NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI NGHIÊN CỨU SO SÁNH KỸ NĂNG DỰ BÁO MƯA LỚN KHU VỰC MIỀN TRUNG VÀ TÂY NGUN CỦA MỘT SỐ MƠ HÌNH TỒN CẦU Võ Văn Hịa Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Đồng Bắc Bộ rong thời gian năm (từ 2008 - 2012) nhiều đợt mưa lớn diện rộng xảy phần lớn khu vực Trung Bộ Tây Nguyên, gây ngập úng, lũ lụt nghiêm trọng, ảnh hưởng không nhỏ đến giao thông, nông nghiệp sống nhân dân Bài báo tiến hành nghiên cứu đánh giá khả dự báo đợt mưa lớn diện rộng từ số liệu dự báo mưa mơ hình tồn cầu nhận Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương gồm: i) Mơ hình GFS NCEP, ii) Mơ hình GSM JMA, iii) Mơ hình NOGAPS Hải qn Mỹ iv) Mơ hình IFS ECMWF Kết đánh giá cho thấy, hai mơ hình IFS GSM cho kết dự báo mưa lớn xác hai mơ hình cịn lại, đó, IFS có chất lượng dự báo mưa lớn cao GSM chút Tuy nhiên, khả dự báo đợt mưa lớn đặc biệt lớn mơ hình tồn cầu nói cịn nhiều hạn chế Từ khóa: Dự báo mưa lớn, đánh giá dự báo, mơ hình dự báo số trị tồn cầu T Mở đầu Theo quy luật khí hậu, đợt mưa lớn diện rộng thường xảy khu vực Trung Bộ Tây Nguyên tập trung vào thời kỳ từ tháng đến tháng 11 có xu dịch chuyển dần từ Bắc Trung Bộ (BTB) đến Tây Nguyên (TN) Các đợt mưa thường gắn liền với hoạt động bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), rãnh gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) kết hợp hai nhiều hình thời tiết (HTTT) khác Theo nghiên cứu Nguyễn Khanh Vân cộng [2] đợt mưa lớn xảy khu vực BTB 20 năm (1987 - 2006) Nam Trung Bộ (NTB) 25 năm (1986 - 2010) cho thấy, số đợt mưa lớn diện rộng bão, ATNĐ gây ra, thường xuất thời kỳ từ tháng đến tháng 10 Trong tháng tháng 6, đa số đợt mưa lớn thường liên quan đến tăng cường rãnh gió mùa bị nén khơng khí lạnh (KKL) thường xuất với tần suất nhiều BTB Các đợt mưa lớn xảy vào tháng đến tháng 12 thường quan trắc khu vực Trung Trung Bộ (TTB) Riêng NTB TN, mưa 100 mm thường xuất từ tháng đến tháng 11, trừ Phan Rang, nơi có khí hậu khô hạn Tại Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương (TTDBTƯ) Đài KTTV khu vực, sản phẩm dự báo mưa từ mơ hình tồn cầu thường sử dụng nghiệp vụ mưa dự báo Các thông tin tham khảo gồm diện mưa, thời gian xảy ra, thời gian kéo dài tổng lượng mưa Có thể nói, sản phẩm dự báo đóng vai trị khơng thể thiếu nghiệp vụ dự báo mưa Cho đến nay, có nhiều nghiên cứu đánh giá kỹ dự báo mưa hệ thống mơ hình cho khu vực Việt Nam nghiên cứu gần Dư Đức Tiến cộng [4] Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu tập trung phân tích so sánh khả dự báo mưa lớn mơ hình tồn cầu sử dụng TTDBTƯ, đặc biệt kỹ dự báo mưa lớn cho khu vực Miền Trung Tây Nguyên Trong nghiên cứu này, tác giả tiến hành đánh giá chất lượng dự báo mưa lớn (theo số ngưỡng mưa cho trước) mơ hình tồn cầu dựa chuỗi số liệu năm gần Phần trình bày chi tiết tập số liệu sử dụng, phương pháp đánh TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI giá, số kết nhận định ban đầu chất lượng dự báo mưa lớn khu vực miền Trung Tây Nguyên Mô tả tập số liệu phương pháp đánh giá Để đánh giá chất lượng dự báo mưa lớn mơ hình tồn cầu, chuỗi số liệu mưa quan trắc dự báo thời gian năm (2008 - 2012) khu vực BTB, TTB, NTB TN sử dụng Chỉ ngày có mưa đưa vào chuỗi số liệu đánh giá Các HTTT gây đợt mưa lớn sử dụng nghiên cứu tương đối đa dạng (hình đơn lẻ, tổ hợp nhiều hình thế) Cụ thể, có 37 đợt mưa lớn sử dụng với 100 ngày liệu Chi tiết đợt mưa tham khảo [1] Các sản phẩm dự báo mưa lớn từ mơ hình tồn cầu sử dụng nghiệp vụ dự báo TTDBTƯ gồm i) Mơ hình GFS (Global Forecasting System) NCEP, ii) Mơ hình GSM (Global Spectral Model) JMA, iii) Mơ hình NOGAPS (Navy Operational Global Atmospheric Processing System - ký hiệu NOG) US Navy iv) Mô hình IFS (Integrated Forecasting Model) ECMWF đánh giá nghiên cứu Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng phiên dự báo từ 00Z (7 sáng Việt Nam) Số liệu mưa dự báo lưới nội suy trạm quan trắc khí tượng bề mặt khu vực BTB, TTB, NTB TN phương pháp nội suy điểm gần Các đặc trưng mơ hình tồn cầu phương pháp nội suy mưa tham khảo [3] Để đánh giá khả dự báo mưa lớn, nghiên cứu tác giả lựa chọn ngưỡng cho lượng mưa tích lũy 24 (24h) gồm 40mm/24h, 50mm/24h, 80mm/24h, 100mm/24h 150mm/24h Do lượng mưa tích lũy 24h lựa chọn, nên có hạn dự báo 24h, 48h 72h đánh giá Cụ thể, lượng mưa tích lũy từ 00 - 24h hiểu lượng mưa dự báo ngày thứ nhất, từ 24 - 48h lượng mưa dự báo ngày thứ hai, từ 48 - 72h lượng mưa dự TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 báo ngày thứ ba Do mục đích nghiên cứu đánh giá khả dự báo mưa lớn, nên tác giả không tiến hành đánh giá kỹ dự báo định lượng mưa, mà tập trung đánh giá pha Do đó, số đánh giá sử dụng bao gồm số BIAS (cho biết xu sai số hệ thống), số POD (mức độ dự báo tượng xảy ra), số FAR (mức độ dự báo khống) số TS (đánh giá kỹ tổng thể) Quá trình đánh giá thực điểm trạm, sau lấy trung bình để số đánh giá cho khu vực Tuy nhiên, để đảm bảo độ dài chuỗi số liệu đánh giá, thay tính tốn số đánh giá riêng cho trạm khu vực, tác giả gộp toàn số liệu tất trạm khu vực để tính tốn Cách làm tăng dung lượng mẫu đánh giá lên đảm bảo tính thống kê tốn đánh giá Một số kết đánh giá Các kết tính toán số BIAS, POD, FAR, TS dựa chuỗi số liệu mưa quan trắc dự báo từ mơ hình tồn cầu GFS, GSM, IFS, NOG thời gian năm (2008 - 2012) cho khu vực BTB, TTB, NTB TN cho thấy số nhận định chung sau: - Tại tất ngưỡng mưa đánh giá, số POD, TS có xu hướng giảm theo hạn dự báo Trong số FAR BIAS có xu tăng theo hạn dự báo Hay nói cách khác, hạn dự báo tăng lên, khả dự báo tượng có xảy giảm, tỷ lệ dự báo khống tăng lên Do đó, kỹ dự báo mưa lớn tổng thể giảm theo hạn dự báo - Tại hạn dự báo, ngưỡng mưa đánh giá tăng lên, kỹ dự báo mưa giảm theo (nếu bỏ qua chênh lệch dung lượng đánh giá) - Mặc dù số BIAS lớn tất ngưỡng mưa đánh giá hạn dự báo (mưa dự báo từ mơ hình có xu hướng thiên cao so với quan trắc), xem xét kỹ ngày xảy lượng mưa lớn, kết đánh giá cho thấy lượng mưa dự báo từ mơ hình có xu hướng thiên thấp Như vậy, rõ ràng mơ hình tồn NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI cầu chưa có khả dự báo đợt mưa lớn cực trị Nguyên nhân dẫn đến kết đánh giá nói việc đánh giá thực cho dự báo 1-2 ngày trước đợt mưa lớn thực xảy nên kết trung bình làm trơn Kết cho thấy dự báo mưa lớn từ mơ hình tồn cầu thực gặp vấn đề lệch pha (có xu hướng xảy sớm so với thực tế) - Trong số mơ hình tồn cầu đánh giá, kỹ dự báo mưa lớn mơ hình GSM Nhật IFS ECMWF tốt so với mơ hình GFS NOGAPS Mỹ Một nguyên nhân dẫn tới kết sản phẩm dự báo mưa từ mơ hình GSM IFS có độ phân giải cao so với GFS NOGAPS nên khả nắm bắt mưa lớn cục tốt - Tại hạn dự báo, ngưỡng mưa đánh giá đưa ra, chất lượng dự báo mưa mơ hình tồn cầu đánh giá BTB, TTB cao NTB TN, khu vực TN có kỹ dự báo thấp Nguyên nhân năm đánh giá, đợt mưa lớn xảy khu vực BTB, TTB hình quy mơ lớn gây ra, NTB TN có nhiều đợt mưa lớn có nguồn gốc từ hình quy mơ vừa nhỏ Do đó, khả nắm bắt mơ hình tồn cầu hạn chế Do khuôn khổ hạn chế báo, bảng đưa kết đánh giá kỹ dự báo mưa lớn khu vực BTB mơ hình tồn cầu sử dụng nghiệp vụ dự báo TTDBTƯ dựa chuỗi số liệu năm (2008 - 2012) Các kết tính tốn số BIAS, POD, FAR TS bảng phần phản ánh nhận định nêu Hình đưa kết tính tốn số TS cho dự báo từ mơ hình GSM IFS (2 mơ hình cho chất lượng dự báo tốt nhất) tương ứng cho ngưỡng mưa, khu vực nghiên cứu hạn dự báo Từ hình thấy số TS đạt dương nằm khoảng 0,1 - 0,3 Các giá trị TS cao tìm thấy ngưỡng mưa nhỏ (40 mm 50 mm), giảm dần tới ngưỡng mưa lớn Kết cho thấy chất lượng dự báo mưa giảm dần theo ngưỡng mưa (lượng mưa lớn chất lượng dự báo giảm) Dựa số TS hình thấy chất lượng dự báo mưa lớn từ mơ hình GSM IFS khu vực BTB, TTB tốt so với khu vực NTB TN Bảng Các số đánh giá dự báo nhị phân cho khu vực Bắc Trung Bộ với số liệu từ mơ hình GFS, GSM, NOG IFS với ngưỡng mưa 40 mm/24h 50 mm/24h cho ngày thứ (00 - 24h), thứ hai (24 - 48h) thứ ba (48 - 72h) 48-72h 24-48h 00-24h Hҥn Dӵ báo ChӍ sӕ ÿánh giá Ngѭӥng mѭa (40mm) GFS GSM NOG Ngѭӥng mѭa (50mm) IFS GFS GSM NOG IFS BIAS 4,07 1,69 4,36 1,11 4,46 2,20 6,05 1, POD 0,11 0,36 0,16 0,48 0,09 0,31 0,12 0,4 FAR 0,62 0,55 0,51 0,48 0,65 0,57 0,45 0,4 TS 0,09 0,23 0,14 0,34 0,08 0,20 0,10 0, BIAS 2,89 1,99 3,95 0,96 3,23 2,17 5,30 1, POD 0,10 0,41 0,07 0,47 0,10 0,40 0,08 0,4 FAR 0,73 0,47 0,81 0,56 0,72 0,44 0,65 0, TS 0,08 0,27 0,05 0,29 0,08 0,28 0,07 0, BIAS 6,25 2,49 3,60 1,06 6,47 2,69 4,17 1, POD 0,04 0,34 0,02 0,37 0,01 0,32 0,01 0, FAR 0,82 0,55 0,93 0,61 0,92 0,58 0,94 0, TS 0,03 0,21 0,01 0,23 0,01 0,19 0,01 0, TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Bảng Các số đánh giá dự báo nhị phân cho khu vực Bắc Trung Bộ với số liệu từ mơ hình GFS, GSM, NOG IFS với ngưỡng mưa 80 mm/24h, 100 mm/24h 150 mm/24h cho ngày thứ (00 - 24h), thứ hai (24 - 48h) thứ ba (48 - 72h) 48-72h 24-48h 00-24h Hҥn Dӵ báo ChӍ sӕ ÿánh giá GFS Ngѭӥng mѭa (80 mm) BIAS 8,17 3,03 6,31 1,72 7,44 1,58 5,27 2,00 2,00 0,83 4,00 2,28 POD 0,03 0,23 0,03 0,35 0,00 0,15 0,08 0,15 0,00 0,02 0,01 0,20 FAR 0,73 0,55 0,81 0,42 0,87 0,71 0,69 0,75 1,00 0,67 0,00 0,48 TS 0,03 0,16 0,03 0,28 0,03 0,10 0,08 030 0,00 0,01 0,01 0,16 BIAS 5,74 2,57 7,36 1,29 6,23 2,81 11,75 2,12 7,00 2,25 5,00 2,21 POD 0,03 0,14 0,02 0,33 0,00 0,09 0,02 0,24 0,00 0,03 0,04 0,17 FAR 0,81 0,66 0,72 0,57 1,00 0,71 0,42 0,49 1,00 0,90 0,60 0,60 TS 0,03 0,11 0,00 0,23 0,00 0,07 0,02 0,19 0,00 0,02 0,04 0,11 BIAS 6,71 4,08 9,03 2,00 5,54 3,47 7,74 2,15 2,86 2,80 4,06 3,10 POD 0,00 0,16 0,00 0,15 0,00 0,13 0,00 0,09 0,00 0,02 0,00 0,05 FAR 1,00 0,61 1,00 0,75 1,00 0,61 1,00 0,82 1,00 0,87 1,00 0,77 TS 0,00 0,11 0,03 0,10 0,00 0,10 0,00 0,06 0,00 0,01 0,00 0,04 GSM NOG Ngѭӥng mѭa (100 mm) IFS GFS GSM NOG IFS Ngѭӥng mѭa (150 mm) GFS GSM NOG IFS 0.35 0.30 0.25 40mm 0.20 50mm 0.15 80mm 100mm 0.10 150mm 0.05 0.00 B TB TTB NTB TN 0.35 0.30 0.25 40mm 0.20 50mm 0.15 80mm 100mm 0.10 150mm 0.05 0.00 B TB TTB NTB TN Hình Chỉ số TS cho khu vực BTB, TTB, NTB TN với ngưỡng mưa 40, 50, 80, 100 150 mm/24h từ mơ hình GSM (cột bên trái) IFS (cột bên phải) cho hạn dự báo 00 - 24h (trên), 24 - 48h (giữa) 48 - 72h (dưới) TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình Lượng mưa tích lũy ngày (120h) quan trắc từ 00Z ngày 14 đến 00Z ngày 19/10/2011 Tổng lượng mưa có nơi lớn 800 mm (khu vực Thừa Thiên Huế) Để minh chứng thêm cho kết đánh giá nhận trên, tác giả đưa kết đánh giá cho đợt mưa lớn xảy Trung Bộ Tây Nguyên từ ngày 14 -19/11/2011 Đây đợt mưa lớn diện rộng, Hà Tĩnh lan dần xuống phía Nam đến Khánh Hịa Bắc Tây Ngun tác động khơng khí lạnh (KKL) kết hợp với rãnh thấp nhiễu động gió đơng cao HTTT chiếm 32% loại HTTT gây mưa cho tồn Việt Nam năm 2011 Diễn biến đợt mưa lớn diện rộng sau: + Khu vực Hà Tĩnh - Quảng Trị, mưa lớn tập trung từ ngày 14 -16/10/2011 với lượng phổ biến từ 200 - 500 mm, số nơi có lượng mưa lớn Minh Hóa (Quảng Bình): 662 mm, Mỹ Chánh (Quảng Trị): 734 mm, Hải Tân (Quảng Trị): 740 mm (Hình 3f, g, h) + Từ 15 - 17/10/2011: mưa lớn tiếp tục lan dần xuống phía Nam, tập trung từ Nam Quảng Trị đến Thừa Thiên Huế với tổng lượng mưa ngày phổ biến từ 400 - 600 mm, có nơi cao Mỹ Chánh: 811 mm, Hải Tân: 782 mm, Phong Bình (Huế): 638 mm Lượng mưa ngày lớn xảy ngày 16/10, phổ biến khoảng 150 - 400 mm, đặc biệt Mỹ Chánh đo 622 mm, Hải Tân 618 mm Mưa có cường độ lớn xảy từ - 13h ngày 16/10 phổ biến mức 100 - 200 mm, số nơi Mỹ Chánh 346 mm/6h, Hải Tân: 306 mm/6h (Hình 3h) + Từ 17 - 20/10/2011, mưa lan dần xuống tỉnh từ Quảng Ngãi, Khánh Hòa Tây Nguyên Khu vực Quảng Ngãi đến Bình Định: tổng lượng mưa đo phổ biến từ 200 - 400 mm, số nơi lớn Trà Bồng: 548 mm, Minh Long: 562 mm, Ba Tơ: 502 mm, An Hịa (Bình Định): 581mm (Hình 3i, j) Kết dự báo mưa từ mô hình GSM IFS cho hạn dự báo 24h với thời điểm dự báo 00Z ngày 14, 15, 16, 17 18/10/2011 có so sánh với lượng mưa quan trắc thực tế đưa hình để minh họa Ngày 14/10/2011, mưa bắt đầu xuất khu vực miền Trung, mơ hình nắm bắt đợt mưa Tuy nhiên, diện lượng mưa có GSM IFS cho kết tốt Đặc biệt, khu vực Nam Nghệ An, Bắc đèo Ngang, lượng mưa thực tế 24h đo xấp xỉ 180 - 200 mm có IFS dự báo tương đối xác lượng mưa này: từ 120 -140 mm/24h (Hình 4) Sang đến ngày 15/10/2011, xu dự báo nhận tương tự ngày 14/10/2011 diện Tuy nhiên, lượng GSM dự báo xác nhất, bắt tâm mưa Nam đèo Ngang, Bắc Thừa Thiên Huế (Hình 3) Lượng mưa lớn đợt (từ 16 đến 17/10/2011) dự báo tương đối tốt từ ba mô hình GFS, GSM IFS Mơ hình NOGAPS ln cho dự báo thiên thấp về lượng mưa sai lệch diện mưa Trên thực tế, mơ hình tồn cầu dự báo mưa tương đối xác diện lượng 24 đầu Đối với hạn dự báo dài hơn, 48h 72h, mơ hình thường nắm bắt tốt xu (lượng mưa tăng giảm), lượng mưa thường cho dự báo thiên thấp (Hình 5) TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI a f b g c h d i e j Hình Kết dự báo lượng mưa hạn 24h từ mơ hình GSM thời điểm 00Z ngày 14/10 (a), 15/10 (b), 16/10 (c), 17/10 (d) 18/10/2011 (e) (hàng trên) so sánh với lượng mưa quan trắc tương ứng: từ 00Z 14/10 (f), 15/10 (g), 16/10 (h), 17/10 (i), 18/10/2011 (j) (hàng dưới) a b c d f g h i e j Hình Kết dự báo lượng mưa hạn 24h từ mơ hình IFS thời điểm 00Z ngày 14/10 (a), 15/10 (b), 16/10 (c), 17/10 (d) 18/10/2011 (e) (hàng trên) so sánh với lượng mưa quan trắc tương ứng: từ 00Z 14/10 (f), 15/10 (g), 16/10 (h), 17/10 (i), 18/10/2011 (j) (hàng dưới) TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI a b d e c Hình Lượng mưa tích lũy 72h từ mơ hình GFS (a), GSM (b), NOGAPS (c), IFS (d) dự báo thời điểm 00Z ngày 14/10/2011, so sánh với lượng mưa quan trắc từ 00Z 14 đến 00Z 17/10/2011 (e) Kết luận Kết đánh giá chất lượng dự báo mưa lớn cho 37 đợt mưa lớn diện rộng cho khu vực Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ, Nam Trung Bộ Tây Nguyên năm (2008 - 2012) cho thấy mơ hình tồn cầu đánh giá phần nắm bắt xuất đợt mưa cho kết tốt 24 đầu Tuy nhiên, diện mưa dự báo khống số nơi Về lượng mưa cho xu dự báo thiên thấp, đặc biệt đợt mưa có cường độ lớn đợt từ 14 đến 19 tháng 10 năm 2011 Trong mô hình tồn cầu đánh giá, mơ hình GSM Nhật Bản IFS ECMWF cho kết khả quan hẳn, mơ hình NOGAPS cho kết Theo khu vực dự báo, chất lượng dự báo mưa lớn từ mơ hình tồn cầu cho khu vực Bắc Trung Bộ, Trung Trung Bộ thường tốt so với khu vực Nam Trung Bộ Tây Nguyên Mặc dù nhận số kết khả quan nêu trên, tác giả kiến nghị cần tiếp tục phải đánh giá thêm cho chuỗi số liệu dài bao phủ nhiều hình thời tiết gây mưa lớn nữa, đặc biệt cần phải sử dụng phương pháp đánh giá đại phương pháp CRA, Fuzzy để đưa kết đánh giá chi tiết định lượng TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 07 - 2016