Nghiên cứu dự báo khí hậu cho việt nam từ sản phẩm mô hình CFS

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN -o0o - Sinh viên: Vũ Thị Sim NGHIÊN CỨU DỰ BÁO KHÍ HẬU CHO VIỆT NAM TỪ SẢN PHẨM MÔ HÌNH CFS KHÓA LUẬN ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Ngành: Khí tượng học Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Đăng Mậu HÀ NỘI, NĂM 2015 i LỜI CẢM ƠN Trước hết, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Th.S Nguyễn Đăng Mậu, Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng - Khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, người trực tiếp định hướng, hướng dẫn bảo tận tình để em hoàn thành khóa luận Em xin cảm ơn Thầy cô khoa Khí tượng - Thủy văn, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội giúp đỡ suốt thời gian em học tập trường Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới cô chú, anh chị thuộc Trung tâm Nghiên cứu Khí tượng – Khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành khóa luận Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 15 tháng năm 2015 Sinh viên Vũ Thị Sim ii MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Bài toán dự báo khí hậu 1.2 Một số công trình nghiên cứu có liên quan 1.2.1 Một số công trình giới 1.2.1 Một số công trình nghiên cứu nước 12 CHƯƠNG SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 Số liệu nghiên cứu 15 2.2 Phương pháp nghiên cứu 17 2.2.1 Cách tiếp cận giải toán 17 2.2.2 Phương pháp hồi quy đa biến để xây dựng phương trình dự báo 20 2.2.3 Phương pháp đánh giá kết 22 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT 24 3.1 Khảo sát kết dự báo CFSv2 để lựa chọn nhân tố dự báo 24 3.1.1 Đánh giá kết dự báo CFS điểm trạm 24 3.1.2 Phân tích lựa chọn nhân tố dự báo 29 3.2 Đánh giá kết dự báo 36 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 49 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt AGCMs Ý nghĩa Các mô hình hoàn lưu chung khí CCA Tương quan Canon CFS Hệ thống dự báo khí hậu (Climate Forecast System Version) CS Cộng EOF Hàm trực giao GCM Mô hình khí hậu toàn cầu IPCC Tổ chức liên phủ biến đổi khí hậu (The Intergovernmental Panel on Climate Change) MOS Thống kê từ đầu mô hình (Model Output Statistics) NCEP Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường (Hoa Kỳ) PP RCM SD WMO Dự báo hoàn hảo (Perfect Prognosis) Mô hình khí hậu khu vực Chi tiết hóa thống kê Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization) iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Danh sách trạm khí tượng lấy số liệu .15 Bảng 3.1 Kết lựa chọn điểm lấy số liệu làm nhân tố dự báo nhiệt độ 34 Bảng 3.2 Kết lựa chọn điểm lấy số liệu làm nhân tố dự báo lượng mưa 34 Bảng 3.3 Kết xây dựng phương trình dự báo chuẩn sai nhiệt độ 35 Bảng 3.4 Kết xây dựng phương trình dự báo chuẩn sai lượng mưa 35 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ xây dựng hàm chuyển theo phương pháp PP MOS (Nguồn: Bộ TNT, 2012) Hình 1.2 Kết so sánh sản phẩm dự báo phương pháp chi tiết hóa thống kê từ mô hình CFS với sản phẩm dự báo CFS [21] Hình 1.3 So sánh hệ số tương quan ACC kết dự báo mô hình CFS với quan trắc phương pháp SD với quan trắc [23] .10 Hình 1.4 Kết so sánh số RMSE mô hình RCM với SD khu vực nước Mỹ (a, c – nhiệt độ; b, d- lượng mưa) [29] 11 Hình 1.5 So sánh kết dự báo lượng mưa (mm/ngày) từ mô hình toàn cầu CGCM dự báo thống kê từ CGCM (SD) với số liệu quan trắc (Obs) [22] 12 Hình 2.1 Sơ đồ mô tả cách tiếp cận SD RCM để chi tiết hóa sản phẩm dự báo toàn cầu điểm trạm [18] 17 Hình 2.2 Sơ đồ khối cách tiếp cận giải toán .20 Hình 3.1 Toán độ tụ điểm so sánh dự báo nhiệt độ CFSv2 với quan trắc 25 Hình 3.2 Sơ đồ phân bố sai số (ME) kết dự báo nhiệt độ mô hình CFSv2 điểm trạm với số liệu quan trắc 26 Hình 3.3 Hệ số tương quan nhiệt độ dự báo CFSv2 với số liệu quan trắc tháng thời kỳ 1982-2010 điểm trạm .26 Hình 3.4 Toán độ tụ điểm so sánh dự báo lượng mưa CFSv2 với quan trắc 28 Hình 3.5 Sơ đồ phân bố sai số (ME) kết dự báo lượng mưa mô hình CFSv2 điểm trạm với số liệu quan trắc 28 Hình 3.6 Hệ số tương quan lượng mưa dự báo CFSv2 với số liệu quan trắc tháng thời kỳ 1982-2010 điểm trạm 29 Hình 3.7 Minh họa kết khảo sát mối quan hệ nhiệt độ quan trắc trạm Cần Thơ với trường số liệu toàn cầu CFSv2 tháng thời kỳ 1982 – 2010 32 Hình 3.8 Minh họa kết khảo sát mối quan hệ lượng mưa quan trắc trạm Cần Thơ với trường số liệu toàn cầu CFSv2 tháng thời kỳ 1982 – 2010 33 Hình 3.9 Toán đồ tụ điểm so sánh dự báo nhiệt độ phương pháp SD với quan trắc .38 Hình 3.10 So sánh hệ số tương quan nhiệt độ dự báo SD - quan trắc (màu đỏ) với dự báo CFSv2 - quan trắc (màu xanh) 38 vi Hình 3.11 So sánh kết dự báo nhiệt độ tháng thời kỳ 1982-2010 phương pháp SD, CFSv2 số liệu quan trắc (QT) trạm 39 Hình 3.12 Toán đồ tụ điểm so sánh dự báo lượng mưa phương pháp SD với quan trắc 40 Hình 3.13 So sánh hệ số tương quan lượng mưa dự báo SD - quan trắc (màu đỏ) với dự báo CFSv2 - quan trắc (màu xanh) 41 Hình 3.14 So sánh kết dự báo lượng mưa tháng thời kỳ 1982-2010 phương pháp SD, CFSv2 số liệu quan trắc (QT) trạm 41 Hình 3.15 Xác suất dự báo nhiệt độ lượng mưa toán dự báo hai pha thời kỳ 1982-2010 42 vii MỞ ĐẦU Cách tiếp cận giải toán dự báo khí hậu ứng dụng mô hình độc lực thống kê Trong đó, mô hình động lực xây dựng dựa mối quan hệ vật lý, sinh học, hóa học thành phần khác trái đất Hay nói cách khác, mô hình xây dựng dựa phương trình toán học để mô tả trình diễn hệ thống khí hậu Đối với phương pháp thống kê, toán dự báo khí hậu thực dựa mối quan hệ thống kê chuỗi số liệu lịch sử nhân tố dự báo yếu tố dự báo Mặc dù phương pháp động lực coi tiên tiến đại Tuy nhiên, hướng nghiên cứu phát triển mô hình dự báo thống kê coi quan trọng hiệu Đặc biệt năm gần đây, nhiều hệ thống mô hình khí hậu toàn cầu đại xây dựng kết dự báo công bố, cập nhật thường xuyên thông qua mạng internet Điều mở hội tốt cho người sử dụng khai thác sản phẩm dự báo cho khu vực quan tâm Nhìn chung, khai thác sản phẩm dự báo toàn cầu cho khu vực nhỏ theo hướng: (1) Sử dụng trực tiếp; (2) Làm đầu vào cho mô hình khí hậu động lực khu vực; (3) Làm đầu vào cho mô hình downscaling thống kê Trong đó, hướng khai thác sản phẩm thứ thường không phù hợp độ phân giải ngang mô hình toàn cầu thô (khoảng độ kinh vĩ), đặc biệt khu vực có địa hình phức tạp Do vậy, hướng tiếp cận thứ hai ba quan tâm đầu tư Trong số sản phẩm dự báo toàn cầu cung cấp nay, sản phẩm dự báo toàn cầu hệ thống mô hình CFSv2 NCEP, Hoa Kỳ xem mô hình có chất lượng phù hợp Hệ thống mô hình CFS đưa vào nghiệp vụ dự báo khí hậu Hoa Kỳ từ tháng 8/2004 Theo đánh giá nhà khoa học NCEP, CFSv2 cho kết tốt dự báo gió mùa châu Á khí hậu vùng nhiệt đới Hiện nay, sản phẩm dự báo CFSv2 với thời hạn dự báo trước từ đến tháng cập nhật thường xuyên Từ thực tiễn thấy rằng, sử dụng sản phẩm dự báo toàn cầu CFSv2 cho mô hình động lực khu vực thống kê dự báo khí hậu khu vực Việt Nam hoàn toàn thực Xuất phát từ ý tưởng trình bày trên, khuôn khổ khóa luận tốt nghiệp đại học, sinh viên lựa chọn hướng tiếp cận nghiên cứu khai thác sản phẩm dự báo CFSv2 phương pháp downscaling thống kê Cụ thể, khóa luận lựa chọn với tiêu đề “Nghiên cứu dự báo khí hậu cho Việt Nam từ sản phẩm mô hình CFS” Trong khuôn khổ nghiên cứu khóa luận tốt nghiệp đại học, sinh viên thực nghiên cứu với tiêu đề nêu nhằm thực mục tiêu sau: (1) Tìm hiểu nắm phương pháp downscaling thống kê từ sản phẩm dự báo khí hậu toàn cầu cho khu vực nhỏ; (2) Thử nghiệm thành công xây dựng phương trình dự báo cho tháng đánh giá cho số trạm lựa chọn nghiên cứu vùng khí hậu Việt Nam Để đạt mục tiêu nêu trên, sinh viên lựa chọn nghiên cứu downscaling thống kê từ sản phẩm dự báo mô hình CFSv2 cho tháng cung cấp vào đầu tháng Cụ thể, sinh viên lấy trường hợp dự báo cho tháng cung cấp tháng Thực tế nay, sản phẩm CFSv2 cung cấp với tần suất khoảng ngày/1 lần Do vậy, tháng có đến trường hợp dự báo CFSv2 cung cấp Tuy nhiên, hạn chế thời gian, nên sinh viên tập trung nghiên cứu cho trường hợp dự báo thực vào tháng Ngoài ra, sản phẩm dự báo mô hình CFSv2 (với thời hạn dự báo trước tháng nghiên cứu khóa luận) khứ cung cấp cho thời kỳ 1982-2010 Theo tác giả Hoàng Đức Cường, Trần Việt Liễn (2012), thời kỳ xây dựng phương trình dự báo dài tốt, thông thường tối thiểu 30 năm Do vậy, sinh lựa chọn thời kỳ 1982-2010 để xây dựng phương trình dự báo Để thực nội dung nghiên cứu này, sinh viên lựa chọn nghiên cứu cho trạm thuộc vùng khí hậu sau: Lai Châu (Tây Bắc), Lạng Sơn (Đông Bắc), Hà Nội (Đồng Bằng Bắc Bộ), Vinh (Bắc Trung Bộ), Nha Trang (Nam Trung Bộ), Play Cu (Tây Nguyên) Cần Thơ (Nam Bộ) Nhìn chung, toàn kết nghiên cứu trình bày nội dung báo cáo tổng kết khóa luận sau: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Số liệu phương pháp nghiên cứu Chương Kết nhận xét Kết luận kiến nghị Phụ lục