Thạc Sĩ Nghiên cứu ứng dụng mô hình WRF phục vụ dự báo thời tiết và bão ở Việt Nam

VIỆN KHOA HỌC
KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH 1
MỤC LỤC BẢNG 4
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT .6
BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI .8
PROJECT SUMMARY 10

CHƯƠNG 1 10
TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 11
1.1. Tổng quan về mô hình WRF 11
1.1.1. Lịch sử 11
1.1.2. Sơ đồ cấu trúc 12
1.1.3. Động lực học và phương pháp số 13
1.1.4. Số liệu và sản phẩm của mô hình .17
1.2. Tổng quan về các công trình nghiên cứu 19
1.2.1. Tổng quan các nghiên cứu về thời tiết và bão .19
1.2.2. Tổng quan về đồng hóa số liệu vệ tinh Quikscast 22
1.2.3. Tổng quan về ứng dụng sơ đồ phân tích xoáy nhân tạo 24
1.2.4.Tổng quan về miền tính lồng ghép di động .25
1.2. Thiết lập mô hình WRF cho Việt Nam .27
1.2.1. Các loại số liệu sử dụng .27
1.2.2. Xây dựng miền tính và cấu hình .28
1.3. Các phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo .29

CHƯƠNG 2 33
LỰA CHỌN CÁC SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA VẬT LÝ TRONG MÔ HÌNH WRF DỰ BÁO THỜI TIẾT CHO VIỆT NAM .33
2.1. Các sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình WRF .33
2.1.1. Sơ đồ tham số hóa đối lưu 33
2.1.2. Sơ đồ vi vật lý mây .37
2.2. Kết quả thử nghiệm nhằm lựa chọn sơ đồ tham số hóa vật lý .39
2.2.1. Các phương án thử nghiệm .39
2.2.2. Kết quả thử nghiệm .39

CHƯƠNG 3 49
ỨNG DỤNG SƠ ĐỒ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU 3DVAR CHO MÔ HÌNH WRF NHẰM DỰ BÁO THỜI TIẾT .49
3.1.Cơ chế đồng hóa dữ liệu của WRF-VAR 49
3.2.Thử nghiệm đồng hoá số liệu thám sát .50
3.2.1. Lý thuyết về đồng hóa số liệu 3DVAR trong mô hình WRF .50
3.2.2. Cấu hình thử nghiệm 52
3.2.3. Kết quả thử nghiệm. .53
3.3. Thử nghiệm ứng dụng số liệu vệ tinh MTSAT-1R. .57

CHƯƠNG 4 63
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG .63
4.1. Cấu hình tính toán .63
4.2. Ứng dụng đồng hóa số liệu 3DVAR .63
4.2.1. Thử nghiệm đồng hoá số liệu mặt đất và cao không .63
4.2.2. Thử nghiệm đồng hoá số liệu vệ tinh MTSAT-1R 66
4.2.3. Thử nghiệm đồng hoá số liệu vệ tinh Quickscat 68
4.3. Ứng dụng sơ đồ phân tích xoáy nhân tạo .72
4.3.1 Nguồn số liệu .72
4.3.2. Kết quả thử nghiệm 74
4.4. Ứng dụng lưới tính lồng ghép di động trong mô hình WRF để dự báo bão .77

CHƯƠNG 5 89
XÂY DỰNG PHƯƠNG ÁN DỰ BÁO TỔ HỢP VÀ THỬ NGHIỆM DỰ BÁO THỜI TIẾT, BÃO .89
5.1. Lựa chọn phương pháp tổ hợp và các phương án dự báo tổ hợp cho sản phẩm
của mô hình WRF, MM5 .89
5.1.1. Cơ sở lý thuyết 89
5.1.2. Kết quả thử nghiệm dự báo tổ hợp .91
5.2. Thử nghiệm dự báo và đánh giá kết quả dự báo thời tiết bằng mô hình WRF .96
KẾT LUẬN 99
KIẾN NGHỊ .100
TÀI LIỆU THAM KHẢO .101
PHỤ LỤC .107
Phụ lục 1. Chương trình tìm tâm bão và xác định giá trị tốc độ gió cực đại từ trường
dự báo của mô hình WRF 107
Phụ lục 2. Phần mềm kết nối để hiển thị kết quả lên bản đồ .108
Phụ lục 3. Các phần mềm chiết xuất các kết quả dự báo tại các thời điểm
nghiên cứu 112


1. Mục đích của đề tài:
- Ứng dụng được sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR và kỹ thuật miền tính lồng
ghép di động cho mô hình WRF phục vụ dự báo thời tiết và bão đến hạn dự báo 72h ở
Việt Nam.
- Góp phần nâng cao chất lượng dự báo thời tiết và bão ở Việt Nam.

2. Nội dung của đề tài:
- Thu thập thống kê, xử lý các dữ liệu cần thiết phục vụ nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về mô hình WRF và phương pháp biến phân 3 chiều
(3DVAR) trong đồng hoá số liệu.
- Nghiên cứu ứng dụng sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR cho mô hình WRF dự
báo thời tiết và bão
- Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật miền tính lồng ghép di động cho mô hình WRF
phù hợp với di chuyển của tâm bão
- Nghiên cứu lựa chọn các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình số trị WRF
cho mục đích dự báo thời tiết
- Nghiên cứu lựa chọn các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình số trị WRF
cho mục đích dự báo bão
- Xây dựng phần mềm khai thác sản phẩm và dự báo tổ hợp
- Thử nghiệm dự báo và bước đầu đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo thời
tiết, bão
- Tổng hợp kết quả nghiên cứu và viết báo cáo tổng kết đề tài

3. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp số trị dự báo thời tiết và bão;
- Phương pháp đồng hoá số liệu biến phân ba chiều 3DVAR;
- Phương pháp ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mô hình số trị;
- Phương pháp dự báo tổ hợp;
- Phương pháp thống kê đánh giá khách quan các sản phẩm dự báo của mô hình số
trị;
- Phương pháp đồ hoạ.

4. Kết quả nghiên cứu của đề tài:
- Bộ số liệu chuẩn phục vụ nghiên cứu đề tài;
- Các chuyên đề tổng quan;
- Trường ban đầu đã được cập nhật cho dự báo thời tiết và bão ở Việt Nam;
- Miền tính dịch chuyển lồng ghép cho khu vực mô hình WRF phù hợp với di
chuyển của tâm bão ở Việt Nam;
- Mô hình WRF đã được chọn các phương án cho mục đích dự báo thời tiết;
- Mô hình WRF đã được chọn các phương án cho mục đích dự báo cường độ và quỹ
đạo bão;
- Các phần mền khai thác sản phẩm của mô hình WRF dự báo thời tiết, bão và dự báo tổ
hợp;
- Báo cáo đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo của mô hình WRF;
- Báo cáo tổng kết.
5. Các kết luận của đề tài:
- Việc nghiên cứu lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vật lí đã nâng cao rõ rệt độ
chính xác trong dự báo thời tiết và bão ở Việt Nam.
- Việc sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVAR cập nhật số liệu cao không và synốp
cho trường ban đầu đã cải thiện đáng kể các trường nhiệt độ, độ ẩm và trường mưa ở
hạn dự báo trước 48h, nhưng không có sự thay đổi lớn với hạn dự báo 48h-72h.
- Cập nhật số liệu vệ tinh MTSAT-1R đã cải thiện đáng kể trường mưa dự báo
trong 24h đầu. Tuy nhiên, ở hạn dự báo 24-72h, việc đồng hóa số liệu không cho kết
quả tốt.
- 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 42h đặc biệt ở hạn dự báo từ 42h đến 72h.
- Kết quả thử nghiệm dự báo mưa lớn và quỹ đạo bão cho thấy việc đồng hóa số
liệu MSAT-1R cải thiện đáng kể kết quả dự báo thời tiết nguy hiểm mưa lớn, bão thời
điểm trước 24h đối với mưa lớn và trước 42h đối với quỹ đạo bão. Ở các hạn dự báo
tiếp theo, việc đồng hóa số liệu MTSAT-1R không cho kết quả dự báo tốt
- Đồng hóa số liệu vệ tinh Quickscat làm giảm đáng kể sai số dự báo quỹ đạo
bão so với trường hợp không đồng hóa, đặc biệt là các hạn dự báo trước 54h.
- Đối với việc ứng dụng sơ đồ phân tích xoáy giả tích hợp với đồng hóa số liệu
ở trường đầu vào trong mô hình WRF cho thấy: Sai số vị trí trung bình còn lớn và tăng
dần theo hạn dự báo.
- Sử dụng lưới lồng ghép di động trong dự báo quỹ đạo vào cường độ của bão
thể hiện rõ khả năng tiết kiệm được khoảng một nửa thời gian chạy chương trình so
với sử dụng lưới đơn có độ phân giải cao hay lưới lồng cố định có miền tính lớn hơn.
Khi sử dụng phương pháp này, khả năng mô phỏng quỹ đạo bão thời điểm đầu tốt hơn
thời điểm sau tuy nhiên khả năng mô phỏng cường độ bão thì ngược lại. Mô phỏng
cường độ bão thường cho kết quả bão yếu hơn so với thực tế.
- Trong dự báo tổ hợp, với phương án tổ hợp 10 thành phần khác nhau từ 2 mô
hình số trị MM5 và WRF cho ta kết quả dự báo đối với các trường khí tượng nói
chung là tốt hơn nhiều so với các các dự báo thành phần. Khả năng áp dụng vào thực
tế rất cao và tính hiệu quả sẽ lớn.
- Mô hình dự báo tốt nhiệt độ và độ ẩm tương đối cho khu vực Việt Nam.