Bài viết trình bày việc tiến hành xây dựng phương trình phân lớp dựa trên bộ số liệu dự báo toàn cầu (Global Forecast System - GFS) của Trung tâm dự báo môi trường Hoa Kỳ (National Centers for Environmental Prediction - NCEP) với 30 trường hợp áp thấp nhiệt đới hình thành trên Biển Đông giai đoạn 2011-2017.
DỰ BÁO SỰ XUẤT HIỆN CỦA ÁP THẤP NHIỆT ĐỚI TRÊN BIỂN ĐÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN LỚP Trần Tân Tiến, Công Thanh, Nguyễn Đức Dũng, Nguyễn Thị Nga Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Ngày nhận 27/4/2020; ngày chuyển phản biện 28/4/2020; ngày chấp nhận đăng 28/5/2020 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, tiến hành xây dựng phương trình phân lớp dựa số liệu dự báo toàn cầu (Global Forecast System - GFS) Trung tâm dự báo môi trường Hoa Kỳ (National Centers for Environmental Prediction - NCEP) với 30 trường hợp áp thấp nhiệt đới hình thành Biển Đơng giai đoạn 2011-2017 Kết xây dựng phương trình dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới sau 24 sau 48 Đối với phương trình riêng lẻ, kết dự báo xác khoảng 60 đến 80% Khi sử dụng số liệu ngày liên tiếp dự báo tất trường hợp thử nghiệm Vị trí hình thành dự báo lệch khoảng 70km Kết nghiên cứu áp dụng phục vụ cho việc dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới khu vực Biển Đông Từ khóa: Áp thấp nhiệt đới, phương trình hàm phân lớp, Biển Đông Mở đầu Áp thấp nhiệt đới bão thiên tai nguy hiểm có mức độ tàn phá nghiêm trọng khu vực lớn, ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến hầu hết hoạt động kinh tế đời sống người Từ nhiễu động nhiệt đới ban đầu (Tropical disturbance), điều kiện thuận lợi xoáy thuận nhiệt đới mạnh dần lên trải qua trình trở thành áp thấp nhiệt đới (Tropical depression), bão nhiệt đới (Tropical storm), bão mạnh (Tropical Severe storm), bão cực mạnh (Hurricane/Typhoon) Biển Đông vùng chịu ảnh hưởng thường xuyên áp thấp nhiệt đới Hằng năm, khu vực Biển Đông xuất khoảng 11 đến 12 xoáy thuận thấp nhiệt đới [1] chúng suy yếu hay chí mạnh lên thành bão gây hậu vô nghiêm trọng Vì vậy, việc dự báo xác hình thành áp thấp nhiệt đới nhiệm vụ quan trọng giúp cảnh báo kịp thời, đắn, góp phần phục vụ tốt cho cơng tác phịng chống giảm nhẹ thiên tai Sử dụng vệ tinh SSM/I so sánh 30 nhiễu động Liên hệ tác giả: Công Thanh Email: congthanh1477@gmail.com 76 TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 14 - Tháng 6/2020 không phát triển 13 nhiễu động phát triển Biển Đông năm 2000 2001, Wang [7] phát lượng ẩn nhiệt giải phóng nhiễu động nhiệt đới phát triển gấp 1,7 lần so với nhiễu động không phát triển Ba điều kiện đưa lý lượng ẩn nhiệt giải phóng thấp nhiễu động khơng phát triển là: (1) Dòng hội tụ 850hPa dịng phân kỳ 200hPa khơng đủ lớn, nên chuyển động thăng khơng phát triển; (2) Bức xạ sóng dài (OLR) lớn, thể nhiệt độ đỉnh mây cao; (3) Nhiệt độ bề mặt nước biển (SST) lạnh Các điều kiện lý ngăn giải phóng ẩn nhiệt phát triển nhiễu động nhiệt đới Biển Đông Tác giả Hennon [6] thực nghiên cứu dự báo chu kỳ phát triển nhiệt đới lưu vực Đại Tây Dương cách sử dụng liệu quy mô lớn sử dụng số liệu tái phân tích: Nhiệt độ khơng khí 12 mực áp suất (925, 850, 700, 600, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100 70hPa), áp suất mực biển (SLP), nước cho giáng thủy, gió kinh vĩ bề mặt mực áp suất (850, 700 200hPa) độ ẩm riêng mực áp suất để tính tốn nhân tố dự báo hình thành xốy thuận nhiệt đới Các nhân tố dự báo lấy trung bình đường trịn bán kính 2o Các nhân tố quy mơ lớn lựa chọn bao gồm nhân tố: (1) Vĩ độ; (2) Tiềm hình thành xốy ngày (DGP); (3) Cường độ tiềm cực đại (MPI); (4) Phân kì ẩm lớp 925-850hPa; (5) Lượng nước giáng thủy; (6) Xu hướng trường áp 24h; (7) Các xu hướng độ xoáy tương đối bề mặt 700hPa; (8) Các xu hướng xốy tính phương pháp Euler Ở Việt Nam, Lê Đình Quang [2] kết luận “Xoáy thuận nhiệt đới di chuyển mặt biển có nhiệt độ bề mặt > 28ᵒC phát triển, vùng nhiệt độ bề mặt 26ᵒC đầy lên nhanh chóng” Khi thực nghiên cứu xây dựng nhân tố nhiệt động phù hợp cho biển Việt Nam, Hoàng Phúc Lâm (2011) [3] thu bao gồm nhân tố gồm: (1) Độ đứt gió theo chiều thẳng đứng thành phần gió kinh hướng (u) (độ đứt gió u) (2) Vĩ hướng (v) (độ đứt gió v) hai mực 850-200mb; (3) Xoáy tương đối mực 850mb; (4) Phân kỳ mực 200mb; (5) Năng lượng đối lưu tiềm năng; (6) Nhiệt độ vị tương đương; (7) Độ ẩm tương đối tầng đối lưu (8) Nhiệt độ mặt nước biển Bên cạnh phương pháp dự báo thống kê để dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới, mơ hình số nghiên cứu, sử dụng để dự báo vị trí xuất cường độ áp thấp nhiệt đới dự báo thống kê có hình thành Tác giả Trần Tân Tiến cộng [4] nghiên cứu dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới mơ hình WRF-NMM, kết thử nghiệm dự báo cho 10 trường hợp áp thấp nhiệt đới giai đoạn 2010-2016, tiếp tục phát triển sau hình thành tan rã sau Kết thời gian hình thành dự báo sớm so với thực tế từ đến 12 giờ, sai số vị trí từ 100 đến 300km Trong nghiên cứu khác tác giả Trần Tân Tiến cộng [5] thử nghiệm dự báo mơ hình WRF với phương pháp LETKF, kết dự báo 21 thành phần, khoảng tổ hợp biến đổi rộng, sớm muộn thời gian dự báo hình thành xốy thuận nhiệt đới, muộn tới 18h dự báo Nhìn chung, có nhiều tác giả thực nghiên cứu, thống kê đặc điểm hình thành phát triển áp thấp nhiệt đới bão cho khu vực nghiên cứu định Tuy nhiên, nghiên cứu dự báo hình thành hay khơng hình thành áp thấp nhiệt đới - tốn cịn Việt Nam Do đó, chúng tơi thực nghiên cứu việc dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới cho khu vực Biển Đông - Việt Nam từ số liệu lịch sử hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông Như ta thấy cơng trình nghiên cứu tác giả nước số nhân tố đóng vai trị quan trọng hình thành áp thấp nhiệt đới Chúng xây dựng nhân tố cho ngày hình thành áp thấp nhiệt đới ngày khơng hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đơng Như có hai tập số liệu ứng với hai pha “CĨ” “KHƠNG” cho hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đơng Sử dụng phương pháp phân lớp ta xây dựng phương pháp dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông Phương pháp số liệu 2.1 Phương pháp 2.1.1 Phương pháp phân lớp Tính tốn xây dựng hàm phân lớp với: - Số pha (hay số nhóm) - Số nhân tố dự báo m - Dung lượng mẫu tương ứng với nhóm n1 n2 Với m nhân tố dự báo, ta định nghĩa phép lấy tổng sau: (1) Tổng bình phương độ lệch nhóm: G n SSW ( x p )= ∑∑ ( x pgk − x pg � ) , p= 1, 2, , m (1) g = g 1= k Với k số chạy theo quan trắc nhóm, g số chạy theo nhóm, p số chạy theo nhân tố dự báo Dấu chấm ( �) có nghĩa trung bình tính cách lấy tổng số vắng mặt, k chạy từ nên ng; g chạy từ đến G p chạy từ đến m (2) Tổng bình phương độ lệch trung bình nhóm so với trung bình chung: SSB( x p= ) G ∑n g =1 g ( x pg − x p ), = p 1, 2, , m (2) TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 14 - Tháng 6/2020 77 (3) Tổng tích chéo độ lệch nhóm: G ng ∑∑ ( x SPW ( x p xq ) = = g 1= k pgk − x pg � )( xqgk − xqg � ), p, q = 1, 2, , m; p ≠ q (3) (4) Tổng tích chéo độ lệch trung bình nhóm trung bình chung: G ∑n SPB( x p xq ) = g =1 g ( x pg � − x p �� )( xqg � − xq �� ), p, q = 1, 2, , m; p ≠ q Hàm phân lớp xây dựng thông qua bước sau: Bước 1: Lập ma trận nhóm (W) nhóm (B) SSW ( x1 ) SPW ( x1 x2 ) SPW ( x1 xm ) SPW ( x2 x1 ) SPW ( x2 ) SPW ( x2 xm ) W = (5) SPW ( xm x1 ) SPW ( xm x2 ) SSW ( xm ) SSB( x1 ) SPB( x1 x2 ) SPB( x1 xm ) SPB( x2 x1 ) SPB( x2 ) SPB( x2 xm ) (6) B= SPB( xm x1 ) SPB( xm x2 ) SSB( xm ) Bước 2: Xác định khơng gian phân biệt: Tìm vecto riêng ma trận W −1 B W −1 B − λ k = (7) Với k ma trận đơn vị pm λ m + pm −1λ m −1 + + p1λ + p0 = Phương trình đặc trưng ( λ giá trị riêng) (W −1 B − λ k )ai = 0, i = 1, 2, , r r = rank (W −1 B) = (G-1, m) Các tọa độ không gian phân biệt: = zi m a x ,i ∑= j =1 ij j (8) 1, 2, , r (4) 1) Vĩ độ: = f 2ω sin φ ×104 (10) Với ω tốc độ quay Trái đất (=7.29×10-5 s-1), ф vĩ độ 2) Tiềm hình thành xoáy hàng ngày (DGP): (11) ζ 900 mb − ζ 200 mb = DGP 3) Phân kỳ ẩm lớp 925-850hPa (MDIV): MDIV =r∇.V + V ∇r (12) Với r tỷ xáo trộn, V thành phần tổng hợp gió ngang Giá trị thấp (cao) thể điều kiện thuận lợi (kém) cho hình thành 4) Độ đứt gió mực 850mb 200mb (deltaV): deltaV= ((u200 − u850 ) + (v200 − v850 ) ) (13) Với u200, u850, v200, v850 gió ngang mực 200mb 850mb 5) Phân kỳ gió mực 200mb (divV): ∂u ∂v (14) devergence(v= ) + ∂x ∂y Sau có kết tính tốn, số tính trung bình điểm lân cận bao gồm: Điểm lưới sát với kinh vĩ độ hình thành xốy thuận nhiệt đới (i, j) điểm lưới xung quanh điểm (i+1, j), (i-1, j), (i, j+1), (i, j-1) Tương tự ta tính trung bình cho điểm cách điểm (i, j) điểm lưới (i-3, j), (i+3, j), (i, j+3), (i, j-3) Các Từ đó, hàm phân lớp xác định là: r I= F ( z1 , z2 , , zr / g ) = Cg + ∑ Cgj z j , g = 1, 2, , G j =1 (9) Trong đó: zj, j=1…r biến không gian phân biệt (các tọa độ phân biệt) Cgj, j=0…r; g=1…G hệ số ứng với nhân tố 2.1.2 Phương pháp tính tốn nhân tố Tính tốn nhân tố sau để dự báo hình thành áp thuận nhiệt đới Biển Đơng: 78 TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 14 - Tháng 6/2020 Hình Vị trí điểm lưới số lấy trung bình vào thời điểm: Thời điểm ghi nhận hình thành xốy thuận nhiệt đới, thời điểm trước ngày thời điểm trước ngày Theo kết tính tốn ta tạo số liệu: Bộ thứ nhất: Các số điểm (i, j) xếp vào lớp “HÌNH THÀNH” cịn số điểm lưới cách điểm lưới ((i-3, j), (i+3, j), (i, j+3), (i, j-3)) xếp vào lớp “KHƠNG HÌNH THÀNH” Bộ số liệu giúp ta chẩn đốn vị trí hình thành áp thấp nhiệt đới Bộ số liệu thứ 2: Các số điểm (i, j) xếp vào lớp “HÌNH THÀNH” cịn số điểm (i, j) thời điểm trước ngày xếp vào lớp “KHƠNG HÌNH THÀNH” Bộ số liệu giúp ta dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông trước ngày Bộ số liệu thứ 3: Các số điểm (i, j) xếp vào lớp “HÌNH THÀNH” cịn số điểm (i, j) thời điểm trước ngày xếp vào lớp “KHƠNG HÌNH THÀNH” Bộ số liệu giúp ta dự báo hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông trước ngày 2.2 Nguồn số liệu Trong nghiên cứu ngày, sử dụng số liệu hệ thống dự báo toàn cầu GFS trung tâm NCEP với độ phân giải 0,5 x 0,5 kinh vĩ độ (https://www.ncdc.noaa.gov/data-access/ model-data/model-datasets/global-forcastsystem-gfs) Số liệu áp thấp nhiệt đới bão hoạt động Biển Đông xác định số áp thấp nhiệt đới hoạt động khu vực 5⁰N-25⁰N, 105⁰E-120⁰E theo thống kê Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc Gia Nghiên cứu thực tính tốn dựa số liệu áp thấp nhiệt đới hình thành Biển Đông, gồm 30 giai đoạn 2011-2017 Kết 3.1 Khảo sát nhân tố xây dựng phương trình dự báo Từ số liệu 30 trường hợp áp thấp nhiệt đới, thực tính tốn nhân tố lựa chọn Kết tính tốn nhân tố tương ứng 30 trường hợp áp thấp nhiệt đới thể chi tiết qua đồ thị đây: Hình Biểu diễn giá trị DGP qua đồ thị Hình Biểu diễn giá trị DeltaV qua đồ thị TẠP CHÍ KHOA HỌC BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Số 14 - Tháng 6/2020 79 Hình Biểu diễn giá trị divV qua đồ thị Hình Biểu diễn giá trị mdiv qua đồ thị Nhìn chung, nhân tố lựa chọn, DGP số dự báo quan trọng phương trình dự báo hình thành xốy thuận nhiệt đới Biển Đơng Từ kết tính tốn số, tiến hành tính tốn xây dựng hàm phân lớp thu phương trình dự báo tương ứng với xác suất dự báo cao lựa chọn: (1) Đối với dự báo áp thấp nhiệt đới thời điểm xét: I = -0,58756 - 0,04808mdiv + 0,01134deltav 5,34786divv + 0,32581DGP (15) Phương trình sử dụng để chuẩn đốn hình thành áp thấp nhiệt đới Biển Đông (2) Sử dụng số liệu ngày trước hình thành: Hàm phân lớp yếu tố ngày hình thành trước ngày điểm dự báo Nếu I>0 dự báo áp thấp nhiệt đới hình thành, I