ĐẶC ĐIỂM HOẠT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG DỰ BÁO HẠN MÙA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN BIỂN ĐÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đinh Bá Duy ĐẶC ĐIỂM HOẠT ĐỘNG VÀ KHẢ NĂNG DỰ BÁO HẠN MÙA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỚI TRÊN BIỂN ĐƠNG Chun ngành: Khí tượng học Mã số: 9440222.01 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC Hà Nội, 2020 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Ngô Đức Thành GS.TS Phan Văn Tân Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Cơ sở …………………………………… Vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Trung tâm Thông tin Thư viện, ĐHQGHN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Đất nước hình chữ S với đặc điểm chiều dài bờ biển lên tới 3.260 km gấp đôi lần chiều dọc gấp lần chiều ngang lãnh thổ - Việt Nam biết đến quốc gia nằm trung tâm bão lớn giới thuộc khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương Ảnh hưởng từ XTNĐ với sức gió cực mạnh lên tới hàng trăm km/h lượng mưa lớn hàng trăm mm gây nên thiệt hại khơng nhỏ kinh tế lẫn tính mạng người dân Tổng quan nghiên cứu ngòai nước cho thấy số đặc điểm XTNĐ khu vực Biển Đông (BĐ) số lượng, số ngày hoạt động, tần suất hoạt động, quỹ đạo dạng đường XTNĐ, biến đổi thập kỷ đặc trưng mối quan hệ XTNĐ BĐ với số q trình khí quyển, đại dương quy mô lớn chủ đề nhiều tranh luận Đồng thời nghiên cứu dự báo XTNĐ cho thấy việc xây dựng mô hình thống kê dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ nói chung Việt Nam nói riêng cịn thách thức ngành khí tượng Mục tiêu nghiên cứu - Làm rõ số đặc điểm hoạt động XTNĐ khu vực BĐ mối quan hệ với số q trình khí quyển, đại dương quy mô lớn sở số liệu cập nhật nhất; - Đánh giá khả dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ khu vực BĐ phương pháp thống kê thống kê động lực Nội dung nghiên cứu - Lựa chọn số liệu XTNĐ cho khu vực BĐ; - Đặc điểm hoạt động XTNĐ khu vực BĐ; - Mối quan hệ XTNĐ khu vực BĐ với ENSO; - Mối quan hệ XTNĐ khu vực BĐ với số khí hậu; - Khả dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ phương pháp thống kê truyền thống; - Khả dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ phương pháp thống kê động lực Đối tượng phạm vi nghiên cứu Các XTNĐ khu vực BĐ có cường độ từ áp thấp nhiệt đới trở lên theo định nghĩa Việt Nam tháng đầu mùa bão (XTNĐ tích lũy tháng 6, 8) tháng cuối mùa bão (XTNĐ tích lũy tháng 9, 10 11) Phương pháp nghiên cứu Trong nghiên cứu luận án, phương pháp sử dụng gồm: - Mô hình hồi quy tuyến tính sử dụng phương pháp: bình phương tối thiểu (MLR); độ lệch tuyệt đối nhỏ (LAD); minimax (LMV) để xác định hệ số hồi quy; - Phương pháp mạng thần kinh nhân tạo (ANN); - Phương pháp tổ hợp; - Phương pháp hồi quy bước; - Phương pháp phân tích thành phần Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: 1) Những kết nhận luận án đặc điểm hoạt động góp phần nâng cao hiểu biết quy luật phân bố theo không gian biến đổi theo thời gian số đặc trưng khí hậu XTNĐ BĐ mối quan hệ đặc trưng với q trình khí quyển, đại dương quy mơ lớn; 2) Từ việc phân tích vai trị nhân tố dự tuyển nhân tố dự báo đánh giá sai số phương trình dự báo luận án khả khai thác ứng dụng số khí hậu sản phẩm dự báo mơ hình CFS cho mơ hình thống kê dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ BĐ; 3) Luận án cho thấy kết dự báo chuỗi số liệu phụ thuộc khả quan nhiên sai số dự báo chuỗi số liệu độc lập nhìn chung lớn Việc tổ hợp sản phẩm dự báo từ nhiều thành phần góp phần làm giảm đáng kể sai số dự báo Ý nghĩa thực tiễn: Mặc dù số hạn chế song phương trình dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ BĐ luận án ứng dụng vào dự báo nghiệp vụ, góp phần cung cấp thơng tin cho cơng tác phịng tránh, giảm thiểu thiệt hại thiên tai, chủ động ứng phó với bão, áp thấp nhiệt đới, đặc biệt ngư dân, cộng đồng cư dân sinh sống công tác vùng biển đảo, hoạt động tác chiến bảo vệ chủ quyền biển đảo đội đội ngũ người làm công tác cứu hộ cứu nạn biển Các đóng góp luận án Luận án đưa tranh đầy đủ đặc điểm hoạt động XTNĐ BĐ, số lượng, số ngày hoạt động, tần suất hoạt động, quỹ đạo dạng đường XTNĐ, biến đổi thập kỷ đặc trưng đó, mối quan hệ XTNĐ BĐ với số khí hậu sở số liệu cập nhật Luận án lựa chọn nhân tố dự báo thích hợp xây dựng phương trình dự báo thống kê số lượng XTNĐ khả ứng dụng phương trình việc dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ khu vực BĐ hai cách tiếp cận Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu; kết luận kiến nghị; tài liệu tham khảo; phụ lục, cấu trúc luận án gồm 04 Chương: Chương Tổng quan nghiên cứu đặc điểm XTNĐ toán dự báo hạn mùa XTNĐ Chương Số liệu phương pháp nghiên cứu Chương Một số đặc điểm XTNĐ biển Đơng mối quan hệ với q trình quy mô lớn Chương Khả dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ khu vực biển Đông Kết luận kiến nghị Chương Tổng quan nghiên cứu đặc điểm XTNĐ toán dự báo hạn mùa XTNĐ 1.1 Đặc điểm hoạt động XTNĐ Các nghiên cứu đặc điểm khí hậu (như số lượng, tần suất, quỹ đạo vùng hoạt động) bão TBTBD nói chung BĐ thực nhiều nhà khoa học khí tượng ngồi nước Riêng khu vực BĐ, kết nhận đặc điểm hoạt động XTNĐ đáng ghi nhận song thấy nghiên cứu đặc điểm hoạt động XTNĐ qua số lượng số ngày hoạt động, mối quan hệ chúng với tượng ENSO số khí hậu để từ khai thác, ứng dụng vào toán dự báo XTNĐ khu vực BĐ chưa nghiên cứu nhiều 1.2 Nghiên cứu dự báo hạn mùa XTNĐ Bài toán dự báo hạn mùa XTNĐ thực theo phương pháp thống kê động lực Ở phương pháp thống kê, tốn có thể tiếp cận theo hướng 1) thống kê truyền thống dựa nhân tố dự báo số hồn lưu khí quyển, đại dương nói chung hay số khí hậu nói riêng 2) thống kê trường quy mô lớn lấy từ sản phẩm mơ hình động lực Riêng khu vực BĐ, vấn đề nghiên cứu đặc điểm hoạt động XTNĐ qua số lượng số ngày hoạt động, mối quan hệ chúng với tượng ENSO, số khí hậu trường quy mô lớn từ sản phẩm đầu mơ hình khí hậu tồn cầu, mơ hình khí hậu khu vực để từ khai thác, ứng dụng vào toán dự báo hạn mùa XTNĐ khu vực BĐ khiêm tốn, chưa tương ứng với mức độ nguy hiểm tượng thời tiết cực đoạn Chương Số liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Số liệu 2.1.1 Số liệu XTNĐ Luận án sử dụng nguồn số liệu Trung tâm Khí tượng chuyên ngành khu vực Nhật Bản (từ viết tắt RSMC) Đây số liệu cập nhật thường xuyên, quan phát hành số liệu Tổ chức Khí tượng giới phân cơng theo dõi, phân tích dự báo XTNĐ cho khu vực giới hạn phạm vi không gian (0o-60oN, 100o180oE) bao gồm BĐ 2.1.2 Số liệu số khí hậu Chỉ số khí hậu đại lượng tính tốn từ trường khí quyển, đại dương dùng để mơ tả trạng thái hệ thống khí hậu Các số khí hậu thường biểu diễn chuỗi thời gian giá trị tháng Một số số hàm trực giao thực nghiệm (EOF) biến thiên theo thời gian trường khí quyển, đại dương từ phân tích thành phần trường, số dao động bắc Đại tây dương (NAO), số dao động thập kỷ Thái bình dương (PDO), Nhiều nghiên cứu rằng, số khí hậu xem thành phần quan trọng toán dự báo hạn mùa, đặc biệt dự báo XTNĐ, theo nghĩa chúng lựa chọn làm nhân tố dự báo cho mơ hình thống kê Do luận án sử dụng số Tuy nhiên, số khác kết nghiên cứu khác độ dài số liệu có khơng giống Nhằm hướng tới toán dự báo nghiệp vụ, luận án lựa chọn số theo tiêu chí sau: 1) Các số cho có ảnh hưởng đến hoạt động XTNĐ khu vực BĐ TBTBD; 2) Chuỗi số liệu đủ dài (trên 30 năm); 3) Có tính cập nhật thường xun Trên sở luận án lựa chọn 30 số khí hậu làm nhân tố dự tuyển cho toán dự báo hạn mùa XTNĐ khu vực BĐ 2.1.3 Số liệu dự báo lại mơ hình CFS Mơ hình dự báo khí hậu hạn mùa CFS phát triển Trung tâm Dự báo Môi trường Hoa Kỳ (NCEP) CFS mơ hình động lực kết hợp gần đầy đủ thành phần khí quyển, đại dương, đất liền trình băng, triển khai vào nghiệp vụ NCEP từ tháng năm 2004 Phiên CFS phiên thứ hai (CFSv2) chạy dự báo nghiệp vụ từ năm 2011 So với phiên (CFSv1), phiên CFSv2 có nhiều cải tiến đáng kể Cho mục đích xây dựng mơ hình thống kê dự báo số lượng XTNĐ BĐ, luận án sử dụng trường trung bình tháng dự báo lại CFSv2 (CFS_Rfc) làm nhân tố dự báo Số liệu CFS_Rfc lấy giai đoạn 1982-2009 2011-2017 Các trường CFS_Rfc khai thác bao gồm nhiệt độ bề mặt biển (SST), khí áp mực biển (Prmsl), thành phần gió kinh vĩ hướng độ cao địa vị mực đẳng áp chuẩn 850, 500, 200 mb, tốc độ gió thẳng đứng mực 850mb, độ ẩm tương đối mực 700 500mb Độ đứt gió tính tốn qua gió mực 850 200 mb xem trường số liệu ban đầu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.3 Xử lý số liệu ban đầu Số lượng XTNĐ BĐ chọn lọc từ số liệu RSMC theo ngun tắc XTNĐ có lần (obs 6h) mà tâm rơi vào miền BĐ tính Số liệu sử dụng để khảo sát đặc điểm hoạt động (chương 3) xây dựng phương trình dự báo (chương 4) số lượng XTNĐ Ngồi ra, XTNĐ tính luận án tất trường hợp có cường độ đạt từ ATNĐ trở lên, độ gió cực đại phải từ 39km/h trở lên Trong số trường hợp cụ thể chia XTNĐ thành ATNĐ (tốc độ gió cực đại nằm khoảng 39-61km/h) bão (tốc độ gió cực đại 61km/h) Số liệu số khí hậu: Ở số trường hợp số liệu gốc số giá trị trường, ví dụ SST, khí áp, nên thứ nguyên không giống nhau, quan trọng bậc đại lượng chúng khác Do vậy, số liệu ban đầu chuẩn hoá theo nguyên tắc lấy giá trị ban đầu trừ trung bình nhiều năm chia cho độ lệch chuẩn Số liệu CFS_Rfc khảo sát đến hạn dự báo tháng, độ phân giải 1.0 x 1.0 độ Ngoài ra, để thuận tiện cho việc tính tốn, tất số liệu đưa định dạng NetCDF 2.2.2 Các mơ hình thống kê Cho mục đích dự báo mùa số lượng XTNĐ BĐ luận án sử dụng hai nhóm mơ hình thống kê mơ hình hồi quy tuyến tính mơ hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN) * Mơ hình hồi quy tuyến tính: Dạng tổng quát biểu diễn: ∑ ̂ (2.1) Trong ̂ yếu tố dự báo (số lượng XTNĐ), nhân tố dự báo, , , là hệ số hồi quy mà ước lượng chúng tương ứng xác định qua: 1) Phương pháp bình phương tối thiểu (MLR): ∑ ( ∑ ) (2.2) 2) Phương pháp độ lệch tuyệt đối nhỏ (LAD): ∑ | ∑ (2.3) | 3) Phương pháp minimax (LMV): ( | ∑ Trong công thức từ (2.2) đến (2.4), | ) tương ứng giá trị quan trắc thứ i (i=1, 2, , n) yếu tố dự báo y nhân tố dự báo (j=1, 2, ,m) Ứng với phương pháp xác định hệ số hồi quy trên, để giản tiện thống nghiên cứu kết quy ước tên gọi tương ứng mơ hình MLR, LAD mơ hình LMV * Mơ hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN): Mơ hình ANN nghiên cứu phát triển xuất phát từ quan sát hoạt động não tế bào thần kinh ANN mô cấu trúc hoạt động não người, hình thành từ đơn vị riêng lẻ gọi tế bào thần kinh nhân tạo (hay neuron nhân tạo) Bản chất phương pháp tìm hàm xấp xỉ cho chuỗi số liệu nhiều biến phụ thuộc dựa biến độc lập làm đầu vào với sai số cho trước Số lớp mạng ANN đa dạng, phân biệt theo cấu hình mạng, phương thức cực tiểu, Neuron đơn vị sở mạng thần kinh nhân tạo Một neuron nhận giá trị đầu vào thực, giá trị đầu giá hàm ngưỡng ϕ với đối số tổ hợp tuyến tính giá trị đầu vào Giả sử giá trị đầu +, trọng số tương ứng véctơ ⃗⃗⃗ vào véctơ ⃗ * + Tổ hợp tuyến tính giá trị đầu vào là: * (2.5) Giá trị đầu ra: ( ⃗) ), ( giá trị thực thêm vào gọi độ lệch (bias) Nếu ta đưa thêm ký hiệu (∑ , ta có ( ⃗) ) Hàm φ, gọi hàm kích hoạt (activation), có số dạng sau đây: Hàm ngưỡng (threshold) ( ) { (2.6) Hàm tuyến tính - trơn đoạn (piecewise-linear) ( ) { Hàm dạng sigma (sigmoid) ( ) (2.7) ( (2.8) ) với a tham số độ dốc Sai số E tổng sai số tất neuron đầu ra: ( ⃗⃗⃗) ∑ ∑ ( ) (2.9) Chương Một số đặc điểm XTNĐ biển Đông mối quan hệ với q trình quy mơ lớn 3.1 Tần suất bão hoạt động Ở giai đoạn 1971-2019, số lượng XTNĐ trung bình theo RSMC 10,9 ± 2,9 XTNĐ Năm nhiều 17 (năm 1971, 2017) (năm 1976, 2015) XTNĐ hoạt động nhiều vào giai đoạn 1971-1974, 1988-1995 năm 2013, 2017 Về số lượng số ngày hoạt động XTNĐ phù hợp với Nếu xem mùa bão tháng liên tục năm có tần suất xuất 50% số lượng bão trung bình mùa bão BĐ từ tháng đến tháng 11 Nếu xem tháng liên tục có trung bình 1.5 bão mùa bão mùa bão BĐ rơi vào tháng 7-10 Trong tháng mùa bão, trung bình tháng có ngày (trên 16 obs giờ) bão hoạt động BĐ Đối với mùa bão thời gian bão hoạt động vào khoảng 5-7 ngày Trong năm, tháng bão tháng 1-4 tháng có tần suất bão hoạt động 6,2% số lượng trung bình 0,1 Các tháng 12 chưa phải tháng mùa bão tần suất xuất lớn, khoảng từ 35-45% trung bình tháng có khoảng 0,5 bão Tần suất bão xuất tháng mùa bão nói chung vượt 75%, tháng mùa bão đạt tới 90% Riêng tháng 100% số năm có bão xuất Tổng lượng XTNĐ tháng mùa bão biến động lớn, có năm khơng có có năm có đến XTNĐ Đa số năm tổng lượng XTNĐ tháng mùa bão có 1-2 Số lượng XTNĐ tháng cuối mùa bão biến động qua năm mạnh tháng đầu mùa, 1-2 nhiều đến Về xu thế, số lượng bão tháng ngồi mùa bão có dấu hiệu tăng xu lại giảm tháng mùa bão 11 3.2 Quỹ đạo bão vùng bão hoạt động Ở giai đoạn 1971-2019, XTNĐ hoạt động nhiều vùng đơng bắc, trung bình khoảng cơn/năm Vùng hoạt động số lượng XTNĐ có biến động đáng kể qua thập kỷ (Hình 3.7) Hình 3.7 Trung bình năm số lượng (trái) số ngày hoạt động (phải) bão qua thập kỷ khu vực Biển Đông giai đoạn 1971-2019 Những năm 1971-1980 XTNĐ tập trung nhiều khu vực đông bắc BĐ đến thập kỷ 1981-1990 vùng nhiều XTNĐ dịch vào trung tâm BĐ Thập kỷ 1991-2000 vùng nhiều XTNĐ lại dịch lên phía đơng bắc có xu hướng giảm Các năm từ 2001-2019 vùng XTNĐ hoạt động mở rộng xuống phía nam BĐ với mật độ dàn trải Phân bố số ngày XTNĐ hoạt động phù hợp với phân bố số lượng XTNĐ Số ngày XTNĐ hoạt động tập trung nhiều 12 khu vực trung tâm đông bắc BĐ thập niên 1971-2000 Từ năm 2001 đến số ngày có XTNĐ hoạt động phân bố dàn trải hầu khắp BĐ có xu hướng gia tăng phần phía Nam Để xem xét biến động nhiều năm quỹ đạo vùng hoạt động XTNĐ khu vực BĐ, luận án áp dụng phương pháp phân tích thành phần cho số liệu RSMC giai đoạn 1971-2019 Hình 3.8 Ba thành phần (PCs) chuỗi thời gian EOFs) số lượng bão khu vực Biển Đông giai đoạn 1971-2019 Ở dạng (mode) thứ XTNĐ di chuyển vào vùng đơng bắc BĐ hướng lên phía Đài Loan, Nhật Bản nhiều trung bình nhiều năm khoảng thời gian 1980 - 1990 trước 1975, vào khu vực đơng nam Trung Quốc trung bình nhiều năm năm 1995-2005 Trong dạng thứ hai XTNĐ hoạt động nhiều phía đơng Philippine phía đơng khu vực BĐ năm 2000-2010 1975-1985, trung bình nhiều năm phía nam đơng bắc BĐ Dạng thứ ba thể rõ hai giai đoạn XTNĐ có xu hướng vào khu vực Bắc Bộ Nam Bộ thập niên gần (sau 2005) giảm khu vực phía đơng Nam Trung Bộ 13 3.3 Quan hệ số lượng XTNĐ Biển Đơng ENSO Tính trung bình giai đoạn 1971-2018, tổng số XTNĐ năm El Niño 10,1 cơn/năm, năm La Niña 11,3 cơn/năm năm trung tính (Non-ENSO) 11,3 cơn/năm Như so với trung bình nhiều năm, số lượng XTNĐ Biển Đơng năm El Niđo khoảng (10,1/10,9) La Niña nhiều khoảng 0,4 (11,3/10,9) Đối với XTNĐ đạt cường độ từ bão trở lên (TS/TY) giá trị tương ứng với pha ENSO 8,7; 10,6 10,6 cơn, cịn với XTNĐ có cường độ ATNĐ giá trị tương ứng 1,4; 0,7 0,7 cơn/năm Số lượng XTNĐ có cường độ bão tháng đầu mùa bão tương đương năm El Niño La Niña (3,7 tới 3,8 cơn) tháng cuối mùa bão lại chênh lệch (4,0 5,9 cơn) Như số lượng XTNĐ Biển Đông năm La Niña nhiều năm El Niño khoảng gần cơn/năm thường tập trung vào tháng cuối mùa bão (tháng 9, 10 11) 3.4 Quan hệ số lượng số ngày hoạt động XTNĐ Biển Đơng với số khí hậu Hệ số tương quan thể mức ý nghĩa thống kê tập trung nhiều vào nhóm số như: Nino 1, 3, 4, 3.4, ONI, SOI, NTASST, AMMSST, CARERSST, TNA, TSA, WHWP Trong đó, giá trị bật nhóm số liên quan đến ENSO (Các số Nino, SOI, ONI) số Đại dương liên quan đến SST NTASST, WHWP, CARERSST, AMMSST, AMONUS hay số khí QBO30, SOI, REQSOI, ZWND20, WPAC85, CPAC85) Kết đồ tương quan tháng cho thấy, đặc trưng số lượng số ngày hoạt động, có 22 số khí hậu thể hiển tiềm việc tuyển chọn nhân tố cho toán dự báo số lượng bão BĐ Bên cạnh kết gợi ý việc khai thác số khí hậu tiềm cho dự báo mùa bão hạn tháng tốt bão tháng 14 Chương IV: Khả dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ hoạt động khu vực biển Đông 4.1 Khả dự báo hạn mùa số lượng bão Biển Đông phương pháp thống kê truyền thống 4.1.1 Tuyển chọn tập nhân tố dự báo Từ 22 số khí hậu sơ lược trên, liệu mở rộng thêm với độ trễ từ tháng thứ tới tháng thứ 12, tức bao gồm 220 nhân tố dự tuyển xem xét Tương ứng với tháng dự báo, nhân tố dự báo tuyển chọn qua kỹ thuật hồi quy bước trình bày Bảng 4.1 Bảng 4.1 Các số khí hậu lựa chọn (kèm độ trễ biểu thị Bảng Cácsốchỉtừ 3hậutớiđược12) làm nhân tố nhân dựtốbáo TH1 số khí lựa chọn (kèm độ trễ) làm dự báocho cho TH1 TT Nhóm Chỉ số khí hậu Niđo1+2 Niño3 Niño3.4 ENSO Niño4 MEIV2 CENSO ONI SST TBD TNI WHWP 10 TNA 11 AMONUS SST ĐTD 12 AMM 13 NTA 14 SOI 15 REQSOI 16 REPAC_SLPA 17 RINDO_SLPA Khí ZWND200 18 19 WPAC850 20 EPAC850 21 CPAC850 22 QBO30 Số lượng số lựa chọn Nhóm ENSO Nhóm Đại dương Nhóm Khí Tháng 10 11 12 12 9 3,4 12 5 6,9 12 12,11 7 12 8 7,9 5,11 12 3,5,7,11 12,11 12 12 6 10 10 9 0 1 3 2 4 6 10 3,7 10 12 12 4,7 7,10 10,11 3, 10 12 11 6,9 10 3,4,5 11 8 1 6,8 6 3,5 4,10 Tổng cộng (cả năm) 0 1 2 8 11 12 108 23 60 4.1.2 Kết dự báo số lượng XTNĐ Biển Đông theo TH1 Sử dụng nhân tố dự báo lựa chọn từ tập 220 nhân tố dự tuyển có nguồn gốc từ 22 số khí hậu trình bày bảng 4.1 trên, luận án tiến hành xây dựng mơ hình thống kê (MLR, LAD, LMV, ANN) dự báo số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ 15 tháng tiếp sau Các kết dự báo số lượng bão BĐ hoạt động thời gian tháng đầu mùa bão cuối mùa bão cho thấy, giai đoạn phụ thuộc hầu hết mơ hình mơ tốt so với số liệu quan trắc Cụ thể, sai số ổn định xung quanh giá trị thấp, ME biến đổi xung quanh 0, MAE (0,3 tới 0,7), RMSE (0,4 tới 0,8) số số kỹ dự báo MSSS phổ biến 0,8; hệ số tương quan dương hầu hết đạt giá trị 0,9 Trên giai đoạn dự báo kiểm nghiệm độc lập hầu hết mơ hình đưa kết có sai khác định so với số liệu quan trắc, nhận thấy rằng, sai số ổn định so sánh so với độ lệch chuẩn khí hậu Cụ thể, kết dự báo cho XTNĐ tháng đầu mùa bão, sai số ME, MAE RMSE tương ứng khoảng -0,9; 1,7 2,5 kết tháng cuối mùa bão tương ứng mức 0,4; 1,1 1,6 Cũng cần lưu ý rằng, đóng góp lớn vào sai số sai số dự báo thời điểm tháng năm 2013 (số lượng XTNĐ dự báo 3, quan trắc 8) năm 2017 (dự báo 4, quan trắc 8) thời điểm tháng năm 2013 (dự báo 4, 8, quan trắc 6) nhắc đến năm có số lượng bão dị thường cao so với trung bình khí hậu Bên cạnh giá trị hệ số tương quan số liệu quan trắc kết dự báo cho XTNĐ đầu mùa bão số kỹ dự báo thời điểm dự báo tháng biến động xung quanh giá trị 0,2 -0,07 so với thời điểm tháng dự báo cho XTNĐ cuối mùa bão (tương ứng 0,7 0,25) Điều cho thấy mơ hình dự báo khảo sát cho kết dự báo XTNĐ hoạt động thời gian cuối mùa bão tốt so với thời điểm đầu mùa bão Như qua việc phân tích, đánh giá số đánh giá sai số kỹ dự báo mơ hình thống kê cho thấy việc nghiên cứu, sử dụng nhân tố dự báo từ số khí hậu theo TH1 khả thi, chất lượng dự báo mô hình thống kê xây dựng khía 16 cạnh tốt so với dự báo trung bình khí hậu Đánh giá sai số kỹ dự báo cho thầy, kết tiệm cận so sánh với số kết công bố nước quốc tế dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ (Nguyễn Văn Tuyên (2008); Chan cộng (1998), Li cộng (2013), Klotzbach cộng (2019) 4.1.3 Kết dự báo số lượng XTNĐ Biển Đông theo TH2 Với liệu 220 nhân tố dự tuyển, TH2 sử dụng kỹ thuật phân tích thành phần PCA để tuyển chọn thành phần (6 EOFs) nhân tố dự báo thức Kết cho thấy, hầu hết mơ hình mơ tốt số lượng XNTĐ thời gian đầu cuối mùa bão Cụ thể, sai số ổn định xung quanh giá trị thấp, ME biến đổi quanh 0, MAE (0,7 tới 1,2), RMSE (0,8 tới 1,6) số kỹ dự báo MSSS phổ biến khoảng 0,1 tới 0,5; hệ số tương quan dương đạt giá trị khoảng 0,4 đến 0,7 Kết dự báo kiểm nghiệm chuỗi độc lập, kết dự báo cho XTNĐ tháng đầu mùa bão, sai số ME, MAE RMSE tương ứng khoảng -1,0; 1,8 2,5 kết tháng cuối mùa bão tương ứng mức khoảng -0,8; 1,3 1,6 Cũng cần lưu ý rằng, đóng góp lớn vào sai số sai số dự báo thời điểm tháng năm 2013 (số lượng XTNĐ dự báo 4, quan trắc 8) năm 2017 (dự báo 2-4, quan trắc 8) nhắc đến năm có số lượng bão dị thường cao so với trung bình khí hậu Giá trị hệ số tương quan số kỹ dự báo cho XTNĐ đầu mùa bão biến động xung quanh giá trị -0,3 kết thời điểm tháng dự báo cho XTNĐ cuối mùa bão (tương ứng 0,7 0,4) Điều cho thấy mơ hình dự báo khảo sát cho kết dự báo XTNĐ hoạt động thời gian cuối mùa bão tốt so với thời điểm đầu mùa bão 4.3 Khả dự báo hạn mùa số lượng bão Biển Đông phương pháp thống kê động lực 17 4.3.1 Quan hệ trường sản phẩm CFSv2.0 với số lượng XTNĐ BĐ Để có sở cho việc lựa chọn nhân tố dự báo xây dựng phương trình dự báo thống kê từ sản phẩm mơ hình CFSv2.0, luận án tiến hành khảo sát tương quan số lượng XTNĐ BĐ tháng trường quy mô lớn CFSv2.0 với độ trễ khác Các đồ tương quan cho thấy 12 thời điểm dự báo năm tồn nhiều vùng thể tương quan cao, chủ yếu tập trung trung tâm tác động, vùng Nino có ảnh hưởng tới hình thành, phát triển XTNĐ khu vực TBTBD nói chung BĐ nói riêng, vùng kỳ vọng lựa chọn nhân tố dự tuyển từ sản phẩm CFSv2.0 4.3.2 Lựa chọn thiết lập nhân tố dự tuyển nhân tố dự báo Hình 4.9 trình bày khu vực định hướng lựa chọn cho nhân tố dự tuyển, khu vực D01 bao gồm thông tin ENSO (ấm lên hướng đông, hướng tây trung tâm TBD nhiệt đới) Khu vực D04 đánh giá hoạt động IOD (nhánh khác hoàn lưu Walker), D04 mục đích đánh giá hoạt động gió mùa tây nam, ảnh hưởng quan trọng đến thời điểm bùng nổ mùa bão Khu vực D02 đánh giá thơng tin hoạt động rãnh gió mùa tây bắc TBD Cuối cùng, khu vực D03 đánh giá trực tiếp điều kiện mơi trường đại dương - khí biển Đơng, bao gồm phận gió mùa Đơng Á (rãnh Đơng Á) Đây khu vực lựa chọn với hy vọng bao hàm nhân tố quan điều khiển hoạt động bão BĐ Hình 4.9 Các khu vực định hướng lựa chọn nhân tố dự tuyển từ sản phẩm CFSv2.0 18 Bộ nhân tố dự tuyển sau tiếp tục tuyển chọn kỹ thuật hồi quy bước để có nhân tố dự báo cho mơ hình thống kê trình bày bảng 4.12 Bảng 4.12 Các biến trường quy mô lớn lựa chọn (dấu x) từ CFSv2.0 làm nhân tố dự báo Tháng đứng dự báo 10 11 12 Tổng số lần xuất năm SST RH700 VWS VOR VVEL PRMSL HGT850 Tổng số nhân tố V1 V2 V1 V2 V1 V2 V1 V2 V1 V2 V1 V2 V1 V2 lựa chọn X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X 18 18 18 15 15 16 4.2.3 Kết dự báo số lượng XTNĐ hoạt động khu vực Biển Đông phương pháp thống kê động lực theo TH3 Kết dự báo số lượng XTNĐ hoạt động tháng liền sau 12 thời điểm năm theo TH3 cho thấy, số liệu phụ thuộc (1983-2002) nhìn chung mơ hình thống kê dự báo số lượng XTNĐ hoạt động tháng liền tiếp tương đối gần sát với số liệu quan trắc hầu hết thời điểm dự báo Trong số mơ hình thống kê khảo sát, mơ hình LMV cho kết (đặc biệt tháng 4, 8, 11) mơ hình thống kê khác (MLR, LAD, ANN) đưa kết tương đồng với số liệu quan trắc giai đoạn Sai số ME thời điểm dự báo cho đầu cuối mùa bão số liệu phụ thuộc thấp, biến động gần mơ hình gốc tổ hợp Sai số MAE (RMSE) thời điểm dao động khoảng 0,6 tới 1,0 (1,0 tới 1,5) thấp so với độ lệch chuẩn khí hậu Hệ số tương quan só kỹ dự báo cho thời điểm tương ứng xuanh quanh giá trị 0,7 0,6 Như nói, số liệu phụ thuộc mơ hình mơ tương đối tốt số lượng XTNĐ BĐ đầu cuối mùa bão 19 Trên giai đoạn dự báo kiểm nghiệm độc lập TH3, tháng đầu mùa bão, sai số ME, MAE RMSE tương ứng khoảng -0,4 đến -0,8; 1,7 đến 2,4 2,5 đến 2,7 kết tháng cuối mùa bão tương ứng 2,0 đến 2,6; 2,8 đến 3,5 tới 3,8 Đóng góp vào sai số dự báo thời điểm tháng sai số dự báo (thiên thấp) phổ biến khoảng hầu hết năm giai đoạn 2012 tới 2016 (ngoại trừ 2015 có kết dự báo đúng) Tương tự vậy, đóng góp sai số dự báo thời điểm tháng chủ yếu đến từ xu hướng sai (thiên thấp) tất giai đoạn 2012 – 2016 Bên cạnh giá trị hệ số tương quan dương ngưỡng đạt số dự báo kỹ MSSS xuất hiệ số mơ LMV, ANN tổ hợp E14, E1234 dự báo XTNĐ đầu mùa bão cho giá trị âm dự báo XTNĐ cuối mùa bão Điều cho thấy khác với TH1, TH2 mơ hình dự báo khảo sát theo TH3 cho thấy khả dự báo XTNĐ hoạt động thời gian đầu mùa bão kỹ dự báo không đạt XTNĐ cuối mùa bão Như qua phân tích số đánh giá sai số kỹ dự báo mơ hình thống kê cho thấy việc sử dụng nhân tố dự báo xác định từ sản phẩm mơ hình động lực CFSv2.0 theo TH3 khả thi Kết đánh giá số liệu phụ thuộc (1983-2009) độc lập (2012-2016) cho thấy mơ hình nhìn chung nắm bắt tương đối tốt xu biến đổi số lượng XTNĐ hoạt động BĐ Mặc dù số sai số kỹ dự báo cho thấy cho thấy kết dự báo TH3 không thực tốt TH1, TH2 song điểm tích cực TH3 đưa kết dự báo XTNĐ hoạt động đầu mùa bão hiệu XTNĐ cuối mùa Đáng lưu ý, kết TH3 cho thấy khả nắm bắt xu biến đổi bất thường số lượng bão BĐ chẳng hạn năm nhiều bão 2013, hay năm bão 2015 Điều cho thấy khả mơ hình dự báo thống kê động lực so với mơ hình truyền thống nắm bắt tốt biến động bất thường hoạt động bão BĐ – thách thức không nhỏ dự báo thống kê truyền thống TH1, TH2 Như vậy, nói rằng, với TH1, TH2, kết dự báo bão BĐ TH3 đưa cấp thêm thơng tin bổ trợ hữu ích Để có tranh chung sai số chất lượng chung trường 20 hợp khảo sát (TH1, TH2, TH3), hình 4.13 tỷ lệ tính tốn với pha (trên chuẩn chuẩn) Nhìn chung, kỹ dự báo pha cho trường hợp xấp xỉ ngưỡng 50% Ở giai đoạn phụ thuộc tính trung bình năm, so với trung bình khí hậu TH1 cho kỹ dự báo tốt cả, tiếp đến TH3, TH2 xem xét dự báo cho thời điểm đầu cuối mùa bão BĐ thứ tự TH1, TH2 TH3 Trong giai đoạn dự báo phụ thuộc ANN mơ hình có kết tốt nhất, tiếp đến LAD, MLR LMV cho thấy khả dự báo Hình 4.13 Tỷ lệ (tỷ số số lần dự báo tổng số lần dự báo; %) (Hình cho dự báo phụ thuộc; hình cho dự báo độc lập) Kết dự báo chuỗi độc lập (hình 4.13) tính trung bình 12 thời điểm dự báo độc lập năm, TH1, TH3 cho kết tốt so với TH2, bên cạnh TH1 cho kết dự báo cho XTNĐ cuối mùa bão tốt nhất, tiếp đến TH3, TH2 khả dự báo XTNĐ hoạt động đầu mùa bão tốt TH3 tiếp đến TH1 TH2 Như thấy tùy theo thời điểm dự báo kết trường hợp xuất không tập trung vào trường hợp cụ thể nào, với thực tế chuỗi số liệu kiểm nghiệm tương đối ngắn để đưa kết dự báo cuối cần thiết phải có đánh giá, cân nhắc tất phương án mà trường hợp đưa 21 KẾT LUẬN Nghiên cứu số liệu XTNĐ JMA giai đoạn 1971-2019 cho phép đưa số đặc điểm hoạt động XTNĐ khu vực BĐ, bao gồm: Trung bình giai đoạn 1971-2019 có trung bình khoảng 10,9 XTNĐ họat động khoảng 35,6 ngày, XTNĐ nhiều (ít nhất) năm La Niña (El Niño) với số lượng khoảng 11,3 (10,1 cơn) Ở năm El Niño (La Niña) thời gian XTNĐ hoạt động khoảng 33,7 ngày (36 ngày) năm Trung tính 37 ngày Nhìn chung số lượng XTNĐ năm La Niđa nhiều so với năm El Niño khoảng gần cơn/năm chênh lệch thường tập trung vào tháng cuối mùa bão (tháng 9, 10 11) Mùa bão BĐ kéo dài từ tháng 6-11 chủ yếu hoạt động mạnh vào tháng 7-10 Số lượng bão BĐ có biến động mạnh qua năm Có dấu hiệu xu tăng số lượng bão tháng mùa bão giảm tháng mùa bão (các tháng từ tới 11) Vùng số lượng bão BĐ có biến động đáng kể qua thập kỷ giai đoạn 1971-2018 Những năm 1971-1980 bão tập trung nhiều khu vực đông bắc BĐ đến thập kỷ 1981-1990 vùng nhiều bão dịch vào trung tâm BĐ Thập kỷ 1991-2000 vùng nhiều bão lại dịch lên phía đơng bắc có xu hướng giảm Hai thập kỷ gần 2001-2019 vùng bão hoạt động mở rộng xuống phía nam BĐ với mật độ dàn trải Các phân tích thành phần liệu giai đoạn 19712019 đưa gợi ý dạng đường XTNĐ khu vực BĐ tập trung chủ yếu theo hướng Bắc Tây Bắc, Tây Bắc vào Vịnh Bắc Bộ; hướng Tây, Tây Tây Nam xuống Nam Bộ số XTNĐ hình thành, di chuyển từ khu vực tây bắc TBD theo hướng Bắc Tây Bắc Bắc vào Trung Quốc, Đài Loan; hướng Bắc, Bắc Đông Bắc vào khu vực biển Nhật Bản Kết phân tích theo thời gian cho thấy thời điểm thập niên 80 XTNĐ phổ biến theo hướng Tây Bắc hướng vào khu vực Vịnh Bắc Bộ, nhiên thập niên 90 2000 dạng quỹ đạo thịnh hành theo hướng Bắc Tây Bắc, Bắc vào Trung Quốc Bắc Đông Bắc vào khu vực biển Nhật Bản, Hàn Quốc Từ thập niên 80 trở sau tồn dạng quỹ đạo theo hướng Tây, 22 Tây Nam vào khu vực Nam Bộ Việt Nam phù hợp với xu hướng dịch chuyển xuống phía Nam XTNĐ khu vực BĐ Đánh giá, khảo sát tương quan 30 số khí hậu với số lượng số ngày hoạt động bão BĐ qui mô thời gian tháng đến mùa (1, tháng) cho thấy tồn 22 số khí hậu có hệ số tương quan tốt, thể hiển tiềm cho việc lựa chọn nhân tố dự báo toán dự báo mùa bão BĐ hạn tháng Tiếp cận theo phương pháp thống kê truyền thống thống kê động lực, thử nghiệm theo trường hợp với nhân tố dự báo khác mơ hình thống kê MLR, LAD, LMV, ANN tổ hợp chúng để dự báo hạn tháng số lượng XTNĐ khu vực BĐ, đánh giá khả dự báo qua sai số số kỹ dự báo số liệu phụ thuộc độc lập cho thấy: Có khả mơ dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ khu vực ĐB mơ hình thống kê truyền thống với nhân tố số khí hậu thống kê sản phẩm động lực mơ hình khí hậu CFSv2.0 Cụ thể: - Trong số mơ hình khảo sát mơ hình MLR, cho kết ổn định tiếp đến mô hình LAD, LMV, ANN Bên cạnh đó, sản phẩm tổ hợp mơ hình MLR LAD (E12) tổ hợp MLR, LAD, ANN (E124) đưa giá trị sai số thể tính ổn định cạnh tranh với mơ hình MLR - Đối với XTNĐ hoạt động tháng đầu mùa bão (tháng 6, 7, 8): trường hợp đưa kết dự báo thiên thấp, TH3 cho kết dự báo kiểm nghiệm tốt cả, tiếp TH1 cuối TH2 - Đối với XTNĐ hoạt động tháng cuối mùa bão (tháng 9, 10, 11): Dự báo mơ hình theo TH1, TH3 có xu hướng thiên cao TH2 đưa kết dự báo thiên thấp, TH1, TH2 có sai số dự báo kiểm nghiệm thấp so với TH3 - Mặc dù số sai số kỹ dự báo cho thấy kết dự báo TH3 không thực tốt TH1, TH2 song điểm tích cực TH3 khả nắm bắt xu biến đổi bất thường số lượng bão BĐ 23 KIẾN NGHỊ Bão, ATNĐ tượng thời tiết đặc biệt nguy hiểm việc nghiên cứu, phát triển công cụ dự báo mang ý nghĩa thực tiễn cao Để hoàn thiện kết luận án trình bày, góp phần đưa kết nghiên cứu vào công tác dự báo nghiệp vụ, luận án có số kiến nghị sau: Khi vào cụ thể năm, thời điểm dự báo cho thấy ba trường hợp khảo sát (TH1, TH2, TH3) có thời điểm mơ hình cho kết tốt hai mơ hình cịn lại Điều cho thấy kết dự báo tốt khơng thực tập trung tuyệt đối vào mơ hình Như vậy, kết trường hợp bổ trợ lẫn để có kết phát báo cuối có độ xác cao Do cần thiết phải có nghiên cứu vấn đề hiệu chỉnh sau mơ hình tổ hợp kết Trên sở khảo sát mối quan hệ tương quan bão BĐ tháng, tháng với số khí hậu sản phẩm dự báo khí hậu mơ hình CFSv2.0 cho thấy việc xây dựng bổ sung yếu tố dự báo 1) số ngày hoạt động bão BĐ tháng, 2) số lượng bão BĐ tháng, 3) số ngày hoạt động bão BĐ tháng hoàn toàn khả thi Điều đóng góp làm rõ kết dự báo mùa hoạt động bão BĐ thời hạn đến tháng Kết bước thực khảo sát dự báo số lượng bão BĐ tháng theo trường hợp luận án trình bày cho phép kỳ vọng để thực nghiên cứu tiếp sau nhằm đánh giá, xây dựng quy trình dự báo nghiệp vụ khép kín cho 12 tháng năm bão BĐ hạn tháng, tháng 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ Đinh Bá Duy, Ngơ Đức Thành, Nguyễn Thị Tuyết, Phạm Thanh Hà, Phan Văn Tân (2016), Đặc điểm hoạt động Xoáy thuận Nhiệt đới khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, Biển Đơng vùng trực tiếp chịu ảnh hưởng lãnh thổ Việt Nam giai đoạn 1978-2015, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số (2016) tr 1-11 Đinh Bá Duy, Ngô Đức Thành, Phan Văn Tân (2016), Mối quan hệ ENSO số lượng, cấp độ Xoáy thuận Nhiệt đới khu vực Tây Bắc - Thái Bình Dương, Biển Đơng giai đoạn 1951-2015, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, Tập 32, Số 3S (2016), tr 43-55 Đinh Bá Duy, Ngô Đức Thành, Trần Quang Đức, Phan Văn Tân (2019), Dự báo hạn mùa số lượng xoáy thuận nhiệt đới Biển Đơng mơ hình thống kê, VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 35, No (2019) pp 1-10 Trần Quang Đức, Phạm Thanh Hà, Đinh Bá Duy, Phạm Quang Nam (2020), Thay đổi hoạt động bão Biển Đơng, Tạp chí Khí tượng Thủy văn 2020, 715, tr 27-36; doi:10.36335/VNJHM.2020(715).27-36 ... Chương Khả dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ khu vực biển Đông Kết luận kiến nghị Chương Tổng quan nghiên cứu đặc điểm XTNĐ toán dự báo hạn mùa XTNĐ 1.1 Đặc điểm hoạt động XTNĐ Các nghiên cứu đặc điểm. .. hậu tiềm cho dự báo mùa bão hạn tháng tốt bão tháng 14 Chương IV: Khả dự báo hạn mùa số lượng XTNĐ hoạt động khu vực biển Đông 4.1 Khả dự báo hạn mùa số lượng bão Biển Đông phương pháp thống kê... - Khả dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ phương pháp thống kê truyền thống; - Khả dự báo hạn mùa (3 tháng) số lượng XTNĐ hoạt động khu vực BĐ phương pháp thống kê động