Sơ đồtham sốhóa đối lưu và ảnh hưởng của nó đến dựbáo 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. Mở đầu Trong những thập kỷ gần đây, liên quan tới thời tiết có đối lưu và việc cải thiện chất lượng dự báo nói chung, đã có rất nhiều nghiên cứu theo các hướng khác nhau được tiến hành để có được những hiểu biết tốt hơn các quá trình vật lý và động lực của thời tiết có đối lưu. Bên cạnh những thành tựu nghiên cứu cho các quá trình xảy ra ở qui mô vừa- , với các quá trình qui mô vừa-  và lớn hơn, các nhà khí tượng học tập trung vào việc phát triển các mô hình mây khái niệm, qua đó mô hình hoá dòng cuốn vào- cuốn ra quanh biên mây, cũng như là các đặc trưng của dòng thăng và dòng giáng [1-4]. Đồng thời phát triển các sơ đồ tham số hoá đối lưu có thể áp dụng cho các loại mô hình số dự 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 hình dự báo cụ thể [8]. 530 _______  Tác giả liên hệ. ĐT: 84-4-38584943 E-mail: truongnm@vnu.edu.vn Một điều đáng lưu ý là các nghiên cứu của Klemp và Wilhemson [9, 10], Finley và các ĐTG [11], Cai và Wakimoto [12] đã cho thấy các bằng chứng về vai trò của gradient thẳng đứng của nhiễu động áp suất đối với sự phát triển của các cơn dông. Đặc biệt, liên quan gần hơn với vấn đề tham số hoá đối lưu, các nghiên cứu cảnh báo của Xu và Randall [13] đã cho thấy có tới khoảng 50% các dòng thăng trong đối lưu trên Đại Tây Dương có lực nổi âm nhưng lại có gradient thẳng đứng của nhiễu động áp suất lớn. Trong khi đó, một điều hiển nhiên là xoáy thuận nhiệt đới (TC) luôn hình thành trên các vùng biển và đại dương nhiệt đới. Mặt khác, N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 531 các nghiên cứu về TC đều chỉ ra rằng cơ chế sống còn để duy trì và tăng cường TC chính là các quá trình và hệ thống đối lưu tồn tại ngay trong hoàn lưu TC. Đây chính là cơ sở để các trung tâm dự báo TC trên thế giới lựa chọn các sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau nhằm tạo ra các thành phần cho dự báo tổ hợp: một hoặc nhiều mô hình với nhiều module vật lý. Chính vì vậy trong báo cáo này sẽ thử nghiệm hai module vật lý khác nhau tương ứng là sơ đồ Kain-Fritsch gốc và sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến cho việc dự báo quĩ đạo TC trên khu vực Biển Đông. 2. Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến Sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: Hàm kích hoạt đối lưu                kh¸c USL mt kh«ng, NÕu l−u èiho¹t kÝch ì đ wFtriFtriw wFtriFtriw Ftri MIXLCLUSLUSLMIX MIXLCLUSLUSLMIX USL , 0,02 0,02 0 2 2 (1) với         zPDBzT zTzT gFtri u  1 Phương trình tính tốc độ dòng thăng   draguu PEntPDBT TTg dz dw      1 2 1 2 (2) và giả thiết khép kín đối lưu         dzzPDBzT zTzT gCAPE CT LCL u  1 (3) Trong đó USL là lớp nguồn đối lưu, LCL là mực ngưng kết nâng, wMIX là tốc độ thẳng đứng trung bình khối lượng trong USL, PDB là tỷ số giữa gradient thẳng đứng nhiễu động hàm Exner và lực nổi. Chỉ số “u” chỉ dòng thăng, dấu gạch trên là biến trung bình ô lưới, Ent là dòng thổi vào, và Pdrag là lực cản do mưa. Các ký hiệu khác có ý nghĩa thông thường. Chi tiết hơn xin xem trong Trường và các đồng tác giả (2009) [14]. 3. Một số kết quả dự báo quĩ đạo bão Trong mục này sẽ trình bày kết quả thử nghiệm sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau là sơ đồ Kain-Fritsch cải tiến (RAMS 4.4) và sơ đồ Kain-Fritsch gốc (RAMS 6.0) cho hai cơn bão Lekima và Xangsane hoạt động trên khu vực Biển Đông. Cấu hình miền tính bao gồm một lưới có tâm tại 150N-1100E bao gồm 161x161 điểm lưới theo chiều kinh và vĩ hướng, kích thước lưới ngang là 28 km. Theo chiều thẳng đứng, miền tính có 30 mực với kích thước bước lưới dưới cùng là 100 m và hệ số giãn lưới là 1,15. Bước lưới cực đại được cho bằng 1200 m. Như vậy đỉnh miền tính có độ cao khoảng 21 km. Bước thời gian tích phân được ấn định là 20 s. Thời gian giữa hai lần kích hoạt CPS và sơ đồ tham số hóa bức xạ là 300 s. Điều kiện ban đầu là các trường phân tích toàn cầu AVN lúc 00Z được cung cấp bởi Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường (NCEP), Hoa Kỳ, bao gồm hai thành phần gió ngang, nhiệt độ, độ ẩm tương đối và độ cao địa 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 N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 532 cho các biến dự báo trong mô hình RAMS, sử dụng trường dự báo toàn cầu AVN. Nhiệt độ mặt nước biển là nhiệt độ mặt nước biển phân tích trung bình tuần do NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration, Hoa Kỳ) cung cấp. 3.1. Bão Lekima Lekima là một cơn bão mạnh với thời gian tồn tại khoảng 4 ngày từ 30/9 đến 4/10 năm 2007 hình thành ngay trên Biển Đông và ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam. Lúc 00Z ngày 30/9 vị trí cơn bão vào khoảng 15,50N-116,30E, cách quần đảo Hoàng Sa khoảng 50 km về phía đông đông nam. Sức gió mạnh nhất ở vùng trung tâm bão đạt cấp 8, giật trên cấp 8 và tiếp tục mạnh lên. 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. Bảng 1. Sai số dự báo 72 giờ (km) quĩ đạo bão Lekima kể từ 00Z 30/9 năm 2007 Hạn dự báo (giờ) 24 48 72 Sơ đồ gốc 129.24 281.13 692.98 Sơ đồ cải tiến 81.89 302.49 322.03 Kết quả dự báo quĩ đạo bão Lekima 72 giờ tính từ 00Z ngày 30/9 năm 2007 bằng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu so với best track được chỉ ra trong Hình 1, trong đó tâm bão dự báo được xác định nhờ sử dụng trường áp suất qui về mực biển. Qua đó có thể thấy cả hai dự báo đều cho sự đổi hướng khá phù hợp với thực tế, tuy nhiên trường hợp sử dụng sơ đồ gốc cho cơn bão tiếp tục đi lên phía bắc trong khi sơ đồ cải tiến cho dạng quĩ đạo phù hợp với thực tế hơn nhiều. Bảng 1 cho sai số dự báo hạn 72 giờ sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Có thể thấy 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. N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 533 Hình 2. Quĩ đạo dự báo 48 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 Xangsane. Hình 2 cho thấy quĩ đạo dự báo 48 giờ cho bão Xangsane tính từ 00Z 28/9 năm 2006 sử dụng hai sơ đồ tham số hóa đối lưu. Trước 24 giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ đạo hầu như trùng với sơ đồ gốc, ngoại trừ trong khoảng 18-24 giờ sơ đồ cải tiến cho tốc độ di chuyển nhanh hơn một chút. Sau hạn 24 giờ, sơ đồ cải tiến cho quĩ đạo dự báo tốt hơn hẳn sơ đồ gốc. Sai số dự báo quĩ đạo bão Xangsane được đưa ra trong Bảng 2, và một lần nữa cho thấy việc sử dụng sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch cải tiến là rất hứa hẹn cho mục đích dự báo quĩ đạo xoáy thuận nhiệt đới hoạt động trên Biển Đông. Bảng 2. Sai số dự báo 48 giờ (km) quĩ đạo bão Xangsane kể từ 00Z 28/9 năm 2006 Hạn dự báo (giờ) 24 48 Sơ đồ gốc 82.86 246.68 Sơ đồ cải tiến 135.11 77.13 4. Kết luận Sơ đồ tham số hóa đối lưu có ảnh hưởng lớn đến dự báo quĩ xoáy thuận nhiệt đới. Cụ thể 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 Nghiên cứu này được sự hỗ trợ của đề tài cấp Nhà nước KC 0805/06-10. Tài liệu tham khảo [1] W.M. Frank, C. Cohen, Properties of tropical cloud ensembles estimated using a cloud model and an observed updraft population, J. Atmos. Sci. 42 (1985) 1911. [2] J.S. Kain, J.M. Fritsch, A one-dimensional entraining /detraining plume model and its application in convective parameterization, J. Atmos. Sci. 47 (1990) 2784. [3] B.E. Mapes, Convective inhibition, subgrid- scale triggering energy, and stratiform instability in a toy tropical wave model, J. Atmos. Sci. 57 (2000) 1515. [4] J.S. Kain, The Kain-Fritsch convective parameterization scheme: An update, J. Appl. Meteor. 43 (2004) 170. [5] A. Arakawa, W.H. Schubert, Interaction of a cumulus cloud ensemble with the large-scale environment. Part I, J. Atmos. Sci. (31), (1974) 674. [6] H.L. Kuo, Further studies of the parameterization of the influence of cumulus convection on large scale flow, J. Atmos. Sci. 31 (1974) 1232. N.M. Trường, T.T. Tiến / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự Nhiên và Công nghệ 25, Số 3S (2009) 530‐534 534 [7] J.M. Fritsch, C.F. Chappell, Numerical prediction of convectively driven mesoscale pressure systems. Part I: Convective parameterization, J. Atmos. Sci. 37 (1980) 1722. [8] C. Cohen, A comparison of cumulus parameterizations in idealized sea-breeze simulations, Mon. Wea. Rev. 130 (2002) 2554. [9] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, “The simulation of three-dimensional convective storm dynamics”, J. Atmos. Sci. 35 (1978a) 1070. [10] J.B. Klemp, R.B. Wilhelmson, Simulations of right- and left-moving storms produced through storm splitting, J. Atmos. Sci. 35 (1978b) 1097. [11] C.A. Finley, W.R. Cotton, R.A. Pielke Sr., Numerical simulation of tornadogenesis in a high-precipitation supercell. Part I: Storm evolution and transition into a bow echo, J. Atmos. Sci. (58) (2001) 1597. [12] H. Cai, R.M. Wakimoto, Retrieved pressure field and its influence on the propagation of a supercell thunderstorm, Mon. Wea. Rev. 129 (2001) 2695. [13] K.M. Xu, D.A. Randall, Updraft and downdraft statistics of simulated tropical and midlatitude cumulus convection, J. Atmos. Sci. 58 (2001) 1630. [14] Truong, N.M., T.T. Tien, R.A. Pielke Sr., C.L. Castro, G. Leoncini,: A modified Kain-Fritsch scheme and its application for simulation of an extreme precipitation event in Vietnam, Mon. Wea. Rev. 137 (2009) 766. 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.