VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN VÀ MƠI TRƯỜNG TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU KHÍ TƯỢNG - KHÍ HẬU (( BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH WRF PHỤC VỤ DỰ BÁO THỜI TIẾT VÀ BÃO Ở VIỆT NAM 9213 HÀ NỘI - 200 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 10  TỔNG QUAN VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 11  1.1 Tổng quan mơ hình WRF 11  1.1.1 Lịch sử 11  1.1.2 Sơ đồ cấu trúc 12  1.1.3 Động lực học phương pháp số 13  1.1.4 Số liệu sản phẩm mơ hình .17  1.2 Tổng quan cơng trình nghiên cứu 19  1.2.1 Tổng quan nghiên cứu thời tiết bão .19  1.2.2 Tổng quan đồng hóa số liệu vệ tinh Quikscast 22  1.2.3 Tổng quan ứng dụng sơ đồ phân tích xốy nhân tạo 24  1.2.4.Tổng quan miền tính lồng ghép di động 25  1.2 Thiết lập mơ hình WRF cho Việt Nam .27  1.2.1 Các loại số liệu sử dụng .27  1.2.2 Xây dựng miền tính cấu hình 28  1.3 Các phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo 29  CHƯƠNG 33  LỰA CHỌN CÁC SƠ ĐỒ THAM SỐ HĨA VẬT LÝ TRONG MƠ HÌNH WRF DỰ BÁO THỜI TIẾT CHO VIỆT NAM 33  2.1 Các sơ đồ tham số hóa vật lý mơ 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 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 thử nghiệm .39  CHƯƠNG 49  ỨNG DỤNG SƠ ĐỒ ĐỒNG HĨA SỐ LIỆU 3DVAR CHO MƠ HÌNH WRF NHẰM DỰ BÁO THỜI TIẾT 49  3.1.Cơ chế đồng hóa liệu WRF-VAR 49  3.2.Thử nghiệm đồng hoá số liệu thám sát 50  3.2.1 Lý thuyết đồng hóa số liệu 3DVAR mơ hình WRF .50  3.2.2 Cấu hình thử nghiệm 52    3.2.3 Kết thử nghiệm 53  3.3 Thử nghiệm ứng dụng số liệu vệ tinh MTSAT-1R .57  CHƯƠNG 63  ỨNG DỤNG MƠ HÌNH WRF DỰ BÁO BÃO TRÊN BIỂN ĐƠNG 63  4.1 Cấu hình tính tốn .63  4.2 Ứng dụng đồng hóa số liệu 3DVAR 63  4.2.1 Thử nghiệm đồng hố số liệu mặt đất cao khơng 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 xốy nhân tạo 72  4.3.1 Nguồn số liệu .72  4.3.2 Kết thử nghiệm 74  4.4 Ứng dụng lưới tính lồng ghép di động mơ hình WRF để dự báo bão .77  CHƯƠNG 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 phương án dự báo tổ hợp cho sản phẩm mơ hình WRF, MM5 89  5.1.1 Cơ sở lý thuyết 89  5.1.2 Kết thử nghiệm dự báo tổ hợp .91  5.2 Thử nghiệm dự báo đánh giá kết dự báo thời tiết mơ hình WRF 96  KẾT LUẬN 99  KIẾN NGHỊ .100  TÀI LIỆU THAM KHẢO .101  PHỤ LỤC 107  Phụ lục Chương trình tìm tâm bão xác định giá trị tốc độ gió cực đại từ trường dự báo mơ hình WRF 107  Phụ lục Phần mềm kết nối để hiển thị kết lên đồ 108  Phụ lục Các phần mềm chiết xuất kết dự báo thời điểm nghiên cứu 112  MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc mơ hình WRF 1  Hình 1.2 Hệ tọa độ thẳng đứng mơ hình WRF 1  Hình 1.3 Sơ đồ tương tác trình vật lí mơ hình 1  Hình 1.4 Hướng tốc độ gió 10m bề mặt biển từ vệ tinh Quickscat thời điểm 22:48Z ngày 09/07/2009 1  Hình 1.5 Hình ảnh lưới hệ tọa độ E với tỉ lệ 3:1 với miền mẹ wb sb biên phía tây biên phía nam 1  Hình 1.6 Các miền tính mơ hình WRF lựa chọn cho Việt Nam phục vụ dự báo thời tiết 1  Hình 2.1 Các sơ đồ tham số hóa vật lí mơ hình 1  Hình 2.2 Chỉ số ME ứng với hạn dự báo 1  Hình 2.3 Chỉ số RMSE ứng với hạn dự báo 1  Hình 2.4 Chỉ số CR ứng với hạn dự báo 1  Hình 2.5 Chỉ số ME ứng với 1  hạn dự báo 1  Hình 2.6 Chỉ số RMSE ứng với hạn dự báo cho độ ẩm 1  Hình 2.7 Hệ số tương tương quan (CR) ứng với hạn dự báo cho độ ẩm 1  Hình 2.8 Chỉ số TS ứng với hạn dự báo cho lượng mưa 1  Hình 2.9 Chỉ số POD ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(1mm) 1  Hình 2.11 Chỉ số FAR ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(15mm) 1  Hình 2.12 Chỉ số TS ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(15mm) 1  Hình 2.13 Chỉ số POD ứng với hạn dự báo cho lượng mưa (15mm) 1  Hình 2.15 Chỉ số PFR ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(30mm) 1  Hình 2.14.Chỉ số POD ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(30mm) 1  Hình 2.17 Chỉ số TS ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(50mm) 1  Hình 2.16 Chỉ số FAR ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(50mm) 1  Hình 2.18 Chỉ số POD ứng với hạn dự báo cho lượng mưa(50mm) 1  Hình 2.19 Dự báo trường lượng mưa ngày (4h-72h dự báo) phương án thời điểm dự báo 00Z05/07/2009 1  Hình 3.1 Sơ đồ tổng qt q trình đồng hóa liệu WRF-Var 1  Hình 3.2 Mạng lưới trạm cao khơng miền tính thứ 1  Hình 3.3 Mạng lưới trạm bề mặt miền tính thứ 1  Hình 3.4 Sơ đồ phân bố sai số trường theo khoảng cách điểm trạm Hollingsworth (1986) 1  Hình 3.5 Điểm số CSI (a), BIAS (b), POD (c) FAR (d) cho mưa tích lũy 24h từ 00h đến 24h dự báo 1  Hình 3.6 Điểm số CSI (a), BIAS (b), POD (c) FAR (d) cho mưa tích lũy 24h từ 24h đến 48h dự 1  Hình 3.7 Điểm số CSI (a), BIAS (b), POD (c) FAR (d) cho mưa tích lũy 24h từ 48h đến 72h dự báo 1  Hình 3.8 Hiệu trường độ ẩm tương đối trường hợp khơng đồng hóa đồng hóa số liệu MTSAT-1R 00Z ngày 18/10/2008 1  (a) mực bề mặt (b) mực 850mb 1  Hình 3.9 Mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 18 đến 00Z ngày 19/10/2008 1  (dự báo từ 00 đến 24h) 1  Hình 3.10 Mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 19 đến 00Z ngày 20/10/2008 1  (dự báo từ 24 đến 48h) 1  Hình 3.11 Mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 20 đến 00Z ngày 21/10/2008 1  (dự báo từ 48 đến 72h) 1  Hình 4.1 Quỹ đạo bão thực (màu xanh) bão Neoguri, quỹ đạo bão dự báo trường hợp đồng hóa số liệu (màu đỏ), trường hợp khơng đồng hóa số liệu (màu vàng) thời điểm dự báo 00Z ngày 15/04/2008 1  Hình 4.2 Sai số dự báo quỹ đạo bão khơng có đồng hóa số liệu với thời điểm dự báo 00Z ngày 15/04/2008 1  Hình Sai số dự báo quỹ đạo bão không có sử dụng đồng hóa số liệu cao khơng synốp bão năm 2008, 2009 1  Hình 4.4 Quỹ đạo bão thực (màu xanh) bão Koppu, quỹ đạo bão dự báo trường hợp đồng hóa số liệu (màu đỏ), trường hợp khơng đồng hóa số liệu (màu vàng) thời điểm dự báo 00Z ngày 13/09/2009 1  Hình 4.5 Sai số dự báo quỹ đạo bão khơng đồng hóa đồng hóa số liệu thời điểm dự báo 00Z ngày 13/09/2009 1  Hình 4.6 Quỹ đạo bão thực (màu xanh) bão Soudulor, quỹ đạo bão dự báo trường hợp đồng hóa số liệu (màu đỏ), trường hợp khơng đồng hóa số liệu (màu vàng) thời điểm dự báo 00Z ngày 10/07/2009 1  Hình 4.7 Sai số dự báo quỹ đạo bão khơng đồng hóa số liệu đồng hóa số liệu thời điểm dự báo 00Z ngày 10/07/2009 1  Hình 4.8 Sai số dự báo quỹ đạo bão khơng đồng hóa đồng hóa số liệu cập nhật số liệu vệ tinh Quickscat 1  Hình 4.9 Quy trình đồng hóa cài xốy giả 1  Hình 4.10 Quỹ đạo bão trường hợp khơng đồng hóa số liệu xốy giả 1  ( kí hiệu BT-Best Track, WRF-Var-có sử dụng sơ đồ đồng hóa, WRF-khơng sử dụng sơ đồ đồng hóa) 1  Hình 4.11 Sai số vị trí trung bình MPE 1  Hình 4.12 Quỹ đạo thực bão chọn để phân tích 1  Hình 4.13b Đường dòng dự báo bão Parma lưới lồng di động 1  Hình 4.13a Đường dịng dự báo bão Neoguri lưới lồng di động 1  Hình 4.13d Đường dịng dự báo bão Chanhom lưới lồng di động 1  Hình 4.13c Đường dòng dự báo bão Mirinae lưới lồng ghép di động 1  Hình 4.15 Sai số dự báo đường bão Neoguri 1  Hình 4.14 Quỹ đạo dự báo bão phương pháp lưới lồng ghép di động quỹ đạo thực bốn bão Neoguri, Parma, Mirinae, Chanhom 1  Hình 4.16 Sai số dự báo đường bão Parma 1  Hình 4.17 Sai số dự báo đường bão Mirinae 1  Hình 4.18 Sai số dự báo đường bão Chanhom 1  Hình 4.19 Biểu đồ biểu diễn áp suất thấp tâm bão Neoguri 1  Hình 4.20 Biểu đồ biểu diễn áp suất thấp tâm bão Parma 1  Hình 5.1 Sơ đồ mơ tả dự báo tổ hợp theo nhóm I 1  Hình 5.2 Sơ đồ mơ tả dự báo tổ hợp theo nhóm II 1  Hình 5.3 Sơ đồ mơ tả dự báo tổ hợp theo nhóm III 1  Hình 5.5 Ví dụ mơ tả phương pháp tổ hợp dự báo bão 1  Hình 5.4 Ví dụ mơ tả phương pháp tổ hợp đường đẳng trị áp suất 1  Hình 5.6 Chỉ số ME cho dự báo tổ hợp cho nhiệt độ 1  Hình 5.7 Chỉ số RMSE cho dự báo tổ hợp cho nhiệt độ 1  Hình 5.9 Chỉ số RMSE cho dự báo tổ hợp cho độ ẩm tương đối 1  Hình 5.8 Chỉ số ME cho dự báo tổ hợp cho độ ẩm tương đối 1  Hình 5.11 Chỉ số POD cho ngưỡng mưa 1mm 1  Hình 5.10 Chỉ số TS cho ngưỡng mưa 1mm 1  Hình 5.12 Chỉ số FAR cho ngưỡng mưa 1mm 1  Hình 5.13 Chỉ số TS, POD, FAR ứng với ngưỡng 15mm 1  Hình 5.14 Chỉ số TS, POD, FAR ứng với ngưỡng 30mm 1  Hình 5.15 Chỉ số TS, POD, FAR ứng với ngưỡng 50mm 1  MỤC LỤC BẢNG   Bảng 1.1 Tùy chọn vật lí vi mơ WRF 15  Bảng 1.2 Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích mơ hình WRF 16  Bảng 1.3 Các sơ đồ đất – bề mặt WRF 16  Bảng 1.4 Các sơ đồ xạ WRF 16  Bảng 1.5 Danh mục sản phẩm mơ hình WRF (trích dẫn) 17  Bảng 2.1 Tùy chọn vật lí vi mơ WRF 37  Bảng 2.2 Các phương án dự báo sử dụng sơ đồ dự báo khác 39  Bảng 2.3 Các số ME, RMSE ứng với hạn dự báo cho nhiệt độ 40  Bảng 2.4 Các số ME RMSE ứng với hạn dự báo cho độ ẩm 41  Bảng 2.5 Hệ số tương quan lượng mưa với hạn dự báo 42  Bảng 2.6 Các số thống kê TS, POD, FAR với ngưỡng 1mm với hạn dự báo 43  Bảng 2.7 Các số thống kê TS, POD, FAR với ngưỡng 15mm với hạn dự báo 44  Bảng 2.8 Các số thống kê TS, POD, FAR với ngưỡng 30mm với hạn dự báo 45  Bảng 2.9 Các số thống kê TS, POD, FAR với ngưỡng 50mm với hạn dự báo 46  Bảng 2.10 số FBI ứng với hạn dự báo 24h 48h 72h 47  Bảng 3.1 Độ lệch chuẩn thám sát với trạm synốp 51  Bảng 3.2 Độ lệch chuẩn thám sát với trạm cao khơng phân bố theo mực khí áp 51  Bảng 3.3 Sai số dự báo trường độ ẩm tương đối trung bình ngày 53  Bảng 3.4 Sai số dự báo trường nhiệt độ trung bình ngày 53  Bảng 3.5 Những đặc trưng vệ tinh GMS-5 MTSAT-1R 57  Bảng 4.1 Danh sách trường hợp bão áp thấp nhiệt đới lựa chọn thử nghiệm 63  Bảng 4.2 Danh sách trường hợp chọn thử nghiệm 73  Bảng 4.3.Trung bình sai số khoảng cách (km) 74  Bảng 4.4 Sai số trung bình ME khí áp tâm (mb) 75  Bảng 4.5 Danh sách trường hợp bão lựa chon thử nghiệm 79  Bảng 4.6 Sai số dự báo trung bình đường bãotrong mùa bão năm 2008, 2009 84  Bảng 4.7 Sai số áp suất dự báo bão Neoguri, Parma, Mirinae, Chanhom (đơn vị: hpa) 85  Bảng 4.8 Sai số dự báo trung áp suất mùa bão năm 2008, 2009 86  Bảng 4.9 Sai số dự báo vị trí tâm XTNĐ JTWC 87  (nguồn http://www.tropicalstormrisk.com/) 87  Bảng 4.10 Sai số dự báo vị trí tâm XTNĐ Cơ quan dự báo Hồng Kông (km) 87  Bảng 4.11 Bảng tổng kết sai số dự báo vị trí tâm XTNĐ phương pháp dự báo khác nghiên cứu 88  Bảng 5.1 Chỉ số ME RMSE dự báo tổ hợp nhiệt độ 92  Bảng 5.2 Chỉ số ME RMSE dự báo tổ hợp độ ẩm tương đối 93  Bảng 5.4 Các số TS POD FAR phương án tổ hợp với hạn 24h, 48h, 72h ngưỡng 15mm 30mm 50mm 95  Bảng 5.6 Các đặc trưng đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo độ ẩm 97  Bảng 5.7 Các đặc trưng đánh giá chất lượng sản phẩm dự báo mưa 97  Bảng 5.8 Chỉ số đánh giá sản phẩm dự báo mưa CSI BIAS 24h 98  Bảng 5.9 Chỉ số đánh giá sản phẩm dự báo mưa CSI BIAS 48h 98      DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 3DVAR Sơ đồ đồng hóa số liệu chiều (3 –Dimensional VARiation Data Assimilation) AVN Mơ hình tồn cầu Hoa Kỳ (AViatioN Global Model) ATE Sai số dọc theo phương chuyển động (Along Track Error) CTE Sai số dọc theo phương pháp tuyến so với hướng chuyển động (Cross Track Error) DBTH Dự báo tổ hợp DH Có sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVAR cập nhật số liệu vệ tinh synốp cho trường ban đầu ECMWEF Trung tâm dự báo hạn vừa châu Âu (European Center for Medium-range Weather Forecasts) EF Dự báo tổ hợp (Ensemble Forecast) FAR Tỉ lệ báo động sai (False Alarm Ratio) FBI Xu hướng tần suất dự báo (Frequency Bias) GFS Hệ thống dự báo toàn cầu Hoa Kỳ (Global Forecasting System) GME Mơ hình tồn cầu CHLB Đức (Global Model for European) JMA Cơ quan khí tượng Nhật Bản (Japan Meteorological Agency) KDH Không sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVAR cập nhật số liệu vệ tinh synốp cho trường ban đầu) KTTV Khí Tượng Thủy Văn MAE Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error) ME Sai số trung bình (Mean Error) MM5 Mơ hình qui mơ vừa Trung tâm Nghiên cứu khí tượng Quốc Gia Hoa Kỳ Đại học bang Pennsylvania hệ thứ (The NCAR/PSU 5th Generation Mesoscale Model) NCEP Trung tâm quốc gia dự báo môi trường Mỹ (National Centers for Envionmental Prediction) NOAA Cơ quan đại dương khí Hoa Kỳ (National Oceanic and Atmospheric Administration) POD Xu hướng xuất hiện tượng (Probability Of Detection of Event) RIP Chương trình Fortran kết hợp đồ họa (Read/Interpolate/ Plot) RMSE Sai số bình phương trung bình (Root Mean Sqare Error) TTDBTƯ Trung Tâm Dự Báo Khí Tượng Thủy Văn Trung Ương TS Điểm số báo hiệu (Threat Score) XTNĐ Xoáy Thuận Nhiệt Đới b) a) Hình 3.2 Mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 19 đến 00Z ngày 20/10/2008 (dự báo từ 24 đến 48h) (a)-khơng đồng hóa số liệu (b) –có đồng hóa số liệu a) b) Hình 3.3 Mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 20 đến 00Z ngày 21/10/2008 (dự báo từ 48 đến 72h) (a)- khơng đồng hóa số liệu (b) –có đồng hóa số liệu 13 Tương tự, hình 3.2 hình 3.3 biểu diễn lượng mưa tích lũy 24h từ 00Z ngày 19 đến 00Z ngày 20/10/2008 (dự báo từ 24 đến 48h) từ 00Z ngày 20 đến 00Z ngày 21/10/2008 (dự báo từ 48 đến 72h) trường hợp không sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVar cập nhật số liệu vệ tinh MTSAT-1R cho trường ban đầu KDH (a) có sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVar cập nhật số liệu vệ tinh MTSAT-1R cho trường ban đầu DH (b) Trong 24h (từ 24 đến 48h dự báo) tiếp theo, trường hợp đồng hóa cho tâm mưa Quảng Bình – Quảng Trị dịch phía nam so với trường hợp dự báo Cả hai trường hợp xuất tâm mưa nhỏ khu vực Phan Rang – Phan Thiết, nhiên trường hợp đồng hóa số liệu cho vùng mưa mở rộng Theo hình 3.11, lượng mưa tích lũy 24h (từ 48 đến 72h dự báo) trường hợp đồng hóa số liệu giảm đáng kể so với trường hợp khơng đồng hóa, đặc biệt khu vực từ 16 đến 18 vĩ độ Bắc Bảng 3.1 Các sai số dự báo mưa so với số liệu quan trắc trạm hai trường hợp khơng đồng hóa số liệu MTSAT-1R Sai số Khơng sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVar cập nhật số liệu vệ tinh MTSAT-1R cho trường ban đầu Có sử dụng sơ đồ đồng hóa 3DVar cập nhật số liệu vệ tinh MTSAT-1R cho trường ban đầu 24h 48h 72h 24h 48h 72h ME -4.2 -6.8 -10.2 2.1 -7.1 -11.7 MAE 12.2 18.3 21.6 7.6 19.2 22.3 RMSE 19.5 27.4 38.7 10.4 28.3 39.1 Theo bảng 3.1, với hạn dự báo từ 00 đến 24h, trường hợp DH có ME >0, tức cho mưa lớn thực tế, ngược lại trường hợp KDH cho mưa nhỏ so với thực tế (ME