Lựa chọn sơ đồ vi vật lý tối ưu trong mô hình WRF phục vụ dự báo trường nhiệt độ ở khu vực nam bộ trong giai đoạn bùng nổ gió mùa

TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG

KHOA: KHÍ TƢỢNG THỦY VĂN

ÂU THỊ THANH TÂM

LỰA CHỌN SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ TỐI ƢU TRONG
MÔ HÌNH WRF PHỤC VỤ DỰ BÁO TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ
Ở KHU VỰC NAM BỘ TRONG GIAI ĐOẠN
BÙNG NỔ GIÓ MÙA.
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƢ KHÍ TƢỢNG HỌC

Mã ngành: 52410221

Tp Hồ Chí Minh - 11/2017


TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG

KHOA: KHÍ TƢỢNG THỦY VĂN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỰA CHỌN SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ TỐI ƢU TRONG
MÔ HÌNH WRF PHỤC VỤ DỰ BÁO TRƢỜNG NHIỆT ĐỘ
Ở KHU VỰC NAM BỘ TRONG GIAI ĐOẠN
BÙNG NỔ GIÓ MÙA.
Sinh viên thực hiện: Âu Thị Thanh Tâm
MSSV: 0250010033
Khóa: 2013 – 2017
Giảng viên hƣớng dẫn: ThS. Phạm Thị Minh

Tp Hồ Chí Minh - 11/2017
2


TRƢỜNG ĐH TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA KHÍ TƢỢNG THỦY VĂN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 11 năm 2017

NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Khoa: KHÍ TƢỢNG THỦY VĂN
Bộ môn: KHÍ TƢỢNG
Họ và tên: ÂU THỊ THANH TÂM

MSSV: 0250010033

Ngành: KHÍ TƢỢNG HỌC

Lớp: 02DHKT

1. Tên đồ án: Lựa chọn sơ đồ vi vật lý tối ƣu trong mô hình WRF phục vụ dự báo
trƣờng nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ trong giai đoạn bùng nổ gió mùa.
2. Nhiệm vụ:
-

Sơ lƣợc về hoàn lƣu chung khí quyển trong giai đoạn bùng nổ gió mùa.

-

Tìm hiểu về mô hình WRF và 6 sơ đồ vi vật lý.

-

Khảo sát từng sơ đồ vi vật lý dự báo trƣờng nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ trong giai
đoạn bùng nổ gió mùa.

-

Phân tích kết quả trƣờng nhiệt độ thu đƣợc qua 6 sơ đồ vi vật lý ở khu vực Nam Bộ.

-

Đánh giá kết quả sai số dự báo của 6 sơ đồ vi vật lý so với số liệu quan trắc trong hạn
3 ngày.

3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/07/2017.
4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 05/11/2017.
5. Họ và tên ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Phạm Thị Minh.
Ngƣời hƣớng dẫn 1
(Ký và ghi rõ họ tên)

Ngƣời hƣớng dẫn 2
(Ký và ghi rõ họ tên)

Nội dung và yêu cầu đã đƣợc thông qua bộ môn

Ngày tháng

năm 2017

Trƣởng bộ môn
(Ký và ghi rõ họ tên)

3


LỜI CẢM ƠN
Trƣớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới ThS. Phạm Thị Minh, là ngƣời đã
tận tình chỉ bảo và hƣớng dẫn tôi hoàn thành đồ án này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô và
các cán bộ trong Khoa Khí tƣợng Thủy văn đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên
môn quý giá, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi
học tập và thực hành ở Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng Dự Báo Khí tƣợng, Trƣờng
Đại học Tài Nguyên và Môi Trƣờng thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi
trong thời gian hoành thành đồ án.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, ngƣời thân và bạn bè,
những ngƣời đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Tuy nhiên, trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp
khó tránh khỏi những sai sót do cơ sở lý luận và kinh nghiệm thực tiễn còn thiếu sót nên
em rất mong sự đóng góp ý kiến và thông cảm của các thầy, cô để em có thể rút kinh
nghiệm và học hỏi thêm kinh nghiệm cho những bài báo cáo sau này.
Em xin chân thành cám ơn!
TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 07 năm 2017
Sinh viên

ÂU THỊ THANH TÂM

4


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... 4
TÓM TẮT............................................................................................................................. 7
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................ 9
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................... 10
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................... 11
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ 14
CHƢƠNG 1 ........................................................................................................................ 16
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH WRF VÀ CÁC SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ. ............................... 16
1.1.

Mô hình WRF. ...................................................................................................... 16

1.1.1.

Giới thiệu mô hình WRF. ............................................................................... 16

1.1.2.

Các bƣớc chạy mô hình WRF. ....................................................................... 18

1.2.

Các sơ đồ vi vật lý................................................................................................. 19

CHƢƠNG 2 ........................................................................................................................ 24
ĐẶC ĐIỂM THỜI TIẾT GIAI ĐOẠN BÙNG NỔ GIÓ MÙA TẠI NAM BỘ VÀ

PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ. .......................................................................................... 24
2.1.

Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ. ................................. 24

2.1.1.

Giai đoạn bùng nổ gió mùa. ........................................................................... 24

2.1.2.

Các trung tâm tác động trong giai đoạn bùng nổ gió mùa. ............................ 26

2.1.3.

Đặc điểm thời tiết. .......................................................................................... 27

2.2.

Phƣơng pháp đánh giá.[3] ..................................................................................... 28

2.2.1.

Phƣơng pháp thống kê.................................................................................... 28

2.2.2.

Phƣơng pháp đánh giá dựa vào sai số căn quân phƣơng năng lƣợng trung

bình thể tích. ................................................................................................................ 29

CHƢƠNG 3 ........................................................................................................................ 30
5


KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM .................................................................................................. 30
3.1.

Thiết kế thí nghiệm. .............................................................................................. 30

3.1.1.

Cấu trúc miền lƣới. ......................................................................................... 30

3.1.2.

Giai đoạn thử nghiệm. .................................................................................... 31

3.1.3.

Các trƣờng hợp thử nghiệm. .......................................................................... 32

3.2.

Kết quả thí nghiệm. ............................................................................................... 33

3.2.1.

Các mô phỏng hoàn lƣu qui mô lớn. .............................................................. 33

3.2.2.

Trƣờng nhiệt độ. ............................................................................................. 50

KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 63

6


TÓM TẮT
1. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án.
- Mục tiêu: Tìm đƣợc sơ đồ vi vật lý dự báo hiệu quả trƣờng nhiệt độ ở Nam Bộ trong
thời kỳ bùng nổ gió mùa.
- Nhiệm vụ:
 Sơ lƣợc về hoàn lƣu chung khí quyển thời kỳ bùng nổ gió mùa.
 Tìm hiểu về các mô hình WRF và 6 sơ đồ vi vật lý.
 Khảo sát từng sơ đồ vi vật lý dự báo trƣờng nhiệt độ ở Nam bộ thời kỳ bùng nổ gió
mùa.
 Phân tích kết quả trƣờng nhiệt độ thu đƣợc qua 6 sơ đồ vi vật lý ở khu vực Nam
Bộ.
 Đánh giá kết quả sai số dự báo của 6 sơ đồ vi vật lý so với số liệu quan trắc trong
hạn 3 ngày.
2. Phƣơng pháp nghiên cứu.
Sử dụng phƣơng pháp dự báo số trị.
Sử dụng mô hình WRF (Weather Research Forecasting).
3. Nội dung và phạm vi nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu:
 Không gian nghiên cứu: Trƣờng nhiệt độ trong khu vực Nam Bộ.
 Thời gian nghiên cứu: giai đoạn bùng nổ gió mùa cuối tháng 4 và đầu tháng 5 năm
2009.

- Nội dung nghiên cứu:
 Tìm hiểu sơ lƣợc về mô hình WRF.
 Tổng quan về các sơ đồ tham số hoá vi vật lý.
 Tìm hiều về đặc điểm thời tiết trong giai đoạn bùng nổ gió mùa ở khu vực
Nam Bộ.
7


 Thử nghiệm dự báo trƣờng nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ hạn 3 ngày.
 Phân tích các kết quả thu đƣợc.
4. Kết quả.
Kết quả thu đƣợc, trong giai đoạn chuyển mùa năm 2009 thì sơ đồ vi vật lý của tác
giả Lin, tác giả Eta và sơ đồ vi vật lý WSM 6 cho kết quả dự báo trƣờng nhiệt tại Nam Bộ
là hiệu quả nhất so với các sơ đồ vi vật lý khác.

8


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
NCEP
TN1
TN2
TN3
TN4
TN5
TN6

Trung tâm quốc gia dự báo môi trƣờng Hoa Kỳ
Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Kessler
Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Lin

Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 3
Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 5
Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý Eta
Dự báo trƣờng nhiệt độ với sơ đồ vi vật lý WSM 6

9


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Tóm tắt các sơ đồ vi vật lý. ................................................................................ 19
Bảng 1.2. Các lựa chọn vi vật lý......................................................................................... 20
Bảng 1.3. Sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ thể. ........ 21
Bảng 3.1. Giai đoạn thử nghiệm. ........................................................................................ 32
Bảng 3.2. Danh sách các trƣờng hợp thử nghiệm. ............................................................. 32
Bảng 3.3. Danh sách các trạm khí tƣợng thủy văn ở Nam Bộ. .......................................... 55
Bảng 3.4. Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 29/04/2009 của mô hình WRF ứng với
từng sơ đồ vi vật lý. ............................................................................................................ 56
Bảng 3.5. Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 30/04/2009 của mô hình WRF ứng với
từng sơ đồ vi vật lý. ............................................................................................................ 57
Bảng 3.6. Sai số tuyệt đối nhiệt độ trung bình ngày 01/05/2009 của mô hình WRF ứng với
từng sơ đồ vi vật lý. ............................................................................................................ 59

10


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống của mô hình WRF. .................................................................... 17
Hình 3.1. Cấu trúc miền tính. ............................................................................................. 31
Hình 3.2. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 850hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3;
e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/4/2009. ............................................................. 34

Hình 3.3. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 850hPa a)ANA; b) TN1; c)TN2; d)TN3;
e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. ........................................................... 35
Hình 3.4. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 500hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3;
e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009. .......................................................... 37
Hình 3.5. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 500hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3;
e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. ........................................................... 38
Hình 3.6. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 200hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3;
e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009. .......................................................... 39
Hình 3.7. Bản đồ đƣờng dòng và tốc độ gió mực 200hPa a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3;
e) TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. .......................................................... 40
Hình 3.8. Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đƣờng đẳng tốc độ cách nhau 2
ms-1 lúc 00 UTC ngày 30 tháng 04 năm 2009; Mặt cắt theo phƣơng kinh tuyến của gió vĩ
tuyến (U) dọc theo 106.70E a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc
00h ngày 30/04/2009. ......................................................................................................... 42
Hình 3.9. Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đƣờng đẳng tốc độ cách nhau 2
ms-1 lúc 00 UTC ngày 30 tháng 04 năm 2009; Mặt cắt theo phƣơng vĩ tuyến của gió kinh
tuyến (V) dọc theo 10.80N a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc
00h ngày 30/04/2009. ......................................................................................................... 43
Hình 3.10. Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đƣờng đẳng tốc độ cách nhau 2
ms-1 lúc 00 UTC ngày 01 tháng 05 năm 2009; Mặt cắt theo phƣơng kinh tuyến của gió vĩ

11


tuyến (U) dọc theo 106.70E a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g) TN6 lúc
00h ngày 01/05/2009. ......................................................................................................... 44
Hình 3.11. Mặt cắt thẳng đứng của thành phần gió với các đƣờng đẳng tốc độ cách nhau 2
ms-1 lúc 00 UTC ngày 01 tháng 05 năm 2009; Mặt cắt theo phƣơng vĩ tuyến của gió kinh
tuyến (V) dọc theo 10.80N a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6 lúc
00h ngày 01/05/2009. ......................................................................................................... 45

Hình 3.11. Sai số tốc độ gió mực 500hPa (m/s) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4;e)TN5 và
f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009. ........................................................................................ 46
Hình 3.12. Sai số tốc độ gió mực 500hPa (m/s) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4;e)TN5 và
f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. ........................................................................................ 47
Hình 3.13. Sai số độ cao địa thế vị mực 500hPa (m2/s2) a)TN1; b)TN2;c)TN3; d)TN4;
e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009. ........................................................................ 48
Hình 3.14. Sai số độ cao địa thế vị mực 500hPa (m2/s2) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4;
e)TN5 và f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. ........................................................................ 49
Hình 3.15. Trƣờng nhiệt độ 2m a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6
lúc 00h ngày30/04/2009. .................................................................................................... 51
Hình 3.16. Trƣờng nhiệt độ 2m a)ANA; b)TN1; c)TN2; d)TN3; e)TN4; f)TN5 và g)TN6
lúc 00h ngày 01/05/2009. ................................................................................................... 52
Hình 3.17. Sai số nhiệt độ mực 500hPa (độ C) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4; e)TN5 và
f)TN6 lúc 00h ngày 30/04/2009. ........................................................................................ 53
Hình 3.18. Sai số nhiệt độ mực 500hPa (độ C) a)TN1; b)TN2; c)TN3; d)TN4; e)TN5 và
f)TN6 lúc 00h ngày 01/05/2009. ........................................................................................ 54
Hình 3.19. Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 29/04/2009 1)TN1;
2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6. ............................................................................. 60
Hình 3.20. Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 30/04/2009 1)TN1;
2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6. ............................................................................. 60

12


Hình 3.21. Trung bình sai số tuyệt đối của nhiệt độ trung bình ngày 01/05/2009 1)TN1;
2)TN2; 3)TN3; 4)TN4; 5)TN5; 6)TN6. ............................................................................. 61

13

MỞ ĐẦU
Hiện tại trong mô hình WRF có đến 6 sơ đồ vi vật lý, ứng với mỗi sơ đồ có một chỉ
số riêng và tạo ra một dự báo riêng biệt. Các sơ đồ vi vật lý trên mô phỏng các quá trình
giáng thuỷ, mây và bốc hơi. Trong khi đó một số nghiên cứu trƣớc đây đã chỉ ra rằng chỉ
một thay đổi nhỏ trong sơ đồ vi vật lý có thể dẫn đến kết quả dự báo rất khác nhau mặc dù
điều kiện ban đầu nhƣ nhau, nhất là đối với mƣa lớn hoặc xoáy thuận nhiệt đới (Zhu,
2005; Vich và Romero, 2010; Byun và ccs, 2007; Li và Pu, 2009; Im và ccs, 2007; Kiều
và Zhang, 2010; Pu, 2011, Kiều và ccs, 2013). Do đó khi sử dụng các sơ đồ vi vật lý khác
nhau trong mô hình WRF cũng sẽ tạo ra các kết quả dự báo khác nhau. Tuy nhiên sơ đồ
nào là hữu ích cho việc dự báo thời tiết nói chung và dự báo trƣờng nhiệt độ nói riêng vẫn
chƣa đƣợc nghiên cứu nào đề cập tới. Mặc dù có những nghiên cứu kết hợp các sơ đồ vi
vật lý trên để tạo thành một dự báo tổ hợp khá hiệu quả (Kiều và ccs 2013), song việc xây
dựng hệ thống đáp ứng cho dự báo tổ hợp vẫn là một thách thức lớn đối với các đài dự
báo Khí tƣợng thuỷ văn khu vực. Trong khi đó hiện nay, với sự phát triển không ngừng
của khoa học máy tính thì sản phẩm của mô hình dự báo số đóng góp một phần quan
trọng trong bản tin dự báo hàng ngày. Do đó việc ứng dụng các mô hình dự báo số trong
các trung tâm, các đài Khí tƣợng Thuỷ văn là rất cần thiết. Tuy nhiên do hạn chế về kinh
phí nên không thể phát triển hệ thống dự báo tổ hợp cho tất cả các đài, các trung tâm dự
báo. Vì vậy cần thực hiện một dự báo đơn tốt nhất với một lựa chọn sơ đồ vi vật lý tối ƣu
là việc cần làm trƣớc mắt. Song hiện tại chƣa có một nghiên cứu nào khảo sát các sơ đồ vi
vật lý trong mô hình WRF để tìm ra một sơ đồ tối ƣu phục vụ dự báo trƣờng nhiệt độ ở
khu vực Nam Bộ. Vì vậy trong đồ án tốt nghiệp này tôi xin đề xuất đề tài “Lựa chọn sơ đồ
vi vật lý tối ưu trong mô hình WRF phục vụ dự báo trường nhiệt độ ở khu vực Nam Bộ
trong thời kỳ bùng nổ gió mùa”.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung của đồ án có bố cục gồm 3 phần:
1. Chƣơng 1: Tổng quan về mô hình WRF và sơ đồ vi vật lý.
2. Chƣơng 2: Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ và phƣơng
pháp đánh giá.

14

3. Chƣơng 3: Kết quả thí nghiệm.

15


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH WRF VÀ CÁC SƠ ĐỒ VI VẬT LÝ.
1.1.

Mô hình WRF.

1.1.1. Giới thiệu mô hình WRF.
Mô hình WRF là kết quả của sự hợp tác nghiên cứu của một số trung tâm nghiên
cứu của Mỹ và các trung tâm khí tƣợng quốc tế. Ngoài những thành viên sáng lập nêu
trên, còn có rất nhiều các học viện, trƣờng đại học và nhà nghiên cứu khí tƣợng tại Mỹ và
trên toàn thế giới tham gia vào dự án phát triển mô hình WRF. Một cách khái quát, mô
hình WRF là một hệ thống mô hình hóa hết sức hiện đại, linh hoạt và tối ƣu cho cả mục
đích nghiên cứu cũng nhƣ chạy nghiệp vụ. Mô hình WRF cho phép sử dụng các tùy chọn
khác nhau đối với tham số hóa các quá trình vật lý, nhƣ tham số hóa bức xạ, tham số hóa
lớp biên hành tinh, tham số hóa đối lƣu mây tích, khuyếch tán xoáy rối quy mô dƣới lƣới
hay các quá trình vi vật lý khác. Mô hình WRF hiện nay có 2 phiên bản đó là NNM
(Nonhydrostatic Meso Model) và ARW (Advanced Research WRF).
Các mô hình WRF là một mô hình hoàn toàn chịu nén và phi thủy tĩnh (với một
thời gian chạy thủy tĩnh nhất định). Hệ toạ độ ngang là lƣới so le Arakawa C, hệ toạ độ
thẳng đứng là hệ toạ độ khối theo địa hình. Lƣới dao động là lƣới C Arakawa. Bƣớc thời
gian sai phân Runge-Kutta bậc 3 đƣợc sử dụng đối với các số sóng âm thanh và sóng
trọng trƣờng, sai phân bậc 2 đến bậc 6 đƣợc sử dụng cho cả phƣơng ngang và phƣơng
thẳng đứng. Nó sử dụng các bƣớc thời gian đƣợc chia nhỏ cho các sóng âm thanh và sóng

trọng trƣờng. Các động lực đƣợc bảo toàn với các biến vô hƣớng.
Các mã số mô hình WRF có chứa một chƣơng trình khởi tạo (hoặc cho dữ liệu
thực, real.exe, hoặc dữ liệu lý tƣởng hóa, ideal.exe), một chƣơng trình hội nhập số
(wrf.exe), một chƣơng trình để làm tổ một chiều (ndown.exe) và một chƣơng trình để làm
cơn bão nhiệt đới giả (tc.exe). Các mô hình WRF, phiên bản 3, hỗ trợ một loạt các khả
năng. Bao gồm:
 Mô phỏng dữ liệu thực và dữ liệu lý tƣởng hóa.
16


 Tùy chọn điều kiện biên khác nhau cho mô phỏng dữ liệu thực và lý tƣởng
hóa.
 Lựa chọn vật lý đầy đủ, và các tùy chọn lọc khác nhau.
 Chƣơng trình bình lƣu dƣơng định.
 Phi thủy tĩnh và thủy tĩnh (tùy chọn thời gian chạy).
 Lồng ghép miền tính một chiều và 2 chiều và lựa chọn miền tính lồng ghép
di động.
 Những ứng dụng cho khu vực và toàn cầu.

Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống của mô hình WRF.[7]
Nhƣ thể hiện trong biểu đồ, các mẫu hệ thống WRF bao gồm những chƣơng trình lớn:


Hệ thống tiền xử lý WRF (WPS).



WRF-DA.



ARW Solver.



Các công cụ trực quan.
Hệ thống tiền xử lý WRF (WPS) chƣơng trình này đƣợc sử dụng chủ yếu trong

việc mô phòng dữ liệu. Chức năng của nó bao gồm:
17


 Xác định các lĩnh vực mô phỏng.
 Nội suy dữ liệu trên cạn (nhƣ địa hình, sử dụng đất, loại đất) để mô phỏng các
miền.
 Đọc và nội suy dữ liệu khí tƣợng từ một mô hình để mô phỏng miền này.
Các tính năng chính của nó bao gồm:
 Đọc 1/2 dữ liệu khí tƣợng từ các trung tâm khác nhau trên khắp thế giới.
 USGS 24 thể loại và các bộ dữ liệu MODIS đất 20 loại; USGS Gtopo 30 bộ dữ
liệu độ cao; Toàn cầu, 5-phút United Nation FAO, và Bắc Mỹ STATSGO 30 sec
loại đất dataset; 10-min dữ liệu màu xanh phần dựa trên AVHRR và 30-sec màu
xanh phần dữ liệu dựa trên 10 năm MODIS; MODIS dựa trên chỉ số lá khu
vực; 0,15 độ phản xạ và tuyết albedo dữ liệu hàng tháng; và 1 độ dài dữ liệu nhiệt
độ đất sâu; cộng thêm một vài bộ dữ liệu chuyên ngành.
 Bản đồ dự báo cho lập thể cực, Lambert, Mercator và vĩ độ - kinh độ.
 Làm thành tổ.
 Giao diện để nhập dữ liệu tĩnh.
ARW Solver đây là bộ phận quan trọng của hệ thống làm mô hình, trong đó bao
gồm một số các chƣơng trình khởi tạo cho lý tƣởng hóa và mô phỏng thực dữ liệu, và các
chƣơng trình lấy tích phân bằng số.[7]

1.1.2. Các bƣớc chạy mô hình WRF.
Bƣớc 1: Chạy file ./ geogrib.exe để xác định phạm vi và vị trí các lƣới lồng trong miền
tính. Kết quả có dạng: geo.emd01.nc
Bƣớc 2: Chạy ./ link grib.esh .. / data / 2009042900/ * ./
Bƣớc 3: Chạy file ./ ungrib.exe để tạo ra các file dữ liệu khí tƣợng. Và kết quả tạo ra là
các file có dạng FILE *
Bƣớc 4: Chạy file ./ metgrib để nội suy ngang các thông số khí tƣợng. Và cho kết quả
dạng: met_em.d01.*

18


Ở trên đã hoàn tất 3 bƣớc cơ bản để chạy hệ thống tiền xử lý WRF (WPS), tiếp
theo sẽ là các bƣớc chạy hệ thống WRFV3. Kết quả của hệ thống WPS sẽ là dữ liệu đầu
vào cho hệ thống WRFV3.
Bƣớc 5: Chạy ./ real.exe và ./ wrf.exe để tích phân hệ thống các chƣơng trình dự báo
trong mô hình. Kết quả sẽ tạo ra đƣợc file wrfout_d01* và đƣợc dùng làm dữ liệu đầu vào
để vẽ.
1.2.

Các sơ đồ vi vật lý.

Vi vật lý bao gồm giải quyết một cách rõ ràng hơi nƣớc, điện toán đám mây, và
các quá trình giáng thuỷ. Mô hình này là nói chung đủ để chứa bất kỳ số lƣợng các biến
trộn tỷ lệ khối lƣợng, và số lƣợng khác nhƣ nồng độ số.
Bảng 1.1. Tóm tắt các sơ đồ vi vật lý.[7]
1

Kessler

Kessler (1969)

2

Lin (Purdue)

3

WSM3

HSM3 Farley và Orville (1983, JA

2004

4

WSM5

Hồng, Black và Chen (2004, MWR)

2004

5

Và (Ferrier)

6

WSM6

Hồng và Lim (2006, JKMS)

2004

7

Goddard

Tao, Simpson và MeCumber (1989,MWR)

2008

8

Thompson

Rasmussen và Hall (2008, MWR)

2009

9

Milbrandt 2-mom

Milbrandt và Yau (2005, JAS)

2010

10

Morrison 2-mom

Morrison, Thompson và Tatarskin (2009,MWR)

2008

11

CAM 5.1

Neale et al (2012,NCAR Tech Note)

2013

12

SBU cao nhất

Lim và Colle (2011,MWR)

2011

13

WDM5

Lim và Hồng (2010, MWR)

2009

14

WDM6

Lim và Hồng (2010, MWR)

2009

15

NSSL, 2-mom

Mansell, Ziegler và Bruning (2010, JAS)

2012

Lin, Farley và Orville (1983, JACM)

Rogers, Black, Ferrier, Lin, Parrish và
DiMego ( 2001, Wed doc)

19

2000
2000

2000


16

NSSL 2 mom w/
CCN dự đoán

Mansell, Ziegler và Bruning (2010, JAS)

2012

17

NSSL 1-mom

2013

18

NSSL 1-momlfo

2013

19

20

21

Thompson
aerosol-aware

Thompson và Eidhanmer (2014, JAS)

2014

Khain et al. (2010, JAS)

2014

Khain et al. (2004, JAS)

2014

HUJI SBM
„nhanh‟
HUJI SBM „đầy
đủ‟

Bảng 1.2. Các lựa chọn vi vật lý.[7]
Scheme

Number of

Ice-Phase

Mixed-

Variables

Processes

Phase

Processes

Kessler

3

N

N

Purdue Lin

6

Y

Y

WSM3

3

Y

N

WSM6

5

Y

N

WSM6

6

Y

Y

Eta GCP

2

Y

Y

Thompson

7

Y

Y

Goddard

6

Y

Y

Morrison 2-Moment

10

Y

Y

Trong nghiên cứu này chúng tôi lựa chọn sơ đồ vật lý tối ƣu trong số 6 sơ đồ đƣợc
đƣa ra ở bảng 1.3.[8]

20


Bảng 1.3. Sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF ứng với các option cụ
thể.
Sơ đồ tham số hóa

Các option

Kí hiệu

= 1, Kessler scheme
= 2, Lin et al. scheme

= 3, WSM 3-class simple ice scheme
Vi vật lý

mp_physics
= 4, WSM 5-class scheme
= 5, Ferrier (new Eta) microphysics
= 6, WSM 6-class graupel scheme
= 1, Kain-Fritsch (new Eta) scheme

Đối lƣu

cu_physics
= 2, Betts-Miller-Janjic scheme

1.

Sơ đồ Kessler (1969): đƣợc lấy từ mô hình COMMOS (Wicker and Wilhelmson,

1995), là một chƣơng trình điện toán đám mây ấm đơn giản mà bao gồm hơi nƣớc, nƣớc
mây, mƣa. Các quá trình vi vật lý bao gồm có: sản xuất, giáng thủy và bốc hơi mƣa; sự
bồi tụ và tự động chuyển đổi của nƣớc đám mây; và sản xuất nƣớc đám mây từ ngƣng
tụ.[6]
2.

Sơ đồ Lin (Purdue) (1983): sơ đồ tinh vi mà có các quy trình băng, tuyết và

graupel, thích hợp cho việc mô phỏng thực dữ liệu độ phân giải cao. Sáu loại
hydrometeors đƣợc bao gồm: hơi nƣớc, nƣớc mây, mƣa, mây băng, tuyết và graupel. Tất
cả các điều khoản tham số hóa sản xuất dựa trên Lin et al.(1983) và Rutledge và Hobbs
(1984) với một số sửa đổi, bao gồm điều chỉnh độ bão hòa sau Tao et al.(1989) và đá trầm

tích. Đây là một chƣơng trình vi vật lý tƣơng đối phức tạp trong WRF, và nó là thích hợp
nhất để sử dụng trong các nghiên cứu. Các sơ đồ đƣợc lấy từ mô hình điện toán đám mây
Purdue, và các chi tiết có thể đƣợc tìm thấy trong Chen và Sun (2002). [6]

21


3.

Sơ đồ WSM3 (dựa trên Hong et al.(2004)): bao gồm cả trầm tích băng và tham số

băng. Một sự khác biệt lớn so với các cách tiếp cận khác là rằng một mối quan hệ đoán
đƣợc sử dụng để tập trung số lƣợng băng đó là dựa trên nội dung của khối băng chứ
không phải là nhiệt độ. Các tính toán thủ tục đƣợc mô tả trong Hồng và Lim (2006). Nhƣ
với WSM5 và WSM6, các quá trình đông lạnh/nóng chảy đƣợc tính trong mùa thu hạn
phụ bƣớc để tăng độ chính xác trong hồ sơ cá nhân sƣởi ấm dọc của các quá trình này.
Thứ tự của các quá trình này cũng đƣợc tối ƣu hóa để giảm sự nhạy cảm của đề án đến
các bƣớc thời gian của mô hình. Sơ đồ WSM3 dự đoán ba loại thủy mét: hơi, mây
nƣớc/nƣớc đá, và mƣa/tuyết, mà là một chƣơng trình đơn giản gọi là băng. Nó sau Dudhia
(1989) trong giả định nƣớc đám mây và mƣa cho nhiệt độ trên đóng băng, và đám mây
băng và tuyết cho nhiệt độ dƣới mức đóng băng. Sơ đồ này là tính toán hiệu quả cho sự
bao gồm các quá trình băng, nhƣng lại thiếu nƣớc siêu lạnh và tỷ lệ tan dần. [6]
4.

Sơ đồ WSM5: Sơ đồ này cũng tƣơng tự nhƣ các sơ đồ băng đơn giản WSM3. Tuy

nhiên, hơi nƣớc, mƣa, tuyết, đám mây băng, và nƣớc đám mây đƣợc tổ chức trong năm
mảng khác nhau. Do đó, nó cho phép nƣớc siêu lạnh để tồn tại, và một tan dần tuyết rơi
xuống dƣới lớp nóng chảy. Thông tin chi tiết có thể đƣợc tìm thấy tại Hong et al.(2004),
và Hong and Lim (2006). Nhƣ với WSM6, các dựa theo sự điều chỉnh của Dudhia (1989)

và Hong et al.(1998) trong quá trình xử lý riêng lẽ nƣớc đá và độ bão hòa nƣớc, chứ
không phải là một bão hòa kết hợp nhƣ Purdue Lin (trên) và sơ đồ Goddard Tao et al.
1989). [6]
5.

Sơ đồ vi vật lí Eta: Các vi vật lý hoạt động trong mô hình NCEP. Một kế hoạch

hiệu quả đơn giản với các quá trình hỗn hợp pha chẩn đoán. Đối với độ phân giải tốt
(<5km) sử dụng tùy chọn (5) và cho độ phân giải thô sử dụng tùy chọn (95). Điều này
cũng đƣợc biết đến nhƣ EGCP01 hoặc các chƣơng trình Eta Ferrier. Các chƣơng trinh dự
đoan những thay đổi trong hơi nƣớc và nƣớc ngƣng tụ trong các hình thức của nƣớc mây,
mƣa, mây băng, và lƣợng mƣa băng (tuyết/graupel/mƣa đá). Các mảng mây, mƣa, sƣơng
mù cá nhân đƣợc kết hợp thành tổng phần ngƣng tụ. Mảng lƣu trữ địa phƣơng giữ lại dự
đoán đầu tiên thông tin trích xuất đóng góp của nƣớc mây, mƣa, mây băng, và lƣợng mƣa
đá mật độ biến ở dạng tuyết, graupel, mƣa đá. Mật độ của lƣợng mƣa băng đƣợc ƣớc tính
22


từ một mảng cục lƣu trữ thông tin về tốc độ tăng trƣởng tổng băng bởi lắng đọng hơi và
bồi tụ của nƣớc lỏng. [6]
6.

Sơ đồ WSM6: là mở rộng của sơ đồ WSM5 bao gồm graupel và các quá trình liên

quan của nó. Một số các điều khoản liên quan đến graupel theo Lin et al. (1983), nhƣng
đó là hoạt động băng pha có nhiều sự khác nhau do sự thay đổi của Hồng et al. (2004).
Một phƣơng pháp mới cho đại diện cho hỗn hợp pha tốc hạt rơi cho tuyết và graupel hạt
bằng cách gán một tốc độ rơi duy nhất cho cả hai đó là tỷ trọng bởi tỷ lệ pha trộn, và áp
dụng mà tốc độ rơi để cả hai quá trình lắng đọng trầm tích và bồi tụ đƣợc giới thiệu
(Dudhia et al, 2008.). Các hoạt động của các sơ đồ WSM3, WSM5, và WSM6 khác chút

ít đối với lƣới điện quy mô trung thô, nhƣng chúng tạo nên nhiều cách khác nhau trên việc
giải quyết lƣới điện toán đám mây. Trong ba sơ đồ WSM, sơ đồ WSM6 là thích hợp nhất
cho việc giải quyết lƣới điện toán đám mây, xem xét hiệu quả và lý thuyết nền (Hồng và
Lin, 2006). [6]

23


CHƢƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM THỜI TIẾT GIAI ĐOẠN BÙNG NỔ GIÓ MÙA TẠI
NAM BỘ VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ.
2.1.

Đặc điểm thời tiết giai đoạn bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ.

2.1.1. Giai đoạn bùng nổ gió mùa.
Giai đoạn bùng nổ gió mùa liên quan chặt chẽ đến sự thay thế đột ngột mùa khô
bởi mùa mƣa trong chu kì hàng năm và sự biến đổi của nó là nguyên nhân chính dẫn đến
những thảm họa thiên nhiên nhƣ lũ lụt, hạn hán trên một phạm vi rộng lớn. Thời tiết các
tỉnh Nam Bộ có hai mùa rõ rệt và gần nhƣ trùng với hai mùa gió mùa có hƣớng hoàn toàn
trái ngƣợc nhau, do hai hệ thống khí áp hoàn toàn trái ngƣợc nhau khống chế trên phần
lớn lãnh thổ châu Á gây nên. Đó là mùa mƣa ở khu vực Nam Bộ gần nhƣ trùng với mùa
gió mùa mùa hè, còn gọi là gió mùa tây nam, hƣớng gió thịnh hành trong mùa mƣa từ
nam đến tây nam. Còn mùa khô gần trùng với gió mùa mùa đông, còn gọi là gió mùa
đông bắc, hƣớng gió thịnh hành biến đổi từ bắc đến đông bắc. Hoàn lƣu của khu vực Nam
Bộ là hoàn lƣu gió mùa của một vùng ven biển nằm sâu trong khu vực nội chí tuyến, điều
đặc biệt là có sự tƣơng phản sâu sắc giữa hai mùa gió mùa mùa đông và mùa hè.
Từ tháng 11 đến tháng 3 là thời kỳ hoạt động mạnh của áp cao lục địa, từng đợt
không khí lạnh tràn xuống phía nam có ảnh hƣởng ít nhiều đến thời tiết Nam Bộ. Ngoài
ra, Nam Bộ còn chịu ảnh hƣởng mạnh mẽ của tín phong. Trong thời kỳ này gió mùa đông

bắc (từ cao áp lục địa) và đới gió tín phong (từ rìa phía nam của cao áp phó nhiệt đới) đều
có hƣớng đông bắc. Trong các tháng đầu mùa khô (từ tháng 1 đến tháng 1), gió mùa đông
bắc làm cho thời tiết Nam Bộ hơi lạnh, đôi khi có mƣa nhỏ, lƣợng mƣa phân bố không
đều, chủ yếu chịu ảnh hƣởng của địa hình. Trong trƣờng hợp có nhiễu động sóng đông thì
mƣa đều cả khu vực. Trong các tháng cuối mùa khô (từ tháng 2 đến tháng 3), gió thịnh
hành có hƣớng đông đông bắc đến đông, thời tiết chủ yếu là ít mây, không mƣa hoặc mƣa
nhỏ. Cuối tháng 3 đến nửa đầu tháng 4, các khối không khí lạnh lục địa từ phƣơng bắc đã
bắt đầu suy yếu và biến tính, trong khi các khối không khí nhiệt đới hoặc xích đạo bắt đầu
đƣợc tăng cƣờng và dịch dần lên phía bắc, tạo nên loại thời tiết nắng nóng, oi bức gay gắt,
24


chiều tối có thể có dông nhiệt và mƣa rào. Đây là thời kỳ chuyển tiếp từ mùa khô sang
mùa mƣa. Thời kỳ gió mùa mùa hè (từ tháng 5 đến tháng 9), áp thấp nóng Ấn Miến hoạt
động mạnh và lấn sang phía đông, các khối không khí thịnh hành ở khu vực Nam Bộ và
nam Biển Đông là không khí từ phía nam di chuyển lên, tạo nên gió mùa tây nam. Thời
kỳ này là mùa mƣa ở khu vực Nam Bộ và cũng là thời kỳ mà các xoáy thuận nhiệt đới
(bão, áp thấp nhiệt đới) hoạt động trên Tây Thái Bình Dƣơng và Biển Đông, làm cho
lƣợng mƣa tăng lên. Tháng 10, trong thời kỳ này sự tranh chấp giữa các hệ thống cũng
khá quyết liệt, gió tây nam bắt đầu suy yếu. Tuy nhiên, do những nhiễu động nhiệt đới lùi
dần xuống phía nam nên mùa mƣa ở Nam Bộ vẫn tiếp diễn, có năm mà tháng 10 sẽ đạt
lƣợng mƣa cực đại trong năm nếu có nhiều cơn bão, áp thấp nhiệt đới hoạt động trên Biển
Đông. Tháng 11 do chịu ảnh hƣởng bởi các đợt không khí lạnh lục địa tràn xuống phía
nam, gây nên những đợt gió mùa đông bắc có cƣờng độ khá mạnh, làm đẩy lùi các nhiễu
động xuống vùng vĩ độ càng thấp, đồng thời do không khí lạnh ảnh hƣởng làm cho các
nhiễu động này yếu đi, nên lƣợng mƣa cũng giảm dần.[1]
Về đầu mùa hạ không chỉ duy nhất có tác động của hạ áp nhiệt đƣợc hình thành ở
trên lục địa. Tuy hạ áp này đã đƣợc hình thành ở tây bắc Ấn Độ, nhƣng gió mùa lại bắt
dầu từ nam Trung Quốc, sau phát triển sang Mianma, còn ở Ấn Độ lúc đó vẫn chƣa xuất
hiện mƣa rào, tuy nhiệt độ ở đây vào tháng 4 đã có giá trị cực đại, nhƣng một tháng sau

đó gió mùa mới xuất hiện.
Sở dĩ có hiện tƣơng trên là do đầu mùa hè đới gió tây phát triển về phía nam
Himalaya đến cả độ cao 8km tạo thành một rãnh thấp ở trên cao theo hƣớng kinh tuyến ở
vịnh Bengal. Chính rãnh thấp này tạo điều kiện cho đới gió đông ở trên cao Trung Quốc,
Mianma hình thành, đây là dòng thổi về xích đạo, là một bộ phận của hoàn lƣu mùa hè
giữ vai trò quan trọng trong quá trình xác lập gió mùa hè
Vào cuối tháng 4, đầu tháng 5 dòng gió tây trên cao bỗng đột ngột chuyển về phía
bắc khối Tây Tạng - Himalaya và rãnh thấp trên cao theo hƣớng kinh tuyến tiến về phía
tây. Nhƣ vậy dòng gió đông trên cao đƣợc xác lập ở trên Ấn Độ mở đƣờng cho gió mùa

25