vai trò và ảnh hưởng của máy tính đến sự phát triển của NWP

 Để dự báo thời tiết các nhà khí tượng đã sử dụng một số phương pháp khác nhau...  Đầu thế kỷ 20, những tiến bộ của sự hiểu biết về vật lý khí quyển dẫn tới sự hình thành của dự báo th

Giáo viên h ướ ng d n: NGUY N TH H NG NG ẫ Ễ Ị Ồ Ự

N i dung ộ

Gi ớ i thi u m t s ph ệ ộ ố ươ ng pháp d báo ự

L ch s phát tri n c a mô hình d báo s tr ị ử ể ủ ự ố ị

B ướ c ti n đ u tiên c a ph ế ầ ủ ươ ng pháp s tr ố ị

Vai trò và nh h ả ưở ng c a máy tính đ n d ủ ế ự báo th i ti t ờ ế

 Để dự báo thời tiết các nhà khí tượng đã sử dụng một số phương pháp khác nhau

 Vilhelm Bjerknes là giáo sư về cơ học ứng dụng và vật lí toán học tại Đại học Stockholm Nhà vật lý người Nauy này được gọi là cha đẻ của khí tượng học hiện đại

 Đầu thế kỷ 20, ở Na Uy có một nhóm các nhà khí tượng, đứng đầu là Vilhelm Bjerknes đã phát triển một mô hình để giải thích sự hình thành, tăng cường và tan rã (vòng đời) của các xoáy thuận ngoại nhiệt đới, đã đưa ra ý tưởng về front, là đường biên giữa các khối khí Nhóm cũng bao gồm Carl-Gustaf Rossby (người đầu tiên giải thích các chuyển động qui mô lớn khí quyển trên quan điểm của động lực học chất lỏng), Tor Bergeron (người đầu tiên đưa ra cơ chế hình thành mưa)

 Đầu thế kỷ 20, những tiến bộ của sự hiểu biết về vật lý khí quyển dẫn tới sự hình thành của

dự báo thời tiết bằng phương pháp số hiện đại Vào năm

1922, Lewis Fry Richardson đã xuất bản cuốn Dự báo thời tiết bằng quá trình số trị, trong đó

đã miêu tả những số hạng nhỏ trong các phương trình động lực học chất lỏng có thể được

bỏ qua để có thể tìm được các nghiệm số Tuy nhiên, số lượng tính toán quá lớn khi đó và không thể thực hiện được trước khi các máy vi tính xuất hiện.

bộ óc tính toán nhằm bắt kịp diễn tiến của thời tiết trên Trái Đất Có một người điều khiển đứng giữa quả cầu làm nhiệm

vụ điều phối màu ánh sáng.)

 1946 Jonh Von Neumann thành lập

dự án máy tính điện tử tại ISA (Institude For Advance Study) trong Priceton, New Jersey Toàn

bộ dự án đã thiết kế và xây dựng nên một máy tính điện tử vượt xa khả năng của những máy tính điện

tử trước đó

 Năm 1948, John von Neumann tập hợp một nhóm các nhà khí tượng lý thuyết tại viện nghiên cứu cao cấp

ở Princeton, New Jersey Đứng đầu nhóm là Jule Charney Nhóm của ông đã xây dựng thành công mô hình toán học của khí quyển và chứng tỏ dự báo thời tiết số trị là hữu dụng

Họ đã dùng máy tính điện tử trong dự án của mình

Có thể nói dự báo thời tiết là một trong số 3 động lực đẩy mạnh việc thành lập dự án máy tính điện tử, hai trong số đó là phương pháp số trị và kĩ thuật công trình ( theo Goldstine 1972)

2 đặc trưng đặc biệt quan trong trong cấu trúc của máy tính đang được xây dưng là:

- Những chương trình của máy tính được lưu giữ ở bộ nhớ trong

- Máy tính là một cấu trúc song song

Đặc trưng đầu tiên cho phép máy tự động cập nhật

Đặc trưng thứ 2, xử lý toàn bộ những con số trong cùng một thời điểm

Hai đặc trưng này gần như là đặc điểm chung phổ biến cho tất cả các máy tính điện tử hiện đại.

 1950 Charney Et Al đã chạy thành công mô hình dự báo thời tiết

trên ENIAC ( electronic numerical integrator and computer)

 Đến giữa thập niên 1950, các thí nghiệm số trở nên dễ dàng hơn với sự trợ giúp của máy tính Các dự báo thời tiết đầu tiên bằng phương pháp số đã sử dụng các mô hình chính áp(với một mực thẳng đứng) và đã dự báo các chuyển động qui mô lớn của sóng Rossby vùng vĩ độ trung bình một cách thành công

 ENIAC được phát triển bởi The Moore School Of Electrical Engineering ở trường đại học của Pennsylvania.Với mô hình đơn giản nhất _The Barotropic phải mất 24h để dự báo cho 1 ngày trên ENIAC.Còn trên máy IAS chỉ ít hơn 5 phút

ENIAC

( electronic numerical integrator and computer)

ENIAC

( electronic numerical integrator and computer)

 Sau chiến tranh thế giới 2 người ta mới thấy được tầm quan trọng của dự báo thời tiết.

 Một loạt các kế hoạch liên tục của The U.S Weather Bureau, The Air Weather Service của lực lượng hàng không Mỹ, và The Naval Weater Service yêu cầu cần phải có một máy tính thương mại có khả năng tương tự ISA ,có khả năng dự báo thời tiếi với một số lượng lớn

 1/7/1954 JNWPU ( Joint Numerical Weather Prediction Unit )

đuợc thành lập

Fred Shuman (trái ) và Otha Fuller

với máy IBM 701 là máy tính đầu

tiên sử dụng JNWPU (Joint

Numerical Weather Prediction

Unit) để cho ra kết quả tính toán dự

báo thời tiết số trị (JNWPU cho kết

quả dự báo số trị 2 lần một ngày )

 3/1955 dòng máy IBM

701 ra đời và mùa hè năm đó nó được sử dụng

để dự báo thời tiết bằng phương pháp số trị ( 2 lần 1 ngày).

 Có thể nói mô hình NWP hiện đại bắt đầu với sự phát minh

ra máy tính điện tử hiện đại và sự cải tiến sau đó của NWP

đã bước đầu bắt kịp bởi sự tiến bộ của kỹ thuật máy tính.

 Máy tính đóng một vai trò hết sức lớn trong NWP và với những kỹ thuật hỗ trợ của nó.Ngày nay máy tính có mặt khắp nơi, nó hầu như là một phần của tất cả kỹ thuật hiện đại

 Những siêu máy tính mạnh không chỉ có khả năng giải quyết những hoạt động phức tạp rắc rối trong mô hình NWP với sự phức tạp cao mà nhiều loại máy tính còn gắn liền với những hỗ trợ kỹ thuật như quan sát và truyền đạt tin tức.

 Ngày nay khả năng quan sát của chúng ta ít bị giới hạn nhất

là nhờ có những siêu máy tính,các mô hình ứng dụng được chạy trên chúng và đưa ra các kết quả.

 Từ năm 1952 đã có những bước tiến đột phá trong kĩ thuật máy tính:

 Trung tâm khí tượng học quốc gia đã dùng qua 6 đời siêu máy tính trong suốt 33 năm ( IBM701, IBM704, IBM7094, CDC

6600, IBM 360/195, và Cyber 205 )

 Những đời sau của siêu máy tính luôn mạnh hơn đời trước đó ,ví

dụ như Cyber205mạnh gấp 10.000lần so với IBM 701 Những máy tính mạnh tiếp túc phát triển sau đó, bây giờ trên thị trường còn có nhiều máy mạnh hơn cả Cyber 205

 Sự chính xác của NWP tăng lên qua nhiều năm nhưng không chỉ bởi tầm quan trọng của nó mà còn do sức mạnh của máy tính

 Những siêu máy tính mới có thể làm cho NWP ngày càng tinh vi hơn trước.

 NWP bắt đầu với IBM 701

 Sau đó là IBM704 có thể làm cho mô hình chính áp được lớn hơn bao phủ cả khu vục Bắc Bán Cầu

 IBM 7094 có thể giới thiệu mô hình tà áp với 3 mức độ

 CDC 6600 có thể thu thập dữ liệu toàn cầu, có khả năng làm một

mô hình với phương trình nguyên thuỷ 6 lớp

 Sự thu thập dự lịệu được cung cấp nhanh hơn bởi mạng lưới thời tiết tự động của lực lượng hàng không Mỹ

 IBM 360/195 đã cho phép double xử lý theo phương ngang của

mô hình 6 lớp

IBM 704 ( Làm cho mô hình chính áp được lớn hơn bao phủ cả khu vục Bắc Bán Cầu)

IBM 704

IBM 7049 (Có th gi i thi u mô hình tà áp ể ớ ệ

v i 3 m c đ ) ớ ứ ộ

CDC 6600

IBM 360/195 (Double x lý theo ph ử ươ ng ngang

c a mô hình 6 l p) ủ ớ

CYBER 205

 Những năm gần đây, các mô hình khí hậu đã được phát triển với

độ phân giải ngày càng cao Chúng được sử dụng để nghiên cứu những biến đổi khí hậu trong thời gian dài, chẳng hạn như hiệu ứng nhà kính – hậu quả khí thải do con người tạo ra Tất cả các dữ liệu này, được các siêu máy tính xây dựng nên mô hình của khí quyển Các dự báo này dựa trên mô hình dự báo số trị Đây là phương pháp hiệu quả nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới, nâng cao độ chính xác trong dự báo thời tiết

 Mô hình máy tính mới được thiết lập với sự hợp tác của Cơ quan khí quyển – đại dương quốc gia (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA), Trung tâm Nghiên cứu khí quyển Quốc gia (National Center for Atmospheric Research – NCAR) và hơn 150 tổ chức và trường đại học ở Mỹ và nước ngoài: đó là mô hình WRF (Weather Research and Forecasting Model ) - nghiên cứu và dự báo thời tiết độ phân giải cao, là mô hình đầu tiên dùng cho cả hai mục đích: dự báo thời tiết dân sự và quân sự, là khung cơ bản cho dự báo thời tiết của quốc gia và là công cụ nghiên cứu thời tiết tiên tiến.

 Mô hình được Cơ quan Thời tiết Quốc gia (National Weather Service – NWS) của NOAA chấp nhận để sử dụng làm mô hình

cơ bản dự báo thời tiết cho từ 1 đến 3 ngày của Mỹ và là bộ phận

cơ bản của hệ thống mô hình hóa tổng thể cho dự báo thời tiết ngắn hạn của NWS Cơ quan Thời tiết của Không quân Mỹ (Air Force Weather Agency – AFWA) cũng sử dụng WRF trong nhiều lĩnh vực hoạt động trên thế giới

IBM supercomputer NOAA

 Các thử nghiệm trong năm qua tại NOAA và AFWA cho thấy mô hình mới có nhiều ích lợi hơn so với các mô hình trước đó

 - Giảm hơn 50% sai số về nhiệt độ và độ ẩm ban đêm ở miền Đông nước Mỹ

 - Mô hình dự báo cấp gió ở độ cao máy bay bay ở khu vực cận nhiệt đới chuẩn hơn và thực tế hơn, dẫn đến chỉ dẫn về vùng xoáy tốt hơn cho máy bay

 - Theo nghiên cứu của AFWA, mô hình vượt trội so với mô hình trước đó trong hơn 70% dự báo tình hình thời tiết

 - WRF kết hợp các dữ liệu từ vệ tinh, rađa và nhiều loại công cụ khác một cách dễ dàng hơn nhiều so với các mô hình trước đó

 Một phiên bản của WRF định hướng chuyên về dự báo bão, gọi là phiên bản HWRF, hiện đang được các nhà khoa học của NOAA, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu của Hải quân, Đại học Rhode Island và Đại học bang Florida phát triển để hỗ trợ dự báo bão của NOAA Phiên bản HWRF độ phân giải cao sẽ theo dõi sóng và các đặc trưng khác của đại dương và khí quyển, như nhiệt lượng

và độ ẩm trao đổi giữa chúng Dự báo các tâm bão và đại dương dưới đó của mô hình này sẽ được cải thiện nhờ các dữ liệu từ vệ tinh, máy bay và các công cụ quan sát khác

 WRF cũng được nâng cấp để dự báo các cơn gió mạnh đột ngột, các cơn giông tố và các loại hình thời tiết khắc nghiệt khác Mặc

dù không có mô hình nào có thể chỉ ra chính xác mấy giờ trước khi cơn bão sẽ hình thành, WRF có ưu điểm vượt trội hơn nhiều

mô hình khác về khả năng dự báo kiểu bão có thể hình thành và chúng có thể tiến hóa như thế nào Khoảng 4.000 người ở 77 nước đăng ký sử dụng WRF

Nhóm Th c Hi n: ự ệ