Luận văn: Đánh giá phương pháp Dvorak cải tiến xác định cường độ bão Biển Đông

Luận văn thạc sĩ đánh giá ứng dụng kỹ thuật xạ trị điều biến liều IMRT bằng hệ collimator jaw only cho bệnh nhân ung thư trực tràng tại Bệnh viện K.

• Tác giả: Nguyễn Hữu Thành
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Thanh Ngà
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên
• Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học
• Đề tài: Đánh giá phương pháp Dvorak cải tiến để xác định cường độ bão từ ảnh mây vệ tinh địa tĩnh cho khu vực Biển Đông
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ Khoa học
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Phương pháp Dvorak Cải tiến ADT

Phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) là một kỹ thuật hiện đại được phát triển để xác định cường độ bão từ hình ảnh vệ tinh địa tĩnh. Phương pháp này dựa trên phân tích các đặc trưng mây bão quan sát được trên ảnh vệ tinh, giúp các nhà khí tượng học dự báo chính xác hơn về sức mạnh của cơn bão. Tại Việt Nam, phương pháp ADT được áp dụng rộng rãi bởi Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương để theo dõi và đánh giá cường độ bão trên khu vực biển Đông. Các nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Hà Nội đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này trong việc cải thiện độ chính xác của dự báo bão, đặc biệt là trong việc xác định vị trí và cường độ gió cực đại của bão.

1.1. Lịch sử phát triển của Phương pháp Dvorak

Phương pháp Dvorak cổ điển được phát triển từ những năm 1970 bởi các nhà khí tượng học Mỹ. Phương pháp này dựa trên việc phân tích hình dạng và cấu trúc của mây bão để xác định cường độ. Qua nhiều năm nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn, phương pháp này đã được cải tiến liên tục để tăng độ chính xác. Phương pháp ADT là một trong những cải tiến quan trọng nhất, giúp giảm sai số trong việc đánh giá cường độ bão.

1.2. Ứng dụng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, phương pháp Dvorak cải tiến được Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương sử dụng để xác định cường độ bão trên biển Đông. Các nhà khoa học từ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tiến hành những nghiên cứu sâu rộc để đánh giá hiệu quả của phương pháp này. Từ năm 2010 đến 2015, phương pháp ADT đã được kiểm chứng với hàng chục cơn bão, mang lại kết quả rất khả quan.

II. Nguyên lý và Cải tiến của Phương pháp ADT

Phương pháp ADT hoạt động dựa trên việc phân tích các đặc trưng mây bão từ ảnh vệ tinh địa tĩnh để xác định cường độ bão. Phương pháp này so sánh hình dạng, kích thước và cấu trúc của mây bão với những mẫu tham chiếu đã được xây dựng từ các bão thực tế. Những cải tiến của phương pháp ADT bao gồm việc tối ưu hóa các tiêu chí phân loại dạng mây, cải thiện sơ đồ phân tích để phù hợp hơn với điều kiện khí hậu của khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và biển Đông. Các nghiên cứu cho thấy phương pháp này giúp giảm sai số trong xác định cường độ so với phương pháp Dvorak cổ điển, đặc biệt là trong việc dự báo tốc độ gió cực đại và áp suất mực biển.

2.1. Các tiêu chí phân loại dạng mây bão

Dạng mây bão được phân loại dựa trên các đặc trưng như hình dạng mắt bão, tính chất của vùng quanh mắt, độ tổ chức của dải mây xoáy, và sự phân bố mây nhìn từ vệ tinh. Phương pháp ADT sử dụng các tiêu chí cải tiến để xác định chính xác hơn các loại mây bão khác nhau. Mỗi loại mây bão được gán một chỉ số cường độ tương ứng với tốc độ gió cực đại và áp suất thấp nhất của bão.

2.2. Sơ đồ phân tích trong phương pháp ADT

Sơ đồ phân tích của phương pháp ADT bao gồm các bước: quan sát và xác định vị trí tâm bão, phân loại dạng mây bão, ước tính cường độ dựa trên hệ số tương quan, và so sánh với best track. Sơ đồ này được xây dựng dựa trên tập dữ liệu lớn gồm hàng chục cơn bão, giúp xác định cường độ bão một cách khoa học và có cơ sở thống kê.

III. Đánh giá Hiệu quả của Phương pháp ADT

Các nghiên cứu thực hiện từ 2010 đến 2015 trên biển Đông đã cho thấy phương pháp ADT mang lại kết quả rất tốt trong xác định cường độ bão. Sai số vị trí trung bình của phương pháp ADT khoảng 50-100 km, trong khi sai số cường độ được đo lường qua Mean Absolute Error (MAE) khá thấp. Phương pháp Dvorak cải tiến đạt hệ số tương quan cao giữa tốc độ gió cực đại và áp suất thấp nhất được dự báo so với dữ liệu Best track Việt Nam. Đặc biệt, phương pháp ADT cho thấy hiệu quả vượt trội so với phương pháp Dvorak cổ điển trong việc phân loại các bão mạnh trên biển Đông, nơi điều kiện khí hậu đặc biệt phức tạp.

3.1. Sai số vị trí và cường độ theo dạng mây

Sai số vị trí của phương pháp ADT thay đổi tùy theo dạng mây bão, từ 40 km đến 120 km. Các bão có dạng mây rõ ràng và tổ chức tốt có sai số nhỏ hơn. Sai số cường độ được đánh giá qua MAE, với giá trị trung bình khoảng 8-12 kts. Phương pháp ADT cho thấy độ chính xác tương đối cao trong việc xác định cường độ của các bão ở các giai đoạn phát triển khác nhau.

3.2. So sánh ADT với phương pháp Dvorak cổ điển

So sánh giữa phương pháp ADT và Dvorak cổ điển trên hai cơn bão điển hình (Rammasun 2014 và Megi 2010) cho thấy ADT giảm được sai số từ 5-15% so với phương pháp cổ điển. Phương pháp cải tiến đặc biệt hiệu quả hơn trong việc phân loại dạng mây và xác định cường độ khi bão đạt cấp mạnh.

IV. Ứng dụng Thực tiễn và Hướng phát triển

Phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong hệ thống dự báo khí tượng Việt Nam, đặc biệt tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương. Kết quả xác định cường độ bão từ phương pháp ADT được kết hợp với các phương pháp khác để cải thiện độ chính xác của dự báo bão. Các dự báo này rất quan trọng đối với công tác phòng chống bão và cứu hộ, giúp các cơ quan chức năng và dân cư chuẩn bị tốt hơn cho những cơn bão sắp tới. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc tích hợp dữ liệu từ các vệ tinh khác nhau, cải tiến thuật toán bằng kỹ thuật học máy (machine learning), và mở rộng ứng dụng cho các khu vực khác trên thế giới.

4.1. Tích hợp với hệ thống dự báo hiện đại

Phương pháp ADT được tích hợp trong quy trình dự báo bão của Trung tâm Dự báo khí tượng, nơi kết quả xác định cường độ được kết hợp với mô hình dự báo số (NWP) và các phương pháp thống kê khác. Việc tích hợp này giúp nâng cao độ chính xác dự báo và giảm độ không chắc chắn. Dữ liệu từ ADT cung cấp thông tin quan trọng về trạng thái hiện tại của bão, hỗ trợ điều chỉnh kịp thời các dự báo trong những giờ quan trọng.

4.2. Triển vọng phát triển tương lai

Trong tương lai, phương pháp Dvorak cải tiến sẽ được tiếp tục hoàn thiện bằng cách sử dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy. Những cải tiến này sẽ giúp tự động hóa quá trình xác định cường độ bão và tăng độ chính xác. Mở rộng ứng dụng phương pháp này cho các khu vực khác của Tây Bắc Thái Bình Dương cũng là một hướng phát triển quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. Bão hoạt động trên biển Đông và ảnh hưởng đến Việt Nam Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) và bão được đánh giá là môt trong những loại hình thiên tai ảnh hưởng đến nước ta không chỉ gây gió mạnh mà còn sinh ra mưa lớn diện rộng gây ngập lụt nghiêm trọng, nước biển dâng cao. Việt Nam là một đất nước nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển kéo dài trên 3200 km và tiếp giáp với biển Đông (thuộc khu vực biển Tây Bắc Thái Bình Dương) là một trong những ổ bão nhiệt đới nhiều nhất trên thế giới. Do bão biển Đông phức tạp về đường đi, cường độ và địa hình nơi bão đi vào nên các hiện tượng thời tiết kèm theo bão cũng khác nhau, có cơn bão gây mưa nhiều và kéo dài, lũ lụt nghiêm trọng, song có cơn bão gió mạnh, mưa lại rất ít.

Trong các cơn bão ảnh hưởng đến Việt Nam, có cơn nguồn gốc phát sinh từ vùng biển phía Đông Philippin, có cơn phát sinh phát triển trên Biển Đông, thậm chí có cơn bão phát sinh ngay trên vịnh Bắc Bộ. Với các cơn bão có nguồn gốc phát sinh khác nhau, khi đi vào đất liền các hiện tượng thời tiết kèm theo bão cũng khác biệt nhau đối với từng vùng trên lãnh thổ Việt Nam. Đặc biệt đối với các tỉnh Miền Trung là nơi hàng năm chịu ảnh hưởng bão nhiều nhất cùng với địa hình dãy Trường Sơn ở phía tây nằm song song với bờ biển; ở sườn đón gió phía đông, hoàn lưu bão thường nhận được hướng gió gần như thẳng góc với sống núi, tạo nên quá trình mưa bão đặc biệt. Hay khi bão vào đất liền cùng với các quá trình xâm nhập của không khí lạnh từ phía bắc xuống, hoặc trong khoảng thời gian ngắn có hai hoặc ba cơn bão ảnh hưởng đến khu vực này gây nên tình hình mưa đặc biệt nghiêm trọng, quá trình mưa do cơn bão trước vừa kết thúc, hoặc chưa chấm dứt, đã bị ảnh hưởng mưa của cơn bão sau.

Đã có nhiều nghiên cứu ở Việt Nam về đặc điểm ảnh hưởng của bão. Theo Nguyễn Văn Khánh và Phạm Đình Thụy (1985) [3] có 72 cơn bão, ATNĐ đổ bộ vào miền Bắc thời kỳ 1956 - 1980 có tới 43 cơn gây ra gió mạnh từ cấp 10 đến cấp 12 và 17 cơn gây ra gió mạnh trên cấp 13, với phạm vi gió mạnh cấp 6 trở lên là khoảng vài trăm km (khoảng 2 độ kinh/vĩ) xung quanh tâm bão, ATNĐ. Bão hoạt động nhiều nhất về số lượng và mạnh nhất về cường độ ở vùng bờ biển Bắc Bộ, 15 hoạt động ít nhất 16 ở các vùng bờ biển Ninh Thuận - Bình Thuận, Nam Bộ (Trần Việt Liễn, 1990; Nguyễn Đức Ngữ và cộng sự, 2010) [4, 5]. Nguyễn Đức Ngữ và cộng sự (2010) [5] nghiên cứu đặc điểm bão dựa trên số liệu quan trắc cho thấy trung bình mỗi năm nước ta chịu ảnh hưởng của trên 7 cơn bão và ATNĐ.

Thời gian bão ảnh hưởng đến Việt Nam kéo dài từ tháng 3 đến tháng 12 trong đó các tháng 6 - 10 có tần suất đáng kể, đặc biệt trong 3 tháng 8 - 10 có tần suất lớn. Nguyễn Văn Thắng và cộng sự (2010) [7] phân tích hoạt động của bão ở các đoạn bờ biển cho thấy, trong thời kỳ gần đây tần suất của bão trên đa số đoạn bờ biển phía Bắc bao gồm Bắc Bộ, Thanh Hóa đến Thừa Thiên Huế có xu hướng giảm, trong khi phía Nam, bao gồm Đà Nẵng - Bình Định, Phú Yên - Bình Thuận, Nam Bộ có xu hướng tăng. Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng và cộng sự (2016) [8] trên toàn lãnh thổ Việt Nam, trong thời kỳ 1961 - 2014 có 364 cơn bão, ATNĐ đổ bộ và ảnh hưởng trong đó chiếm tỷ lệ từ 10% trở lên tập trung vào 5 tháng từ tháng 7 đến tháng 11. Tổng tỷ lệ % bão ảnh hưởng so với cả năm của 5 tháng này là 87%, cao nhất vào tháng 9, thấp nhất vào tháng 7.

Thời gian có bão ảnh hưởng sớm nhất ở Bắc Bộ với 3 tháng nhiều bão ảnh hưởng nhất là các tháng 7 - 8 - 9, và lùi dần từ Bắc vào Nam, bão ảnh hưởng tập trung vào các tháng 10 - 11 - 12 ở cực Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ. Tần số bão trung bình năm cao nhất là 2,0 - 2,5 cơn ở vùng Quảng Ninh đến Thanh Hóa; thấp nhất là dưới 0,5 cơn ở vùng Tây Bắc, vùng Bình Thuận đến Cà Mau - Kiên Giang; các vùng còn lại tần số bão dao động từ 0,5 - 1,5 cơn. Tình hình nghiên cứu xác định cường độ bão bằng phương pháp Dvorak trên thế giới và Việt Nam 1. Trên thế giới Bão nhiệt đới trở thành một mối đe dọa ngày càng lớn đối với con người, đặc biệt là khu vực ven biển nơi có dân số đang tăng nhanh.

Trong hơn 20 năm qua, cùng với những tiến bộ của khoa học, việc dự báo đường đi của bão đã đạt nhiều tiến bộ khi sai số dự báo giảm đáng kể. Tuy vậy, việc dự báo cường độ bão vẫn là thách thức rất lớn đối với các nhà khí tượng, nguyên nhân một phần cũng vì cường 17 độ thật của 18 bão tại thời điểm dự báo luôn là bài toán khó khi mà các cơn bão thường hình thành ngoài đại dương, nơi mạng lưới quan trắc khí tượng còn rất mỏng. Để xác định cường độ bão thời gian thực, đầu những năm 1970, các nhà khoa học đã phát triển một kỹ thuật dùng để ước lượng cường độ bão sử dụng thông tin từ vệ tinh địa tĩnh, người tiên phong là Vernon Dvorak, sau đó Dvorak được lấy để đặt tên cho phương pháp này - phương pháp Dvorak (Dvorak, 1972; Dvorak, 1973; Dvorak, 1975) [9, 10, 11]. Phương pháp Dvorak với tính chất nguyên thủy là một kỹ thuật bán chủ quan đã được sử dụng tại các trung tâm dự báo nghiệp vụ khí tượng nhiệt đới trên toàn cầu trong hơn 30 năm qua.

Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của thế hệ cảm biến trên các vệ tinh khí tượng mới và khả năng tính toán của máy tính, kết hợp với sự tích lũy lâu năm kinh nghiệm dự báo viên và những thành tựu mới của công nghệ tự động hóa, việc tự động phân tích và ước lượng cường độ bão nhiệt đới bằng các hệ thống máy tính đã trở nên khả thi hơn rất nhiều, đó chính là tiền đề để phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) ra đời. Dựa trên phương pháp phân tích Dvorak cổ điển, nhóm phát triển hệ thống tại Trung tâm nghiên cứu vệ tinh CIMSS của Trường đại học Wisconsin đã tiến hành tự động hóa qua 4 mốc chính (Hình 1.1), bao gồm: 1) Phương pháp Dvorak tự động ước lượng cường độ bão, 2) Phương pháp Dvorak khách quan (ODT), 3) Phương pháp Dvorak khách quan có cải tiến (AODT), và cuối cùng là 4) Phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) [17].1: Sơ đồ phát triển của phương pháp Dvorak theo thời gian 19 Về kỹ thuật, phương pháp Dvorak cổ điển (DT) (Dvorak, 1973) [10] được thực hiện qua 4 bước chính: 1) xác định vị trí tâm bão, ATNĐ, 2) xác định cường độ bão, ATNĐ, 3) chọn ước lượng cường độ tốt nhất và 4) áp dụng một số quy định để đưa ra kết quả ước lượng cường độ cuối cùng. Trong thời kỳ đầu, kỹ thuật này chủ yếu dựa trên lý thuyết nhận dạng mẫu mây với 5 dạng cơ bản: 1) dạng khối mây dày đặc ở trung tâm (CDO), 2) dạng lệch tâm (SHEAR), 3) dạng tâm nhúng đĩa mây (EMBC), 4) dạng có mắt (EYE) và 5) Dạng băng cuốn (CRVBND). Trên thực tế, đây là phương pháp bán chủ quan, sử dụng chủ yếu để đánh giá sự thay đổi 24 giờ của mẫu mây và cường độ để có thể chỉ ra sự thay đổi ngắn hạn của cấu trúc mây, nhược điểm chính của phương pháp là tính chủ quan và trình độ không đồng đều của dự báo viên khi sử dụng kỹ thuật này.

Năm 1984, Dvorak đã cải tiến phương pháp Dvorak cổ điển và phát triển thêm ở một kỹ thuật cao hơn khi kết hợp bổ sung việc xác định các mẫu mây với việc đánh giá, xác định các đặc trưng của mây cụ thể ở đây là nhiệt độ đỉnh mây (Dvorak, 1984) [12]. Việc phân tích cường độ bão không chỉ giới hạn bởi phương pháp định tính nữa mà thay vào đó được định lượng hóa qua việc đánh giá chỉ số tính toán từ kỹ thuật Dvorak dựa trên mẫu mây bão (Tnumber). Phương pháp DD này đã đặt nền tảng cho phương pháp Dvorak khách quan (ODT) sau này khi sử dụng các thuật toán khách quan nhưng vẫn giữ được đặc trưng cơ bản của phương pháp Dvorak cổ điển. Sang đến thập niên 1990, khi số liệu có đầy đủ hơn, độ phân giải ảnh vệ tinh cao hơn, năng lực tính toán của máy tính mạnh hơn đã thúc đẩy phát triển phương pháp Dvorak khách quan (ODT) (Velden và cộng sự, 1998) [18].

Với phương pháp ODT, dự báo viên ở khắp nơi trên thế giới, kể cả trình độ và kĩ năng của từng nơi, từng người có sự chênh lệch, vẫn có thể đưa ra những dự báo mang tính khách quan cao với độ sai lệch về kết quả ở mức tối thiểu. Các kết quả thực nghiệm từ máy 20 bay do thám khí 21 tượng cho thấy ước lượng cường độ bão của phương pháp ODT có thể so sánh được với những phân tích đưa ra từ các trung tâm khí tượng của Hoa Kỳ. Tuy nhiên phương pháp này có một nhược điểm lớn, đó là nó chỉ có thể áp dụng được cho những cơn bão mạnh, điều này làm ảnh hưởng đến tính ứng dụng phổ cập của ODT. Ngoài ra phương pháp ODT vẫn cần có dự báo viên khí tượng xác định vị trí tâm bão trước khi sử dụng thuật toán.

Nhược điểm chủ yếu của phương pháp ODT là nó không thể xử lý được các cơn bão yếu. Nhược điểm này sau đó đã được khắc phục bằng phương pháp Dvorak khách quan có cải tiến (AODT). Phương pháp AODT làm việc được với mọi cường độ bão và áp dụng tất cả các luật của phương pháp Dvorak. Phương pháp AODT là bước cải tiến trực tiếp của phương pháp ODT trên ba phương diện chính: 1) phạm vi ứng dụng được mở rộng, bao gồm việc xử lý ATNĐ và các giai đoạn khác nhau của các cơn bão, 2) áp dụng thêm nhiều thuật toán và quy luật của phương pháp Dvorak cổ điển, 3) tích hợp hệ thống tự động xác định tâm bão.

Để có thể áp dụng phương pháp AODT cho các cơn bão nhỏ và ATNĐ, người ta cần phải sử dụng tới kỹ thuật “nhận dạng mẫu mây” (Olander và Velden, 2007) [15].