Nghiên cứu dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt Đới trên khu vực biển Đông bằng mô hình số

Nghiên cứu dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt Đới trên khu vực biển Đông bằng mô hình số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đào Nguyễn Quỳnh Hoa

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN

KHU VỰC BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH SỐ

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC

Hà Nội - 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đào Nguyễn Quỳnh Hoa

NGHIÊN CỨU DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN

KHU VỰC BIỂN ĐÔNG BẰNG MÔ HÌNH SỐ

Chuyên ngành: Khí tượng học Mã số: 9440222.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS Trần Tân Tiến

Hà Nội - 2024

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Tác giả

Đào Nguyễn Quỳnh Hoa

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận án này tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ các thấy cô và bạn bè trong trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, rất nhiều sự ủng hộ từ gia đình và bạn bè, họ là những người đã luôn bên cạnh tôi trong suốt quá trình học tập

Lời đầu tiên tôi xin cảm ơn chân thành đến NGND GS TS Trần Tân Tiến cùng với PGS TS Nguyễn Minh Trường, TS Công Thanh, TS Bùi Minh Tuân và TS Kiều Quốc Chánh với kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm của mình, các thầy đã hướng dẫn và góp ý cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận án này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, các cán bộ trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên ngành, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt trong suốt quá trình tôi học tập và hoạt động tại khoa

Xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè, những người đã luôn quan tâm, luôn bên cạnh động viên tinh thần giúp tôi hoàn thành luận án

Do trình độ và kinh nghiệm còn có hạn nên luận án khó tránh khỏi còn nhiều sai sót nên tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của thầy cô và các bạn để luận án được hoàn thiện hơn

Hà Nội, tháng 7 năm 2023

NCS Đào Nguyễn Quỳnh Hoa

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH VÀ

PHÁT TRIỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN BIỂN ĐÔNG 18

1.1 Cơ sở lý thuyết về sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

trên Biển Đông 18

1.1.1 Định nghĩa về sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới 18

1.1.2 Các điều kiện cơ bản thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của

xoáy thuận nhiệt đới 19

1.1.3 Sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông 21

1.1.4 Gió mùa và môi trường thuận lợi cho sự hình thành và phát triển

XTNĐ trên Biển Đông 23

1.2 Phương pháp dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới 24

1.2.1 Tình hình dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới 24

1.2.2 Phương pháp số trị trong dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ

trên Biển Đông 30

1.3 Tiểu kết chương 1 38

CHƯƠNG 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU 41

2.1 Phương pháp dự báo đồng hóa tổ hợp 41

2.1.1 Thiết lập mô hình đồng hóa tổ hợp 41

2.1.2 Thiết kế mô hình và miền tính 45

2.2 Bộ số liệu đồng hóa dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ

trên Biển Đông 48

2.3.1 Phương pháp xác định tâm xoáy 52

2.3.2 Phương pháp đánh giá kĩ năng dự báo sự hình thành và phát triển

của XTNĐ trên Biển Đông 55

2.4 Mô hình hồi quy logistic từ sản phẩm dự báo tổ hợp 61

CHƯƠNG 3.THỬ NGHIỆM DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI WUTIP (2013) 64

3.1 Đặc điểm của XTNĐ Wutip (2013) 64

3.2 Thiết kế các thử nghiệm 66

3.3 Tác động của phương pháp đồng hóa tới trường phân tích ban đầu 68

3.4 Đánh giá dự báo thời gian hình thành XTNĐ Wutip 74

3.5 Đánh giá dự báo vị trí hình thành XTNĐ Wutip 77

4.2.1 Xác suất hình thành và phát triển của XTNĐ 86

4.2.2 Đánh giá vị trí, thời gian và cường độ của XTNĐ trong giai đoạn

hình thành và phát triển tới cường độ bão 88

4.3 Đánh giá và lựa chọn thành phần tổ hợp tối ưu 93

4.3.1 Tổ hợp dự báo Pmin tại thời điểm phát triển tới cường độ bão 94

4.3.2 Tổ hợp dự báo vị trí XTNĐ phát triển tới cường độ bão 96

4.3.3 Tổ hợp dự báo khoảng thời gian phát triển XTNĐ đạt cường độ bão 98

4.4 Đặc điểm khí quyển phân loại XTNĐ hình thành và phát triển 100

3

4.5 Dự báo xác suất phát triển của xoáy thuận nhiệt đới trên Biển Đông bằng

mô hình hồi quy logistic 105

4.5.1 Phương trình dự báo hồi quy logistic 105

4.5.2 Đánh giá kết quả dự báo xác suất 107

4.6 Tiểu kết chương 4 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116PHỤ LỤC

4

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

3DVAR Phương pháp đồng hóa biến phân 3 chiều 4DVAR Phương pháp đồng hóa biến phân 4 chiều

AUC-ROC Diện tích bên dưới đường cong ROC

IBtraCS Bộ số liệu tổng hợp về bão do NOAA, NCDC cung cấp

(International Best Track Archive for Climate Stewardship) CISK Bất ổn định có điều kiện loại II

CIMSS Viện Hợp tác nghiên cứu Vệ tinh khí tượng

(Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies)JTWC Trung tâm cảnh bão bão Hải quân Hoa Kỳ

(Joint Typhoon Warning Center) LETKF Lọc Kalman tổ hợp địa phương

MSLP Khí áp mực biển cực tiểu NCAR Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia Hoa Kỳ NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Hoa Kỳ NOAA Viện Khí quyển và Hải dương Quốc gia Hoa Kỳ

(National Oceanic & Atmospheric Administration)

5

TUTT Rãnh phần trên tầng đối lưu

Vmax Tốc độ gió cực đại gần tâm xoáy WISHE Sự trao đổi nhiệt bề mặt nhờ thành phần gió ngang WMO Tổ chức Khí tượng Thế giới

(World Meteorological Organization)

WRF Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết

(Weather Research and Forecasting) WRFDA Module đồng hóa số liệu của WRF

6

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Tổ hợp đa vật lý được sử dụng trong hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp 47Bảng 2.2 Bảng mô tả các chỉ số đánh giá dự báo pha 56Bảng 2.3 Bảng mô tả các đặc trưng động lực và nhiệt động lực đánh giá sự hình

thành và phát triển XTNĐ 60

Bảng 3.1 Mô tả các thử nghiệm thực hiện dự báo sự hình thành Wutip (2013) 67Bảng 4.1 Giá trị các chỉ số đánh giá chất lượng dự báo tổ hợp sự hình thành và

phát triển XTNĐ trên Biển Đông tại các hạn dự báo khác nhau 87

Bảng 4.2 Giá trị thống kê của hai phương án lựa chọn các thành phần tổ hợp tối ưu

nhất (dựa theo xếp hạng giá trị t thống kê) đối với dự báo Pmin khi XTNĐ phát triển cường độ bão tương ứng với các chu trình dự báo và tổng số phương án lựa chọn thành phần tổ hợp từ 1 đến 11 trên 21 thỏa mãn độ tin cậy 95% theo kiểm nghiệm bootstrap t-test 96

Bảng 4.3 Giá trị thống kê của hai phương án lựa chọn các thành phần tổ hợp tối ưu

nhất (dựa theo xếp hạng giá trị t thống kê) đối với dự báo vị trí XTNĐ phát triển cường độ bão tương ứng với các chu trình dự báo và tổng số phương án lựa chọn thành phần tổ hợp từ 1 đến 11 trên 21 thỏa mãn độ tin cậy 95% theo kiểm nghiệm bootstrap t-test 98

Bảng 4.4 Giá trị thống kê của hai phương án lựa chọn các thành phần tổ hợp tối ưu

nhất (dựa theo xếp hạng giá trị t thống kê) đối với dự báo khoảng thời gian XTNĐ phát triển cường độ bão kể từ lúc hình thành tương ứng với các chu trình dự báo và tổng số phương án lựa chọn thành phần tổ hợp từ 1 đến 11 trên 21 thỏa mãn độ tin cậy 95% theo kiểm nghiệm bootstrap t-test 99

Bảng 4.5 Hệ số và các giá trị kiểm nghiệm thống kê của các phương trình hồi quy

trong mô hình hồi quy logistic 106

Bảng 4.6 Một số chỉ số đánh giá kỹ năng dự báo xác suất phát triển của XTNĐ trên

bộ số liệu độc lập dựa trên sản phẩm dự báo của hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp tại các hạn dự báo khác nhau trong giai đoạn 2012 - 2019 trên Biển Đông 108

Bảng 4.7 Một số chỉ số đánh giá kỹ năng dự báo xác suất phát triển của XTNĐ trên

toàn bộ tập số liệu (45 trường hợp) dựa trên sản phẩm dự báo của hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp tại các hạn dự báo khác nhau trong giai đoạn 2012 - 2019 110

7

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Ví trị hình thành XTNĐ (dấu sao) trên Biển Đông với (a) gió mùa mùa hè

(Tháng 5 - 9) và (b) gió mùa mùa đông (Tháng 10 - 12) 176 XTNĐ hình thành vào các tháng gió mùa mùa hè và 69 XTNĐ hình thành vào các tháng gió mùa mùa đông trong giai đoạn 1945 – 2010 Nguồn: Lei Wang [166] 22

Hình 1.2 Vị trí hình thành XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương tương

ứng theo phân loại các hình thế thời tiết điển hình (trường khí áp mực biển và trường độ xoáy 850 hPa) phục vụ cho công tác đánh giá dự báo mô hình ECMWF Nguồn: Liang và ccs [102] 30

Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp thực hiện trong luận án 41Hình 2.2 a) Vị trí tất cả các trạm quan trắc với số liệu trạm, phao, thám không,

METAR, và thuyền được sử dụng đồng hóa trong hệ thống; b) phân bố số liệu AMV (thang gió màu đen) trong lớp 800 - 300 hPa, và c) tương tự như b) nhưng cho mực 300 - 80 hPa Trường gió mô hình GFS màu xanh tương ứng với thử nghiệm đồng hóa dự báo sự hình thành XTNĐ Wutip (2013) Tất cả phân bố được đặt trên miền tính của mô hình khu vực sử dụng trong luận án 49

Hình 2.3 Mô tả trực quan quy trình dự báo của hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp 51Hình 2.4 Mô tả trực quan sơ đồ dò tâm xoáy thuận được sử dụng trong luận án

Một lưu ý rằng độ phân giải ngang 27 km theo thiết lập của mô hình dự báo có thể không phải là một độ phân giải tối ưu để mô phỏng toàn diện cấu trúc của XTNĐ Mặc dù vậy, với mục tiêu dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông, thiết lập của phương pháp dò xoáy có thể giữ lại những đặc tính cơ bản nhất của XTNĐ, song song với việc loại bỏ những nhiễu sinh ra bởi mô hình số trị 55

Hình 2.5 Biểu diễn đường cong ROC dựa trên các cặp chỉ số (TPR; FPR) [15, 116]

Phần diện tích nằm dưới đường cong ROC biểu diễn giá trị chỉ số AUC-ROC 58

Hình 2.6 Mô tả phương pháp phân chia số lượng XTNĐ trong kiểm chứng chéo

5-fold Tập số liệu phụ thuộc đánh dấu màu xanh lá cây, tập số liệu độc lập đánh dấu màu xanh da trời 62

8

Hình 3.1 (a) Quỹ đạo best-track của Wutip trên miền tính của mô hình WRF dự

báo sự hình thành XTNĐ với độ phân giải 27km Miền màu là độ cao so với mực biển (b) Cường độ Wutip bao gồm: tốc độ gió cực đại mực 10m (đường nét liền) và khí áp mực biển cực tiểu (đường nét đứt) 64

Hình 3.2 (a) Bản đồ đường dòng mực 850 hPa quan trắc tại thời điểm 00 UTC

ngày 25/09, (b) đường dòng (bảng màu) và độ cao địa thế vị mực 850 hPa từ trường phân tích GFS tại thời điểm 00 UTC ngày 25/09, (c) hình ảnh vệ tinh MTSAT-2 IR vào hồi 1140 UTC ngày 25/09 khi Wutip mới hình thành trên khu vực Biển Đông, và (d) phân bố trường nhiệt độ mặt biển SST tại 00 UTC ngày 25/09 Đường đậm nét màu đen thể hiện vị trí rãnh gió mùa tại thời điểm Wutip hình thành 65

Hình 3.3 Mô tả thiết kế thử nghiệm CTL, NAMV và NDA 68Hình 3.4 Phân bố trường độ cao địa thế vị (miền màu, đơn vị dam đtv) và đường

dòng mực 700 hPa tại thời điểm ban đầu của chu trình 12 UTC ngày 23 tháng 9 từ (a) hệ thống dự báo tổ hợp; (b) trường ban đầu mô hình toàn cầu GFS, và (c) độ lệch trường phân tích (CTL – GFS) của địa thế vị (miền màu, đơn vị m2s-2) và trường gió (vector màu đen) mực 700 hPa, và (d) tương tự (c) nhưng với mực 200 hPa Đường đậm nét đứt thể hiện vị trí tương đối của rãnh gió mùa, xác định theo Molinari và Voltaro [119] 69

Hình 3.5 Độ lệch trường địa thế vị (hình màu, đơn vị m2s-2) và trường gió (vector) mực 700 hPa trong hệ thống dự báo tổ hợp của thử nghiệm (a) và (b) CTL lần lượt 00 và 12 UTC ngày 24 tháng 9 (hạn dự báo 36 giờ và 24 giờ tương ứng); (c) NAMV chỉ số liệu trạm và (d) chỉ số liệu vệ tinh CIMSS AMV vào 12 UTC ngày 23/09 72

Hình 3.6 Boxplot thời gian hình thành Wutip của ba chu trình dự báo 12 UTC

ngày 23 tháng 9, 00 UTC ngày 24 tháng 9 và 12 UTC ngày 24 tháng 9, tương đương với chu trình dự báo 48, 36 và 24 giờ trước thời điểm hình thành Wutip đối với các thử nghiệm dự báo tổ hợp a) CTL, b) NAMV và c) NDA Dấu (x) màu đen thể hiện vị trí thực tế hình thành Wutip vào 12 UTC này 25 tháng 9 75

Hình 3.7 Sai số khoảng cách trung bình tổ hợp giữa tâm hình thành của Wutip

thu được từ trường dự báo của mô hình với vị trí quan trức thực tế của XTNĐ lần đầu xuất hiện ở 12 UTC ngày 25 tháng 9 theo số liệu best -track JTWC của ba chu trình dự báo 48, 36 và 24 giờ đối với CTL (màu đen), NDA (sọc chéo) và NAMV (màu xám) 77

9

Hình 3.8 Phân bố vị trí hình thành Wutip trong các thử nghiệm dự báo tổ hợp CTL

(hình tam giác), NAMV (hình tròn) và NDA (dấu thập) ở các chu trình dự báo a) 48 giờ, (b) 36 giờ và (c) 24 giờ Các dấu có màu thể hiện vị trí trung bình tổ hợp tương ứng với các dự báo 78

Hình 3.9 Sai số khoảng cách chi tiết tại từng thành phần tổ hợp trong dự báo sự

hình thành Wutip so sánh với thời điểm hình thành quan trắc vào 12 UTC ngày 25 tháng 9 theo số liệu best-track tại các chu trình dự báo 48 giờ (cột màu đen); 36 giờ (cột màu đỏ) và 24 giờ (cột màu xanh) đối với các thử nghiệm (a) CTL, (b) NDA và c) NAMV Cột màu xám thể hiện vị trí không hình thành 79

Hình 3.10 Sai số trung bình tổ hợp độ cao địa thế vị (màu, đơn vị mét đtv) với

trường gió (thang gió) mực 850 hPa trong các nhóm hình thành và không hình thành tại các chu trình dự báo 48 giờ (a-b) và 36 giờ (c-d) so với số liệu phân tích NCEP FNL thời điểm 12 UTC ngày 25 tháng 9 (thời gian hình thành thực tế) Dấu sao màu xanh là vị trí hình thành thực tế của Wutip 80

Hình 4.1 Minh họa vị trí hình thành (a) và vị trí phát triển thành bão (b) của 45

XTNĐ hình thành và phát triển trên Biển Đông trong giai đoạn 2012 – 2019 Số liệu best-track của các XTNĐ được tổng hợp từ IBTraCS 85

Hình 4.2 Tỉ lệ POD (%) các trường hợp xoáy dự báo đúng sự hình thành XTNĐ

trên 45 trường hợp (a); dự báo đúng 35 trường hợp phát triển tới cường độ bão (b) và FAR (%) dự báo khống sự phát triển tới cường độ bão của 10 trường hợp (c) theo 21 thành phần tổ hợp và trung bình tổ hợp tại các chu trình dự báo 88

Hình 4.3 Thống kê sai số vị trí hình thành ATNĐ (a) và phát triển tới cường độ

bão (b) của các thành phần tổ hợp so với quan trắc theo IBTrACs tương ứng với mỗi chu trình dự báo Đường ellipse màu đỏ ước lượng phân bố chuẩn đối với sai số vị trí, bao phủ độ tán 3-sigma Trục tung và trục hoành thể hiện sai số khoảng cách (a) [-10; 10]  [-10; 10] độ kinh vĩ và (b) [-20; 20]  [-20; 20] độ kinh vĩ Giá trị chuẩn sai s thể hiện trên hình vẽ với chữ màu xanh 89

Hình 4.4 Biểu đồ hộp thống kê phân bố sai số khí áp mực biển cực tiểu của tâm

xoáy và thời gian so với số liệu best-track IBTraCS tại thời điểm hình thành (a, c) và thời điểm phát triển tới cường độ bão (b, d) Phân bố sai số thời gian phát triển

10 và giá trị hệ số tương quan giữa sai số và sai số vị trí tâm bão (giai đoạn phát triển) với biểu đồ cột được thể hiện trong hình e Đường màu đỏ đại diện cho giá trị trung vị của sai số trên mỗi biểu đồ hộp thành phần 91

Hình 4.5 Phương án lựa chọn tối ưu nhất (màu trắng) các thành phần tổ hợp được

giữ lại, lọc bỏ các thành phần đánh dấu màu đỏ đối với dự báo khí áp mực biển cực tiểu Pmin tại thời điểm phát triển tới cường độ bão trong dự báo tổ hợp 95

Hình 4.6 Phương án lựa chọn tối ưu nhất (màu trắng) các thành phần tổ hợp được

giữ lại, lọc bỏ các thành phần đánh dấu màu đỏ đối với dự báo vị trí XTNĐ phát triển tới cường độ bão trong dự báo tổ hợp 97

Hình 4.7 Phương án lựa chọn tối ưu nhất (màu trắng) các thành phần tổ hợp được

giữ lại, lọc bỏ các thành phần đánh dấu màu đỏ đối với dự báo khoảng thời gian phát triển trong dự báo tổ hợp 100

Hình 4.8 Biến đổi theo thời gian của các biến nhiệt động lực trung bình tương ứng

các tâm XTNĐ trong nhóm hình thành/phát triển (đường màu đỏ) và nhóm không hình thành/phát triển (đường màu xanh) Nền màu đỏ/xanh tương ứng là phạm vi độ lệch chuẩn của các biến nhiệt động lực trong hai nhóm Đối với nhóm hình thành/phát triển, mốc thời điểm 0 được xác định tại thời gian XTNĐ hình thành Đối với nhóm không hình thành, mốc thời điểm 0 tương ứng với thời gian khí áp mực biển đạt giá trị cực tiểu 100

Hình 4.9 Hàm phân bố xác suất của các biến động lực tại thời điểm hình thành

giữa nhóm phát triển (đường màu đỏ) và nhóm không phát triển (đường màu xanh) Giá trị t-score và xác suất p_value của kiểm nghiệm Student giữa hai chuỗi số liệu được thể hiện trong hình 103

Hình 4.10 Hàm phân bố xác suất của các biến nhiệt động lực tại thời điểm hình

thành giữa nhóm phát triển (đường màu đỏ) và nhóm không phát triển (đường màu xanh) 103

11

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) được đặc trưng bởi một tâm khí áp thấp và hoạt

động dông có tổ chức cùng hoàn lưu gió bề mặt hướng xoáy thuận, thường đi kèm với gió mạnh và mưa lớn [115] XTNĐ có thể được phân chia bởi cấu trúc động lực và cường độ trong suốt quá trình tồn tại Các giai đoạn khác nhau trong sự phát triển của XTNĐ thường nối tiếp nhau một cách tuần tự, từ nhiễu động nhiệt đới cho tới áp thấp nhiệt đới, bão, bão mạnh, bão rất mạnh và siêu bão Trong đó, giai đoạn hình thành XTNĐ liên quan tới quá trình chuyển biến từ nhiễu động nhiệt đới tới áp thấp nhiệt đới Sự tăng cường về cường độ từ áp thấp nhiệt đới cho tới khi hình thành bão và tới các cấp bão cao hơn là giai đoạn phát triển của XTNĐ Sự hình thành và phát triển của XTNĐ được nhận định là một trong những vấn đề mang tính phức tạp nhất của khí quyển Quá trình này gây ra bởi tương tác giữa các quá trình động lực - nhiệt động lực trên những quy mô khác nhau, từ môi trường quy mô lớn cho tới các hoạt động đối lưu quy mô vừa và các quá trình diễn ra trong lớp biên khí quyển [40, 72, 120, 139, 150]

Nhiều thập kỷ sau nghiên cứu mang tính định hướng của Gray [59], sự hình thành và phát triển của XTNĐ đã dần trở thành một trong những vấn đề nghiên cứu phổ biến trong lĩnh vực khoa học khí quyển miền nhiệt đới Tuy nhiên, số lượng công bố khoa học vẫn chưa cân đối so với những chú ý được đổ dồn về XTNĐ trưởng thành hoặc bão Quá trình hình thành XTNĐ tương ứng với sự phát triển ban đầu của xoáy lõi nóng, có khả năng tự duy trì, không thể nào thiếu sự tồn tại của hoạt động đối lưu có tổ chức, liên tục và sự hội tụ mực thấp [61] Quan trắc cho thấy, nhiễu động nhiệt đới có thể hình thành và tồn tại rất nhiều ngoài đại dương, nhưng chỉ một vài trong số chúng mới thực sự có khả năng phát triển thành XTNĐ [71, 72] Điều này đòi hỏi chúng ta cần xác định khả năng biến đổi của một nhiễu động yếu dạng sóng trở thành xoáy hạt nhân ban đầu có khả năng hình thành và phát triển thành XTNĐ, cả về thực tiễn và lý thuyết Bất kỳ tương tác nào giữa các dao động trong khí quyển và đại dương đều có thể tạo điều kiện thuận lợi hoặc ngược lại làm suy yếu những nhiễu động đơn lẻ Nghiên cứu lý

12 thuyết về quá trình phát triển của XTNĐ cho tới giờ vẫn là một vấn đề khó giải quyết, mặc dù đã có rất nhiều giả thuyết được trình bày với nỗ lực phân tích những vấn đề tồn tại trong hệ thống XTNĐ ở giai đoạn này [86, 149, 155] Một trong những lí do là trong thực tế, quá trình hình thành XTNĐ thường xuất hiện trên đại dương, nơi hệ thống dữ liệu quan trắc như radar, thám không và quan trắc bề mặt thường rất ít và phân bố rải rác Điều này dẫn tới những hạn chế trong công tác dự báo và cảnh báo XTNĐ trong nghiệp vụ Cùng với sự phát triển của hệ thống máy tính, các mô hình số trị ứng dụng trong dự báo thời tiết đã mang tới dấu hiệu khả quan cho dự báo XTNĐ [176] Các phương pháp đồng hóa số liệu và phương pháp tổ hợp được xây dựng trên các mô hình dự báo cố gắng cải thiện chất lượng và giảm thiểu sai số dự báo [98, 129] Việc này đặt ra câu hỏi về khả năng kết hợp hai phương pháp này có tiềm năng dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ tốt hơn hay không

Biển Đông thuộc một phần của vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương là vùng biển nửa kín bao quanh bởi 9 quốc gia, trong đó có Việt Nam Đây là một vùng biển có XTNĐ hoạt động rất thường xuyên Với mật độ dân số lớn tại những vùng đảo, quần đảo xung quanh Biển Đông cùng hoạt động đánh bắt cá và tàu thuyền dày đặc, những thiệt hại gây ra bởi XTNĐ ở Biển Đông có thể trở nên rất nghiêm trọng mặc dù thời gian tồn tại rất ngắn trước khi đổ bộ vào đất liền Gió giật và mưa lớn gây ra bởi XTNĐ có thể gây ra những thảm hoạ nghiêm trọng về người và của Thông qua đánh giá về mức độ tổn thương đối với hoạt động XTNĐ, Nguyen và ccs [125] đã nhận định phần lớn bờ biển Việt Nam có xu hướng dễ bị ảnh hưởng trên mức cao và rất cao Nghiên cứu về điều kiện hình thành của hoạt động XTNĐ trên Biển Đông là một bước tiến quan trọng trong cảnh báo những thảm hoạ tự nhiên, nhất là trong điều kiện biến đổi khí hậu toàn cầu và nước biển dâng [17, 41, 91]

Tất cả những vấn đề trên chứng minh việc dự báo XTNĐ và sự hình thành, phát triển của chúng trở nên rất cấp thiết trong nghiên cứu khoa học khí quyển, không chỉ bởi những thiệt hại nghiêm trọng về hệ sinh thái và con người, mà còn bởi những ý nghĩa, ứng dụng thực tiễn mà chúng đem lại Từ các nghiên cứu trong nước và trên thế giới, cũng như xuất phát từ thực tiễn trên Biển Đông, nghiên cứu

13

sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ

trên khu vực Biển Đông bằng mô hình số” làm đối tượng nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

- Thiết lập được hệ thống đồng hóa tổ hợp cho mô hình dự báo thời tiết khu vực để dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trên khu vực Biển Đông hạn 5 ngày

- Đánh giá được tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống được thiết lập để dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông

- Dự báo được khả năng hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông hạn 5 ngày bằng hệ thống dự báo tổ hợp và có thể kết hợp với phương pháp xử lí thống kê phù hợp

3 Đối tượng nghiên cứu đề tài

Đối tượng nghiên cứu chính của luận án: - Khả năng hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông; - Khả năng dự báo xác suất hình thành và phát triển tới cường độ bão của XTNĐ; - Khả năng dự báo thời gian và vị trí hình thành và phát triển tới cường độ bão

của XTNĐ

4 Phạm vi phân tích, nghiên cứu luận án

Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phân tích, dự báo các XTNĐ hình thành và phát triển ngay trên khu vực Biển Đông giai đoạn từ 2012 – 2019 - Khu vực nghiên cứu: khu vực Biển Đông được giới hạn bởi vùng không gian

từ 100º - 125º kinh Đông và 0º - 25º vĩ Bắc, được quy định theo Phụ lục 1, Quyết định số 03/2020/QĐ-TTg ngày 13/1/2020 của Thủ tướng Chính phủ - Hạn dự báo: 5 ngày

5 Phương pháp phân tích, nghiên cứu đề tài

Trong quá trình triển khai nghiên cứu đề tài luận án, nghiên cứu sinh sử dụng các phương pháp sau:

- Phương pháp tổng hợp để tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và trên thế giới liên quan đến đề tài và những lý thuyết về sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên toàn cầu và khu vực Biển Đông nói riêng;

14 - Phương pháp số trị: Mô hình Dự báo và Nghiên cứu thời tiết WRF; - Phương pháp đồng hoá số liệu và phương pháp tổ hợp: Phương pháp đồng hoá

biến phân 3 chiều (3DVAR) và lọc Kalman tổ hợp biến đổi địa phương (LETKF);

- Phương pháp hồi quy logistic đa biến từ sản phẩm của mô hình số trị, kết hợp phân tích và kiểm nghiệm thống kê;

- Phương pháp lập trình mô phỏng, đánh giá, so sánh để xác định cấu trúc XTNĐ và phân tích số liệu; phương pháp xử lí sản phẩm dự báo để đánh giá tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp dự báo động lực

6 Luận điểm bảo vệ của luận án

1) Việc đồng hóa tổ hợp đa vật lý có thể tối ưu hóa khả năng dự báo sự hình thành của XTNĐ trên Biển Đông hạn 5 ngày Chất lượng dự báo sự hình thành XTNĐ liên quan trực tiếp đến mức độ chi tiết của trường ban đầu nhờ việc đồng hóa thông tin môi trường quy mô lớn qua các chu trình dự báo

2) Việc dự báo sự phát triển của XTNĐ đạt tới cường độ bão trên Biển Đông sử dụng sản phẩm của hệ thống đồng hóa tổ hợp có thể thực hiện được nếu kết hợp với các phương pháp xử lí thống kê phù hợp Phương pháp hồi quy logistic mang lại hiệu ứng tích cực đến sự giảm sai số dự báo xác suất XTNĐ phát triển thành bão, nhân tố dự báo được lựa chọn từ sản phẩm mô hình

7 Những đóng góp mới của luận án

1) Luận án đã thiết lập hệ thống dự báo tổ hợp kết hợp hai phương pháp đồng hóa số liệu LETKF - 3DVAR và áp dụng thành công vào dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ hạn 5 ngày trong giai đoạn 2012 – 2019 trên khu vực Biển Đông 2) Luận án đã chứng minh được tầm quan trọng của việc đồng hóa bộ số liệu bổ

sung gió vệ tinh AMV đối với khả năng mô tả chi tiết điều kiện môi trường quy mô lớn trong việc dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông

3) Trên cơ sở đánh giá khả năng phát triển thành bão từ các đặc trưng nhiệt động lực học của XTNĐ tại giai đoạn hình thành, luận án đã xây dựng phương trình hồi quy logistic dự báo xác suất phát triển của XTNĐ trên Biển Đông hạn 5 ngày từ sản phẩm của hệ thống dự báo

15

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

1) Ý nghĩa khoa học - Kết quả của luận án đã chỉ ra tầm quan trọng của việc đồng hóa tập số liệu bổ

sung trong quy trình dự báo Cụ thể hơn, kết quả này không chỉ bổ sung chi tiết thông tin của môi trường quy mô lớn mà còn giúp cải thiện sự hiểu biết về các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của XTNĐ

- Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện môi trường quy mô lớn đến cấu trúc nhiệt động lực trong XTNĐ được mô tả trong mô hình số trị có giá trị tham khảo để cải tiến các phương pháp xác định XTNĐ trong giai đoạn sớm

2) Ý nghĩa thực tiễn - Phương pháp thiết lập hệ thống đồng hóa tổ hợp kết hợp giữa sơ đồ LETKF và

3DVAR đối với mô hình dự báo thời tiết khu vực WRF trong luận án là một phương pháp mới và có thể giúp cải thiện độ chính xác của dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ

- Luận án cho thấy tiềm năng khai thác và sử dụng sản phẩm của hệ thống đồng hóa tổ hợp để dự báo khả năng hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông Các sản phẩm dự báo từ hệ thống đồng hóa tổ hợp và kết hợp mô hình hồi quy logistic có tiềm năng ứng dụng trong công tác dự báo, góp phần cung cấp những cảnh báo cho công tác ứng phó với các tình huống thời tiết nguy hiểm, đặc biệt là trong việc quản lý rủi ro và đối phó với bão lũ

9 Cấu trúc của luận án

Ngoài các mục mở đầu, danh mục bảng biểu và hình ảnh, tài liệu tham khảo và phụ lục,… luận án bao gồm những nội dung chính sau đây:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA XTNĐ TRÊN BIỂN ĐÔNG

Trong chương này, luận án đề cập đến cơ sở lý thuyết về sự hình thành và phát triển của XTNĐ trong các nghiên cứu trên thế giới và tại khu vực với các vấn đề về: (1) Lý thuyết cơ sở về sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Biển Đông; (2) Các phương pháp dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ Từ đó, luận án đề cập tới

16 khả năng dự báo bằng phương pháp số trị với hệ thống dự báo đồng hóa tổ hợp làm phương pháp nghiên cứu

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU

Trong chương này, luận án mô tả chi tiết thiết lập xây dựng hệ thống đồng hóa tổ hợp cho mô hình khu vực WRF từ phương pháp LETKF và 3DVAR để tối ưu hóa khả năng dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Biển Đông; nguồn số liệu dự báo toàn cầu và số liệu quan trắc được sử dụng đồng hóa và đánh giá; các phương pháp đánh giá dự báo, nghiên cứu, phương pháp đánh giá chất lượng đối với dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông; phương pháp xây dựng phương trình hồi quy logistic để dự báo khả năng phát triển của XTNĐ dựa trên sản phẩm của mô hình động lực

CHƯƠNG 3 THỬ NGHIỆM DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI WUTIP (2013)

Trong chương này, luận án sẽ tiến hành đánh giá chi tiết khả năng dự báo sự hình thành XTNĐ Wutip (2013) trên Biển Đông bằng hệ thống đồng hóa tổ hợp Cụ thể, luận án đánh giá những cải tiến đối với dự báo sự hình thành Wutip khi thực hiện đồng hóa tập hợp số liệu bổ sung có số liệu gió vệ tinh mực cao CIMSS-AMV Kết quả này sẽ là cơ sở để luận án tiến hành áp dụng hệ thống đồng hóa tổ hợp với thiết lập tối ưu nhất cho toàn bộ các XTNĐ hình thành trên Biển Đông giai đoạn 2012 – 2019

CHƯƠNG 4 ĐÁNH GIÁ DỰ BÁO SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN XTNĐ TRÊN BIỂN ĐÔNG HẠN 5 NGÀY TRONG GIAI ĐOẠN 2012 – 2019

Luận án đánh giá hệ thống đồng hóa tổ hợp dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Biển Đông của 45 XTNĐ trong giai đoạn 2012 – 2019 hạn dự báo trước 5 ngày Các yếu tố dự báo được thực hiện đánh giá bao gồm: xác suất XTNĐ hình thành và phát triển; thời gian và vị trí hình thành và phát triển Ngoài ra, trên cơ sở đánh giá một số đặc trưng động lực và nhiệt động lực của XTNĐ hình thành và phát triển từ sản phẩm dự báo, luận án tiến hành xây dựng mô hình hồi quy logistic dự báo khả năng phát triển của XTNĐ đạt cường độ bão

17

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong phần Kết luận, luận án trình bày tóm tắt các kết quả và những điểm mới đã đạt được của luận án Phần Kiến nghị sẽ trình bày những vấn đề còn tồn tại và kiến nghị những hướng giải quyết tiếp tục nghiên cứu sau khi sử dụng kết quả của luận án

1.1.1 Định nghĩa về sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

Xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) là một vùng gió xoáy hình thành trên vùng biển nhiệt đới, gió thổi xoáy vào trung tâm hướng ngược chiều kim đồng hồ (ở Bắc Bán Cầu), khí áp trong XTNĐ thấp hơn xung quanh, có mưa, đôi khi kèm theo dông, tố, lốc Đây là định nghĩa quy định tại Khoản 1 Điều 4 Quyết định 03/2020/QĐ-TTg và được sử dụng phổ biến trong các cơ quan nghiệp vụ tại Việt Nam

Thuật ngữ “nhiệt đới” mô tả nguồn gốc địa lý của những hệ thống này, nơi những xoáy thuận hình thành chủ yếu trên các vùng biển nhiệt đới, và từ các khối khí đại dương nhiệt đới Thuật ngữ “xoáy thuận” mô tả đặc trưng XTNĐ, với chuyển động xoáy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và theo chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu

Từ một nhiễu động nhiệt đới ban đầu, trong điều kiện thuận lợi các XTNĐ mạnh dần lên lần lượt trải qua các quá trình trở thành áp thấp nhiệt đới, bão, bão mạnh, bão rất mạnh và siêu bão (phân cấp theo Quyết định số 18/2021/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ)

- Nhiễu động nhiệt đới: một hệ thống thời tiết với đối lưu có tổ chức (thường

quy mô đường kính 200 – 600km) ở vùng biển nhiệt đới và cận nhiệt đới, không có front, tồn tại từ 24 giờ trở lên

- Áp thấp nhiệt đới: một XTNĐ yếu với hoàn lưu mặt đất giới hạn bởi một hay

một số đường đẳng áp khép kín và có gió mạnh nhất vùng gần tâm xoáy (lấy trung bình trong một khoảng thời gian) cấp 6 – 7 (11 – 17 m/s)

- Bão: XTNĐ với các đường đẳng áp khép kín, gió mạnh nhất vùng gần tâm

xoáy từ cấp 8 trở lên (17 m/s) và có thể có gió giật Bão có sức gió mạnh nhất

19 vùng gần tâm từ cấp 10 đến cấp 11 gọi là bão mạnh, từ cấp 12 đến cấp 15 gọi là bão rất mạnh, từ cấp 16 trở lên gọi là siêu bão

Sự hình thành XTNĐ là một thuật ngữ thường được sử dụng trong lĩnh vực khí tượng, mô tả chuỗi những quá trình vật lý mà một xoáy thuận lõi nóng, có quy mô vừa hoặc quy mô synop phát triển cho tới khi đạt được những đặc trưng của một XTNĐ [139] Theo Montgomery, một định nghĩa hoàn chỉnh về sự hình thành và phát triển của XTNĐ vẫn chưa được thống nhất, còn phụ thuộc vào hoàn cảnh, phương pháp cũng như đặc thù nghiên cứu [121] Kế thừa những nghiên cứu mang tính lý thuyết về sự hình thành XTNĐ, theo định nghĩa của Briegel [20]; Ritchie [138, 139]; và Montgomery [121], giai đoạn hình thành XTNĐ được nghiên cứu trong luận án tương đương với quá trình chuyển biến từ nhiễu động nhiệt đới tới áp thấp nhiệt đới

Thuật ngữ “sự phát triển của XTNĐ” là quá trình tiếp nối của sự hình thành XTNĐ Trong khuôn khổ của luận án, sự phát triển của XTNĐ được giới hạn trong quá trình tăng cường về cường độ (tốc độ gió cực đại) của áp thấp nhiệt đới cho tới hình thành bão mà không xem xét tới sự chuyển đổi ở các cấp XTNĐ cao hơn như bão mạnh, bão rất mạnh, siêu bão Lý do cho sự giới hạn này là mục tiêu luận án tập trung vào nghiên cứu dự báo khả năng phát triển hay suy yếu của áp thấp nhiệt đới trong những giai đoạn ban đầu, và cường độ bão là dấu hiệu đầu tiên cho thấy khả năng phát triển này

1.1.2 Các điều kiện cơ bản thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

Emanuel [45] tổng kết 6 điều kiện thuận lợi cho sự hình thành và phát triển của XTNĐ như sau:

(1) Nhiệt độ bề mặt biển (SST) lớn: vùng biển có SST ít nhất 26˚C để tạo điều kiện cho sự bất ổn định có điều kiện và bốc hơi giải phóng ẩn nhiệt, do đó cung cấp năng lượng cho XTNĐ

(2) Lớp xáo trộn bề mặt biển đủ lớn: tích trữ lượng nhiệt lớn, trong đó độ sâu lớp xáo trộn trong trường hợp có bão sâu hơn bình thường khoảng vài trăm mét

20 (3) Độ ẩm tương đối cao ở phần dưới và giữa tầng đối lưu: Nếu độ ẩm tương đối ở mực 500mb nhỏ hơn 40% thì XTNĐ không thể hình thành Với khả năng tích trữ ẩm của không khí nóng và điều kiện bất ổn định kích thích dòng thăng phát triển, lượng ẩm ngưng kết có thể tạo thành các đám mây giải phóng ẩn nhiệt cung cấp năng lượng cho xoáy

(4) Độ đứt gió thẳng đứng yếu: cho phép lượng ẩm và nhiệt được tập trung lại trong khu vực ngưng kết mây đối lưu, ngược lại độ đứt gió lớn làm phân tán nhiệt và ẩm khỏi nhiễu động Gray [60] tính độ đứt gió thẳng đứng thông qua độ lớn hiệu giữa gió tây – đông mực 200mb và 850mb (V200 – V850), thông thường lấy ngưỡng nhỏ hơn 8 m/s là điều kiện thuận lợi cho sự hình thành XTNĐ

(5) Độ xoáy tương đối mực thấp giá trị lớn (6) Thông số Coriolis đủ lớn để tạo xoáy: thông thưởng xoáy thuận hình thành ở 5˚ - 20˚ vĩ 2 bán cầu

Trong đó, ba điều kiện đầu tiên thể hiện yếu tố nhiệt động lực, trong khi ba điều kiện sau đó là các yếu tố động lực Tuy nhiên, các điều kiện trên thông thường ít biến đổi theo ngày nên rất khó dự báo Các điều kiện (1), (2), (3) thường thay đổi rất chậm theo mùa và ít được sử dụng để dự báo hàng ngày khả năng phát triển của nhiễu động Trong khi các điều kiện (4), (5), (6) là các yếu tố được sử dụng để dự báo theo ngày Tuy nhiên, các điều kiện này vẫn chưa đảm bảo chắc chắn là XTNĐ có thể hình thành Bên cạnh đó, rất nhiều điều kiện đặc biệt khác có thể xảy ra, tạo điều kiện thuận lợi hay ngăn cản sự phát triển của các nhiễu động nhiệt đới

Bài toán về sự hình thành XTNĐ được chia thành hai giai đoạn Giai đoạn thứ nhất là sự tổng hợp các điều kiện ban đầu của môi trường trong quy mô synop và quy mô vừa , và giai đoạn thứ hai là sự kiến tạo và tổ chức hoá các xoáy quy mô XTNĐ ở quy mô vừa  [82, 114]:

1) Sự hình thành môi trường quy mô lớn, trong đó điều kiện môi trường trở nên thuận lợi cho sự hình thành xoáy

21 2) Sự hình thành cấu trúc bên trong tâm xoáy, trong đó các quá trình quy mô

vừa mang tính quyết định, đóng góp cho sự phát triển của hoàn lưu trong xoáy bão

Trong đó, nhiều nghiên cứu tập trung xây dựng và phân tích những mô hình lý thuyết cho giai đoạn thứ hai Hiện nay, có hai nhóm nghiên cứu phát triển hai ý tưởng đối lập nhau về quá trình hình thành và phát triển của XTNĐ trong giai đoạn này: (i) Sự phát triển từ trên xuống dưới (top-down): một xoáy hình thành ở phần giữa

tầng đối lưu (thường được giả thiết hình thành trong vùng mây tầng của hệ thống đối lưu quy mô vừa), bằng cách nào đó sinh ra hoàn lưu gần bề mặt bằng tác động “lan truyền xuống dưới”

(ii) Sự phát triển từ dưới lên trên (bottom-up): quá trình tăng cường cấu trúc xoáy của một xoáy quy mô vừa tồn tại ở khoảng dưới độ cao 3 km so với bề mặt, cùng với sự hình thành và tăng cường dị thường xoáy thế sơ cấp thông qua quá trình hợp xoáy trong vùng hoạt động của dòng giáng yếu

1.1.3 Sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới trên Biển Đông

Khu vực nghiên cứu – Biển Đông – thuộc một phần của vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương, phần lớn diện tích được bao xung quanh bởi đất liền và các đảo/quần đảo Diện tích của Biển Đông khoảng 3.5 106 km2, trải dài từ xích đạo tới vĩ độ 25 B và từ 100 Đ tới 125 Đ Việt Nam nằm ở ven bờ tây của Biển Đông, phạm vi khu vực Biển Đông được quy định theo Phụ lục 1, Quyết định số 03/2020/QĐ-TTg ngày 13/1/2020 của Thủ tướng Chính phủ Đây là một vùng biển có hoạt động XTNĐ hoạt động rất thường xuyên [57, 114, 165, 194] Về mặt khí hậu, Biển Đông nằm hoàn toàn trong miền biển nhiệt đới, chịu ảnh hưởng của hoàn lưu gió mùa châu Á chi phối điều kiện khí hậu

- Gió tây nam mùa hè bắt đầu ở Biển Đông từ khoảng cuối tháng 4, đầu tháng 5 từ phía nam và mở rộng tới toàn khu vực vào khoảng tháng 6

- Gió đông bắc mùa đông phía bắc Biển Đông vào tháng 9, tiến tới trung tâm vùng biển vào tháng 10 và bao trùm Biển Đông vào tháng 11 Gió mùa đông bắc thường suy yếu dần và kết thúc vào tháng 4

22 Hình 1.1 Ví trị hình thành XTNĐ (dấu sao) trên Biển Đông với (a) gió mùa mùa hè (Tháng 5 - 9) và (b) gió mùa mùa đông (Tháng 10 - 12) 176 XTNĐ hình thành vào các

tháng gió mùa mùa hè và 69 XTNĐ hình thành vào các tháng gió mùa mùa đông trong

giai đoạn 1945 – 2010 Nguồn: Lei Wang [166] Hoạt động gió mùa cũng ảnh hưởng tới số lượng và vị trí XTNĐ hình thành trên Biển Đông, trong đó XTNĐ thường hình thành tập trung ở khu vực Bắc Biển Đông vào mùa gió mùa mùa hè (xem Hình 1.1a) và ở khu vực Nam Biển Đông vào mùa gió mùa mùa đông (xem Hình 1.1b) Trong nhiều nghiên cứu, bão trên Biển Đông thường được gộp vào tổng số lượng bão hoạt động trên Tây Bắc Thái Bình Dương do vị trí địa lý và những hình thế thuận lợi hình thành bão có phần tương tự [32, 94, 166] Tuy nhiên, những cơn bão hình thành và phát triển trên Biển Đông có những khác biệt rất lớn về mặt cấu trúc so với những cơn bão trên vùng biển mở Tây Bắc Thái Bình Dương (TBTBD) [37, 87, 183], do cấu trúc địa hình đáy biển của khu vực này Mặc dù là một phần của Tây Bắc Thái Bình Dương, Biển Đông có cấu trúc địa hình đáy khác biệt rất lớn so với vùng biển mở, do đó đặc trưng tương tác biển - khí quyển cũng rất khác Do đó, những cơn XTNĐ hình thành trên Biển Đông có số lượng rất ít, trung bình chỉ khoảng 1,5 (0,5) số xoáy dạng XTNĐ bắt nguồn từ Biển Đông vào mùa hè (mùa đông), so với con số trung bình khoảng 5,3 (3) bắt nguồn từ Tây Bắc Thái Bình Dương ảnh hưởng tới Biển Đông [105] Theo

23 nghiên cứu của Đinh Bá Duy và ccs [3] , từ khoảng thời gian 1978 – 2015 có trung bình khoảng 25 tới 26 XTNĐ hoạt động mỗi năm trên khu vực TBTBD, còn trên biển Đông chỉ khoảng 11 tới 12 cơn trung bình mỗi năm (nhiều nhất là 14 cơn và ít nhất là 8 cơn)

Theo kết quả thống kê trong giai đoạn 1978 – 2015, khoảng 68% XTNĐ hoạt động trên khu vực Biển Đông tập trung vào các tháng 7 đến tháng 10 (trong đó khoảng 18,5% tập trung vào tháng 8, 9 và 16,5% tập trung vào tháng 7, 10) Đây cũng là giai đoạn mùa bão trên Biển Đông [166] Trong 426 XTNĐ hoạt động trên Biển Đông từ 1978 – 2015, chỉ khoảng 139 cơn (32,6%) phát triển được đến cường độ bão, và số lượng đạt được đến cường độ bão mạnh hoặc siêu bão còn ít hơn nữa

Như vậy, khu vực Biển Đông là một nơi thuận lợi cho sự hình thành của XTNĐ, nhưng khả năng phát triển của XTNĐ đạt tới cấp độ bão hoặc bão mạnh vẫn cần xét đến những yếu tố môi trường tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển Những nghiên cứu bắt đầu được phát triển gần đây đã chú ý tới những khác biệt về điều kiện khí hậu và hình thế môi trường quy mô lớn của các XTNĐ hình thành trên Biển Đông so với vùng biển mở Tây Bắc Thái Bình Dương

1.1.4 Gió mùa và môi trường thuận lợi cho sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Biển Đông

Rãnh gió mùa được xác định là một dải tương đối hẹp, hình thành từ một dải áp thấp nóng bề mặt mạnh lên và phát triển đến tầng đối lưu giữa nhờ có sự hội tụ vào rãnh của gió mùa tây nam và gió đông bắc [50, 93, 139] Do hình thế đặc thù, rãnh gió mùa là một hệ thống thời tiết quy mô synop rất quan ảnh hưởng trực tiếp tới sự hình thành và phát triển XTNĐ ở Biển Đông Nghiên cứu của Zong [193] với kỹ thuật xác định rãnh gió mùa mới cho thấy khoảng 43,1% hoạt động XTNĐ hình thành xung quanh khu vực này (so với 73% theo phương pháp cũ được xác định bởi Molinari [119]) XTNĐ có xu hướng hình thành nhiều hơn cả ở vùng rãnh đứt gió mùa (monsoon shear), so với khu vực đới hội tụ gió mùa (monsoon convergence) Cũng có kết luận tương tự, Yoshida và Ishikawa (2013) [181] sử dụng số liệu tái phân tích xác định hình thế của tất cả XTNĐ hình thành từ năm 1979 đến 2008 và

24 đưa ra thống kê 48% XTNĐ hình thành liên quan tới rãnh đứt gió mùa và đây là hình thế phổ biến nhất trong khu vực

Wu và Duan [171] đã so sánh những mô phỏng sử dụng trường gió chưa qua lọc tần số, gió toàn phần với gió đã qua lọc tần số thấp của các chuỗi XTNĐ hình thành trong rãnh gió mùa Họ phát hiện ra rằng những nhiễu động quy mô synop thường phát triển trong rãnh gió mùa, nơi có điều kiện dồi dào thành phần xoáy độ cong (curvature) tạo điều kiện các vùng xoáy thuận có thể sẵn sàng hợp lại với nhau tạo thành XTNĐ Môi trường rãnh gió mùa là nơi thuận lợi cho các hoạt động chuyển đổi nguồn năng lượng phi đoạn nhiệt thành động năng, và là nguồn năng lượng dồi dào cho sự hình thành và phát triển XTNĐ Hsieh [73] thực hiện một loạt các thử nghiệm bằng mô hình số, nhận thấy rằng các chuỗi xoáy hình thành liên tiếp trong khu vực rãnh gió mùa có thể được mô phỏng tốt hơn trong trường nền có độ xoáy lớn mực thấp Vùng rãnh gió mùa tăng cường thường đem lại độ xoáy lớn mực thấp, sự hội tụ, và độ ẩm dồi dào, tạo điều kiện cho sự phát triển của xoáy thuận Theo Fudeyasu và ccs [53], những XTNĐ hình thành trong rãnh gió mùa có độ ẩm mực thấp và mực giữa tầng đối lưu cao hơn so với XTNĐ hình thành từ nhiễu động sóng đông

Ngoài khu vực rãnh đứt gió mùa và đới hội tụ gió mùa, vùng xoáy gió mùa cũng là một điều kiện thuận lợi hình thành XTNĐ khu vực Biển Đông Các nghiên cứu cho thấy vị trí hình thành xoáy thường phụ thuộc vào kích thước của xoáy gió mùa [101, 172] Liang [101] nghiên cứu một số những mô phỏng lý tưởng hoá của sự hình thành trong xoáy gió mùa và phát hiện thấy rằng vùng phân tán năng lượng sóng Rossby ở phía đông nam của xoáy gió mùa có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình hình thành XTNĐ

1.2 Phương pháp dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

1.2.1 Tình hình dự báo sự hình thành và phát triển của xoáy thuận nhiệt đới

Ở Việt Nam, vai trò của dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ cũng như sự ảnh hưởng của XTNĐ được quan tâm ở rất nhiều lĩnh vực, bởi vì XTNĐ tiềm tàng nhiều thảm họa ảnh hưởng nhiều đến kinh tế và các vấn đề dân sinh Tuy

25 nhiên, do hệ thống quan trắc số liệu phân bố rải rác trong không gian, việc nghiên cứu sự hình thành và phát triển của XTNĐ còn gặp phải nhiều khó khăn Hiện nay, ở Việt Nam có một số phương pháp nghiên cứu chính để dự báo và theo dõi XTNĐ, bao gồm phương pháp thống kê, phương pháp synop và phương pháp số trị

1.2.1.1 Phương pháp thống kê

Mối quan tâm chính trong các nghiên cứu sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Biển Đông được thực hiện đánh giá thống kê trên các quy mô thời gian khác nhau, tập trung từ quy mô hạn vừa tới quy mô khí hậu Đối với quy mô khí hậu, đa phần các tác giả nghiên cứu trạng thái khí quyển của môi trường quy mô lớn ảnh hưởng tới số lượng XTNĐ hình thành trên Biển Đông trên một khoảng thời gian đủ dài Thông qua quá trình đánh giá dao động gió mùa từ năm 1948 – 2003, với tổng số 157 XTNĐ hình thành trên Biển Đông, Wang và ccs [163] đã đánh giá sự hình thành XTNĐ phụ thuộc vào hoạt động gió mùa quy mô lớn thông qua bốn thông số: nhiệt độ mặt biển (SST); độ ẩm tương đối mực giữa tầng đối lưu; độ đứt gió phương ngang và giá trị độ xoáy mực thấp Những nghiên cứu tương tự được thực hiện bởi nhiều nhà khoa học khác để tìm ra những ngưỡng xác định xoáy đủ điều kiện hình thành trên Biển Đông Ling và ccs [106] tập trung tìm ra những đặc điểm thống kê quan trọng phân biệt những XTNĐ hình thành ngay trên Biển Đông và những XTNĐ phát triển trên vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương Một số phương pháp thống kê phức tạp hơn cũng được sử dụng để dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ, thông qua một số thuật toán kết hợp các nhân tố dự báo Điển hình như nghiên cứu của Zhang và ccs [188] đã xây dựng mô hình cây quyết định (decision tree) trên thuật toán C4.5 để phân loại các nhiễu động nhiệt đới hình thành và không hình thành XTNĐ trên vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương Các tác giả nhận thấy rằng độ xoáy cực đại, nhiệt độ bề mặt biển, tốc độ giáng thủy, độ phân kỳ trung bình mực 1000 – 500 hPa và dị thường nhiệt độ mực 300 hPa là các nhân tố dự báo quan trọng có thể phân loại một nhiễu động có thể hay không phát triển So với các phương pháp dự báo số với tỉ lệ dự báo đúng chỉ nhỏ hơn 50% [64], cây quyết định có tỉ lệ dự báo tốt hơn (64%) ở các hạn dự báo ngắn (hạn 24 – 48 giờ)

26 đối với sự hình thành và phát triển XTNĐ Trong những năm gần đây, những cải tiến đáng kể về các thuật toán dự báo đã được thực hiện Ahijevych và ccs [13] sử dụng Random Forest để dự báo xác suất sự hình thành của XTNĐ từ các hệ thống đối lưu quy mô vừa Zhang và ccs [187] so sánh khả năng dự báo của các thuật toán phân lớp tuyến tính, phi tuyến tính và tổ hợp thống kê phi tuyến tính, sau đó nhận thấy rằng AdaBoost – một thuật toán phân lớp tổ hợp phi tuyến – có độ chính xác cao hơn khi so sánh dựa trên chỉ số tiềm năng hình thành GPI

Tại Việt Nam, Lê Đình Quang [9] đã tìm ra mối liên hệ giữa sự hình thành XTNĐ hiệu quả trên Biển Đông với trường nhiệt độ bề mặt biển > 28C Với mục tiêu nghiên cứu trường nhiệt động lực phù hợp để dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trên vùng biển Việt Nam, Hoàng Phúc Lâm [5, 6] đã xây dựng được bộ tám nhân tố với các giá trị thống kê thuận lợi cho sự hình thành XTNĐ, bao gồm: độ đứt gió theo chiều thẳng đứng của thành phần gió kinh hướng (1) và thành phần gió vĩ hướng (2) giữa hai mực 850 – 200 hPa; xoáy tương đối mực thấp (3); độ phân kỳ mực cao (4); năng lượng đối lưu tiềm năng CAPE (5); nhiệt độ thế vị tương đương (6); độ ẩm tương đối mực giữa tầng đối lưu (7) và nhiệt độ mặt nước biển (8) Nhóm tác giả Nguyễn Mạnh Linh và ccs [7] thực hiện khảo sát mối quan hệ giữa số lượng bão hình thành trên Biển Đông với chỉ số tiềm năng hình thành xoáy được xây dựng dựa trên các giá trị thống kê của nhiệt độ mặt biển, vận tốc tiềm năng, độ ẩm tương đối, độ đứt gió thẳng đứng và độ xoáy tuyệt đối Ứng dụng của các chỉ số ngưỡng khí hậu trên thường được dùng để xây dựng các phương trình hồi quy để dự báo khả năng xuất hiện XTNĐ Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là các ngưỡng thông số thường không ổn định, dễ dàng biến đổi theo tập số liệu phân tích và một số chỉ số nhiệt động lực có thể ít biến đổi theo thời gian và không gian

1.2.1.2 Phương pháp synop và ứng dụng sản phẩm viễn thám

Đối với phương pháp synop, nghiên cứu được thực hiện dựa trên phân tích hình thế quy mô lớn tương ứng với sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông Một số nghiên cứu tập trung vào sự hình thành XTNĐ trên Biển Đông gắn

27 liền với hoạt động của rãnh gió mùa Theo Yuan và ccs [182], có sáu hình thế điển hình hỗ trợ cho sự hình thành nhiễu động khởi đầu cho XTNĐ trên Biển Đông, bao gồm sự phân tán sóng Rossby do một XTNĐ hình thành trước đó; sóng synop lan truyền theo hướng tây bắc-đông nam; sóng đông Thái Bình Dương; xoáy Borneo; hình thế xoáy hình thành trên vùng độ đứt gió ngang, hoặc các loại khác Các hình thế này thường được phân tích trên trường gió và trường áp lọc dao động từ 3 – 10 ngày quy mô synop Nghiên cứu của Phạm Minh Tiến đã tổng hợp một số hình thế synop thuận lợi cho sự hình thành XTNĐ trên khu vực Biển Đông, bao gồm rãnh gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp rãnh gió mùa, hình thế gió mùa tây nam, sóng đông và một số loại hình thế đặc trưng khác [12]

Sự hình thành và phát triển của XTNĐ thường gắn liền với sự phát triển của hoạt động đối lưu có tổ chức quy mô vừa Do đó, quan trắc từ vệ tinh đóng vai trò rất quan trọng để xác định sự phát triển của XTNĐ trên khu vực đại dương rộng lớn, nơi các trạm quan trắc nằm rải rác và thường không cố định Phương pháp dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ bằng vệ tinh truyền thống được ứng dụng phổ biến rộng rãi tại các trung tâm dự báo nghiệp vụ là kĩ thuật Dvorak [38] Kỹ thuật Dvorak dựa vào việc phân tích các cấu trúc mây quan trắc từ ảnh hồng ngoại và ảnh thị phổ rồi so sánh tương đồng với bảng những mẫu mây tồn tại trong các XTNĐ điển hình

Tuy nhiên, kỹ thuật Dvorak cổ điển được xây dựng khi các thuật toán máy tính vẫn chưa phát triển và mức độ tin cậy chưa cao do vẫn còn phụ thuộc nhiều vào ý kiến chủ quan của người quan sát Do đó, các nhà nghiên cứu đã thực hiện một số cải tiến như bổ sung thêm các đặc trưng của mây, ứng dụng thuật toán máy tính, cải tiến với phương pháp Dvorak kĩ thuật số (Digital Dvorak) và phương pháp Dvorak khách quan [68, 126, 156] Các biến thể khác nhau của Dvorak đã được đưa vào ứng dụng nghiệp vụ và dự báo bão tại các trung tâm khí tượng trên thế giới, trong đó có Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương Kỹ thuật Dvorak khá hiệu quả khi dự báo cường độ bão khi bão đã phát triển hoàn toàn, với độ chính xác càng cao khi thành mắt bão xuất hiện rõ rệt trên những quan trắc vệ

28 tinh [88] Đối với dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trong những giai đoạn phát triển sớm, nhất là tại một vùng biển nửa kín như biển Đông khi hoạt động đối lưu thường riêng lẻ và không có tổ chức, do ảnh hưởng của địa hình bao quanh [34, 89, 124]

1.2.1.3 Phương pháp số trị

Phương pháp số trị (hay phương pháp động lực) được xây dựng dựa trên việc xấp xỉ hoá hệ các phương trình nhiệt động lực cơ bản mô tả trạng thái nhiệt động lực của khí quyển Các mô hình số trị tập trung vào việc sử dụng các kết quả quan trắc thời tiết hiện tại và quá khứ làm điều kiện ban đầu - điều kiện biên và tính toán xử lí thông qua hệ thống máy tính để dự báo trạng thái thời tiết tương lai Hệ các phương trình cơ bản nhất được sử dụng trong mô hình số trị được mã hoá trên hệ thống máy tính và sử dụng các phương pháp tính, các sơ đồ tham số vật lý cùng với điều kiện biên và điều kiện ban đầu đã qua xử lí trước khi được thiết lập để chạy trên một miền tính (một diện tích địa lý) Hầu hết tất cả các bước trong mô hình số trị bao gồm quá trình làm tròn số liệu, mô tả, xấp xỉ và điều hoà Mỗi một phương pháp số được sử dụng trong mô hình số trị tạo ra các kết quả khác nhau, chủ yếu là tại các quy mô nhỏ Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu tập trung vào quá trình cải thiện chất lượng dự báo số trị sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông với quy mô dự báo thời tiết hiện nay còn tương đối khiêm tốn

Với một số trường hợp điển hình, Park và ccs [131-133] sử dụng mô hình số trị WRF đã tìm ra tầm quan trọng của dự báo các hệ thống thời tiết quy mô vừa dao động ngày đêm gắn liền với địa hình khu vực Biển Đông đối với quá trình hình thành xoáy Với cách tiếp cận tương tự, Chen và ccs [29] tìm ra mối tương quan giữa hoạt động gió mùa mùa hè với việc hình thành XTNĐ sinh đôi trên Biển Đông và Biển Philippines trên hạn dự báo 5 ngày Các tác giả đã nhận định rằng hoạt động dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ trên Biển Đông có thể thực hiện với hạn dự báo lên tới 3 ngày

Tập trung vào nghiên cứu khả năng dự báo sự hình thành XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương sử dụng mô hình toàn cầu ECMWF với độ phân

29 giải 0.5, Liang và ccs [102, 104] thực hiện đánh giá khả năng dự báo đối với từng hình thế synop riêng biệt Các hình thế được nghiên cứu bao gồm rãnh đứt gió mùa (monsoon shear - SL, xem Hình 1.2a), đới hội tụ gió mùa (monsoon confluence zone – CR, xem Hình 1.2b), nhiễu động gió mùa (monsoon gyre – GY, xem Hình 1.2c), nhiễu động gió đông (easterly wave – EW, xem Hình 1.2d), và sự hình thành do một XTNĐ tồn tại trước đó (UCF, xem Hình 1.2d) Việc phân loại rõ ràng các hình thế cho phép tác giả nhận định rằng kĩ năng dự báo của hình thế liên quan tới rãnh đứt gió mùa có khả năng dự báo sự hình thành XTNĐ tốt hơn cả lên tới hạn dự báo 5 ngày Ngược lại, hình thế gió đông hoặc hình thế không phổ biến thường rất khó dự báo chính xác Khả năng dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ của mô hình toàn cầu đối với các tháng 5, 6, 9 và tháng 10 tốt hơn so với các tháng còn lại trong năm Bằng cách làm rõ những điều kiện động lực và nhiệt động lực quy mô lớn khi dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ gắn liền với hình thế nhiễu động do rãnh đứt gió mùa, các tác giả đã nhận thấy rằng các quá trình đối lưu ẩm là những nhân tố quan trọng nhất Hoạt động đối lưu sâu có thể tập trung từ 5 ngày trước khi hình thành gần khu vực tâm xoáy của nhiễu động nhiệt đới Hai ngày tiếp theo, rãnh gió mùa bắt đầu khơi sâu ở phần dưới tầng đối lưu và khu vực cực đại gió mực thấp bắt đầu phát triển xung quanh tâm XTNĐ Sự hình thành của XTNĐ dạng này có sự hỗ trợ của ẩn nhiệt gần bề mặt làm tăng cường momen động lượng và cường độ xoáy thuận trong vùng gần tâm Ở các mực trên cao, một khu vực xoáy nghịch dịch chuyển vào gần vị trí hình thành xoáy, làm giảm độ đứt gió bắt đầu từ 2 ngày trước khi hình thành, hoàn thiện một hệ thống hoàn lưu thứ cấp Với việc mô hình đã mô phỏng khá tốt những quá trình diễn ra trong sự hình thành và phát triển XTNĐ, các tác giả đánh giá rằng dự báo tốt môi trường quy mô lớn là nguyên nhân chính tăng cường tiềm năng ứng dụng mô hình số trị trong các trung tâm dự báo nghiệp vụ Nakano và ccs [46] khảo sát khả năng dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ trên Tây Bắc Thái Bình Dương sử dụng một mô hình dự báo phi thủy tĩnh Các tác giả kết luận rằng việc mô phỏng thành công môi trường quy mô lớn là điểm mấu chốt để dự báo tốt sự hình thành và phát triển XTNĐ trên khu vực

30 Hình 1.2 Vị trí hình thành XTNĐ trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương tương ứng

theo phân loại các hình thế thời tiết điển hình (trường khí áp mực biển và trường độ xoáy 850 hPa) phục vụ cho công tác đánh giá dự báo mô hình ECMWF

31 mô hình toàn cầu Những loại sai số kể trên được gọi là sai số điều kiện ban đầu và sai số mô hình [33, 110]

Điều khác biệt cơ bản giữa dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ so với dự báo quỹ đạo và cường độ bão, đó là việc nắm bắt những dấu hiệu của môi trường trong giai đoạn XTNĐ còn chưa có một cấu trúc rõ ràng [59] Do đó, hai vấn đề quan trọng nhất trong dự báo sự hình thành và phát triển XTNĐ là khả năng môi trường cung cấp tâm xoáy có tiềm năng hình thành/phát triển và thời gian-vị trí hình thành/phát triển của nhiễu động đó [52] Khả năng hình thành XTNĐ phụ thuộc rất lớn vào hoàn lưu khí quyển trên các quy mô khác nhau xung quanh cơn bão, mặc dù thực tế sự hình thành và phát triển của XTNĐ cũng sẽ tác động trở lại tới môi trường Môi trường quy mô lớn ảnh hưởng tới độ đứt gió và độ ẩm, có thể quyết định sự phát triển hay suy yếu các XTNĐ [20, 51] Sự hình thành và phát triển của XTNĐ cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khí tượng, các ổ mây đối lưu hình thành từ khu vực lục địa khá xa vị trí hình thành của các XTNĐ tại thời điểm ban đầu dự báo [131-133] Chính vì vậy, việc sử dụng phương pháp đồng hóa số liệu rất cần thiết, đặc biệt là số liệu quan trắc từ vệ tinh khí tượng

1.2.2.1 Phương pháp đồng hóa số liệu

Mục tiêu chung của các phương pháp đồng hóa số liệu là tạo ra trường ban đầu tối ưu từ việc kết hợp trường quan trắc và trường dự báo từ mô hình số, dựa trên cơ sở ước lượng độ bất định từ mối quan hệ động lực – thống kê [77, 110] Nền tảng của phương pháp đồng hóa số liệu trình bày sau đây được thiết lập từ nghiên cứu cơ bản của Ide và ccs [77] Cụ thể hơn, trường ban đầu tối ưu mô tả ước lượng tốt nhất của trạng thái khí quyển hiện tại, do đó được gọi là “trường phân tích” Giả sử ta có trường phân tích (t) tại một thời điểm t cho trước Trường phân tích này

được tích phân theo thời gian bởi mô hình động lực tạo ra giá trị dự báo cho trạng thái khí quyển tương lai:

( ) ⟦ ( )⟧ ( 1.1 ) Trường dự báo còn được gọi là trường nền, trường dự đoán ban đầu hoặc

thông tin cho trước để xác định trường phân tích ở thời điểm dự báo t + 1 Vì mô

32 hình là không hoàn hảo, trường phân tích ( ) cần được ước lượng từ việc

cập nhật trạng thái khí quyển tại thời điểm t + 1 trong chu trình đồng hóa tiếp theo

theo công thức sau:

( ) ( ) [ ( ( ))]( 1.2 ) Trong đó, H là toán từ quan trắc nội suy từ trường mô hình sang điểm quan

trắc; K là ma trận trọng số và là vectơ căng bởi các giá trị quan trắc

Đồng hóa số liệu đã có một lịch sử phát triển trong lĩnh vực khí tượng nói riêng và tiếp tục được cải tiến Nền tảng để thiết lập các phương pháp cải tiến đồng hóa số liệu dựa trên lý thuyết Bayes [109, 168]:

( | ) ( | ) ( )

( ) ( 1.3 ) Trong phương trình (1.3), ( | ) được gọi là hàm phân bố xác suất có điều kiện, xác suất xuất hiện của biến trạng thái khi cho biết quan trắc Đại lượng

( | ) cho biết phân bố xác suất của quan trắc khi cho trước biến trạng thái, ( )

là phân bố xác suất của biến trạng thái từ mô hình động lực, và P(y) là phân bố xác

suất của giá trị quan trắc Nếu như ta biết được các đặc trưng của hàm phân bố xác suất ( | ), chúng ta có thể xác định được phương pháp phân tích tối ưu Tuy nhiên, nhìn chung việc xác định một cách chính xác hàm phân bố xác suất là bất khả thi đối với các hệ thống đa quy mô và đa chiều như mô hình khí tượng Thay vì vậy, ta ước lượng các nghiệm xấp xỉ để xác định bản chất của hàm phân bố ( | ) Các phương pháp đồng hóa hiện nay có mục tiêu là xác định các nghiệm xấp xỉ đó bằng các cách tiếp cận khác nhau, thông dụng nhất và tiện lợi nhất là sử dụng phân bố chuẩn đối với ma trận sai số

Bài toán đồng hóa số liệu được giải quyết thông qua việc xây dựng các thuật toán cực tiểu hàm giá [80]:

( ) ( ) ( ) ( ( )) ( ( ))( 1.4 )

trong đó B là ma trận sai số trường nền, R là ma trận sai số quan trắc

Phương pháp đồng hóa số liệu khí tượng thông thường được chia thành hai loại: đồng hóa biến phân và đồng hóa dãy [35, 55] Cả hai phương pháp đồng hóa

33 biến phân và đồng hóa dãy đều tuân theo lý thuyết ước lượng, trong đó đặc biệt thuật toán đồng hóa biến phân thể hiện gần nhất những lý thuyết nguyên thủy [109] Ở Việt Nam, các sản phẩm dự báo số trị kết hợp với phương pháp đồng hóa biến phân đã được thử nghiệm và ứng dụng trong nghiệp vụ [1, 8, 10, 11] Phương pháp đồng hóa biến phân bao gồm các phương pháp đồng hóa biến phân 3 chiều (3DVAR) hoặc đồng hóa biến phân 4 chiều (4DVAR), trong khi phương pháp đồng hóa dãy phổ biến nhất là phương pháp lọc Kalman

1.2.2.2 Phương pháp dự báo tổ hợp

Những bất ổn định trong dự báo vị trí và cường độ XTNĐ khiến việc sử dụng phương pháp dự báo tổ hợp trở nên cần thiết hơn cả Về cơ bản, dự báo tổ hợp mang tới một bộ các kết quả có thể xảy ra và được sử dụng để đánh giá rủi ro Đối với các hệ thống dự báo tổ hợp, những tổ hợp thành phần khác nhau cơ bản về điều kiện ban đầu hoặc tổ hợp đa vật lý, mục tiêu là dự báo được tính bất ổn định của các hệ thống thời tiết và sai số do mô hình [4, 134] Những khác biệt giữa các thành phần dự báo tổ hợp tại cùng một thời điểm dự báo hoặc các khả năng khác nhau của cùng một sự kiện có thể cung cấp những thông tin quan trọng về tính bất ổn định Ví dụ, đối với trường hợp dự báo sự hình thành của XTNĐ có thể đem lại những thông tin về các khả năng hình thành xoáy, vị trí hình thành xoáy tiềm năng, và cấu trúc của xoáy trong những giai đoạn phát triển đầu tiên

Trung bình tổ hợp là một dự báo với sai số dự báo thấp hơn nhiều so với trường dự báo không được ban đầu hoá nhiễu, bởi vì những quy mô không dự báo được của chuyển động đã bị lọc đi trong trung bình tổ hợp và chỉ còn thông tin của những quy mô dự báo có thể phân giải được còn giữ lại [97] Với số lượng dự báo càng lớn, trung bình tổ hợp sẽ dần hội tụ tới trạng thái trung bình khí hậu Điểm kĩ năng của dự báo trung bình tổ hợp có thể ước lượng một mặt nào đó kĩ năng của hệ thống dự báo tổ hợp Tuy nhiên, nó không thể đánh giá thông tin về đặc tính bất ổn định được hàm chứa trong các sản phẩm tổ hợp Tất cả những đại lượng đánh giá dự báo tổ hợp phải đảm bảo nhấn mạnh được các khả năng khác nhau có thể xảy ra trong dự báo xác suất, đó là mức độ tin cậy và độ phân giải [123]

34 Ví dụ, ta xét tới bài toán có hay không khả năng hình thành XTNĐ trên Biển Đông trong vòng 5 ngày tới Một dự báo xác suất cho sự kiện này được cho là đáng tin cậy nếu tần suất tương đối diễn ra sự kiện này có xu hướng đạt tới giá trị p trong nhiều ngày dự báo, với [ ] là xác suất dự báo được khả năng hình thành Tổng quát hơn, chúng ta có thể xác định một điều kiện cho độ tin cậy của hệ thống dự báo tổ hợp với một biến trạng thái x: dự báo trước một hàm phân bố tích luỹ P(x), phân bố mẫu của trạng thái thực cần đạt tới P(x) trong một số trường hợp hữu

hạn Chúng ta có thể gọi dự báo tổ hợp này là tin cậy một cách hoàn hảo Định

nghĩa này có ý nghĩa với một dự báo tổ hợp có số vô hạn các thành phần tổ hợp Tuy nhiên, những tổ hợp thực với số thành phần tổ hợp hữu hạn không thể đáng tin cậy một cách hoàn hảo [135] Trong trường hợp này, ta có thể xác định mức độ ý nghĩa thống kê đối với dự báo tổ hợp kích thước hữu hạn nếu tất cả các dự báo thành phần và trạng thái thực của biến x đều độc lập và ngẫu nhiên lấy được từ phân bố P(x) Đây được gọi là một tổ hợp hoàn hảo [21], và mẫu có N giá trị của phân bố khí hậu sẽ tạo thành một tổ hợp hoàn hảo Dự báo tổ hợp hoàn hảo với số lượng vô hạn các thành phần tổ hợp thì tổ hợp hoàn hảo này sẽ có độ tin cậy hoàn hảo Độ tin cậy của một dự báo tổ hợp có thể được cải thiện thông qua quá trình điều chỉnh trên số liệu thống kê của các dự báo tổ hợp trong quá khứ tại cùng một vị trí và cùng một giai đoạn trong năm [14, 56]

Nếu đa phần các dự báo thành phần dự báo sự phát triển của một nhiễu động nhiệt đới, có nghĩa là xác suất sự kiện này thực sự diễn ra sẽ cao hơn, tương ứng với khả năng hình thành một áp thấp nhiệt đới hoặc một cơn bão [78] Các dự báo xác suất có độ tin cậy cao với phân bố hẹp sẽ có ích hơn rất nhiều so với các dự báo xác suất với phổ phân bố rộng, bởi phân bố dự báo hẹp sẽ giúp xác định tốt hơn sự kiện đó có xảy ra hay không Tuy nhiên, kể cả khi phân bố có phổ rộng có chứa những giá trị lệch khỏi phân bố khí hậu cũng mang tới thông tin dự báo tốt và có thể có ích đối với nhiều dự báo viên Kể cả đối với một dự báo tổ hợp hoàn hảo, chúng ta cũng không thể mong đợi độ tương quan rất cao giữa sai số dự báo trung bình tổ hợp và độ phân tán nếu hệ số tương quan này được tính toán cho từng trường hợp riêng lẻ

35 Hiện tại, việc sử dụng các dự báo tổ hợp trong dự báo sự hình thành và phát triển của XTNĐ đang trở nên phổ biến và chứng tỏ kĩ năng dự báo đáng tin cậy hơn so với việc sử dụng một mô hình duy nhất Một số trung tâm dự báo cung cấp thông tin về dự báo tổ hợp đối với dự báo XTNĐ, bao gồm các mô hình toàn cầu CMC (mô hình đa quy mô Canada), ECMWF-EPS (Trung tâm dự báo hạn vừa hạn dài châu Âu), GEFS, NAVGEM, UKMO-EPS,…

Với mục tiêu cải thiện chất lượng dự báo sự xuất hiện của XTNĐ hạn mùa trên khu vực Đại Tây Dương từ hạn dự báo 7 ngày, Michael và ccs [96] đã tiến hành xây dựng một bộ mô hình dự báo thống kê – động lực trên cơ sở thiết lập bộ các phương trình thống kê hiệu chỉnh sản phẩm dự báo tổ hợp của mô hình S2S ECMWF cho dự báo xác suất, với nhân tố dự báo là các chu trình mùa, các điều kiện tương tác đại dương - khí quyển vùng nhiệt đới, và các sóng khí quyển Phương pháp này đã cải thiện đáng kể chất lượng dự báo sự xuất hiện XTNĐ tới 5 tuần, nhưng lại có chất lượng kém hơn ở 2 tuần đầu Bên cạnh đó, một số nghiên cứu khác của các Li [100] và Wang [167] tập trung vào đánh giá khả năng dự báo sự hình thành XTNĐ trên hệ thống dự báo tổ hợp GEFS của Trung tâm dự báo môi trường Hoa Kỳ (NCEP) Hệ thống dự báo tổ hợp này được nhận định là đã nắm bắt tốt được đặc tính khí hậu của sự hình thành và phát triển XTNĐ trên các vùng biển nhiệt đới Tuy nhiên, các kết quả này mới chỉ dừng lại ở việc phân tích giá trị trung bình tổ hợp [100, 167] hoặc trung vị tổ hợp [96] mà không khảo sát tới độ bất ổn định trong các dự báo thành phần Một phần lí do cho sự giới hạn này đó là khối lượng dữ liệu dự báo phải xử lí quá lớn, tốn nhiều thời gian và bộ nhớ máy tính [46, 177]

Để đánh giá cụ thể hơn tính bất ổn định của mô hình dự báo tổ hợp, các nghiên cứu thông thường tập trung vào các trường hợp điển hình Majundar và Torn [112] đánh giá hiệu quả của mô hình dự báo tổ hợp thông qua tỉ lệ các thành phần tổ hợp dự báo đúng sự hình thành và phát triển XTNĐ trên mỗi hạn dự báo Tsai và ccs [154] sử dụng tổ hợp các quỹ đạo xoáy thuận đi qua điểm hình thành xoáy quan trắc để đánh giá tính bất ổn định Những nghiên cứu tương tự cũng được thực hiện bởi Rosimar và ccs [136, 137] dự báo và mô phỏng cho hai cơn bão Katia (2011) và Ophelia (2011) với 96 thành phần tổ hợp

36 Thực hiện đánh giá khả năng dự báo sự hình thành XTNĐ của hai mô hình dự báo tổ hợp toàn cầu ECMWF-EPS và UKMO-EPS trong giai đoạn 2018 – 2020 trên vùng biển Tây Bắc Thái Bình Dương, Đông Bắc Thái Bình Dương, và Bắc Đại Tây Dương, Zhang và ccs [189] đã nhận thấy rằng kĩ năng dự báo của các mô hình dự báo tổ hợp là tương đối tốt Xác suất dự báo sự hình thành XTNĐ có thể được cải thiện nếu như kết hợp tất cả các dự báo thành phần tổ hợp với nhau Nếu như một thành phần dự báo trong tổ hợp không dự báo đúng, nó cũng có thể đưa ra thông tin về sự tồn tại của vùng xoáy thuận Các tác giả nhận thấy với những dự báo đúng, mô hình dự báo thường mô tả nhiều nhiễu động nhiệt đới xung quanh tâm xoáy chính hơn so với những trường hợp dự báo khống Tỉ lệ dự báo đúng đã tăng gấp đôi so với mỗi dự báo thành phần tổ hợp ở hầu hết các chu trình dự báo trước 5 ngày trên cả hai hệ thống dự báo tổ hợp Hơn nữa, kết quả dự báo giữa các vùng biển nghiên cứu cũng cho thấy sự khác nhau, trong đó những XTNĐ hình thành ở Đại Tây Dương khó dự báo nhất bằng hệ thống dự báo tổ hợp, tỉ lệ dự báo đúng hạn 5 ngày chỉ khoảng 46% và 23% trong hệ thống dự báo toàn cầu UKMO-EPS và ECMWF-EPS

1.2.2.3 Phương pháp dự báo số trị với hệ thống đồng hóa tổ hợp

Với những cải tiến dự báo mô hình số bằng phương pháp đồng hoá số liệu và phương pháp dự báo tổ hợp, sự kết hợp giữa hai phương pháp này là rất cần thiết để cải thiện chất lượng dự báo thời tiết Theo nghĩa này, phương pháp lọc Kalman tổ hợp (EnKF) [47] được xây dựng có thể thoả mãn cả hai điều kiện trên trong cùng một thuật toán theo cách tốt nhất Thuật toán cho phương pháp EnKF được xây dựng dựa trên cách tiếp cận thống kê Monte – Carlo với phương pháp lọc Kalman [79] Hầu hết những phương pháp đồng hoá số liệu dưới dạng tổ hợp hiện nay đều được phát triển từ cải tiến phi tuyến của phương pháp lọc Kalman Phương pháp lọc Kalman tổ hợp biến đổi địa phương (LETKF) được phát triển tại Đại học Maryland [74] đã và đang được ứng dụng trong rất nhiều mô hình số trị, đặc biệt là mô hình Dự báo và Nghiên cứu thời tiết WRF Thuật toán LETKF được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa phương pháp lọc Kalman tổ hợp địa phương (LEKF) và lọc Kalman