ra các tập hợp trường ban đầu, tập số liệu nghiên cứu và một số kết qủa đánh giá sẽ
trình bày trong các phần tiếp theo.
3.2.1. Mơ tả tập số liệu nghiên cứu và phương pháp phát sinh tập hợp trường ban đầu khác nhau trường ban đầu khác nhau
Để nghiên cứu và đánh giá kỹ năng dự báo tổ hợp quỹ đạo bão dựa trên mơ hình chính áp WBAR, trong nghiên cứu này chúng tơi tiến hành thử nghiệm 6 phương án dự báo tổ hợp cho 136 trường hợp của 16 cơn bão hoạt động trên biển
Đơng từ năm 2003-2006. Bảng 3.2.1 liệt kê mùa bão, tên các cơn bão và số trường hợp nghiên cứu tương ứng. Quỹ đạo quan trắc của 16 cơn bão này được đưa ra trong phụ lục I. Tất cả các cơn bão được lựa chọn ởđây đều thõa mãn điều kiện là cĩ các trường hợp nghiên cứu nằm trong miền tính tốn từ 900E-1350E và 00-300N và cĩ các thơng tin chỉ thị bão đủ dài đểđáp ứng được bài tốn cài xốy nhân tạo.
Bảng 3.2.1. Danh sách các cơn bão từ năm 2002-2006 được sử dụng trong các thử
nghiệm dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên mơ hình WBAR
Mùa
bão Tên cơn bão (ID) Số trhợườp ng Mùa bão Tên cơn bão (ID) Số trhợườp ng
IMBUDO (0307) 9 CHANTHU (0405) 9 KONI (0308) 4 MINDULLE (0407) 14 KROVANH (0312) 11 KOMPASU (0409) 4 DUJUAN (0313) 6 RANANIM (0413) 12 2003 2004 AERE (0417) 17 SANVU (0510) 3 CHANCHU (0601) 14 VICENTE (0516) 1 JELAWAT (0602) 3 DAMREY (0518) 11 PRAPIROON (0606) 9 2005 2006 XANGSANE (0615) 9 Từ bảng 3.2.1 cĩ thể thấy số trường hợp và số cơn bão được sử dụng trong nghiên cứu dự báo tổ hợp quỹ đạo bão dựa trên mơ hình chính áp WBAR là ít hơn
so với nghiên cứu dự báo tổ hợp từ các kết qủa dự báo của các trung tâm quốc tế do những yêu cầu về mặt số liệu của mơ hình WBAR. Cụ thể, cần phải biết trước về
các thơng tin chỉ thị bão (như tọa độ tâm bão, vận tốc giĩ cực đại, bán kính ảnh hưởng, ....) của 36 giờ trước thời điểm hiện tại (thời điểm bắt đầu tích phân) để tiến hành ban đầu hĩa xốy. Do đĩ, số trường hợp nghiên cứu bị hạn chế và chủ yếu các cơn bão cĩ thời gian tồn tại dài (ít nhất từ 3.5 ngày trở lên) được lựa chọn. Ngồi ra, do hạn chế về mặt số liệu trên các mực đẳng áp chuẩn từ 920mb cho đến 200mb của mơ hình tồn cầu GSM của JMA nên chỉ các các cơn bão từ năm 2003 trở lại đây mới được sử dụng. Để tạo ra một dự báo tổ hợp quỹ đạo ra trên mơ hình chính áp WBAR, các dạng số liệu đầu vào cần phải cĩ bao gồm:
- Số liệu trường phân tích và dự báo 12 tiếng một của mơ hình tồn cầu GSM của Nhật bao phủ vùng từ 200S-600N; 600E-2000W với độ phân giải theo phương ngang là 1.25 x 1.25 (tương ứng 113 nút lưới theo vĩ hướng và 65 nút lưới theo kinh hướng ) cho các trường giĩ vĩ hướng U, kinh hướng V và độ cao địa thế vị H trên các mực 920, 850, 700, 500, 400, 300 và 250, 200mb .
- Số liệu thơng tin chỉ thị bão bao gồm tọa độ tâm bão (kinh độ và vĩđộ), vận tốc giĩ cực đại, bán kính giĩ mạnh và bán kính ảnh hưởng.
Nhưđã biết, đối với các mơ hình chính áp sử dụng trường phân tích và dự báo tồn cầu làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian, vấn đề
ban đầu hĩa xốy cĩ một ý nghĩa đặc biệt. Chất lượng dự báo qũy đạo bão của mơ hình phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của trường ban đầu. Ban đầu hĩa xốy là quá trình xây dựng một xốy nhân tạo cĩ vị trí, cấu trúc và cường độ phù hợp với xốy bão thực và cài vào trường ban đầu. Một vấn đề quan trọng khác quyết định
đến độ chính xác của quỹ đạo dự báo bằng mơ hình chính áp là trường dịng dẫn. Với ý tưởng dựa trên quan niệm “bão di chuyển theo dịng dẫn đường”, ngồi việc xây dựng được một xốy nhân tạo phù hợp với xốy bão thực, cần phải tạo ra được các trường ban đầu và điều kiện biên trong đĩ “trường nền” cũng phải phù hợp với thực tế. Đối với các mơ hình chính áp một mực, như mơ hình WBAR, việc xác định
được trường dịng dẫn và sơđồ ban đầu hĩa xốy hợp lý cĩ thể sẽ cải thiện đáng kể
chất lượng dự báo của mơ hình. Xuất phát từ lập luận trên và với mục đích đánh giá hiệu quả của các phương pháp nhiễu động, trong nghiên cứu này các phương án gây nhiễu sẽ được ứng dụng riêng rẽ cho dịng dẫn và trường xốy cho hai yếu tố này. Cụ thể, để phát sinh tập hợp các trường đầu vào hơi khác nhau cho mơ hình WBAR, chúng tơi thử nghiệm 6 phương án khác nhau, bao gồm: phương án Monte-Carlo cho trường xốy nhân tạo và trường mơi trường, tích hợp nhiễu động vị trí tâm bão ban đầu với các tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy, tích hợp các tùy chọn profin giĩ tiếp tuyến đối xứng giả với các tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy, thay đổi các tùy
chọn cho mực dịng dẫn và tích hợp các tùy chọn mực dịng dẫn, profin giĩ tiếp tuyến đối xứng giả và các tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy. Bảng 3.2.2 đưa ra ký hiệu, phương pháp thực hiện và số dự báo thành phần của 6 phương án thử nghiệm nĩi trên. Trong phương pháp Monte-Carlo, các biên độ sai số ngẫu nhiên được phát sinh dưới dạng một tập hợp các số ngẫu nhiên tuân theo phân bố chuẩn (phân bố
Gauss) với kỳ vọng bằng khơng và độ lệch chuẩn là 3 m/s (tương ứng với độ lệch chuẩn của sai số giĩ phân tích trong các mơ hình tồn cầu trên các mực đẳng áp trên cao). Trên thực tế, số dự báo thành phần trong phương pháp Monte-Carlo cĩ thể tùy ý, tuy nhiên để tiết kiệm thời gian tính tốn và dễ dàng trong việc so sánh với các phương án cịn lại, trong nghiên cứu này chúng tơi chỉ tạo ra 32 dự báo thành phần trong phương án Monte-Carlo. Đối với phương án gây nhiễu vị trí tâm bão ban đầu, tọa độ tâm bão sẽ được lần lượt di chuyển theo các hướng Đơng, Tây, Nam và Bắc một khoảng 50km (tương ứng với sai số trung bình của 3 thiết bị hiện đại nhất hay
được sử dụng trong nghiệp vụ phân tích bão là ảnh mây vệ tinh (≈ 110km), radar (≈ 20-55km) và máy bay (≈ 20km)). Từ bảng 3.2.2 cĩ thể nhận thấy 4 phương pháp MTCE, MTCV, PROVOR và STEERFLOW cĩ số dự báo thành phần giống nhau. Trong khi đĩ, phương án dự báo tổ hợp hàng nghìn thành phần KILOEF cĩ số dự
báo thành phần nhiều nhất.
Bảng 3.2.2. Mơ tả 6 phương án tạo tập hợp trường ban đầu cho mơ hình WBAR
TT Ký hiệu
phương pháp
Mơ tả cách thức thực hiện Số dự báo thành
phần
1 MTCE Cộng các biên độ ngẫu nhiên vào trường mơi trường
32
2 MTCV Cộng các biên độ ngẫu nhiên vào trường
xốy nhân tạo
32 3 POSVOR Tích hợp 8 tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy
với nhiễu động vị trị tâm bão (1 vị trí tâm phân tích + 4 vị trí tâm bão bị dịch chuyển 0.5 (≈ 55km) độ theo các hướng Đơng, Tây, Nam, Bắc)
40
4 PROVOR Tích hợp 8 tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy với 4 tùy chọn profin giĩ tiếp tuyến đối xứng giả
32
5 STEERFLOW Sử dụng 32 tùy chọn mực dịng dẫn khác nhau (dạng mực đơn hoặc trung bình lớp dày DLM
32
6 KILOEF Tích hợp 8 tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy với 4 tùy chọn profin giĩ tiếp tuyến đối xứng giả và 32 tùy chọn mực dịng dẫn
3.2.2. Tính tốn dự báo tổ hợp và phương pháp đánh giá
Tương tự như trong nghiên cứu dự báo tổ hợp quỹ đạo bão dựa trên các sản phẩm dự báo của các trung tâm dự báo quốc tế, dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên mơ hình chính áp WBAR trong cả 6 phương án thử nghiệm là trung bình đơn giản của tất cả các dự báo thành phần. Để đánh giá kỹ năng dự báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên mơ hình chính áp WBAR, ngồi các đại lượng thống kê như sai số trung bình (ME) của sai số dự báo khoảng cách DPE, độ lệch chuẩn của sai số (SD), độ
tán của dự báo tổ hợp (SP), sai số dọc theo phương chuyển động (AT) và sai số dọc theo phương pháp tuyến (CT) như đã trình bày ở mục 3.1.2, trong nghiên cứu này chúng tơi sử dụng thêm chỉ số thống kê đánh giá kỹ năng dự báo tương đối hoặc
điểm kỹ năng tương đối RSS (Relative Skill Score) của dự báo tổ hợp so với dự báo
đối chứng (control forecast). Cơng thức tính RSS như sau: % 100 * DPE DPE DPE DPE (%) RSS EF CF EF CF + − = (3.2.1)
trong đĩ DPECF và DPEEF tương ứng là sai số dự báo khoảng cách vị trí tâm bão của dự báo đối chứng và dự báo tổ hợp. Dự báo đối chứng trong nghiên cứu này chính là phiên bản đang được chạy nghiệp vụ của mơ hình WBAR tại TTDBTƯ với trường đầu vào từ mơ hình tồn cầu GSM của JMA. Cụ thể, phiên bản đối chứng tích phân hệ phương trình nước nơng trên mực trung bình lớp dày DLM của các mực đẳng áp 850, 700, 500, 300 và 200mb với tùy chọn sơđồ ban đầu hĩa xốy số
8 và profin giĩ tiếp tuyến đối xứng giả số 2 (xem phụ lục II). Từ cơng thức (3.2.1) cĩ thể nhận thấy chỉ số RSS nhận giá trị dương khi sai số của dự báo tổ hợp nhỏ
hơn sai số của dự báo đối chứng và ngược lại. Hay nĩi cách khác, chỉ số RSS dương cho biết kỹ năng dự báo dương, và do đĩ cĩ sự cải thiện trong chất lượng dự báo. Ngược lại, chỉ số RSS âm cho biết khơng cĩ bất kỳ sự cải thiện trong chất lượng dự
báo của dự báo tổ hợp dựa trên mơ hình chính áp WBAR.
3.2.3. Một số kết qủa nghiên cứu và đánh giá
Các kết qủa đánh giá và so sánh sai số dự báo vị trí tâm bão DPE (km) trung bình của 6 phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp dựa trên mơ hình chính áp WBAR cho từng mùa bão từ năm 2003 đến 2006 và cho cả 4 mùa bão so với dự báo đối chứng được đưa ra trong hình 3.2.1. Trong hình vẽ này, các cột được đánh số bên trên đưa ra giá trị sai số DPE của dự báo đối chứng (cột đầu tiên), dự báo tổ hợp theo phương án STEERFLOW và KILOEF. Từ hình 3.2.1 cĩ thể nhận thấy, về mặt trung bình giá trị DPE của cả 6 phương án thử nghiệm dự báo tổ hợp quỹ đạo bão dựa trên mơ hình WBAR đều nhỏ hơn hoặc tương đương so với dự báo đối chứng tại tất cả các hạn dự báo. Kết qủa đánh giá này cho thấy kỹ năng dự báo quỹ đạo
bão của mơ hình WBAR đã được cải thiện khi áp dụng dự báo tổ hợp với mức độ
cải thiện thay đổi theo từng phương án và từng cơn bão. Sự cải thiện chất lượng dự
báo so với dự báo đối chứng là nhỏ tại các hạn dự báo 12h và 24h và đáng kể tại các hạn dự báo 36h và 48h.
Hình 3.2.1. Kết qủa đánh giá và so sánh sai số DPE trung bình của 6 phương án dự báo tổ hợp dựa trên mơ hình WBAR với dự báo đối chứng tại các hạn dự báo 12h, 24h, 36h và 48h cho mùa bão 2003 (a), 2004 (b), 2005 (c), 2006 (d) và cả 4 mùa bão (e).
Trong 6 phương án thử nghiệm ở đây, hai phương án STEERFLOW và KILOEF cho thấy sự cải thiện đáng kể nhất trong chất lượng dự báo qũy đạo bão so với 4 phương án cịn lại. Trong đĩ, phương án KILOEF là cho sai số nhỏ nhất và sự
cải thiện lớn nhất. Theo phương án KILOEF, giá trị DPE trung bình cho cả 4 mùa bão giảm được 20, 79, 127 và 160km tương ứng cho các hạn dự báo 12, 24, 36 và 48h so với dự báo đối chứng. Trong khi đối với phương án STEERFLOW, mức giảm DPE là 16, 55, 96 và 131km tương ứng cho các hạn dự báo 12, 24, 36 và 48h. Ngồi hai phương án STEERFLOW và KILOEF, 4 phương án cịn lại cũng cho thấy sự cải thiện về sai số dự báo. Tuy nhiên, mức độ cải thiện so với dự báo đối chứng là khơng nhiều và giá trị DPE trung bình vẫn chưa đáp ứng được bài tốn dự
(a) (b)
(c) (d)
báo qũy đạo bão nghiệp vụ. Về mặt trung bình, hai phương án POSVOR và PROVOR cĩ giá trị DPE gần như nhau và nhỏ hơn một chút so với 2 phương án dựa trên phương pháp Monte-Carlo là MTCE và MTCV. Trong phương án dự báo tổ hợp dựa trên phương pháp Monte-Carlo, kỹ năng dự báo của phương án MTCE là tốt hơn so với MTCV. Điều này chứng tỏ việc cộng các nhiễu ngẫu nhiên vào trường mơi trường hiệu qủa hơn so với trường xốy. Tuy nhiên, nếu xem xét kỹ
lưỡng cĩ thể thấy dự báo tổ hợp qũy đạo bão từ phương án MTCE chỉ tốt hơn MTCV trong 24h tích phân đầu, cịn đối với các hạn dự báo dài hơn thì kỹ năng dự
báo là gần tương đương, thậm chí cịn kém hơn. Sự cải thiện đáng kể trong chất lượng dự báo qũy đạo bão của mơ hình WBAR đối với 2 phương án STEERFLOW và KILOEF một lần nữa cho thấy ảnh hưởng của trường dịng dẫn tới kết qủa dự
báo là lớn hơn so với sơđồ ban đầu hĩa xốy trong các mơ hình chính áp.
Để hiểu rõ hơn về khả năng cải thiện chất lượng dự báo của các phương án dự
báo tổ hợp qũy đạo bão dựa trên mơ hình chính áp WBAR, các kết quảđánh giá chỉ
số kỹ năng dự báo tương đối RSS (các đồ thị bên trái trên hình 3.2.2) và tỷ lệ phần trăm số trường hợp cĩ chỉ số RSS dương (các đồ thị bên phải) cho từng mùa bão và cả 4 mùa bão từ năm 2003-2006 được đưa ra trong hình 3.2.2. Từ hình 3.2.2 cĩ thể
thấy về mặt trung bình chỉ số RSS đạt giá trị dương tại hầu hết các hạn dự báo và mùa bão nghiên cứu. Cĩ một vài trường hợp chỉ số RSS âm nhưng cĩ giá trị khơng lớn (nhỏ hơn 5%). Các kết qủa đánh giá này là tương tự như cách đánh giá thơng qua đại lượng sai số DPE nhưng cho chúng ta biết được mức độ cải thiện tương đối theo tỷ lệ phần trăm. Cụ thể, phương án tốt nhất KILOEF cho giá trị RSS dương là 9.6, 18.7, 21.8 và 21.5% tương ứng cho các hạn dự báo 12, 24, 36 và 48h. Đối với phương án STEERFLOW, giá trị RSS tương ứng là 8, 12.1, 16.7 và 18.6% cho các hạn dự báo 12, 24, 36 và 48h. Trái ngược với hai phương án STEERFLOW và KILOEF, các phương án cịn lại cho chỉ số RSS thường khơng vượt quá 10% đối với tất cả các hạn dự báo ngoại trừ vài trường hợp chỉ số RSS cho phương án MTCE tại hạn dự báo 12h. Về mặt trung bình, phương án KILOEF cĩ chỉ số dương và lớn nhất. Ngược lại, phương án MTCV cĩ giá trị RSS trung bình dương và nhỏ
nhất, thậm chí cịn bị âm tại hạn dự báo 12h. Các kết qủa đánh giá tỷ lệ phần trăm số trường hợp cĩ chỉ số RSS dương so với tổng số 136 trường hợp nghiên cứu của 16 cơn bão từ năm 2003-2006 trên hình 3.2.2 đã cho thấy tính hiệu qủa của việc áp dụng dự báo tổ hợp để nâng cao chất lượng dự báo qũy đạo bão cho mơ hình chính áp WBAR. Cụ thể, nếu tính trung bình cho 4 mùa bão, hầu hết các phương án nghiên cứu đều cho thấy cĩ hơn 70% số trường hợp được nghiên cứu cĩ chỉ số RSS dương tại các hạn dự báo từ 24h trở lên. Hay nĩi cách khác, chất lượng dự báo của hơn 70% số trường hợp nghiên cứu đã được cải thiện sau khi áp dụng dự báo tổ hợp
cho mơ hình WBAR. Đối với hạn dự báo 12h, trung bình cĩ trên 65% trường hợp cĩ chỉ số RSS dương.
Hình 3.2.2. Kết qủa đánh giá chỉ số kỹ năng dự báo RSS (cột bên trái) và tỷ lệ phần trăm số trường hợp nghiên cứu cĩ RSS > 0 (cột bên phải) của 6 phương án nghiên cứu cho các năm 2003 (a), 2004 (b), 2005 (c), 2006 (d) và trung bình 4 mùa bão (e)
(a)
(b)
(c)
(d)
Mùa bão cho thấy việc áp dụng dự báo tổ hợp hiệu quả nhất là mùa bão năm