Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão

BTNMT

TTKTTVQG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA

Số 4 Đặng Thái Thân - Quận Hoàn Kiếm - Hà Nội

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

BÁO CÁO

TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỰ BÁO TỔ HỢP CHO

MỘT SỐ TRƯỜNG DỰ BÁO BÃO

Chủ nhiệm: ThS. Võ Văn Hòa

6917

04/7/2008

HÀ NỘI, 5-2008

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THUỶ VĂN QUỐC GIA

Số 4 Đặng Thái Thân - Quận Hoàn Kiếm - Hà Nội

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

BÁO CÁO

TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỰ BÁO TỔ HỢP CHO MỘT SỐ

TRƯỜNG DỰ BÁO BÃO

Chỉ số đăng ký :

Chỉ số phân loại :

Chỉ số lưu trữ :

Cộng tác viên chính

Th.S Nguyễn Chi Mai Th.S Đỗ Lệ Thủy

NCS Lê Đức Th.S Nguyễn Đăng Quang

CN Vũ Duy Tiến CN Nguyễn Thu Hằng

TS Đỗ Ngọc Thắng CN Nguyễn Thị Anh Đào

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2008 Hà Nội, ngày … tháng … năm 2008

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI CƠ QUAN THỰC HIỆN CƠ QUAN CHỦ TRÌ

Võ Văn Hòa Bùi Minh Tăng Trần Văn Sáp

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2008 Hà Nội, ngày … tháng … năm 2008

HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ CHÍNH THỨC CƠ QUAN QUẢN LÝ ĐỀ TÀI

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TL. BỘ TRƯỞNG

KT. VỤ TRƯỞNG

VỤ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

PHÓ VỤ TRƯỞNG

TS. Nguyễn Lê Tâm Nguyễn Lê Tâm

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão i

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AVN Mô hình toàn cầu của Mỹ

(AViatioN Global Model)

AT Sai số dọc theo phương chuyển động

(Along Track error)

BGM Nuôi các mode đang phát triển

(Breeding of Growing Modes)

BK Trung tâm dự báo bão Bắc Kinh của Trung Quốc

BoM Cơ quan khí tượng Australia

(Bureau of Meteorology)

BS Điểm số Brier

(Brier Score)

BSS Điểm số kỹ năng Brier

(Brier Skill Score)

CAPS Trung tâm phân tích và dự báo bão

(Center for the Analysis and Prediction of Storms)

CEM Trung bình tổ hợp theo nhóm

(Cluster Ensemble Mean)

CLIPER Mô hình thống kê quán tính

(CLIper and PERsistence model)

CMC Cơ quan khí tượng Canada

(Canadian Meteorological Centre)

CRPS Điểm số xác suất hạng liên tục

(Continuous Ranked Probability Score)

CT Sai số dọc theo phương pháp tuyến so với hướng chuyển động

(Cross Track error)

DPE Sai số dự báo khoảng cách tâm bão

(Direct Positional Error)

DWD Tổng cục thời tiết Cộng hoà Liên bang Đức

(Deutscher WetterDienst)

ECMWF Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu

(European Center for Medium-range Weather Forecasts)

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão ii

EF Dự báo tổ hợp

(Ensemble Forecast)

EMOS Thống kê sau mô hình tổ hợp

(Ensemble-Model Output Statistics)

EOF Phân tích hàm trực giao thực nghiệm

(Empircal Orthogonal Function)

EPS Hệ thống dự báo tổ hợp

(Ensemble Prediction System)

GA Trung tâm dự báo bão Guam của Mỹ

GEMPAK Gói phần mềm khí tượng

(GEneral Meteorological PAcKage)

GFDL Thư viện động lực học chất lỏng địa vật lý

(Geophysical Fluid Dynamics Laboratory)

GFS Hệ thống dự báo toàn cầu của Mỹ

(Global Forecasting System)

GME Mô hình toàn cầu của CHLB Đức

(Global Model for Europe)

GSM Mô hình phổ toàn cầu của JMA

(Global Spectral Model)

IGN Điểm số IGN

(IGNorance Score)

IPER Gây nhiễu tâm xoáy ban đầu

(Initial Vortex Center PERturbation)

JMA Cơ quan khí tượng Nhật bản

(Japan Meteorological Agency)

JP Trung tâm dự báo bão của Nhật Bản

KILOEF Dự báo tổ hợp hàng nghìn thành phần

(KILO-members Ensemble Forecast)

LAF Dự báo trung bình trễ

(Lagged Average Forecast)

LDM Hệ quản trị dữ liệu cục bộ

(Local Data Management)

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão iii

MAE Sai số tuyệt đối trung bình

(Mean Absolute Error)

MCF Dự báo Monte-Carlo

(Monte-Carlo Forecast)

ME Sai số trung bình

(Mean Error)

NAWIPS Hệ thống tương tác hỗ trợ dự báo viên

(National Advanced Weather Interactive Processing System)

NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ

(National Centers for Environmental Prediction)

NGR Hồi quy Gauss không thuần nhất

(Nonhomogeneous Gaussian Regression)

NGR_EMOS Hồi quy Gauss không thuần nhất dựa trên MOS tổ hợp

NGR_EMOSP Hồi quy Gauss không thuần nhất dựa trên MOS tổ hợp nhưng

có loại bỏ các trọng số âm

NOAA Cơ quan đại dương và khí quyển Mỹ

(National Oceanic and Atmospheric Administration)

NWP Dự báo thời tiết số trị

(Numerical Weather Prediction)

NWS Cơ quan thời tiết quốc gia Mỹ

(National Weather Service)

PMA Giả thiết mô hình hoàn hảo

(Perfect Model Assumption)

PO Quan trắc bị gây nhiễu

(Perturbed Observation)

SE Dự báo siêu tổ hợp

(Super Ensemble Forecast)

SEM Trung bình tổ hợp có chọn lọc

(Selected Ensemble Mean)

SD Độ lệch chuẩn

(Stardard Deviation)

SP Độ tán của dự báo tổ hợp

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão iv

(SPread)

SREF Dự báo tổ hợp hạn ngắn

(Short Range Ensemble Forecast)

SRFD Sự khác biệt trong dự báo hạn ngắn giữa các dự báo thành phần

(Short Range Forecast Differences)

SV Vectơ kỳ dị

(Singular Vector)

RPS Điểm số xác suất hạng

(Ranked Probability Score)

RSM Mô hình phổ khu vực

(Regional Spectral Model)

RSS Điểm kỹ năng dự báo tương đối

(Relative Skill Score)

UKMO Cơ quan khí tượng Anh

(United Kingdom Meteorological Office)

UM Mô hình toàn cầu của UKMO

(Unified Model)

TLAPS Hệ thống dự báo cho khu vực nhiệt đới

(Tropical Limited Area Prediction System)

TBĐG Dự báo tổ hợp Trung Bình Đơn Giản

TTDBTƯ Trung Tâm Dự Báo Khí Tượng Thủy Văn Trung Ương

XTNĐ Xoáy Thuận Nhiệt Đới

WBAR Mô hình chính áp của Weber

(Weber's BARotropic Model)

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão v

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TT

Số thứ

tự bảng

Nội dung Trang

1 2.2.1 Giá trị ME của các biến dự báo tại mực 850, 500mb với

hạn dự báo 24, 48 giờ từ 5 mô hình GFS, GME, GSM,

TLAPS, UM và trung bình tổ hợp.

45

2 2.2.2 Giá trị RMSE của các biến dự báo tại mực 850, 500mb với

hạn dự báo 24, 48 giờ từ 5 mô hình GFS, GME, GSM,

TLAPS, UM và trung bình tổ hợp

46

3 2.2.3 Giá trị RMSE của các biến dự báo tại mực 850, 500mb với

hạn dự báo 24, 48 giờ từ 5 mô hình GFS, GME, GSM,

TLAPS, UM đã được khử bias theo phương pháp hồi quy

tuyến tính và trung bình tổ hợp

51

4 2.2.4 Giá trị RMSE của các biến dự báo tại mực 850, 500mb với

hạn 24 và 48h từ 4 phương pháp EM_BCLR, EM_BCMA,

WM_BCLR và WM_BCMA

53

5 2.2.5 Giá trị RMSE của các biến dự báo tại mực 850, 500mb với

hạn 24 và 48h từ 5 phương pháp EM_BCMA, EM_NGR,

EM_EMOS, EM_EMOSP và SE

56

6 2.3.1 Giá trị 66.67% độ phủ của các biến dự báo tại mực 850,

500mb với hạn dự báo 24, 48 giờ từ 6 hệ tổ hợp

69

7 2.3.2 Điểm số CRPS của các biến dự báo tại mực 850, 500mb

với hạn dự báo 24, 48 giờ từ 4 hệ tổ hợp BCMA, BCLR,

NGR và NGR_EMOSP

70

8 2.3.3 Giá trị 66.67% độ rộng phân bố trung bình của các biến dự

báo tại mực 850, 500mb với hạn 24, 48h từ hệ tổ hợp

BCMA, BCLR, NGR và NGR_EMOSP

71

9 3.1.1 Danh sách các cơn bão từ năm 2001-2006 được sử dụng

trong nghiên cứu dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên các

kết qủa dự báo của 3 trung tâm quốc tế là Nhật, Bắc Kinh

và Guam (STH là số trường hợp)

76

10 3.1.2 Mô tả 4 thử nghiệm phát sinh dự báo tổ hợp quỹ đạo bão

từ kết qủa dự báo của 3 trung tâm quốc tế dựa trên phương

pháp hồi quy tuyến tính

77

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão vi

11 3.1.3 Tổng số cơn bão và số trường hợp tương ứng trong tập số

liệu phụ thuộc cho các hạn dự báo +24h và +48h đối với 4

thử nghiệm dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp hồi quy

tuyến tính

77

12 3.1.4 Bộ hệ số hồi quy cho 4 phương án thử nghiệm dự báo tổ

hợp qũy đạo bão dựa trên các sản phẩm dự báo của các

trung tâm quốc tế

79

13 3.2.1 Danh sách các cơn bão từ năm 2002-2006 được sử dụng

trong các thử nghiệm dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên

mô hình WBAR

88

14 3.2.2 Mô tả 6 phương án tạo tập hợp trường ban đầu cho mô

hình WBAR

90

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

TT

Số thứ

tự hình

Nội dung Trang

1 1.1.1 Dự báo độ cao địa thế vị hạn 48 giờ cho ngày 00Z￾18/05/2006 từ các mô hình GFS, GME, GSM, TLAPS,

UM và trường phân tích tương ứng

6

2 1.2.1 Dự báo Monte Carlo với những điều kiện ban đầu được lấy

mẫu ngẫu nhiên từ phân bố của trường ban đầu với trường

phân tích là giá trị trung bình (theo Wilks 1995). Đường

nét liền biểu diễn dự báo tất định từ trường phân tích.

8

3 1.2.2 Dự báo Monte Carlo so sánh với dự báo trung bình trễ

(Kalnay 2003). X là phân tích tại các khoảng thời gian τ,

và tf là thời điểm dự báo

10

4 1.2.3 Phương pháp BGM với chu kỳ nuôi 6 giờ 11

5 1.2.4 Phương pháp PO với chu kỳ 6 giờ 14

6 1.4.1 Các hàm mật độ xác suất dự báo nhiệt độ với độ nét (độ

nhọn) khác nhau

22

7 1.4.2 Biểu đồ hạng có phân bố đầu ứng với dự báo tổ hợp tin cậy 23

8 1.4.3 Các biểu đồ hạng cho thấy dự báo tổ hợp không tin cậy 24

9 1.4.4 Biểu đồ tin cậy cho dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp

BCMA

29

10 1.5.1 Bản đồ spaghetti cho đường 588dm dự báo 48h 31

11 1.5.2 Bản đồ trung bình và độ tán dự báo địa thế vị mực 850mb

hạn 48h

31

12 1.5.3 Bản đồ xác suất dự báo pmsl < 1002mb hạn 48 giờ 32

13 1.5.4 Bản đồ tem dự báo địa thế vị mực 850 mb hạn 48 giờ 32

14 1.6.1 Phân loại các phương pháp dự báo tổ hợp theo Weber

(2001)

34

15 2.1.1 Trường địa thế vị mực 850mb theo dự báo của GME khi

biểu diễn với độ phân giải 0.40

(trái) và 1.250

(phải)

40

16 2.1.2 Trường phân tích của độ cao địa thế vị mực 850mb từ 5

mô hình GFS, GME, GSM, TLAPS, UM và trung bình tổ

hợp

42

17 2.1.3 Sai số phân tích ME giữa các phân tích thành phần với

phân tích trung bình tổ hợp cho khí áp trung bình mực biển

43

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão viii

18 2.1.4 Sai số phân tích RMSE giữa các phân tích thành phần với

phân tích trung bình tổ hợp cho khí áp trung bình mực biển

43

19 2.1.5 Sai số phân tích ME giữa các phân tích thành phần với

phân tích trung bình tổ hợp cho trường nhiệt độ tại mực

500mb

44

20 2.1.6 Sai số phân tích RMSE giữa các phân tích thành phần với

phân tích trung bình tổ hợp cho trường nhiệt độ tại mực

500mb

44

21 2.2.1 Giản đồ tụ điểm dự báo độ cao địa thế vị mực 850mb hạn

72 giờ theo các mô hình thành phần và theo trung bình tổ

hợp

47

22 2.2.2 Giản đồ tụ điểm dự báo nhiệt độ mực 500mb hạn 72 giờ

theo các mô hình thành phần và theo trung bình tổ hợp

47

23 2.2.3 Độ cao địa thế vị mực 850mb theo phân tích và dự báo từ

mô hình TLAPS hạn 48 giờ vào thời điểm 00Z-30/07/2005

trước và sau khi khử bias theo phương pháp trung bình

trượt và hồi quy tuyến tính

49

24 2.2.4 Giản đồ tụ điểm dự báo độ cao địa thế vị mực 850mb hạn

48 giờ theo TLAPS, BCMA_TLAPS, BCLR_TLAPS,

UM, BCMA_UM, BCLR_UM

50

25 2.2.5 Độ cao địa thế vị mực 850mb dự báo từ các mô hình và

trung bình tổ hợp hạn 48 giờ vào thời điểm 00Z￾30/07/2005 sau khi khử bias theo BCLR

52

26 2.2.6 Dự báo 48h của trường H mực 850mb tại thời điểm 00Z￾30/07/2005 theo EM_BCLR (a), EM_BCMA (b),

WM_BCLR (c) và WM_BCMA (d)

54

27 2.2.7 Dự báo 48h của biến H mực 850mb tại thời điểm 00Z￾30/07/2005 theo EM_NGR (a), EM_EMOS (b),

EM_EMOSP (c) và SE (d)

57

28 2.3.1 Biểu đồ hạng dự báo 24 giờ cho tất cả các biến trên các

mực 850 và 500mb từ hệ tổ hợp RAW (thứ tự từ trái qua

phải, từ trên xuống dưới lần lượt là pmsl, h850, h500,

u850, u500, v850, v500, t850, t500, q850, q500)

59

29 2.3.2 Tương tự như 2.3.1 nhưng cho hạn dự báo 48h 60

30 2.3.3 Biểu đồ tin cậy từ hệ tổ hợp RAW dự báo áp suất mực biển

hạn 24 (bên trái) và 48 giờ (bên phải) với ngưỡng 1001mb

60

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão ix

31 2.3.4 Tương tự hình 2.3.1 nhưng cho hệ tổ hợp BCMA 61

32 2.3.5 Tương tự hình 2.3.2 nhưng cho hệ tổ hợp BCMA 62

33 2.3.6 Tương tự hình 2.3.3 nhưng cho hệ tổ hợp đã hiệu chỉnh sai

số hệ thống dựa trên phương pháp BCMA

62

34 2.3.7 Tương tự hình 2.3.1 nhưng cho hệ tổ hợp BCLR 63

35 2.3.8 Tương tự hình 2.3.2 nhưng cho hệ tổ hợp BCLR 64

36 2.3.9 Tương tự hình 2.3.3 nhưng cho hệ tổ hợp đã hiệu chỉnh sai

số hệ thống dựa trên phương pháp BCLR

64

37 2.3.10 Tương tự hình 2.3.1 nhưng cho hệ tổ hợp NGR 65

38 2.3.11 Tương tự hình 2.3.2 nhưng cho hệ tổ hợp NGR 65

39 2.3.12 Tương tự hình 2.3.3 nhưng cho hệ tổ hợp NGR 66

40 2.3.13 Tương tự hình 2.3.1 nhưng cho hệ tổ hợp NGR_EMOSP 67

41 2.3.14 Tương tự hình 2.3.2 nhưng cho hệ tổ hợp NGR_EMOSP 67

42 2.3.15 Tương tự hình 2.3.3 nhưng cho hệ tổ hợp NGR_EMOSP 68

43 2.3.16 Dự báo độ cao địa thế vị mực 850mb theo các phân vị 5%

và 95% của hàm phân bố xác suất dự báo theo hệ tổ hợp

NGR

72

44 3.1.1 Sơ đồ minh họa các thành phần sai số dự báo quỹ đạo bão

(ký hiệu OB là quan trắc và FC là dự báo)

78

45 3.1.2 Kết qủa đánh giá DPE và SD trung bình cho bộ số liệu phụ

thuộc của phương án Reg2y (a), Reg3y (b), Reg4y (c) và

Reg5y (d)

80

46 3.1.3 Các biểu đồ phân tán minh họa mối quan hệ giữa DPE và

SP của EF dựa trên phương án hồi quy tuyến tính Reg2y

(a), Reg3y (b), Reg4y (c) và Reg5y (d) cho tập số liệu phụ

thuộc. Trục hoành là giá trị DPE và trục tung là giá trị SP

81

47 3.1.4 Các biểu đồ phân tán minh họa mối quan hệ giữa DPE và

SP của EF dựa trên phương án TBĐG cho tập số liệu 2

năm (a), 3 năm (b), 4 năm (c) và 5 năm (d). Trục hoành là

giá trị DPE và trục tung là giá trị SP

81

48 3.1.5 Kết qủa so sánh DPE và SD cho 5 phương án thử nghiệm

dự báo tổ hợp với các dự báo thành phần và mô hình

CLIPER cho tập số liệu độc lập

82

49 3.1.6 Tương tự hình 3.1.3 nhưng cho tập số liệu độc lập 83

50 3.1.7 Mối quan hệ giữa độ tán (SP) và sai số dự báo vị trí tâm

bão (DPE) của phương án TBĐG cho tập số liệu độc lập

83

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão x

51 3.1.8 Kết qủa đánh giá sai số AT (bên trái) và CT (bên phải) của

phương án Reg2Y cho các cơn bão năm 2006 và trung

bình cả mùa bão (ký hiệu TB-2006)

85

52 3.1.9 Tương tự hình 3.1.8 nhưng cho phương án Reg3Y 85

53 3.1.10 Tương tự hình 3.1.8 nhưng cho phương án Reg4Y 88

54 3.1.11 Tương tự hình 3.1.8 nhưng cho phương án Reg5Y 85

55 3.1.12 Tương tự hình 3.1.8 nhưng cho phương án TBĐG 86

56 3.1.13 Quỹ đạo quan trắc và dự báo của JP, BK, GA và TBĐG

(ký hiệu AV) cho bão CHANCHU tại thời điểm 00Z

13/05/2006 (a) và 00Z 14/05/2006 (b)

86

57 3.1.14 Tương tự hình 3.1.13 nhưng cho bão XANGSANE tại thời

điểm 12Z 28/29/2006 (a) và 00Z 29/29/2006 (b)

87

58 3.2.1 Kết qủa đánh giá và so sánh sai số DPE trung bình của 6

phương án EF dựa trên mô hình WBAR với dự báo đối

chứng tại hạn dự báo 12h, 24h, 36h và 48h cho mùa bão

2003 (a), 2004 (b), 2005 (c), 2006 (d) và cả 4 mùa bão (e)

92

59 3.2.2 Kết qủa đánh giá chỉ số kỹ năng dự báo RSS và tỷ lệ phần

trăm số trường hợp nghiên cứu có RSS > 0 của 6 phương

án nghiên cứu cho các năm 2003 (a), 2004 (b), 2005 (c),

2006 (d) và trung bình 4 mùa bão (e)

94

60 3.2.3 Kết quả đánh giá chỉ số RSS của 6 phương án dự báo tổ

hợp cho 136 trường hợp nghiên cứu của 16 cơn bão từ năm

2003-2006 đối với hạn dự báo 24h

95

61 3.2.4 Tương tự hình 3.2.3 nhưng cho hạn dự báo 48h 95

62 3.2.5 Kết qủa đánh giá các thành phần sai số AT và CT của 6

phương án nghiên cứu cho các năm 2003 (a), 2004 (b),

2005 (c), 2006 (d) và trung bình cho 4 mùa bão (e)

97

63 3.2.6 Kết qủa đánh giá và so sánh độ SP của 6 phương án dự báo

tổ hợp dựa trên mô hình WBAR cho mùa bão 2003 (a),

2004 (b), 2005 (c), 2006 (d) và cả 4 mùa bão (e).

99

64 3.2.7 Mối quan hệ giữa độ tán (SP) và sai số dự báo vị trí tâm

bão (DPE) của phương án STEERFLOW tại hạn dự báo

12h (a), 24h (b), 36h (c) và 48h (d)

99

65 3.2.10 Các bản đồ xác suất tích lũy 24h (a) và 48h (b) dự báo

đường đi của bão Damrey (0518) tại 00Z 23/09/2005

100

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão xi

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I

KHÁI QUÁT VỀ DỰ BÁO TỔ HỢP

4

1.1 Định nghĩa về dự báo tổ hợp 4

1.2 Phương pháp tạo các dự báo tổ hợp thành phần 7

1.2.1 Phương pháp Monte-Carlo 7

1.2.2 Phương pháp dự báo trung bình trễ 9

1.2.3 Phương pháp nuôi nhiễu động phát triển nhanh 10

1.2.4 Phương pháp sử dụng vector kỳ dị 12

1.2.5 Phương pháp nhiễu động số liệu quan trắc 13

1.2.6 Phương pháp đa hệ thống đa mô hình 14

1.3 Phương pháp tính toán dự báo tổ hợp 15

1.3.1 Dự báo tất định từ dự báo tổ hợp 15

1.3.1.1 Dự báo trung bình tổ hợp 16

1.3.1.2 Dự báo trung bình có trọng số 17

1.3.1.3 Dự báo median và dự báo mode 17

1.3.1.4 Dự báo siêu tổ hợp 18

1.3.2 Dự báo kỹ năng dự báo từ dự báo tổ hợp 18

1.3.3 Dự báo xác suất từ dự báo tổ hợp 20

1.4 Đánh giá dự báo tổ hợp 21

1.4.1 Biểu đồ hạng 23

1.4.2 Điểm số Brier 24

1.4.3 Điểm số xác suất hạng RPS 26

1.4.4 Điểm số xác suất hạng liên tục CRPS 27

1.4.5 Điểm số IGN 28

1.4.6 Biểu đồ tin cậy 28

1.5 Hiển thị các sản phẩm dự báo tổ hợp 30

1.5.1 Bản đồ spaghetti 30

1.5.2 Bản đồ trung bình và độ tán 31

1.5.3 Bản đồ dự báo xác suất 31

1.5.4 Bản đồ tem 32

1.6 Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp bão tại Việt Nam 32

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão xii

CHƯƠNG II

XÂY DỰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP

CHO MỘT SỐ TRƯỜNG DỰ BÁO BÃO

37

2.1 Khái quát về các mô hình dự báo thành phần và các phương

pháp tiền xử lý tập số liệu

38

2.2 Dự báo tất định 44

2.2.1 Dự báo trung bình tổ hợp 44

2.2.2 Dự báo trung bình tổ hợp có hiệu chỉnh sai số hệ thống 48

2.2.3 Dự báo trung bình tổ hợp có trọng số 52

2.2.4 Dự báo siêu tổ hợp và dự báo tổ hợp từ dự báo xác suất 55

2.3 Dự báo xác suất 58

2.3.1 Dự báo xác suất từ hệ tổ hợp RAW 59

2.3.2 Dự báo xác suất từ hệ tổ hợp có hiệu chỉnh sai số hệ thống 61

2.3.3 Dự báo xác suất dựa trên phương pháp NGR 64

CHƯƠNG III

XÂY DỰNG HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP

QŨY ĐẠO BÃO

74

3.1 Dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên các kết qủa dự báo của

các trung tâm dự báo bão quốc tế

74

3.1.1 Mô tả tập số liệu nghiên cứu 75

3.1.2 Tính toán dự báo tổ hợp và phương pháp đánh giá 77

3.1.3 Một số kết qủa nghiên cứu và đánh giá 79

3.2 Dự báo tổ hợp quỹ đạo bão dựa trên phương pháp nhiễu

động trường ban đầu cho mô hình chính áp WBAR

87

3.2.1 Mô tả tập số liệu nghiên cứu và phương pháp phát sinh dự báo

tổ hợp qũy đạo bão

88

3.2.2 Tính toán dự báo tổ hợp và phương pháp đánh giá 91

3.2.3 Một số kết qủa nghiên cứu và đánh giá 91

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 118

I Quỹ đạo quan trắc của các cơn bão từ năm 2001-2006 118

II Khái quát về mô hình chính áp WBAR 120

III Dự báo xác suất dựa trên phương pháp NGR 129

Trung Tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV Quốc Gia

Nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp cho một số trường dự báo bão 1

MỞ ĐẦU

Nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và các mô hình dự báo thời

tiết số trị trong những năm gần đây, dự báo tổ hợp đã và đang trở nên rất phổ biến ở

các trung tâm dự báo khí tượng lớn trên thế giới, nơi có tiềm năng mô hình và máy

tính lớn. Bản chất của dự báo tổ hợp là sử dụng kết quả từ nhiều dự báo thành phần

khác nhau để đưa ra một kết quả dự báo tối ưu nhất. Tuy nhiên, phương pháp cụ thể

để tạo ra các thành phần dự báo và cách tổng hợp kết quả của chúng lại có thể rất

khác nhau. Tuy mới chỉ được ứng dụng mạnh mẽ vào những năm gần đây do được

thừa hưởng thành quả của cuộc cách mạng công nghệ thông tin trên thế giới, dự báo

tổ hợp đã có một quá trình phát triển tương đối lâu dài kể từ những công trình đầu

tiên của Lorenz (1963, 1965) đề cập đến tầm quan trọng của của điều kiện ban đầu

đối với kết quả tích phân của các mô hình. Cho đến nay, dự báo tổ hợp đã được phát

triển và ứng dụng tương đối đa dạng tại nhiều nơi và cho các mục đích khác nhau và

được đánh giá là lĩnh vực có tốc độ thay đổi nhanh nhất trong nghiên cứu khí tượng.

Ở một số các trung tâm dự báo khí tượng lớn trên thế giới, hệ thống dự báo tổ

hợp nghiệp vụ đã được đưa vào hoạt động từ đầu những năm 90. Tại Mỹ, hệ thống

dự báo tổ hợp nghiệp vụ đầu tiên được sử dụng từ năm 1992 dựa trên phương pháp

nuôi nhiễu động phát triển nhanh để tạo tập hợp các trường ban đầu khác nhau cho

mô hình toàn cầu có cấu hình T126, 28 mực và có hạn dự báo tới 180 giờ. Bên cạnh

đó, hệ thống dự báo tổ hợp hạn ngắn sử dụng mô hình ETA với 15 thành phần

tương ứng với 3 phiên bản vật lý khác nhau cũng được thử nghiệm. Tại Trung tâm

dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF), dự báo tổ hợp bắt đầu đưa vào nghiệp vụ từ

năm 1992 bằng việc sử dụng phương pháp tách vector kỳ dị để tạo nhiễu động ban

đầu. Hệ thống dự báo tổ hợp này hiện nay có tới 51 dự báo thành phần, thực hiện dự

báo hàng ngày và cung cấp kết quả cho các nước trong Cộng đồng Châu Âu là

thành viên của ECMWF. Gần đây, các Trung tâm Khí tượng khác như Nhật Bản

(JMA), Hàn Quốc (KMA) cũng đã có hệ thống dự báo tổ hợp cho các mô hình toàn

cầu và sử dụng phương pháp nuôi nhiễu động như của Mỹ.

Như vậy, phần lớn các hệ thống dự báo tổ hợp nghiệp vụ trên thế giới đều dựa

trên phương pháp tạo nhiễu động ban đầu và tích phân mô hình số trị với các trường

ban đầu đó để tạo nên tổ hợp dự báo. Các hệ thống này phần lớn đều phục vụ cho

dự báo hạn vừa và hạn dài. Đối với dự báo hạn ngắn, hiện tại chỉ có hệ thống dự báo

của Mỹ với việc sử dụng kết hợp nhiễu động trường ban đầu và các phiên bản vật lý

khác nhau. Bên cạnh đó, đã có một số nghiên cứu dự báo tổ hợp với nhiều mô hình

lãnh thổ hạn chế cho thấy tính ưu việt của cách tiếp cận nhiều mô hình. Tuy nhiên,

các tác giả này cũng nhấn mạnh sự cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu thử nghiệm