Đặt vấn đề Mỗi năm với khoảng hơn 10 cơn bão hoạt động trên khu vực Biển Đông, Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất bởi những cơn bão nhiệt đới. Với tốc độ gió lớn kết hợp với mưa cường độ cao, bão là hiện tượng thời tiết nguy hiểm luôn gây ra thiệt hại nghiêm trọng đến các hoạt động kinh tế, xã hội, thậm chí đe dọa tính mạng con người. Các tác hại của bão đầu tiên có thể kể đến như gió mạnh phá hủy tầu thuyền, nhà cửa, hoa màu và các khu vực kinh tế ven biển như du lịch, nuôi trồng thủy sản. Tiếp theo đó, mưa lớn sau bão tiếp tục gây ra lũ lụt, sạt lở đất, gây ngập úng diện rộng.
Những khu vực chịu tác động của bão thường bị cách ly trong một thời gian dài, thiếu nước sạch và những nhu cầu cơ bản, nghiêm trọng hơn phải đối mặt với những nguy cơ bệnh dịch lan rộng do lũ gây ra. Theo thống kê những năm gần đây, bão có xu hướng gia tăng về cả số lượng và cường độ. Quỹ đạo bão ngày càng phức tạp, khó dự báo. Vì vậy bài toán dự báo sớm và chính xác các hoạt động bão là nhu cầu hết sức thiết thực và quan trọng đối với mọi hoạt động kinh tế xã hội của Việt Nam.
Do đó tôi thực hiện luận văn “Thử nghiệm dự báo tổ hợp quỹ đạo và cường độ bão hạn 5 ngày trên khu vực Biển Đông bằng WRF sử dụng sản phẩm tổ hợp toàn cầu” nhằm hướng tới mục đích đó. Hiện nay, dự báo quỹ đạo bão gồm các phương pháp chính: Phương pháp synốp, phương pháp thống kê, phương pháp số trị. Ngoài ra, các sản phẩm thu được từ vệ tinh và radar cũng được sử dụng để dự báo quỹ đạo bão. - Phương pháp dự báo synốp: chủ yếu dựa vào việc phân tích các bản đồ hình thế thời tiết, dựa trên khái niệm dòng dẫn đường với giả thiết xoáy 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com bão được đặt vào trường môi trường (dòng nền) và di chuyển với dòng nền này.
Phương pháp này cho kết quả dự báo tốt đối với hạn dự báo ngắn 12h- 24h, song lại có nhược điểm là mang tính chủ quan, phụ thuộc hoàn toàn vào kinh nghiệm của các dự báo viên. - Phương pháp dự báo thống kê: dựa trên mối quan hệ thống kê giữa tốc độ và hướng di chuyển của xoáy bão với các tham số khí tượng khác nhau, người ta đã xây dựng được các phương trình dự báo quỹ đạo bão. Hiện nay, phương pháp này cho kết quả có thể chấp nhận được đối với các cơn bão ở khu vực có tần suất bão tương đối cao. - Phương pháp dự báo số trị: là phương pháp dựa trên việc giải các phương trình toán học mô tả trạng thái của khí quyển để đưa ra các yếu tố thời tiết trong khoảng thời gian cần dự báo.
Phương pháp này có ưu điểm là cho phép tích phân các phương trình mô tả động lực học khí quyển một cách khách quan, tính được các biến khí tượng một cách định lượng. Các mô hình thủy động lực học được xây dựng từ đơn giản đến phức tạp dựa trên việc tích phân theo thời gian hệ các phương trình thủy động lực học trong môi trường khí quyển và lý thuyết về cấu trúc và chuyển động của bão. Đặc điểm của các mô hình loại này là mô tả đầy đủ các quá trình vật lý tác động đến chuyển động của bão trong quá trình tương tác và phát triển của chúng, song lại đòi hỏi về điều kiện số liệu và phương tiện tính toán. Dự báo cường độ bão đang là bài toán khó hiện nay.
Trên thế giới cũng như ở Việt Nam, đang nghiên cứu, thử nghiệm nhiều phương pháp để dự báo cường độ bão. Dự báo cường độ bão ( gió cực đại trong bão) có ý nghĩa rất quan trọng đối với công tác phòng tránh thiên tai bão. Tuy nhiên việc dự báo cường độ bão khó hơn nhiều so với dự báo đường đi của bão do sự phức tạp của hệ thống thời tiết khu vực nhiệt đới cũng như sự hạn chế về số liệu quan trắc. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hiện nay, để dự báo cường độ bão chủ yếu dựa vào các mô hình thống kê mặc dù khả năng dự báo còn hạn chế, chẳng hạn như: mô hình thống kê dự báo cường độ bão được thiết lập bởi các tác giả DeMaria và Kaplan (1994, 1999)[8][9].
Đối với hạn dự báo 72h, mô hình thống kê dự báo cường độ bão của Brian R.Jarvinen and Neumann (1979)[6]. Ngoài ra, có thể sử dụng các sản phẩm thu được từ radar, phân tích số liệu vệ tinh cho kết quả rất khả quan. Clifford Mass nhà khoa học khí quyển tại Đại học Washington, nghiên cứu các cơn bão trên mô hình số nhận định: “Một cơn bão về cơ bản nếu được theo dõi ban đầu thì việc đánh giá dòng dẫn đường và các lực tác động khác tương đối dễ dàng. Nhưng cái khó là chúng ta chưa dự báo tốt cường độ bão, lấy được thông tin trong bão.Vấn đề là thiếu các thông tin quan trắc, rất khó lấy được thông tin từ tâm bão”.
Các nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Nghiên cứu dự báo bão tại Việt Nam Bão và xoáy thuận nhiệt đới là vấn đề đã được nghiên cứu rất nhiều ở Việt Nam. Trong quá khứ, phương pháp synop được sử dụng là chủ yếu, tuy nhiên những năm gần đây, cùng với sự phát triển của hệ thống máy tính hiệu năng cao, các phương pháp số đã được đưa vào áp dụng. Các nghiên cứu hầu hết sử dụng phương pháp cài xoáy giả, đồng hóa số liệu trường ban đầu với số liệu vệ tinh và dự báo tổ hợp nhằm cải tiến chất lượng dự báo.
Các nghiên cứu có thể kể đến như sau: Võ Văn Hòa (2008)[2] với nghiên cứu “Đánh giá kỹ năng dự báo quỹ đạo bão của mô hình WRF”. Trong nghiên cứu này Võ Văn Hòa đã sử dụng mô hình WRF để dự báo các cơn bão trên khu vực Biển Đông, kết quả cho thấy 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com mô hình WRF dự báo quỹ đạo bão khá tốt, kể cả đối với những cơn bão có đường đi phức tạp với sai số khá nhỏ. Lê Thị Hồng Vân (2009) [4]. Trong luận văn thạc sĩ này, tác giả Lê Thị Hồng Vân sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu xoáy giả đối với mô hình WRF để nghiên cứu dự báo quỹ đạo và cường độ bão.
Tác giả Lê Thị Hồng Vân đã tiến hành thử nghiệm dự báo 72 giờ với cơn bão Leekima bằng mô hình WRF trong các trường hợp: - Không đồng hóa số liệu trường cài xoáy giả (Trường hợp 1) -Đồng hóa số liệu khí áp bề mặt biển và gió các mực của trường cài xoáy giả (Trường hợp 2) - Đồng hóa số liệu khí áp mặt biển, gió và ẩm các mực của trường cài xoáy giả (Trường hợp 3) - Đồng hóa số liệu khí áp mặt biển, gió và nhiệt các mực của trường cài xoáy giả (Trường hợp 4) - Đồng hóa số liệu khí áp mặt biển, gió, ẩm và nhiệt các mực của trường cài xoáy giả (Trường hợp 5) Qua nhiên cứu này tác giả Lê Thị Hồng Vân thấy có thể sử dụng đồng hóa số liệu khí áp bề mặt biển và gió các mực của trường cài xoáy giả trong mô hình WRF để dự báo cường độ bão trên Biển Đông. Trong nghiên cứu của mình Lê Thị Hồng Vân đã đánh giá cường độ bão qua sai số giữa giá trị khí áp tại tâm quan trắc và giá trị khí áp tại tâm dự báo. Tác giả đã thu được kết quả sai số trung bình (ME) và sai số trung bình tuyệt đối (MAE) của giá trị độ lệch khí áp mặt biển tại tâm giữa quan trắc và mô hình với trường hợp không đồng hoá số liệu trường cài xoáy giả (No_bogus) và có đồng hoá số liệu trường cài xoáy giả (Bogus). 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Tác giả Hoàng Đức Cường (2011)[1] với nghiên cứu “Ứng dụng mô hình WRF dự báo bão đến hạn 72h”, tác giả sử dụng sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR cập nhật số liệu cao không, số liệu synop cho trường ban đầu; và ứng dụng sơ đồ phân tích xoáy giả tích hợp với đồng hóa số liệu.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi sử dụng sơ đồ 3DVAR cho kết quả dự báo vượt trội so với trường hợp không sử dụng sơ đồ, đặc biệt là ở các hạn từ 42h-72h; đối với trường hợp sử dụng sơ đồ phân tích xoáy giả cho sai số biến động khá mạnh và tăng dần theo các hạn dự báo, trung bình khoảng trên 361km, lớn nhất khoảng 462km ở hạn dự báo 72h. Ngoài ra một số phương pháp tổ hợp cũng đã được áp dụng vào trong dự cường độ bão. Cụ thể: Phương pháp siêu tổ hợp đã được GS.TS Trần Tân Tiến và các cộng sự nghiên cứu[3] để dự báo cường độ bão. Để dự báo cường độ bão đã chọn các mô hình RAMS, WRF, HRM làm các mô hình thành phần.
Trong đó các giá trị dự báo áp suất cực tiểu hoặc tốc độ gió cực đại của từng mô hình là nhân tố dự báo, và các yếu tố dự báo là giá trị áp suất cực tiểu hoặc tốc độ gió cực đại tương ứng. Phương pháp này được đánh giá khá tốt và có thể áp dụng phương pháp siêu tổ hợp để dự báo cường độ bão. Nhìn chung, các nghiên cứu trong nước chỉ dừng lại ở dự báo quỹ đạo và cường độ bão hạn 3 ngày. Tuy các nghiên cứu này đã cải thiện được đáng kể sai số dự báo quỹ đạo bão so với trước đây, nhưng hạn dự báo và sai số dự báo vẫn còn nhiều hạn chế so với thế giới.
Nghiên cứu dự báo bão trên thế giới Đã từ lâu các nhà khí tượng học đã nhận ra rằng có hai nguồn gốc chính gây ra sai số dự báo trong các mô hình dự báo thời tiết bằng phương pháp số, đó là sự thiếu sót trong các mô hình số và sự không hiểu biết đầy đủ 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com và chính xác trạng thái ban đầu của bầu khí quyển. Nguyên nhân thứ nhất bắt nguồn từ sự khác nhau giữa mô hình số và bầu khí quyển thực, đó là trong các mô hình phép xấp xỉ các quá trình nhiệt-động lực học và vật lý của khí quyển thực không đạt độ chính xác cần thiết.