Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thống kê sau mô hình tổ hợp (EMOS) vào dự báo nhiệt độ và điểm sương bề mặt ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - VÕ VĂN HÒA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SAU MƠ HÌNH TỔ HỢP (EMOS) VÀO DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỂM SƯƠNG BỀ MẶT Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - VÕ VĂN HÒA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SAU MƠ HÌNH TỔ HỢP (EMOS) VÀO DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỂM SƯƠNG BỀ MẶT Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học Mã số: 62.44.02.22 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Bùi Minh Tăng GS.TS Phan Văn Tân Hà Nội - 2015 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết trình bày luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Võ Văn Hịa Lời cảm ơn Luận án hồn thành Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới hai nhà khoa học hết lòng động viên, tận tình giúp đỡ quan tâm tới bước nghiên cứu luận án Để thực luận án, tác giả giúp đỡ thời gian điều kiện nghiên cứu thuận lợi từ Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương, nơi tác giả hỗ trợ tài liệu, số liệu nghiên cứu, trang thiết bị tính tốn lưu trữ số liệu Lời tri ân tác giả muốn gửi tới đồng nghiệp Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương chia sẻ, giúp đỡ góp ý số nội dung nghiên cứu luận án Tác giả không quên quan tâm, chăm sóc, sẻ chia buồn vui giúp đỡ qua bao khó khăn người bạn đời hai nhỏ Lòng biết ơn sâu nặng tác giả xin gửi cha mẹ, người ban cho tác giả sống, dưỡng nuôi suốt thời thơ ấu định hướng khoa học đường theo đuổi suốt đời tác giả Tác giả Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh sách ký hiệu chữ viết tắt Danh mục bảng Danh mục hình vẽ, đồ thị 12 MỞ ĐẦU 14 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU HIỆU CHỈNH THỐNG KÊ CHO DỰ BÁO TỔ HỢP 21 1.1 Khái niệm vai trò dự báo tổ hợp 21 1.2 Sự cần thiết phải hiệu chỉnh dự báo tổ hợp 24 1.3 Tổng quan nghiên cứu hiệu chỉnh thống kê cho dự báo tổ hợp .27 1.3.1 Ngoài nước 27 1.3.2 Trong nước 34 CHƯƠNG MÔ TẢ SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 37 2.1 Đặt toán 37 2.2 Nghiên cứu lựa chọn ứng dụng phương pháp thống kê để nâng cao chất lượng dự báo trung bình tổ hợp xác suất từ hệ thống SREPS 40 2.2.1 Các phương pháp thống kê tác động đến dự báo trung bình tổ hợp 40 2.2.2 Các phương pháp thống kê tác động đến dự báo trung bình tổ hợp dự báo xác suất 43 2.2.3 Ứng dụng phương pháp EMOS cho hệ thống SREPS 49 2.3 Mô tả tập số liệu nghiên cứu 53 2.4 Phương pháp xử lý số liệu 58 2.5 Phương pháp đánh giá 60 2.5.1 Các số đánh giá chất lượng dự báo trung bình tổ hợp .61 2.5.2 Các số đánh giá chất lượng dự báo xác suất 62 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 67 3.1 Đánh giá khả khử sai số hệ thống 67 3.2 Đánh giá khả cải thiện chất lượng dự báo trung bình tổ hợp 74 3.2.1 Yếu tố nhiệt độ khơng khí 74 3.2.2 Yếu tố nhiệt độ điểm sương 78 3.2.3 Yếu tố nhiệt độ tối cao ngày 81 3.2.4 Yếu tố nhiệt độ tối thấp ngày 83 3.2.5 Nhận định chung 86 3.3 Đánh giá khả cải thiện chất lượng dự báo xác suất 88 3.3.1 Yếu tố nhiệt độ khơng khí 89 3.3.2 Yếu tố nhiệt độ điểm sương 94 3.3.3 Yếu tố nhiệt độ tối cao ngày 98 3.3.4 Yếu tố nhiệt độ tối thấp ngày 102 3.3.5 Nhận định chung 106 3.4 Xây dựng qui trình dự báo nghiệp vụ đánh giá kết thử nghiệm nghiệp vụ từ năm 2011-2013 109 3.4.1 Xây dựng qui trình dự báo nghiệp vụ cho hệ thống EMOS dựa phương pháp NGR_EM 109 3.4.2 Kết đánh giá thử nghiệm nghiệp vụ từ năm 2011 đến 2013 112 KẾT LUẬN 122 KIẾN NGHỊ VỀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 124 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU CỦA TÁC GIẢ CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC Danh sách 174 trạm sử dụng nghiên cứu 139 PHỤ LỤC Kết đánh giá cho T2m hạn dự báo 48h 72h .142 PHỤ LỤC Kết đánh giá cho Td2m hạn dự báo 48h 72h 148 PHỤ LỤC Kết đánh giá cho Tmax hạn dự báo 48h 72h 154 PHỤ LỤC Kết đánh giá cho Tmin hạn dự báo 48h 72h 160 PHỤ LỤC Kết đánh giá thử nghiệm nghiệp vụ từ 2011-2013 166 Danh sách ký hiệu chữ viết tắt Hệ số hồi qui thứ i trọng số thứ i ANN Mạng thần kinh nhân tạo BCES Hiệu chỉnh sai số phương pháp trọng số hàm mũ BCLR Hiệu chỉnh sai số phương pháp hồi quy tuyến tính BCMA Hiệu chỉnh sai số phương pháp trung bình trượt BMA Phương pháp trung bình Bayes BIAS Sai số hệ thống BS Chỉ số đánh giá xác suất BSS Chỉ số đánh giá kỹ dự báo xác suất CMC Cơ quan khí tượng Canađa CRPS Chỉ số xác suất hạng liên tục DBTH Dự báo tổ hợp DWD Tổng cục thời tiết Cộng hoà Liên bang Đức ECMWF Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu EMES Trung bình tổ hợp có trọng số tính theo hàm mũ EMMV Trung bình tổ hợp có trọng số tính theo phương sai sai số EMOS Hiệu chỉnh thống kê cho dự báo tổ hợp F Yếu tố dự báo Fi Thành phần dự báo tổ hợp thứ i GEM Mơ hình tồn cầu CMC GME Mơ hình tồn cầu DWD GFS Mơ hình tồn cầu NCEP GSM Mơ hình tồn cầu JMA HTTH Hệ thống dự báo tổ hợp JMA Cơ quan khí tượng Nhật Bản KF Phương pháp lọc Kalman KTTV Khí Tượng Thủy Văn LR Hồi quy Logistic ME Sai số trung bình MOS Thống kê sau mơ hình N Dung lượng mẫu tổng số dự báo thành phần NCEP Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Mỹ NOGAPS Mơ hình tồn cầu Hải qn Mỹ (US Navy) nnk Những người khác NGR_EM Hồi quy Gauss không kỳ vọng quan hệ tuyến tính với trung bình tổ hợp NGR_ER Hồi quy Gauss khơng kỳ vọng trung bình có trọng số dự báo thành phần NGR_EP Tương tự NGR_ER có loại bỏ trọng số âm NWP Dự báo thời tiết số trị O Giá trị quan trắc Raw Dự báo trung bình tổ hợp xác suất trực tiếp từ hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn (SREPS) RMSE Sai số quân phương SREPS Hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn TBTH Trung bình tổ hợp TTDBTƯ Trung Tâm Dự Báo khí tượng thủy văn Trung Ương Td2m Nhiệt độ điểm sương độ cao mét Tmax Nhiệt độ tối cao ngày Tmin Nhiệt độ tối thấp ngày T2m Nhiệt độ khơng khí độ cao mét Danh mục bảng Bảng 2.1: Các kỹ thuật thống kê thử nghiệm để nâng cao chất lượng dự báo TBTH xác suất hệ thống SREPS (dấu tích ngụ ý có tác động) 50 Bảng 2.2: Cấu hình chi tiết mơ hình NWP khu vực lựa chọn để xây dựng hệ thống SREPS cho khu vực Việt Nam 55 Bảng 2.3: Danh sách nguồn số liệu thu thập phục vụ nghiên cứu 57 Bảng 3.1: Kết tính tốn số đánh giá ME (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố T2m với hạn dự báo 24h (các giá trị bôi đậm ngụ ý không đem lại cải thiện sai số) 75 Bảng 3.2: Kết tính tốn số đánh giá MAE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố T2m với hạn dự báo 24h 76 Bảng 3.3: Kết tính tốn số đánh giá RMSE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố T2m với hạn dự báo 24h 77 Bảng 3.4: Kết tính tốn số đánh giá ME (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Td2m với hạn dự báo 24h 79 Bảng 3.5: Kết tính tốn số đánh giá MAE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Td2m với hạn dự báo 24h 79 Bảng 3.6: Kết tính tốn số đánh giá RMSE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Td2m với hạn dự báo 24h .80 Bảng 3.7: Kết tính toán số đánh giá ME (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Tmax với hạn dự báo 24h 81 Bảng 3.8: Kết tính tốn số đánh giá MAE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Tmax với hạn dự báo 24h 82 Bảng 3.9: Kết tính toán số đánh giá RMSE (độ C) dự báo TBTH từ Raw 10 phương pháp EMOS cho yếu tố Tmax với hạn dự báo 24h .83 Phương pháp EMOS BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw Bảng P5.7: Kết tính tốn số đánh giá CRPS dự báo xác suất từ Raw phương pháp EMOS cho yếu tố Tmin với hạn dự báo 48h (các giá trị bôi đậm ngụ ý không đem lại cải thiện chất lượng dự báo) Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw Bảng P5.8: Tương tự bảng P5.7 cho hạn dự báo 72h Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES 163 BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw Bảng P5.9: Tương tự bảng P5.7 cho số Độ phủ 90.48% Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw Bảng P5.10: Tương tự bảng P5.7 cho số Độ phủ 90.48% hạn 72h Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw 164 Bảng P5.11: Tương tự bảng P5.7 cho số Độ rộng 90.48% Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw Bảng P5.12: Tương tự bảng P5.7 cho số Độ rộng 90.48% hạn 72h Phương pháp EMOS BCMA BCLR BCES BCKF NGR_ER NGR_EP NGR_EM Raw 165 PHỤ LỤC Kết đánh giá thử nghiệm nghiệp vụ từ 2011-2013 Bảng P6.1: Kết tính tốn số đánh giá ME dự báo TBTH cho yếu tố T2m hạn 48h từ phương pháp NGR_EM Raw năm 2011-2013 Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.2: Tương tự bảng P6.1 cho số MAE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.3: Tương tự bảng P6.1 cho số RMSE Phương Năm 2011 pháp NGR_EM Raw NGR_EM 2012 Raw NGR_EM 2013 Raw 166 Bảng P6.4: Kết tính tốn số đánh giá ME dự báo TBTH cho yếu tố Td2m hạn 48h từ phương pháp NGR_EM Raw năm 2011-2013 Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.5: Tương tự bảng P6.4 cho số MAE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.6: Tương tự bảng P6.4 cho số RMSE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 Raw NGR_EM Raw NGR_EM 2013 Raw 167 Bảng P6.7: Kết tính tốn số đánh giá ME dự báo TBTH cho yếu tố Tmax hạn 48h từ phương pháp NGR_EM Raw năm 2011-2013 Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.8: Tương tự bảng P6.7 cho số MAE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.9: Tương tự bảng P6.7 cho số RMSE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 Raw NGR_EM Raw NGR_EM 2013 Raw 168 Bảng P6.10: Kết tính tốn số đánh giá ME dự báo TBTH cho yếu tố Tmin hạn 48h từ phương pháp NGR_EM Raw năm 2011-2013 Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.11: Tương tự bảng P6.10 cho số MAE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.12: Tương tự bảng P6.10 cho số RMSE Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 Raw NGR_EM Raw NGR_EM 2013 Raw 169 Bảng P6.13: Kết tính tốn số CRPS dự báo xác suất cho yếu tố T2m hạn 48h từ phương pháp NGR_EM Raw năm 2011-2013 Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.14: Tương tự bảng P6.13 cho yếu tố Td2m Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw Bảng P6.15: Tương tự bảng P6.13 cho yếu tố Tmax Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 Raw NGR_EM Raw NGR_EM 2013 Raw 170 Bảng P6.16: Tương tự bảng P6.13 cho yếu tố Tmin Phương Năm pháp NGR_EM 2011 2012 2013 Raw NGR_EM Raw NGR_EM Raw 171 ... KHOA HỌC TỰ NHIÊN -*** - VÕ VĂN HÒA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SAU MƠ HÌNH TỔ HỢP (EMOS) VÀO DỰ BÁO NHIỆT ĐỘ VÀ ĐIỂM SƯƠNG BỀ MẶT Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học... mơ hình tổ hợp (EMOS) vào dự báo nhiệt độ điểm sương bề mặt Việt Nam? ?? Trong khuôn khổ luận án, tác giả ứng dụng thử nghiệm số phương pháp thống kê để hiệu chỉnh kết dự báo từ SREPS cho yếu tố nhiệt. .. phương pháp thống kê tác động đến dự báo trung bình tổ hợp 40 2.2.2 Các phương pháp thống kê tác động đến dự báo trung bình tổ hợp dự báo xác suất 43 2.2.3 Ứng dụng phương pháp EMOS