Chương 1 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP OSSE 1.1 Tổng quan các nghiên cứu về OSSE trên thế giới và tại Việt Nam Trong bài viết tổng quan về vai trò của phương pháp thử nghiệm giả lập hệ thống quan trăc trong ngành khí tượng năm 1989, tác giả Alane.Lipton[7] đã cho biết phương pháp này được ra đời vào những năm 1960 của thế kỷ trước. Động lực đầu tiên thúc đẩy sự hình thành và phát triển của phương pháp này là kế hoạch xây dựng một hệ thống quan trắc toàn cầu có độ chính xác cao của chương trình nghiên cứu khí quyển toàn cầu (Global Atmospheric Research Program – GARP). Tuy nhiên, xây mới một hệ thống quan trắc hay lắp đặt mới các thiết bị quan trắc là rất tốn kém đặc biệt là các thiết bị quan trắc hiện đại như vệ tinh, radar v.v… Hơn nữa, do kinh phí đầu tư là có giới hạn, nên việc lắp đặt thêm thiết bị quan trắc này đồng nghĩa với việc giảm bớt thành phần khác quan trắc. Do đó, quá trình thiết kế hệ thống quan trắc mới cần phải điều tra kỹ lưỡng nhằm ước tính được tác động của quan trắc mới tới dự báo số.
Tuy nhiên, đây là công việc khó thực hiện bởi hệ thống quan trắc mới chưa được xây dựng, số liệu quan trắc mới chưa tồn tại. Để giải quyết vấn đề trên, các nhà khoa học trên thế giới đã đề xuất một phương pháp cho phép mô phỏng lại tác động tiềm năng của số liệu quan trắc mới hay hệ thống quan trắc mới tới các dự báo số được biết với tên gọi là thử nghiệm giả lập hệ thống quan trắc được gọi tắt là phương pháp OSSE. Theo những nghiên cứu của Atlas và nnk vào năm 1985[9], Arnold và Dey trong năm 1986[8] thì phương pháp OSSE được xếp nằm trong lớp bài toán kiểm nghiệm, giả lập (mô phỏng) tuy nhiên khác biệt với thử nghiệm giả lập (mô phỏng) thông thường, phương pháp OSSE cho phép giả lập những thứ chưa tồn tại cụ thể là các quan trắc mới. Từ đó, dựa trên ý tưởng hệ thống đồng hóa số liệu, phương pháp OSSE có thể ước tính được tác động tiềm năng của quan trắc mới tới hệ thống dự báo số trị (NWP) làm cơ sở cho chương trình thử nghiệm thời tiết toàn cầu.
Trong nghiên cứu của Atlas và Emmitt vào năm 1991[11], của Rohaly và Krishnamutri vào năm 1993[21] và của Atlas trong năm 1989[10] phương pháp OSSE còn được sử dụng để cho phép ước lượng, điều chỉnh thêm hoặc giảm các thành phần cấu thành nên hệ thống quan trắc. Trong giai đoạn đầu phát triển từ năm 1960 đến 1980, phương pháp OSSE gắn liền với các nghiên cứu trong chương trình nghiên cứu khí quyển toàn cầu. Với mục tiêu là đưa ra được một mạng lưới quan trắc toàn cầu có độ chính xác cao, 7 z GARP là tập hợp các nghiên cứu sử dụng phương pháp OSSE để thực hiện các thử nghiệm để giúp các nhà khoa học có thể đưa ra được mạng lưới quan trắc tối ưu. Tiêu biểu là các nghiên cứu của Charney và nnk thực hiện trong năm 1969[14], nghiên cứu của Halem và Jastrow vào năm 1970[17], nghiên cứu của Williamson và Kasahara trong năm 1971[23], Kasahara trong năm 1972[18], Gordon và nnk vào năm 1972[16] và các nghiên cứu khác chuẩn bị cho chương trình thử nghiệm toàn thời tiết toàn cầu.
Các nghiên cứu này đã đạt được những kết qủa tích cực trong việc thiết kế được mạng lưới các trạm quan trắc để có thể cung cấp được trường phân tích đáp ứng được yêu cầu về số liệu của GARP, chỉ ra được mối liên hệ giữa các biến quan trọng của khí quyển là nhiệt độ và gió. Sử dụng thám sát nhiệt độ từ vệ tinh trong thời gian dài và liên tục đưa vào mô hình toàn cầu có thể tạo ra số liệu quan trắc trường gió quy mô lớn, vì vậy các quan trắc gió bổ sung là không cần thiết. Một trong những hướng nghiên cứu cũng tập trung nhiều sự quan tâm của các nhà khoa là đưa ra một hệ thống đồng hóa số liệu phù hợp với những quan trắc mới. Phương pháp OSSE sẽ giúp các nhà khoa học có thể thử nghiệm các phương pháp đồng hóa mới trước khi số liệu quan mới được đưa vào sử dụng.
Điều này sẽ giúp tiết kiệm thời gian đưa số liệu quan trắc mới vào nghiệp vụ. Trong những năm từ 1980 đến 2000, những nghiên cứu sử dụng phương pháp OSSE dần chuyển hướng sang các nghiên cứu liên quan tới tác động của số liệu gió từ vệ tinh. Đặc biệt là các tập hợp các nghiên cứu được thực hiện bởi các nhà khoa học tại trung tâm đồng hóa số liệu NASA DAO nhằm xác định tác động tiềm năng của profile gió vệ tinh LiDAR tới hệ thống đồng hóa và dự báo số lúc bấy giờ và từ đó có thể đưa ra những điều chỉnh trong thiết kế thiết bị đo gió. Các nghiên cứu tiêu biểu trong giai đoạn này là của Atlas và Kalnay thực hiện trong năm 1985[9], Atlas và nnk trong những năm 1990, 1991 và 1997[10][11][12], của Baker và nnk vào năm 1995[13].
Trong những nghiên cứu này, các tác giả sử dụng mô hình tích phân hoàn lưu chung khí quyển có độ phân giải 5o, hệ thống đồng hóa và dự báo GEOS3 có độ phận giải 1o. Kết quả có được từ các nghiên cứu này đã chỉ ra sự cải thiện rõ rệt độ chính xác của dự báo khi số liệu gió vệ tinh lidar được đồng hóa. Cụ thể, kỹ năng dự báo trung bình đã được kéo dài thêm từ 12 – 18 giờ tại Nam Bán Cầu và từ 3 - 6 giờ tại Bắc Bán Cầu. Tăng độ chính xác trong dự báo quỹ đạo bão, sai số vị trí tâm bão dự báo giảm xấp xỉ 10% tính trung bình toàn cầu.
Đặc biệt với các cơn bão có cường độ mạnh (áp suất cực tiểu tại tâm nhỏ hơn 945hPa), thì sai số khoảng cách giảm trung bình hơn 200km. Không chỉ vậy, các nhà khoa 8 z học còn chỉ ra được tác động của gió Lidar này đã cải thiện được dự báo vị trí đổ bộ của các cơn bão, giảm sai số xấp xỉ 250km. Trước năm 2000, phương pháp OSSE thường được sử dụng trong các nghiên cứu có quy mô lớn, các mô hình được sử dụng để thực hiện các giả lập thử nghiệm là mô hình toàn cầu. Từ những năm đầu thế kỷ 21 cho đến nay, sự phát triển nhảy vọt của khoa học kỹ thuật và năng lực tính toán của máy tính đã tạo điều kiện cho các hệ thống mô hình khu vực cũng ra đời và hoàn thiện.
Các nghiên cứu sử dụng phương pháp OSSE đã tập trung hơn vào nghiên cứu quy mô vừa, đặc biệt là tác động tiềm năng của số liệu viễn thám tới các loại thời tiết có tác động lớn như bão, xoáy thuận nhiệt đới. Trong nghiên cứu sử dụng OSSE ước tính tác động tiềm năng của số liệu gió Lidar Doppler tới việc dự báo các hiện quy mô vừa như bão tuyết, xoáy thuận nhiệt đới vào năm 2009 [25], Pu và Zhang đã chỉ ra những khó khăn khi sử dụng mô hình toàn cầu mô phỏng hiện tượng quy mô vừa do không phản ánh được cấu trúc và cường độ của các hiện tượng này, do vậy cần có những thử nghiệm dựa trên những mô hình khu vực. Năm 2013, Nolan và nnk [22] đã xây dựng một khí quyển giả lập quy mô khu vực phục vụ cho xem xét tác động của các loại quan trắc tương lai tới dự báo bão. Quá trình mô phỏng này được thực hiện thông qua việc sử dụng mô hình WRF với đầu vào là khí quyển giả lập của ECMWF.
Kết quả đã phản ánh được mối quan hệ giữa áp suất và gió, cấu trúc động học và nhiệt động lực học của lớp biên, bán kính gió mạnh cũng được xác định chính xác hơn. Cùng năm này, Hongli Wang, Xiang – Yu Huang và Yongshen Chen[24] đã sử dụng hai mô hình khu vực là MM5, WRF và hệ thống đồng hóa biến phân ba chiều (3DVAR) trong nghiên cứu thử nghiệm tác động tiềm năng của số liệu phổ hồng ngoại (IRS) từ vệ tinh địa tĩnh Meteosat thế hệ thứ ba tới dự báo số trị quy mô khu vực. Các kết quả thu được cho thấy số liệu IRS đã có những tác động tích cực tới các phân tích và dự báo, giảm sai số trường nhiệt và trường ẩm trong các phân tích. Kỹ năng dự báo cho các biến nói trên cũng được tăng thêm 12 giờ.
Độ chính xác của dự báo mưa hạn 18 giờ cũng được cải thiện. Sớm hơn, năm 2010, Pu và Zhang [19] sử dụng mô hình WRF và hệ thống 3DVAR nghiên cứu về ảnh hưởng của số liệu lidar Doppler tới dự báo số. Các kết quả cho thấy việc đồng hóa các quan trắc gió vào các mô hình quy mô vừa sẽ có những tác động tiềm năng rõ rệt trong việc cải thiển chất lượng dự báo quỹ đạo và cường độ bão. Sai số giữa quỹ đạo dự báo khi có sử dụng số liệu gió nhỏ hơn quỹ đạo của dự báo khi không đồng hóa số liệu này trong dự báo hạn 48 tiếng.
Cường độ bão được phản ánh chính xác thay vì cho dự báo cường độ quá lớn. 9 z Các nghiên cứu sử dụng mô hình khu vực và phương pháp OSSE làm công cụ để nghiên cứu những tác động của các loại quan trăc dự kiến khác nhau tới dự báo các hiện tượng thời tiết có tác động lớn nói chung và bão nó riêng đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới thực hiện và đã thu được những kết quả tích cực trong dự báo bão. Tại Việt Nam, OSSE vẫn là phương pháp mới. Theo hiểu biết của tác giả, chưa có các nghiên cứu sử dụng OSSE, tuy nhiên một số nghiên cứu có sử dụng mô hình khu vực và sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR để nghiên cứu tác động của các loại số liệu quan trắc tới các hiện tương thời tiết có ảnh hưởng lớn đã được thực hiện.
Nghiên cứu của Kiều Thị Xin và Lê Đức (2003) [2] đã sử dụng mô hình HRM kết hợp với sơ đồ đồng hóa biến phân ba chiều 3DVAR để đồng hóa số liệu tại các trạm cao không và Synop. Kết quả cho thấy lượng mưa dự báo đã gần với thực tế hơn so với trường hợp không có đồng hóa. Trần Tân Tiến và nnk (2009)[5] đã thực hiện đồng hóa số liệu áp suất mặt biển và gió đã cho thấy những cải tiến trong khả quan trong việc dự quỹ đạo và cường độ bão đặc biệt trong hạn dự báo từ 6 đến 48h.