THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI NHƯNG DAO ĐỘNG PHÁT TRIỂN NHANH CỦA MÔ HÌNH RAMS

LUẬN VĂN THẠC SỸ

THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ

ĐẠO BÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP

NUÔI NHƯNG DAO ĐỘNG PHÁT

TRIỂN NHANH CỦA MÔ HÌNH

RAMS

MỤC LỤC

CHƯƠNG I...................................................................................................................6

TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO TỔ HỢP...............................................6

1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................................................6

1.2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP..................................................................7

1.2.1. Hệ thống dự báo tổ hợp 1 chiều.......................................................................................... 7

1.2.2. Hệ thống dự báo tổ hợp 2 chiều.........................................................................................17

1.2.3. Hệ thống dự báo tổ hợp 3 chiều.........................................................................................19

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TỔ HỢP KẾT QUẢ DỰ BÁO....................................................21

1.3.1.Trung bình đơn giản.................................................................................................................21

1.3.2. Tính trọng số theo sai số .......................................................................................................22

1.3.3. Tính trọng số bằng hồi quy tuyến tính............................................................................22

1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIỂU DIỄN KẾT QUẢ TỔ HỢP. .............................................23

1.4.1. Bản đồ trung bình và độ phân tán.....................................................................................23

1.4.2. Spagheti maps - Bản đồ ghép chồng................................................................................24

1.4.3. Dự báo đường đi của bão......................................................................................................24

1.5. KHẢ NĂNG VÀ HIỆN TRẠNG DỰ BÁO TỔ HỢP Ở VIỆT NAM.............................25

CHƯƠNG 2.................................................................................................................27

MÔ HÌNH DỰ BÁO THỜI TIẾT QUY MÔ VỪA RAMS VÀ ÁP DỤNG DỰ

BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG............................................................27

2.1. GIỚI THIỆU VỀ MÔ HÌNH RAMS................................................................................27

2.1.1. Các phương trình cơ bản của RAMS...............................................................................28

2.1.2. Cấu trúc lưới...............................................................................................................................30

2.1.3. Sai phân thời gian.....................................................................................................................31

2.1.4. Bình lưu........................................................................................................................................33

2.1.5. Các điều kiện biên....................................................................................................................36

2.2 ÁP DỤNG MÔ HÌNH RAMS ĐỂ DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG. ....40

2.2.1 Chọn miền tính và cấu hình lưới.........................................................................................40

2.2.2 Cập nhật số liệu địa phương trong mô hình RAMS...................................................40

1

2.2.3 Đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo bão bằng mô hình RAMS cho khu vực

Biển Đông. ...............................................................................................................................................42

2.3 PHƯƠNG PHÁP TẠO NHÂN BAN ĐẦU VÀ NUÔI NHIỄU TRÊN MÔ HÌNH

RAMS. .....................................................................................................................................43

2.3.1 Tạo nhân ban đầu.......................................................................................................................43

2.3.2 Nuôi những dao động phát triển nhanh............................................................................45

CHƯƠNG 3.................................................................................................................48

THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI

NHƯNG DAO ĐỘNG PHÁT TRIỂN NHANH CỦA MÔ HÌNH RAMS............48

3.1 MÔ TẢ TẬP SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU............................................................................48

3.2 NUÔI NHIỄU PHÁT TRIỂN NHANH CỦA MÔ HÌNH RAMS ....................................49

3.3 DỰ BÁO TỔ HỢP QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG PHƯƠNG PHÁP NUÔI NHỮNG DAO

ĐỘNG PHÁT TRIỂN NHANH CỦA MÔ HÌNH RAMS. .....................................................55

3.3.1 Cơn bão Chan chu (12-17/5/2006) ....................................................................................55

3.5.2 Cơn bão Prapiroon (31/07/2006-3/8/2006)....................................................................64

3.5.3. Đánh giá khả năng dự báo bão bằng phương pháp nuôi những dao động

phát triển nhanh trên toàn bộ tập mẫu. ........................................................................................67

KẾT LUẬN.................................................................................................................74

2

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Tân

Tiến, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cảm ơn các Thầy cô và các cán bộ trong khoa Khí tượng - Thủy

văn - Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý

báu, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian

tôi học tập và thực hành ở Khoa.

Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự

nhiên đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian hoàn thành luận văn.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân

và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều

kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường.

Công Thanh

3

MỞ ĐẦU

Ngày nay ngành công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ, nhờ đó các mô

hình dự báo thời tiết số trị cũng phát triển. Cùng với sự phát triển của mô hình

số, dự báo tổ hợp đã và đang trở nên rất phổ biến trên thế giới. 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. 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 rất đa dạng tại

nhiều nơi và cho các mục đích khác nhau.

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. Chính vì những lý do trên, việc

nghiên cứu ứng dụng dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp tạo nhiễu ban đầu

với mô hình số để dự báo đường đi của bão được đặt ra trong luận văn là phù

hợp và khả thi với điều kiện hiện nay. Cụ thể, nội dung luận văn là nghiên

cứu dự báo tổ hợp bằng phương pháp nuôi những dao động phát triển nhanh

của mô hình RAMS để tạo ra trường khí tượng ban đầu, các trường ban đầu

này sẽ được đưa vào mô hình RAMS dự báo hạn 72 giờ, các kết quả dự báo

được tổ hợp bằng cách lấy trung bình đơn giản và sử dụng để dự báo bão.

4

Dựa trên những mục tiêu và nội dung của luận văn sẽ được bố cục thành

các phần sau:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO TỔ HỢP

CHƯƠNG 2:

MÔ HÌNH DỰ BÁO THỜI TIẾT QUY MÔ VỪA RAMS VÀ

ÁP DỤNG DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO TRÊN BIỂN ĐÔNG

CHƯƠNG 3:

THỬ NGHIỆM DỰ BÁO QUỸ ĐẠO BÃO BẰNG PHƯƠNG

PHÁP NUÔI NHƯNG DAO ĐỘNG PHÁT TRIỂN NHANH

CỦA MÔ HÌNH RAMS

KẾT LUẬN

5

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO TỔ HỢP

1.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Dự báo tổ hợp là một tập hợp các dự báo bất kì được xác định tại cùng

một thời điểm. Vì vậy tập hợp các dự báo trễ, các dự báo từ trung tâm nghiệp

vụ khác nhau hoặc các mô hình khác nhau đều có thể tạo ra được một dự báo

tổ hợp. Từ đầu những năm 1990, kỹ thuật dự báo tổ hợp đã được sử dụng để

dự báo thời tiết ở các trung tâm toàn cầu. Ý tưởng của dự báo tổ hợp dựa trên

lý thuyết rối của Lorenz (1963) [52] với giả thuyết rằng: “các nghiệm số thu

được trong quá trình tích phân mô hình theo các điều kiện ban đầu khác nhau

(có chứa sai số) có thể phân kì theo thời gian”. Điều này được giải thích bằng

hiệu ứng Butterfly: do bản chất phi tuyến của các phương trình mô tả khí

quyển nên những sai số nhỏ không thể đo được trong trạng thái ban đầu của

khí quyển sẽ trở thành những sai số đủ lớn sau một khoảng thời gian tích phân

(10 – 14 ngày). Vì vậy, kết quả dự báo không sử dụng được cho dù mô hình là

hoàn hảo.

Trái lại, nếu các điều kiện ban đầu đó được gây nhiễu với giá trị nhiễu

có đặc trưng cho phân bố như phân bố của sai số quan trắc thì việc tổ hợp các

nghiệm từ các điều kiện ban đầu có gây nhiễu này (mỗi điều kiện ban đầu là

một thành phần tổ hợp) bao phủ nghiệm thực và trạng thái thực của khí quyển

khi mô hình dự báo hoàn hảo. Nếu các nhiễu không đặc trưng cho phân bố sai

số của trường ban đầu thì kết quả dự báo có thể nằm ở một trong các nhóm,

trong khi trạng thái khí quyển thực xảy ra trong các nhóm khác. Nếu chọn

phân bố sai số tương xứng thì dựa trên các dự báo thành phần sẽ thu được dự

báo cuối cùng bằng việc áp dụng phương pháp thống kê hoặc phương pháp

lấy trung bình sẽ cho dự báo tốt hơn dự báo thành phần.

6

Bằng cách tính trung bình tổ hợp các kết quả dự báo, những sai số dự

báo xảy ra do điều kiện ban đầu được loại bỏ dẫn đến kết quả dự báo tốt hơn.

Đối với dự báo quỹ đạo bão (XTNĐ), phương pháp tổ hợp giữ vai trò

quan trọng. Giữa thập niên 1990, kỹ thuật dự báo tổ hợp được nghiên cứu cho

bài toán dự báo XTNĐ, đặc biệt là dự báo quỹ đạo. Việc ứng dụng này xuất

phát từ thực tế là trường phân tích và trường dự báo từ các mô hình toàn cầu

thường không mô tả đúng vị trí, cấu trúc và cường độ của xoáy thuận nhiệt

đới do mạng lưới quan trắc tại các vùng biển nhiệt đới còn ít, chưa đủ theo

yêu cầu, vì vậy mà những sai số trong các trường ban đầu này sẽ ảnh hưởng

đến kết quả dự báo XTNĐ.

1.2. PHÂN LOẠI HỆ THỐNG DỰ BÁO TỔ HỢP

Hệ thống dự báo tổ hợp có thể phân chia thành 3 loại chính: hệ thống 1

chiều, 2 chiều và 3 chiều.

1.2.1. Hệ thống dự báo tổ hợp 1 chiều

Điều kiện độ bất định (uncertainty) của trường ban đầu được coi là hệ

thống dự báo tổ hợp 1 chiều có chứa điều kiện nhiễu ban đầu. Ba đặc tính cơ

bản cần phải tuân theo khi tạo nhiễu: Tính sát thực, tính phân kỳ, tính trực

giao. Tính sát thực là độ lớn của nhiễu cần nằm trong cỡ của sai số phân tích

thực và đặc trưng cho phân bố phổ thực tế trên quy mô không gian. Độ bất

định của trường ban đầu là lớn ở trong các sóng quy mô nhỏ (khó quan trắc

được) và độ bất định của trường ban đầu là nhỏ trong các sóng quy mô lớn

(dễ quan trắc được). Tính phân kỳ là các nhiễu cần có cấu trúc phát triển động

lực trong các thành phần sao cho các thành phần này phân nhánh nhiều nhất

trong quá trình tích phân mô hình để chúng chứa tất cả các trường hợp có thể

xảy ra trong không gian của mô hình. Tính trực giao là các nhiễu thành phần

cần được trực giao để cực đại hóa dung lượng thông tin chứa trong tổ hợp,

điều này đặc biệt quan trọng trong dự báo tổ hợp các quá trình quy mô nhỏ.

7