Luận án tiến sĩ khảo sát mối quan hệ giữa kĩ năng mô phỏng quỹ đạo bão và cường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ______________________ DƢ ĐỨC TIẾN KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC Hà Nội – 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ DƢ ĐỨC TIẾN KHẢO SÁT MỐI QUAN HỆ GIỮA KĨ NĂNG MÔ PHỎNG QUỸ ĐẠO BÃO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO CHO KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG BẰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62440222 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Ngô Đức Thành 2. Kiều Quốc Chánh Xác nhận của Chủ tịch hội đồng Xác nhận của ngƣời hƣớng dẫn Đại Học Quốc Gia GS. Trần Tân Tiến PGS.

Ngô Đức Thành Hà Nội – 2017 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Dƣ Đức Tiến TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. 3 DANH MỤC HÌNH VẼ.

7 DANH MỤC CÁC BẢNG. 13 DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ SAI SỐ DỰ BÁO BÃO TRÊN KHU VỰC TÂY BẮC THÁI BÌNH DƢƠNG .1 Vấn đề quan trắc bão và các phƣơng pháp dự báo bão .1 Đặc trưng cơ bản của bão và vấn đề quan trắc bão .2 Các phương pháp dự báo bão .3 Các nguồn phát sinh sai số trong mô hình và nhân tố ảnh hưởng đến sai số dự báo bão.2 Vấn đề về sai khác giữa dự báo quỹ đạo và cƣờng độ bão .1 Tổng quan về sai số và kĩ năng dự báo quỹ đạo và cường độ bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương .2 Đánh giá sai số dự báo bão trên khu vực Biển Đông từ 2008-2014 .3 Tương quan không đồng nhất của việc cải thiện chất lượng dự báo cường độ và quỹ đạo bão.3 Mục tiêu của luận án. 30 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Phƣơng pháp đồng hóa số liệu .2 Phương pháp đồng hóa biến phân .3 Phương pháp tổ hợp.3 Phương pháp đồng hóa tổ hợp .2 Bài toán tăng cƣờng cấu trúc xoáy ban đầu cho mô hình số trong dự báo bão .3 Hệ thống mô hình khu vực áp dụng trong luận án .1 Mô hình khu vực WRF-ARW .2 Hệ thống đồng hóa tổ hợp LETKF cho mô hình khu vực WRF-ARW.3 Tích hợp module tạo cấ u trúc xoáy ba chiề u nhân tạo từ thông tin quan trắc bão thực cho hệ thống WRF-LETKF .4 Số liệu sử dụng trong luận án.

57 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Số liệu quan trắc bão và gió quy mô lớn .2 Số liệu tái phân tích quy mô toàn cầu .3 Số liệu dự báo quy mô toàn cầu .5 Phƣơng pháp đánh giá .1 Đánh giá sai số dự báo quỹ đạo và cường độ .2 Đánh giá kĩ năng dự báo xác suất tổ hợp. 60 CHƢƠNG 3: KHẢO SÁT TƢƠNG QUAN GIỮA SAI SỐ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO BẰNG HỆ THỐNG TỔ HỢP ĐA VẬT LÝ .1 Mục đích nghiên cứu .2 Thiết lập thử nghiệm .1 Cấu hình tổ hợp đa vật lý dựa trên mô hình khu vực WRF-ARW .2 Điều kiện biên và các cơn bão được lựa chọn mô phỏng trong thí nghiệm .3 Tiêu chuẩn phân loại các tập mẫu mô phỏng bão .3 Kết quả thử nghiệm. Kết luận chƣơng 3. 78 CHƢƠNG 4: DỰ BÁO QUỸ ĐẠO VÀ CƢỜNG ĐỘ BÃO BẰNG HỆ THỐNG ĐỒNG HÓA TỔ HỢP .1 Mục đích nghiên cứu .2 Thiết lập thử nghiệm .1 Cấu hình hệ thống đồng hóa tổ hợp WRF-LETKF .2 Điều kiện biên và các cơn bão được lựa chọn dự báo .3 Dữ liệu quan trắc đồng thời quy mô lớn và quy mô bão cho sơ đồ LETKF .4 Các trường hợp dự báo trong thí nghiệm .3 Kết quả thử nghiệm .1 Tác động của phương pháp đồng hóa tổ hợp đến trường phân tích .2 Tác động của phương pháp đồng hóa tổ hợp đến kết quả dự báo .4 Kết luận chƣơng 4.

113 KIẾN NGHỊ VỀ CÁC HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO. 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 117 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 Danh sách cơn bão mô phỏng bằng mô hình WRF-ARW trong chƣơng 3 và sai số cùng tiêu chuẩn lọc quỹ đạo I. 128 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Phƣơng pháp xác định tâm bão và cƣờng độ bão từ trƣờng khí tƣợng của mô hình .3 Miêu tả file thông tin phân tích quan trắc bão thời gian thực TCVital của JTWC.

131 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Minh họa giai đoạn phát triển từ nhiễu động nhiệt đới (trái) đến áp thấp nhiệt đới (giữa) và bão (phải) của cơn bão BONIE năm 1998. Nguồn: số liệu vệ tinh địa tĩnh GOES 8 kênh phổ hồng ngoại kèm tăng cường màu .2: Quỹ đạo chuẩn (trái ngoài cùng) và dự báo 3 ngày cơn bão TEMBIN của mô hình Mỹ GFS. Nguồn: quỹ đạo chuẩn: http://www.jp/jma/jma-eng/jma- center/rsmc-hp-pub-eg/besttrack_viewer.html, số liệu mô hình GFS của NCEP .3: Minh họa sự sai lệch môi trường xung quanh bão do dự báo quỹ đạo sai ảnh hưởng đến mô phỏng cường độ bão. Trái: các quỹ đạo dự báo từ các mô hình toàn cầu tại ốp 12Z ngày 03/12/2014.

Phải: quỹ đạo chuẩn của cơn bão Hagupit.4: Trung bình năm của sai số khoảng cách tâm bão dự báo tại các hạn dự báo khác nhau cho hai vùng biển ĐTD (trái) và ĐBTBD (phải) của NHC. Đơn vị sai số: dặm [nm], 1 dặm tương đương với 1,852 km. Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến của NHC: http://www.5: Kĩ năng dự báo trung bình từng năm của dự báo quỹ đạo tại NHC cho vùng biển ĐTD từ năm 1990-2012 tại các hạn dự báo khác nhau. Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến của NHC: http://www.6: Sai số dự báo quỹ đạo trung bình năm tại các hạn khác nhau do RSMC Tokyo đưa ra cho khu vực TBTBD.

Nguồn: Hui và cộng sự (2012) [59] .7: Trái: sai số dự báo của ba mô hình NOGAPS, UMKO và TYM cho vùng biển TBTBD; Phải: kĩ năng dự báo tương ứng các hạn trong hình trái, đường liền là đánh giá kĩ năng cho trung bình ba mô hình bên trái. Nguồn: Goerss và cộng sự (2004) [49] .8: Trung bình năm của sai số cường độ bão (trung bình sai số tuyệt đối của Vmax) dự báo tại các hạn dự báo khác nhau cho hai vùng biển ĐTD (trái) và ĐBTBD (phải) của NHC. Đơn vị sai số là nốt [kt], 1 kt tương đương với 0,54 m/s. Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến của NHC: http://www.9: Sai số cường độ từ năm 1990 đến 2010 cho các hạn khác nhau tại vùng biển TBTBD đưa ra bởi JTWC.

Nguồn: DeMaria và cộng sự (2014) [36]. 21 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.10: Kĩ năng trung bình hằng năm của dự báo cường độ tại hai vùng biển ĐTD (trái) và ĐTBD (phải), đánh giá dự báo của NHC so với mô hình khí hậu SHIFOR5. Nguồn: tài liệu đánh giá trực tuyến của NHC: http://www.gov/verification 22 Hình 1.11: Minh họa quỹ đạo của 62 cơn bão ảnh hưởng đến Biển Đông từ năm 2008-2014 .12: Trung bình kĩ năng dự báo quỹ đạo (a) và cường độ (b) cho khu vực Biển Đông giai đoạn 2008-2014 từ các trung tâm và mô hình toàn cầu ở hạn dự báo 48h.13: Sai số dự báo cường độ và đường xu thế tại 3 vùng biển ĐTD, ĐTBD và TTBD. Nguồn: DeMaria và cộng sự 2007 [31] .14: Sai số dự báo cường độ hạn 48h tại tất cả các nguồn dự báo (động lực, thống kê), đường đỏ là đường xu thế chung, đường đen là đường xu thế đối với các mô hình có sai số tốt nhất.

Nguồn: DeMaria và cộng sự 2014 [36] .15: Mục tiêu cải thiện chất lượng dự báo quỹ đạo (trái) và cường độ (phải) trong vòng 5-10 năm tới của dự án HFIP. Nguồn: Gall và cộng sự (2013) [48] .1: Minh họa dự báo tổ hợp bằng phương pháp tạo nhiễu Monte Carlo quanh trường phân tích × ban đầu (trái) và trung bình trễ LAF (phải) với trường phân tích × ban đầu xuất lấy từ các thời điểm tích phân khác nhau nhưng có cùng thời hạn dự báo cần thiết (đường nét đứt). Nguồn: Hoffman và Kalnay (1983) [51] .2: Minh họa sự khác biệt về sai số cho ma trận nền của phương pháp đồng hóa biến phân (a) và lọc tổ hợp Kalman (b). Nguồn: Kalnay và cộng sự (2007) [63] .3: Minh họa khái quát các chu kì dự báo, quan trắc và phân tích cập nhật theo thời gian cho các biến trong mô hình .4: Minh họa phương pháp đồng hóa tổ hợp sử dụng bộ lọc Kalman.6: Minh họa hai chiều thể tích địa phương của thuật toán LETKF với số chiều 𝐧𝐱𝐥 = 𝐧𝐲𝐥 = 𝟓 (thể hiện ở điểm lưới màu vàng với tâm là điểm màu đỏ), các quan trắc thuộc vào thể tích địa phương này (màu tím).7: Minh họa mặt cắt thẳng đứng của gió tiếp tuyến (đường đồng mức), nhiễu động áp suất (đồng mức tô màu) và véctơ gió kèm theo khi áp dụng nghiệm giải tích theo phương trình (2.

Nguồn: Kieu và Zhang 2009 [64] .8: (a) là phân bố gió và nhiệt độ thế vị [K] ở mực thấp nhất của mô hình (~1000hPa), (b) nhiễu động địa thế vị [Pa], (c) là mặt cắt thẳng đứng của nhiệt độ thế TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.9: Minh họa sơ đồ đồng hóa tổ hợp có kết hợp module cài xoáy lý tưởng .10: Minh họa 3 dạng biểu đồ hạng của một hệ tổ hợp có 8 thành phần tổ hợp, dạng bên trái là U xuôi ứng với độ tán lớn, bên phải U xuôi ứng với độ tán nhỏ và giữa là độ tán với độ tin cậy cao.11: Minh họa các vòng tròn để chuyển đổi dự báo quỹ đạo thành hiện tượng dự báo đúng sai phục vụ tính toán chỉ số BS. Đường đỏ là quỹ đạo chuẩn, đường đen là trung bình tổ hợp, đường tím là dự báo từ các thành phần tổ hợp. Trường hợp dự báo tổ hợp gồm 21 thành phần cho cơn bão Krosa lúc 12z ngày 30/10/2013.1: Hệ lưới lồng 3 cấp và dịch chuyển theo xoáy minh họa cho cơn bão Côn Sơn ngày 12/7/2010 vào thời điểm phân tích 00Z.2: Quỹ đạo hoạt động của các cơn bão trong khảo sát chương 3 .3: Sai số tuyệt đối của Vmax hạn mô phỏng 24h tốt nhấttại từng ốp mô phỏng .