Ở Việt Nam, tại Trung tõm dự bỏo Khớ tượng thủy văn Trung Ương và Viện Khoa học nghiờn cứu Khớ tượng thủy văn, trong những năm trước đõy, hầu hết đều sử dụng phương phỏp thống kờ để DBKH hạn vừa và hạn dài và cỏc kết quả dự bỏo chủ yếu là nhiệt độ và lượng mưa cao hơn hay thấp hơn trung bỡnh nhiều năm và xỏc suất xảy ra. Một số nghiờn cứu điển hỡnh là của Nguyễn Duy Chinh (2002, 2003) ứng dụng cỏc mụ hỡnh toỏn thống kờ hồi quy bội tuyến tớnh, hồi quy từng bước và phõn tớch phõn lớp để dự bỏo nhiệt độ và lượng mưa thỏng dựa trờn số liệu SST ở cỏc vựng NINO, trờn biển Đụng và vịnh Bengal, chỉ số dao động nam SOI; tương tự, Lương Văn Việt, (2006) dự bỏo mưa, nhiệt và ẩm cho khu vực Nam Bộ
bằng phương phỏp hồi quy từng bước với nhõn tố dự bỏo là cỏc chỉ số giỏm sỏt ENSO và cỏc hệ số khai triển trường SST theo đa thức Chebyshev; Nguyễn Văn Thắng vcs., (2001, 2006) ứng dụng cỏc phương phỏp thống kờ lờn số liệu tỏi phõn tớch của GCM, sử dụng cỏc bản đồ đường đẳng trị giỏ trị hệ số tương quan để xỏc
định khu vực và thời gian trễ của cỏc trường nhõn tố dự bỏo sau đú xõy dựng hàm hồi quy từng bước để dự bỏo nhiệt độ, mưa, số lần xuất hiện KKL, nắng núng; Nguyễn Đức Hậu và Phạm Đức Thi (2002) đó xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo hạn ở 7
33
vựng Việt Nam từ mối quan hệ giữa nhiệt độ mặt nước biển với chỉ số Sa.I và từđú Nguyễn Đức Hậu (2007) đó đỏnh giỏ khả năng dự bỏo hạn hỏn và xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo hạn hỏn cho khu vực Nam Trung Bộ và Tõy Nguyờn; …
Phương phỏp mụ hỡnh hoỏ mới bắt đầu được quan tõm nghiờn cứu ở Việt Nam trong khoảng chục năm trở lại đõy trong đú những nghiờn cứu điển hỡnh nhất là nghiờn cứu của Kiều Thị Xin, Phan Văn Tõn (Trường Đại học Khoa học Tự
nhiờn, ĐHQGHN), Nguyễn Văn Thắng (Viện Khoa học Khớ tượng thủy văn và Mụi trường),… Thử nghiệm mụ phỏng mưa trờn lónh thổ Việt Nam bằng mụ hỡnh DBKH khu vực RegCM của Kiều Thị Xin (2002) là một trong những kết quả đầu tiờn về mụ phỏng khớ hậu bằng mụ hỡnh số ở Việt Nam. Đề tài trong chương trỡnh NCCB cấp Nhà Nước năm 2004-2005 “Nghiờn cứu mụ phỏng cỏc hiện tượng khớ hậu bất thường hạn mựa trờn khu vực Bỏn đảo Đụng Dương – Biển Đụng bằng mụ hỡnh thủy động” cũng được thực hiện bởi Kiều Thị Xin vcs. (2005). Luận ỏn thạc sỹ
của Nguyễn Đăng Quang (2004) về mụ phỏng mưa trờn khu vực bỏn đảo Đụng Dương và biển Đụng là một trong những thành quả khoa học của đề tài này. Phan Văn Tõn (2003) đó cú những thử nghiệm vềđộ nhạy của mụ hỡnh RegCM2 đối với
địa hỡnh và điều kiện mặt đệm trong đề tài nghiờn cứu khoa học của ĐHQGHN. Đề
tài này cũng đào tạo được một thạc sỹ nghiờn cứu về ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt đến cỏc quỏ trỡnh trao đổi đất-khớ quyển khi sử dụng RegCM2 và chỉ ra rằng dũng năng lượng ẩn nhiệt, hiển nhiệt, lượng mưa, cường độ mưa và tỷ lệ giỏng thuỷ sinh ra do đối lưu và khụng đối lưu trong mụ hỡnh rất nhạy với những thay đổi mặt đệm [Dư Đức Tiến, 2003]. Viện Khoa học Khớ tượng thủy văn và Mụi trường cũng đó chạy thử nghiệm mụ hỡnh RegCM mụ phỏng cho 2 thỏng xảy ra lũ lụt lịch sử ở Trung Trung Bộ, Việt Nam là thỏng 11 năm 1999 và thỏng 10 năm 2003 [Lờ Văn Thiện và Nguyễn Văn Thắng, 2004]. So sỏnh với quan trắc, RegCM cú thể mụ phỏng được khu vực cú lượng mưa lớn ở Trung Trung Bộ nhưng lượng mưa mụ phỏng thấp hơn nhiều so với thực tế. Về nhiệt độ, hầu hết cỏc khu vực cú nhiệt độ
thấp như Tõy Bắc Bộ, Tõy Nguyờn đều được mụ phỏng tốt. Tuy nhiờn, ở miền Bắc mụ hỡnh cho kết quả thấp hơn thực đo; riờng miền Trung và miền Nam thỡ mụ hỡnh
34
cho kết quả sỏt với thực tế hơn. Ngoài ra, Bộ Tài Nguyờn và Mụi Trường cũng đó
đề ra cỏc nhiệm vụ khoa học cụng nghệ cấp nhà nước và cấp bộ và triển khai Nghiờn cứu biến động khớ hậu đồng bằng sụng Cửu Long và khả năng dự bỏo (Viện Khoa học Khớ tượng thủy văn và Mụi trường, 2005-2006). Một số cụng trỡnh nhằm thực hiện nhiệm vụ này là của Vũ Thanh Ca (2006), Trần Việt Liễn vcs. (2006), trong đú đều quan tõm tới cỏc mụ hỡnh số trị nghiờn cứu dự bỏo biến đổi khớ hậu của thế kỷ XXI cho cỏc vựng thuộc lónh thổ Việt Nam.
Trong những năm gần đõy, cỏc nhà khoa học Việt Nam đó tớch cực tham gia vào cỏc Hội thảo Quốc tế về giú mựa Chõu Á đồng thời tổ chức Hội thảo Quốc tế
tại Việt Nam để nõng cao trỡnh độ chuyờn mụn nghiờn cứu và dự bỏo khớ hậu. Điển hỡnh là “Hội thảo Việt-Nhật về giú mựa Chõu Á” đó diễn ra thành cụng vào thỏng 8/2006 tại Hạ Long, Quảng Ninh với sự tham gia của cỏc chuyờn gia Nhật Bản, lónh
đạo Bộ và cỏc Vụ chức năng Bộ Tài nguyờn và Mụi trường, lónh đạo Trung tõm Khớ tượng Thủy văn Quốc gia (KTTV) và cỏc bộ phận chức năng, Đài Khớ tượng Cao khụng và đại biểu cỏc Đài. Cỏc thành viờn đó thảo luận về những vấn đề về giú mựa và dự bỏo giú mựa, những vấn đề về thủy văn và dự bỏo thủy văn; mạng lưới trạm khớ tượng thủy văn, hiện trạng cụng tỏc nghiờn cứu khớ tượng thủy văn và khớ hậu ở Việt Nam và khu vực giú mựa chõu Á.
Với sự hợp tỏc Quốc tế ngày càng phỏt triển, trong tương lai gần, Việt Nam
đó cú thể sử dụng mụ hỡnh khớ hậu khu vực để DBKH ĐNA núi chung và Việt Nam núi riờng. Tuy nhiờn, với kỹ năng mụ phỏng của RCM hiện tại, sai số vẫn là khỏ lớn và sai số càng lớn hơn nếu đỏnh giỏ theo quan trắc tại trạm thay vỡ đỏnh giỏ trung bỡnh khu vực trờn tất cả cỏc điểm lưới như trước đõy. Mặt khỏc, khi thẩm định kết quả của RCM người ta nhận thấy RCM thường mắc sai số hệ thống õm đối với nhiệt độ cũn sai số lượng mưa biến đổi tựy mụ hỡnh và tựy khu vực. Do đú, hiệu chỉnh kết quả sau mụ hỡnh, đó được biết đến như một phần của quỏ trỡnh thống kờ sản phẩm mụ hỡnh số, ký hiệu là MOS, là cần thiết để cú được kết quả cuối cựng tốt nhất. Sau đõy là một số nghiờn cứu về phương phỏp thống kờ sản phẩm mụ hỡnh số.
35
1.3. Những nghiờn cứu về thống kờ hiệu chỉnh sản phẩm mụ hỡnh số
Phương phỏp thống kờ sản phẩm mụ hỡnh số MOS là quỏ trỡnh cơ bản gồm 2 bước (1) tỡm hiểu mối quan hệ thống kờ giữa cỏc biến khớ hậu địa phương (vớ dụ
như nhiệt độ bề mặt và giỏng thủy) và cỏc nhõn tố quy mụ lớn, và (2) ỏp dụng mối quan hệ này cho sản phẩm dự bỏo của mụ hỡnh số để mụ phỏng cỏc đặc trưng khớ hậu khu vực. Khi cỏc nhõn tố quy mụ lớn bao gồm cả biến khớ hậu đú thỡ quỏ trỡnh này chớnh là hiệu chỉnh dự bỏo của mụ hỡnh số về quan trắc thực tế. Theo Climate Change 2001 [172], phương phỏp dự bỏo cho địa phương từ sản phẩm của mụ hỡnh khớ hậu toàn cầu hoặc mụ hỡnh khớ hậu khu vực bằng phương phỏp thống kờ bắt nguồn từ khớ hậu synốp [Baur vcs., 1944; Lamb, 1972] và dự bỏo thời tiết bằng phương phỏp số [Klein và Glahn, 1974], nhưng hiện nay cũng được sử dụng rộng rói trong cỏc ứng dụng khớ hậu, từ tỏi tạo khớ hậu lịch sử [Appenzeller vcs., 1998; Luterbacher vcs., 1999] đến cỏc bài toỏn biến đổi khớ hậu. Một trong những tiện ớch của kỹ thuật này là khụng tốn kộm, do đú cú thể ỏp dụng cho nhiều thử nghiệm mụ hỡnh số khỏc nhau. Nhưng yếu điểm lớn nhất của nú là giả thiết cơ bản khụng thể
kiểm nghiệm được, vớ dụ như mối quan hệ thống kờ tỡm thấy trong khớ hậu hiện tại cú giữ khụng đổi trước những tỏc động khỏc của khớ hậu tương lai hay khụng? Thờm nữa, số liệu dựng để xõy dựng mối quan hệ thống kờ cú thể được lấy trờn những khu vực xa xụi hoặc trờn địa hỡnh phức tạp nờn khụng đảm bảo chớnh xỏc. Tuy vậy vẫn khụng thể phủ nhận tiện ớch của phương phỏp này trong việc cung cấp thụng tin địa phương chi tiết hơn từ dự bỏo của GCM hay RCM. Một loạt cỏc mụ hỡnh thực hiện theo phương phỏp này cú sử dụng phương phỏp tương tự, hồi quy hay mạng thần kinh nhõn tạo đó được phỏt triển chủ yếu ở Mỹ, Chõu Âu và Nhật Bản, nơi cú số liệu thực đo tốt hơn những nơi khỏc để kiểm tra mụ hỡnh. Sau khi đó
được xỏc định là tối ưu, cỏc mụ hỡnh đó được sử dụng khỏ thành cụng trong việc tỏi tạo cỏc trường khớ hậu bề mặt khỏc nhau. Phương phỏp này thậm chớ cũn cú thể hạ
xuống quy mụ địa phương, ứng dụng trong dự bỏo cỏc quỏ trỡnh thủy văn. Những nghiờn cứu ứng dụng bao gồm Wilby (1998), Widmann vcs. (2002), Bardossy và
36
Plate (1992), Hewitson và Crane (1992), Wilson vcs. (1992), Hughes vcs. (1993) ….
Ứng dụng của phương phỏp này vào hiệu chỉnh sản phẩm của RCM khụng phong phỳ như khi dự bỏo cho địa phương từ sản phẩm trực tiếp từ GCM. Một trong những nguyờn nhõn chớnh là người ta khụng muốn phải chạy dự bỏo bằng GCM, sau đú bằng RCM và cuối cựng là sử dụng phương phỏp thống kờ sản phẩm của RCM để dự bỏo cho từng địa phương. Nhưng thống kờ trực tiếp từ sản phẩm GCM khụng đảm bảo độ chớnh xỏc vỡ lưới của GCM quỏ thụ. Vớ dụ như toàn bộ
lónh thổ Việt Nam cú thể nằm gọn trong 1-2 ụ lưới. Khi đú, xõy dựng hàm hồi quy cho hàng trăm điểm trạm từ chỉ 2-4 điểm lưới là khụng hợp lý. Nếu chỉ lồng một RCM vào GCM thỡ gặp sai số như đó trỡnh bày ở trờn. Để giảm sai số, người ta cú thể lồng thờm 1-2 lưới con vào RCM, nghĩa là phải chạy thờm 1-2 mụ hỡnh RCM. Vỡ vậy, cỏch thức lồng RCM vào GCM rồi hiệu chỉnh vẫn là cần thiết. Oh vcs. (2004) đó hiệu chỉnh nhiệt độ trung bỡnh ngày từ mụ phỏng 10 năm (1992-2001) của MM5 về nhiệt độ quan trắc tại 17 trạm bề mặt của Hàn Quốc. Nhiệt độ quan trắc và mụ phỏng đều được phõn tớch thành cỏc thành phần chớnh (EOF), sau đú 1-2 thành phần chớnh đầu tiờn được sử dụng để xõy dựng phương trỡnh HQTT . Sau khi hiệu chỉnh, sai số trung bỡnh quõn phương đó giảm từ 4,03 độ (mựa đụng) và 9,70
độ (mựa hố) xuống cũn 2,16 độ và 1,45 độ tương ứng.
Trong những thử nghiệm này, mối quan hệ giữa nhõn tố dự bỏo (sản phẩm dự bỏo) và yếu tố dự bỏo (biến khớ hậu địa phương hoặc khu vực) thường được coi là tuyến tớnh. Trong khi đú, mối quan hệ thực sự cú thể phức tạp hơn nhiều và cần phải biểu diễn bằng hàm phi tuyến. Do đú, kết quả khi sử dụng phương phỏp thống kờ HQTT cú thể gặp phải sai số vỡ khụng biểu diễn đỳng và đủ mối quan hệ giữa nhõn tố và yếu tố hồi quy. McGinnis (1994), Weichert và Burger (1998) đó từng so sỏnh kết quả khi sử dụng phương phỏp thống kờ HQTT chuẩn và phi tuyến với cựng GCM để dự bỏo lượng tuyết rơi và nhiệt độ trung bỡnh, giỏng thủy, ỏp suất hơi nước tương ứng. Cỏc kết quả cho thấy hạn chế của cỏch tiếp cận tuyến tớnh và khả năng dự bỏo tốt hơn của hồi quy phi tuyến, trong trường hợp này là mạng thần kinh nhõn
37
tạo (ANN). Efimov và Pososhkov (2006) hiệu chỉnh số liệu giỏng thủy ngày từ hệ
thống tỏi phõn tớch toàn cầu về lượng giỏng thủy quan trắc tại một số điểm địa lý trờn khu vực duyờn hải của Biển Đen bằng ANN và nhận được phõn bố giỏng thủy hợp lý hơn. ANN cũng được sử dụng để hiệu chỉnh dự bỏo xuất hiện giỏng thủy trờn Nhật Bản [Koizumi, 1999] và cho kết quả tốt hơn so với hiệu chỉnh bằng HQTT.
Nhận xột cuối chương
Núi túm lại, DBKH cho khu vực ĐNA vẫn là một lĩnh vực chưa được đầu tư
nghiờn cứu thớch đỏng. Đối với khớ hậu nhiệt đới giú mựa phức tạp của Việt Nam, những nghiờn cứu tiếp cận phương phỏp mụ hỡnh húa khớ hậu cũng mới triển khai trong khoảng chục năm gần đõy và chưa cú nghiờn cứu ứng dụng nào rừ rệt. Tuy nhiờn, từ những nghiờn cứu dự bỏo giú mựa Chõu Á của cỏc nước trờn thế giới cho thấy cú thể ỏp dụng RCM vào mụ phỏng và tiến tới dự bỏo khớ hậu cho ĐNA và Việt Nam. Nhưng do kỹ năng của RCM chưa hoàn chỉnh, RCM mới chỉ cú thể tỏi tạo cỏc giỏ trị quan trắc trung bỡnh với sai số dưới 2oC và từ 5-50% đối với lượng giỏng thủy và sai số lớn hơn nếu đỏnh giỏ cho từng khu vực nhỏ hơn, đặc biệt là cỏc phõn vựng khớ hậu hoặc cỏc trạm quan trắc. Vỡ vậy, khi ỏp dụng cho ĐNA cần nghiờn cứu chi tiết hơn để cải thiện kết quả, cú thể là những nghiờn cứu độ nhạy về
miền tớnh, độ phõn giải hay cỏc tham số húa vật lý. Sau đú thẩm định thống kờ kết quả của RCM và hiệu chỉnh theo phương phỏp MOS để đưa về giỏ trị gần với quan trắc hơn. Chương 2 tiếp theo trỡnh bày cỏc phương phỏp nghiờn cứu cụ thể được ỏp dụng trong luận ỏn.
38
Chương 2
PHƯƠNG PHÁP Mễ HèNH HểA KHÍ HẬU KHU VỰC
VÀ PHƯƠNG PHÁP THỐNG Kấ SẢN PHẨM Mễ
HèNH SỐ (MOS)
Trong chương này trỡnh bày cỏc phương phỏp nghiờn cứu sử dụng trong luận ỏn là (1) phương phỏp mụ hỡnh húa khớ hậu khu vực và (2) phương phỏp thống kờ hậu mụ hỡnh MOS bao gồm cỏc cỏch thức đỏnh giỏ thống kờ sản phẩm của mụ hỡnh khớ hậu và phương phỏp luyện mạng thần kinh nhõn tạo. Cuối cựng là nguồn số liệu sử dụng trong luận ỏn.
Mụ hỡnh húa khớ hậu khu vực là phương phỏp lồng mụ hỡnh khu vực hạn chế
vào mụ hỡnh GCM và phõn tớch cỏc kết quả nhận được từ GCM, thụng qua tớch phõn số học của hệ phương trỡnh mụ hỡnh khu vực hạn chế trờn lưới cú độ phõn giải tinh hơn để suy luận ra tỏc động của trường GCM điều khiển đối với khu vực đú.
Toàn cầu
Lục địa Khu vực
Địa phương
39
Hỡnh 2.1 biểu diễn cỏc quy mụ khụng gian của mụ hỡnh khớ hậu [Giorgi, 2006]. Từ mụ hỡnh GCM với quy mụ toàn cầu cú độ phõn giải thụ, vốn chỉ mụ tả được cỏc quỏ trỡnh vật lý quy mụ synốp, cú thể lồng vào đú mụ hỡnh RCM với quy mụ lục địa hoặc khu vực cú độ phõn tinh hơn để mụ phỏng chi tiết hơn cỏc quỏ trỡnh vật lý cú quy mụ vừa và nhỏ. Cỏc mụ hỡnh thống kờ cú thể được “lồng" trực tiếp vào GCM hoặc cỏc RCM để mụ tả cỏc quỏ trỡnh quy mụ nhỏ hơn. Để hiểu rừ hơn về
mụ hỡnh húa khớ hậu khu vực, chỳng tụi trỡnh bày khỏ cụ thể về động lực và biểu diễn vật lý trong mụ hỡnh RegCM3, cũng là mụ hỡnh được sử dụng trong luận ỏn để
mụ phỏng khớ hậu hạn mựa cho khu vực ĐNA và Việt Nam. Đối với phương phỏp thống kờ sản phẩm mụ hỡnh số, chỳng tụi trỡnh bày về phương phỏp luyện mạng thần kinh nhõn tạo, bản chất là phương phỏp hồi quy phi tuyến, được sử dụng trong luận ỏn để hiệu chỉnh sản phẩm của RegCM3.