Tài liệu Phân tích các trường hợp mưa trái mùa ở một số tỉnh nam bộ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN NGUYỄN ĐỨC LONG THIÊN ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH CÁC TRƯỜNG HỢP MƯA TRÁI MÙA Ở MỘT SỐ TỈNH NAM BỘ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ KHÍ TƯỢNG HỌC Mã ngành: 52410221 TP. HỒ CHÍ MINH - 11/2017 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH CÁC TRƯỜNG HỢP MƯA TRÁI MÙA Ở MỘT SỐ TỈNH NAM BỘ Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Long Thiên Khóa: 2013 – 2017 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Lê Đình Quyết TP. HỒ CHÍ MINH - 11/2017 MSSV: 0250010037 TRƯỜNG ĐH TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khoa: KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Bộ môn:KHÍ TƯỢNG Họ và tên:NGUYỄN ĐỨC LONG THIÊN MSSV: 0250010037 Ngành: KHÍ TƯỢNG HỌC Lớp: 02 - ĐHKT 1. Đầu đề đồ án: Phân tích các trường hợp mưa trái mùa ở một số tỉnh Nam Bộ. 2. Nhiệm vụ : - Tập trung đi sâu vào nghiên cứu các hình thế Synop Nam Bộ vào mùa khô. Áp số liệu thực tế vào phân tích mưa xảy ra theo hình thế Synop nào, và từ đó rút ra được hình thế Synop gây mưa trái mùa. Cuối cùng rút ra kết luận về quy luật của mưa trái mùa khu vực Nam Bộ. - Đề tài chọn nghiên cứu giai đoạn mười năm, từ năm 2008 đến 2017 của năm tỉnh thành Nam Bộ. 3. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/7/2017 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 2/11/2017 5. Họ và tên người hướng dẫn: ThS. Lê Đình Quyết. Người hướng dẫn Kí tên Nội dung và yêu cầu đã được thông qua bộ môn Ngày tháng năm Trưởng bộ môn (Ký và ghi rõ họ tên) LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành, sâu sắc nhất đến Th.S Lê Đình Quyết. Dù công việc hằng ngày vô cùng bận rộn nhưng Thầy đã dành thời gian, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ để tôi có thể hoàn thành đồ án này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy, Cô trong Bộ môn Khí tượng, Khoa Khí tượng Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy tôi trong suốt khóa học. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cám ơn các Cô Bác, Anh Chị ở Phòng dự báo thuộc Đài Khí Tượng - Thủy Văn khu vực Nam Bộ đã tạo mọi điều kiện cho tôi thu thập số liệu, tài liệu để thực hiện khóa luận này. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình tôi đã tạo mọi điều kiện cả về vật chất lẫn tinh thần để tôi có thể tập trung vào việc học tập của mình. Cuối cùng là lời cảm ơn đến bạn bè của tôi, những người luôn đồng hành, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm đồ án và quãng thời gian sinh viên đáng nhớ này. MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... I DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... II DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... III MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đồ án............................................................................................... 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án ..................................................................................1 3. Nội dung và phạm vi nghiên cứu ................................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu của đồ án .............................................................................2 5. Ý nghĩa thực tiễn của đồ án .........................................................................................3 6. Kết cấu của đồ án.........................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 4 1.1.Tình hình nghiên cứu liên quan đến đồ án ................................................................ 4 1.1.1. Tình hình nghiên cứu có liên quan trên Thế giới: .......................................... 4 1.1.2. Tình hình nghiên cứu có liên quan ở trong nước: ........................................... 6 1.2. Cơ sở lý luận .............................................................................................................8 1.2.1. Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa MM5 ............................................. 8 1.2.2. Mô hình khí quyển quy mô vừa WRF ............................................................ 9 1.2.3. Mô hình ETA ................................................................................................ 11 1.3. Các phương pháp nghiên cứu .................................................................................13 1.3.1. Phương pháp thu thập số liệu ........................................................................ 13 1.3.2. Phương pháp thống kê .................................................................................. 13 1.3.3. Phương pháp phân tích hình thế Synop ........................................................ 13 1.3.4. Phương pháp so sánh .................................................................................... 13 1.4. Điều kiện tự nhiên của khu vực Nam Bộ ............................................................... 13 1.4.1. Vị trí địa lý .................................................................................................... 13 1.4.2. Đặc điểm địa hình ......................................................................................... 13 1.4.3. Đặc điểm khí hậu: ......................................................................................... 14 1.5. Tổng quan về giáng thủy ........................................................................................14 1.5.1. Khái niệm chung về giáng thủy .................................................................... 14 1.5.2. Các hệ thống thời tiết có ảnh hưởng đến mưa .............................................. 15 1.5.3. Các phương pháp dự báo mưa ...................................................................... 15 1.6. Những hệ quả do mưa trái mùa gây ra ...................................................................17 1.7. Các hình thế Synop ở nam bộ vào mùa khô ...........................................................17 CHƯƠNG 2. THỐNG KÊ PHÂN TÍCH SỐ LIỆU NGÀY MƯA Ở NAM BỘ .......... 20 2.1. Thống kê mưa vào mùa khô ở một số tỉnh Đông Nam Bộ: ...................................20 2.2.Thống kê mưa vào mùa khô ở một số tỉnh Tây Nam Bộ: ......................................24 2.3. Nhận xét: ................................................................................................................30 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH HÌNH THẾ SYNOP GÂY MƯA TRÁI MÙA Ở NAM BỘ .................................................................................................................................. 31 3.1. Chơn Thành: 1/12/2016, Lượng 141.9 mm, Thời gian mưa 13h – 19h: ...............31 3.2. Bình Chánh: 2/2/2017, Lượng 14.2 mm, Thời gian mưa 16h20 – 22h10: ............33 3.3. Tân Sơn Hòa: 1/4/2017, Lượng 159.8 mm, Thời gian mưa: 14h20 – 20h40: ......35 3.4. Nhận xét: ................................................................................................................38 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 40 PHỤ LỤC .................................................................................................................. PL.1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MM5 Mesoscale Model 5 – Mô hình khí động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5. ETA Mô hình dự báo thời tiết hạn ngắn WRF Weather Research and Forecasting – Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết. ARW Advanced Research WRF – Mô hình dự báo nâng cao của WRF i DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sóng đông biễu hiện trên mực 500mb vào Obs 7h. ..................................... 18 Hình 2.1. Biểu đồ thể hiện số ngày có mưa ở mùa khô qua các năm của tỉnh Bình Phước .................................................................................................................. 120 Hình 2.2. Biểu đồ thể hiện số ngày có mưa ở mùa khô qua các năm của Tp. Hồ Chí Minh .................................................................................................................. 22 Hình 2.3. Biểu đồ thể hiện số ngày có mưa ở mùa khô qua các năm của tỉnh Đồng Nai........................................................................................................................ 23 Hình 2.4. Biểu đồ thể hiện số ngày có mưa ở mùa khô qua các năm của tỉnh Cần Thơ ......................................................................................................................... 25 Hình 2.5. Biểu đồ thể hiện số ngày có mưa ở mùa khô qua các năm của tỉnh Cà Mau .......................................................................................................................... 26 Hình 3.1. Bản đồ hình thế Synop biển Đông ngày 1/12/2016 vào Obs 1h ................... 31 Hình 3.2. Bản đồ hình thế Synop mực 850mb ngày 1/12/2016 vào Obs 1h ................. 32 Hình 3.3. Bản đồ hình thế Synop mực 500mb ngày 1/6/2016 vào Obs 7h ................... 32 Hình 3.4. Bản đồ hình thế Synop biển Đông ngày 2/2/2017 vào Obs 7h ..................... 33 Hình 3.5. Bản đồ hình thế Synop mực 850mb ngày 2/2/2017 vào Obs 7h ................... 34 Hình 3.6. Bản đồ hình thế Synop mực 700mb ngày 2/2/2017 vào Obs 7h ................... 34 Hình 3.7. Bản đồ hình thế Synop mực 500mb ngày 2/2/2017 vào Obs 7h ................... 35 Hình 3.8. Bản đồ hình thế Synop trên biển Đông ngày 1/4/2017 vào Obs 1h .............. 36 Hình 3.9. Bản đồ hình thế Synop mực 850mb ngày 1/4/2017 vào Obs 7h ................... 36 Hình 3.10. Bản đồ hình thế Synop mực 700mb ngày 1/4/2017 vào Obs 7h ................. 37 Hình 3.11. Bản đồ hình thế Synop mực 500mb ngày 1/4/2017 vào Obs 7h ................. 37 ii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Thống kê số ngày có mưa ở tỉnh Bình Phước từ 12/2016 đến 15/4/2017 .... 21 Bảng 2.2. Thống kê số ngày có mưa ở Tp. Hồ Chí Minh từ 12/2016 đến 15/4/2017 ... 23 Bảng 2.3. Thống kê số ngày có mưa ở tỉnh Đồng Nai từ 12/2016 đến 15/4/2017 ........ 24 Bảng 2.4. Thống kê số ngày có mưa ở tỉnh Cần Thơ từ 12/2016 đến 15/4/2017 ......... 25 Bảng 2.5. Thống kê số ngày có mưa ở tỉnh Cà Mau từ 12/2016 đến 15/4/2017........... 26 Bảng 2.6. Thống kê số ngày mưa của 5 tỉnh thành năm 2017 ..................................... 27 Bảng 2.7. Số ngày mưa có lượng to 21-50 mm của 5 tỉnh thành ................................. 28 Bảng 2.8. Số ngày mưa có lượng to 51-100 mm của 5 tỉnh thành ............................... 28 Bảng 2.9. Số ngày mưa có lượng rất to >100 mm của 5 tỉnh thành ............................. 29 iii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đồ án Khu vực Nam Bộ nằm trọn trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, có sự phân hóa rõ rệt về mùa: mùa khô và mùa mưa – gần trùng với thời gian hoạt động của hai trường gió mùa: gió mùa Tây Nam và gió mùa Đông Bắc. Mùa khô thường kéo dài từ tháng XII năm này đến tháng IV năm sau, mùa mưa thường kéo dài từ tháng V đến tháng XI. Lượng mưa ở Nam Bộ tập trung chủ yếu vào mùa mưa (chiếm khoảng 90 95% tổng lượng mưa hàng năm). Còn khoảng 5% lượng mưa còn lại là vào mùa khô. Nhưng hiện nay lượng mưa vào mùa khô hay còn gọi là mưa trái mùa thường xuyên xuất hiện với tần suất cũng như lượng ngày một nhiều lên, bất quy luật. Nông nghiệp các tỉnh thuộc đồng bằng sông Cửu Long và các tỉnh Đông Nam Bộ bị thiệt hại nghiêm trọng. Đời sống sinh hoạt và sức khỏe của người dân bị người dân bị ảnh hưởng. Đó là một trong số ít những tác hại của hiện tượng mưa trái mùa xuất hiện với tầng suất ngày càng thường xuyên và bất thường hơn ở khu vực Nam Bộ. Vấn đề cấp thiết ở đây là cần tìm ra nguyên nhân gây mưa trái mùa và phân tích tầng suất, thời gian xuất hiện mưa trái mùa. Do vậy đề tài: “ Phân tích các trường hợp mưa trái mùa ở một số tỉnh Nam Bộ” được đặt ra để góp phần nâng cao hiểu biết và khả năng dự báo, đánh giá sự biến đổi nhằm góp phần giảm thiệt hại do mưa trái mùa trong tương lai. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án - Mục tiêu: Nhằm tìm ra được quy luật, tầng suất, thời gian xuất hiện và cường độ mưa trái mùa Nam Bộ. Từ đó góp phần nâng cao chất lượng dự báo để giảm thiểu thiệt hại do mưa trái mùa gây ra. - Nhiệm vụ: Tập trung đi sâu vào nghiên cứu các hình thế Synop ở Nam Bộ vào mùa khô. Áp số liệu thực tế vào phân tích mưa xảy ra theo hình thế Synop nào, và từ đó rút ra được hình thế Synop gây mưa trái mùa. Cuối cùng rút ra kết luận về quy luật của mưa trái mùa khu vực Nam Bộ. 3. Nội dung và phạm vi nghiên cứu - Nội dung: • Thu thập, tổng hợp số liệu mưa các trạm quan trắc khí tượng, trạm đo mưa tự động. 1 • Phân tích số liệu. • Phân tích hình thế Synop: ✓ Phân tích hình thế Synop thông qua việc phân tích bản đồ hình thế các mực (mặt đất, 850mb, 700mb, 500mb). • Thống kê: ✓ Số lượng cơn mưa trong mùa khô (tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm nay). ✓ Tháng nào có lượng mưa lớn. ✓ Thời gian mưa. • So sánh: So sánh các số liệu, chuỗi số liệu vừa thống kê được để tìm ra quy luật. • Viết báo cáo tổng kết. - Phạm vi nghiên cứu: • Không gian: Nghiên cứu các trường hợp mưa trái mùa đặc trưng nhất ở một số tỉnh Nam Bộ. Đông Nam Bộ: Bình Phước, Tp. Hồ Chí Minh, Đồng Nai; Tây Nam Bộ: Cần Thơ, Cà Mau. • Thời gian: Đề tài chọn nghiên cứu giai đoạn mười năm, từ năm 2008 đến 2017. 4. Phương pháp nghiên cứu của đồ án - Phương pháp thu thập số liệu: Nghiên cứu chuỗi số liệu lượng mưa từ các trạm quan trắc khí tượng, các trạm đo mưa tự động, các trạm đo mưa nhân dân trong khu vực Nam Bộ, trong chuỗi mười năm (2008-2017). - Phương pháp thống kê: Thống kê số liệu mưa mùa khô một số tỉnh Nam Bộ (từ tháng 12 năm trước đến tháng 4 năm nay). Nhờ đó biết được số cơn mưa, lượng mưa, thời gian mưa ở từng năm trong chuỗi 10 năm. - Phương pháp phân tích Synop: Phân tích hình thế Synop thông qua việc phân tích bản đồ hình thế các mực (mặt đất, 850mb, 700mb, 500mb). Qua đó rút ra được hình thế Synop chính trực tiếp gây ra mưa trái mùa. - Phương pháp so sánh: + Không gian: Tỉnh thành này với tỉnh thành khác, khu vực này với khu vực khác. + Thời gian: So sánh các năm với nhau trong chuỗi số liệu 10 năm ( 2008- 2017). 2 5. Ý nghĩa thực tiễn của đồ án Qua thời gian thực hiện đồ án, giúp tôi có điều kiện tiếp cận các phương án dự báo thời tiết hàng ngày, hiểu biết hơn về nghiệp vụ dự báo. Đồng thời giúp tôi có những tiếp cận ban đầu về nghiên cứu khoa học. Các kết quả trong đồ án, dù chỉ đi sâu vào một lĩnh vực nhỏ, nguồn số liệu không dài nhưng đây cũng sẽ nguồn động lực giúp bản thân tôi có những định hướng phát triển nghiên cứu rộng hơn trong tương lai. 6. Kết cấu của đồ án Ngoài các mục mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, phụ lục,… những nội dung chính của luận án bao gồm: Chương 1: “Tổng quan”.Chương này đề cập đến tình hình nghiên cứu liên quan đến đồ án; Các phương pháp nghiên cứu đồ án; Điều kiện tự nhiên Nam Bộ; Tổng quan về mây gây mưa và mưa; Các hệ quả cho mưa trái mùa gây ra; Các hình thế Synop ở Nam Bộ vào mùa khô. Chương 2: “Thống kê, phân tích số liệu ngày mưa ở Nam Bộ”. Chương này trình bày các thống kê số liệu mưa trái mùa chuỗi mười năm (2008-2017) ở các tỉnh khu vực Nam Bộ. Chương 3: “Phân tích hình thế Synop gây mưa ở Nam Bộ”. Phân tích hình thế Synop chủ yếu gây mưa ở 3 trận mưa trái mùa có lượng >100mm tiêu biểu ở khu vực Nam Bộ. Kết luận và Kiến nghị. 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỒ ÁN 1.1.1. Tình hình nghiên cứu có liên quan trên Thế giới: Thiên tai có nguồn gốc từ khí tượng, thủy văn yêu cầu được cảnh báo, dự báo có nhiều trong đó mưa, dông, lũ, đặc biệt về mưa trái mùa đang được nhiều quan tâm nghiên cứu. Việc dự báo, cảnh báo mưa – mưa trái mùa trên thế giới được đặc biệt quan tâm nhằm phục vụ với nhiều mục đích trong phòng chống thiên tai nhằm giảm thiệt hại ở mức thấp nhất. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về công nghệ dự báo mưa có ứng dụng tin học vào khai thác, quản lý cơ sở dữ liệu khí tượng thủy văn (KTTV), xây dựng những công cụ hỗ trợ cho công tác dự báo đạt hiệu quả cao hơn, một số công trình nghiên cứu điển hình sau đây: 1. Dự báo mưa bằng phương pháp synop, mô hình số trị: Có rất nhiều phương pháp để dự báo mưa. Ở châu Âu, cuối thế kỉ 19, ra đời phương pháp dự báo thời tiết nói chung và dự báo mưa nói riêng dựa vào bản đồ Synop. Đây được xem là nền tảng của phương pháp dự báo thời tiết hiện nay. Nghiên cứu các quá trình khí quyển vĩ mô: sự phát sinh, phát triển và dịch chuyển các vùng áp cao và áp thấp trong tương quan với sự phát sinh, dịch chuyển và tiến triển của các khối khí và front tạo thành giữa chúng; phân tích kết hợp giữa vật lý và các điều kiện địa lý riêng của từng địa phương. Bao gồm cả phân tích định tính mưa lẫn định lượng (tính toán sự biến thiên của các yếu tố). [2] Phương pháp xu thế được sử dụng để xác định hướng và tốc độ của vùng mây và giáng thuỷ. Năm 1930, Tor Bergeron đã đưa ra cơ chế hình thành mưa, lý thuyết này là cơ sở rất có giá trị cho công tác dự báo mưa sau này. Năm 1922 Lewis Fry Richardson đưa ra dự báo thời tiết (mưa) bằng quá trình số trị, miêu tả những số hạng nhỏ trong các phương trình động lực học chất lỏng có thể được bỏ qua để có thể tìm được nghiệm số. Từ cơ sở lý thuyết này đã có rất nhiều mô hình dự báo thời tiết được ra đời như hệ thống mô phỏng khí quyển qui mô vừa, dự báo cho khu vực Nam Corolia - Mỹ, mô hình HRM (High resolution Regional Model) là mô hình thuỷ tĩnh, sử dụng hệ phương trình nguyên thuỷ, bao gồm đầy đủ các quá trình vật lý như: bức 4 xạ, mô hình đất, các quá trình rối trong lớp biên, tạo mưa qui mô lưới, đối lưu nông và đối lưu sâu. Và mô hình dự báo thời tiết bất thủy tĩnh ETA (được phát triển trong khuôn khổ hợp tác nghiên cứu giữa hai cơ quan khí tượng Nam Tư và Mỹ từ trước năm 1987). ETA sử dụng hệ phương trình nguyên thủy bất thủy tĩnh viết trên hệ tọa độ cầu với đầy đủ các tham số hóa vật lý như đối lưu, lớp biên, vi vật lý mây, bức xạ và mô hình đất. Cùng với ETA hiện nay mô hình dự báo mưa cũng đang được sử dụng phổ biến đó là mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5- MM5 (của Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ (NCAR) và Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania Mỹ (PSU)). Mô hình MM5 (Mesoscale Model 5) đang được Cơ quan Khí Tượng Hoa Kỳ, NASA và nhiều trường đại học trên thế giới (Hoa Kỳ, Âu Châu, Hồng Kông và Đài Loan) dùng để dự báo mưa. [2] 2. Dự báo mưa bằng phương pháp viễn thám (radar thời tiết): Bên cạnh những phương pháp dự báo mưa truyề n thố ng, dự báo mưa bằ ng radar là phương pháp hiện đại, linh hoạt cho phép nhiều thông số đáp ứng công tác dự báo, hoàn toàn có thể dự báo lượng mưa của khu vực với độ chính xác cao về thời điểm mưa, về thời gian, cường độ... Hiện nay nhiều nước trên thế giới coi radar là thiết bị không thể thiếu trong nghiệp vụ dự báo thời tiết, nhất là đưa ra các bản tin dự báo cực ngắn (nowcasting), dự báo thời gian bắt đầu, kết thúc mưa cho một địa điểm. Các tác giả Marx, Bar’dossy và J.Seltmann thuộc trung tâm nghiên cứu Karlsruhe, Viện nghiên cứu khí tượng, khí hậu, trường đại học Stuttgart, Đức đã thực hiện công trình nghiên cứu khoa học ước lượng mưa từ radar thời tiết để đưa vào mô hình thuỷ văn [9]. Các tác giả đã chọn vùng nghiên cứu có bán kính 40km quanh trạm radar, sử dụng hệ thống đo mưa trên mặt đất, tính quan hệ Z/R (độ phản hồi vô tuyến mưa với lượng mưa) sau đó đưa ra hệ số hiệu chỉnh.Cặp hệ số a, b phù hợp là: Z= 296R1.47 (1.1) Trong vùng nhiệt đới Rosenfeld [11] đưa ra công thức: Z = 250 R1.2 (1.2) Theo Batan [14], Doviak Zrníe [14] thì khi ước lượng cường độ mưa rào theo độ phản hồi vô tuyến từ mây đối lưu nên sử dụng công thức: Z = 300 R1.4 (1.3) 5 Còn theo các tác giả M.C Llasat, T.Rigo, M.Ceperuelo, A.Barrera thuộc Phòng khí tượng và thiên văn học, khoa vật lý, đại học Barcelona đã ước lượng mưa đối lưu, so sánh lượng mưa đo từ radar khí tượng với mạng lưới đo mưa tự động [12]; Các tác giả Phòng thuỷ lợi, kỹ thuật nông nghiệp và thổ nhưỡng học, đại học nông nghiệp, Hy Lạp đã sử dụng radar thời tiết để dự báo lũ quét rất hiệu quả ; các tác giả A.M.Ppeder, M.Haile và A.J.Thorpe thuộc Phòng khí tượng, Đại học Reading, Anh sử dụng radar để dự báo thời gian cực ngắn và dự báo mưa trên quy mô lưu vực, và cũng từ dữ liệu mưa đo được từ radar thời tiết, nhóm tác giả thuộc viện nghiên cứu thủy lợi Cộng hòa Séc sử dụng radar dự báo mưa tiếp đó là dự báo lũ quét [13]. Nhóm tác giả thuộc Viện khí tượng Hoàng gia Bỉ có những nghiên cứu kết hợp giữa radar thời tiết với hệ thống trạm quan trắc mưa mặt đất để dự tính toán thủy văn cho vùng Walloon thuộc nước này [10], số liệu mưa radar cũng được hiệu chỉnh với mưa mặt đất để tính ra hệ số chênh lệch, sau đó đưa vào các mô hình thủy lực để tính toán, dự báo lũ. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu có liên quan ở trong nước: Mưa – mưa trái mùa từ lâu, mỗi khi xuất hiện mang đến những hệ quả rất nguy hiểm đến tính mạng, tài sản của người dân. Trong đó mưa – mưa trái mùa là một yếu tố thời tiết quan trọng và ảnh hưởng lớn đến đời sống kinh tế - xã hội. Mưa là kết cục của sự hòa hợp nhiệt động giữa các yếu tố chính như nhiệt, ẩm và gió nên biến động rất mạnh theo không gian và thời gian. Rất nhiều các quá trình có thể dẫn đến mưa như: hội tụ ẩm quy mô lớn, đối lưu sâu, các quá trình gần bề mặt,.. các quá trình này cần được biểu diễn trong các mô hình dự báo thời tiết số để có thể dự báo kịp thời và chính xác hơn lượng mưa và vùng mưa. [2] Hiện nay Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Trung ương đang chạy thử nghiệm hệ thống tích hợp dự báo khí tượng Smartmet do Cơ quan khí tượng Phần Lan chuyển giao, hệ thống có rất nhiều sản phẩm hỗ trợ cho dự báo viên truy cập một cách tiện lợi và thông minh, như: số liệu định vị sét, số liệu thám không vô tuyến được tính sẵn các chỉ số đối lưu, ảnh mây vệ tinh, ảnh radar thời tiết (được tổ hợp), các bộ sản phẩm dự báo từ các mô hình số trị được Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương chạy nghiệp vụ hàng ngày làm dự báo nền cho các Đài khí tượng Thủy văn khu vực và các Đài Khí tượng Thủy văn tỉnh, kết xuất số liệu quan trắc, số liệu quá khứ. Đặc biệt hệ thống cho phép dự báo viên có những thay đổi theo mục đích riêng để xuất 6 sản phẩm dự báo phù hợp với khu vực, địa phương mình mà sự thay đổi không bị xung đột, không ảnh hưởng đến hệ thống chung. Sau khi đi vào ứng dụng chính thức thì đây sẽ là hệ thống khá hoàn hảo, giúp cho chất lượng dự báo thời tiết, đặc biệt là công tác dự báo mưa ở Việt Nam được tốt hơn. [2] Các đề tài liên quan đến dự báo mưa gồm: 1. Đề tài “Nghiên cứu thử nghiệm áp dụng mô hình khí tượng động lực quy mô vừa MM5 trong dự báo hạn ngắn ở Việt Nam” do TS Hoàng Đức Cường làm chủ nhiệm. Nhóm tác giả đã thành công trong việc dự báo thử nghiệm thời gian thực các trường khí tượng ở Việt Nam. Trong mô hình MM5 có thể sử dụng lưới lồng để nâng cao chất lượng dự báo đáp ứng yêu cầu cụ thể như dự báo cho các lưu vực sông. Nhóm tác giả đã nghiên cứu thử nghiệm 3 sơ đồ TSHĐL trong MM5 gồm sơ đồ Betts Miller, sơ đồ Kuo và sơ đồ Grell để đánh giá chất lượng dự báo trong một số đợt mưa lớn và lựa chọn sơ đồ Kuo và Grell cho kết quả mô phỏng phù hợp với thực tế hơn sơ đồ Betts Miller (Hoàng Đức Cường và các cộng sự 2004). [2] 2. Đề tài “Nghiên cứu dự báo mưa lớn diện rộng bằng công nghệ hiện đại phục vụ phòng chống lũ lụt ở Việt Nam”, mã số ĐTĐL 2002 do TSKH Kiều Thị Xin chủ nhiệm với sự phối hợp thực hiện giữa trường Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội, Trung tâm dự báo KTTV Trung ương và trường Đạo học Tổng hợp Munich (CHLB Đức), đề tài đã lựa chọn miền dự báo và nâng cao độ phân giải của mô hình HRM phù hợp với mưa lớn diện rộng ở Việt Nam; cải tiến một số phần tham số hóa vật lý như tham số hóa mây quy mô lưới, tham số hóa mây đối lưu, khu vực hóa mô hình đất, cải tiến trường ban đầu và phát triển phương pháp đồng hóa số liệu 3DVAD cho mô hình HRM. [2] 3. Đề tài Khoa học công nghệ KC 09-04 của GS.TS Trần Tân Tiến- Đại học khoa học tự nhiên Hà Nội làm chủ nhiệm đã tiếp thu, áp dụng thành công mô hình RAMS từ Đại học tổng hợp Corolado (Mỹ) và mô hình số trị phi thủy tính ETA từ đại học tổng hợp Athens (Hy Lạp) vào “Xây dựng mô hình dự báo các trường khí tượng thủy văn trên biển Đông”. Mô hình RAMS cho phép sử dụng nhiều lưới lồng nhau do đó có khả năng mô tả ảnh hưởng của các quá trình quy mô nhỏ. Tác giả đã nghiên cứu sự phụ thuộc vào độ phân giải lưới của hai sơ đồ TSHĐL là Kuo và Kain Fristch. Kết quả cho thấy sơ đồ Kuo phụ thuộc mạnh vào cấu hình lưới hơn so với sơ đồ Kain 7 Fristch, mô phỏng mưa của sơ đồ Kain Fristch cho kết quả phù hợp với thám sát hơn cả về vùng mưa và lượng mưa, kết quả đề tài cho thấy mô hình RAMS có thể dự báo tốt các trường khí tượng cho khu vực Việt Nam, đặc biệt là lượng mưa, một trong những vấn đề khó khăn trong nghiệp vụ dự báo, tuy nhiên kết quả của mô hình cho dự báo lượng mưa vẫn thấp hơn thực tế . [2] 1.2. CƠ SỞ LÝ LUẬN Để dự báo được mưa, lượng mưa người ta thường sử dụng một số mô hình như MM5, ETA, WRF. Từ các mô hình dự báo trên người ta phải dựa trên cơ sở lý thuyết này để mô tả các quá trình vật lý mây, từ đó họ mới xây dựng được sơ đồ dự báo. 1.2.1. Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa MM5 - Hệ các phương trình cơ bản trong mô hình MM5: MM5 sử dụng hệ tọa độ ngang Đề các và hệ tọa độ đứng Xícma (σ) [1]. Các hệ phương trình cơ bản của mô hình gồm: - Các phương trình chuyển động ngang: 𝜕𝑝∗𝑢 𝜕𝑡 𝜕𝑝∗𝑣 𝜕𝑡 𝜕𝑝∗𝑢𝑢/𝑚 = −𝑚2 [ 𝜕𝑥 𝜕𝑝∗𝑢𝑣/𝑚 = −𝑚2 [ 𝜕𝑥 + + 𝜕𝑝∗𝑣𝑢/𝑚 𝜕𝑦 𝜕𝑝∗𝑣𝑣/𝑚 𝜕𝑦 ]− 𝜕𝑝∗𝑢𝜎∙ ]− 𝜕𝑝∗𝑣𝜎∙ 𝜕𝜎 𝜕𝜎 − 𝑚𝑝 ∗ [ − 𝑚𝑝 ∗ [ 𝜎 𝜕𝑝∗ 𝜌 𝜕𝑥 𝜎 𝜕𝑝∗ 𝜌 𝜕𝑦 + + 𝜕∅ 𝜕𝑥 𝜕∅ 𝜕𝑦 ] + 𝑝 ∗ 𝑓𝑣 + 𝐷𝑢 (1.4) ] + 𝑝 ∗ 𝑓𝑢 + 𝐷𝑣 (1.5) Trong đó, u và v – các thành phần vận tốc theo hướng đông và bắc, ∅ - độ cao địa 𝑑𝜎 thế vị, m – nhân tố bản đồ, 𝜎 ∙= 𝑑𝑡 , 𝜌 – mật độ không khí, 𝑓 – tham số Coriolis, 𝐷𝑢 và 𝐷𝑣 - biển diễn hiệu ứng khếch tán ngang và đứng,𝑝 ∗= 𝑝𝑠 − 𝑝𝑡 . - Phương trình nhiệt động lực học: 𝜕𝑝∗𝑇 𝜕𝑡 = −𝑚2 [ 𝜕𝑝∗𝑢𝑇/𝑚 𝜕𝑥 + 𝜕𝑝∗𝑣𝑇/𝑚 𝜕𝑦 ]− 𝜕𝑝∗𝑇𝜎∙ 𝜕𝜎 +𝑝∗ 𝜔 𝑐𝑝 +𝑝∗ 𝑄∙ 𝑐𝑝 + 𝐷𝑇 (1.6) Trong đó, 𝑐𝑝 = 𝑐𝑝𝑑 (1 + 0.8𝑞𝑣 ) - nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định, 𝑐𝑝𝑑 – nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, 𝑞𝑣 – tỉ số xáo trộn hơi nước, 𝑄- năng lượng đoạn nhiệt, 𝐷𝑇 - biển diễn hiệu ứng khếch tán ngang và đứng, 𝜔 = 𝑑𝑝 𝑑𝑡 được tính bằng: 𝜔 = 𝑝 ∗ 𝜎 ∙ +𝜎 𝑑𝑝∗ (1.7) 𝑑𝑡 Với: 𝜕𝑝∗ 𝜕𝑡 = 𝜕𝑝∗ 𝜕𝑡 + 𝑚 [𝑢 𝜕𝑝∗ 𝜕𝑥 +𝑣 𝜕𝑝∗ 𝜕𝑦 ] (1.8) 8 - Tham số hóa vật lý: Các quá trình tham số hóa dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuyếch tán rối ngang và thẳng đứng, các quá trình bề mặt có vai trò rất quan trọng đối với động lực khí quyển. Chính vì vậy chúng cần được tham số hóa trong mô hình dự báo thời tiết. Các sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình MM5 rất phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các đối tượng khác nhau. Các quá trình vật lý được tham số hóa trong bộ phận mô phỏng của mô hình bao gồm: đối lưu, vi vật lý mây, bức xạ, lớp biên hành tinh, các quá trình đất bề mặt (mô hình đất). [1] ▪ Tham số hóa đối lưu: Một trong những quá trình vật lý quan trọng nhất cần tham số hóa là đối lưu. Mô hình MM5 có khá nhiều tùy chọn sơ đồ tham số hóa đối lưu, như Anthes – KuO, Grell, Arakawa – Schubert, Fritsch - Chappell, Kain - Fritsch, Betts – Miller, Kain – Frisch 2. ▪ Tham số hóa vi vật lý mây: Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham hóa vi vật lý mây sau đây: Sơ đồ Kessler (Kessler 1969), sơ đồ Lin, sơ đồ băng đơn giản – NCEP, sơ đồ pha xáo trộn – NCEP, sơ đồ ETA. + Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: để chạy mô hình dự báo thời tiết khu vực yêu cầu phải có điều kiện biên xung quanh. Trong MM5, các trường biến bắt buộc phải có dùng làm điều kiện ban đầu và điều kiện xung quanh để chạy mô hình gồm các thành phần gió (U,V), nhiệt độ (T), độ cao địa thế vị (H), độ ẩm tương đối (RH) trên các mực đẳng áp, khí áp mực biển trung bình (PMSL) và nhiệt độ bề mặt biển (SST). Ngoài ra tùy thuộc vào điều kiện cụ thể có thể cần thêm một số trường ban đầu khác, như nhiệt độ và độ ẩm đất tại các lớp đất, ...[1] 1.2.2. Mô hình khí quyển quy mô vừa WRF - Hệ phương trình động lực của mô hình: Hệ phương trình cơ bản của WRF là hệ phương trình đầy đủ, bất thủy tĩnh, viết cho chất lỏng nén được, có khả năng mô phỏng được các quá trình khí quyển trên nhiều quy mô khác nhau. Các phương trình được viết dưới dạng thông lượng bằng cách sử dụng các biến có tính chất bảo toàn, theo triết lý của Ooyama (1990) và được xây dựng bằng trên một hệ tọa độ khối lượng thẳng đứng theo địa hình (Laprise, 1992). [3] 𝜂 = (𝑝ℎ − 𝑝ℎ𝑡)/𝜇 𝜇 = 𝑝ℎ𝑠 − 𝑝ℎ𝑡 (1.9) (1.10) 9 Trong đó Ph là thành phần thủy tĩnh của khí áp, phs và pht theo thứ tự là các giá trị áp suất dọc theo bề mặt và biên trên. Theo Laprise (1992), thì đây là hệ tọa độ đã được sử dụng trong rất nhiều mô hình khí quyển thủy tĩnh (mô hình ETA cũng sử dụng hệ tọa độ này). η thay đổi từ giá trị bằng 1 ở tại bề mặt đến giá trị bằng 0 tại biên trên của miền tính trong mô hình. Hệ tọa độ này cũng được gọi là hệ tọa độ thẳng đứng theo khối lượng. Bởi µ (x,y) thể hiện khối lượng của cột khí quyển có diện tích đơn vị tại ô lưới (x,y) của miền tính, nên ARW sử dụng các biểu thức ở dạng thông lượng có dạng: 𝒱 = 𝜇𝑣 = (𝑈, 𝑉, 𝑊 ), Ω = 𝜇. 𝜂 ∗ (1.11) Trong đó, v = (u,v,w) là vận tốc gió theo hai hướng nằm ngang và thẳng đứng, 𝜔 = 𝜂 ∗ là tốc độ thẳng đứng trong hệ tọa độ 𝜂, p là khí áp. - Tham số hóa vật lý: Mô hình WRF cho phép người dùng thiết lập tùy chọn tham số hóa vật lý khác nhau. • Vi vật lý (microphysics): là các quá trình vật lý hiện liên quan đến hơi nước, mây và giáng thủy. ARW cho phép lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vi vật lý như sau: Sơ đồ Kessler, sơ đồ Purdue Lin, sơ đồ WSM3, sơ đồ WSM5, sơ đồ WSM6, sơ đồ Eta Ferrier và sơ đồ Thompson. • Tham số hóa đố lưu ( Cumulus parameterization) nhằm nắm bắt được các hiệu ứng của mây đối lưu nông và/hoặc mây đối lưu nông, bao gồm: Sơ đồ Kain – Fritsh, sơ đồ Betts - Miller – Janjic, sơ đồ tổng hợp Grell – Devenji. • Tham số hóa lớp sát đất ( Surface layer): nhằm tính toán tốc độ ma sát và các hệ số trao đổi để tính các thông lượng nhiệt và ẩm trong sơ đồ bề mặt đất và ứng suất bề mặt trong sơ đồ lớp biên hành tinh. Trên bề mặt nước, các thông số này được tính bởi chính các sơ đồ tham số hóa lớp sát đất. Trong ARW sử dụng 2 sơ đồ lớp sát đất: Sơ đồ lớp sát đất MM5, sơ đồ lớp sát đất ETA. • Tham số hóa lớp biên hành tinh ( Planetary Boundary Layer, PBL): tính đến các thông lượng thẳng đứng quy mô dưới lưới do vận chuyển rối không chỉ trong lớp biên mà cho toàn bộ cột khí quyển. Trong ARW bao gồm các lớp biên hành tinh: Sơ đồ WRF, sơ đồ YSU, sơ đồ MYJ. • Điều kiện biên: Đối với các bài toán nghiên cứu lý tưởng ARW cho phép sử dụng ba loại điều kiện biên lý thuyết: tuần hoàn, mở và đối xứng. [15] 10 1.2.3. Mô hình ETA - Điều kiện biên trong mô hình ETA: Cũng như tất cả các hệ thống mô hình dự báo số khác, mô hình ETA cần có các điều kiện biên để thực hiện dự báo, có điều kiện biên được cập nhận ở tất cả các bước thời gian, trong khi có điều kiện biên lại không thay đổi theo thời gian. [7] + Điều kiện biên trên và điều kiện biên dưới: Trong mô hình thừa nhận không có sự trao đổi khối lượng giữa vũ trụ và khí quyển cũng như thông lượng khí quyển xuyên qua mặt đất và do đó điều kiện biên đối với tốc độ thẳng đứng có thể viết dưới dạng sau: η• = 0 khi η = 0 và η = ηsrf và p=pT tại η = 0 + Điều kiện biên xung quanh: Được cập nhật 6h một lần từ sản phẩm dự báo của các mô hình toàn cầu như AVN, RUC, MRF, GME có làm trơn ít nhiều để tránh hiện tượng “sốc” khi các hệ thống quy mô nhỏ và các sóng chuyển từ lưới thô toàn cầu sang lưới tinh hơn của mô hình khu vực, cũng như phản xạ nhiều trên biên xung quanh. - Tham số hóa vật lý trong ETA: Với độ phân giải từ vài chục đến vài km, mô hình ETA không thể mô phỏng trực tiếp các quá trình vật lý quy mô dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuếch tán rối ngang và thẳng đứng và các quá trình bề mặt . Các quá trình này có vai trò rất quan trọng đối với động lực học khí quyển, đặc biệt là đối lưu – một trong những nhân tố quyết định gây nên sự hình thành và phát triển mưa lớn trong các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như áp thấp nhiệt đới, bão, dải hội tụ nhiệt đới. Chính vì vậy chúng cần được tham số hóa trong mô hình dự báo thời tiết số. [7] - Tham số hóa bức xạ: Bức xạ là nhân tố quan trọng số một đối với sự phát triển thời tiết và được tham số hóa theo hai sơ đồ riêng biệt đối với bức xạ sóng dài và sóng ngắn tương ứng trong khí quyển và trên mặt đất.Hiệu ứng hồi tiếp của bức xạ và mây được tính đầy đủ. Trong mỗi lớp mô hình ETA, sự phát xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời đi xuống được tính bằng sơ đồ GFDL, có tính đến ảnh hưởng ngẫu nhiên giữa các đám mây.Sơ đồ này cho kết quả tương đối tốt vì nó sử dụng lại các tham số tính toán trước đó mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình. + Sơ đồ tham hóa đối lưu của Betts-Miller-Janjic ( BMJ): Trong ETA đối lưu cumulus được tham số hóa theo sơ đồ Betts-Miller-Janjic (BMJ) do Janjic cải tiến từ 11