- Hệ thống dự báo với 7 ốp dự báo với q trình đồng hóa từng 12 giờ. Thời gian bắt đầu từ 00z ngày 14/10/2010 và dự báo cho 3 ngày đến 00Z ngày 17/10/2010.
- Hệ thống tổ hợp có 5 thành phần tổ hợp.
3.1.2 Nguồn số liệu
- Đầu vào và điều kiện biên của mơ hình đƣợc lấy từ số liệu dự báo toàn cầu GFS của trung tâm dự báo Hoa Kỳ NCEP với độ phân giải là 10 x 10.
- Việc đồng hóa đƣợc thực hiện với số liệu quan trắc thám không đƣợc lấy từ trang web http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html gồm các trạm quan trắc trong khu vực Châu Á và các trạm quan trắc cao không bổ sung của Việt Nam.
Hình 3.2. Miền lưới tính mơ hình và vị trí một số trạm quan trắc cao khơng
Số liệu cao không Việt Nam đƣợc cung cấp từ các trạm thám không vô tuyến Việt Nam.
Mạng lƣới các trạm thám không vô tuyến hiện nay gồm 5 trạm: Hà Nội, Điện Biên, Vinh, Đà Nẵng và Tân Sơn Hoà (thành phố Hồ Chí Minh). Ngồi các trạm trên đã hoạt động quan trắc nghiệp vụ, trong mạng lƣới cịn có trạm Bạch Long Vĩ mới đƣợc lắp đặt đang trong q trình hồn thiện, đi vào quan trắc thử nghiệm.
+ Thiết bị quan trắc: sử dụng thiết bị của hãng Vaisala (Phần Lan) + Số lần quan trắc trong ngày : 2 lần (7 giờ và 19 giờ, giờ Việt Nam)
+ Yếu tố quan trắc: nhiệt độ (nhiệt độ khô và nhiệt độ điểm sƣơng); độ ẩm; khí áp; gió (tốc độ và hƣớng).
+ Độ cao quan trắc tính trung bình năm: trên 28 km.
+ Điều chế Hydro bằng phƣơng pháp điện ly nƣớc, thiết bị do Việt Nam sản xuất.
Số liệu cao khơng tại Việt nam có độ phân giải theo chiều cao tốt hơn (tinh hơn) so với các trạm trong khu vực Châu Á.
Hình 3.3. Mạng lưới trạm thám khơng vô tuyến tại Việt Nam
Số liệu các trạm thám khơng vơ tuyến của Việt Nam đƣợc lấy từ phịng Nghiên cứu - Tƣ liệu – Đài Khí tƣợng Cao không.
- Công tác kiểm tra chất lƣợng của mơ hình thơng qua việc so sánh kết quả dự báo của mơ hình với số liệu mƣa quan trắc đƣợc tại trạm. Số liệu mƣa quan trắc tại trạm đƣợc lấy từ Trung tâm Tƣ liệu Khí tƣợng Thủy văn và Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn trung ƣơng.
Bảng 3.1. Số liệu mưa ngày 16 một số trạm Khu Vực Miền Trung
Địa điểm quan trắc Lƣợng mƣa
Tỉnh Trạm 1 7 13 19 R B ắc Tru n g Bộ Nghệ An Qùy Châu 0.3 0.8 2.0 2.0 3.3 Cƣa Rào 2.0 4.0 1.0 9.0 13.0 Qùy Hợp - 0.2 5.0 5.0 5.2 Tây Hiếu 0.1 0.1 2.0 2.0 2.5 Con Cuông - 8.0 11.0 33.0 40.1 Quỳnh Lƣu 0.4 0.7 1.0 5.0 5.5 Đô Lƣơng - 0.2 4.0 13.0 13.0 Hòn Ngƣ 20.0 43.0 18.0 141.0 183.0 Vinh 26.0 62.0 22.0 172.0 234.4 Hà Tĩnh Hƣơng Sơn 1.0 31.0 22.0 81.0 111.4 Hà Tĩnh 44.0 119.0 73.0 455.0 455.6 Hƣơng Khê 23.0 137.0 274.0 342.0 479.6 Kỳ Anh 6.0 42.0 29.0 124.0 165.8 T ru n g Trun g B ộ Q. Bình Tun Hóa 39.0 148.0 70.0 79.0 227.0 Đồng Hới 35.0 42.0 60.0 125.0 166.8 Ba Đồn 39.0 78.0 8.0 45.0 123.1 Quảng Trị Cồn Cỏ 24.0 44.0 2.0 3.0 47.1 Đông Hà 25.0 26.0 0.1 20.0 45.9 Khe Sanh 33.0 33.0 33.0 2.0 35.0 T.T. Huế Huế - - 0.0 0.5 0.5 A Lƣới 0.2 0.2 - 8.0 8.6 Nam Đông - - - - - Đà Nẵng Hoàng Sa Đà Nẵng 27.0 0.6 27.0 0.6 - - - - 27.0 1.2 Q. Nam Tam Kỳ - 0.1 - 0.8 0.9 Trà My - 1.0 - 11.0 12.2 Q. Ngãi Lý Sơn 0.0 1.0 0.0 0.0 1.1 Q.Ngãi 0.1 0.3 0.0 0.0 0.3 Ba Tơ 0.7 2.0 - 0.2 2.2 3.1.3 Mơ tả thí nghiệm
Từ ngày 13 đến ngày 17/10/2010, do ảnh hƣởng kết hợp của khơng khí lạnh tăng cƣờng kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới hoạt động mạnh có trục qua Nam Trung Bộ (hình 3.4a và hình 3.4b), các tỉnh khu vực Bắc Trung Bộ và Trung Trung Bộ đã xảy ra mƣa to đến rất to.
Hình 3.4a. Bản đồ AT lúc 7h/15/10/2010 Hình 3.4b. Bản đồ AT lúc 7h/16/10/2010
Hình 3.4 Bản đồ hình thế thời tiết lúc 7giờ ngày 15 và 16/10/2010 Bảng 3.2. Số liệu mưa tại các trạm khu vực miền Trung Bảng 3.2. Số liệu mưa tại các trạm khu vực miền Trung
Tỉnh Trạm R14/10 (mm) R15/10 (mm) R16/10 (mm) R17/10 (mm) Tổng (mm) Nghệ An Cửa Hội 109.0 81.0 208.0 432.0 830 Đô Lƣơng 24.0 61.0 10.0 199.0 294 Vinh 59.0 130.0 234.0 390.0 831 Hà Tĩnh Hƣơng Khê 6.0 76.0 480.0 133.0 695 Hoà Duyệt 12.0 162.0 502.0 227.0 903 Hƣơng sơn 15.0 202.0 111.0 188.0 516 Hà Tĩnh 11.0 141.0 456.0 291.0 899 Quảng Bình Chu Lễ 7.0 128.0 548.0 132.0 815 Tuyên Hóa 16.0 237.0 227.0 45.2 525 Đồng Hới 68.0 62.0 165.5 239.6 535 Quảng Trị Đồng Tâm 29.0 293.0 240.4 53.2 616 Đông Hà 20.0 102.0 46.0 55.0 223
T.Thiên Huế Huế 5.0 107.0 0.5 3.0 115.5
Đà Nẵng Đà Nẵng 59.0 104.0 27.0 43.0 233
Quảng Nam Tam Kỳ 21.0 210.0 0.9 0.1 232
Quảng Ngãi Quảng Ngãi 46.0 124.0 0.3 0.8 171
Ba Tơ 29.0 52.0 2.0 - 83
Theo số liệu quan trắc tại các trạm cho thấy, đây là một đợt mƣa lớn kéo dài trong nhiều ngày tại các tỉnh từ Nghệ An đến Quảng Bình, tổng lƣợng mƣa các nơi
phổ biến từ 500 – 800mm, đặc biệt lƣợng mƣa tại trạm Hoà Duyệt (Hà Tĩnh) lên tới 903mm. Trong đợt mƣa này có một số ngày mƣa đặc biệt lớn nhƣ ngày 16/10: tại Hƣơng Khê (Hà Tĩnh) 480mm, Chu Lễ (Hà Tĩnh) 548mm, Hòa Duyệt (Hà Tĩnh) 502mm, Hà Tĩnh 456mm. Đợt mƣa này cho chúng ta một trƣờng hợp nghiên cứu điển hình để khảo sát phƣơng pháp lọc Kalman tổ hợp cho dự báo mƣa lớn tại miền Trung.
Để khảo sát độ nhạy của bộ số liệu cao không khu vực Châu Á đến dự báo mƣa lớn miền Trung với phƣơng pháp đồng hóa lọc Kalman tổ hợp tôi đã tiến hành thử nghiệm với đợt mƣa này. Hạn dự báo 3 ngày bắt đầu từ 00Z (giờ quốc tế) ngày 14/10 đến 00Z ngày 17/10 với 25 bƣớc thời gian tích phân (25 bƣớc thời gian trích giá trị lƣợng mƣa tích lũy).
Trong luận văn này tơi kết hợp sử dụng mơ hình WRF khơng đồng hóa và mơ hình WRF có đồng hóa số liệu bằng phƣơng pháp lọc Kalman tổ hợp. Đầu tiên tôi sẽ đƣa ra một trƣờng ban đầu chƣa đồng hóa, kết quả thu đƣợc sẽ so sánh với kết quả khi chạy mơ hình có đồng hóa số liệu cao khơng tồn khu vực Châu Á. Để xem xét tác động của số liệu quan trắc cao không đến dự báo mƣa lớn miền Trung, tôi sử dụng số liệu thám không tại các trạm quan trắc ở Việt Nam, sau đó tiến hành các bƣớc đồng hóa tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp sử dụng bộ số liệu cho toàn khu vực và so sánh hai kết quả này với nhau. Kết quả sẽ đƣợc trình bày dƣới đây:
3.2 Kết quả và nhận xét
3.2.1 Kết quả dự báo tham chiếu
Trong luận văn đã tiến hành dự báo đợt mƣa lớn từ 00Z ngày 14/10/2010 và kết thúc lúc 00Z ngày 17/10/2010 trƣờng hợp khơng đồng hóa (WRF) và đồng hóa lọc Kalman tổ hợp (WRF-KF).
Cƣờng độ mƣa khi sử dụng mơ hình WRF và WRF–KF với bộ số liệu cao không khu vực cho thấy: tại các bƣớc thời gian dự báo khác nhau lƣợng mƣa giữa hai trƣờng hợp này là khác nhau nhiều (thể hiện trong các hình dƣới đây).
CTL Mem1
Mem2 Mem3
Mem4 Mem5
CTL Mem1
Mem2 Mem3
Mem4 Mem5
CTL Mem1
Mem2 Mem3
Mem4 Mem5
Hình 3.7. Kết quả dự báo lúc 12Z ngày 16/10/2010
Từ hình 3.5 và hình 3.6, ta thấy ở các thời điểm 12Z ngày 14/10 và 12Z ngày 15/10, lƣợng mƣa tại trƣờng hợp WRF-KF lớn hơn nhiều so với WRF.
Khi so sánh lƣợng mƣa của kết quả dự báo mƣa từ mơ hình WRF-KF (TB) và kết quả dự báo mƣa từ WRF (CTL) với số liệu thực đo tại các trạm (thể hiện trong các hình dƣới đây) ta thấy: Kết quả dự báo mƣa từ WRF-KF gần với lƣợng mƣa thực đo tại trạm hơn so với kết quả từ mơ hình WRF.
Hình 3.8. So sánh lượng mưa từ kết quả dự báo của WRF và WRF-KF với lượng mưa quan trắc tại trạm
Ngồi việc dự báo đƣợc mƣa lớn, mơ hình đã bắt đƣợc các trạm có lƣợng mƣa nhỏ và những trạm không mƣa (thể hiện ở các trạm Quế Phong, Cửa Rào, Đô Lƣơng…).
Tuy có kết quả dự báo tốt hơn nhƣng kết quả mơ hình WRF-KF vẫn chƣa bắt đƣợc các ngày có mƣa lớn đặc biệt trong khu vực (nhƣ mƣa ngày 16 tại các trạm Chu Lễ, Hà Tĩnh, Hƣơng Khê, Hòa Duyệt). Kết quả mơ hình WRF-KF chỉ dự báo đƣợc
lƣợng mƣa ≤ 200mm (tại các trạm Hòa Duyệt, Linh Cảm, Chu Lễ, Hƣơng Khê… ) trong khi đó một số trạm có lƣợng mƣa ngày lên đến 350 – 700mm/ngày.
Để làm rõ hơn vai trị của bộ lọc Kalman tổ hợp tơi tiếp tục thử nghiệm việc đồng hóa số liệu cao khơng của Việt Nam trong mơ hình.
3.2.2 Kết quả dự báo với tập số liệu cao không tại Việt Nam
Để xem xét tác động của bộ số liệu cao không của Việt Nam tới đợt mƣa lớn trên, chúng tơi đã tiến hành đồng hóa số liệu cao khơng ở Việt Nam, tiến hành chạy chƣơng trình tƣơng tự nhƣ phần đồng hóa số liệu khu vực châu Á và thu đƣợc một số kết quả sau:
Cƣờng độ mƣa khi sử dụng mơ hình WRF và WRF–KF với bộ số liệu cao không Việt Nam cho thấy tại các bƣớc thời gian dự báo khác nhau lƣợng mƣa giữa hai trƣờng hợp này cũng rất khác nhau (thể hiện trong các hình dƣới đây).
CTL Men1
Mem2
Mem3
Mem4 Mem5
CTL Mem1
Mem2 Mem3
Mem4 Mem5
CTL Mem1
Mem2 Mem3
Mem4 Mem5
Hình 3.11. Kết quả dự báo lúc 12Z ngày 16/10/2010
Theo hình 3.9 và hình 3.10, ta thấy ở các thời điểm 12Z ngày 14/10 và 12Z ngày 15/10, lƣợng mƣa tại trƣờng hợp WRF-KF với bộ số liệu cao không Việt Nam cũng lớn hơn nhiều so với WRF.
Kết quả dự báo lƣợng mƣa khi sử dụng số liệu cao khơng Việt Nam trong q trình đồng hóa số liệu.
Hình 3.12. So sánh lượng mưa từ kết quả dự báo của WRF và WRF-KF khi sử dụng số liệu cao không Việt Nam
Kết quả dự báo của WRF-KF khi đồng hóa số liệu cao khơng tại Việt Nam gần tƣơng tự nhƣ WRF-KF khi đồng hóa số liệu cao khơng khu vực Châu Á, tuy vậy có một số khác biệt nhỏ sau đây:
- Mặc dù vẫn chƣa bắt đƣợc những ngày có mƣa đặc biệt lớn nhƣng WRF-KF khi đồng hóa số liệu cao khơng tại Việt Nam đã dự báo đƣợc lƣợng mƣa 230 -250mm ngày 16/10 tại một số trạm nhƣ Hòa Duyệt, Hà Tĩnh, Hƣơng Khê, Linh Cảm.
- Kết quả dự báo khi đồng hóa số liệu cao khơng tại Việt Nam có phần tốt hơn kết quả dự báo khi đồng hóa số liệu cao khơng khu vực Châu Á (thể hiện cụ thể hơn ở phần sau – phần đánh giá khả năng dự báo của mơ hình).
Qua việc thử nghiệm đồng hóa 2 loại số liệu trên tơi có một số nhận xét sơ bộ như sau:
1) Cƣờng độ mƣa khi sử dụng mơ hình WRF và WRF–KF tại các bƣớc thời gian dự báo khác nhau là khác nhau nhiều (lƣợng mƣa tại trƣờng hợp WRF-KF lớn hơn so với WRF).
2) Kết quả dự báo khi có đồng hóa số liệu tại địa phƣơng (TB) đã rất gần với kết quả quan trắc tại trạm (Trạm) và tốt hơn hẳn kết quả dự báo từ mơ hình WRF (CTL).
3) Ngồi việc dự báo đƣợc mƣa lớn, mơ hình WRF-KF đã bắt đƣợc các trạm có lƣợng mƣa nhỏ và những trạm khơng mƣa.
4) Tuy có kết quả dự báo tốt hơn nhƣng kết quả mơ hình WRF-KF vẫn chƣa bắt đƣợc các ngày có mƣa lớn đặc biệt trong khu vực. Kết quả mơ hình chỉ dự báo đƣợc lƣợng mƣa ngày nhỏ hơn 250mm trong khi đó một số trạm có lƣợng mƣa ngày lên đến 350 – 700mm/ngày.
5) Kết quả dự báo của WRF-KF khi đồng hóa số liệu cao khơng tại Việt Nam có phần tốt hơn (dự báo đƣợc lƣợng mƣa lớn hơn) so với WRF-KF khi đồng hóa số liệu cao không khu vực Châu Á.
3.3 Đánh giá khả năng dự báo của mơ hình
Khi nói đến mƣa lớn, chúng ta cần quan tâm đầu tiên đến pha xuất hiện sau đó là sự phân bố mƣa và lƣợng mƣa. Do đó, việc đánh giá cả pha và lƣợng là yêu cầu cần thiết phải làm khi đánh giá khả năng dự báo của mơ hình. Cho đến nay, trên thế giới có rất nhiều các chỉ số đánh giá đƣợc sử dụng. Sau đây là một số chỉ số thƣờng hay đƣợc sử dụng nhất trong đánh giá dự báo mƣa:
- H (Hit): Dự báo trúng - M (Miss): Dự báo sai
- F (False Alarm): Dự báo khống
- N (Correct Negative) Dự báo không xảy ra, và thực tế không xảy ra hiện tƣợng
Sau khi lập đƣợc bảng các phân loại dự báo trên sẽ cho ta biết loại sai số hay gặp. Một hệ thống dự báo đƣợc coi là hoàn hảo khi đƣa ra các dự báo chỉ gồm toàn Hit và Correct Negative và khơng có Miss và False Alarm. Dựa vào bảng phân loại ngƣời ta có thể tính tốn ra các chỉ số để biết những đặc điểm riêng của các dự báo. Một số chỉ số thƣờng đƣợc sử dụng bao gồm:
- Chỉ số FBI (Frequency Bias Index) - Chỉ số POD (Probability of Detection) - Chỉ số FAR (False Alarm Ratio) - Chỉ số TS (Threat Score)
Chỉ số FBI : FBI = (H+F)/(H+M). Chỉ số này cho biết tần suất giữa số lần dự báo “có” và thực tế quan trắc “có”. FBI có giá trị từ 0 đến +∞. Giá trị hoàn hảo là 1.
Chỉ số POD: POD= H/(H+M). Chỉ số này cho biết dự báo đúng bao nhiêu phần trăm so với thực tế. Giá trị hoàn hảo là 1.
Chỉ Số FAR: FAR = F/(H+F). Chỉ số này cho biết dự báo sai bao nhiêu phần trăm trong tổng số lần có hiện tƣợng. Giá trị hồn hảo là 0.
Chỉ số TS: TS = H/(H+M+F). Chỉ số này xác định sự phù hợp giữa vùng dự báo và vùng quan trắc. Giá trị TS =1 là dự báo hoàn hảo; TS=0 là dự báo kém.
Theo quy định của Trung tâm Khí tƣợng Thủy văn Quốc gia về đánh giá chất lƣợng dự báo khì tƣợng hạn ngắn hiện nay, thuật ngữ về mƣa bao gồm cấp mƣa và dạng mƣa đƣợc quy định theo bảng sau:
Bảng 3.3 Cấp mưa và dạng mưa TT Cấp mưa và dạng mƣa Lƣợng mƣa 12h R(mm)/12h Ghi chú (Ký hiệu AERO)
1 Không mƣa Không mƣa Không mƣa (-)
Mƣa không đo đƣợc (gt) 2 Mƣa nhỏ lƣợng mƣa không đáng kể Giọt R 0.3
3 Mƣa nhỏ 0.3 < R 3.0
Khơng tính thời gian mƣa xảy ra liên tục hay
ngắt quãng
4 Mƣa 3.0 < R 8.0
5 Mƣa vừa 8.0 < R 25.0
6 Mƣa to 25.0 < R 50.0
7 Mƣa rất to R > 50.0
8 Mƣa rào nhẹ, mƣa rào nhẹ và dông Giọt R 3.0 Mƣa bất ổn định dạng rào có hoặc khơng kèm
theo dông. 9 Mƣa rào, mƣa rào và dông, mƣa
dông
3.0 < R 25.0
10 Mƣa phùn
Mƣa nhỏ, mƣa phùn
Giọt < R 3.0 Mƣa ổn định, xảy ra liên tục hoặc ngắt quãng
11 Dông Dơng, chớp Dơng có thể báo kèm
với mƣa bất ổn định Với mục đích của luận văn là thử nghiệm phƣơng pháp lọc Kalman tổ hợp dự báo mƣa lớn miền Trung thì hiện tƣợng để đánh giá ở đây chính là mƣa lớn. Theo bảng phân cấp lƣợng mƣa nhƣ trên (Bảng 3.3) ta thấy rằng mƣa lớn chính là những ngày có lƣợng mƣa lớn hơn 50mm (R>25mm/12h).
Nhƣ vậy, để đánh giá khả năng dự báo của mơ hình tơi sử dụng ngƣỡng lƣợng mƣa là 50mm/ngày làm giới hạn cho pha dự báo. Sau khi phân loại và tính tốn, kết quả phân loại dự báo và các chỉ số dự báo đƣợc thể hiện ở phần dƣới đây.