LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHÍ TƯỢNG NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU ĐỐI VỚI DỰ BÁO MƯA BẰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----***-----

VŨ THANH HẰNG

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ

HÓA ĐỐI LƯU ĐỐI VỚI DỰ BÁO MƯA

BẰNG MÔ HÌNH HRM Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHÍ TƯỢNG

Hà Nội – 2008

2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-----***-----

Vũ Thanh Hằng

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ

HÓA ĐỐI LƯU ĐỐI VỚI DỰ BÁO MƯA

BẰNG MÔ HÌNH HRM Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Khí tượng học

Mã số: 62.44.87.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHÍ TƯỢNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS. TSKH Kiều Thị Xin

Hà Nội - 2008

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố

trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả

Vũ Thanh Hằng

4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân trọng bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới PGS. TSKH Kiều Thị Xin,

Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người hướng dẫn khoa học đồng

thời là chủ nhiệm Đề tài Khoa học ĐTĐL 2002/02 đã giúp đỡ tôi rất nhiều cả về

mặt khoa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, hợp tác quốc tế

trong thời gian tôi thực hiện luận án.

Tôi cũng xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải

dương học, nơi tôi học tập, giảng dạy và nghiên cứu, đã tạo điều kiện về thời gian

cũng như tổ chức các buổi sinh hoạt khoa học để giúp đỡ tôi hoàn thiện luận án.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các nhà khoa học của Khoa Khí

tượng Thủy văn và Hải dương học cũng như các nhà khoa học thuộc Trung tâm Dự

báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn & Môi

trường, Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thủy văn, Trung tâm Khoa học Công nghệ

Khí tượng Thủy văn & Môi trường ... và đặc biệt là các nhà khoa học nước ngoài

của Tổng cục Thời tiết CHLB Đức và Đại học Tổng hợp Munich đã có những ý

kiến đóng góp, chỉ dẫn tận tình để tôi hoàn thành nghiên cứu của mình.

Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn tới bộ phận đào tạo Sau đại học của Trường Đại

học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tổ chức mọi hoạt động liên

quan đến việc học tập và nghiên cứu của tôi một cách tận tình, chu đáo.

Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự động viên giúp

đỡ chân thành của các đồng nghiệp, các bạn bè thân thiết. Tôi luôn ghi nhớ và biết

ơn sự động viên, giúp đỡ quý báu đó.

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới bố mẹ, những người thân

yêu trong gia đình tôi, đặc biệt là chồng và con tôi là những nguồn động viên tinh

thần quý giá để tôi hoàn thành luận án.

5

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa ....................................................................................... 1

Lời cam đoan ....................................................................................... 2

Lời cảm ơn ........................................................................................... 3

Mục lục ................................................................................................ 4

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .................................................. 6

Danh mục các bảng .............................................................................. 8

Danh mục các hình vẽ và đồ thị ........................................................... 10

MỞ ĐẦU ............................................................................................. 14

CHƯƠNG 1. VẤN ĐỀ THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU TRONG MÔ

HÌNH VÀ DỰ BÁO MƯA BẰNG MÔ HÌNH SỐ ...

18

1.1 Tổng quan về vấn đề tham số hóa đối lưu trong mô

hình dự báo số ............................................................

16

1.2 Về các sơ đồ tham số hóa đối lưu áp dụng trong mô

hình HRM ..................................................................

30

1.3 Về dự báo mưa bằng mô hình dự báo số trên thế giới

và ở Việt Nam ...............................................

54

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH DỰ BÁO THỜI TIẾT KHU VỰC

PHÂN GIẢI CAO HRM VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG

PHÁP ĐÁNH GIÁ DỰ BÁO MƯA CỦA MÔ

HÌNH .........................................................................

64

2.1 Mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao ........ 62

2.2 Về đánh giá dự báo mưa mô hình và xử lý số liệu

mưa ............................................................................

76

2.3 Một số điểm số thường sử dụng để đánh giá dự báo

mưa trong nghiệp vụ ..................................................

79

2.4 Phương pháp đánh giá dự báo mưa trong nghiên cứu 81

6

- thẩm định CRA ........................................................

2.5 Kiểm nghiệm độ ổn định thống kê của kết quả đánh

giá - phương pháp bootstrap ......................................

85

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ DỰ BÁO MƯA CỦA MÔ HÌNH HRM

VỚI CÁC SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU VÀ

ĐÁNH GIÁ ................................................................

91

3.1 Kết quả dự báo mưa của một số trường hợp điển

hình ............................................................................

91

3.2 Kết quả đánh giá thống kê trên các đợt mưa lớn từ

năm 2003 đến năm 2005 ............................................

102

3.3 Kết quả đánh giá thống kê cho các tháng từ năm

2003 đến năm 2005 ....................................................

112

3.4 Kết quả đánh giá sử dụng phương pháp CRA (thẩm

định CRA) ..................................................................

127

3.5 Kiểm nghiệm độ ổn định thống kê của các kết quả

đánh giá bằng sử dụng phương pháp bootstrap .........

134

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 137

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ......................................................................

140

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 141

7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ATNĐ Áp thấp nhiệt đới

BMJ sơ đồ Betts-Miller-Janjic

CAPE Thế năng đối lưu khả năng

Convective Available Potential Energy

CS Cộng sự

DFI Ban đầu hóa lọc số

Digital Filter Initialization

DWD Tổng cục Thời tiết CHLB Đức

Deutscher WetterDienst

ECMWF Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu

European Center for Medium-range Weather Forecast

EF Dự báo tổ hợp

Ensemble Forecast

ET sơ đồ Tiedtke cải tiến

GATE Thực nghiệm nhiệt đới toàn cầu Đại Tây Dương

Global Atlantic Tropical Experiments

GME Mô hình toàn cầu của CHLB Đức

Global Model for Europe

HRM Mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao

High resolution Regional Model

HS sơ đồ Heise

HSTQ Hệ số tương quan

INMI Ban đầu hóa mode chuẩn ẩn phi tuyến

Implicit Nonlinear Mode Initialization

ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới

Inter-Tropical Convergence Zone

KKL Không khí lạnh

KHCN Khoa học Công nghệ

8

KHTN Khoa học Tự nhiên

LFS Mực giáng tự do

Level of Free Sinking

MAE Sai số tuyệt đối trung bình

Mean Absolute Error

ME Sai số trung bình

Mean Error

MSE Sai số bình phương trung bình

Mean Square Error

NCEP Trung tâm nghiên cứu dự báo môi trường Mỹ

National Center for Environmental Prediction

QPF Dự báo mưa định lượng

Quantitative Precipitation Forecast

RMSE Sai số bình phương trung bình quân phương

Root Mean Square Error

RUBC Điều kiện biên trên bức xạ

Radiative Upper Boundary Condition

SW Gió mùa tây nam

South-West monsoon

TK sơ đồ Tiedtke

TSHĐL Tham số hóa đối lưu

TTDBKTTVTW Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương

WMO Tổ chức Khí tượng Thế giới

World Meteorological Organization

XTNĐ Xoáy thuận nhiệt đới

9

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Mô tả các cách tiếp cận TSHĐL trong các mô hình qui

mô vừa (Molinari và Dudek, 1992)

20

Bảng 3.1 Sai số ME, MAE, RMSE (mm/ngày) của đợt mưa 25-

27/8/2003

93

Bảng 3.2 Tổng lượng mưa đo 24h (mm/ngày) tại một số trạm điển

hình và lượng mưa dự báo tương ứng bằng các sơ đồ

TSHĐL của đợt mưa 25-27/08/2003

94

Bảng 3.3 Sai số ME, MAE, RMSE (mm/ngày) của đợt mưa 24-

25/9/2003

96

Bảng 3.4 Tổng lượng mưa đo 24h (mm/ngày) tại một số trạm điển

hình và lượng mưa dự báo tương ứng bằng các sơ đồ

TSHĐL, đợt mưa 24-25/09/2003

97

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp các hình thế gây mưa lớn từ năm 2003

đến năm 2005

103

Bảng 3.6 Điểm số ME, MAE, và RMSE (mm/ngày) của H14-31

với bốn sơ đồ TSHĐL trong các hình thế gây mưa lớn

109

Bảng 3.7 Điểm số ME, MAE, RMSE (mm/ngày) của H14-31 với

bốn sơ đồ TSHĐL tương ứng với các khu vực và toàn

Việt Nam

125

Bảng 3.8 Điểm số trung bình của thẩm định CRA đối với mưa lớn

khu vực Đông Bắc của ba tháng 6, 7, 8 năm 2004 với

bốn sơ đồ TSHĐL. Giá trị trong Bảng là giá trị trung

bình theo số lượng CRA (trong ngoặc đơn của cột thứ

hai)

130

Bảng 3.9 Điểm số trung bình của thẩm định CRA đối với mưa lớn

khu vực Đông Bắc của các tháng từ năm 2003 đến năm

2005 với ba sơ đồ TSHĐL. Giá trị trong Bảng là giá trị

132

10

trung bình theo số lượng CRA (trong ngoặc đơn của cột

thứ hai)

Bảng 3.10 Trung bình của sai số phần trăm từ thẩm định CRA và

độ biến động của dự báo từ mô hình LAPS cho bốn

vùng mưa của Úc (Ebert, 2000)

134

11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1 Các dạng hàm được đề xuất để TSHĐL trong các mô

hình qui mô vừa khu vực là một hàm của khoảng cách

lưới. Qui mô dưới 10km có dạng loga và trên 10km có

dạng tuyến tính. Dấu “?” cho thấy sự thiếu hụt nghiệm

một cách rõ ràng và các dấu “...” biểu diễn khu vực

chuyển tiếp giữa các cách tiếp cận. Giả thiết rằng mô

hình bao phủ một diện tích đủ lớn để cách tiếp cận phải

mô phỏng được các hiệu ứng đối lưu trên một khoảng

các chế độ nhiệt động lực và ổn định quán tính

(Molinari và Dudek, 1992)

22

Hình 1.2 Mô hình mây đối lưu nông (Tiedtke, 1989) 35

Hình 1.3 Mô hình mây đối lưu sâu (Tiedtke, 1989) 35

Hình 2.1 Miền dự báo lớn (L) và độ cao địa hình (m) bao giữa

5o

S-35o

N, 80o

E-130o

E của H28-20/L (K. T. Xin, 2005)

73

Hình 2.2 Miền dự báo nhỏ (S) và độ cao địa hình (m) bao giữa

7o

N-27o

N, 97o

E-117o

E của H28-20/S (K. T. Xin, 2005)

74

Hình 2.3 Miền dự báo nhỏ (S) và độ cao địa hình (m) bao giữa

7,125o

N-27,125o

N, 97,25o

E-117,25o

E của H14-31/S (K.

T. Xin, 2005)

76

Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn qui trình đánh giá (Damrath, 2002) 77

Hình 2.5 Phân bố trạm đo mưa. a) năm 2003 (296 trạm); b) năm

2004 (314 trạm); c) năm 2005 (344 trạm)

77

Hình 2.6 Phân bố trạm đo mưa tại các khu vực năm 2005. a) Bắc

Bộ (192 trạm); b) Trung Bộ (96 trạm); c) Nam Bộ (56

trạm)

78

Hình 2.7 Sơ đồ quy trình bootstrap ước lượng sai số chuẩn của

một đại lượng thống kê s(x) (Efron B. & Tibshirani J.

88

12

R., 1993)

Hình 3.1 Trường đường dòng và trường mưa dự báo 24h, bắt đầu

00Z25082003, của bốn phiên bản: a) H14-31/TK; b)

H14-31/ET; c) H14-31/HS; d) H14-31/BMJ; e) Mưa

phân tích; g) Ảnh mây vệ tinh lúc 12Z25082003

92

Hình 3.2 Trường đường dòng và trường mưa dự báo 24h, bắt đầu

00Z24092003. a) H14-31/TK; b) H14-31/ET; c) H14-

31/HS; d) H14-31/BMJ; e) Mưa phân tích; g) Ảnh mây

vệ tinh lúc 06Z24092003

95

Hình 3.3 Dự báo mưa 48h của H14-31, bắt đầu lúc 00Z13082006

với hai sơ đồ đối lưu: a) H14-31/TK; b) H14-31/BMJ;

c) trường thám sát

98

Hình 3.4 Tương tự như Hình 3.3, bắt đầu lúc 00Z15082006 99

Hình 3.5 Toán đồ tụ điểm biểu diễn quan hệ giữa mưa thám sát

(trục hoành) và mưa dự báo (trục tung) của bốn phiên

bản: hình vuông, đỏ (H14-31/TK), hình tam giác, xanh

lá cây (H14-31/ET), hình tròn, vàng (H14-31/HS), hình

tròn, xanh lam (H14-31/BMJ) và đường chéo (đường lý

tưởng) cho tháng 7/2005. a) Toàn Việt Nam, b) Bắc Bộ,

c) Trung Bộ và d) Nam Bộ

101

Hình 3.6 Điểm số FBI của H14-31 với 4 sơ đồ TSHĐL tính cho

các đợt mưa lớn. a) do KKL; b) do ITCZ; c) do SW; d)

do ATNĐ-bão

104

Hình 3.7 Tương tự như Hình 3.6, điểm số TS 106

Hình 3.8 Tương tự như Hình 3.6, điểm số POD 106

Hình 3.9 Tương tự như Hình 3.6, điểm số TSS 107

Hình 3.10 Tương tự như Hình 3.6, điểm số HSS 108

Hình 3.11 Hệ số tương quan trong các hình thế mưa lớn và trung

bình của H14-31 với bốn sơ đồ tham số hóa đối lưu

110

13

Hình 3.12 Điểm số FBI trung bình theo không gian-thời gian của

H14-31. a) tháng 6-8; b) tháng 9-12

112

Hình 3.13 Điểm số FBI trung bình theo không gian-thời gian trên

lục địa Úc của các mô hình nước ngoài (McBride và

Ebert, 2000). a) mùa hè (tháng 12-2); b) mùa đông

(tháng 6-8)

113

Hình 3.14 Tương tự như Hình 3.12, điểm số TS 114

Hình 3.15 Tương tự như Hình 3.12, điểm số POD 114

Hình 3.16 Tương tự như Hình 3.13, điểm số POD (McBride và

Ebert, 2000)

115

Hình 3.17 Tương tự như Hình 3.12, điểm số TSS 115

Hình 3.18 Tương tự như Hình 3.13, điểm số TSS (McBride và

Ebert, 2000)

116

Hình 3.19 Tương tự như Hình 3.12, điểm số HSS 116

Hình 3.20 Hệ số tương quan tháng 6-8 và tháng 9-12 của H14-31

với bốn sơ đồ tham số hóa đối lưu

117

Hình 3.21 Điểm số FBI trung bình không gian-thời gian cho các

tháng từ năm 2003-2005: a) Bắc Bộ; b) Trung Bộ; c)

Nam Bộ; d) Việt Nam

119

Hình 3.22 Tương tự như Hình 3.21, điểm số TS 121

Hình 3.23 Tương tự như Hình 3.21, điểm số POD 121

Hình 3.24 Phân bố điểm số POD theo không gian cho các tháng từ

năm 2003-2005, ngưỡng mưa >20mm/ngày. a) H14-

31/TK; b) H14-31/ET; c) H14-31/HS; d) H14-31/BMJ

122

Hình 3.25 Tương tự như Hình 3.24, ngưỡng mưa >50mm/ngày 122

Hình 3.26 Tương tự như Hình 3.21, điểm số TSS 123

Hình 3.27 Tương tự như Hình 3.21, điểm số HSS 124

Hình 3.28 Tương tự như Hình 3.24, điểm số ME 125

Hình 3.29 Hệ số tương quan theo các khu vực và toàn Việt Nam 126

14

của H14-31 với bốn sơ đồ tham số hóa đối lưu

Hình 3.30 Phân bố không gian của HSTQ trung bình các tháng từ

năm 2003 – 2005. a) H14-31/TK; b) H14-31/ET; c)

H14-31/HS; d) H14-31/BMJ

126

Hình 3.31 Kết quả thẩm định CRA cho dự báo mưa tích lũy 24h,

bắt đầu từ 00Z19072004 với ngưỡng mưa ≥ 10mm/ngày

(a) H14-31/TK; (b) H14-31/ET; (c) H14-31/HS; (d)

H14-31/BMJ

128

Hình 3.32 Giá trị trung bình và +/- độ lệch chuẩn của điểm số FBI

với bốn phiên bản ứng với các ngưỡng mưa: a) 5mm; b)

20mm; c) 50mm/ngày

135

Hình 3.33 Tương tự như Hình 3.32, điểm số TS 135

Hình 3.34 Tương tự như Hình 3.32, điểm số POD 135

Hình 3.35 Tương tự như Hình 3.32, điểm số TSS 135

Hình 3.36 Tương tự như Hình 3.32, điểm số HSS 136

15

MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Mưa là một yếu tố thời tiết quan trọng và ảnh hưởng rất lớn tới đời sống kinh

tế xã hội. Mưa là kết cục của sự hòa hợp nhiệt động giữa ba yếu tố quan trọng nhất

là gió, nhiệt và ẩm nên biến động rất mạnh theo không gian và thời gian. Như vậy,

một mô hình muốn dự báo tốt mưa cần đồng thời dự báo tốt cả ba yếu tố này và

ngược lại nếu mô hình dự báo mưa tốt đồng nghĩa với mô hình đã dự báo tốt gió

nhiệt và ẩm. Hiện nay, trên thế giới mô hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao

có thể nói đã phát triển khá hoàn thiện cho vùng ngoại nhiệt đới, tuy vậy dự báo

mưa mô hình ở đây vẫn còn nhiều hạn chế bởi lẽ một biến đổi nhỏ của một trong ba

yếu tố trên cũng có thể dẫn đến biến đổi mạnh của mưa cả về không gian và thời

gian.

Đối với vùng nhiệt đới-xích đạo, vấn đề dự báo thời tiết nói chung và dự báo

mưa nói riêng bằng mô hình số càng phức tạp hơn so với ngoại nhiệt đới. Sự phức

tạp trước hết vì chưa có lý thuyết cho một quan hệ giữa trường khối lượng và

trường gió ở những vĩ độ rất thấp (kiểu như quan hệ địa chuyển cho vĩ độ cao) nên

không tạo ra được sự cân bằng tốt trong trạng thái ban đầu và do đó sự điều chỉnh

thường chỉ theo chiều thẳng đứng, trong khi gió vùng nhiệt đới rất yếu nên một sai

số tuyệt đối nhỏ trong tính toán trường gió sẽ tác động đến sự phân bố đốt nóng đối

lưu và do đó có thể dẫn tới sai số tương đối kết cục lớn trong dự báo mưa… Khó

khăn thứ hai không kém phần quan trọng là mưa nhiệt đới sinh ra chủ yếu bởi đối

lưu sâu mà trong một mô hình số thuỷ tĩnh với độ phân giải còn rất hạn chế thì đối

lưu lại được tham số hóa trong khi hiện nay con người hiểu biết còn chưa đầy đủ về

quá trình hình thành và phát triển của nó. Ở vùng nhiệt đới, việc xác định đúng phân

bố ẩm là nguồn gốc của mưa còn vô cùng phức tạp do thám sát quá nghèo nàn sẽ

tác động rất lớn đến chất lượng mưa mô hình. Từ những đặc điểm trên ta thấy, trước

khi muốn áp dụng một mô hình số có nguồn gốc từ vùng vĩ độ cao vào vùng nhiệt

đới trước hết cần cải tiến mô hình, còn gọi là khu vực hóa mô hình về động lực để