CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO MƯA VÀ MÔ HÌNH GSM 1. Hiện trạng sử dụng các sản phẩm mô hình dự báo thời tiết để dự báo định lượng mưa trong xoáy thuận nhiệt đới Trong những năm gần đây, các mô hình dự báo thời tiết tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia đã và đang được ứng dụng hiệu quả trong nghiệp vụ dự báo. Tuy nhiên, để dự báo định lượng mưa của bão, ATNĐ, các dự báo viên phải nội ngoại suy từ các nguồn số liệu khác nhau, do vậy còn tồn tại những sai số khá lớn, chưa đạt được độ chính xác cao. Trong cuộc sống ngày nay, các thông tin về thời tiết ngày càng trở nên quan trọng và không thể thiếu trong việc thực hiện các kế hoạch của mỗi cá nhân nói riêng và tập thể nói chung.
Để phù hợp với yêu cầu của người sử dụng, các công nghệ dự báo thời tiết đã không ngừng được cải tiến, nâng cao chất lượng. Tại trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, dự báo thời tiết đã có những bước chuyển biến khá rõ rệt đặc biệt trong vài năm trở lại đây. Từ phương pháp dự báo truyền thống bằng phương pháp Synop, ngày nay đã và đang được trang bị những công cụ tiến tiến nhất như dự báo thời tiết bằng mô hình số, các sản phẩm dự báo tổ hợp. Trước đây, hạn dự báo chỉ 2 đến 3 ngày, nay tăng lên 7 ngày thậm chí đến 2 tuần.
Do vậy, để phục vụ công tác dự báo thời tiết, việc thu thập các sản phẩm mô hình số trị là hết sức cần thiết. Gần đây tại Việt Nam, xuất hiện nhiều các nghiên cứu mới về áp dụng sản phẩm và cải tiến các mô hình dự báo, nhưng chỉ tập trung chủ yếu vào nghiên cứu làm thế nào để các mô hình dự báo chạy thông, không bị trục trặc. Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương cũng đã xây dựng mô hình tổ hợp để dự báo mưa cho các khu vực của Việt Nam và chạy mô hình dự báo XTNĐ dựa vào mô hình giản đơn BARO. Ngoài ra, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường cũng đã cài đặt mô hình MM5, WRF và tiến hành cài xoáy, tăng độ phân giải cho dự báo mưa trong bão của mô hình.
8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đối với một số nước phát triển (Hoa Kỳ, Nhật Bản, Hàn Quốc) đã phát triển các mô hình dự báo XTNĐ trong nghiệp vụ, trong cùng một thời gian họ có thể chạy một mô hình đến nhiều mô hình. Hồng Kông cũng đã cải tiến các mô hình ra kết quả độc lập, thêm vào đó, họ còn mua sản phẩm từ mô hình giới hạn của Nhật Bản thông qua kênh liên lạc riêng từng giờ khi có bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương. Trung Quốc cũng sử dụng nhiều mô hình trong dự báo nghiệp vụ, cải tiến mô hình toàn cầu GFM, MM5 và giới hạn cho khu vực. Nhìn chung là để được đưa vào sử dụng trong nghiệp vụ, các mô hình đều được thử nghiệm trong một thời gian đủ dài và đảm bảo kết quả, tiếp sau mới được áp dụng cho từng khu vực sau khi có hiệu chỉnh sai số cho khu vực đó.
Tổng quan các nghiên cứu về dự báo mưa trong và ngoài nước 1. Tổng quan những nghiên cứu trong nước Sự phân bố lượng mưa trong mỗi cơn bão ngoài biển thường đạt giá trị và cường độ nhỏ hơn ở đất liền, điều đó cũng có thể giải thích rằng khi vào đất liền với tác động của địa hình, không khí trong bão tăng tính chất bất ổn định của nó, do vậy ở các khu vực có địa hình khác nhau lượng mưa sẽ thay đổi. Mưa lớn trong bão tập trung trong bán kính 100 - 200km, nhưng phạm vi mưa lớn không đồng đều hoàn toàn quanh tâm bão. Thông thường ở phần phía Bắc của bão mưa lớn hơn phần phía Nam.
Quá trình mưa có liên quan đến bão hoặc mưa do bão chiếm từ 35 - 45% tổng lượng mưa năm của khu vực ven biển Trung Bộ. Bão gây ra mưa lớn khi chúng đổ bộ vào đất liền, theo số liệu thống kê có khoảng 20% số cơn bão và áp thấp nhiệt đới có tổng lượng mưa lớn hơn 300mm, khoảng 45% số cơn bão và áp thấp nhiệt đới có tổng lượng mưa từ 200 - 300mm, khoảng 15% số cơn bão và áp thấp nhiệt đới có tổng lượng mưa dưới 150mm. Ở khu vực ven biển Trung Bộ, sự kết hợp của bão và không khí lạnh là hình thế gây mưa đặc biệt lớn, gây ra những trận mưa rất lớn, thời gian mưa lớn thường tập trung trong vài ngày gây ra lũ lớn, đe dọa cuộc sống của người dân sinh sống 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bên ven sông hoặc các vùng trũng, đôi khi ở vùng núi còn có lũ quét. Mưa lớn trong bão có thời gian trung bình từ 2 - 3 ngày, tuy nhiên khi bão kết hợp với không khí lạnh thì diện mưa lớn sẽ mở rộng và thời gian mưa lớn sẽ kéo dài lên đến 3 - 5 ngày.
TS Trần Tân Tiến, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội cũng đã nghiên cứu dự báo mưa cho khu vực Trung Trung Bộ bằng các mô hình số: WRF, RAMS, ETA; trong đó mô hình có khả năng cho dự báo mưa lớn trước 3 ngày với lượng mưa lớn từ 100 đến 200 mm/ngày chỉ có mô hình RAMS. Thử nghiệm cho khu vực dự báo trên hệ thống sông Trà Khúc, tác giả đánh giá là đạt khá cao. [13] Trần Quang Năng (2009) đã đánh giá đầy đủ cho khu vực Đông Bắc Bộ trong 5 tháng mùa mưa (tháng 6,7,8,9,10) trong chuỗi số liệu 3 năm (năm 2005, 2006, 2007) và so sánh đánh giá dự báo của mô hình ứng với từng hình thế thời tiết cụ thể. Các chỉ tiêu đánh giá theo biến liên tục và theo biến cấp định lượng đều biến thiên đúng quy luật, chứng tỏ được tính ổn định của các mô đun tính mưa ở mô hình HRM.
Sai số hệ thống phân bố theo không gian có quy luật, chất lượng dự báo của mô hình tốt hơn ngẫu nhiên. Nhìn chung, mô hình HRM cho lượng mưa dự báo thường lớn hơn lượng mưa thực tế đo được. Hoàng Đức Cường và các cộng sự (2008) với nghiên cứu, đánh giá dự báo trong khí tượng , đã sử dụng các chỉ số đánh giá như sai số trung bình ME, sai số bình phương trung bình RMSE và sai số tuyệt đối MAE để thử nghiệm đánh giá dự báo mưa ở Việt Nam bằng mô hình MM5. Kết quả thu được rằng, trong số các sơ đồ tham số hóa vật lý của mô hình số trị khu vực, đối với dự báo mưa có lẽ sơ đồ tham số hóa đối lưu có độ nhạy lớn nhất.
[2] Nguyễn Tiến Toàn (2011) với nghiên cứu mưa lớn khi không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF. Trong nghiên cứu của mình, tác giả đã sử dụng mô hình WRF với 2 miền tính lồng nhau (miền trong là khu vực Trung Bộ, miền ngoài là toàn bộ lãnh thổ Việt Nam) với độ phân giải lần lượt là 30km và 10km, bước thời gian tích phân 180s và hạn dự 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Với mục đích dự báo mưa lớn khi không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) tác giả đã chọn được bộ thông số thích hợp cho mô hình. Kết quả mô hình cho thấy rằng hầu hết các trạm dự báo lượng mưa có cập nhật số liệu địa phương tốt hơn các trạm không cập nhật số liệu địa phương.
Dựa trên kết quả đánh giá, ông đã tìm ra được các phương trình dự báo tối ưu cho các trạm, sau đó đã đưa ra được qui trình dự báo mưa khi không khí lanh kết hợp ITCZ. Tổng quan những nghiên cứu ngoài nước Mưa lớn trong bão phụ thuộc vào cường độ bão và tốc độ di chuyển của chúng. Nhìn chung, khi bão đang ở giai đoạn đang phát triển hoặc di chuyển chậm thì thời gian mưa kéo dài và mưa trong bão lớn nên tổng lượng mưa lớn. Ngược lại nếu bão ở trong giai đoạn đang suy yếu hoặc di chuyển nhanh thì tổng lượng mưa trong bão sẽ nhỏ hơn.
Dựa theo nghiên cứu của Matsumoto và Satoru Yokoi (2008) cho thấy sự kiện mưa lớn này xảy ra ở miền Trung Việt Nam ngày 2-3 tháng 11 năm 1999, chủ yếu do hai nhiễu động của khí quyển làm cho lượng mưa ở thành phố Huế là hơn 1800 mm cho 2 ngày. Hai nhiễu động khí quyển đó là: Thứ nhất, một sự xâm nhập lạnh (CS) bất thường, gió bắc trong tầng đối lưu thấp, di chuyển từ phía bắc xuống phía nam Biển Đông và dừng lại đó một vài ngày, có nguồn gốc ở miền bắc Trung Quốc gần 40°N, kết quả là những cơn gió đông bắc mạnh hơn bình thường thổi liên tục vào bán đảo Đông Dương, thổi vuông góc với dãy Trường Sơn. Thứ hai, một áp thấp nhiệt đới ở miền nam Việt Nam kết hợp với gió nam dị thường trên trung tâm Biển Đông nhằm ngăn chặn không khí lạnh di chuyển xa hơn về phía nam. Trên phía Bắc Biển Đông, gió nam dị thường mạnh mẽ hình thành kết hợp với sự hội tụ của gió mùa Đông bắc (do xâm nhập bất thường của không khí lạnh) đã cung cấp lượng ẩm và nhiệt cho không khí nhiệt đới.
Áp thấp nhiệt đới kết hợp với sự xâm nhập lạnh đột ngột đã tạo điều kiện thuận lợi cho sự xuất hiện lượng mưa lớn ở miền Trung Việt Nam. Các nhiễu động sinh ra (do áp thấp nhiệt đới) có 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thể coi là kết quả một phản ứng sóng Rossby bất thường của đối lưu quy mô lớn trên Maritime Continent, liên quan đến sự biến đổi giao mùa ở xích đạo. Sử dụng số liệu tái phân tích 24 năm (từ 1979-2002) và tập hợp dữ liệu mưa bề mặt, các tác giả xác nhận rằng cùng tồn tại của Tropical Depression –Type Disturbance (TDD) và Cold Surge (CS) là quan trọng cho sự xuất hiện mưa lớn ở miền Trung Việt Nam. Ngoài ra, quan sát thấy rằng CS mà không có một TDD thì không dẫn đến nhiều mưa.
[18] Nghiên cứu của các tác giả Cheung, Wu và Lo (2009) về sự tương tác giữa bão Babs (1998) và gió mùa mùa đông (gió mùa Đông Á), quan sát thấy mưa lớn có thể xảy ra ở phía đông hoặc đông bắc Đài Loan.