Thạc Sĩ Mô hình WRF và áp dụng để dự báo mưa lớn ở trung trung bộ

MỞ ĐẦU

Khu vực Trung Trung Bộ nằm ở Trung phần Việt Nam theo hướng tây bắc - đông nam trải dài từ vĩ tuyến 14o 32 - 18o 06N, bao gồm 5 tỉnh và 1 thành phố: Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi và Thành phố Đà Nẵng. Trung Trung Bộ là một khu vực lớn thuộc duyên hải miền Trung có địa hình khá phức tạp: phía Đông là dải đồng bằng nhỏ hẹp ven biển tiếp cận biển Đông và vùng đồi núi thấp, phía Tây là một phần Đông Nam dãy Trường Sơn, với nhiều nhánh núi ngang vuông góc với bờ biển tạo thành những đèo cắt ngang các đồng bằng như Đèo Ngang, đèo Hải Vân. Nhìn chung khu vực Trung Trung Bộ có 4 loại địa hình chủ yếu: Núi, đồi thấp, đồng bằng và bãi cát ven biển; trong đó loại địa hình vùng núi chiếm khoảng 2/3 diện tích đất tự nhiên. Địa hình có hướng nghiêng từ Tây sang Đông với độ dốc khá lớn.

Trung Trung Bộ cũng như các vùng khác ở Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, nhưng do vị trí địa lý và địa hình phức tạp nên thời tiết do gió mùa đem đến cho khu vực Trung Bộ khác biệt nhiều so với các khu vực khác trên lãnh thổ nước ta: Gió mùa tây nam thường đem đến mưa to ở một số thung lũng đón gió tây nam của các tỉnh ven biền miền Trung, nhưng lại đem đến không khí khô hanh, nắng nóng ở phần lớn lãnh thổ các tỉnh ven biển Trung Bộ. Hoặc như gió mùa đông bắc gây ra mưa to đến rất to ở các tỉnh ven biển miền Trung. Do đó mùa mưa và mùa khô ở khu vực này khác hẳn với các nơi khác. Vì vậy các hình thế thời tiết gây ra mưa to đến rất to tại khu vực cũng có những nét riêng biệt đáng kể. Mưa lớn ở Trung Trung Bộ nói chung thường do các hình thế thời tiết chủ yếu sau:

1. Bão hoặc áp thấp nhiệt đới.
2. Gió mùa đông bắc.
3. Gió mùa tây nam.
4. Các hoạt động của các nhiễu động nhiệt đới khác: gió đông (chủ yếu là sóng
đông), hội tụ nhiệt đới.
5. Mưa đặc biệt lớn trong trường hợp: có sự phối hợp hoạt động giữa gió mùa hoặc tín phong đông bắc ở phía bắc với các nhiễu động nhiệt đới (Bão, áp thấp nhiệt đới, hoặc dải hội tụ, sóng đông) ở Biển Đông.

Do các đặc điểm địa lý và các dạng hình thế gây mưa đã nêu ở trên, công tác dự báo mưa gặp rất nhiều khó khăn trong việc dự báo định lượng mưa để cảnh báo lũ cũng như phòng chống thiên tai cho khu vực này.

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học máy tính mô hình số trị đã thể hiện là một công cụ hữu ích, góp phần nâng cao chất lượng dự báo thời tiết, đặc biệt là các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão và áp thấp nhiệt đới. Mô hình số là công cụ hữu ích trong dự báo hạn ngắn và đang được nghiên cứu rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng dự báo. Một trong số đó là mô hình WRF. Bên cạnh đó, sự tối ưu hóa trong mã nguồn tính toán của WRF cho phép người sử dụng có thể chạy mô hình trên rất nhiều loại máy tính với các hệ điều hành khác nhau cũng như chạy song song với bộ nhớ chia sẻ OpenMP hay bộ nhớ phân tán MPI. Chính vì những tính năng ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn mô hình WRF làm công cụ cho nghiên cứu về bài toán dự báo mưa 1 - 3 ngày cho khu vực Trung Trung Bộ khi có dạng hình thế không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới.

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN . 10
1.1 Tổng quan về dự báo mưa bằng phương pháp số 10
1.2 Các quy định về mưa lớn diện rộng 14
1.2.1 Quy định về mưa lớn 14
1.2.2 Quy định về mưa lớn diện rộng 14
1.3 Hình thế gây mưa lớn tại Trung Bộ do không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt
đới . 15
1.3.1 Những nét đặc trưng của không khí lạnh ở các tỉnh miền trung . 15
1.3.2 Dải hội tụ nhiệt đới . 16
1.3.2.1 Khái niệm . 16
1.3.2.2 Một số đặc trưng của dải hội tụ nhiệt đới 16
1.3.3 Mô hình synop đặc trưng không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới gây
ra mưa lớn Trung Bộ trong những tháng mùa đông 18
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH WRF VÀ ÁP DỤNG ĐỂ DỰ BÁO MƯA LỚN Ở
TRUNG TRUNG BỘ . 20
2.1 Mô hình dự báo thời tiết WRF . 20
2.1.1 Cấu trúc của mô hình WRF 20
2.1.2 Các quá trình vật lý trong mô hình . 21
2.1.2.1 Vật lí vi mô 22
2.1.2.2 Đối lưu mây tích 22
2.1.2.3 Lớp bề mặt . 23
2.1.2.4 Lớp biên hành tinh . 23
2.1.2.5 Bức xạ khí quyển . 23
2.1.2.6 Sơ đồ tương tác giữa các quá trình vật lí . 24
2.2 Cập nhật số liệu địa phương trong mô hình WRF . 24
2.2.1 Phương pháp Cressman 24
2.2.2 Các Kỹ thuật sử dụng trong OBSGRID 27
2.3 Nguồn số liệu, cấu hình miền tính dự báo mưa bằng mô hình WRF . 28
2.3.1 Cấu hình được lựa chọn 28
2.3.2 Nguồn số liệu 28
2.3.3 Các bước cập nhật số liệu địa phương 31
2.4 Phương pháp xây dựng hồi qui có lọc và các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo
lượng mưa 32
3
2.4.1 Xây dựng phương trình dự báo mưa . 32
2.4.1.1 Phương pháp xây dựng phương trình hồi qui có lọc . 32
2.4.1.2. Nguyên tắc xây dựng phương trình hồi qui 32
2.4.2 Phương pháp đánh giá 33
2.4.2.1 Đánh giá tỷ số giữa vùng dự báo và vùng thám sát . 33
2.4.2.2 Xác suất phát hiện 33
2.4.2.3 Tỷ phần dự báo phát hiện sai . 33
2.4.2.4 Điểm số thành công . 34
2.4.2.5 Độ chính xác 34
CHƯƠNG 3: . 35
KẾT QUẢ DỰ BÁO MƯA LỚN DO KHÔNG KHÍ LẠNH KẾT HỢP VỚI DẢI
HỘI TỤ NHIỆT ĐỚI TỪ 1 ĐẾN 3 NGÀY BẰNG MÔ HÌNH WRF . 35
3.1 Phương trình hồi qui dự báo lượng mưa 35
3.1.1 Phương trình dự báo lượng mưa 24h 35
3.1.1.1 Khu vực Quảng Bình . 35
3.1.1.2 Khu vực Quảng Trị 37
3.1.1.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế . 39
3.1.1.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng . 40
3.1.1.5 Khu vực Quảng Ngãi . 41
3.1.1 Phương trình dự báo 48h . 43
3.1.2.1 Khu vực Quảng Bình . 43
3.1.2.2 Khu vực Quảng Trị 44
3.1.2.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế . 45
3.1.2.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng . 47
3.1.2.5 Khu vực Quảng Ngãi . 48
3.1.3 Phương trình dự báo 72h . 50
3.1.3.1 Khu vực Quảng Bình . 50
3.1.3.2 Khu vực Quảng Trị 52
3.1.3.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế . 53
3.1.3.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng . 55
3.1.3.5 Khu vực Quảng Ngãi . 56
3.2 Nhận xét kết quả xây dựng phương trình . 58
3.2.1 Phân tích đợt mưa độc lập từ ngày 21-24/10/2009 . 58
3.2.1.1 Hình thế Synop : 58
3.2.1.2 Nhận xét kết quả dự báo lượng mưa 60
4
3.2.2 Đánh giá dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với ITCZ tại khu
vực Trung Trung Bộ bằng các chỉ số thống kê 64
3.3. Quy trình dự báo mưa lớn . 76
3.3.1 Xác định hình thế. . 76
3.3.2 Chạy mô hình 76
3.3.3 Sử dụng phương trình hồi qui dự báo lượng mưa tại các trạm . 76
3.3.3.1 Phân vùng Quảng Bình 76
3.3.3.2 Phân vùng Quảng Trị . 77
3.3.3.3 Phân vùng Thừa Thiên_Huế 77
3.3.3.4 Phân vùng Quảng Nam – Đà Nẵng . 78
3.3.3.5 Phân vùng Quảng Ngãi 78
KẾT LUẬN 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81