Chương 2. PHƯƠNG PHÁP SYNOP VÀ MÔ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ
2.3 Một số giải pháp mới cho bài toán nhận dạng hình thế thời tiết
Ở phần trên đã giới thiệu hai phương pháp dự báo khí tượng phổ biến nhất hiện nay. Trong hai phương pháp đó thì phương pháp số trị là một
phương pháp hiện đại, phương pháp này cho kết quả dự báo ngắn hạn tốt và khá chính xác. Tuy nhiên phương pháp số trị không dễ thực hiện do phương pháp này cần nhiều số liệu quan trắc, một số tham số được ước lượng theo tính toán của người chạy mô hình; mặt khác việc thực hiện phương pháp số trị còn nhiều phức tạp nên nhiều cơ quan, nhiều trường đại học và cao đẳng vẫn chưa đưa vào áp dụng. Đặc biệt phương pháp số trị cũng không cho kết quả nhận dạng hình thế thời tiết, nếu có nhận dạng hình thế thì nó mới chỉ dừng lại ở việc nhận dạng hình thế khí áp. Hiện nay ở các trường đại học và cao đẳng, như tại khoa Khí tượng và Tài nguyên nước của trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, người ta vẫn đang áp dụng phương pháp synop để hướng dẫn sinh viên cách nhận dạng hình thế thời tiết và dự báo thời tiết. Nhưng phương pháp synop cũng chứa đựng nhiều yếu tố định tính và đòi hỏi người giáo viên phải có nhiều kinh nghiệm, điều này cũng trở nên khó khăn trong công tác giảng dạy.
Trong đề tài này tôi sẽ cải tiến phương pháp synop và áp dụng công nghệ thông tin để nhận dạng hình thế thời tiết, vì đây cũng là một việc quan trọng trong quá trình dự báo thời tiết. Mặt khác điều mà tôi mong muốn đạt được khi đưa ra giải pháp của mình là nó phải phù hợp với điều kiện thực tế và có thể áp dụng tại khoa Khí tượng và Tài nguyên nước của trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Sau đây là một số ý tưởng về giải pháp nhận dạng hình thế thời tiết mà nó được cải tiến từ phương pháp synop.
Giải pháp 1: Nhận dạng bản đồ Synop bằng việc áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh.
Ý tưởng của phương pháp này là thực hiện quét ảnh bản đồ synop vào máy tính sau đó đọc các đường đẳng áp trên bản đồ synop để nhận dạng hình thế thời tiết. Nghĩa là bản đồ synop trước khi được quét thì trên đó đã điền
đầy đủ các thông tin khí tượng của các trạm phát báo, trạm phát báo là các trạm có thể nói là ở vị trí quan trọng trong mạng lưới quan trắc và bắt buộc phải trao đổi số liệu khí tượng quốc tế, trên bản đồ này các đường đẳng áp cũng đã được vẽ theo kinh nghiệm của dự báo viên.
Hình 2.7 Bản đồ synop lúc 0 giờ ngày 22/1/2007.
Hình 2.7 là bản đồ synop mực bề mặt khu vực Âu-Á, trải dài từ kinh tuyến 40oE đến 160oW và từ vĩ tuyến 8oN đến 70oN. Trên bản đồ này, chúng ta thấy các mã luật của các trạm quan trắc như: nhiệt độ, khí áp, cán gió, hướng gió, điểm sương,... Tâm áp thấp được ký hiệu chữ L và được ghi rõ trị số khí áp của tâm áp thấp, tâm áp cao ký hiệu chữ H và được ghi rõ trị số khí áp của tâm áp cao. Các đường màu xanh nối các điểm xung quanh tâm áp mà có cùng trị số khí áp được gọi là đường đẳng áp, trên bản đồ này cứ cách nhau 4 mp thì lại vẽ một đường đẳng áp.
Nếu thực hiện giải pháp này thì trong quá trình quét ảnh và nhận dạng bản đồ synop chúng ta cần phải lưu ý một số điểm như sau:
Thứ nhất, các bản đồ synop thường có những sai số, lỗi này bị sinh ra trong quá trình điền số liệu quan trắc và vẽ các đường đẳng áp của các kỹ thuật viên dự báo khí tượng.
Thứ hai, các bản đồ của các đơn vị khác nhau có thể có cách điền đồ khác nhau, cách vẽ các đường đẳng áp khác nhau. Chẳng hạn, có nơi người ta vẽ các đường khí áp cách nhau 2mp, có nơi là 4mp, lại có nơi là 6mp,...
Thứ ba, trên bản đồ synop không phải chỉ xuất hiện duy nhất một hình thế thời tiết mà có khi trên đó xuất hiện nhiều hình thế thời tiết tại một thời điểm.
Giải pháp 2: Là một sự cải tiến của giải pháp 1, chúng ta có một bản đồ địa lý với các số liệu quan trắc của các trạm khí tượng đã được điền trên bản đồ nhưng trên bản đồ chưa vẽ các đường đẳng áp. Sau khi quét bản đồ vào hệ thống chúng ta sử dụng chuột máy tính vẽ đường đẳng áp đi qua các trạm đồng thời ghi lại các số liệu khí tượng của các trạm. Bước cải tiến này giảm bớt khó khăn khi đọc số liệu khí tượng của các trạm bởi vì đường đi của nét vẽ là đường đi qua các tọa độ trên bản đồ mà chúng ta đã số hóa bản đồ khi nó được quét vào. Bước tiếp theo sẽ là phân tích các đường đẳng áp để nhận dạng hình thế thời tiết.
Giải pháp 3: Xây dựng một bản đồ địa lý tương ứng với một ma trận.
Mỗi ô trên ma trận là một trạm khí tượng. Theo thống kê khí tượng nhiều năm, các hình thế thời tiết thường có toạ độ địa lý trong một khu vực xác định trên bản đồ cho nên có thể chia ma trận thành các khu vực, mỗi khu vực tương ứng với một hình thế thời tiết. Đối với dữ liệu khí tượng quan trắc sau khi đưa vào hệ thống và phân tích cũng được phân thành các nhóm trên ma
trận. Chúng ta sẽ so sánh các trị số của các yếu tố khí tượng của các nhóm với hình thế thời tiết mẫu để kết luận có xuất hiện hình thế thời tiết hay không, nếu có thì nó là hình thế thời tiết gì?
Đánh giá ba giải pháp trên thì giải pháp 1 và giải pháp 2 có cách làm rất gần gũi với cách mà con người vẫn làm, hay nói cách khác là chúng khá thân thiện với con người. Tuy nhiên để thực hiện được hai giải pháp đó thì cần phải áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh để đọc các số liệu và nhận dạng các ký hiệu trên bản đồ. Bản đồ sau khi được quét vào thì hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết phải phải được số hóa, như vậy tọa độ thực của mỗi điểm trong bản đồ sẽ phải được xác định trong hệ thống một cách chính xác. Theo đánh giá của tôi, rất khó thực hiện thành công hai giải này. Vì vậy tôi lựa chọn giải pháp thứ 3 để nhận dạng hình thế thời tiết. Sau đây chúng ta sẽ chuyển sang chương 3 để tìm hiểu chi tiết hơn về giải pháp thứ 3.
Chương 3
XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT
Chương này trình bày một phương pháp mới để nhận dạng hình thế thời tiết. Phương pháp này được cải tiến từ phương pháp synop. Quá trình nhận dạng hình thế thời tiết được dựa trên các số liệu khí tượng cơ bản và sử dụng máy tính để nhận dạng.
3.1 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 3.1.1 Đặt vấn đề
Việt Nam nằm ở vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, tiếp giáp với Biển Đông và khu vực tây bắc Thái Bình Dương, chịu ảnh hưởng của rất nhiều hình thế thời tiết khác nhau như: Áp cao Thái Bình Dương, Áp cao Siberia, Áp thấp Nam Á,... vì vậy Việt Nam có hệ thống khí hậu nhiệt đới gió mùa phong phú và đa dạng. Các hình thế thời tiết diễn biến quanh năm, chúng khá phức tạp và nhiều biến động, khi hoạt động mạnh chúng có thể tạo ra bão lũ, khô hạn,... Để có thể nắm bắt được quy luật và diễn biến phức tạp của thời tiết người ta cần phải dự báo sớm và dự báo chính xác thời tiết. Nếu làm được điều đó thì chúng ta mới có thể phòng tránh, chế ngự được thời tiết xấu, giảm bớt thiệt hại do thiên tai gây ra. Trong quá trình dự báo thời tiết, người ta tiến hành nhận dạng hình thế thời tiết, theo dõi diễn biến của nó để xem nó ảnh hưởng như thế nào đến các khu vực, từ đó đưa ra những dự báo về thời tiết.
3.1.2 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết
Nhận dạng hình thế thời tiết là một khâu quan trọng trong quá trình dự báo thời tiết. Người ta thu nhận các số liệu quan trắc khí tượng trên toàn khu
vực. Dữ liệu quan trắc được bao gồm biển số trạm, thời điểm quan trắc, khí áp, độ biến thiên khí áp 24h, nhiệt độ, độ sương, tốc độ gió, hướng gió,... Từ những dữ liệu quan trắc được người ta sẽ nhận dạng các hình thế thời tiết xuất hiện trong khu vực tại một thời điểm.
3.1.3 Giới hạn của bài toán
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, bài toán nhận dạng hình thế thời tiết được giới hạn về phạm vi địa lý, các hình thế thời tiết và các yếu tố khí tượng như sau:
Dữ liệu quan trắc khí tượng trong khu vực Âu-Á.
Nhận dạng các hình thế thời tiết đặc trưng ảnh hưởng đến Việt Nam. Đó là các hình thế thời tiết hình thành ở các vùng Siberia, biển Thái Bình Dương, khu vực Thanh-Tạng, vùng Ấn_Miến.
Các yếu tố thời tiết chính: khí áp, độ biến thiên khí áp 24h, nhiệt độ, độ sương, tốc độ gió, hướng gió.
Đề tài này chỉ sử dụng các yếu tố khí tượng như trên vì trong thực tế người ta có thể chỉ sử dụng những yếu tố đó để nhận dạng hình thế thời tiết.
3.1.4 Đặc điểm của các hình thế thời tiết
Hình thế thời tiết xuất hiện theo qui luật, mỗi hình thế có những đặc trưng riêng, chúng có thể được mô tả như sau:
1. Áp cao Thái Bình Dương: Là một áp cao cận nhiệt đới hoạt động trong khu vực Thái Bình Dương, ảnh hưởng tới Việt Nam dưới dạng lưỡi áp cao.
- Trục áp cao chạy theo hướng đông-tây ở vào khoảng 300N, xuất hiện vào các tháng 4, 5, 6.
- Khí áp có giá trị trong khoảng từ 1005mb đến 1015mb.
- Nhiệt độ có giá trị khoảng 280C.
- Điểm sương có giá trị khoảng từ 240C đến 260C.
- Hướng gió thổi thuận chiều kim đồng hồ.
2. Áp cao Siberia: Là một áp cao lạnh lục địa.
- Vị trí tâm thuộc khu vực Siberia, xuất hiện vào những tháng mùa đông, mạnh nhất là tháng 12, 1, 2.
- Khí áp cao nhất, khí áp từ 1025mb đến 1080 mb.
- Nhiệt độ thấp, thường dưới 00C.
- Điểm sương nhỏ, thường từ -250C đến -300C.
- Hướng gió thổi thuận chiều kim đồng hồ.
3. Áp thấp Nam Á: Là một Áp thấp nóng phía tây, còn gọi là Áp thấp Ấn - Miến.
- Vị trí tâm thuộc vùng Trung Đông, xuất hiện vào các tháng 4, 5, 6, 7, 8.
- Khí áp nhỏ, khí áp từ 995mb đến1010 mb.
- Nhiệt độ trong khoảng 270C đến 390C.
- Điểm sương nhỏ dưới 220C.
- Hướng gió thổi ngược chiều kim đồng hồ.