BÀI BÁO KHOA HỌC HIỆU CHỈNH SẢN PHẨM DỰ BÁO TỔ HỢP LƯỢNG MƯA HẠN MÙA TỪ HỆ THỐNG DỰ BÁO ĐỘNG LỰC CHO VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG Nguyễn Thị Thu Hà1, Hoàng Thanh Tùng1, Nguyễn Quang Kim1 Tóm tắt: Sản phẩm dự báo lượng mưa hạn mùa mơ hình dự báo động lực thường biết đến với độ phân giải khơng gian cao, có sai số tương đối lớn so sánh với số liệu thực đo tương ứng Do vậy, sản phẩm thường phải hiệu chỉnh sai số trước chúng trở thành đầu vào cho dự báo theo sau, ví dụ cho dự báo dịng chảy hạn dài hay dự báo số hạn Nghiên cứu tiến hành đánh giá hiệu chỉnh sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị cho sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa hạn mùa hệ thống dự báo động lực toàn cầu Nghiên cứu minh họa cho sản phẩm dự báo tổ hợp mơ hình dự báo động lực ECMWF-System5, dự báo lượng mưa thời đoạn ngày với thời gian dự báo trước tháng cho thời kỳ dự báo lại từ 1993 đến 2016 Đồng Bằng Sông Cửu Long lựa chọn làm khu vực nghiên cứu Kết đánh giá tiến hành theo phương pháp kiểm định chéo kết hợp với sử dụng số đánh giá dự báo theo tất định theo xác suất Kết cho thấy phương pháp hiệu chỉnh sai số sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị giúp cải thiện đáng kể chất lượng dự báo sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa hạn dài Từ khoá: Dự báo mưa, Dự báo tổ hợp, Mơ hình động lực, ECMWF-System5, Hiệu chỉnh mưa dự báo ĐẶT VẤN ĐỀ * Dự báo lượng mưa hạn dài (tháng) có tầm quan trọng lớn tồn phát triển nhân loại nhiều định hay hoạt động nông nghiệp, an ninh lương thực, sức khỏe cộng đồng, tài nguyên nước quản lý rủi ro thiên tai cần đến thông tin dự báo lượng mưa tháng, mùa Trong năm gần đây, nhiều trung tâm dự báo giới khai thác sản phẩm dự báo lượng mưa hạn mùa từ hệ thống dự báo động lực nghiên cứu dự báo nghiệp vụ Đó mơ hình động lực cho phép nắm bắt điều kiện khí hậu cụ thể thời điểm dự báo tốt dự báo tiến triển hệ thống khí hậu thời gian dài (lên tới trước vài tháng) so với phương pháp dự báo sử dụng mơ hình thống kê truyền thống Ngoài ra, hệ thống dự báo động lực thông Trường Đại học Thuỷ lợi 70 thường cung cấp sản phẩm dự báo dạng tổ hợp dự báo nhiều tình thời tiết tương lai Cần nhấn mạnh thêm rằng, dự báo tổ hợp cho ta sở thừa nhận tính bất định điều kiện ban đầu tính bất định mơ hình hóa q trình tương tác biển-khí tượng kết hợp đại dương-khí mơ hình dự báo khí hậu Tuy nhiên, tính sẵn có sản phẩm dự báo tổ hợp từ hệ thống dự báo động lực không tự động chuyển thành khả sử dụng sản phẩm thường có độ phân giải không gian cao, dẫn tới sai số hay độ lệch tương đối lớn so sánh với số liệu thực đo Vì vậy, trước sử dụng sản phẩm dự báo tổ hợp mơ hình động lực, cần tiến hành hiệu chỉnh sản phẩm thông tin phù hợp với người dùng Do vậy, kỹ thuật hiệu chỉnh thống kê thường yêu cầu để chuyển đổi liệu dự báo thành thông tin phù hợp với người dùng Tại Việt Nam, hệ thống dự báo mùa nghiệp vụ KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) nước ta chủ yếu dựa vào phương pháp thống kê truyền thống yếu tố dự báo dị thường nhiệt độ lượng mưa mùa, nhân tố dự báo dị thường nhiệt độ mặt nước biển vùng Nino 3, 4, 3+4 số ENSO (Phan Nguyễn, 2016) Bài toán dự báo mùa mơ hình động lực khởi xướng gần đây, nhiên nghiên cứu vào khai thác hiệu chỉnh sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa hạn mùa từ mơ hình động lực (Phan Nguyễn, 2016; Mai , 2018) Nghiên cứu tiến hành đánh giá khả sử dụng trực tiếp sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa hạn dài (tháng, mùa) từ hệ thống dự báo động lực mùa hiệu kỹ thuật hiệu chỉnh thống kê việc nâng cao tính khả dụng sản phẩm dự báo tổ hợp Sản phẩm dự báo tổ hợp mơ hình động lực mùa ECMWF-System5 thuộc Trung tâm dự báo hạn vừa châu Âu (ECMWF) lựa chọn để nghiên cứu sản phẩm nghiên cứu khai thác phổ biến với nhiều ưu điểm trội (ví dụ thời gian dự kiến dự báo dài nhất, số thành viên tổ hợp nhiều thời kỳ chạy dự báo lại dài nhất) so với hệ thống dự báo động lực khác (ví dụ sản phẩm dự báo tổ hợp từ Cơ quan khí tượng Pháp (Meteo France), từ Trung tâm dịch vụ thời tiết Đức (DWD), từ Trung tâm dự báo thời tiết Vương Quốc Anh (UKMO)) Khu vực đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) lựa chọn để nghiên cứu khu vực đóng vai trò quan trọng đảm bảo an ninh lương thực quốc gia, nhiên chịu tác động nghiêm trọng tình trạng hạn hán, xâm nhập mặn Mục báo trình bày nguồn số liệu sử dụng nghiên cứu phương pháp nghiên cứu Mục trình bày kết tính tốn phân tích, mục số kết luận rút báo SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Số liệu sử dụng nghiên cứu Đồng sông Cửu Long (ĐBSCL) phận châu thổ sông Mê Kơng có diện tích 39734 km², nơi nhận tồn nguồn nước sông Mê Kông trước đổ biển Đơng Về mặt khí hậu, vùng đất có hai mùa rõ rệt: mùa mưa mùa khô Trong hai mùa tượng cực trị thuỷ văn, gồm lũ lụt khô hạn diễn thường xuyên diễn Đặc điểm khí tượng thuỷ văn ảnh hưởng lớn không đến canh tác nông nghiệp ni trồng thuỷ sản, mà cịn đến tập quán sinh hoạt cư dân toàn châu thổ Ngoài ra, ĐBSCL cịn số nơi có tiềm lực nơng nghiệp vượt trội giới, trở thành trung tâm sản xuất cung ứng sản phẩm nông nghiệp - thủy sản lớn Việt Nam (Lê, 2020) Tuy nhiên, đặc điểm địa hình thủy văn khiến nơi trở nên dễ bị tổn thương trước tác động cực đoan biến đổi khí hậu, nước biển dâng, ngập lụt, hạn hán xâm nhập mặn (Lê, 2020) Do đó, dự báo lượng mưa hạn mùa có ý nghĩa quan trọng đặc biệt phát triển nông nghiệp vùng Nghiên cứu sử dụng sản phẩm dự báo hạn mùa từ hệ thống dự báo mùa ECMWF-System5 Sản phẩm dự báo tổ hợp ECMWF-System5 có độ phân giải xấp xỉ 100x100km, có 21 thành viên dự báo tổ hợp thời kỳ dự báo lại (số liệu có sẵn từ 1993 – 2016) cho mục đích đánh giá sản phẩm dự báo xây dựng mơ hình hiệu chỉnh, 51 thành viên dự báo tổ hợp theo thời gian thực phục vụ cho dự báo nghiệp vụ (số liệu có sẵn từ năm 2017 – nay) ECMWF-System5 cung cấp giá trị dự báo có thời gian dự kiến lên tới tháng, số liệu dự báo cật nhật hàng tháng vào ngày tháng Nghiên cứu giới hạn phân tích đánh giá tập dự báo với thời gian dự báo lên tới tháng với bước thời gian ngày, tập trung đánh giá so sánh sản phẩm dự báo tổ hợp dạng thô với sản phẩm dự báo tổ hợp hiệu chỉnh thời kỳ dự báo lại (từ 1993- 2016) Về số liệu thực đo dùng để hiệu chỉnh sản phẩm mô hình dự báo lượng mưa hạn mùa cho vùng đồng sông Cửu Long (ĐBSCL), nghiên cứu sử dụng 13 trạm mưa đại diện phân bố KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 71 khu vực, có thời kỳ số liệu đồng với thời kỳ dự báo lại cho mục đích đánh giá hiệu chỉnh sản phẩm dự báo tổ hợp (từ năm 1993 đến năm 2016) Ví trí 13 trạm mưa trình bày Hình giá trị dự báo trạm sử dụng kỹ thuật nghịch đảo khoảng cách có trọng số (IDW) Phương pháp nội suy không gian IDW từ ô lưới trạm mưa thực theo cơng thức sau: (1) Trong đó: số liệu dự báo trạm số liệu dự báo ô lưới thứ j : khoảng cách tính từ trạm đến tâm lưới j (2) Hiệu chỉnh đặc tính phân phối mưa dự báo trạm để phù hợp với đặc tính phân phối số liệu thực đo tương ứng sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị (QM) Về bản, QM khớp hàm phân phối lũy tích (CDF) mưa dự báo trạm với hàm phâm phối lũy tích mưa thực đo tương ứng Đối với thời gian dự kiến bất kỳ, tiến hành hiệu chỉnh phân vị cho trạm mưa theo cơng thức sau: (2) Trong đó: hàm phân phối lũy tích (CDF) xác định từ tất thành viên tổ hợp dự báo thời đoạn ngày tháng thứ i cho tất năm thời kỳ training mơ hình trạm hàm phân phối lũy tích xác định từ số liệu thực đo tương ứng tháng thứ i cho tất Hình Vùng ĐBSCL vị trí trạm mưa sử dụng nghiên cứu năm thời kỳ hindcast (hay thời kỳ sử dụng cho hiệu chỉnh mơ hình) trạm; 2.2 Phương pháp hiệu chỉnh đánh giá sản phẩm dự báo tổ hợp mưa hạn dài Một loạt phương pháp hiệu chỉnh sản phẩm dự báo tổ hợp mưa hạn mùa hệ thống dự báo động lực đề xuất nhiều nghiên cứu có liên quan, hiệu phương pháp phụ thuộc lớn vào chuỗi mơ hình khu vực nghiên cứu (Crochemore et al., e 2016; Lucatero et al., 2018) Trong ứng dụng liên quan đến tài nguyên nước, thường dùng kỹ thuật hiệu chỉnh hai bước gồm: (1) Nội suy không gian giá trị dự báo từ lưới 72 hàm nghịch đảo là giá trị dự báo thành viên tổ hợp thứ k cho dự báo tháng thứ i giá dự báo hiệu chỉnh thành viên tổ hợp thứ k dự báo tháng thứ i Chú ý rằng, sai số dự báo phụ thuộc vào thời gian dự báo, đó, hiệu chỉnh sai số sản phẩm dự báo tiến hành cho thời gian dự báo khác Ví dụ, thời gian dự báo nhóm lại theo dự báo trước tháng (1-30 ngày), dự báo trước tháng (31-60 ngày), dự báo trước tháng (61-90 ngày) Ngoài ra, để phản ánh tính KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) chất thay đổi theo mùa chuỗi dự báo thực đo, kỹ thuật hiệu chỉnh tiến hành cho liên tục (CRPS) để đánh giá mức độ phù hợp phân bố xác suất lũy tích tất giá trị dự tháng riêng rẽ (tháng I đến XII) Để đánh giá hiệu kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị sản phẩm dự báo mùa, nghiên cứu tiến hành kỹ thuật kiểm định chéo cho chuỗi thời báo tổ hợp cho toàn phạm vị giá trị với phân bố xác suất lũy tích giá trị thực đo tương ứng Công thức xác định CPRS: gian dự báo lại Trong kiểm định chéo, chuỗi hindcast có 24 năm, chia làm thời đoạn, thời đoạn năm, tiến hành kiểm định cho (3) xác suất lũy tích giá trị xác suất lũy tích giá trị thực giá trị CRPS tính trung thời đoạn hai thời đoạn cịn lại sử dụng để xây dựng mơ hình hiệu chỉnh Để đánh giá định lượng kết kiểm định chéo, nghiên cứu sử dụng hai loại số đánh giá dự báo tất định số đánh giá dự báo xác suất Đánh giá sai số dự báo theo dự báo tất định thường sử dụng để đánh giá cho sản phẩm dự báo có kịch Trong trường hợp sử dụng dự báo tổ hợp, kịch dự báo lấy giá trị trung bình cộng đơn giản tất dự báo thành phần Chỉ số đánh giá dựa báo theo tất định sử dụng nghiên cứu hệ số tương quan hạng (Rho) sai số tuyệt đối trung bình (MAE) Đối với đánh giá sai số dự báo theo xác suất, coi tất dự báo có số mức độ không chắn, với việc sử dụng sản phẩm dự báo tổ hợp, cố gắng định lượng không chắn cách gán kết dự báo với xác suất xảy khoảng từ tới (hoặc tới 100%) Dự báo xác suất định khả xảy kiện dạng phần trăm giúp người dùng đánh giá rủi ro liên quan đến kiện thời tiết cụ thể Do đó, số đánh giá theo dự báo xác suất thường xuyên sử dụng đánh giá sản phẩm dự báo tổ hợp Để tính tốn số dự báo xác suất, giả sử thành viên nhóm tổ hợp gồm nhiều thành viên dự báo cho giá trị dự báo có khả xảy nhau, tiến hành chuyển đổi giá trị dự báo thành phần tổ hợp giá trị xác suất dự báo Nghiên cứu sử dụng điểm số xác suất hạng Trong đó: dự báo, đo Giá trị bình cho tất N cặp giá trị dự báo thực đo Gí trị nhỏ mơ hình dự báo tốt KẾT QUẢ Phần trình bày kết đánh giá sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa trước tháng sản phẩm dự báo tổ hợp thô sản phẩm dự báo tổ hợp hiệu chỉnh Cần lưu ý rằng, kết đánh giá dự báo sản phẩm hiệu chỉnh dựa kết kiểm định chéo ghép từ thời đoạn kiểm định trình bày phần phương pháp nghiên cứu Hình Hình kết so sánh sản phẩm dự báo tất định (là giá trị trung bình cộng số học tất thành viên tổ hợp, cụ thể 25 thành viên cho thời kỳ dự báo lại) trình lượng mưa tháng dự báo lượng mưa tháng thực đo tương ứng sản phẩm dự báo thô dự báo hiệu chỉnh (QM), với thời gian dự báo trước tháng, cho tất trạm mưa vùng nghiên cứu từ năm 1993 đến năm 2016 Từ kết Hình Hình thấy sản phẩm dự báo tất định hệ thống dự báo tổ hợp thô dự báo lượng mưa trước tháng có xu hướng thiên lớn so với thực đo, đặc biệt khu vực phía tây bắc đơng bắc ĐBSCL (Hình 2) Vùng cực nam ĐBSCL dường sản phẩm dự báo thơ thực đo tương ứng có phù hợp tốt so với vùng tây bắc đông bắc ĐBSCL (Hình 3) Sau hiệu chỉnh các, sản phẩm dự báo trung bình tổ hợp hiệu chỉnh có kết gần với số liệu thực đo KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 73 Hình Quá trình lượng mưa tháng thực đo (obs), lượng mưa dự báo trung bình tổ hợp dạng thô (Raw) lượng mưa dự báo trung bình tổ hợp hiệu chỉnh theo kỹ thuật phân vị (QM) cho trạm mưa Mộc Hóa, Mỹ Tho, Ba Trì, Càng Long, Vĩnh Long, Cao Lãnh, Châu Đốc Cần Thơ, với thời gian dự báo trước tháng (t0+1) Trục tung biểu thị lượng mưa tháng, trục hoành biểu thị thời gian Về kết đánh dự báo sử dụng số đánh giá dự báo theo tất định xác suất trình bày Hình 4, 5, 6, cho thời gian dự báo trước tháng Trong Hình 4, 6, thang màu sắc biểu đồ thể độ lớn số, màu xanh đậm thị cho giá trị cao ngược lại màu xanh nhạt thể giá trị nhỏ số Trục hồnh biểu đồ thể tháng năm; trục trung thể trạm đo Các giá trị hiển thị biểu đồ thể giá trị trị số tương ứng trạm mưa cho tháng năm Kết đánh giá minh họa cho thời gian dự báo trước tháng cho thấy mơ hình động lực dự báo tháng mùa khơ có tương quan 74 tốt so với tháng mùa mưa; hệ số tương quan hạng tháng mùa khô dao động quanh giá trị 0.5 tháng mùa lũ hệ số dao động lớn khoảng từ 0.01 – 0.3 (Hình 4) Hệ thống dự báo tổ hợp sau hiệu chỉnh có hệ số tương quan hạng tăng nhẹ vào tháng mùa khô, gần không tăng giảm nhẹ vào tháng mùa lũ (Hình 4) Đối với số MAE and CRPS, hệ thống dự báo tổ hợp sau hiệu chỉnh có giá trị MAE CRPS giảm đáng kể cho tất tháng (Hình 5) Điều đồng nghĩa với việc mơ hình hiệu chỉnh sai số có hiệu cải thiện đáng kể chất lượng dự báo hạn mùa từ sản phẩm dự báo tổ hợp mơ hình dự báo động lực KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) Hình Tương tự với Hình cho trạm Rạch Giá, Vĩ Thanh, Sóc Trăng, Bạc Liêu Cà Mau (vùng cực nam ĐBSCL) Trục tung biểu thị lượng mưa tháng, trục hồnh biểu thị thời gian Hình Kết đánh giá dự báo tất định sử dụng hệ số tương quan hạng (Rho) thời gian dự báo trước tháng (t0+1) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) 75 Hình Kết đánh giá dự báo tất định sử dụng sai số tuyệt đối trung bình (MAE) thời gian dự báo trước tháng (t0+1) Hình Kết đánh giá dự báo xác suất sử dụng điểm số xác suất hạng liên tục (CRPS) thời gian dự báo trước tháng (t0+1) Như vậy, qua kỹ thuật kiểm định chéo chuỗi dự liệu dự báo lại kết luận kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị giúp cải thiện đáng kể dự báo mưa hạn mùa từ sản phẩm dự báo tổ hợp thông qua tăng hệ số tương quan hạng dự báo thực đo, giảm sai số MAE CRPS KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Nghiên cứu trình bày phương pháp kết đánh giá hiệu chỉnh sản phẩm dự báo lượng mưa hạn dài (tháng) phục vụ giám sát tài nguyên nước mặt cảnh báo hạn hán ứng dụng cho vùng ĐBSCL Qua đánh giá sản phẩm dự báo tổ hợp sử dụng 76 số đánh giá dự báo tất định dự báo xác suất cho thấy chất lượng dự báo lượng mưa tháng, mùa mơ hình ECMWF-System5 phụ thuộc vào thời gian dự báo, khu vực, thời gian dự kiến Sai số dự báo tăng thời gian dự kiến tăng Phương pháp hiệu chỉnh sai số sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phân vị giúp cải thiện đáng kể chất lượng dự báo sản phẩm dự báo lượng mưa tháng từ hệ thống dự báo tổ hợp Điều có ý nghĩa quan trọng, đặc biệt sử dụng sản phẩm làm đầu vào cho ứng dụng dự báo thủy văn dự báo dòng chảy mùa hạn dài dự báo số hạn hán KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 73 (3/2021) ... sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa hạn dài (tháng, mùa) từ hệ thống dự báo động lực mùa hiệu kỹ thuật hiệu chỉnh thống kê việc nâng cao tính khả dụng sản phẩm dự báo tổ hợp Sản phẩm dự báo tổ hợp. .. sản phẩm dự báo tổ hợp lượng mưa trước tháng sản phẩm dự báo tổ hợp thô sản phẩm dự báo tổ hợp hiệu chỉnh Cần lưu ý rằng, kết đánh giá dự báo sản phẩm hiệu chỉnh dựa kết kiểm định chéo ghép từ. .. sánh sản phẩm dự báo tổ hợp dạng thô với sản phẩm dự báo tổ hợp hiệu chỉnh thời kỳ dự báo lại (từ 1993- 2016) Về số liệu thực đo dùng để hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình dự báo lượng mưa hạn mùa cho vùng