Các điều kiện khí hậu vào tháng sau, mùa sau hay năm sau luôn được quan tâm khi con người đề ra những kế hoạch dài hạn trong sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp, trong kinh tế, xây dựng, du lịch,… Mức độ thành công của những hoạt động xã hội này phụ thuộc rất nhiều vào việc mùa sau sẽ nóng hay lạnh hơn, mưa nhiều hay ít hơn, hạn hán hay lũ lụt có thể xảy ra do những sản phẩm sản xuất ra có thích hợp với khí hậu khi đó hay không. Như ta đã biết, đây chính là mục đích của bài toán dự báo khí hậu hạn mùa. Từ khóa: hải dương học, môi trường biển, hệ sinh thái biển, kỹ thuật bờ biển, khí tượng
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HỒ THỊ MINH HÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MƠ PHỎNG MÙA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ THỐNG KÊ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC HÀ NỘI - 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -HỒ THỊ MINH HÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG MÙA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ THỐNG KÊ Chuyên ngành: Khí tượng học Mã số: 62.44.87.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Hướng Điền GS TS Nguyễn Văn Hữu HÀ NỘI - 2008 Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận án Hồ Thị Minh Hà Lời cảm ơn Luận án hồn thành Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội hướng dẫn khoa học PGS TS Nguyễn Hướng Điền, Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học GS TS Nguyễn Văn Hữu, Khoa Toán-Cơ-Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới hai nhà khoa học hết lòng động viên, tận tình giúp đỡ quan tâm tới bước nghiên cứu luận án Để thực luận án, tác giả giúp đỡ thời gian điều kiện nghiên cứu thuận lợi từ Ban Chủ nhiệm Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học Bộ mơn Khí tượng, nơi tác giả hỗ trợ trang thiết bị tính tốn lưu trữ số liệu Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Kiều Thị Xin dẫn bước tác giả đến với tốn mơ hình hóa khí hậu khu vực - vấn đề khoa học mẻ nước tạo điều kiện cho tác giả tham gia đề tài khoa học để phát triển lực nghiên cứu Lời tri ân tác giả muốn gửi tới nhà khoa học GS TS Trần Tân Tiến, PGS TS Phan Văn Tân, GS TSKH Nguyễn Đức Ngữ, PGS TS Hoàng Xuân Cơ, PGS TS Nguyễn Văn Tuyên, PGS TS Phạm Văn Huấn, PGS TS Phạm Vũ Anh, TSKH Nguyễn Duy Chinh, PGS Nguyễn Đăng Quế, thầy Trần Cơng Minh, TS Nguyễn Văn Thắng, TS Hồng Đức Cường, Ths Vũ Thanh Hằng số nhà khoa học khác góp ý chân tình xây dựng nội dung nghiên cứu luận án Thành công luận án đạt nhờ giúp đỡ số liệu hướng dẫn sử dụng hệ thống máy tính đồ họa đồng nghiệp Bộ mơn Khí tượng đóng góp ý kiến nhiệt tình Chi Đồn cán Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học Tác giả xin cám ơn tất bạn bè đồng nghiệp Tác giả không quên quan tâm, chăm sóc, sẻ chia buồn vui giúp đỡ qua bao khó khăn người bạn đời Lịng biết ơn sâu nặng tác giả xin gửi cha mẹ, người ban cho tác giả sống, dưỡng nuôi suốt thời thơ ấu định hướng khoa học đường theo đuổi suốt đời tác giả Tác giả Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình ảnh .7 Danh mục bảng 13 Mở đầu 15 Chương CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ .18 1.1 Tình hình nghiên cứu giới 21 1.1.1 Tại cần dự báo khí hậu khu vực mơ hình RCM? 21 1.1.2 Những nghiên cứu ứng dụng RCM vào dự báo khí hậu khu vực 26 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 32 1.3 Những nghiên cứu thống kê hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình số 35 Chương PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA KHÍ HẬU KHU VỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SẢN PHẨM MÔ HÌNH SỐ (MOS) 38 2.1 Phương pháp mơ hình hóa khí hậu khu vực ứng dụng vào mơ hình 39 RegCM3 2.1.1 Động lực học 39 2.1.2 Các thành phần vật lý RegCM3 45 2.2 Phương pháp thống kê sản phẩm mơ hình số 66 2.2.1 Các phương pháp đánh giá thống kê mơ hình khí hậu 66 2.2.2 Phương pháp luyện mạng thần kinh nhân tạo ANN 70 2.3 Nguồn số liệu sử dụng 74 ∂ 2ei Ajk = ∑ ei ∂xk ∂x j i =1 n (B5) Bây ta xác định công thức lặp Giả sử bước lặp thứ k, ta biết xk, ta cần xác định xk+1 Xét khai triển Taylor hàm nhiều biến JF(xk+1) : J F ( x k +1 ) = J F ( x k ) + ⎡⎣ x k +1 − x k ⎤⎦ H F ( x k ) + o ( ) T (B6) o(2) ký hiệu vô bé bậc Điểm cực tiểu điểm có đạo hàm riêng cấp 0, tức Jacobian JF Nếu bỏ qua vơ bé bậc ta cần chọn xk+1 cho: J F ( x k ) + ⎡⎣ x k +1 − x k ⎤⎦ H F ( x k ) = T (B7) Sử dụng (B3) (B4) thay vào (B7), ý tính đối xứng ma trận Hessian, ta có cơng thức bước lặp (thế hệ) thứ k: ( x k +1 = x k − ( J e k ) J e k + Ak T ) −1 (J ) k T e ek (B8) ký hiệu k bên giá trị tính bước lặp (thế hệ) thứ k Từ (B5) ta thấy muốn tính (B8) phải tính đạo hàm cấp Việc tính đạo hàm cấp khó Vì Levenberg-Marquardt thay ma trận A ma trận đường chéo có trọng số thay đổi Lúc (B8) sửa thành: ( x k +1 = x k − ( J e k ) J e k + μ k I T ) −1 (J ) k T e ek (B9) với I ma trận đơn vị cịn μk tham số thay đổi cách thích hợp Với ý JeTe gradient, so sánh x k +1 = x k − α k g k (B9) ta thấy bước tiến αk thay ((Jek)TJek+μkI)-1 Bước tiến thay đổi theo bước lặp Tại vị trí có đạo hàm riêng Jek lớn bước tiến bé Ta hiểu vấn đề cách hình tượng đường dốc có bước tiến dài ta vượt qua chỗ trũng khơng hội tụ đến điểm cực tiểu Ngồi ra, thuật toán Levenberg-Marquardt, tham số μ điều chỉnh cho hàm sai số giảm Tại bước mà hàm sai số nhỏ μ giảm để tăng bước tiến Ngược lại hàm sai số tăng lên, tức bước tiến lớn μ tăng lên để giảm bước tiến giảm hàm sai số Như vấn đề thuật tốn cịn lại tính ma trận Jacobian Ma trận Jacobian tính phương pháp đạo hàm hàm hợp Từ (2.80) ta có đạo hàm riêng sau: ∂e ∂e ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂a k ∂n k = ∂LW k ,k −1 ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂n N −1 ∂n k ∂LW k ,k −1 ' ' ' ∂e = N ( f N ) LW N , N −1 ( f N −1 ) ( f k ) a k −1 ∂a (B10) ∂e ∂e ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂a k ∂n k = ∂b k ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂n N −1 ∂n k ∂b k ' ' ' ∂e = N ( f N ) LW N , N −1 ( f N −1 ) ( f k ) ∂a (B11) ∂e ∂e ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂a1 ∂n1 = ∂IW ∂a N ∂n N ∂a N −1 ∂n N −1 ∂n1 ∂IW (B12) ∂e ' N ' N , N −1 N −1 ' = N ( f ) LW ( f ) ( f ) p ∂a dấu phẩy ký hiệu đạo hàm hàm truyền Để lập trình, công thức (B10), (B11) (B12) viết dạng quy nạp (B13) ga N = ∂e , ∂a N gn N = ga N ( f N ) , ' gn N −1 = ga N −1 ( f N −1 ) , ' ga N −1 = gn N LW N , N −1 , ga k = gn k +1LW k +1,k , gn k = ga k ( f k ) , ' ga1 = gn LW 2,1 , gn1 = ga1 ( f ) ∂e ∂e = gn k a k −1 , = gn k , k , k −1 k ∂LW ∂b ' ∂e = gn1 p ∂IW (B13) Biểu thức quy nạp (B13) cho ta tính tất đạo hàm riêng theo trọng số đầu vào IW, theo trọng số lớp LW theo b, ta tính ma trận Jacobian J tiến hành lặp theo thuật toán Levenberg-Marquardt ...ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -HỒ THỊ MINH HÀ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG MÙA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ THỐNG KÊ... vào dự báo khí hậu khu vực 26 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 32 1.3 Những nghiên cứu thống kê hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình số 35 Chương PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA KHÍ HẬU KHU VỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP THỐNG... khoa học hết lịng động viên, tận tình giúp đỡ quan tâm tới bước nghiên cứu luận án Để thực luận án, tác giả giúp đỡ thời gian điều kiện nghiên cứu thuận lợi từ Ban Chủ nhiệm Khoa Khí tượng- Thủy