Nhằm góp phần nâng cao chất lượng dự báo bão, đề tài nghiên cứu khoa học do Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Biến đổi khí hậu đã tập trung vào việc đánh giá vai trò tác động của SST đến quỹ đạo và cường độ bão, nghiên cứu cập nhật trường SST vào trường ban đầu cho mô hình WRF dự báo bão.
Nghiệm thu đề tài cấp cơ sở
Dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác, kịp thời là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu
Bão là hiện tượng thiên tai cực kỳ nguy hiểm, không chỉ gây thiệt hại nặng nề về mặt kinh tế mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến tính mạng con người trên bất kỳ quốc gia nào mà nó đi qua. Việc dự báo tốt quỹ đạo sẽ xác định được vùng ảnh hưởng của bão. Dự báo tốt cường độ và kích thước bão sẽ ước lượng được mức độ tàn phá của bão. Vì vậy, dự báo quỹ đạo và cường độ bão chính xác, kịp thời là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đối các nhà dự báo thời tiết.
Hoạt động và tiến triển của bão ở Biển Đông thường tuân theo các quy luật nhất định, tuy nhiên, một số cơn bão diễn biến rất phức tạp do tác động của nhiều nhân tố nhiệt lực và động lực khác nhau. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng nhiệt độ bề mặt nước biển (SST) là một trong những nhân tố nhiệt lực quan trọng ảnh hưởng đến bão, cụ thể là cường độ và quỹ đạo bão. Do đó, đánh giá được vai trò tác động của SST đến hoạt động của bão sẽ nâng cao nhận thức về cơ chế, những nhân tố ảnh hưởng và quy luật hoạt động của bão, từ đó nâng cao độ chính xác của dự báo bão.
Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting) là mô hình 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 Hoa Kỳ (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 Hoa kỳ (AFWA) và các trung tâm khí tượng quốc tế khác. Hiện nay, mô hình WRF đang được Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu sử dụng để dự báo thời tiết và bão nghiệp vụ.
Với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của SST đến cường độ và quỹ đạo bão trên khu vực Biển Đông và cập nhật trường SST vệ tinh phân giải cao vào mô hình WRF với hạn dự báo 72h, đề tài đã thực hiện nghiên cứu theo ba nhóm phương pháp là phương pháp thống kê, phương pháp thực nghiệm số và phương pháp cập nhật trường SST vào mô hình số trị.
Đánh giá mối liên hệ thống kê giữa SST và số lượng, cường độ, quỹ đạo bão
Kết quả nghiên cứu trên tập số liệu bão 35 năm (1982 – 2016) cho thấy hầu hết các cơn bão hoạt động trên khu vực Biển Đông xảy ra ở khu vực nước tương đối ấm, có nhiệt độ từ 26,5 đến 30,5°C, trong đó, bão có cường độ mạnh thường hoạt động ở khu vực nước có nhiệt độ từ 28°C trở lên. Cường độ bão tiềm năng cực đại có quan hệ thống kê với nhiệt độ bề mặt nước biển (không vượt quá 30,5°C) theo hàm logarit tự nhiên (ln).
Đối với quỹ đạo bão, SST có tương quan âm với quỹ đạo bão hướng Tây Tây Bắc, hướng Bắc và hướng Đông Bắc, nhưng không có mối tương quan thống kê giữa SST với quỹ đạo hướng Tây Bắc.
Nghiên cứu mối liên hệ giữa SST và số lượng bão hoạt động trên khu vực Biển Đông cho thấy số lượng bão cấp 10 đến cấp 12 có tương quan âm nhưng số lượng bão từ cấp 13 trở lên lại có tương quan dương với SST. Số lượng cơn bão dưới cấp 10 không có mối quan hệ thống kê với SST.
Đánh giá ảnh hưởng của trường SST đến cường độ và quỹ đạo bão bằng phương pháp thực nghiệm số
Kết quả nghiên cứu khi tăng (giảm) SST trên toàn miền tính, tại khu vực tâm bão, phía trước bão, bên phía trái và phía phải hướng di chuyển của bão cho thấy SST có vai trò quan trọng đối với mô phỏng cường độ bão bằng mô hình số trị. Khi cho trường SST giảm, cường độ bão yếu đi so với mô phỏng ban đầu và khi trường SST tăng, cường độ bão mạnh lên đáng kể so với mô phỏng ban đầu. Cường độ bão thay đổi nhiều nhất ở trường hợp SST tăng (giảm) trên toàn miền tính. Hiệu ứng thay đổi cường độ khi SST tăng là rõ rệt hơn so với khi SST giảm. Đối với quỹ đạo, trong trường hợp SST tăng trên toàn miền tính, hướng di chuyển có xu thế lệch về phía phải so với quỹ đạo ban đầu và lệch về phía trái khi SST giảm trên toàn miền tính. Các trường hợp còn lại, sự khác biệt là không rõ rệt giữa trường hợp tăng (giảm) SST so với trường hợp ban đầu.
Nghiên cứu thực nghiệm số cũng được thực hiện để nghiên cứu ảnh hưởng của trường SST có hiện diện không khí lạnh và nước trồi. Các thử nghiệm cho thấy khi loại bỏ ảnh hưởng của KKL đến phân bố trường SST trên Biển Đông thì cường độ bão tăng lên đáng kể và quỹ đạo bão cũng đi lệch so với trường ban đầu. Khi thay thế trường SST lạnh đi do ảnh hưởng của nước trồi, cường độ bão giảm nhẹ so với trường hợp ban đầu, tuy nhiên, hiệu ứng không rõ rệt về quỹ đạo bão. Cần có những nghiên cứu kỹ lưỡng về vấn đề này để có thể đưa ra kết luận đáng tin cậy hơn.
Kết quả thử nghiệm cập nhật trường SST vào mô hình WRF dự báo bão
Đề tài đã thực hiện mô phỏng 75 cơn bão hoạt động trên Biển Đông trong 10 năm (2006 – 2015) với hai trường hợp cập nhật và không cập nhật trường SST vệ tinh trung bình ngày vào đầu vào của mô hình WRF. Kết quả mô phỏng cho thấy việc cập nhật trường SST vào trường ban đầu của mô hình WRF cho thấy có sự cải thiện đáng kể sai số dự báo cường độ bão so với trường hợp không cập nhật trường SST, đặc biệt ở các hạn dự báo từ 24h đến 72h. Tuy nhiên, việc cập nhật trường SST vào trường ban đầu của mô hình không cho sự cải thiện đáng kể đối với quỹ đạo bão.
Đề tài đã tiến hành thử nghiệm dự báo bão nghiệp vụ với việc cập nhật trường SST vệ tinh vào đầu vào của mô hình WRF trong mùa bão năm 2016. Kết quả thử nghiệm cho thấy cường độ bão dự báo có xu hướng mạnh hơn so với thực tế ở những hạn sau 12h. Sai số dự báo cường độ bão nhỏ các hạn dự báo 12 đến 36h, ở các hạn dự báo từ 42 đến 72h, sai số cường độ bão là tương đối cao. Sai số khoảng cách trung bình dự báo quỹ đạo bằng mô hình WRF trong điều kiện cập nhật trường SST vệ tinh là tương đối cao, đặc biệt là các hạn từ 60 đến 72h.
Qua kết quả nghiên cứu và thử nghiệm, đề tài đã chứng minh được việc cập nhật trường SST vệ tinh trung bình ngày vào mô hình WRF cho cải thiện đáng kể sai số dự bão cường độ bão so với trường hợp sử dụng trường SST trung bình tuần từ số liệu GFS. Mặc dù, việc ứng dụng nghiên cứu này vào nghiệp vụ dự báo bão thời gian thực là có thể đáp ứng được về khoa học và kịp thời về mặt thời gian. Tuy nhiên, để vận hành quy trình dự báo bão nghiệp vụ bằng mô hình WRF có cập nhật trường SST, cần có nghiên cứu theo hướng ứng dụng quy trình, kỹ thuật và đánh giá hiệu dự báo bão thời gian thực. Mặt khác, việc thực hiện cập nhật liên tục trường SST dự báo khi áp dụng dự báo bão hạn 1-5 ngày đặc biệt cho các cơn bão di chuyển từ TBTBD vào Biển Đông là hết sức cần thiết. Do vậy, đề tài kiến nghị cần có nghiên cứu ứng dụng đồng thời cập nhật trường SST vệ tinh vào trường ban đầu và cập nhật trường SST dự báo từ các mô hình hải dương (thông qua ứng dụng hệ thống HWRF, hoặc lồng ghép mô hình hải dương COAMPS hoặc ROMS và mô hình WRF) vào điều kiện biên để có thể cập nhật liên tục sự biến thiên của SST cho mô hình WRF.