Báo cáo nghiên cứu khoa học " Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

75
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến được áp dụng cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới (TC) trên khu vực Biển Đông. Những cải tiến sơ đồ bao gồm phương trình mới tính tốc độ dòng thăng, giả thiết khép kín đối lưu và hàm kích hoạt đối lưu được thực hiện bằng cách đưa vào gradient thẳng đứng của nhiễu động hàm Exner.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 Sơ đồ tham số hóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới Nguyễn Minh Trường*, Trần Tân Tiến Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 25 tháng 11 năm 2009 Tóm tắt. Trong nghiên cứu này sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến được áp dụng cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới (TC) trên khu vực Biển Đông. Những cải tiến sơ đồ bao gồm phương trình mới tính tốc độ dòng thăng, giả thiết khép kín đối lưu và hàm kích hoạt đối lưu được thực hiện bằng cách đưa vào gradient thẳng đứng của nhiễu động hàm Exner. Áp dụng cho trường hợp cơn bão Lekima và Xangxane, phiên bản RAMS 4.4 sử dụng sơ đồ cải tiến cho thấy độ tin cậy cao trong việc dự báo quĩ đạo TC so với phiên bản RAMS 6.0 sử dụng sơ đồ Kain- Fritsch gốc. Như vậy, các kết quả này cho thấy nhiễu động hàm Exner đóng vai trò quan trọng trong hoạt động đối lưu, một yếu tố có thể ảnh hưởng nhiều đến quĩ đạo TC. Cuối cùng, phiên bản này của RAMS có thể được dùng để tạo ra các thành phần cho dự báo quĩ đạo TC bằng phương pháp tổ hợp. 1 . M ở đầ u  báo thời tiết khác nhau [5-7], và nghiên cứu các mô phỏng số để tìm ra các sơ đồ tham số hoá đối lưu thích hợp cho các hoàn lưu hoặc mô Trong những thập kỷ gần đây, liên quan tới hình dự báo cụ thể [8]. thời tiết có đối lưu và việc cải thiện chất lượng dự báo nói chung, đã có rất nhiều nghiên cứu Một điều đáng lưu ý là các nghiên cứu của theo các hướng khác nhau được tiến hành để có Klemp và Wilhemson [9, 10], Finley và các được những hiểu biết tốt hơn các quá trình vật ĐTG [11], Cai và Wakimoto [12] đã cho thấy lý và động lực của thời tiết có đối lưu. Bên cạnh các bằng chứng về vai trò của gradient thẳng những thành tựu nghiên cứu cho các quá trình đứng của nhiễu động áp suất đối với sự phát xảy ra ở qui mô vừa-  , với các quá trình qui triển của các cơn dông. Đặc biệt, liên quan gần mô vừa-  và lớn hơn, các nhà khí tượng học hơn với vấn đề tham số hoá đối lưu, các nghiên tập trung vào việc phát triển các mô hình mây cứu cảnh báo của Xu và Randall [13] đã cho khái niệm, qua đó mô hình hoá dòng cuốn vào- thấy có tới khoảng 50% các dòng thăng trong cuốn ra quanh biên mây, cũng như là các đặc đối lưu trên Đại Tây Dương có lực nổi âm trưng của dòng thăng và dòng giáng [1-4]. nhưng lại có gradient thẳng đứng của nhiễu Đồng thời phát triển các sơ đồ tham số hoá đối động áp suất lớn. lưu có thể áp dụng cho các loại mô hình số dự Trong khi đó, một điều hiển nhiên là xoáy _______ thuận nhiệt đới (TC) luôn hình thành trên các  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943 vùng biển và đại dương nhiệt đới. Mặt khác, E-mail: truongnm@vnu.edu.vn 530
531 N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 các nghiên cứu về TC đều chỉ ra rằng cơ chế Kain-Fritsch gốc và sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sống còn để duy trì và tăng cường TC chính là cho việc dự báo quĩ đạo TC trên khu vực Biển các quá trình và hệ thống đối lưu tồn tại ngay Đông. trong hoàn lưu TC. Đây chính là cơ sở để các trung tâm dự báo TC trên thế giới lựa chọn các 2. Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau nhằm tạo ra các thành phần cho dự báo tổ hợp: một hoặc Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sử dụng trong nhiều mô hình với nhiều module vật lý. Chính nghiên cứu này bao gồm: vì vậy trong báo cáo này sẽ thử nghiệm hai module vật lý khác nhau tương ứng là sơ đồ Hàm kích hoạt đối lưu  FtriUSL  0  2  wMIX  2FtriUSL  FtriUSL  LCL   0, wMIX  0 , kÝch ho¹t đèi l−u  (1)   wMIX  2FtriUSL  FtriUSL  LCL   0, wMIX  0 2  NÕu kh«ng, tìm USL kh¸c  v ới 3. Một số kết quả dự báo quĩ đạo bão Tu z   T  z  1  PDBz  Trong mục này sẽ trình bày kết quả thử Ftri  g T z  nghiệm sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau là sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến Phương trình tính tốc độ dòng thăng (RAMS 4.4) và sơ đồ Kain-Fritsch gốc (RAMS T T  2 6.0) cho hai cơn bão Lekima và Xangsane hoạt 1 dwu  T 1  PDB  Ent  Pdrag  g u  động trên khu vực Biển Đông. Cấu hình miền 2 dz   (2) tính bao gồm một lưới có tâm tại 150N-1100E bao gồm 161x161 điểm lưới theo chiều kinh và và giả thiết khép kín đối lưu vĩ hướng, kích thước lưới ngang là 28 km. Theo Tu  z   T  z  CT 1  PDBz dz chiều thẳng đứng, miền tính có 30 mực với kích  CAPE  g T z  thước bước lưới dưới cùng là 100 m và hệ số LCL (3) giãn lưới là 1,15. Bước lưới cực đại được cho bằng 1200 m. Như vậy đỉnh miền tính có độ Trong đó USL là lớp nguồn đối lưu, LCL là cao khoảng 21 km. Bước thời gian tích phân mực ngưng kết nâng, w MIX là tốc độ thẳng đứng được ấn định là 20 s. Thời gian giữa hai lần kích trung bình khối lượng trong USL, PDB là tỷ số hoạt CPS và sơ đồ tham số hóa bức xạ là 300 s. giữa gradient thẳng đứng nhiễu động hàm Exner và lực nổi. Chỉ số “u” chỉ dòng thăng, Điều kiện ban đầu là các trường phân tích dấu gạch trên là biến trung bình ô lưới, Ent là toàn cầu AVN lúc 00Z được cung cấp bởi dòng thổi vào, và P drag là lực cản do mưa. Các Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường ký hiệu khác có ý nghĩa thông thường. Chi tiết (NCEP), Hoa Kỳ, bao gồm hai thành phần gió hơn xin xem trong Trường và các đồng tác giả ngang, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và độ cao địa (2009) [14]. thế vị cho 26 mặt đẳng áp. Độ phân giải ngang của điều kiện ban đầu và điều kiện biên là 10 x 10. Điều kiện biên được cập nhật 6 h một lần
532 N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 Bảng 1. Sai số dự báo 72 giờ (km) quĩ đạo bão cho các biến dự báo trong mô hình RAMS, sử Lekima kể từ 00Z 30/9 năm 2007 dụng trường dự báo toàn cầu AVN. Nhiệt độ mặt nước biển là nhiệt độ mặt nước biển phân Hạn dự báo (giờ) 24 48 72 tích trung bình tuần do NOAA (National Sơ đồ gốc 129.24 281.13 692.98 Oceanic and Atmospheric Administration, Hoa Sơ đồ cải tiến 81.89 302.49 322.03 Kỳ) cung cấp. Kết quả dự báo quĩ đạo bão Lekima 72 giờ tính từ 00Z ngày 30/9 năm 2007 bằng hai sơ đồ 3.1. Bão Lekima tham số hóa đối lưu so với best track được chỉ ra trong Hình 1, trong đó tâm bão dự báo được Lekima là một cơn bão mạnh với thời gian xác định nhờ sử dụng trường áp suất qui về tồn tại khoảng 4 ngày từ 30/9 đến 4/10 năm mực biển. Qua đó có thể thấy cả hai dự báo đều 2007 hình thành ngay trên Biển Đông và ảnh cho sự đổi hướng khá phù hợp với thực tế, tuy hưởng trực tiếp đến Việt Nam. Lúc 00Z ngày nhiên trường hợp sử dụng sơ đồ gốc cho cơn 30/9 vị trí cơn bão vào khoảng 15,50N-116,30E, bão tiếp tục đi lên phía bắc trong khi sơ đồ cải cách quần đảo Hoàng Sa khoảng 50 km về phía tiến cho dạng quĩ đạo phù hợp với thực tế hơn đông đông nam. Sức gió mạnh nhất ở vùng nhiều. Bảng 1 cho sai số dự báo hạn 72 giờ sử trung tâm bão đạt cấp 8, giật trên cấp 8 và tiếp dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Có thể thấy tục mạnh lên. là trong 48 giờ đầu, sơ đồ cải tiến nhìn chung không cho sai số tốt hơn sơ đồ gốc, tuy nhiên sau đó đến 72 giờ sơ đồ cải tiến cho sai số 322 km trong khi sơ đồ gốc cho sai số lên tới 692 km. 3.2.Bão Xangsane Bão Xangsane là một cơn bão di chuyển nhanh, gần 20 km/giờ, hình thành trên khu vực Philippines, sau khoảng 3 ngày đã ảnh hưởng đến vùng biển ngoài khơi Miền Trung Việt Nam. Áp suất tại tâm giảm xuống chỉ còn khoảng 995 hPa cho thấy đây là cơn bão mạnh và trên thực tế có sức tàn phá lớn. Hình 1. Quĩ đạo dự báo 72 giờ bằng sơ đồ Kain- Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc (đường mảnh) so với best track (đường liền đậm) của bão Lekima.
533 N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 trong nghiên cứu này sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho chất lượng dự báo tốt hơn sơ đồ gốc, nhất là những ngày cuối của hạn dự báo. Nguyên nhân là do sơ đồ cải tiến đã tính đến ảnh hưởng của gradient thẳng đứng nhiễu động áp suất trong quá trình đối lưu hình thành và phát triển. Phiên bản RAMS 4.4 có thể được sử dụng để tạo ra các thành phần mới cho việc dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới bằng phương pháp tổ hợp. Trong tương lai nên áp dụng sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho phiên bản RAMS 6.0 cũng như các mô hình số bất thủy tĩnh khác. Lời cảm ơn Hình 2. Quĩ đạo dự báo 48 giờ bằng sơ đồ Kain- Nghiên cứu này được sự hỗ trợ của đề tài Fritsch cải tiến (đường đứt đậm) và sơ đồ gốc (đường mảnh) so với best track (đường liền đậm) cấp Nhà nước KC 0805/06-10. của bão Xangsane. Hình 2 cho thấy quĩ đạo dự báo 48 giờ cho Tài liệu tham khảo bão Xangsane tính từ 00Z 28/9 năm 2006 sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Trước 24 [1] W.M. Frank, C. Cohen, Properties of tropical giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ đạo hầu như trùng cloud ensembles estimated using a cloud model với sơ đồ gốc, ngoại trừ trong khoảng 18-24 giờ and an observed updraft population, J. Atmos. sơ đồ cải tiến cho tốc độ di chuyển nhanh hơn Sci. 42 (1985) 1911. một chút. Sau hạn 24 giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ [2] J.S. Kain, J.M. Fritsch, A one-dimensional đạo dự báo tốt hơn hẳn sơ đồ gốc. Sai số dự báo entraining /detraining plume model and its application in convective parameterization, quĩ đạo bão Xangsane được đưa ra trong Bảng J. Atmos. Sci. 47 (1990) 2784. 2, và một lần nữa cho thấy việc sử dụng sơ đồ [3] B.E. Mapes, Convective inhibition, subgrid- tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến là rất scale triggering energy, and stratiform instability hứa hẹn cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy in a toy tropical wave model, J. Atmos. Sci. 57 thuận nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông. (2000) 1515. [4] J.S. Kain, The Kain-Fritsch convective Bảng 2. Sai số dự báo 48 giờ (km) quĩ đạo bão parameterization scheme: An update, J. Appl. Xangsane kể từ 00Z 28/9 năm 2006 Meteor. 43 (2004) 170. Hạn dự báo (giờ) 24 48 [5] A. Arakawa, W.H. Schubert, Interaction of a Sơ đồ gốc 82.86 246.68 cumulus cloud ensemble with the large-scale Sơ đồ cải tiến 135.11 77.13 environment. Part I, J. Atmos. Sci. (31), (1974) 674. [6] H.L. Kuo, Further studies of the 4. Kết luận parameterization of the influence of cumulus convection on large scale flow, J. Atmos. Sci. 31 Sơ đồ tham số hóa đối lưu có ảnh hưởng lớn (1974) 1232. đến dự báo quĩ xoáy thuận nhiệt đới. Cụ thể
534 N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 [7] J.M. Fritsch, C.F. Chappell, Numerical evolution and transition into a bow echo, J. prediction of convectively driven mesoscale Atmos. Sci. (58) (2001) 1597. pressure systems. Part I: Convective [12] H. Cai, R.M. Wakimoto, Retrieved pressure field parameterization, J. Atmos. Sci. 37 (1980) 1722. and its influence on the propagation of a [8] C. Cohen, A comparison of cumulus supercell thunderstorm, Mon. Wea. Rev. 129 parameterizations in idealized sea-breeze (2001) 2695. simulations, Mon. Wea. Rev. 130 (2002) 2554. [13] K.M. Xu, D.A. Randall, Updraft and downdraft [9] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, “The simulation statistics of simulated tropical and midlatitude of three-dimensional convective storm cumulus convection, J. Atmos. Sci. 58 (2001) dynamics”, J. Atmos. Sci. 35 (1978a) 1070. 1630. [10] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, Simulations of [14] Truong, N.M., T.T. Tien, R.A. Pielke Sr., C.L. right- and left-moving storms produced through Castro, G. Leoncini,: A modified Kain-Fritsch storm splitting, J. Atmos. Sci. 35 (1978b) 1097. scheme and its application for simulation of an extreme precipitation event in Vietnam, Mon. [11] C.A. Finley, W.R. Cotton, R.A. Pielke Sr., Wea. Rev. 137 (2009) 766. Numerical simulation of tornadogenesis in a high-precipitation supercell. Part I: Storm Convective parameterization scheme and its influence on tropical cyclone track forecasts Nguyen Minh Truong, Tran Tan Tien Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, College of Science, VNU 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam In this study the modified Kain-Fritsch scheme is used to forecast tropical cyclone (TC) tracks in Bien Dong Sea. The scheme modifications include a new diagnostic equation to compute updraft velocity, closure assumption, and trigger function which are developed by taking the vertical gradient of the Exner function perturbation into account. Applied for Lekima and Xangxane case studies, the version of RAMS 4.4 using the modified scheme shows much better reliability in TC track forecasts in comparison with the RAMS 6.0 using the original Kain-Fritsch scheme. Accordingly, the present results exhibit that the Exner function perturbation plays an important role in convection activity which in turn might lead to the changes in TC tracks. Finally, this version of RAMS can be used to create members for TC ensemble track forecasts.