3.3.1. Đánh giá về quỹ đạo
Bảng 3.3 biểu diễn các giá trị trung bình của các sai số khoảng cách (MPE), sai số dọc (MATE), sai số ngang (MCTE) của bộ mẫu số liệu các cơn bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam từ năm 2004 đến năm 2007. Và các Hình 3.16, 3.17, 3.18 biểu diễn đồ thị sai số t−ơng ứng của chúng. Bộ mẫu số liệu dùng để thực hiện đánh giá bao gồm : 82, 82, 82, 82, 82, 80, 73, 69, 61, 54, 46, 39, 26 tr−ờng hợp t−ơng ứng với các thời điểm dự báo 00, 06, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 54, 60, 66 và 72 giờ. Số l−ợng bộ mẫu này cũng t−ơng tự cho phần đánh giá c−ờng độ đ−ợc trình bày ở phần sau.
Bảng 3.3. Sai số khoảng cách (MPE), sai số dọc (MATE), sai số ngang (MCTE) của bộ mẫu số liệu các cơn bão đổ bộ đ−ợc lựa chọn, ứng với từng thử nghiệm (Km).
No_bogus Bogus
Hạn DB MPE MATE MCTE MPE MATE MCTE
00h 60.32 -6.16 -1.07 42.40 -2.26 5.59 06h 72.52 33.75 -1.87 69.56 -2.08 -11.94 12h 100.42 -5.10 6.49 86.61 -13.44 -1.94 18h 112.10 -8.35 4.25 103.00 -14.52 22.80 24h 132.65 5.91 16.73 122.42 -9.28 48.34 30h 148.51 25.41 19.92 144.53 8.89 74.79 36h 176.98 46.15 13.43 174.48 8.96 91.55 42h 208.22 48.93 10.96 203.46 20.35 106.97 48h 227.57 40.03 23.29 220.45 37.08 109.82 54h 225.26 70.05 -13.43 254.45 50.83 111.42 60h 299.52 74.97 -16.12 327.52 47.00 127.36 66h 333.43 103.84 -18.87 330.63 100.77 103.16 72h 389.32 194.30 -86.41 373.27 153.58 178.21
sai số khoảng cách trung bình 0 100 200 300 400 500 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Hạn dự báo (Giờ) M PE ( K m ) No_bogus Bogus
Hình 3.16: Sai số trung bình khoảng cách (MPE)
của bộ mẫu các cơn bão đổ bộ đ−ợc lựa chọn, ứng với từng thử nghiệm.
Từ bảng số liệu và hình vẽ trên, tr−ờng hợp có đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả cho sai số khoảng cách trung bình nhỏ hơn tr−ờng hợp không đồng hóa tại hầu hết các thời điểm dự báo. Riêng đến thời điểm 54 giờ và 60 giờ, tr−ờng hợp không đồng hóa lại cho kết quả dự báo tốt hơn. Tuy nhiên, độ lệch sai số giữa hai tr−ờng hợp này là không đáng kể. Nh− vậy, đối với bài toán dự báo quỹ đạo, tr−ờng hợp đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả cho cải thiện khả quan so với tr−ờng hợp không đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả.
sai số dọc trung bình -50 0 50 100 150 200 250 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Hạn dự báo (Giờ) M A T E No_bogus Bogus
Hình 3.17: Sai số dọc trung bình (MATE) của bộ mẫu các cơn bão đổ bộ đ−ợc lựa chọn, ứng với từng thử nghiệm.
Sai số dọc trung bình (MATE) của bộ mẫu số liệu thử nghiệm đối với tr−ờng hợp có đồng hóa có giá trị âm tại các thời điểm từ 00 giờ đến 30 giờ, chứng tỏ bão có xu h−ớng di chuyến chậm hơn so với thực tế tại các thời điểm này và có giá trị d−ơng từ thời điểm 36 giờ đến 72 giờ, cho thấy xu h−ớng bão nhanh hơn so với quan trắc. Giá trị độ lớn tại các thời điểm ở giai đoạn sau này cũng t−ơng đối lớn vì thế có thể nói rằng bão dự báo mô hình tr−ờng hợp có đồng hóa di chuyển khá nhanh. T−ơng tự đối với tr−ờng hợp không đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả, MATE có giá trị âm hoặc dao động xung quanh giá trị 0 ở các thời điểm 00 giờ đến 24 giờ và có giá trị d−ơng ở các thời điểm 30 giờ đến 72 giờ. Nh− vậy, tr−ờng hợp không đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả có xu h−ớng dịch chuyển gần t−ơng tự với tr−ờng hợp có đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả nh−ng sự di chuyển có phần nhanh hơn.
sai số ngang trung bình
-100 -50 0 50 100 150 200 0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 Hạn dự báo (Giờ) M C T E No_bogus Bogus
Hình 3.18: Sai số ngang trung bình (MCTE)
của bộ mẫu số liệu các cơn bão đổ bộ đ−ợc lựa chọn, ứng với từng thử nghiệm. Với sai số ngang trung bình (MCTE) ta thấy có sự phân chia làm hai h−ớng rõ rệt. Tr−ờng hợp Bogus phần lớn đều cho kết quả d−ơng tại các thời điểm dự báo, ngoại trừ một vài thời điểm dự báo ban đầu (từ 00 giờ đến 12 giờ) và hạn dự báo
ng−ợc lại. Mặc dù cũng cho giá trị d−ơng từ thời điểm 00 giờ đến 48 giờ song độ sai khác so với giá trị “0” không lớn. Ngay cả khi từ thời điểm 54 giờ đến 72 giờ, MCTE có giá trị âm thì các giá trị này không biến động lớn về độ lớn. Nh− vậy có thể thấy các dự báo của cả hai tr−ờng hợp chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn đầu từ 00 giờ đến 18 giờ, quỹ đạo dự báo có xu h−ớng khá sát với quỹ đạo quan trắc, trong khi ở giai đoạn dự báo sau (từ 24 giờ đến 72 giờ), tr−ờng hợp Bogus có xu h−ớng lệch về phải khá lớn so với h−ớng di chuyển của quỹ đạo bão thực. Tr−ờng hợp No_bogus lệch trái từ thời điểm 54 giờ đến 72 giờ. Độ lệch của tr−ờng hợp No_bogus t−ơng đối ổn định so với Bogus.
3.3.2. Đánh giá về c−ờng độ
Bảng 3.4 mô tả sai số trung bình (ME) và sai số trung bình tuyệt đối (MAE) của giá trị độ lệch khí áp mặt biển tại tâm giữa quan trắc và mô hình với tr−ờng hợp không đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả (No_bogus) và có đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả (Bogus).
Bảng 3.4. Sai số trung bình và trung bình tuyệt đối của độ lệch khí áp mặt biển tại tâm của tr−ờng hợp No_bogus và tr−ờng hợp Bogus so với quan trắc.
No_bogus Bogus
Han DB ME MAE ME MAE
06h -20.28 20.28 -11.18 13.99 12h -20.05 20.05 -11.66 13.65 18h -19.86 19.86 -10.85 12.77 24h -19.05 19.05 -9.24 11.70 30h -18.96 18.96 -7.91 11.11 36h -18.41 18.48 -7.78 10.45 42h -17.04 17.09 -7.52 9.85 48h -15.84 16.10 -7.59 10.18 54h -14.88 15.29 -7.40 11.08 60h -14.62 15.06 -6.41 11.56 66h -13.65 14.42 -4.42 11.55
C−ờng độ bão đ−ợc đánh giá qua sai số giữa giá trị khí áp tại tâm quan trắc và giá trị khí áp tại tâm dự báo. Nh− đã phân tích ở phần trên, việc đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả đã làm giảm áp suất tại tâm bão trong tr−ờng ban đầu, từ đó mô phỏng tốt hơn cấu trúc, vị trí và chuyển động của xoáy bão trong tr−ờng ban đầu đó. Điều này giúp mở rộng thêm khả năng cho bài toán dự báo c−ờng độ bão. Từ bảng 3.4 cho thấy c−ờng độ bão đã đ−ợc cải thiện đáng kể qua hệ thống đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả của mô hình WRF. Ta thấy rằng tại tất cả các thời điểm dự báo, sai số ME<0, tức bão dự báo của mô hình có c−ờng độ yếu hơn thực tế. Tuy nhiên, với tr−ờng hợp Bogus xu h−ớng độ lớn sai số này t−ơng đối nhỏ so với No_bogus. Độ lớn sai số MAE của Bogus đều nhỏ hơn No_bogus tại tất cả các thời điểm dự báo. Thử nghiệm Bogus, sai số này nhỏ nhất là 9.85 mb tại thời điểm 42 giờ, giá trị lớn nhất là 13.99 mb tại thời điểm 06 giờ. Còn với No_bogus, phạm vi sai số này nằm trong khoảng từ 12.85 đến 20.28 mb, thời điểm t−ơng ứng với giá trị nhỏ nhất và lớn nhất là 72 giờ và 06 giờ. Dễ nhận thấy rằng sai số về c−ờng độ ở cả hai tr−ờng hợp đều giảm dần theo hạn dự báo (nghĩa là hạn dự báo càng xa thì cho sai số càng nhỏ). Điều này có thể lý giải nh− sau: từ tr−ờng hợp No_bogus có thể thấy do cấu trúc xoáy trong tr−ờng ban đầu của mô hình yếu và bị sai lệch nhiều so với cấu trúc xoáy thực vì vậy c−ờng độ dự báo của mô hình luôn lớn hơn nhiều so với quan trắc thực tế. Nh−ng ở các thời điểm dự báo sau, giá trị độ lớn sai số đã giảm dần, chứng tỏ qua quá trình tích phân các động lực và vật lý của mô hình đã phần nào khôi phục và mô phỏng lại đ−ợc cấu trúc, chuyển động và c−ờng độ của xoáy bão tốt hơn. T−ơng tự với tr−ờng hợp Bogus, nhờ có quy trình đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả, xoáy bão trong tr−ờng ban đầu đã đ−ợc mô phỏng chính xác hơn. Kết hợp với các yếu tố bên trong mô hình trong quá trình tích phân, vì vậy mà sai số c−ờng độ đã giảm đáng kể ngay từ những thời điểm ban đầu.
3.4 Đánh giá vị trí và thời điểm đổ bộ
Đế xác định đ−ợc vị trí và thời điểm đổ bộ của những cơn bão đổ bộ vào bờ biển Việt Nam, tác giả tiến hành một thuật toán kiểm tra sự cắt nhau của hai đ−ờng thẳng. Thuật toán đ−ợc tiến hành nh− sau:
+ Chia nhỏ đ−ờng bờ biển Việt Nam và coi những phần chia nhỏ đó là những đoạn thẳng AnBn (mỗi đoạn thẳng có khoảng cách khoảng 100 km).
+ Coi vị trí của hai thời điểm dự báo liên tiếp tạo thành một đoạn thẳng. Gọi là đoạn thẳng CD.
+ Lập ph−ơng trình đ−ờng thẳng qua hai điểm A, B và C, D có dạng: (YB-YA)(X-XA)-(XB-XA)(Y-YA) = 0 (3.1) + Kiểm tra sự cắt nhau của hai đoạn thẳng AB và CD bằng giải hệ ph−ơng trình:
a1 x + b1 y = c1 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
a2 x + b2 y = c2 (3.2)
Nếu cắt nhau thì xác định đ−ợc tọa độ và thời điểm của điểm cắt nhau và đó chính là vị trí và thời điểm của điểm đổ bộ. Nếu không cắt nhau thì xét đoạn thẳng đ−ợc tạo bởi hai thời điểm cuối cùng của dự báo (thời điểm 66h và 72h) và thực hiện nội suy đến đoạn bờ biển AB gần nhất với nó.
Quy trình và cách thức tính toán đ−ợc mô tả trong hình 3. d−ới đây:
Bn An A1 B1
3.4.2. Đánh giá kết quả
Để đánh giá vị trí và thời điểm đổ bộ dự báo của mô hình với hai thử nghiệm No_bogus và Bogus, trong nghiên cứu này tác giả tiến hành phân loại thành các nhóm thời điểm thực hiện dự báo tr−ớc thời điểm đổ bộ thực tế khoảng 1 ngày, 2 ngày và 3 ngày (T1, T2 và T3 t−ơng ứng) nh− đã trình bày ở trên.
Để hiểu rõ hơn các đặc tr−ng ảnh h−ởng đến sai số dự báo, tác giả thực hiện đánh giá tập mẫu số liệu theo các tr−ờng hợp sau:
+ Đánh giá chung trên toàn bộ mẫu. + Đánh giá theo c−ờng độ của cơn bão.
+ Đánh giá theo h−ớng quỹ đạo của cơn bão so với đ−ờng bờ biển. + Đánh giá theo tốc độ di chuyển của cơn bão.
+ Đánh giá theo khu vực đ−ờng bờ biển.
Số l−ợng bộ mẫu ứng với từng tr−ờng hợp đ−ợc đ−a ra trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Số l−ợng các tr−ờng hợp đánh giá theo từng phân loại. Thời điểm DB Toàn bộ mẫu C−ờng độ H−ớng quỹ đạo Tốc độ di chuyển Khu vực bờ biển Mạnh Yếu G90 G45 Nhanh Chậm KV1 KV2 T1 30 13 17 16 14 13 17 20 10 T2 31 15 16 19 12 12 19 19 12 T3 21 15 9 9 12 9 12 9 15 Trong đó:
+ Mạnh: các cơn bão có c−ờng độ mạnh, có tốc độ gió cực đại ≥ 32 m/s. + Yếu: các cơn bão có c−ờng độ yếu, có tốc độ gió cực đại < 32 m/s.
+ G90: các cơn bão có h−ớng quỹ đạo so với đ−ờng đ−ờng bờ biển góc từ 45°
đến 90°.
+ Chậm: các cơn bão có tốc độ di chuyển chậm, tốc độ di chuyển < 15 km/h. + KV1: các cơn bão đổ bộ vào khu vực 1 bao gồm các tỉnh từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh.
+ KV2: các cơn bão đổ bộ vào khu vực 2 bao gồm các tỉnh từ Quảng Bình đến Cà Mau.
3.4.2.1. Đánh giá kết quả dự báo vị trí đổ bộ
Đánh giá chung
Bảng 3.6 biểu diễn sai số khoảng cách trung bình trên bộ mẫu số liệu dự báo của các cơn bão đổ bộ đã lựa chọn tại thời điểm thực hiện dự báo tr−ớc đổ bộ thực tế khoảng 1 ngày. Hình 3.20 là biểu đồ biểu diễn độ lệch sai số trung bình giữa thử nghiệm No_bogus và Bogus.
Bảng 3.6. Sai số trung bình khoảng cách trên bộ mẫu chung (Km). Thời điểm DB No_bogus Bogus T1 132.18 125.68 T2 234.73 223.85 T3 223.71 234.42 -15 -10 -5 0 5 10 15 T1 T2 T3 Thời điểm DB M PE
Hình 3.20. Độ lệch sai số trung bình khoảng cách giữa thử nghiệm No_bogus và Bogus của bộ mẫu chung (Km).
Nhìn vào bảng và hình vẽ, các tr−ờng hợp dự báo tr−ớc đổ bộ 1 ngày và 2 ngày của Bogus cho sai số vị trí đổ bộ nhỏ hơn so với No_bogus. Đến các tr−ờng hợp dự báo tr−ớc đổ bộ 3 ngày, sai số của tr−ờng hợp Bogus lại lớn hơn No_bogus. Nh− vậy, việc đồng hóa số liệu tr−ờng cài xoáy giả đã tác động hiệu quả đến kết quả dự báo vị trí đổ bộ của mô hình tại nhóm thời điểm tr−ớc đổ bộ khoảng 1 và 2 ngày.
Để đánh giá tốt hơn sai số đổ bộ đối với từng tr−ờng hợp dự báo, tác giả đã chia theo các phân loại sau:
Đánh giá theo c−ờng độ
Phân loại theo c−ờng độ đ−ợc phân chia theo những cơn bão có c−ờng độ mạnh và các cơn bão có c−ờng độ yếu. Bảng 3.7 thể hiện sai số vị trí đổ bộ trung bình của các cơn bão lựa chọn đ−ợc phân loại theo c−ờng độ. Hình 3.20 là biểu đồ biểu diễn giá trị trong bảng 3.7 t−ơng ứng.
Bảng 3.7. Sai số trung bình vị trí đổ bộ của các cơn bão phân loại theo c−ờng độ (Km).
Mạnh Yếu
Thời điểm
DB No_bogus Bogus No_bogus Bogus
T1 191.10 184.46 86.53 83.50 T2 211.14 205.53 257.64 244.77 T3 224.99 215.74 208.81 317.27 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
c−ờng độ 0 50 100 150 200 250 300 350 T1 T2 T3 Thời điểm DB M PE
No_mạnh No_yếu Bogus_mạnh Bogus_yếu
Hình 3.21. Sai số trung bình vị trí đổ bộ của các cơn bão phân loại theo c−ờng độ (Km). Từ bảng và biểu đồ ta thấy, với thời điểm thực hiện dự báo tr−ớc đổ bộ khoảng 1 ngày: tr−ờng hợp Bogus cho dự báo tốt nhất trong nhóm cơn bão có c−ờng độ yếu, sai số là 83.5 km. Thử nghiệm Bogus cho sai số nhỏ hơn so với No_bogus ở cả nhóm cơn bão có c−ờng độ mạnh và yếu. Tr−ờng hợp cơn bão có c−ờng độ yếu có xu h−ớng cho sai số nhỏ hơn các cơn bão mạnh trong hai thử nghiệm Bogus và No_bogus.
Tại nhóm thời điểm thực hiện dự báo tr−ớc đổ bộ khoảng 2 ngày, Bogus vẫn cho kết quả dự báo tốt hơn No_bogus đối với hai nhóm c−ờng độ bão. Khác với thời điểm tr−ớc 1 ngày, các cơn bão mạnh có xu h−ớng cho sai số nhỏ hơn các cơn bão yếu trong cả hai thử nghiệm.
Đến thời điểm thực hiện dự báo tr−ớc đổ bộ khoảng 3 ngày, Bogus có sai số lớn nhất với tr−ờng hợp các cơn bão yếu, giá trị sai số là 317 km. Điều này có thể do bộ mẫu sử dụng để tính toán ch−a đủ lớn. Vì vậy sai số trung bình của nó bị ảnh h−ởng lớn bởi sai số của từng thành phần dự báo. Nh− vậy, trong nhóm cơn bão có c−ờng độ yếu khả năng có thành phần dự báo cho sai số t−ơng đối lớn. Tr−ờng hợp những cơn bão mạnh, sai số có xu h−ớng ổn định hơn và thử nghiệm Bogus có dự báo tốt hơn No_bogus.
Đến thời điểm T2, ph−ơng án Bogus đ−ợc sử dụng và −u tiên hơn với những cơn bão có c−ờng độ mạnh. Thời điểm T3, ph−ơng án Bogus nên đ−ợc sử dụng cho những cơn bão mạnh nh−ng với những cơn bão yếu nên dùng ph−ơng án No_bogus.
Đánh giá theo h−ớng quỹ đạo so với bờ biển
Các cơn bão đổ bộ sẽ đ−ợc chia theo h−ớng di chuyển của quỹ đạo tại thời điểm dự báo so với đ−ờng bờ biển. Bảng 3.8 thể hiện sai số vị trí đổ bộ trung bình của các cơn bão đổ bộ di chuyển theo hai h−ớng trên đối với tr−ờng hợp Bogus và