Luận văn thạc sĩ hus nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình hwrf

Luận văn thạc sĩ phân tích hus nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải

• Tác giả: Trương Bá Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Đức Cường
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Khí Tượng và Khí Hậu Học
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương - khí quyển đến cường độ và quỹ đạo bão bằng mô hình HWRF
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Khoa Học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG MÔ HÌNH KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG
• 1.1. Tổng quan về tình hình dự báo bão bằng mô hình số trị trên thế giới
• 1.1.1. Lịch sử phát triển dự báo số trị đối với dự báo thời tiết và bão
• 1.1.2. Mô hình số trị toàn cầu
• 1.1.3. Mô hình dự báo số trị khu vực có thể dự báo bão
• 1.1.4. Một số mô hình số trị chuyên dự báo bão
• 1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác khí quyển đại dương tới cường độ và quỹ đạo bão
• 1.2.1. Trên thế giới
• 2. CHƯƠNG II: MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ
• 2.1. Mô hình WRF
• 2.1.1. Tổng quan về mô hình WRF
• 2.1.2. Cấu trúc của mô hình WRF
• 2.1.3. Các quá trình vật lý được tham số hóa trong mô hình
• 2.2. Mô hình ROMS
• 2.2.1. Hệ toạ độ thích ứng địa hình
• 2.2.2. Phương pháp tính
• 2.2.2.1. Sai phân theo không gian
• 2.2.2.2. Sai phân theo thời gian
• 2.2.3. Tham số hoá
• 2.3. Mô hình COASWT
• 2.4. Xây dựng miền tính và nguồn số liệu thử nghiệm
• 2.5. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo, cường độ bão
• 3. CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG TƯƠNG TÁC BIỂN KHÍ QUYỂN TỚI CƯỜNG ĐỘ VÀ QUỸ ĐẠO BÃO
• 3.1. Nhiệt độ và áp suất bề mặt biển
• 3.2. Profile nhiệt độ tại tâm bão
• 3.3. Gió và áp suất nhiễu động
• 3.4. Thông lượng nhiệt và ẩm bề mặt
• 3.5. Đánh giá chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến bão

Nghiên cứu về tương tác đại dương - khí quyển là một lĩnh vực quan trọng trong khí tượng học, đặc biệt là trong việc dự báo bão. Mô hình HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting) đã được phát triển để cải thiện độ chính xác trong dự báo cường độ và quỹ đạo bão. Mô hình này kết hợp các yếu tố khí quyển và đại dương, giúp hiểu rõ hơn về cách mà các yếu tố này tương tác với nhau và ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của bão.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tương tác đại dương khí quyển

Nghiên cứu tương tác đại dương - khí quyển giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bão. Các yếu tố như nhiệt độ bề mặt biển (SST) và áp suất khí quyển có vai trò quan trọng trong việc hình thành bão. Việc hiểu rõ mối quan hệ này có thể giúp cải thiện độ chính xác của các dự báo bão.

1.2. Mô hình HWRF và ứng dụng trong nghiên cứu bão

Mô hình HWRF là một trong những mô hình tiên tiến nhất hiện nay trong việc dự báo bão. Mô hình này không chỉ dự báo cường độ mà còn quỹ đạo bão, nhờ vào việc tích hợp dữ liệu từ cả đại dương và khí quyển. Điều này giúp nâng cao khả năng dự báo và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

II. Vấn đề và thách thức trong dự báo bão bằng mô hình HWRF

Mặc dù mô hình HWRF đã đạt được nhiều thành tựu, nhưng vẫn còn nhiều thách thức trong việc dự báo bão. Các yếu tố như biến đổi khí hậu và sự thay đổi của đại dương có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình. Việc cập nhật dữ liệu và cải tiến mô hình là cần thiết để nâng cao khả năng dự báo.

2.1. Những thách thức trong việc dự báo cường độ bão

Dự báo cường độ bão là một trong những thách thức lớn nhất trong khí tượng học. Các yếu tố như sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ bề mặt biển và áp suất khí quyển có thể làm thay đổi nhanh chóng cường độ bão. Mô hình HWRF cần được cải tiến để có thể phản ánh chính xác hơn những thay đổi này.

2.2. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến dự báo bão

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi các điều kiện khí hậu toàn cầu, ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của bão. Mô hình HWRF cần phải được điều chỉnh để có thể dự đoán chính xác hơn trong bối cảnh biến đổi khí hậu.

III. Phương pháp nghiên cứu ảnh hưởng của tương tác đại dương khí quyển đến bão

Phương pháp nghiên cứu sử dụng mô hình HWRF bao gồm việc thu thập và phân tích dữ liệu từ các nguồn khác nhau. Các yếu tố như nhiệt độ bề mặt biển, áp suất khí quyển và gió được đưa vào mô hình để dự báo cường độ và quỹ đạo bão. Việc sử dụng mô hình kết hợp giữa khí quyển và đại dương giúp nâng cao độ chính xác của dự báo.

3.1. Quy trình thu thập và phân tích dữ liệu

Quy trình này bao gồm việc thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc khí tượng và vệ tinh. Dữ liệu này sau đó được phân tích để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến bão. Mô hình HWRF sử dụng dữ liệu này để dự báo cường độ và quỹ đạo bão.

3.2. Cách thức mô hình HWRF hoạt động

Mô hình HWRF hoạt động bằng cách sử dụng các phương trình vật lý để mô phỏng các quá trình khí quyển và đại dương. Mô hình này tích hợp dữ liệu từ cả hai môi trường để đưa ra dự báo chính xác hơn về cường độ và quỹ đạo bão.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình HWRF trong dự báo bão

Mô hình HWRF đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu và dự báo bão trên toàn thế giới. Các kết quả từ mô hình này đã giúp cải thiện độ chính xác trong việc dự báo cường độ và quỹ đạo bão, từ đó giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ mô hình HWRF

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình HWRF có khả năng dự báo cường độ bão chính xác hơn so với các mô hình khác. Các kết quả này đã được kiểm chứng qua nhiều cơn bão thực tế, cho thấy tính hiệu quả của mô hình trong việc dự báo.

4.2. Ứng dụng mô hình HWRF tại Việt Nam

Tại Việt Nam, mô hình HWRF đã được áp dụng để dự báo bão, giúp cải thiện khả năng cảnh báo cho người dân. Việc sử dụng mô hình này đã giúp giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra, đồng thời nâng cao nhận thức của cộng đồng về các hiện tượng thời tiết cực đoan.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu tương tác đại dương khí quyển đến bão

Nghiên cứu về tương tác đại dương - khí quyển là một lĩnh vực quan trọng và cần thiết trong khí tượng học. Mô hình HWRF đã chứng minh được hiệu quả trong việc dự báo bão, nhưng vẫn cần tiếp tục cải tiến để đáp ứng tốt hơn với các thách thức trong tương lai. Việc nghiên cứu sâu hơn về mối quan hệ giữa đại dương và khí quyển sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo bão.

5.1. Tương lai của mô hình HWRF trong nghiên cứu bão

Mô hình HWRF sẽ tiếp tục được cải tiến và phát triển để đáp ứng tốt hơn với các yêu cầu dự báo bão trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Việc tích hợp thêm dữ liệu và công nghệ mới sẽ giúp nâng cao khả năng dự báo của mô hình.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực khí tượng

Nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc cải thiện các mô hình dự báo bão, đặc biệt là trong việc tích hợp dữ liệu từ đại dương và khí quyển. Điều này sẽ giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Biển Đông hàng năm đón nhận trung bình từ 10 đến 12 cơn bão và áp thấp nhiệt đới, gây thiệt hại nghiêm trọng về người cùng tổn thất kinh tế ước tính chiếm từ 1% đến 1,5% GDP của Việt Nam. Công tác dự báo quỹ đạo và cường độ bão đóng vai trò then chốt trong việc giảm thiểu rủi ro thiên tai. Tuy nhiên, phần lớn các mô hình số trị nghiệp vụ truyền thống tại Việt Nam như MM5, ETA, RAMS hay WRF đơn thuần chỉ giải quyết các quá trình động lực khí quyển mà bỏ qua sự phản hồi hai chiều từ bề mặt đại dương.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là đánh giá định lượng tác động của tương tác đại dương - khí quyển đến quá trình biến đổi cường độ và quỹ đạo bão tại khu vực Biển Đông bằng cách thiết lập mô hình ghép nối phân giải cao. Nghiên cứu thực hiện chuyển đổi và tùy biến hệ thống mô hình HWRF (vốn sử dụng mô hình POM tại khu vực Đại Tây Dương) sang sự kết hợp giữa mô hình khí quyển WRF và mô hình đại dương ROMS thông qua khung liên kết COAWST.

Phạm vi không gian của nghiên cứu bao phủ toàn bộ vùng Biển Đông và bán đảo Đông Dương trong tọa độ từ 3°N đến 30°N và 90°E đến 130°E. Phạm vi thời gian tập trung mô phỏng chi tiết 3 cơn bão nhiệt đới tiêu biểu gồm Mindulle (năm 2010), Nock-ten (năm 2011) và Nalgae (năm 2011). Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở định lượng giúp giảm sai số dự báo áp suất tâm bão từ 14 đến 24 mb ở các hạn dự báo từ 48 đến 72 giờ, nâng cao độ tin cậy cảnh báo thiên tai cho các vùng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết tương tác động lực và nhiệt dịch học giữa lớp biên khí quyển và lớp hòa lẫn trên mặt biển. Khi bão di chuyển trên biển, trường gió mạnh truyền động lượng xuống bề mặt nước, gây ra hiện tượng xáo trộn rối thẳng đứng và hiện tượng nước trồi (upwelling), làm đưa khối nước lạnh từ tầng sâu lên làm mát bề mặt biển (SST). Sự suy giảm nhiệt độ bề mặt biển này lập tức tạo ra phản hồi âm (negative feedback), làm cắt giảm thông lượng nhiệt hiện (HFX) và thông lượng ẩm/ẩn nhiệt (QFX, LH) bốc hơi từ biển vào hoàn lưu bão, trực tiếp kìm hãm cường độ bão phát triển.

Khung mô hình ghép nối vận dụng hai hệ phương trình thủy động lực học quy mô vừa:

• Mô hình khí quyển WRF (phiên bản ARW): Giải hệ phương trình phi thủy tĩnh nén được đầy đủ trên lưới so le Arakawa C theo phương ngang và hệ tọa độ khối theo địa hình với 27 mực thẳng đứng trên cao.
• Mô hình đại dương khu vực ROMS: Giải hệ phương trình thủy động lực thủy tĩnh và mặt nước tự do trên hệ tọa độ cong trực giao theo phương ngang và hệ tọa độ s thích ứng địa hình theo phương thẳng đứng với 20 tầng lớp nước.

Các khái niệm then chốt trong nghiên cứu bao gồm: Nhiệt độ bề mặt nước biển (SST), Khí áp mực biển cực tiểu (SLP min), Thông lượng nhiệt ẩn bề mặt (LH), Sai số dọc quỹ đạo (ATE) và Sai số ngang quỹ đạo (CTE).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lựa chọn cỡ mẫu gồm 3 cơn bão nhiệt đới đặc trưng hoạt động trên Biển Đông trong giai đoạn 2010 - 2011 với 18 mốc thời gian đánh giá từ 00h đến 72h. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các cơn bão có diễn biến phức tạp, cường độ biến đổi nhanh từ cấp 10 đến cấp 15 và đổ bộ trực tiếp vào khu vực Bắc Bộ và Trung Bộ Việt Nam.

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm:

• Trường khí tượng phân tích và dự báo toàn cầu GFS từ Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia Hoa Kỳ (NCEP) với độ phân giải không gian phục vụ điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho WRF.
• Trường nhiệt độ, độ mặn và mực nước biển trung bình tháng từ bộ số liệu khí hậu COADS kết hợp trường SST cập nhật tuần của NCEP cho mô hình ROMS.
• Địa hình đáy biển toàn cầu ETOPO-2 với độ phân giải 2 phút góc (xấp xỉ 4 km) dùng để nội suy địa hình đáy trong ROMS.

Phương pháp phân tích dựa trên kỹ thuật tích phân số trị ghép nối trực tiếp hai chiều (online two-way coupling) qua công cụ MCT trong hệ thống COAWST. Bước thời gian trao đổi thông tin giữa WRF và ROMS được thiết lập là 10 phút (600 giây), bước tích phân của WRF là 120 giây và ROMS là 150 giây, vận hành song song trên cụm máy tính bó 8 nodes mạng MPI. Lý do lựa chọn phương pháp ghép nối này là nhằm tái lập chính xác phản ứng nhiệt động học tức thời của mặt biển dưới tác động của bão mà các mô hình chạy đơn lẻ không thể thực hiện được.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm so sánh giữa phương án ghép nối WRF-ROMS và phương án khí quyển đơn thuần WRF mang lại những phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, mô hình ghép nối tái hiện chân thực hiệu ứng làm lạnh bề mặt biển (SST cooling) dưới tâm bão. Tại thời điểm ban đầu (00h), SST trong mô hình ROMS thấp hơn từ 2°C đến 3°C so với trường SST tĩnh của WRF. Khi bão phát triển và di chuyển, độ chênh lệch nhiệt độ bề mặt biển tăng nhanh lên mức 3°C đến 4°C ở hạn 12h và 24h, đạt mức chênh lệch 4°C đến 5°C (cá biệt trên 5°C tại khu vực xung quanh đảo Hải Nam trong bão Nock-ten) ở hạn dự báo 48h và 72h.

Thứ hai, việc suy giảm SST tác động trực tiếp đến việc điều chỉnh cường độ khí áp bão. Trong phương án đơn thuần WRF, do SST được giữ cố định theo thời gian nên nguồn năng lượng nhiệt ẩm liên tục bơm vào hoàn lưu bão, khiến mô hình dự báo bão sâu hơn và mạnh hơn rất nhiều so với thực tế. Ngược lại, phương án WRF-ROMS kìm hãm cường độ bão: trị số khí áp cực tiểu tại tâm (SLP min) của WRF-ROMS cao hơn phương án WRF từ 2 đến 3 mb ở hạn 12h, tăng lên 6 đến 8 mb ở hạn 24h, và chênh lệch lớn từ 14 đến 16 mb ở hạn 48h, đạt cực đại 22 đến 24 mb ở hạn dự báo 72h.

Thứ ba, tương tác biển - khí quyển góp phần cải thiện độ chính xác dự báo quỹ đạo bão ở các hạn dự báo dài. Sai số khoảng cách vị trí tâm bão trung bình (MPE) của phương án WRF-ROMS giảm khoảng 15% đến 25% ở các hạn 48h và 72h so với mô hình WRF đơn lẻ. Sai số ngang (CTE) và sai số dọc (ATE) cho thấy xu thế di chuyển của bão trong phương án ghép nối có độ ổn định cao hơn, hạn chế hiện tượng bão di chuyển quá nhanh do hoàn lưu xoáy quá mạnh gây ra.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý đằng sau sự khác biệt giữa hai phương án bắt nguồn từ chu trình trao đổi thông lượng tại lớp biên. Dữ liệu mô phỏng cho thấy khi nhiệt độ mặt biển giảm từ 2°C đến 4°C, thông lượng nhiệt hiện (HFX) và thông lượng ẩn nhiệt (LH) trung bình trên một ô lưới tâm bão trong WRF-ROMS giảm từ 30% đến 45% so với mô hình WRF đơn lẻ. Profile thẳng đứng của nhiệt độ và gió nhiễu động tại tâm bão cho thấy cấu trúc lõi ấm (warm core) của WRF-ROMS phát triển ở mức độ vừa phải, phù hợp với số liệu thám sát thực tế của bão Mindulle, Nock-ten và Nalgae.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các công trình nghiên cứu quốc tế của Chun-Chieh Wu và cộng sự khi khẳng định thành phần làm lạnh SST tạo ra phản hồi âm kìm hãm bão phát triển cực đoan. Đồng thời, nghiên cứu kế thừa và chứng minh bằng định lượng kết luận của các nhà khoa học khí tượng Việt Nam về hiện tượng "vết nước lạnh" sau bão và tác động tiêu tán năng lượng của các vùng nước trồi ven bờ miền Trung.

Dữ liệu mô phỏng trong nghiên cứu được thể hiện trực quan qua bản đồ phân bố không gian hiệu nhiệt độ bề mặt biển (SST Difference Map), biểu đồ biến trình thời gian của khí áp tâm bão SLP min và biểu đồ phân rã sai số quỹ đạo ATE/CTE theo từng hạn dự báo từ 12h đến 72h, giúp minh chứng rõ nét sự vượt trội của hệ thống mô hình ghép nối.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm, các giải pháp và khuyến nghị kỹ thuật được đề xuất như sau:

• Tích hợp mô hình ghép nối WRF-ROMS vào hệ thống nghiệp vụ dự báo: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia cần chủ trì triển khai cài đặt mô hình ghép nối hai chiều trên hệ thống siêu máy tính nghiệp vụ, đặt mục tiêu khống chế sai số khí áp tâm bão dưới 5 mb ở hạn dự báo 24 giờ và dưới 10 mb ở hạn 48 giờ trong lộ trình từ năm 2024 đến 2026.
• Tăng độ phân giải không gian miền tính đại dương và khí quyển: Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu cần thực hiện tinh chỉnh bước lưới tính từ 27,75 km xuống mức 3 km đến 9 km cho khu vực trọng điểm ven bờ Biển Đông trước năm 2026 nhằm mô phỏng chính xác tương tác địa hình và các hoàn lưu xoáy quy mô nhỏ.
• Nâng cấp mạng lưới đồng hóa dữ liệu biển thời gian thực: Cục Khí tượng Thủy văn cần bổ sung từ 15 đến 20 trạm phao đại dương đo sâu tự động và tích hợp dữ liệu nhiệt - mặn vệ tinh vào mô-đun ROMSTOOL và WRFDA, mục tiêu nâng độ chính xác vị trí tâm bão thêm 10% đến 15% trong giai đoạn 2025 - 2027.
• Phát triển hệ thống dự báo tích hợp đa thành phần (COAWST đầy đủ): Các nhóm nghiên cứu chuyên sâu tại Đại học Quốc gia Hà Nội cần mở rộng ghép nối mô hình sóng SWAN và mô hình vận chuyển bùn cát CSTMS với WRF-ROMS, nhằm đưa ra dự báo đồng thời về bão, nước dâng và sóng lớn với thời gian xuất kết quả dưới 30 phút sau khi nhận dữ liệu biên toàn cầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Chuyên viên dự báo khí tượng thủy văn tại các đài khu vực: Tiếp cận quy trình vận hành hệ thống mô hình tương tác biển - khí quyển để ứng dụng trực tiếp vào công tác phân tích, nhận định quỹ đạo và cường độ bão hạn 24 - 72 giờ trên Biển Đông.
• Học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Khí tượng và Hải dương học: Sử dụng tài liệu như một tài liệu tham khảo chuẩn mực về cấu hình mô hình WRF, mô hình ROMS, kỹ thuật ghép nối công cụ MCT trong COAWST và phương pháp thiết lập lưới s 20 tầng thích ứng địa hình đáy biển.
• Cơ quan quản lý và Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng chống thiên tai: Khai thác các đánh giá khoa học để xây dựng kịch bản ứng phó bão sát thực tế, tránh các sai lệch về cường độ cực đoan gây lãng phí nguồn lực sơ tán dân cư.
• Kỹ sư công trình biển, dầu khí và các đơn vị vận tải hàng hải: Tham khảo các phân tích về tương tác trường gió, dòng chảy mặt và biến động khí áp để tối ưu hóa thiết kế giàn khoan và lập lộ trình hàng hải an toàn trong mùa bão.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao mô hình khí quyển WRF đơn lẻ thường dự báo cường độ bão mạnh hơn thực tế?
Mô hình WRF đơn lẻ sử dụng trường SST tĩnh cố định trong suốt quá trình dự báo, bỏ qua quá trình nước trồi lạnh do gió bão xới trộn mặt biển. Do đó, nguồn ẩn nhiệt từ mặt biển liên tục cấp năng lượng cho bão, khiến khí áp tâm bão bị tính toán quá sâu (sai lệch từ 14 đến 24 mb ở hạn 48h - 72h).

Điểm ưu việt khi thay thế mô hình đại dương POM bằng ROMS trong hệ thống HWRF là gì?
Mô hình ROMS sử dụng thuật toán số trị bậc cao, hệ tọa độ s thích ứng địa hình đáy biển phức tạp và cơ chế tham số hóa xáo trộn rối Mellor-Yamada 2.5 cải tiến. Cấu trúc mã nguồn của ROMS cho phép ghép nối tối ưu hai chiều với WRF qua bộ công cụ MCT, phù hợp hoàn hảo với địa hình độ sâu biến đổi từ 10m đến 4500m của Biển Đông.

Tương tác đại dương - khí quyển ảnh hưởng thế nào đến quỹ đạo bão?
Sự phân bố bất đối xứng của trường làm lạnh SST làm thay đổi cấu trúc hoàn lưu đối lưu xung quanh tâm bão. Khi cường độ bão được kìm hãm hợp lý trong mô hình WRF-ROMS, lực dẫn môi trường tầng sâu tác động chuẩn xác hơn, giúp giảm sai số khoảng cách tâm bão (MPE) từ 15% đến 25% ở hạn dự báo 48h - 72h.

Miền tính và độ phân giải nào được thiết lập trong nghiên cứu này?
Nghiên cứu thiết lập miền tính kích thước 110x160 điểm lưới, độ phân giải 1/4 độ kinh vĩ (khoảng 27,75 km), bao phủ từ 3°N đến 30°N và 90°E đến 130°E. WRF cấu hình 27 mực thẳng đứng, còn ROMS chia thành 20 lớp s theo phương thẳng đứng kết hợp địa hình đáy ETOPO-2 độ phân giải 2 phút góc.

Bước thời gian ghép nối 10 phút giữa WRF và ROMS có vai trò gì?
Khoảng thời gian 600 giây (10 phút) là chu kỳ trao đổi dữ liệu tối ưu giữa hai mô hình: WRF gửi ứng suất gió, khí áp, bức xạ, mưa xuống ROMS; ROMS tính toán và phản hồi trường SST tức thời lên WRF. Bước thời gian này vừa đảm bảo tính ổn định số trị theo chuẩn CFL, vừa phản ánh kịp thời phản hồi nhiệt động lực học của mặt biển.

Kết luận

• Luận văn đã thiết lập thành công hệ thống mô hình ghép nối hai chiều WRF-ROMS thông qua khung COAWST cho khu vực Biển Đông và bán đảo Đông Dương.
• Khẳng định tương tác đại dương - khí quyển tạo ra hiệu ứng phản hồi âm làm giảm nhiệt độ bề mặt biển từ 2°C đến 5°C, trực tiếp kìm hãm cường độ bão không bị phát triển quá mức so với thực tế.
• Khí áp tâm bão dự báo bằng WRF-ROMS sát với số liệu thực tế hơn, khắc phục sai số khí áp quá sâu từ 14 đến 24 mb tại các hạn dự báo từ 48 đến 72 giờ của mô hình WRF đơn lẻ.
• Cải thiện độ chính xác dự báo quỹ đạo bão Mindulle, Nock-ten và Nalgae, giảm sai số khoảng cách vị trí tâm từ 15% đến 25% ở các hạn dự báo xa.
• Đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc chuyển giao công nghệ mô hình ghép nối số trị vào nghiệp vụ dự báo bão hạn 3 ngày tại Việt Nam.

Giai đoạn từ năm 2025 đến 2030 đòi hỏi việc tiếp tục nâng cấp hệ thống mô hình tích hợp sóng và nước dâng. Hãy ứng dụng ngay các kết quả nghiên cứu của luận văn để nâng cao năng lực phân tích số trị và tối ưu hóa hệ thống cảnh báo thiên tai khí tượng thủy văn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu cho việc nghiên cứu tương tác đại dương- khí quyển là kết quả của đề tài “Nghiên cứu tương tác biển – khí quyển vùng biển Thuận Hải - Minh Hải” trong chương trình Nhà nước” điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên vùng biển Thuận Hải - Minh Hải” thời kỳ 1978 – 1981. Đề tài đã nêu ra “mô hình lý thuyết của sự tương tác các lớp biên tà áp biển - khí quyển”. Ở mô hình này chưa đề cập đến các tính toán cụ thể các đặc trưng tương tác của biển - khí quyển [4]. Lê Đình Quang (1982), đã nghiên cứu “về một cách tham số hoá lớp biên tà áp dừng của khí quyển” đã xây dựng mô hình lớp biên tà áp của khí quyển.

Trước hết tác giả đã nêu “vài nét tổng quát của động lực khí quyển nhiệt đới”. Khi đánh giá bậc đại lượng của một số tham số khí tượng đến vĩ độ 500 N (theo hướng về xích đạo). Các quy mô đặc trưng chọn lựa mô tả hình thế synốp ở vĩ độ thấp, kể cả những XTNĐ trong thời kỳ phát triển cực đại của chúng. Khi tăng theo vĩ độ (chẳng hạn từ 100N đến 400N) các đặc trưng rối như: tốc độ động lực, góc quay của gió theo độ cao, độ cao của lớp biên và hệ số rối giảm đi rõ rệt.

Đặc biệt hệ số rối ở 100N và 400N tương ứng giảm đi tới hàng chục lần [4]. Lê Đình Quang, Đặng Tùng Mẫn (1986) trong công trình “Mô hình dừng tương tác động lực giữa 2 lớp biên đại dương – khí quyển” đã tính toán các đặc trưng khí tượng - hải văn vùng ven biển Việt Nam và Biển Đông và đã tính toán các đặc trưng tương tác đại dương-khí quyển. Các tác giả đã xây dựng “Mô hình dừng tương tác động lực giữa hai lớp biên đại dương-khí quyển”. Trong mô hình này, việc làm kín hệ phương trình rối có khác với mô hình được đưa ra trước đây bởi phương trình khuếch tán năng lượng rối thành nhiệt bởi một số các biểu thức bán kinh nghiệm và bởi một số tham số ngoài, cũng như điều kiện biên và điều kiện “dán” giữa hai lớp biên đại dương-khí quyển.

Điểm ưu việt của mô hình là việc tính toán và giải hệ phương trình chỉ theo thông tin synốp - cao không tiêu chuẩn. Tác giả cũng đã đưa ra các profin hệ số rối theo mùa (đông và hè) cho 2 lớp biên đại dương-khí quyển trong sự tương tác. Ngoài ra còn có thể tính toán một số đặc trưng như dòng chảy trôi, véc tơ gió ở độ cao bất kỳ và các đặc trưng động lực khác như 18 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] độ cao lớp biên (độ cao ở đó hệ số rối k đạt cực đại), hệ số địa chuyển, hệ số ma sát địa chuyển, tốc độ động lực, lực căng ma sát rối của khí quyển; độ sâu lớp biên, độ sâu ở đó hệ số rối đạt cực đại của lớp biên biển trong mối tương tác đồng thời [4]. Lê Đình Quang, Bôkhan, Đặng Tùng Mẫn (1987) trong công trình “Một số kết quả nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới trên Biển Đông năm 1986” đã phân tích cơn bão Herbert trên Biển Đông thấy rằng, khi bão vượt qua Philippin vào Biển Đông - một vùng biển lúc đó tương đối ấm hơn (nhiệt độ nước bề mặt > + 280C; thế nhiệt Q* > 0,2.

10-6 jun/m2), cộng với các điều kiện động lực trên cao thuận lợi, bão nhanh chóng mạnh lên xuống, vận tốc gió cực đại tăng lên (Vmax ~ 28 m/s) và di chuyển chậm về phía Tây. Do cơ chế nước trồi và xáo trộn, nhiệt độ nước biển hạ đi nhanh chóng (T0 < 260C), dự trữ nhiệt của lớp tựa đồng nhất giảm xuống gần giá trị 0. Mối quan hệ ngược bắt đầu phát huy tác dụng, bão tiếp tục di chuyển lên trên vùng có nhiệt độ nước biển thấp hơn từ 1,5 - 20C so với phần phía đông của Biển Đông. Điều này làm bão yế đi, tuy rằng trên cao còn điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của bão.

Nghiên cứu tương tác đại dương-khí quyển trong sự nảy sinh, tiến triển của XTNĐ trên Biển Đông và mối quan hệ ngược, lần đầu tiên ở Việt Nam đã được đề cập đến trong đề tài hợp tác Việt Xô về khí tượng nhiệt đới và bão thời kỳ 1981 - 1985; 1986 - 1990 và tiếp tục trong thời kỳ 1991 - 1995 bởi Lê Đình Quang và các cộng tác viên của đề tài. Khi nghiên cứu và tính toán các đặc trưng nhiệt động lực của XTNĐ phát triển trên Biển Đông trong mô hình bão tổ hợp trên Biển Đông, Lê Đình Quang và các cộng tác viên đã đề cập đến các điều kiện để áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) phát triển thành bão trên Biển Đông [4]. Lê Đình Quang (1997), trong đề tài cấp Tổng cục KTTV “Ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển bề mặt đến cường độ và hướng di chuyển của XTNĐ trên Biển Đông (1995 – 1997)” đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước biển bề mặt (SST) và hiện tượng nước trồi đến cường độ, hướng di chuyển của XTNĐ trên Biển Đông và đưa ra kết luận chủ yếu như sau: Nhiệt độ nước biển ảnh hưởng đến XTNĐ nhưng chỉ là điều kiện cần, tuy nhiên cũng là điều kiện quan trọng. Các 19 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] XTNĐ khi di chuyển trên “sống nóng” nhiệt độ nước biển bề mặt thì phát triển lên (hoặc duy trì), còn khi di chuyển trên rãnh lạnh nhiệt độ - ngược lại bão sẽ đầy lên hoặc tan đi.

Đã xây dựng các phương trình tương quan giữa cường độ bão và SST. Nước trồi ở ngoài khơi vùng biển nam Trung Bộ Việt Nam là một thực thể tồn tại và có thể “chính nó” là nguyên nhân làm cho bão (nếu còn duy trì cường độ) ít đi vào vùng bờ biển này [4]. Lê Đình Quang (2000) “ Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt nước biển đến xoáy thuận nhiệt đới hoạt động trên biển Đông” đã chỉ ra rằng vai trò và ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt biển đến XTNĐ hoạt động trên biển Đông như sau: - SST chỉ là điều kiện cần nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc nảy sinh XTNĐ và phát triển nó thành bão. - Trung bình SST trên Biển Đông cực đại vào tháng 8 khá trùng với tháng có tần suất cực đại nảy sinh của ATNĐ và bão trên Biển Đông - XTNĐ hoạt động trên biển đông khi di chuyển sống nóng thì tương ứng là giai đoạn XTNĐ phát triển mạnh lên.

Ngược lại cường độ XTNĐ giảm đi khi di chuyển theo rãnh lạnh của SST, thậm chí trong điều kiện các nhân tố động lực thuận lợi cho sự phát triển của XTNĐ. - Hiện tượng nước trồi ở ven biển Việt Nam không phải tồn tại nhất thời mà nó trùng với tâm lạnh của SST, nó cản trở sinh ra XTNĐ hoặc làm giảm cường độ bão khi di chuyển qua. - Sau khi bão di chuyển qua để lại “vết nước lạnh” trên vùng nó qua [4]. Trần Tân Tiến và cộng sự trong đề tài cấp Nhà nước “Xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn bão, nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mô hình số với thời gian dự báo trước 3 ngày” đã xây dựng được tổ hợp các mô hình dự báo liên hoàn bão, nước dâng cho Việt Nam [9].

Đinh Văn Ưu và cộng sự có nhiều nghiên cứu về tương tác khí quyển đại dương như: Trao đổi năng lượng cơ học ở lớp biên khí quyển trên biển (1980), giáo trình tương tác biển khí quyển (2003), xây dựng mô hình tính toán và dự báo vận 20 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] chuyển và bồi, xói bùn cát đáy tại đới ven bờ trong điều kiện tác động của bão (2008). Nghiên cứu về tương tác biển-khí quyển ảnh hưởng tới cường độ và quỹ đạo XTNĐ bằng mô hình đại dương-khí quyển còn chưa nhiều và chưa thực sự tương xứng với vai trò của chúng ở nước ta. 21 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƯƠNG II. MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC KHÍ QUYỂN ĐẠI DƯƠNG TỚI DỰ BÁO CƯỜNG ĐỘ, QUỸ ĐẠO BÃO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 2.1 Mô hình WRF 2.1 Tổng quan về mô hình WRF Mô hình Nghiên cứu và Dự báo WRF (Weather Research and Forecast) là mô hình đang được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới, chủ yếu là: Phòng nghiên cứu Khí tượng qui mô nhỏ và qui mô vừa của trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển Mỹ (NCAR/MMM), trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP), phòng thí nghiệm phương pháp dự báo (NOAA /FSL), trung tâm phân tích và dự báo bão của trường đại học Oklahoma (CAPS), cơ quan thời tiết hàng không Mỹ (AFWA) và các trung tâm khí tượng quốc tế như Học viện khoa học khí tượng của Trung Quốc CAMS, Cơ quan thời tiết trung ương của Đài Loan, Cơ quan khí tượng Hàn Quốc (KMA).

Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại Mỹ, mô hình WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng 7/2006). Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài Loan và Israel (từ năm 2007). Ngoài ra, một số nước khác đang sử dụng WRF trong nghiên cứu và dự định sử dụng mô hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, Niu-di- lân, Bra-xin.4 của mô hình WRF ra đời tháng 4 năm 2012, bao gồm các chức năng chính sau: hệ phương trình động lực học bất thuỷ tĩnh nén được đầy đủ; các sơ đồ vật lý được tích hợp cho những ứng dụng ở quy mô từ mét đến hàng nghìn km và có mã nguồn mở để người sử dụng, cũng như các nhà nghiên cứu có thể đưa thêm các sơ đồ vật lý vào mô hình; điều kiện biên di động; hệ thống đồng hoá số liệu 4DVAR; kỹ thuật lồng ghép miền tính di động [1]. 22 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cấu trúc của mô hình WRF Sơ đồ mô tả cấu trúc các thành phần của mô hình WRF Hình 2.

Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF.