(Luận văn thạc sĩ) thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão trên khu vực biển đông hạn 5 ngày bằng mô hình RAMS với số liệu ECMWF luận văn ths khí tượng học 62 44 02 22

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

TRẦN QUỲNH TRANG

THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐƠNG
HẠN 5 NGÀY BẰNG MƠ HÌNH RAMS VỚI SỐ LIỆU ECMWF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014


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

Trần Quỳnh Trang

THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐƠNG
HẠN 5 NGÀY BẰNG MƠ HÌNH RAMS VỚI SỐ LIỆU ECMWF
Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học
Mã số: 60.440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. Trần Tân Tiến

Hà Nội – 2014


LỜI CẢM ƠN
Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành
nhất tới GS.TS. Trần Tân Tiến, là người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và truyền
đạt kinh nghiệm cho tôi trong q trình học tập và hồn thành luận văn này.
Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy cơ và các cán bộ trong khoa
Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên
môn, đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi
học tập và làm việc tại Khoa.
Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
đã tạo điều kiện cho tơi có thời gian hồn thành luận văn này.
Cuối cùng, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân,
đồng nghiệp và bạn bè, những người luôn dành cho tơi sự quan tâm động viên, tình
u thương và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi có động lực học tập, phấn đấu trong
suốt thời gian học tập tại trường.

Trần Quỳnh Trang


Mục lục

Chương 1 BÃO VÀ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BẰNG MƠ HÌNH SỐ.................. 3
1.1. Tổng quan về bão ....................................................................................... 3
1.1.1 Khái niệm và định nghĩa về bão ......………………………………….3
1.1.2 Phân loại bão ..……………...………………………………………...3
1.2. Hoạt động của bão trên Biển Đông...............................................……………4
1.3. Dự báo quỹ đạo bằng mơ hình số… .............................................……………6

Chương 2 MƠ HÌNH RAMS VÀ SỐ LIỆU ECMWF ................................. 15
2.1 Giới thiệu chung về mơ hình RAMS ..................................................... 15
2.1.1 Các phương trình cơ bản .......................................................................15
2.1.2 Cấu trúc lưới..........................................................................................17
2.1.2.1 Phép chiếu bản đồ................................................................................17
2.1.2.2 Hệ toạ độ địa hình ...............................................................................17
2.1.2.3 Các mực thẳng đứng............................................................................18
2.1.3 Sai phân thời gian......................................................................................18
2.1.4 Các điều kiện biên .....................................................................................21
2.1.5 Sơ đồ đối lưu .............................................................................................22
2.1.5.1 Sơ đồ Kuo...........................................................................................22
2.1.5.2 Sơ đồ Kain - Fritsch gốc .....................................................................23
2.2 Sơ lược về phương pháp cài xoáy giả và các bước thực hiện ........................26
2.2.1 Phương pháp cài xoáy giả .........................................................................26
2.2.2 Chuẩn bị số liệu đầu vào và cài xoáy trong thử nghiệm ...........................27
2.3 Số liệu ECMWF ..............................................................................................28
2.3.1 Mô tả bộ số liệu ECMWF .........................................................................28
2.3.2 Thiết lập miền tính và các tham số mơ hình RAMS .................................28
2.4 Chỉ số đánh giá dự báo ....................................................................................29


Chương 3 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO HẠN 5
NGÀY TRÊN KHU VỰC BIỂN ĐÔNG ....................................................... 31
3.1 Danh sách các cơn bão.....................................................................................31
3.2 Dự báo thử nghiệm hai cơn bão điển hình.......................................................33
3.2.1 Dự báo thử nghiệm bão Megi (13 - 23/10/2010........................................33
3.2.1.1 Diễn biến và hình thế synốp bão Megi 2010.......................................33
3.2.1.2 Kết quả dự báo bão Megi bằng mô hình RAMS.................................35
3.2.2 Dự báo thử nghiệm bão Nalgae (27/9 - 05/10/2011..................................40
3.2.2.1 Diễn biến và hình thế synốp bão Nalgae 2011....................................40

3.2.2.2 Kết quả dự báo bão Nalgae bằng mơ hình RAMS..............................42
3.2.3 So sánh sai số quỹ đạo bão bằng mơ hình RAMS giữa số liệu ECMWF và
NCEP..................................................................................................................44
3.3 Kết quả dự báo thử nghiệm bộ số liệu ECMWF: 2009 - 2011........................45
3.3.1 Sai số dự báo chưa hiệu chỉnh...................................................................45
3.3.2 Hiệu chỉnh sai số hệ thống ........................................................................47

Kết luận ........................................................................................................... 50
Tài liệu tham khảo........................................................................................... 52


Danh mục hình ảnh và biểu đồ

Hình 1.1 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương
của JTWC và trung bình sai số dự báo 5 năm tại thời điểm 24h, 48h và 72h. . 8
Hình 1.2 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương
của JTWC và trung bình sai số dự báo 5 năm tại thời điểm 96h và 120h. ....... 8
Hình 1.3 Sai số trung bình dự báo quỹ đạo bão trên khu vực tây bắc Thái Bình
Dương của trung tâm cảnh báo bão của Mỹ (NHC) ........................................ 9
Hình 1.4 Sai số dự báo quỹ đạo bão của hệ thống dự báo tất định JMA.......... 9
Hình 1.5 Sai số dự báo quỹ đạo bão của các trung tâm trên thế giới cho khu
vực Tây Bắc Thái Bình Dương: hình a, b, c tương ứng các năm 2009, 2010,
2011 ................................................................................................................ 10
Hình 1.6 Sai số dự báo quỹ đạo bão phụ thuộc vào thành phần tổ hợp ......... 14
Hình 2.1 Sơ đồ ban đầu hoá xoáy (cài xoáy giả) ............................................ 26
Hình 2.2 Miền tính sử dụng trong mơ hình RAMS ........................................ 29
Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả sai số khoảng cách, sai số dọc, sai số ngang. .............. 30
Hình 3.1 Quỹ đạo thực bão Megi (13 – 23/10/2010)...................................... 34
Hình 3.2 Ảnh vệ tinh, Megi vượt qua bán đảo Luzon vào biển Đơng............ 34
Hình 3.3 Sai số dự báo quỹ đạo bão Megi so với thực tế. .............................. 36

Hình 3.4 Quỹ đạo dự báo bão Megi tại thời điểm 16/10/2010 ....................... 37
Hình 3.5 Sai số dự báo quỹ đạo bão Megi so với thực tế. .............................. 38
Hình 3.6 Quỹ đạo dự báo bão Megi tại thời điểm 17/10/2010 ....................... 39
Hình 3.7 So sánh sai số PE của hai thời điểm dự báo..................................... 39
Hình 3.8 Quỹ đạo thực bão Nalgae (27/9 – 05/10/2011)................................ 40
Hình 3.9 Sai số dự báo quỹ đạo bão Nalgae so với thực tế. ........................... 43
Hình 3.10 Quỹ đạo dự báo bão Nalgae tại thời điểm 29/9/2011. ................... 43
Hình 3.11 Biều đồ so sánh sai số dự báo mơ hình RAMS giữa số liệu
ECMWF và số liệu NCEP............................................................................... 44


Hình 3.12 Biểu đồ trung bình sai số khoảng các cơn bão năm 2009 – 2011.. 47
Hình 3.13 So sánh sai số khoảng cách trước và sau khi hiệu chỉnh ............... 49
Danh mục bảng biểu

Bảng 1.1 Sai số khoảng cách các cơn bão 2009 – 2011, Công Thanh (2013)..13
Bảng 2.1 Các kí hiệu chính được sử dụng trong mơ hình.. ............................ 16
Bảng 3.1 Các cơn bão và thời điểm dự báo thử nghiệm trong luận văn......... 32
Bảng 3.2 Sai số dự báo bão Megi tại thời điểm 00z ngày 16/10/2010.. ......... 35
Bảng 3.3 Sai số dự báo bão Megi tại thời điểm 00z ngày 17/10/2010 ........... 37
Bảng 3.4 Sai số dự báo bão Nalgaei tại thời điểm 00z ngày 29/9/2011 ......... 42
Bảng 3.5 Sai số dự báo các cơn bão thử nghiệm bằng mơ hình RAMS với sơ
liệu ECMWF ................................................................................................... 45
Bảng 3.6 Kết quả tính sai số trung bình chuỗi số liệu độc lập........................ 48
Bảng 3.7 Kết quả trung bình sai số khoảng cách chưa hiệu chỉnh và sau khi
hiệu chỉnh của chuỗi số liệu, chuỗi trường hợp phụ thuộc và các trường hợp
độc lập. ............................................................................................................ 48


DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

BIAS:

Building an Integrative Analytical System

ECMWF:

Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (European Centre for
Medium Range Weather Forecasts)

ENSO:

El Nino – dao động nam (El Nino Soủtern Oscillation)

ETA:

Mơ hình dự báo thời tiết bất thủy tĩnh (sử dụng hệ tọa độ “eta”)

HRM:

Mơ hình khu vực độ phân giải cao (The High-resolution Regional
Model)

MAE:

Sai số trung bình tuyệt đối (mean absolute error)

ME :

Sai số trung bình (mean error)

MM5:

Hoa Kỳ và Đại học bang Pennsylvania thế hệ thứ 5 (The NCAR/PSU
5th Generation mesoscale Model)

RAMS:

Hệ thống mơ hình hóa khí quyển khu vực (Regional Atmospheric
Modeling System)

SANBAR

Mơ hình chính áp SANBAR (Sanders Barotropic Hurricane Track
Forecast Model)

TC:

xoáy thuận nhiệt đới (tropical cyclone )

TD:

Áp thấp nhiệt đới (tropical depsion)

TS:

Bão nhiệt đới (tropical storm)

VICBAR
WRF:

Mơ hình phổ chính áp VICBAR (Vic Ooyama Barotropic Model)
Mơ hình nghiên cứu và dự báo thời tiết
Forecast)

(Weather Reseach and


MỞ ĐẦU
Bão hay xoáy thuận nhiệt đới là hiện tượng thời tiết nguy hiểm với sức ảnh
hưởng lớn đến hoạt động của các tàu thuyền trên biển, cũng như tài sản, tính mạng
của con người khi bão đổ bộ vào đất liền. Dưới tác động của hiện tượng biến đổi khí
hậu tồn cầu, tần suất, cường độ và quỹ đạo bão ngày càng phức tạp và có nhiều
cơn bão mạnh hay các “siêu bão” hoạt động. Nghiên cứu, dự báo tần suất, quỹ đạo
hay cường độ bão là một trong những nhiệm vụ hàng đầu của các nhà dự báo khí
tượng, nhằm nâng cao chất lượng dự báo bão và giảm nhẹ thiên tai do bão gây ra.
Bão có thể dự báo được bằng nhiều phương pháp như phương pháp synốp, thơng kê
hay mơ hình số và phương pháp dự báo bão bằng mơ hình đang được ứng dụng
rộng rãi trên thế giới và Việt Nam vì tính hữu ích và tiện dụng của kết quả mơ hình
đối với các nhà khí tượng cũng như người sử dụng.
Ngày nay, trước những thành quả của mơ hình số trên thế giới và Việt Nam,
dự báo bão đã và đang phát triển mạnh mẽ, ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và
nghiệp vụ. Nguồn số liệu đầu vào cho mơ hình dự báo là một trong những yếu tố
quan trọng quyết định độ chính xác kết quả dự báo của các mơ hình số, việc thử
nghiệm các nguồn số liệu khác nhau của các Trung tâm dự báo khác nhau trên thế
giới là cần thiết nhằm nâng cao chất lượng dự báo và khảo nghiệm độ chính xác của
mơ hình số.
Mơ hình RAMS là một trong những mơ hình số được nghiên cứu và ứng
dụng nhiều trong dự báo khí tượng, đặc biệt là trong dự báo bão hạn 3 đến 5 ngày.
Mơ hình RAMS tích hợp tốt với các nguồn số liệu khác nhau, các biến khai báo cơ

bản, dễ sử dụng và kết quả dự báo của mơ hình RAMS ứng dụng cao và thực
nghiệm tốt.
Với những tiện ích và độ chính xác cao của mơ hình RAMS, tác giả đã sử
dụng bộ số liệu của Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu ECMWF thử nghiệm dự
báo quỹ đạo bão trên Biển Đông hạn 5 ngày. Số liệu ECMWF lần đầu sử dụng làm
đầu vào chạy thử nghiệm bằng mơ hình RAMS dự báo quỹ đạo bão trên khu vực
Biển Đông tại Việt Nam. Tác giả sử dụng bộ số liệu bão của ECMWF trong 03

1


năm: 2009 – 2011 trên nhiều cơn bão với hai sơ đồ đối lưu Kain – Fritsch và Kuo
để chạy thử nghiệm, đề tài luận văn được chọn:
“Thử Nghiệm dự báo quỹ đạo bão trên khu vực Biển Đông hạn 5 ngày
bằng mơ hình RAMS với số liệu của ECMWF”.
Bố cục luận văn gồm các phần:
MỞ ĐẦU
Chương 1:
Bão và dự báo quỹ đạo bão bằng mơ hình số.
Chương 2:
Mơ hình RAMS và số liệu ECMWF.
Chương 3:
Kết quả thử nghiệm dự báo quỹ đạo bão hạn 5 ngày trên khu vực Biển
Đông.
Kết luận
Tài liệu tham khảo

2

Chương 1
BÃO VÀ DỰ BÁO BÃO BẰNG MƠ HÌNH SỐ
1.1 Tổng quan về Bão
1.1.1 Khái niện và định nghĩa về bão.
Theo Atkinson (1971): “Bão là xốy thuận quy mơ synốp khơng có front,
phát triển trên biển nhiệt đới hay cận nhiệt đới ở mực bất kỳ và có hồn lưu xác
định”. Hay theo Holland (1993), một cơn bão nhiệt đới là một vùng thời tiết có khí
áp thấp nhất trên vùng biển nhiệt đới hoặc cận nhiệt đới, đối lưu trong bão nhiệt đới
có tổ chức và hồn lưu đóng [6].
Tổ chức bão gồm một vùng gió xốy, có đường kính hàng trăm đến hàng
nghìn kilơmét, hình thành trên vùng biển ấm và dồi dào năng lượng hơi ẩm đối lưu
đi lên, gió thổi xốy vào trung tâm theo hướng ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán
cầu và theo chiều thuận chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu, khí áp trong bão thấp
hơn nhiều so với xung quanh và thường dưới 1000mb. Trong bão có sự chuyển
động xốy vào là đối lưu phát triển mạnh, tốc độ gió trong bão tăng với trường mây
phát triển rất mạnh và rộng lớn, gây ra mưa to, gió giật mạnh trên diện rộng và
thường kèm theo các hiện tượng thời tiết nguy hiểm khác như tố, lốc và vòi rồng.
1.1.2 Phân loại bão.
Phần lớn các tổ chức dự báo thời tiết sử dụng định nghĩa cho sức gió kéo dài
do Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) khuyến cáo, trong đó quy định rõ các sức gió
đo được tại độ cao 10 m (33 ft) trong 10 phút và sau đó lấy số liệu trung bình để xác
định sức gió bão. Ngược lại, Cục dự báo thời tiết quốc gia Hoa Kỳ định nghĩa sức
gió kéo dài như là tốc độ gió trung bình trong thời gian 1 phút tại độ cao 10 m (33
ft). Chính vì vậy sự phân loại bão và cấp bão có một số chênh lệch giữa các trung
tâm dự báo bão trên thế giới. Riêng ở Việt Nam sử dụng sức gió kéo dài trong 10
phút tại độ cao 10 mét để phân loại cường độ bão. Phân loại bão ở Việt Nam bao
gồm:
- Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) được lấy theo loại TD (tropical depsion) khi vận
tốc gió cực đại nhỏ hơn 17 m/s hay gió cấp 7 theo Beaufort.

3


- Bão thường được lấy theo các loại TC (tropical cyclone) và TS (tropical
storm) khi vận tốc gió nằm trong khoảng từ 17 đến 25 m/s hay từ cấp 8 đến cấp 9
theo Beaufort.
- Bão mạnh khi vận tốc gió nằm trong khoảng từ 25 đến 33 m/s hay từ cấp 10
đến cấp 11 theo Beaufort.
- Bão rất mạnh được lấy theo các loại TY (typhoon) và ST (supper storm)
khi vận tốc gió từ 33 m/s hay từ cấp gió 12 trở lên theo Beaufort.
1.1.3 Hoạt động bão trên Biển Đông.
Hoạt động bão trên Biển Đông hàng năm trong những thập niên qua có nhiều
biến động về số cơn bão, quỹ đạo cũng như cường độ của chúng. Trong giới hạn
kinh tuyến 1200E về phía Tây và vĩ tuyến 250N về phía Nam, hàng năm trên khu
vực Biển Đơng có khoảng 10 – 12 cơn bão hoạt động và ảnh hưởng đến đất liền
Việt Nam trung bình 5 – 7 cơn. Trong đó có khoảng 50 % cơn bão hoạt động trên
Biển Đơng từ vùng biển tây bắc Thái Bình Dương vượt qua quần đảo Philippin đi
vào, số còn lại hình thành ngay trên khu vực Biển Đơng [6].
Bão hoạt động trên Biển Đông thuộc hệ thống bão khu vực tây bắc Thái Bình
Dương, là ổ bão lớn nhất thế giới chiếm 33.3% tống số bão hàng năm trên trái đất.
Các nghiên cứu trên thế giới về hoạt động bão Biển Đông thường là một phần
nghiên cứu hoạt động bão trên khu vực tây bắc Thái Bình Dương. Ở khu vực tây
bắc Thái Bình Dương, Xu và cộng sự (2004) cũng nghiên cứu sự biến đổi hoạt động
của bão gắn liền với vấn đề nóng lên tồn cầu. Biến đổi nhiều năm của bão trong
hai thập kỷ qua chủ yếu liên quan đến hiện tượng ENSO hoặc dao động tựa hai năm
tầng bình lưu, biến đổi đa thập kỷ của hoạt động bão trên khu vực tây bắc Thái Bình
Dương biểu hiện như là số lượng bão hoạt động, nguồn gốc hình thành và quỹ đạo
bão [27]. Ngồi ra cịn một số nghiên cứu về hoạt động bão trên khu vực tây bắc
Thái Bình Dương và Biển Đơng ảnh hưởng bởi ENSO và sự ấm lên toàn cầu [25]
[26], tuy nhiên các nghiên cứu này chủ yếu thống kê số lượng bão hàng năm, vị trí

hình thành và cường độ của bão. Shumin Chen và cộng sự (2013) đã chỉ ra sự thay
đổi của dòng ẩn nhiệt đối với sự hình thành và phát triển của bão trên Biển Đơng.

4


Từ đó chỉ ra rằng thơng lượng ẩn nhiệt khác nhau trong các quá trình phát triển của
bão tùy thuộc vào quỹ đạo của bão và dòng ẩn nhiệt tăng khi bão đang q trình
phát triển. Tuy nhiên, dịng ẩn nhiệt giảm khi bão đi vào vùng biển hẹp như đảo Hải
Nam hay bán đảo Đông Dương mặc dù bão đang trong q trình mạnh lên hay giảm
dịng thơng lượng nhiệt ẩn F khi có sự ma sát với lục địa mặc dù gió ở tầng đối lưu
đang gia tăng [33]. Andy Zung-Ching Goh and Johnny C. L. Chan (2009), nghiên
cứu về những dao động thập kỷ và hàng năm của hoạt động bão Biển Đông. Nghiên
cứu đã xác định các yếu tố ảnh hưởng đến bão hàng năm ở Biển Đông sử dụng dữ
liệu bão 1965 – 2005, trong đó ENSO tác động mạnh mẽ đến số lượng và cường độ
bão trên tây bắc Thái Bình Dương và Biển Đơng. Năm El Nino hoạt động của bão ít
hơn trung bình nhiều năm, những năm La Nina thì ngược lại. Trong nghiên cứu
nhận định bão hình thành ngay trên khu vực Biển Đơng có sự khác biệt giữa các
mùa ENSO là không rõ ràng [21].
Ở Việt Nam, tác giả Nguyễn Văn Tuyên (2007) [19] đã nghiên cứu “Xu
hướng hoạt động của xốy thuận nhiệt đới trên Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển
Đông theo các cách phân loại khác nhau”. Sự phân bố của bão được nghiên cứu
trong đó bão được phân loại theo vùng ảnh hưởng và theo cường độ rồi phân tích xu
hướng hoạt động. Kết quả phân tích cho thấy, trong thời kỳ 1951 - 2006, hoạt động
của bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương có xu hướng giảm về số lượng,
nhưng bão mạnh có xu hướng tăng lên. Trên khu vực Biển Đông, những cơn bão từ
khu vực tây bắc Thái Bình Dường vào Biển Đơng nhưng khơng ảnh hưởng đến Việt
Nam có xu hướng tăng về số lượng. Tác giả Vũ Thanh Hằng, 2010, [5] “Đặc điểm
hoạt động của bão ở vùng gần bờ biển Việt Nam giai đoạn 1945 – 2007”. Ngoài
nghiên cứu về tần suất và cường độ bão gần bờ, tác giả xem xét yếu tố ENSO ảnh

hưởng đến hoạt động bão gần bờ. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng số lượng bão
những năm La Nina thường nhiều hơn những năm El Nino và số lượng bão ở các
vùng biển Việt Nam có xu hướng tăng, vùng tăng mạnh nhất là khu vực Trung Bộ.
Thời gian bắt đầu mùa bão ở các vùng biển gần bờ Việt Nam có xu hướng chậm
dần và ngắn lại từ bắc vào nam. Ngồi ra các nghiên cứu khác về bão Biển Đơng [2,

5


18] cũng chỉ ra quy luật bão các tháng trong năm và chú trọng hoạt động của bão
ảnh hưởng đến đất liền Việt Nam. Thời gian hoạt động nhiều và mạnh nhất ở Biển
Đông là từ tháng 7 đến tháng 11 hàng năm. Ngồi ra các loại hình thế synốp đơn
thuần và kết hợp thuận lợi cho sự hình thành, phát triển của bão trên Biển Đông như
Dải hội tụ nhiệt đới; Dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với Rãnh gió mùa; Rãnh gió mùa,
Gió mùa tây nam, Sóng đông... cũng được xem xét.
1.3 Dự báo quỹ đạo bão bằng mơ hình số
Qua nhiều thập kỷ với sự phát triển của khoa học công nghệ và các ứng dụng
công nghệ cao đến công tác dự báo thời tiết và khí hậu đã có những bước tiến mới
về chất lượng dự báo và đa dạng hoá các sản phẩm dự báo toàn cầu, khu vực và cả
Việt Nam. Dự báo quỹ đạo bão là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm và tập
trung nghiên cứu sâu và cho ra kết quả sai số khoảng cách ngày càng bé.
Phân loại các loại mơ hình số qua khảo sát một cách định lượng các quy luật
của các quá trình trong khí quyển và nghiên cứu các phương pháp tích phân hệ các
phương trình thuỷ nhiệt động lực học hình thành nên ba nhóm mơ hình số lớn: các
mơ hình lọc; các mơ hình nước nơng và các mơ hình dùng hệ phương trình ngun
thuỷ đầy đủ. Xét về mục đích sử dụng và sản phẩm đầu ra cũng có thể phân loại các
mơ hình số thành ba loại: Mơ hình tồn cầu có độ phân giải khơng biến đổi; mơ
hình tồn cầu có độ phân giải biến đổi và các mơ hình khu vực hạn chế lồng ghép
vào mơ hình toàn cầu. Hiện nay, phần lớn các trung tâm dự báo lớn và các nước sử
dụng các mơ hình khu vực hạn chế lồng ghép vào mơ hình tồn cầu, trong đó điều

kiện ban đầu và điều kiện xung quanh biến đổi theo thời gian lấy từ sản phẩm dự
báo của mơ hình tồn cầu và cập nhật các yếu tố địa phương nhằm tăng độ chính
xác dự báo.
Trên thế giới
Trên thế giới các mơ hình thành cơng bắt đầu được xây dựng cuối thập niên
60 là mơ hình chính áp SANBAR (Sanders, 1968) [32], được chạy nghiệp vụ dự
báo tại Trung tâm bão Hoa Kỳ (NHC) đến năm 1989. Trong mơ hình SANBAR quỹ
đạo bão được dự báo bằng cách tích phân phương trình xốy chính áp sử dụng phân

6


bố độ xốy và hàm dịng trung bình lớp. Các cơn bão được biểu diễn bởi các xoáy
đối xứng nhân tạo và một phân bố hàm dòng phi đối xứng để xác định vận tốc trôi
tại tâm bão. Dù độ phân giải thơ (154km) và số liệu quan trắc cịn thưa thớt nhưng
mơ hình SANBAR đã dự báo quỹ đạo bão rất tốt so với các mơ hình khác. Sau
SANBAR mơ hình VICBAR (DeMaria, 1992) [24], được phát triển tiến bộ hơn khi
sử dụng lưới lồng, sử dụng số liệu phân tích các mực đẳng áp 800hPa – 200hPa tính
trung bình lớp cho điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian của
VICBAR. Ngồi ra, mơ hình cịn sử dụng thêm các số liệu quan trắc từ may bay,
ảnh mây vệ tinh và bóng thám khơng trong q trình ban đầu hố. VICBAR được
phát triển phiên bản chạy nghiệp vụ năm 1996 bằng cách thay biểu diễn spline-B
bằng biểu diễn dạng chuỗi hàm sin và trở thành mơ hình dự báo quỹ đạo bão LBAR
bởi Horsfall và cộng sự năm 1997.
Các mơ hình WBAR (Weber, 2001) [37] và MUDBAR (Vigh ET AL, 2003)
[36]. MUDBAR sử dụng phương pháp lưới thích ứng để cải thiện mạng lưới xung
quanh xốy với mục đích tính tốn ít nhất nhưng độ chính xác cao. MUDBAR cũng
có thể chạy với trạng thái lưới lồng di động có kích thước cố định. WBAR bao gồm
hai thành phần chính là ban đầu hố xốy và mơ hình tích phân hệ phương trình
nước nơng trên toạ độ địa lý sử dụng các biến trung bình lớp. WBAR được dự báo

thử nghiệm 167 trường hợp bão Đại Tây Dương và thu được kết quả khả quan. Tuy
nhiên, mơ hình chính áp WBAR làm tăng sai số vị trí khi các hệ thống tà áp phát
triển.
Một nghiên cứu so sánh dự báo quỹ đạo bão giữa mơ hình WRF và MM5,
Sujata Pattanayak (2008) [34] đã thực nghiệm nghiên cứu với ba cơn bão đổ bộ vào
khu vực Vịnh Bengal và vùng biển Ả rập: bão Mala (2006), Gonu (2007) và Sidr
(2007). Cả hai mơ hình đã được tính tốn với 15 điều kiện ban đầu khác nhau đối
với các trường gió, áp và lượng mưa. Kết quả nghiên cứu cho thấy mơ hình WRF
cho kết quả dự báo tốt hơn MM5 khi so sánh với kết quả được cung cấp bởi Trung
tâm khí tượng Ấn Độ.

7


Cùng với q trình phát triển mạnh mẽ của cơng nghệ thơng tin, các mơ hình
dự báo số dùng hệ phương trình ngun thuỷ như: mơ hình bão GFDL, AVN,
NOGAPS của Hoa Kỳ; ECMWF của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu;
mơ hình UKMET của khí tượng Anh; mơ hình GSM của Nhật; TC-LAPS của
Australia và một số mơ hình như MM5, HRM, ETA, RAMS và WRF… chất lượng
dự báo quỹ đạo bão đã ngày càng được cải thiện. Dưới đây là sai số dự báo quỹ đạo
bão của các Trung tâm dự báo bão lớn trên thế giới:
1) Trung tâm cảnh báo bão tây bắc Thái Bình Dương JTWC (Joint Typhoon
Warning Center) [22] thường niên báo cáo tổng kết số lượng bão và đánh giá sai số
dự báo quỹ đạo, cường độ của bão trên thế giới.

Hình 1.1 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương
của JTWC và trung bình sai số dự báo 5 năm tại thời điểm 24h, 48h và 72h.

Hình 1.2 Biểu đồ sai số khoảng cách dự báo bão tây bắc Thái Bình Dương
của JTWC và trung bình sai số dự báo 5 năm tại thời điểm 96h và 120h.

8


2) Trung tâm dự báo bão Hoa Kỳ NHC (National Hurricane Center): Từ năm
1970 đến năm 2000 tại NHC dự báo bão đến 72 giờ và sau năm 2001 bắt đầu dự
báo quỹ đạo bão đến 120 giờ với sai số khoảng cách (1989 – 2012) ở vào khoảng
(Hình 1.3): 40 – 80mi, 70 – 170mi, 100 – 230mi, 120 – 220mi và 140 – 280mi tương
ứng với điểm dự báo 1, 2, 3, 4 và 5 ngày.

Hình 1.3 Sai số trung bình dự báo quỹ đạo bão trên khu vực tây bắc Thái Bình
Dương của trung tâm cảnh báo bão của Mỹ (NHC)
3) Cục khí tượng Nhật Bản JMA (Japan Meteorological Agency): Từ năm
2009, JMA bắt đầu dự báo hạn 120 giờ, kết quả cho thấy sai số các năm là khác
nhau như: năm 2010 sai số vị trí khoảng 450 km. Trong khi đó, năm 2009 và 2011
sai số vị trí trên 500 km hạn 120 giờ (Hình 1.4)

Hình 1.4. Sai số dự báo quỹ đạo bão của hệ thống dự báo tất định JMA
( />
Nhóm GIFS-TIGGE tại hội thảo lần thứ 6 của WMO về dự báo xoáy
thuận nhiệt đới dựa trên sản phẩm mơ hình số năm 2010 [38], đã nghiên cứu

9


khả năng dự báo quỹ đạo bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương đối với
các tổ chức khí tượng Úc (BOM), Canada (CMC), Đức (DWD), Châu Âu
(ECMWF), Nhật (JMA), Pháp (FRN), Hoa Kỳ (NCEP, NRL) và Anh
(UKMO) (Hình 1.5) trong năm 2009, 2010 và 2011 cho thấy sai số vị trí dự
báo quỹ đạo bão là khoảng 100 – 220 km, 180 – 300 km, 280 – 500 km, 370 –

680 km và 380 – 900 km tương ứng với các hạn 1, 2, 3, 4 và 5 ngày tùy thuộc
vào từng năm và từng tổ chức. Ta thấy rằng, dự báo của Trung tâm dự báo
hạn vừa Châu Âu đang là Trung tâm quỹ đạo dự báo tốt nhất.
a)

b)

c)

Hình 1.5 Sai số dự báo quỹ đạo bão của các trung tâm trên thế giới cho khu vực
Tây Bắc Thái Bình Dương: hình a, b, c tương ứng các năm 2009, 2010, 2011
( />
10


Ở Việt Nam
Ở Việt Nam việc nghiên cứu phát triển và ứng dụng các mơ hình số bắt đầu
thập niên 70, nhưng vì nhiều lý do khác nhau mà chủ yếu là nhân lực và sự hạn chế
của máy tính. Cho nên hơn 10 năm trở lại đây các mô hình số mới thực sự được
nghiên cứu và ứng dụng rộng rải và hiệu quả. Tác giả Trịnh Văn Thư và
Kinsnamurti [18] (1992) đã nghiên cứu ban đầu hoá xoáy bão cho mơ hình nước
nơng một mực để dự báo quỹ đạo hai cơn bão Betty (1987) và Dan (1989) trên khu
vực Biển Đông. Tác giả Nguyễn Thị Minh Phương (2007), sử dụng mơ hình chính
áp có sơ đồ xốy cái tiến hay BARO_PH dự báo các cơn bão hoạt động trên khu
vực Biển Đông năm 2005. Tác giả lựa chọn các cơn bão có cường độ cấp 8 trở lên
(cấp gió 17m/s trở lên) với mơ hình lưới lồng và xây dựng trên lý thuyết phân tích
của Smith và Ulrich. Kết quả dự báo mơ hình BARO_PH cho sai số trung bình khá
tốt so với sai số trung bình các Trung tâm bão trên thế giới và có tính ổn định cao
với các cơn bão có quỹ đạo bão phức tạp [7].
Tác giả Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải, [4] - 2006, [8] - 2008 đã sử dụng

ban đầu hố xốy mới áp dụng mơ hình phân giải cao HRM và mơ hình phát triển
từ HRM với việc ban đầu hoá xoáy trường ban đầu, HRM_TC và được chạy thí
nghiệm trên tập nhiều cơn bão trong năm 2004 – 2006. Kết quả chỉ ra rằng sai số vị
trí, sai số tốc độ và sai số hướng di chuyển cải thiện đáng kể độ chính xác của quỹ
đạo bão dự báo. Với các cơn bão yếu, ban đầu hoá xốy làm tăng rõ rệt độ chính
xác quỹ đạo dự báo bằng mơ hình HRM_TC. Ngồi ra ban đầu hố xoáy và ban đầu
hoá xoáy ba chiều (3DVar) cũng được tác giả sử dụng trong các mơ hình chính áp,
mơ hình MM5, WRF, WRF-VAR [8]… dự báo quỹ đạo bão trên khu vực Biển
Đông và cho kết quả dự báo khả quan.
Tác giả Trần Tân Tiến [12,13,14,15,16] có nhiều nghiên cứu sâu sắc với hoạt
động bão Biển Đông bằng mô hình số trong đó hạn dự báo bão, quỹ đạo và cường
độ bão được chú trọng. Tác giả đã sử dụng các mơ hình số như RAMS, ETA, HRM,
MM5, WBAR… dự báo bão Biển Đông hạn 3 đến 5 ngày. Ngồi sử dụng mơ hình
đơn thuần, tác giả sử dụng nhiều phương pháp hậu mơ hình để nâng cao chất lượng

11


dự báo bão. Trong dự báo quỹ đạo bão Xangsane bằng mơ hình MM5 tác giả đã sử
dụng xốy nhân tạo và cập nhật số liệu địa phương khu vực Việt Nam, kết quả xốy
nhân tạo có kết quả tốt nhất trong khi cập nhật số liệu địa phương hầu như không
cải thiện được chất lượng dự báo [16]. Phương pháp hậu mơ hình với phương pháp
tổ hợp theo trọng số [15] sử dụng kết quả các mơ hình RAMS, ETA, HRM, WRF
và MM5 cho các mùa bão 2004 – 2008 xây dựng các phương trình dự báo. Nhóm
nghiên cứu đã xây dựng các phương trình dự báo tổ hợp tối ưu 3, 4 và 5 mơ hình
cho dự báo quỹ đạo bão trên khu vực Biển Đông. Dự báo quỹ đạo bão bằng phương
pháp tổ hợp với trọng số của từng mơ hình tỷ lệ nghịch với phương sai của sai số
mơ hình đó cho kết quả dự báo tốt hơn từng mơ hình tham gia tổ hợp. Kết quả báo
cáo chỉ ra rằng với dự báo 1 ngày nên chọn tổ hợp HRM - RAMS - MM5 và với dự
báo 2 – 3 ngày nên chọn tổ hợp HRM - WRF - RAMS.

Tác giả Lê Thị Hồng Vân (2009) [20]. Trong luận văn thạc sĩ, tác giả sử
dụng phương pháp đồng hóa số liệu xốy giả đối với mơ hình WRF để nghiên cứu
dự báo quỹ đạo và cường độ bão. Tác giả đã tiến hành thử nghiệm dự báo 72 giờ
với cơn bão Lekima bằng mơ hình WRF trong nhiều trường hợp như khơng đồng
hố số liệu trường cài xốy giả; đồng hố số liệu khí áp bề mặt, gió, ẩm, nhiệt các
mực của trường cài xốy giả. Kết quả sai số dự báo mơ hình WRF về dự báo quỹ
đạo, vị trí đổ bộ hay cường độ bão với trường hợp đồng hoá xoáy (Bogus) được cải
thiện hơn so với trường hợp khơng cài xốy (No_ bogus).
Tác giả Hoàng Đức Cường (2011) [1] cũng áp dụng mơ hình WRF hạn 72
giờ với sơ đồ đồng hố số liệu 3DVAR cập nhiệt số liệu cao không, số liệu synốp
cho trường ban đầu và ứng dụng sơ đồ phân tích xốy giả tích hợp với đồng hố số
liệu. Tác giả chỉ ra rằng trong dự báo bão, việc sử dụng sơ đồ đồng hóa số liệu
3DVAR cập nhật số liệu cao không và synốp cho trường ban đầu đã cải thiện đáng
kể về dự báo quỹ đạo bão trong các hạn dự báo trước 24h. Đặc biệt ở hạn dự báo từ
24h đến 72h, việc đồng hóa số liệu như trên cho kết quả dự báo quỹ đạo bão vượt
trội hơn trường hợp không sử dụng sơ đồ 3 DVAR trong đồng hóa số liệu.

12


Tác giả Công Thanh, 2013, đã dự báo quỹ đạo bão bằng phương pháp dự báo
tổ hợp bão dựa trên phương pháp ni nhiễu mơi trường kết hợp nhiễu xốy với các
sơ đồ vật lý khác nhau của mơ hình RAMS và dự báo thử nghiệm cho 3 mùa bão:
2009 - 2011. Ngoài ra trong báo cáo tác giả đã xây dựng những vòng tròn cảnh báo
khả năng xuất hiện bão dựa trên sai số từ các thành phần tổ hợp. Các vòng tròn này
được đưa ra tại các hạn dự báo 4 và 5 ngày. Kết quả cho thấy dự báo quỹ đạo trung
bình của tổ hợp cho sai số dự báo quỹ đạo bão tương đương với dự báo của Nhật và
tiệm cận với sai số dự báo quỹ đạo bão của khu vực. Bên cạnh đó, hệ thống tổ hợp
đưa ra các vòng tròn dự báo với độ chính xác cao ở các hạn dự báo 96 và 120 giờ
[10]. Dưới đây Hình 1.5 là kết quả sai số dự báo quỹ đạo bão bằng mơ hình RAMS:

Hạn dự báo

Số trường hợp

Sai số khoảng cách
(km)

24
48
72
96
120

88
87
84
73
55

151
273
365
470
568

Sai số khoảng cách
sau hiệu chỉnh bias
(km)
120
203

278
406
541

Bảng 1.1 Sai số khoảng cách các cơn bão 2009 – 2011, Công Thanh (2013) [10]

Trong đề tài KC08-05 (2010) [14] tác giả Trần Tân Tiến đưa ra được các
phương trình dự báo tổ hợp bằng các phương án tổ hợp trung bình đơn giản, trung
bình có trọng số, siêu tổ hợp các sản phẩm dự báo từ các mơ hình riêng lẻ như
RAMS, WRF, ETA, HRM, WBAR … Ngồi ra trong đề tài này đã có kết quả ban
đầu của phương pháp nuôi nhiễu trên mô hình RAMS với hạn dự báo 3 ngày. Bên
cạnh đó đề tài thử nghiệm phương pháp “tối ưu hoá thống kê nhiều chiều” để dự
báo quỹ đạo bão với bộ số liệu dự báo đường đi của bão trên 5 mơ hình được áp
dụng thử nghiệm. Bộ số liệu lịch sử bao gồm 149 trường hợp dự báo hạn 72 giờ của
mơ hình WRF, ETA, BARO, RAMS, và RAMS có cài xoáy giả (RAMSBOG) được
sử dụng cơn bão Chanchu (2005), Durian (2006), và Kai-tak (2006) trên vùng Biển
Đông. Kết quả thu được là các ma trận sai số hiệp biến nền của các kỳ dự báo
(06,12,..,72 giờ). Kết luận trong nghiên cứu này là: “tính tương quan chéo của kinh

13


và vĩ độ của tâm bão là không thể bỏ qua trong dự báo đường đi bão bằng phương
pháp tổ hợp”. Dưới đây Hình 1.6 là kết quả sai số dự báo quỹ đạo bão phụ thuộc
vào thành phần tổ hợp dự báo bão 120 giờ trong đề tài KC80-05 của tác giả Trần
Tân Tiến.

Hình 1.6. Sai số dự báo quỹ đạo bão phụ thuộc vào thành phần tổ hợp
Nhìn chung, các nghiên cứu và thử nghiệm dự báo bão hoạt động trên khu
vực Biển Đơng bằng mơ hình số trong nước đã dự báo quỹ đạo, vị trí đổ bộ và

cường độ bão hạn 3 ngày đến 5 ngày khá tốt. Các nghiên cứu đã cải thiện được
đáng kể sai số dự báo quỹ đạo bão so với trước đây, nhưng hạn dự báo bão và sai số
dự báo bão mới tiệm cận đến sai số dự báo trên khu vực và còn nhiều hạn chế so với
dự báo bão thế giới.

14


Chương 2
MƠ HÌNH RAMS VÀ SỐ LIỆU ECMWF

2.1 Giới thiệu chung về mơ hình RAMS.
Mơ hình RAMS, mơ hình khí quyển khu vực, được phát triển bởi nhóm các
nhà khoa học thuộc đại học tổng hợp Colorado, kết hợp với ASTER division - thuộc
Mission Research Corporation và ATMET (Atmospheric, Meteolorogical and
Enviromental Technologies). Mơ hình RAMS được xây dựng xung quanh một hệ
các phương trình thủy tĩnh hoặc phi thủy tĩnh được lấy trung bình Reynolds bao
gồm các phương trình động lực, nhiệt động lực, và các phương trình bảo tồn khối.
Thêm vào đó là rất nhiều các sơ đồ hỗ trợ như sơ đồ tham số hóa đối lưu, sơ đồ
khuếch tán, bức xạ, các quá trình ẩm, sự trảo đổi ẩn và hiển nhiệt giữa khí quyển và
bề mặt (các lớp đất, thảm thực vật, độ phủ băng, nước bề mặt…). RAMS được sử
dụng rộng rãi để mô phỏng các hiện tượng, trạng thái khí quyển quy mơ vừa (2 –
2000km) và sử dụng để mơ phỏng các xốy trong lớp biên khí quyển với độ phân
giải ngang tương đối cao.
2.1.1 Các phương trình cơ bản
Các phương trình chuyển động:
u
u
u
u

 '
 
u   
u   
u 
   K m
 u
v
 w 
 fv   K m
   K m

t
x
y
z
x
x 
x  y 
y  z 
z 

(2.1)
v
v
v
v
 '
 
v   

v   
v 
 u  v  w  
 fu   K m    K m    K m 
t
x
y
z
x
x 
x  y 
y  z 
z 

(2.2)
w
w
w
w
 ' g v'
 
w   
w   
w 
   K m
 u
v
w



  Km
   K m

t
x
y
z
x
o
x 
x  y 
y  z 
z 

(2.3)
Phương trình nhiệt động lực:
 il



   
   
    
 
 u il  v il  w il   K h il    K h il    K h il    il 
t
x
y
z x 
x  y 

y  z 
z   t  rad

(2.4)
Phương trình liên tục đối với tỷ hỗn hợp của các thực thể nước:

15


rn
r
r
r
r   
r   
r 
 
 u n  v n  w n   K h n    K h n    K h n 
t
x
y
z x 
x  y 
y  z 
z 

(2.5)
Phương trình liên tục khối lượng:
R o
 '


t
cv  o o

  o o u  o o v  o o w 





x

y

z



(2.6)

Lựa chọn thủy tĩnh của RAMS sẽ thay thế phương trình chuyển động thẳng
đứng và phương trình liên tục khối lượng bằng phương trình thủy tĩnh như sau:

g
   g rT  rv 
z
v

u v w



0
x
y
z

(2.7)
(2.8)

Bảng 2.1 Các kí hiệu chính được sử dụng trong mơ hình.
Kí hiệu

Định nghĩa

U

Thành phần gió theo hướng đơng-tây

V

Thành phần gió theo hướng bắc-nam

W

Thành phần gió thẳng đứng

F

Tham số coriolis

Km

Hệ số nhớt rối động lượng

Kh

Hệ số nhớt rối nhiệt và ẩm

il
rn

Nhiệt độ thế vị của nước lỏng-băng


Con

Mật
tuyếtđộ
Chỉ số kí hiệu khuynh hướng do tham số hố đối lưu

Rad

Chỉ số kí hiệu khuynh hướng do tham số hố bức xạ

Res

Chỉ số kí hiệu khuynh hướng do tham số hố các q trình

G
rt

Trọng
lựcmơ qui mơ dưới lưới
vật lý vi
Tỷ hỗn hợp của nước tổng cộng

rv

Tỷ hỗn hợp của hơi nước



Hàm Exner tổng cộng

'

Hàm Exner nhiễu

v

Nhiệt độ thế vị ảo

Tỷ hỗn hợp của nước tổng cộng, mưa, tinh thể băng, và

16


2.1.2 Cấu trúc lưới
2.1.2.1 Phép chiếu bản đồ
Mơ hình sử dụng phép chiếu cực quay 3 chiều cho lưới ngang, trong đó cực

của phép chiếu được đặt tại tâm miền tính và quay xung quanh tâm của miền tính
nhằm giảm thiểu độ biến dạng của khu vực được quan tâm. Các tham số bản đồ phù
hợp được sử dụng trong tất cả các số hạng đạo hàm theo phương ngang.
2.1.2.2 Hệ toạ độ địa hình
Cấu trúc thẳng đứng của lưới sử dụng hệ tọa độ địa hình z (Gal-Chen và
Somerville, 1975; Clark, 1977; Tripoli và Cotton, 1982) , trong đó mực tại đỉnh của
mơ hình hồn tồn phẳng cịn các mực dưới cùng sẽ tuân theo dạng của địa hình.
Các toạ độ trong hệ này được xác định như sau:
x*  x
y*  y

(2.9)

 z  zg
z*  H 
H z
g







trong đó: H là độ cao đỉnh lưới, zg là độ cao địa hình địa phương, là hàm của x và y.
Các số hạng đạo hàm được viết dưới dạng kí hiệu tensơ như sau (Clark, 1977):
  1  ab ij  
 
xi  a  x *j 
a( x * , y * )  1 



*

zg x , y

*

(2.10)



H

và tensơ bij có dạng:

1 0


b ij  0 1


0 0


1
a
1
a

z g  z *

  1
x  H

z g  z *

  1
y  H

1


a


(2.11)

Quan hệ giữa các thành phần gió trong hệ toạ độ Đêcac và các thành phần tương
ứng trong hệ toạ độ địa hình như sau:

17