TS Nguyễn Lê Tâm Nguyễn Lê Tâm
3.1. DỰ BÁO TỔ HỢP QŨY ĐẠO BÃO DỰA TRÊN CÁC KẾT QỦA DỰ
BÁO CỦA CÁC TRUNG TÂM DỰ BÁO BÃO QUỐC TẾ
3.1.1. Mơ tả tập số liệu nghiên cứu
Để xây dựng hệ thống dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên các kết qủa dự báo từ các trung tâm và mơ hình dự báo số quốc tế cho điều kiện Việt Nam, chúng tơi tiến hành xây dựng cơ sở dữ liệu bão cĩ cấu trúc bao gồm số liệu quan trắc của Việt Nam và các kết qủa dự báo bão của các trung tâm và mơ hình quốc tếđược thu nhận tại TTDBTƯ từ năm 2001 đến năm 2006 cho tất cả các cơn bão hoạt động trên biển
Đơng. Các kết qủa dự báo cĩ thể thu nhận được bao gồm các bản tin dự báo của Nhật (JMA), Mỹ (Guam), Anh (UKMet), Bắc Kinh, Hồng Kơng và của các mơ hình dự báo bão như mơ hình GSM và JTYM của Nhật, GFS và NOGAPS của Mỹ, UKX của Anh. Tuy nhiên, do việc phát báo và số lượng bản tin của các trung tâm và mơ hình dự báo số cho các cơn bão là khơng đồng đều nên gây rất nhiều khĩ khăn trong việc tiến hành xây dựng phương trình hồi quy và đánh giá kết qủa. Do
đĩ, trong nghiên cứu này chúng tơi chỉ lựa chọn những trung tâm cĩ số lượng bản tin nhiều nhất và liên tục nhất. Cụ thể, các bản tin dự báo từ các trung tâm dự báo của Nhật, Bắc Kinh và Guam sẽđược sử dụng để xây dựng dự báo tổ hợp qũy đạo bão từ các kết qủa dự báo bão của các trung tâm quốc tế. Trong nghiên cứu này, tổng số cĩ 37 cơn bão từ năm 2001-2006 được sử dụng với tổng số trường hợp (số
bản ghi số liệu) nghiên cứu là 345. Các bản tin dự báo của 3 trung tâm dự báo nĩi trên đều được thu nhận 4 lần một ngày tại các phiên 00Z, 06Z, 12Z và 18Z cho tất cả các cơn bão được nghiên cứu. Dựa trên cơ sở dữ liệu quan trắc và dự báo qũy
đạo bão cho 37 cơn bão của 6 mùa bão từ 2001-2006, chúng tơi đề xuất hai phương pháp phát sinh dự báo tổ hợp từ sản phẩm dự báo quỹđạo bão của 3 trung tâm quốc tế Nhật Bản, Bắc Kinh và Guam đĩ là: phương pháp trung bình đơn giản (ký hiệu là TBĐG) và phương pháp hồi quy tuyến tính. Trong phương pháp trung bình đơn giản, trọng số của từng dự báo thành phần (dự báo của từng trung tâm dự báo quốc tế) là như nhau và bằng 1. Để phát sinh dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính, cơ sở dữ liệu bão nĩi trên được chia làm hai cơ sở dữ liệu con bao gồm các bản ghi từ năm 2001-2005 (226 bản ghi số liệu) làm tập số liệu phụ thuộc
để tính tốn các hệ số hồi quy và các bản ghi năm 2006 (119 bản ghi số liệu) làm tập số liệu độc lập đểđánh giá. Trong phương pháp hồi quy tuyến tính, các trọng số
cho từng dự báo thành phần chính là các hệ số hồi quy của phương trình hồi quy tuyến tính đa biến với các dự báo thành phần được coi như là các nhân tố dự báo,
cịn dự báo tổ hợp chính là yếu tố dự báo. Ưu điểm của phương pháp hồi quy tuyến tính là ước lượng được mức độ tin cậy của từng dự báo thành phần tới dự báo tổ
hợp và phương pháp sẽ cho kết qủa tốt trong các trường hợp khi mà bản chất sai số
của các dự báo thành là khơng thay đổi hoặc nếu cĩ thay đổi thì theo một cách cĩ hệ
thống. Tuy nhiên, do bản chất sai số dự báo qũy đạo bão của từng trung tâm cũng như mơ hình dự báo là thay đổi theo từng mùa bão, từng cơn bão và thậm chí là từng thời điểm dự báo khác nhau. Do đĩ, việc tìm ra được bộ hệ số hồi quy tối ưu cho dự báo tổ hợp là hết sức quan trọng.
Để tìm ra bộ hệ số hồi quy tối ưu trong phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính đa biến, chúng tơi thử nghiệm bốn phương án tính bộ hệ số hồi quy khác nhau để phát sinh dự báo tổ hợp và trên cơ sởđĩ tìm ra bộ hệ
số tối ưu. Bảng 3.1.1 mơ tả ký hiệu của bốn phương án thử nghiệm và tập số liệu phụ thuộc tương ứng. Mặt khác, do các hạn dự báo quỹđạo bão trong các bản tin dự
báo của các trung tâm và mơ hình dự báo số trị là rất khác nhau, nên trong nghiên cứu này chúng tơi chỉ tập trung vào 2 hạn dự báo cơ bản đĩ là hạn dự báo 24h và 48h.
Bảng 3.1.1. Mơ tả 4 thử nghiệm phát sinh dự báo tổ hợp quỹđạo bão từ kết qủa dự
báo của 3 trung tâm quốc tế dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính
STT Ký hiệu thử nghiệm Bộ số liệu phụ thuộc Bộ số liệu độc lập
1 Reg2y 2 năm (2001-2002) 2006
2 Reg3y 3 năm (2001-2003) 2006
3 Reg4y 4 năm (2001-2004) 2006
4 Reg5y 5 năm (2001-2005) 2006
3.1.2. Tính tốn dự báo tổ hợp và phương pháp đánh giá
Để đánh giá kỹ năng của dự báo tổ hợp qũy đạo bão, trong nghiên cứu này chúng tơi sử dụng một số phương pháp đánh giá thơng dụng nhất trong đánh giá nghiệp vụ bão. Cụ thể, các chỉ số thống kê như sai số trung bình (ME), độ lệch chuẩn của sai số (SD-Standard Deviation) và độ tán của dự báo tổ hợp (SP-Spread) sẽ được sử dụng để nghiên cứu bản chất sai số của sai số dự báo vị trí tâm bão (DPE-Direct Positional Error). Ngồi ba chỉ số thống kê nĩi trên, mối quan hệ giữa
độ tán SP (hay là căn bậc hai của hai của khoảng cách bình phương trung bình giữa các dự báo thành phần với dự báo tổ hợp) với sai số dự báo vị trí tâm bão DPE cũng sẽ được nghiên cứu. Ngồi ra, để hiểu thêm về bản chất của sai số dự báo tổ hợp qũy đạo bão, đại lượng sai sốDPE sẽđược phân tích thành các thành phần sai số là AT (Along track Error), CT (Cross track Error), DX và DY. Đại lượng AT đặc
trưng cho sai số dọc theo hướng chuyển động thực của bão và cho biết dự báo là nhanh hay chậm hơn so với thực tế. Trong khi đĩ, đại lượng CT đặc trưng cho sai số dọc theo phương pháp tuyến với hướng chuyển động và cho biết dự báo là nằm về phía bên trái hay bên phải so với thực tế.
3.1.3. Một số kết qủa nghiên cứu và đánh giá
Dựa trên tập số liệu phụ thuộc của 4 phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp chúng tơi tiến hành tính tốn các hệ số hồi quy. Cụ thể, tại mỗi một hạn dự báo sẽ
cĩ 2 phương trình hồi quy tuyến tính: một phương trình dự báo cho kinh độ tâm bão và một phương trình dự báo cho vĩ độ tâm bão. Các hệ số hồi quy cho từng phương trình và hạn dự báo của 4 thử nghiệm dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính được đưa ra trong bảng 3.1.2.
Bảng 3.1.2. Bộ hệ số hồi quy cho 4 phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên các sản phẩm dự báo của các trung tâm quốc tế.
Phương án Reg2Y Phương án Reg3Y
Dự báo 24h Dự báo 48h Dự báo 24h Dự báo 48h
Hệ số Kinh độ Vĩ độ Kinh độ Vĩ độ Hệ số Kinh độ Vĩ độ Kinh độ Vĩ độ a0 -4.0 0.185 -11.113 0.087 a0 -3.850 0.486 -9.469 0.751 a1 0.475 0.225 0.330 0.213 a1 0.464 0.158 0.270 0.030 a2 0.366 0.559 0.641 0.461 a2 0.411 0.507 0.558 0.513 a3 0.193 0.199 0.124 0.305 a3 0.158 0.309 0.254 0.410
Phương án Reg4Y Phương án Reg5Y
Dự báo 24h Dự báo 48h Dự báo 24h Dự báo 48h
Hệ số Kinh độ Vĩ độ Kinh độ Vĩ độ Hệ số Kinh độ Vĩ độ Kinh độ Vĩ độ a0 -3.374 0.543 -10.597 1.059 a0 -3.595 0.734 -5.845 1.190 a1 0.458 0.176 0.391 0.097 a1 0.451 0.192 0.383 0.054 a2 0.359 0.485 0.521 0.462 a2 0.347 0.516 0.448 0.500 a3 0.213 0.311 0.179 0.381 a3 0.232 0.254 0.221 0.378 Sau khi xây dựng được bộ phương trình hồi quy tuyến tính cho từng biến và hạn dự báo của 4 phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính, chúng tơi tiến hành 2 thử nghiệm đánh giá kết qủa: i) áp dụng ngược trở lại cho bộ số liệu phụ thuộc và ii) áp dụng cho bộ số liệu độc lập. Các kết qủa đánh giá sai số dự báo khoảng cách tâm bão DPE và độ lệch chuẩn tương ứng SD cho bộ số liệu phụ thuộc được đưa ra trong hình 3.1.1. Từ hình 3.1.1 cĩ thể nhận thấy sai số DPE trung bình của dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp trung bình đơn giản và hồi quy tuyến tính tại cả hai hạn dự báo 24h và 48h đều nhỏ
hơn so với DPE của tất cả các dự báo thành phần. Điều này chứng tỏ dự báo tổ hợp
đã cải thiện được chất lượng dự báo qũy đạo bão. Đối với hạn dự báo 24h, dự báo tổ
hợp cĩ DPE nhỏ hơn khơng nhiều so với các dự báo thành phần. Nhưng đến hạn dự
báo 48h, sự cải thiện lớn trong sai số dự báo được tìm thấy trong tất cả các phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp. Nĩi chung, sai số DPE của phương án hồi quy tuyến tính là nhỏ hơn so với phương án TBĐG nhưng sự chênh lệch là khơng đáng kể. Các kết qủa đánh giá độ lệch chuẩn của sai số dự báo cũng cho thấy dự báo tổ hợp cĩ SD nhỏ hơn so với tất cả dự báo thành phần tại cả hai hạn dự báo. Sự cải thiện SD lớn nhất cũng tìm thấy trong hạn dự báo 48h. Từ các kết qủa đánh giá DPE của dự báo tổ hợp cho 2 hạn dự báo, chúng ta cĩ thể thấy chất lượng dự báo qũy đạo bão là khá tốt và hồn tồn cĩ thểđáp ứng được trong dự báo nghiệp vụ.
Hình 3.1.1. Kết qủa đánh giá DPE và SD trung bình cho bộ số liệu phụ thuộc của phương án Reg2y (a), Reg3y (b), Reg4y (c) và Reg5y (d).
Bên cạnh các kết qủa đánh giá nĩi trên, chúng tơi cũng tiến hành nghiên cứu mối tương quan giữa sai số DPE với độ tán của dự báo tổ hợp SD cho 4 phương án thử nghiệm xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính đối với bộ số liệu phụ thuộc. Trong nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng các biểu đồ phân tán. Các kết qủa đánh giá cho thấy cĩ mối tương quan dương giữa 2 đại lượng DPE và SP cho từng hạn dự báo. Tuy nhiên, hệ số tương quan giữa hai đại lượng thống kê này lại khơng cao.
(a) (b)
Hay nĩi cách khác, nhiều trường hợp sai số dự báo tổ hợp khơng thểđược giải thích thơng qua độ tán của dự báo tổ hợp. Nĩi chung mối tương quan giữa DPE và SP của hạn dự báo 48h là cao hơn một chút so với hạn dự báo 24h đối với các phương án hồi quy tuyến tính. Tương tự, mối tương quan dương cũng được tìm thấy trong phương án TBĐG cho 4 bộ số liệu phụ thuộc nĩi trên. Tuy nhiên, giá trị của các hệ
số tương quan cũng khơng cao và các hệ số tương quan cho hạn dự báo 48h lớn hơn khơng đáng kể so với hạn dự báo 24h.
Để đánh giá khách quan kỹ năng dự báo qũy đạo bão của 4 phương án thử
nghiệm dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp hồi quy tuyến tính và TBĐG, chúng tơi áp dụng các phương án thử nghiệm cho bộ số liệu độc lập bao gồm 119 trường hợp của 9 cơn bão năm 2006. Ngồi ra, các đánh giá DPE của dự báo tổ hợp cũng
được so sánh với DPE của mơ hình quán tính và khí hậu CLIPER (ký hiệu là CLIP trên các hinh vẽ) để đánh giá xem dự báo tổ hợp là cĩ kỹ năng dự báo hay khơng. Hình 3.1.2 minh họa kết qủa so sánh DPE và SD của 4 phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy và phương án TBĐG so với các dự báo thành phần và CLIPER.
Hình 3.1.2. Kết qủa so sánh DPE và SD cho 5 phương án thử nghiệm dự báo tổ
hợp với các dự báo thành phần và mơ hình CLIPER cho tập số liệu độc lập Từ hình 3.1.2 cĩ thể nhận thấy khi áp dụng cho bộ số liệu độc lập, đối với hạn dự báo 24h, giá trị DPE của 4 phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy là khá gần nhau và gần tương đương với DPE của trung tâm JP và GA. Tuy nhiên, lại nhỏ hơn đáng kể so với DPE của CLIPER. Đối với hạn dự báo 48h, bốn phương án hồi quy đều cho DPE xấp xỉ hoặc lớn hơn một chút so với dự báo thành phần JP và GA và nhỏ hơn khơng đáng kể so với trung tâm BK. Nếu so sánh các phương án thử nghiệm hồi quy tuyến tính với TBĐG, cĩ thể nhận thấy phương án
TBĐG cĩ sai số nhỏ hơn so với 4 thử nghiệm hồi quy tuyến tính nhưng sự chênh lệch là khơng đáng kể. Tuy nhiên, nếu so với mơ hình CLIPER thì rõ ràng là tất cả
các phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp qũy đạo bão trong nghiên cứu này đều cĩ kỹ năng dự báo tốt, đặc biệt là đối với hạn dự báo 48h. Nĩi chung, khi áp dụng bộ
hệ số hồi quy được tính dựa trên bộ số liệu phụ thuộc từ bốn phương án thử nghiệm cho bộ số liệu độc lập thì sai số dự báo tổ hợp chỉ nhỏ hơn một chút hoặc xấp xỉ so với các dự báo thành phần. Ngồi ra, phương pháp TBĐG cĩ kỹ năng dự báo tương dương so với 4 phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính.
Điều này cĩ thể được giải thích là do các bản tin dự báo từ các trung tâm quốc tế
vẫn cịn mang tính chủ quan và bản chất sai số là thay đổi liên tục từ cơn bão này sang cơn bão khác. Tương tự như trong các đánh giá với tập số liệu phụ thuộc, mối tương quan dương giữa độ tán SP và sai số DPE được tìm thấy khi áp dụng 4 phương án thử nghiệm nĩi trên cho tập số liệu độc lập và hệ số tương quan giữa hai
đại lượng này là dương và khá nhỏ (hình 3.1.6). Kết qủa tương tự cũng tìm thấy cho phương án TBĐG (hình 3.1.7). Tuy nhiên, cĩ một sự khác biệt so với tập số liệu phụ thuộc, đĩ là mối tương quan dự báo 24h cao hơn so với hạn dự báo 48h.
Các kết qủa đánh giá thành phần sai số AT và CT trung bình của 4 phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính và TBĐG cho 9 cơn bão và cả mùa bão đối với tập số liệu độc lập cho thấy khuynh hướng sai số AT và CT là thay đổi từ cơn bão này sang cơn bão khác và giữ nguyên xu thế (dấu của At và CT) từ hạn dự báo 24h cho đến 48h trong hầu hết các cơn bão nghiên cứu. Đặc biệt, khuynh hướng sai số AT và CT là gần như khơng khác nhau trong các phương án hồi quy tuyến tính và sự khác biệt chủ yếu nằm ở giá trị của các thành phần sai số
AT và CT. Tuy nhiên, khi đánh giá xu thế sai số của hai đại lượng thống kê nĩi trên giữa các phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính và phương án TBĐG cĩ thể thấy cĩ một sự khác biệt đáng kể về cả dấu lẫn giá trị trong một vài trường hợp. Nĩi chung, các kết qủa đánh giá hai đại lượng sai số AT và CT
đã cho thấy khuynh hướng sai số hệ thống vẫn cịn tồn tại trong các phương án dự
báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên phương trình hồi quy tuyến tính và TBĐG. Sai số
hệ thống thể hiện rõ nhất trong các trường hợp mà các dự báo thành phần là khá
đồng nhất (tức là bản chất sai số của các dự báo thành phần là gần tương tự nhau). Kết qủa đánh giá cho thấy sự cần thiết phải áp dụng các phương pháp hiệu chỉnh sau mơ hình để nâng cao chất lượng dự báo qũy đạo của dự báo tổ hợp. Cụ thể, cĩ thể áp dụng lọc Kalman cùng với dự báo tổ hợp để loại bỏ sai số hệ thống của dự