MỞ ĐẦU Khi nói đến các thiên tai, bão là một trong những thiên tai gây hậu quả nghiêm trọng về người và tài sản. Bão là mối đe dọa đối với sản xuất và đời sống của con người. Khi bão đi vào đất liền thường kèm theo mưa to, gió lớn, nước biển dâng cao,…và các hiện tượng thời tiết xấu đi kèm trong bão khác cũng gây những ảnh hưởng không nhỏ đến hoạt động của con người. Bờ tây Thái Bình Dương nói chung và Biển Đông nói riêng là khu vực hàng năm bão hoạt động nhiều nhất so với các vùng đại dương khác trên trái đất.
Với phạm vi nhỏ bão biển Đông chịu ảnh hưởng rõ rệt của trường đường dòng trên cao, hoàn lưu trên cao yếu đi làm cho đường đi và cường độ của bão biển Đông khá phức tạp, không ổn định. Đồng thời, với hệ quả của biến đổi khí hậu một số năm gần đây đã làm cho số lượng những cơn bão vào biển Đông ngày càng tăng kèm theo sự biến đổi không lường về quỹ đạo cũng như cường độ của nó. Vì vậy vấn đề dự báo nhanh chóng và chính xác bão trên biển Đông luôn là vấn đề được quan tâm đối với những nhà khoa học khí tượng và những người làm công tác dự báo. Để việc dự báo đạt kết quả cao, trong thời gian gần đây dự báo tổ hợp đang là phương pháp được lựa chọn và áp dụng tối ưu nhất đối với công tác dự báo bão ở Việt Nam cũng như nhiều nước trên thế giới.
Trong các hướng nghiên cứu của dự báo tổ hợp thì tổ hợp các kết quả dự báo bão dựa trên dự báo toàn cầu là một cách tổ hợp không những loại bỏ các sai số không đáng có mà còn giúp chúng ta tận dụng được kết quả dự báo từ các trung tâm dự báo có uy tín, đồng thời nếu sử dụng phương pháp này một cách hợp lý chúng ta có thể bỏ qua được yêu cầu về cấu hình cao của máy tính trong dự báo và không phải tốn quá nhiều công sức và thời gian. Trên cơ sở đó, trong khuôn khổ luận văn này tôi đưa ra hướng sử dụng các phương pháp thống kê để tổ hợp các kết quả dự báo từ các trung tâm dự báo toàn cầu với mục đích: “ Xây dựng phương trình dự báo quỹ đạo bão cho khu vực biển Đông hạn 5 ngày dựa trên số liệu dự báo toàn cầu” 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nội dung của luận văn bao gồm những phần sau: Chƣơng I. Chƣơng II. Phương pháp nghiên cứu và nguồn số liệu.
Chƣơng III. Kế t quả và thảo luâ ̣n. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com CHƢƠNG I. TỔNG QUAN Như chúng ta đã biết, trong những thập kỷ gần đây, kỹ năng dự báo xoáy thuận nhiệt đới đang ngày một được cải thiện đáng kể khi mà những hiểu biết về cấu trúc nhiệt động lực học của bão, mạng lưới thông tin quan trắc và các sản phẩm số trị ngày càng được tăng cường và chính xác.
Bên cạnh đó, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học máy tính cùng với sự hoàn thiện trong các phương pháp giải số đã tăng cường khả năng dự báo trước nhiều ngày của các mô hình thủy động. Tuy nhiên, như vậy không có nghĩa là tất cả những kết quả dự báo quỹ đạo bão đều chính xác mà luôn có một sai số nào đó ẩn chứa trong các sản phẩm dự báo. Sai số trong các mô hình dự báo xoáy thuận nhiệt đới có thể bắt nguồn từ sự chưa hoàn chỉnh trong khi biểu diễn các quá trình động lực và vật lý, từ sai số cắt xén trong giải tích số và đặc biệt là sai số trong các trường phân tích. Chính nguồn sai số này dẫn đến những hạn chế trong khả năng dự báo của các mô hình số đối với một hiện tượng cụ thể.
Có thể nói rằng, tất cả các bản tin dự báo được phát ra từ các nhà dự báo hoặc các mô hình số trị đều bao hàm tính bất định (uncertainly). Tính bất định của dự báo thể hiện qua sự thay đổi liên tục mức độ tin cậy của thông tin dự báo và rất khó có thể ước lượng được. Đặc biệt trong dự báo quỹ đạo bão, tính bất định này thể hiện trong bản chất của mô hình, đặc trưng của cơn bão, mùa bão, các hình thế mà cơn bão chi phối…. Chính tính bất định này làm cho chất lượng dự báo của mô hình số trị thay đổi theo từng mùa, từng cơn bão và gây khó khăn cho các nhà dự báo trong việc nên quyết định lựa chọn sản phẩm dự báo từ mô hình số trị nào để tham khảo.
Để ước lượng tính bất định một cách phù hợp và có thể đánh giá được người ta dùng phương pháp dự báo xác suất. Phương pháp này cho ta thấy một hiện tượng được quan tâm sẽ xuất hiện như thế nào dưới dạng tỷ lệ phần trăm đồng thời giúp cho các dự báo viên và những người sử dụng đánh giá được mức độ rủi ro. Có nhiều cách để tạo ra 1 dự báo xác suất, nhưng hai cách hay được sử dụng nhất là phương pháp thống kê và phương pháp dự báo tổ hợp. Các dự báo tổ hợp được thiết kế để ước lượng các giá trị thống kê dựa trên tập mẫu là các dự báo thành phần có thể có.
Xác suất xuất hiện của một hiện tượng nào đó được tính dựa trên tỷ số giữa 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com số dự báo thành phần có xuất hiện so với tổng số dự báo thành phần. Hiện nay, tại một số trung tâm dự báo khí tượng lớn trên thế giới, các hệ thống dự báo tổ hợp (EPS -Ensemble Prediction System) nghiệp vụ đã được đưa vào hoạt động từ đầu những năm 90 phục vụ công tác dự báo hạn vừa hạn dài và được chạy trên các hệ thống siêu máy tính. Các EPS này được phát triển dựa trên các mô hình toàn cầu với mục đích chính là nâng cao chất lượng dự báo và tăng cường khả năng dự báo dài hạn. Sơ lƣợc quá trình phát triển của phƣơng pháp dự báo tổ hợp bão Người đầu tiên- sử dụng phương pháp nhiễu động vào bài toán dự báo tổ hợp chuyển động của XTNĐ là Aberson và cộng sự [9] năm 1995.
Ông và các đồng nghiệp đã tiến hành dự báo quỹ đạo tổ hợp đối với các cơn bão Đại Tây Dương bằng cách sử dụng mô hình chính áp VICBAR với các trường ban đầu đã được gây nhiễu khác nhau. Phương pháp BGM (the breeding of growing modes) được sử dụng trong nghiên cứu này, với trường đầu vào từ mô hình toàn cầu của NCEP. Cụ thể là, để bắt đầu một chu trình cấy, các nhiễu động ngẫu nhiên được cộng thêm vào các trường phân tích ban đầu của mô hình. Sự khác nhau giữa trường dự báo tiền định với trường dự báo đã được gây nhiễu được coi là các nhiễu động và sẽ được điều chỉnh lại trong phạm vi sai số quan trắc.
Sau đó, các nhiễu động mới này sẽ được cấy vào trường phân tích tại thời điểm kế tiếp và chu trình nuôi lại được lặp lại. Sau một khoảng thời gian nuôi nhiễu, thường là 1 cho đến 2 ngày sau, sự khác biệt giữa dự báo đối chứng và các dự báo được gây nhiễu trở nên ổn định, khi đó có thể coi các nhiễu phát triển nhanh đã được cấy thành công. Sau khi hiệu chỉnh lại nhiễu động này, các nhiễu động lại được cộng hoặc trừ vào trường phân tích ban đầu của dự báo đối chứng và tạo nên một cặp nhiễu động ban đầu đã được cấy. Các trường ban đầu đã được cấy này sẽ được sử dụng trong quá trình tích phân mô hình tạo ra các dự báo tổ hợp thành phần.
Từ những kết quả nghiên cứu khả quan này, năm 1998 Aberson [10] đã áp dụng phương pháp BGM cho mô hình lưới lồng GFDL (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) để dự báo cho mùa bão 1996- 1997 trong vùng Đại Tây Dương. Trong nghiên cứu này dự báo tổ hợp là trung bình 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com cộng của các dự báo tổ hợp thành phần. Các kết qủa thống kê đánh giá cho hai mùa bão 1996 và 1997 đã cho thấy những kết qủa rất khả quan. Trung bình tổ hợp có thể dự báo tốt hơn so với dự báo đối chứng sau 24h dự báo và cũng tốt hơn so với dự báo của mô hình nghiệp vụ phân giải cao GFDL sau 48h.
Năm 1997, Krishnamurti và cộng sự [27,28] đã nghiên cứu một tổ hợp các dự báo bão sử dụng các phân tích khác nhau trong đó biểu diễn sự kết hợp của các ước lượng sai số phân tích và các nhiễu động tới vật lý mô hình (từ các thủ tục đồng hóa số liệu khác nhau) tại thời điểm ban đầu. Mô hình dự báo được sử dụng là mô hình phổ toàn cầu T63L15. Các kết qủa đánh giá cho thấy, ban đầu hóa vật lý làm giảm độ tán của các dự báo tổ hợp do trường dòng dẫn được mô tả tốt hơn. Sai số dự báo trong các trường hợp không sử dụng ban đầu hóa là lớn hơn hầu hết các trường hợp sử dụng ban đầu hóa.
Bên cạnh đó, các phương án tính toán dự báo tổ hợp từ tập hợp các dự báo thành phần cũng được thử nghiệm và so sánh với trung bình tổ hợp. Kết quả là trung bình của các dự báo thành phần đã loại bỏ các dự báo nằm quá xa so với các dự báo thành phần còn lại, và trung bình của tập hợp các dự báo đã loại bỏ những dự báo có sai số lớn trong 12h dự báo đầu tiên. Các kết qủa đánh giá cho thấy tất cả các phương án thử nghiệm trên đã đem lại nhiều thông tin hữu tích trong một vài trường hợp. Cheung và Chan (1999) [12] đã sử dụng 3 phương pháp nhiễu động là phương pháp Monte-Carlo (MCF), LAF(Lagged- average forecast) và BGM để tạo ra các dự báo tổ hợp dựa trên một mô hình chính áp.
Để đánh giá vai trò của trường dòng dẫn và hoàn lưu xoáy tới kết quả dự báo, các nhiễu động được phát sinh từ 3 phương pháp nói trên được áp dụng riêng rẽ cho trường dòng dẫn và hoàn lưu xoáy. Trong nghiên cứu này, các kiểm nghiệm được thực hiện dựa trên 66 trường hợp nằm trong bộ số liệu kiểm nghiệm chuyển động XTNĐ TCM90. Có thể nói cho đến nay, công trình nghiên cứu của Cheung và Chan là toàn diện nhất về việc áp dụng các phương pháp nhiễu động trong dự báo tổ hợp quỹ đạo XTNĐ. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.