biển Đông.
Bão hoạt động trên Biển Đông thường được hình thành ngay trên Biển
Đông hoặc đi vào từ Tây Bắc Thái Bình Dương vượt qua Philippines đi vào
Biển Đông. Các cơn bão này có thểđổ bộvào đất liền hay tan ngay trên biển.
Bảng 1.2 Các giá trị trung bình số lượng bão theo từng thập kỉ trên khu vực Tây Bắc Thái
Bình Dương và BiểnĐông(Đinh Văn Ưu, 2009)[31]
Thời gian 1959-1968 1969-1978 1979-1988 1989-1998 1999-2008 Trung bình
Vùng
TBTBD 35,1 28,0 27,3 34,2 29,5 30,8
Vùng BĐ 12,4 11,6 10,6 13,5 11,4 11,9
Đinh Văn Ưu (2009) [31] đã đưa ra các bảng thống kê về hoạt động của bão trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông trong 50 năm từ năm 1959 đến năm 2008 (Bảng 1.2). Qua bảng thống kê cho thấy số lượng trung
43
bình bão hoạt động trên khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương là 30,82 cơn/năm và 11,9 cơn/năm đối với Biển Đông. Trong số 11,9 cơn/năm hoạt động trên Biển Đông thì có tới 7,6 cơn đi vào từ ngoài Tây Bắc Thái Bình Dương và 4,3 cơn/năm được hình thành ngay trên Biển Đông.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng (2010) [21] về phân bố hoạt động
của bão theo từng tháng trên khu vực Biển Đông. Kết quả nghiên cứu dựa trên bộ số liệu từ năm 1961 đến năm 2010 cho thấy bão hoạt động trên Biển Đông
có tần suất lớn hơn 0,5 cơn/năm tập trung từ tháng 5 đến tháng 12. Các tháng 1, 2, 3, 4 hầu như không xuất hiện bão, tháng 7, 8, 9, 10 là thời kỳ có nhiều
bão nhất trong năm (Bảng 1.3).
Bảng 1.3 Bão hoạt động trên Biển Đông thời kỳ 1961-2010 (Nguyễn Văn Thắng, 2010)[21]
Tháng V VI VII VIII IX X XI XII
1961-2010 0,62 1,08 1,88 2,02 2,22 1,90 1,48 0,66
Bảng 1.4 Bão đổ bộ vào Việt Nam thời kỳ 1961-2010 (Nguyễn Văn Thắng, 2010)[21]
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB
năm
Số cơn 0,12 0,02 0,08 0,06 0,26 0,60 0,88 1,08 1,60 1,36 1,16 0,40 7,62
Ngoài ra nhóm nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng (2010) [21] thống kê số lượng cơn bão đổ bộ vào Việt Nam trong thời kỳ 1961 – 2010, trung bình một năm có khoảng 7,6 cơn bão đổ bộ trực tiếp tới đất liền nước ta (Bảng
1.4). Phân tích khu vực đổ bộ của bão vào Việt Nam trong tài liệu cho thấy:
“vùng đất liền và ven biển từ 200
N trở lên, hoạt động của XTNĐ có xu hướng
giảm; vùng đất liền và ven biển từ 15 - 200N, số lượng các cơn XTNĐ ít thay đổi; vùng đất liền và ven biển Nam Trung Bộ và Nam Bộ, từ 150
N trở xuống,
hoạt động của XTNĐ có xu hướng gia tăng. Như vậy hoạt động của XTNĐ có
44
1.5.2 Dự báo bão của các nước cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương
bằng EPS
Trung tâm dự báo khí tượng Hồng Kông (HKO) bắt đầu cập nhật kỹ thuật dự báo dựa trên tổ hợp nhiều sản phẩm mô hình từ những năm 1980. Trong
những năm gần đây, để tăng tính hiệu quả, các kết quả đầu ra từ các mô hình số tại các trung tâm ECMWF, JMA, NCEP và UKMO đã được HKO đưa vào
trong hệ thống dự báo xoáy thuận nhiệt đới. Hiệu quả của phương pháp tổ
hợp các sản phẩm mô hình từ các trung tâm trên dùng để dự báo bão là vượt trội so với các mô hình đơn lẻ. Theo báo cáo của HKO (Queenie và nnk, 2005) [101], so sánh dự báo tổ hợp và mô hình đơn lẻ các cơn bão từ năm 2001 đến 2003 cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương và Biển Đông cho thấy đã giảm sai số dự báo 10-15% hạn 24, 48 và 72 giờ.
Hình 1.8 Sai số dự báo của TMEPS (Choo, 2006)[48]
Tháng 5 năm 2005, hệ thống tổ hợp dự báo bão bằng nhiều mô hình
(TMEPS) đã được sử dụng tại KMA. Trung tâm sử dụng 12 nguồn số liệu đầu vào khác nhau từ các trung tâm khí tượng. TMEPS là phương pháp thống kê mô hình đơn giản, quỹ đạo bão trung bình tổ hợp được tính toán bằng trung bình số học. Kết quả dự báo quỹ đạo bão cho năm 2005 (Hình 1.8) cho thấy TMEPS dự báo quỹ đạo bão tốt hơn hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu T213 (gồm 32 thành phần) của KMA.
45
Tại Trung Quốc (Chen và nnk, 2009) [45] có 2 hệ thống dự báo tổ hợp dự
báo bão được sử dụng trong nghiệp vụ tại 2 trung tâm là trung tâm khí tượng quốc gia Trung Quốc (NMC/Bắc Kinh) và Viện nghiên cứu xoáy thuận nhiệt
đới Thượng Hải.
Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của NMC Trung Quốc (Chen và nnk, 2009)[45]
Hệ thống dự báo tổ hợp bão tại Bắc Kinh sử dụng kỹ thuật nuôi nhiễu trên hệ thống tổ hợp quy mô vừa kết hợp với cài xoáy giả cho trường ban đầu và
được đưa vào nghiệp vụ năm 2007. Cách hoạt động của hệ thống như sau:
Khi có bão, 15 trường nền (14 trường thành phần tổ hợp và 1 thành phần kiểm chứng) được lấy từ hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu Trung Quốc (T213L31)
46
được loại bỏ xoáy thô. Hệ thống này sử dụng mô hình WRF với nhiều lựa chọn về sơ đồ đối lưu, vật lý mây, lớp biên hành tinh, sơ đồ đất…, miền dự báo được lựa chọn từ 95E -130E và 25N - 53N, độ phân giải là 15 km. Hệ
thống dự báo 1 ngày 2 lần (00UTC và 12UTC), hạn dự báo 120 giờ, kết quả
dự báo nhận được từ EPS dùng để tổ hợp quỹ đạo bão và dự báo xác suất (Hình 1.9).
So sánh sai số quỹ đạo dự báo trung bình tổ hợp và quỹ đạo của dự báo kiểm chứng kết quả cho thấy sai số trung bình tổ hợp tốt hơn một ít tại hạn dự
báo trước 72h (Hình 1.10).
Hình 1.10 Sai số dự báo của hệ thống dự báo tổ hợp NMC, Trung Quốc (Chen và nnk, 2009)[45]
Được sự hỗ trợ bởi chính phủ Trung Quốc, hệ thống dự báo bão
GRAPES_TCM được Viện nghiên cứu xoáy thuận nhiệt đới Thượng Hải phát triển dựa trên hệ thống GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) nhằm mục đích cải tiến khả năng dự báo bão trên hệ
thống GPAPES. Hệ thống GPAPES gồm 9 thành phần được tạo từ phương
pháp nuôi nhiễu cho mô hình khu vực WRF (trong đó 8 thành phần được lựa chọn từ 4 cặp nhiễu được nuôi khi thay đổi các sơ đồ vật lý trong mô hình WRF và 1 thành phần kiểm chứng). Nội dung thực hiện của hệ thống
47
36 giờ của mô hình GFS được sử dụng như là trường ban đầu (A). Các
trường xoáy giả và các số liệu thám sát trong bão sẽ được cộng và trừ vào
trường A, các trường này được ký hiệu là (R). Tích phân trường A+R và A- R với hạn 12 giờ, sau đó tiến hành tách nhiễu xoáy và chuẩn hóa (f) cho khu vực nhiễu xoáy này. Kết quả thu được trường nhiễu mới đã chuẩn hóa,
trường nhiễu xoáy mới này lại tiếp tục được cộng với trường phân tích tại thời điểm tiếp theo cho tới khi kết thúc quá trình nuôi. Chu trình nuôi được thực hiện trong 36 giờ với mỗi kỳ nuôi là 12 giờ. Như vậy trong hệ thống này chỉ nuôi nhiễu xoáy.
a) b)
Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống dự báo tổ hợp bão của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung
Quốc. a) là chu kỳ nuôi nhiễu; b) là phương pháp nuôi nhiễu (Huang và nnk, 2007)[69] Bảng 1.5: Sai số dự báo của Viện nghiên cứu Thượng Hải, Trung Quốc
(Chen và nnk, 2009)[45]
Hạn Sốcơn bão Sốtrường hợp Sai số khoảng cách
trung bình (km)
24 15 170 136
48 13 125 257
Những nghiên cứu của nhóm GRAPES_TCM (Huang và nnk, 2007) [69] chỉ ra rằng: Ban đầu hóa xoáy vẫn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống dự
báo số. Khi thay đổi hệ thống xử lý GRAPES_TCM đã cải tiến rất nhiều trong việc dự báo bão. Cụ thể theo đánh giá khả năng dự báo quỹ đạo bão trong
48
năm 2007 (Bảng 1.6) cho thấy sai số vị trí trung bình dự báo trong 48 giờ là khoảng 257 km. GRAPES_TCM có tiềm năng dự báo mưa khi bão đổ bộ vào
đất liền. Hệ thống này đưa vào nghiệp vụ năm 2006 giúp cải thiện khả năng
dự báo tổ hợp 72 giờ. Sản phẩm đạt được là quỹ đạo dự báo tổ hợp, bản đồ
xác suất xuất hiện của bão và bản đồ phân bố xác suất của vài trường synop.
Hình 1.12 Kỹ thuật đồng hóa xoáy giả của JMA (Yamaguchi, 2012)[123]
Trung tâm JMA dự báo xoáy thuận nhiệt đới bằng cả hai cách tất định và xác suất. Đối với dự báo tất định, JMA sử dụng mô hình GSM hay còn có tên
khác là TL959L60 có độ phân giải 20 km để dự báo bão tại các kỳ quan trắc (00, 06 và 18UTC) có hạn dự báo là 84 giờ và kỳ quan trắc 12UTC có hạn dự
báo 216 giờ. Hệ thống đồng hóa dữ liệu được sử dụng là 4DVAR và sử dụng
phương pháp cài xoáy giả theo ba bước. Bước 1, tạo cấu trúc bão dựa trên vị
trí tâm bão, áp suất và bán kính gió 30 kt bằng các phân tích của các nhà dự
báo của JMA. Bước tiếp theo, họđưa các điểm được tạo từ cấu trúc bão (Hình 1.12) vào hệ thống đồng hóa 4DVAR và coi chúng như những điểm thám sát.
Bước cuối, cấu trúc bất đối xứng thu được từ phỏng đoán ban đầu được đưa
vào cấu trúc đối xứng được xây dựng ở bước 1 và 2. Kết quả dự báo sai số
khoảng cách của bão được thể hiện tại Hình 1.13. Từ năm 2009, JMA bắt đầu dự báo hạn 120 giờ, kết quả cho thấy sai số các năm là khác nhau như: năm
49
trí trên 500 km hạn 120 giờ.
Hình 1.13 Sai số dự báo quỹ đạo bão của hệ thống dự báo tất định JMA (Yamaguchi, 2012)[123]
a) b)
Hình 1.14 Bản đồ dự báo xác suất quỹ đạo và cường độ bão hạn 3 ngày (a) và 5 ngày (b)
của hệ thống dự báo xác suất JMA (Yamaguchi, 2012)[123]
Tháng 2 năm 2008, JMA bắt đầu sử dụng EPS cho bão (TEPS) để dự báo xác suất. TEPS sử dụng mô hình (TL319L60) với độ phân giải 60 km gồm 11 thành phần (trong đó 1 thành phần kiểm chứng được nội suy từ mô hình GSM và 10 thành phàn lấy từ hệ thống dự báo tổ hợp tuần (WEPS) có độ
50
Dương và Biển Đông (0-60N, 100-180E), TEPS chạy 4 lần một ngày, bắt
đầu từ các kỳ quan trắc: 00, 06, 12, và 18 UTC với hạn dự báo 132 giờ. TEPS có thể xác định 3 cơn bão tại cùng thời điểm trên miền tính. Phương
pháp véc tơ kì dị được sử dụng để tạo ra các nhiễu ban đầu cho bão. Vùng bão được xác định theo phương Bắc - Nam 10 vĩ độ, theo phương Đông -
Tây là 20 kinh độ với tâm được xác định từ 24 giờ trước thời điểm dự báo.
Trước năm 2009, hệ thống TEPS đưa ra các vòng tròn xác suất xuất hiện của quỹ đạo và cường độ bão trong 3 ngày (Hình 1.14a). Tháng 4 năm 2009, hệ
thống này bắt đầu dự báo quỹ đạo bão bằng các vòng tròn xác suất hạn 4 và 5 ngày (Hình 1.14b).
Tại cuộc hội thảo lần thứ 6 của WMO về dự báo xoáy thuận nhiệt đới dựa trên sản phẩm mô hình số năm 2010 [121], nhóm GIFS-TIGGE (tổ hợp các ảnh hưởng nghiêm trọng toàn cầu THORPEX) đã xây dựng kế hoạch tương
tác hệ thống dự báo toàn cầu (GIF) cho thời gian thực của dữ liệu tổ hợp và sản phẩm, chúng được hỗ trợ từ các mô hình dự báo thời tiết có độ phân giải cao từ các trung tâm lớn (9 trung tâm là CMC, CMA, ECMWF, JMA, KMA,
khí tượng của Pháp (Meteo-France), Viện khí tượng Thượng Hải của Trung Quốc, UKMO và NCEP). Kết quả của dự án là TIGGE được hình thành nhằm mục đích kiểm tra quá trình trao đổi tổ hợp dự báo quỹ đạo bão ở thời điểm thực, các định dạng cho việc trao đổi dữ liệu bão là Cyclone XML (CXML).
Năm 2009, dự án “Dự báo tổ hợp xoáy thuận nhiệt đới tại khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương ” (NWP-TCTEF) đang được triển khai. Dự án xây dựng dựa trên khái niệm TIGGE và tận dụng cơ ở dữ liệu CXML của TIGGE. Theo
đánh giá của nhóm nghiên cứu khả năng dự báo quỹđạo bão cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương đối với các tổ chức khí tượng Úc (BOM), Canada
(CMC), Đức (DWD), Châu Âu (ECMWF), Nhật (JMA), Pháp (FRN), Hoa Kỳ (NCEP, NRL) và Anh (UKMO) (hình 1.15) trong năm 2009, 2010, 2011 cho thấy sai số vị trí dự báo quỹ đạo bão là khoảng 100 – 220 km, 180 – 300
51
km, 280 – 500 km, 370 – 680 km và 380 – 900 km tương ứng với các hạn 1, 2, 3, 4 và 5 ngày tùy thuộc vào từng năm và từng tổ chức.
a) b)
c)
Hình 1.15 Sai số dự báo quỹ đạo bão của các trung tâm trên thế giới cho khu vực Tây Bắc
Thái Bình Dương: hình a, b, c tương ứng các năm 2009, 2010, 2011
(http://nwp-verif.kishou.go.jp/wgne_tc/index.html)
1.5.3 Tình hình nghiên cứu dự báo bão ở trong nước - Cải tiến trường ban đầu
Các phương án cải tiến trường ban đầu để dự báo bão từ trước tới nay ở Việt
Nam thường là phương pháp cài xoáy giả. Công trình nghiên cứu cài xoáy giả đầu tiên ở Việt Nam là của tác giả Trịnh Văn Thư và Krisnamurti (1992) [113] đã nghiên cứu ban đầu hóa xoáy bão cho trường ban đầu và sử dụng mô hình nước nông một mực để dự báo quĩ đạo hai cơn bão (Betty năm 1987 và Dan năm 1989) trên khu vực Biển Đông. Kết quả nghiên cứu cho thấy kích
52
thước, cường độ, hướng và tốc độ chuyển động cho độ nhạy đáng kể trong dự
báo quỹ đạo bão. Các công trình tiếp theo của Kiều Thị Xin và nnk (2001, 2002) [32, 33] hay Phan Văn Tân và nnk (2002a, b) [16, 17] nghiên cứu xoáy 2 chiều trên mô hình chính áp để dự báo quỹ đạo bão ở Việt Nam. Những
năm sau đó nhóm tác giả Phan Văn Tân và Bùi Hoàng Hải (2003; 2004) [18, 19] nghiên cứu lý thuyết và áp dụng xoáy 3 chiều trên mô hình MM5. Đến
năm 2009, Phan Văn Tân và nnk [20] thử nghiệm đưa xoáy giả vào trường
ban đầu bằng phương pháp đồng hóa 3Dvar cho 10 cơn bão trong các năm
2006-2008. Kết quả tính trung bình cho tất cả các hạn dự báo đến 48 giờ là 120 km, kết quả này cải thiện được khoảng 50 km so với không đồng hóa. Trong thời gian này, Nguyễn Thị Minh Phương (2003, 2005) [14, 15] nghiên cứu điều chỉnh các phương án ban đầu hóa xoáy để rút ra được những bộ
tham số tối ưu cho dự báo quĩ đạo bão ở Việt Nam.
Hoàng Đức Cường (2004) [2] trong đề tài cấp Bộ về khả năng áp dụng mô hình MM5 cho dự báo hạn ngắn ở Việt Nam, đã nghiên cứu về bão, tác giả
nhận định: “trong miền tính có sự hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới nhất thiết phải sử dụng chức năng cài xoáy của mô hình”. Một công trình khác
được nghiên cứu tại Viện KHKTTV&MT của Đặng Thị Hồng Nga và nnk (2006) [13] đã ứng dụng sơ đồ phân tích xoáy 3 chiều của TCLAPS vào mô hình dự báo số trị MM5, kết quả dự báo thử nghiệm cho thấy những hiệu chỉnh, cải tiến làm tăng độ chính xác dự báo quĩ đạo bão vùng Biển Đông
Việt Nam.
Trần Tân Tiến và nnk (2009a, 2009b) [24, 25] đã thử nghiệm dự báo và
đánh giá sai số vị trí của quỹ đạo bão bằng 4 phương án trên mô hình MM5 (MM5 nguyên thủy, MM5 có cài xoáy giả, MM5 có cập nhật số liệu địa
phương và MM5 có cài xoáy giả kết hợp cập nhật số liệu địa phương). Kết quả nghiên cứu cho thấy đối với mỗi cấp độ bão khác nhau thì sử dụng các
phương án khác nhau. Bên cạnh đó Trần Tân Tiến và nnk (2009c) [26] nghiên cứu ảnh hưởng các yếu tố cấu thành xoáy nhân tạo trong đồng hóa số liệu
53
(dùng 3DVar) xoáy giả bằng mô hình WRF. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả thử nghiệm 5 trường hợp (không đồng hóa; đồng hóa trường áp suất mặt biển và gió; đồng hóa trường áp suất mặt biển, gió và ẩm; đồng hóa trường áp suất mặt biển, gió và nhiệt độ; đồng hóa trường áp suất mặt biển, gió, ẩm và nhiệt độ) đối với cơn bão Lekima 2007. Kết quả chỉ ra rằng đồng hóa trường