Đánh giá khả năng dự báo mưa lớn ở đồng bằng bắc bộ sử dụng sản phẩm tổ hợp của các mô hình khu vực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thanh Thủy ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG DỰ BÁO MƯA LỚN Ở ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ SỬ DỤNG SẢN PHẨM TỔ HỢP CỦA CÁC MƠ HÌNH KHU VỰC LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thanh Thủy ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG DỰ BÁO MƯA LỚN Ở ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ SỬ DỤNG SẢN PHẨM TỔ HỢP CỦA CÁC MƠ HÌNH KHU VỰC Chun ngành: Khí tượng học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ VĂN HÒA Hà Nội – Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Trước hết xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới TS Võ Văn Hịa, người tận tình bảo hướng dẫn tơi hồn thành luận văn Tơi xin đặc biệt cảm ơn NGND GS.TS Trần Tân Tiến bảo, cung cấp cho kiến thức chuyên môn quý giá để thực luận văn Tôi xin cảm ơn Thầy cô, cán khoa Khí tượng – Thủy văn – Hải dương học giảng dạy tận tình, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập Tơi xin cảm ơn cán phịng Dự báo số trị viễn thám (Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia), dự báo viên phòng Dự báo – Đài KTTV khu vực đồng Bắc Bộ có trao đổi chun mơn hỗ trợ tư liệu để tơi hồn thiện luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp ln bên cạnh cổ vũ, động viên tạo điều kiện tốt cho tơi suốt q trình học tập Nguyễn Thanh Thủy MỤC LỤC MỞ ĐẦU …………………………………………………………………… CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM MƯA LỚN Ở KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ VÀ TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm mưa lớn khu vực đồng Bắc Bộ 1.2 Tổng quan nghiên cứu đánh giá dự báo mưa nước 10 1.2.1 Tổng quan nghiên cứu nước 10 1.2.2 Tổng quan nghiên cứu nước 13 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP VÀ TẬP SỐ LIỆU NGHIÊN CỨU 17 2.1 Khái quát hệ thống SREPS 17 2.2 Phương pháp tính tốn dự báo tổ hợp 20 2.2.1 Phương pháp trung bình đơn giản 21 2.2.2 Phương pháp tính trọng số theo sai số 21 2.2.3 Phương pháp tính trọng số hồi quy đa biến 22 2.3 Đối tượng phương pháp đánh giá 23 2.4 Mô tả tập số liệu nghiên cứu 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ 30 3.1 Kết đánh giá kỹ dự báo mưa thành phần dự báo hệ thống SREPS 30 3.2 Kết tính tốn số đánh giá khu vực ĐBBB phương án tổ hợp 44 3.3 Kết đánh giá kỹ dự báo tổ hợp loại hình thời tiết khác 53 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 PHỤ LỤC 63 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Miền dự báo cho hệ thống SREPS 17 Hình 2.2 Sơ đồ minh họa phương pháp nội suy điểm gần 24 Hình 2.3 Phân bố 14 trạm quan trắc khí tượng khu vực ĐBBB 29 Hình 3.1 Các điểm số ME, MAE, RMSE, HSTQ ngày xảy mưa lớn khu vực ĐBBB từ năm 2010 – 2017 hạn dự báo 24h 30 Hình 3.2 Tương tự hình 3.1 với hạn dự báo 48h 32 Hình 3.3 Tương tự hình 3.1 với hạn dự báo 72h 33 Hình 3.4 Kết tính tốn số FBI cho ngưỡng mưa vừa, mưa to to hạn dự báo cho 20 dự báo thành phần hệ thống SREPS 34 Hình 3.5 Tương tự hình 3.4 cho số POD 35 Hình 3.6 Tương tự hình 3.4 cho số FAR 36 Hình 3.7 Các số ME, MAE, RMSE, HSTQ trạm Hà Đơng Ninh Bình từ năm 2010 – 2017 hạn dự báo 24h 38 Hình 3.8 Tương tự hình 3.7 với hạn dự báo 48h 39 Hình 3.9 Tương tự hình 3.7 với hạn dự báo 72h 40 Hình 3.10 Các số ME, MAE, RMSE, HSTQ khu vực ĐBBB phương án tổ hợp hạn dự báo 24h, 48h, 72h 45 Hình 3.11 Chỉ số FBI phương án tổ hợp hạn dự báo 24h, 48h,72h với ngưỡng mưa 46 Hình 3.12 Tương tự hình 3.14 số POD 47 Hình 3.13 Tương tự hình 3.14 số FAR 48 Hình 3.14 Chỉ số ME, MAE, RMSE, HSTQ phương án tổ hợp hạn dự báo 24h 48h, 72h hai trạm Hà Đơng Ninh Bình 49 Hình 3.15 Các số ME, MAE, RMSE, HSTQ phương án tổ hợp hình gây mưa lớn 55 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Cấu hình động lực, vật lý, phương pháp số, độ phân giải mơ hình HRM, WRFARW, WRFNMM BoLAM 18 Bảng 2.2: Qui ước ý nghĩa 20 dự báo thành phần hệ thống SREPS 20 Bảng 2.3 Bảng tổng hợp đánh giá dự báo nhị phân 27 Bảng 3.1 Chỉ số FBI trạm Hà Đông với ngưỡng mưa 42 Bảng 3.2 Chỉ số POD trạm Hà Đông với ngưỡng mưa 43 Bảng 3.3 Chỉ số FAR trạm Hà Đông với ngưỡng mưa 44 Bảng 3.4 Kết số FBI, POD, FAR đợt mưa lớn trạm Hà Đông với ngưỡng mưa phương án tổ hợp 50 Bảng 3.5 Kết số FBI, POD, FAR đợt mưa lớn trạm Ninh Bình với ngưỡng mưa phương án tổ hợp 52 Bảng 3.6 Các số FBI, POD, FAR phương án tổ hợp ứng với hình 56 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ATNĐ Áp thấp nhiệt đới ĐBBB Đồng Bắc Bộ FAR Tỉ lệ phát sai (False Alarm Ratio) FBI Tỷ số vùng dự báo vùng thám sát (Frequency Bias index) HSTQ Hệ số tương quan ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới Inter (Tropical Convergence Zone) KKL Khơng khí lạnh KTTV Khí tượng Thủy văn MAE Sai số tuyệt đối trung bình (Mean Absolute Error) ME Sai số trung bình (Mean Error) MSE Sai số bình phương trung bình (Mean Square Error) NWP Dự báo thời tiết mơ hình số trị (Numerical weather prediction) POD Xác suất phát (Probability Of Detection of Event) QPF Kiểm tra giáng thủy định luợng RMSE Sai số bình phương trung bình quân phương (Root Mean Square Error) RTBB Rãnh thấp Bắc Bộ RTBN Rãnh thấp bị nén SREPS Hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn (Short Range Ensemble Prediction System) MỞ ĐẦU Trong tượng khí hậu cực đoan, mưa lớn tượng đặc biệt quan tâm tác động tiêu cực tượng đến nhiều mặt đời sống người đến kinh tế - xã hội mơi trường Ở Việt Nam nói chung khu vực đồng Bắc Bộ nói riêng, mưa lớn gây nên thiệt hại không nhỏ, hầu hết vùng bị tác động tượng cực đoan mức độ khác Tại khu vực đồng Bắc Bộ, mưa lớn thường gây lũ quét, sạt lở đất khu vực có đồi núi Ba Vì, Ninh Bình, gây ngập lụt tỉnh, thành phố Hà Nội, Nam Định, Thái Bình Mưa gây thiệt hại kinh tế, người, ảnh hưởng tới giao thông, ảnh hưởng tới sản xuất nông nghiệp hệ kéo theo tượng mưa lớn môi trường khắc phục hậu Mưa tượng thời tiết khó dự báo Khơng khó dự báo mà việc đánh giá dự báo mưa việc khó khăn phức tạp Xong dự báo mưa lại có vai trị đặc biệt quan trọng cơng tác phịng, chống thiên tai phục vụ phát triển kinh tế - xã hội Vì vậy, dự báo mưa đánh giá dự báo mưa hai vấn đề quan trọng cần thiết phải tập trung nghiên cứu Hiện nay, nghiệp vụ dự báo thời tiết hàng ngày, đặc biệt dự báo đợt mưa lớn, dự báo viên tham khảo nhiều sản phẩm dự báo mưa từ mơ hình số trị tồn cầu khu vực dạng tất định tổ hợp Trong đó, sản phẩm dự báo mưa từ hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn (SREPS) chạy nghiệp vụ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn (KTTV) quốc gia (Võ Văn Hòa cộng sự, 2012) thường tham khảo dự báo mưa lớn hình thời tiết quy mơ vừa gây nên Tuy nhiên, việc tham khảo gặp nhiều khó khăn dự báo viên chưa biết rõ chất lượng dự báo mưa SREPS chi tiết theo không gian, thời gian hình thời tiết Do đó, việc đánh giá chất lượng dự báo SREPS khu vực đồng Bắc Bộ (ĐBBB) cần thiết Kết đánh giá chất lượng cung cấp nhiều thơng tin tham khảo hữu ích cho dự báo viên trình dự báo mưa lớn Đối với ngưỡng mưa 50 – 100mm số FBI tăng dần theo hạn dự báo đến hạn dự báo 72h cho kết sai khống nhiều Chỉ số POD hạn dự báo 53 thấp hạn dự báo 72h POD = cho thấy ba phương án không dự báo mưa ngưỡng Đối với ngưỡng mưa >100mm hạn dự báo 24h, với số FBI 1 cho kết sai khống nhiều Ở hạn dự báo 48h 72h khơng tính kết ngưỡng mưa quan trắc có = Chỉ số POD có giá trị gần hạn dự báo 24h phương án cho dự báo cao hai phương án lại Tại hai hạn dự báo phương án không dự báo mưa xảy ngưỡng Đối với hạn dự báo xa số FAR gần cho thấy phương án cho dự báo khống nhiều dự báo Như nhìn tổng quan bảng số liệu ta thấy với hạn dự báo 24h phương án khơng có sai số hệ thống, số POD gần cho thấy khả dự báo tượng cao so với hai phương án lại Đối với hạn dự báo 48h 72h phương án cho chất lượng dự báo thấp, không dự báo mưa với ngưỡng mưa lớn cho dự báo khống cao 3.3 Kết đánh giá kỹ dự báo tổ hợp loại hình thời tiết khác Trong dự báo mưa nói chung dự báo mưa lớn nói riêng, việc tìm hiểu hình gây mưa quan trọng Mặc dù nhà nghiên cứu, dự báo viên sử dụng nhiều phương pháp dự báo số trị để dự báo mưa họ cho việc dự báo mưa đạt kết tốt lý giải logic với kết dự báo từ mơ hình phân loại hình synop ứng với dự báo mưa mơ hình Xác định hình synop chi phối cho khu vực phải dựa việc phân tích mối tương tác xốy nghịch, xốy thuận, sống áp cao, rãnh áp thấp… đồng thời phải kết hợp với việc phân tích mối tương tác khối khí, điều kiện hồn lưu quy mơ synop, quy mơ vừa quy mơ nhỏ Trong loại hình synop gây nhiều hình thời tiết khác phân tích hình gây mưa lớn thiết phân tích mối tương tác nhiều trường khí tượng khác Q trình diễn mưa lớn xảy 54 hay nhiều ngày chịu tác động hay nhiều hình synop độc lập khác kết hợp nhiều hình với Xác định hệ thống synop gây mưa lớn cần phải xác định hệ thống synop chính, gây thời tiết chủ đạo, hệ thống thời tiết tương tác điều kiện hoàn lưu, điều kiện động nhiệt lực mối quan hệ chúng Các hình synop đặc trưng gây mưa lớn diện rộng ĐBBB: • Mưa bão, ATNĐ • Mưa ITCZ • Mưa rãnh áp thấp bị nén • Mưa khơng khí lạnh kết hợp với rãnh gió tây cao • Mưa hội tụ kinh hướng (rãnh áp thấp qua Bắc Bộ) Dựa tiêu chí hình synop trên, tơi phân loại hình synop gây mưa lớn ĐBBB gồm loại hình chính: Xốy thuận nhiệt đới (XTNĐ), dải hội tụ nhiệt đới (HTNĐ) rãnh áp thấp bị nén (RTBN), khơng khí lạnh (KKL) rãnh áp thấp qua Bắc Bộ (RTBB) Sau thống kê hình tương ứng với ngày mưa lớn đưa số kết sau: Trong 155 ngày xảy mưa lớn khu vực từ năm 2010 – 2017 có hình xảy với tần suất sau: - Xoáy thuận nhiệt đới: 57 ngày chiếm 36.8% - Dải hội tụ nhiệt đới: 28 ngày chiếm 18.1% - Rãnh áp thấp bị nén: 22 ngày chiếm 14.2% - Khơng khí lạnh: 12 ngày chiếm 7.7% - Rãnh áp thấp qua Bắc Bộ: 36 ngày chiếm 23.2% Như ta thấy hình xốy thuận nhiệt đới chiếm tỉ lệ số ngày cao hình khơng khí lạnh có số lần xảy Sau tính toán kết dự báo tổ hợp hạn dự báo 24 loại hình tiến hành đánh giá số định lượng dự báo pha theo ngưỡng có kết sau: 55 Hình 3.15 Các số ME, MAE, RMSE, HSTQ phương án tổ hợp hình gây mưa lớn 56 Từ hình 3.15 ta thấy hình thế, phương án tổ hợp cho kết dự báo thấp quan trắc (ME100mm 16-50mm 50-100mm >100mm 16-50mm 50-100mm >100mm 16-50mm 50-100mm >100mm Từ bảng 3.6 ta thấy số FBI phổ biến lớn phương án tổ hợp ngưỡng mưa 16 – 50mm cho thấy vùng dự báo lớn vùng thám sát phương án cho dự báo sai khống nhiều Trong phương án tổ hợp, phương án cho số FBI cao hình XTNĐ, ITCZ, RTBB cho thấy phương án dự báo khống cao Phương pháp cho vùng dự báo sát với vùng thám sát, FBI~1 dự báo sai sót hình thế, riêng hình áp cao lạnh, phương pháp lại cho dự báo sai sót nhiều Với ngưỡng mưa lớn hơn, FBI100mm hình khơng khí lạnh rãnh thấp qua Bắc Bộ Cuối xem xét số FAR cho thấy, phương án tổ hợp, phương án cho số FAR100mm hình khơng khí lạnh rãnh thấp qua Bắc Bộ Trong phương án tổ hợp, phương án cho dự báo khống ít, phương án lại cho dự báo khống nhiều với ngưỡng mưa lớn phương án cho dự báo khống cao không dự báo tượng xảy Trong hướng nghiên cứu tiếp theo, tác giả mong muốn đánh giá mơ hình khu vực sử dụng hệ thống SREPS cho yếu tố khí tượng khác đánh giá mưa lớn theo không gian, theo mùa theo hình thời tiết khu vực đồng Bắc Bộ với chuỗi số liệu đánh giá dài bổ sung thêm số liệu mưa thu thập từ trạm đo mưa tự động không đơn số liệu mưa trạm synop để có kết tốt Ngồi ra, cần nghiên cứu đánh giá diện mưa theo phương pháp CRA 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Vũ Anh, 2006: Tập giảng khí tượng Synơp nâng cao Nguyễn Văn Bảy, 2004: Nghiên cứu đánh giá dự báo khí áp mưa từ mơ hình HRM cho khu vực Việt Nam Luận án thạc sỹ khí tượng, 97 trang Nguyễn Thị Thanh Bình, 2002: Đánh giá dự báo mưa lớn từ mơ hình HRM cho khu vực Bắc Bộ năm 2001-2002 Luận án thạc sỹ khí tượng, 87 trang Dương Liên Châu cộng sự, 2007: Xây dựng hệ thống tiêu đánh giá chất lượng dự báo KTTV Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ, 268 trang Hoàng Đức Cường cộng sự, 2008: Nghiên cứu thử nghiệm áp dụng mơ hình khí tượng động lực quy mơ vừa MM5 dự báo hạn ngắn Việt Nam Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ, 105 trang Phan Tất Đắc, Phạm Ngọc Tồn, 1993: Khí hậu Việt Nam Nhà xuất khoa học kỹ thuật, Hà Nội Võ Văn Hòa cộng sự, 2012: Nghiên cứu phát triển hệ thống dự báo tổ hợp thời tiết hạn ngắn cho khu vực Việt Nam Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ, 188tr Phạm Thị Tuyết Mây, 2012: Đánh giá kết dự báo nhiệt độ lượng mưa số mơ hình dự báo thời tiết cho khu vực Việt Nam, Luận văn thạc sĩ Khí Tượng, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội Nguyễn Thị Bình Minh cộng sự, 2012: Nghiên cứu xây dựng phát triển hệ thống đánh giá khách quan sản phẩm mơ hình dự báo số cho khu vực Việt Nam Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp Bộ, 180tr 10 Trần Cơng Minh, 2001, Khí tượng Synop, NXB ĐHQG, Hà Nội 11.Trần Quang Năng, 2009: Đánh giá sai số hệ thống dự báo mưa mơ hình HRM cho khu vực Đơng Bắc Bộ Luận án thạc sỹ khí tượng, 142 trang 12 Cơng Thanh, Trần Tân Tiến, Nguyễn Tiến Tồn, 2015: Đánh giá khả dự báo mưa cho khu vực Quảng Ngãi thời hạn từ đến ngày Tạp chí Khoa học: Khoa học Tự nhiên Cơng nghệ, Tập 31, Số 3S (2015) 231-237 62 13 Trần Tân Tiến, Nguyễn Đăng Quế, 2002: Xử lý số liệu Khí tượng dự báo thời tiết phương pháp thống kê vật lý, NXB ĐHQG, Hà Nội 14 Nguyễn Thanh Tú, 2013: Đánh giá kỹ dự báo mưa lớn cho khu vực miền Trung Tây nguyên số mơ hình khu vực Luận văn thạc sĩ Khí Tượng, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, Hà Nội 15 Kiều Thị Xin cộng tác viên (2005), Nghiên cứu dự báo mưa lớn diện rộng công nghệ đại phục vụ phòng chống lũ lụt Việt Nam Báo cáo kết thực đề tài KHCN độc lập cấp Nhà nước Tiếng Anh 16.Beth Ebert, 2002, “Verification of Precipitation Forecasts”, WWRP international Conference on Quantitative Precipitation Forecasting, UK 17.Dian Ratri and Maurice Schmeits, 2018, A comparative verification of raw and bias-corrected ECMWF seasonal ensemble precipitation forecasts in Java (Indonesia), Geophysical Research Abstracts Vol 20, EGU2018-17339, 2018 18.McBride J.L., Ebert E E (2000), “Verification of quantitative precipitation forecasts from operational numerical weather prediction models over Australia”, Weather and Forecasting Vol.(15), pp 103-121 19.Met Office, 2014, Benefits of high resolution ensemble forecasts https://www.metoffice.gov.uk/research/news/2014/high-resolution-ensembles 20 Sanjib Sharma, Ridwan Siddique, Nicholas Balderas, Jose D Fuentes, Seann Reed, Peter Ahnert, Robert Shedd, Brian Astifan, Reggina Cabrera, Arlene Laing, Mark Klein, and Alfonso Mejia, 2017: Eastern U.S Verification of Ensemble Precipitation Forecasts, AMS100 21 http://www.cawcr.gov.au 63 PHỤ LỤC Bảng Chỉ số FBI 20 thành phần dự báo trạm Ninh Bình Thành phần dự báo M1 M2 16-50mm 1.08 1.12 50-100mm 0.76 0.76 >100mm 0.33 0.22 16-50mm 2.19 50-100mm 0.86 0.86 >100mm 0.4 0.4 16-50mm 3.38 2.81 50-100mm 1.3 2.5 >100mm - - 64 Bảng Chỉ số POD 20 thành phần dự báo trạm Ninh Bình Thành phần dự báo M1 M2 0.47 0.61 100mm 0.16 0.16 >100mm 0.43 0.43 0.29 0.32 100mm 0.11 0.05 >100mm 0 0.52 0.17 100mm 0 >100mm 0 1650mm 50- 1650mm 50- 1650mm 50- 65 Bảng Chỉ số FAR 20 thành phần dự báo trạm Ninh Bình Thành phần db M1 M2 16-50mm 0.52 0.5 50-100mm 0.77 0.7 >100mm 0.5 0.5 16-50mm 0.75 0.8 50-100mm 0.83 >100mm 1 16-50mm 0.91 0.9 50-100mm 0.9 >100mm 1 66 ... vào việc đánh giá khả dự báo mưa lớn khu vực đồng Bắc Bộ sử dụng sản phẩm dự báo tổ hợp hệ thống SREPS chạy nghiệp vụ Trung tâm dự báo KTTV Quốc gia Mục đích đánh giá khả dự báo mưa lớn thành... khảo CHƯƠNG ĐẶC ĐIỂM MƯA LỚN Ở KHU VỰC ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ VÀ TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm mưa lớn khu vực đồng Bắc Bộ Khu vực đồng Bắc Bộ nằm phía nam miền Bắc, với vị trí phía Bắc. .. KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Thanh Thủy ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG DỰ BÁO MƯA LỚN Ở ĐỒNG BẰNG BẮC BỘ SỬ DỤNG SẢN PHẨM TỔ HỢP CỦA CÁC MƠ HÌNH KHU VỰC Chun ngành: Khí tượng học Mã số: 60440222 LUẬN