MỞ ĐẦU Khi nghiên cứu một hiện tượng nào đó xảy ra trong khí quyển ta cần phải quan sát nó, trắc lượng nó. Hiện tượng được nghiên cứu nói chung luôn luôn liên hệ với các hiện tượng khác bởi những mối phụ thuộc có tính nguyên nhân, và vì vậy tiến trình của nó phụ thuộc vào vô số các nhân tố bên ngoài. Về nguyên tắc ta không thể theo dõi được tất cả các nguyên nhân xác định tiến trình của hiện tượng nghiên cứu và cũng không thể thiết lập được tất cả các mối liên hệ giữa hiện tượng đang xét với toàn bộ những yếu tố bên ngoài. Ta chỉ có thể thiết lập và theo dõi được một số nhất định các mối liên hệ giữa hiện tượng nghiên cứu với những nhân tố khác, và đương nhiên còn vô số những nhân tố nữa chưa được tính đến, chúng có tác dụng nào đó đến tiến trình của hiện tượng khảo sát.
Chính vì vậy mà khi quan sát hiện tượng nhiều lần, bên cạnh những đặc điểm chung nhất, ta thấy mỗi lần hiện tượng xuất hiện với một dáng vẻ khác nhau, mang những đặc điểm riêng đặc trưng cho từng lần quan sát. Kết quả là các lần quan sát khác nhau không hoàn toàn giống nhau. Chẳng hạn, trong trường hợp lý tưởng, nếu chúng ta đồng thời đo nhiệt độ không khí tại một địa điểm nào đó vào một thời điểm nhất định bằng nhiều nhiệt kế giống nhau, có thể nhận được những trị số khác nhau dao động xung quanh một giá trị nền nào đó. Sự khác nhau này phụ thuộc vào rất nhiều nhân tố khách quan, như mức độ đồng nhất của các nhiệt kế về độ nhạy, độ chính xác, tác dụng bức xạ của mặt trời, mặt đệm đến các bầu nhiệt kế,.
Vì lẽ đó, khi nghiên cứu mỗi hiện tượng cho trước, người ta tách tất cả những mối liên hệ thành hai loại: các mối liên hệ cơ bản xác định những nét chung tiến trình của hiện tượng mà khi quan sát chúng được lặp đi lặp lại nhiều lần và các mối liên hệ thứ yếu có ảnh hưởng khác nhau đến tiến trình tại mỗi lần quan sát. Các mối liên hệ cơ bản xác định cái gọi là tính qui luật của hiện tượng. 12 Các mối liên hệ thứ yếu làm cho kết quả quan sát hiện tượng sai lệch khác nhau so với qui luật tại mỗi lần quan sát. Những sai lệch đó được gọi là những hiện tượng ngẫu nhiên.
Mỗi một mối liên hệ thứ yếu riêng biệt nói chung chỉ có thể ảnh hưởng rất ít đến tiến trình của hiện tượng. Tuy nhiên, vì có vô số các mối liên hệ thứ yếu cùng tác động nên ảnh hưởng tổng cộng của chúng có khi lại rất đáng kể, thậm chí chúng xác định tất cả tiến trình của hiện tượng, làm cho hiện tượng không còn một tính qui luật rõ rệt nào cả. Do tác dụng đồng thời của các mối liên hệ cơ bản và các mối liên hệ thứ yếu nên tính qui luật và tính ngẫu nhiên trong mọi hiện tượng luôn luôn liên hệ mật thiết với nhau, gắn chặt với nhau. Vì hiện tượng ngẫu nhiên được sinh ra bởi vô số mối liên hệ thứ yếu trong hiện tượng cần khảo sát nên, về nguyên tắc, việc nghiên cứu chúng bằng cách theo dõi tất cả các mối liên hệ này là không thể được.
Chúng ta chỉ có thể nghiên cứu hiện tượng ngẫu nhiên bằng cách phát hiện tính qui luật trong bản thân chúng. Lý thuyết xác xuất là một ngành toán học nghiên cứu tính quy luật của những hiện tượng ngẫu nhiên. Để xác định được tính quy luật cần phải biết được các dặc trưng xác suất của hiện tượng ngẫu nhiên. Muốn vậy, không còn cách nào khác là phải trở về với thực nghiệm.
Việc xây dựng được các phương pháp hợp lý để xử lý các kết quả quan sát thực nghiệm là nội dung cơ bản của lý thuyết thống kê. Theo nghĩa đó, “Phương pháp thống kê trong khí hậu” là môn học vận dụng một số nguyên lý của lý thuyết xác suất thống kê toán học tính toán thống kê các đặc trưng khí hậu, giải quyết một số bài toán trong nghiên cứu các hiện tượng khí hậu. Nó là một môn học mang tính phương pháp, là cầu nối giữa lý thuyết xác suất thống kê toán học và khí hậu học. Khí hậu là trạng thái trung bình của thời tiết.
Thời tiết là trạng thái tức thời của khí quyển, được qui định bởi các quá trình, các đặc trưng vật lý của khí 13 quyển. Nghiên cứu khí hậu là xác định được những qui luật diễn biến của khí hậu theo không gian và thời gian, thiết lập được những mối liên hệ bên trong và bên ngoài của các đặc trưng yếu tố khí hậu, từ đó tiến hành đánh giá tài nguyên khí hậu, phán đoán về sự biển đổi khí hậu và giải bài toán dự báo khí hậu. Trên cơ sở các chuỗi số liệu khí hậu “Phương pháp thống kê trong khí hậu” căn cứ vào tính hai mặt của các quá trình và hiện tượng khí hâụ là tính quy luật và tính ngẫu nhiên để: 1) Thống kê, tính toán và ước lượng các trị số khí hậu; 2) Phán đoán và kiểm nghiệm luật phân bố của một số đặc trưng yếu tố khí hậu; 3) Phân tích mối liên hệ tương quan và hồi qui giữa các đặc trưng yếu tố khí hậu; 4) Phân tích qui luật biến đổi của các chuỗi số liệu khí hậu; 5) Chỉnh lý, bổ sung các chuỗi số liệu khí hậu. Số liệu khí hậu, kết quả thực nghiệm của việc quan sát các hiện tượng khí quyển, là yếu tố quan trọng, cần thiết và không thể thiếu được đối với việc sử dụng phương pháp thống kê trong nghiên cứu khí hậu.
Thông thường số liệu khí hậu được thành lập từ các số liệu khí tượng. Số liệu khi tượng là số liệu thu thập được từ những quan trắc khí tượng. Nghĩa là: Quan trắc khí tượng ⎯→ Số liệu khí tượng ⎯→ Chuỗi số liệu khí hậu. Quan trắc khí tượng được tiến hành để theo dõi sự xuất hiện của các hiện tượng vật lý xảy ra trong khí quyển, đo đạc một số tính chất vật lý của khí quyển cấu thành thời tiết.
Khi nghiên cứu một hiện tượng nào đó người ta thường tiến hành khảo sát nhiều lần trong cùng những điều kiện như nhau nhằm mục đích giảm bớt sự tác động của các mối liên hệ thứ yếu, làm nổi bật những mối liên hệ cơ bản để xác định qui luật của hiện tượng. Chính vì vậy việc quan trắc khí tượng nói chung 14 được tiến hành tại những địa điểm được chọn sẵn (là vị trí trạm khí tượng), vào những thời điểm qui định (là kỳ quan trắc) và theo một thể thức bắt buộc (qui trình, qui phạm quan trắc). Các yếu tố được quan trắc phải mô tả đầy đủ trạng thái thời tiết. Vị trí các trạm quan trắc được lựa chọn sao cho có thể bao quát được một vùng không gian nhất định.
Các kỳ quan trắc phải được ấn dịnh vào những thời điểm điển hình, đủ để mô tả được biến trình thời gian của yếu tố. Việc tuân thủ qui trình, qui phạm quan trắc bảo đảm tính nhất quán trong số liệu thu nhập được. Kết quả của quan trắc khí tượng cho ta tập số liệu đo đạc thực nghiệm các hiện tượng khí tượng, các tính chất vật lý của khí quyển mô tả điều kiện thời tiết. Từ tập số liệu này, bằng các phương pháp chọn mẫu khác nhau người ta mới thành lập các chuỗi số liệu khí hậu.
Chuỗi số liệu khí hậu là một bộ phận của tổng thể khí hậu. Nó là bộ phận duy nhất mà ta có thể có để từ đó tiến hành thống kê tính toán và nhận định phán đoán. Tổng thể khí hậu là tập hợp mọi thành phần có thể của đặc trưng yếu tố khí hậu. Tổng thể khí hậu bao gồm 3 nhóm: 1) Nhóm các trị số đã xảy ra nhưng không được quan trắc; 2) Nhóm các trị số đã xảy ra và đã được quan trắc; 3) Nhóm các trị số chưa xảy ra.
Số thành phần của tổng thể là vô hạn. Tổng thể luôn luôn bao quát đầy đủ mọi sắc thái hình thù của đặc trưng yếu tố khí hậu. Trên cơ sở các chuỗi số liệu khí hậu ta có thể tiến hành xử lý, tính toán các đặc trưng tham số khí hậu, phân tích, phán đoán và mô tả đặc điểm, tính chất, cấu trúc bên trong, tiến đến dự báo khí hậu. Chất lượng tính toán phụ thuộc vào khả năng của chuỗi (dung lượng mẫu - độ dài chuỗi).
Thông thường các thành phần của chuỗi cách nhau một năm, nên số lượng các năm quan trắc càng nhiều thì dung lượng mẫu càng lớn, kết quả tính toán sẽ càng đảm bảo độ ổn định thống kê và do đó những phân tích, phán đoán càng chính xác. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA LÝ THUYẾT XÁC SUẤT VÀ ÚNG DỤNG TRONG KHÍ TƯỢNG KHÍ HẬU 1.1 SỰ KIỆN, KHÔNG GIAN SỰ KIỆN VÀ TẦN SUẤT SỰ KIỆN 1.1 Phép thử và sự kiện Các khái niệm đầu tiên của lý thuyết xác suất là “phép thử” và “sự kiện”. “Phép thử” được hiểu là việc thực hiện một bộ điều kiện xác định nào đó khi nghiên cứu một hiện tượng. “Phép thử” cũng có thể hiểu là “thí nghiệm” hoặc ”quan sát” hay “quan trắc”, “trắc lượng”,.
về sự xuất hiện một hiện tượng nào đó. Kế quả của “phép thử” là kết cục. Một phép thử có thể có nhiều kết cục. Các kết cục này được gọi là các “sự kiện”.
Quan trắc khí tượng là một kiểu mô phỏng “phép thử” như vậy. Trong những trường hợp đơn giản có thể phân biệt được rõ ràng sự kiện cơ sở và sự kiện phức hợp, chẳng hạn sự kiện con xúc xắc nhận mặt nào khi ta gieo. Nhưng trong khí tượng khí hậu, việc phân chia sự kiện cơ sở và sự kiện phức hợp nhiều khi cần phải căn cứ vào cách nhìn nhận vấn đề. Chẳng hạn, nếu chỉ quan tâm đến việc có giáng thuỷ hay không thì các sự kiện “ngày mai có giáng thuỷ” và “ngày mai không có giáng thuỷ” có thể được xem là những sự kiện cơ sở.
Song, nếu xét thêm giáng thuỷ dạng nào - “lỏng” hay “rắn”, thì sự kiện “ngày mai có giáng thuỷ” là sự kiện phức hợp, nó có thể được chia thành các sự kiện cơ sở: “ngày mai có giáng thuỷ lỏng” - mưa, “ngày mai có giáng thuỷ rắn” - tuyết rơi chẳng hạn và “ngày mai có giáng thuỷ hỗn hợp cả lỏng và rắn” - mưa và tuyết rơi. Nếu còn xét đến lượng giáng thuỷ thì các sự kiện này sẽ trở thành những sự kiện phức hợp, ta có thể chia chúng thành những sự kiện nhỏ hơn, chẳng hạn giáng thuỷ trên 10mm và dưới 10mm, v.
