952) sau khi được biến đổi thành dạng phi đối xứng. Sau vòng lặp thứ nhất, cấu trúc
xoáy ở cuối vòng lặp được sử dụng để xây dựng cấu trúc xoáy tại thời điểm ban đầu
cho vòng lặp thứ hai. Quá trình chạy lặp trên được thực hiện cho tới khi cường độ bão
tại thời điểm ban đầu gần với cường độ bão thực tế. Tuỳ vào trường hợp, số vòng lặp
thường giao động từ 30 tới 90 . Một số kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy sơ đồ
phân tích xoáy mới này có nhiều ưu điểm hơn hẳn các sơ đồ trước đây.
Các nghiên cứu trước đây khẳng định rằng ban đầu hóa xoáy là cần thiết để dự báo
tốt hơn với các mô hình quy mô vừa. T.Trong thực tế, không có phương pháp nào
trong các phương pháp trên là hoàn hảo và không phải tất cả các sơ đồ này đều được
thực hiện trong mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF . Do đó, khắc phục một
số hạn chế trong kĩ thuật ban đầu hóa xoáy sẽ cho kết quả dự báo tốt hơn. Tuy nhiên,
không thể phủ nhận rằng ban đầu hóa xoáy bằng phương pháp động lực đòi hỏi nguồn
tài nguyên tính toán lớn và đây là nhược điểm lớn nhất của phương pháp ban đầu hóa
xoáy này.
. Do đó, khắc phục một số hạn chế trong kĩ thuật ban đầu hóa xoáy sẽ cho kết quả
dự báo tốt hơn.
1.1.2. Phương pháp ban đầu hóa xoáy bằng hàm thực nghiệm
Ban đầu hóa xoáy dựa trên các hàm thực nghiệm là phương pháp xây dựng
xoáy có cường độ cấu trúc xác định dựa trên những hiểu biết về lí thuyết. Ưu điểm của
phương pháp này là không cần mô hình phiên bản đối xứng trục và thời gian tính toán
nhanh hơn, do đó đã có rất nhiều sơ đồ ban đầu hóa xoáy áp dụng phương pháp này.
Xoáy giả xây dựng bằng các hàm thực nghiệm về áp suất, gió tiếp tuyến được phát
triển lần đầu tiên bởi Fujita (1952). Sau đó có thêm một số tác giả như Chan và
Williams (1987), Iwasaki và cộng sự (1987),; Mathur (1991),; Davis và Low-Nam
(2001),; Kwon và Cheong (2009) tiếp tục phát triển các nghiên cứu dựa trên các hàm
19