Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu dự báo xác suất mưa lớn ở Bắc Bộ sử dụng mô hình K điểm gần nhất

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:79

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn xem xét nghiên cứu cơ chế và tác nhân gây ra mưa lớn ở Bắc Bộ trong một thời gian dài trong quá khứ, dựa trên cơ sở đó để lựa chọn khu vực nghiên cứu phù hợp và đưa ra được một số đặc trưng khí tượng đóng vai trò như các nhân tố dự báo để dự báo xác suất xuất hiện mưa lớn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu dự báo xác suất mưa lớn ở Bắc Bộ sử dụng mô hình K điểm gần nhất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- Trịnh Thùy Nguyên NGHIÊN CỨU DỰ BÁO XÁC SUẤT MƯA LỚN Ở BẮC BỘ SỬ DỤNG MÔ HÌNH K ĐIỂM GẦN NHẤT LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------------------- Trịnh Thùy Nguyên NGHIÊN CỨU DỰ BÁO XÁC SUẤT MƯA LỚN Ở BẮC BỘ SỬ DỤNG MÔ HÌNH K ĐIỂM GẦN NHẤT Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN MINH TRƯỜNG TS. HOÀNG PHÚC LÂM Hà Nội – Năm 2019
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn này em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ tận tình, quý báu của thầy cô khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, ban lãnh đạo và các đồng nghiệp công tác tại Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia, Tổng cục Khí tượng Thủy văn. Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Minh Trường và TS. Hoàng Phúc Lâm là hai người thầy đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong suốt thời gian thực hiện luận văn này. Cuối cùng, em xin bày tỏ đến lòng biết ơn sâu sắc tới những người thân yêu trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, họ là nguồn động viên tinh thần quý giá để em hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng trong khuôn khổ một bài luận văn nên không thể tránh khỏi những điều thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn để luận văn ngày càng hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày tháng năm 2019 Người thực hiện Trịnh Thùy Nguyên
MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN....................................................................................9 1.1 Vấn đề dự báo mưa lớn ở Bắc Bộ ......................................................................9 1.1.1 Định nghĩa, phân cấp mưa lớn trong nghiệp vụ ................................................9 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước ...............................................................14 1.3 Nhận xét chung .................................................................................................19 CHƯƠNG 2 -SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP .....................................................21 2.1 Số liệu .................................................................................................................21 2.1.1 Bộ số liệu sử dụng nghiên cứu .........................................................................21 2.1.2 Các đặc trưng khí tượng được lựa chọn để nghiên cứu ..................................22 2.2 Phương pháp ......................................................................................................24 2.2.1 Xử lý số liệu và tính tổ hợp trễ .........................................................................24 2.2.2 Phương pháp thống kê phi tham số K điểm gần nhất ......................................26 CHƯƠNG 3 -KẾT QUẢ & NHẬN XÉT ..............................................................31 3.1 Dị thường các trường khí tượng cho các cấp độ mưa lớn thời kỳ 3 ngày trước, trong ngày xảy ra mưa lớn và sau 3 ngày khi có mưa lớn .......................31 3.1.1 Hình thế thời tiết đối với những ngày xảy ra mưa vừa thời kỳ 2001-2015 ..............32 3.1.2 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ trước, trong và sau khi xảy ra mưa vừa ở mực 3000m .........................................................................................34 3.1.3 Hình thế thời tiết đối với những ngày xảy ra mưa to thời kỳ 2001-2015 ..................38 3.1.4 Hình thế thời tiết đối với những ngày xảy ra mưa rất to thời kỳ 2001-2015 ...44 3.2 Sử dụng mô hình k điểm gần nhất để dự báo xác suất xuất hiện mưa lớn tại khu vực Bắc Bộ ........................................................................................................51 3.2.1 Xử lý số liệu trước khi đưa vào mô hình k điểm gần nhất ...............................51 3.2.2 Tính khoảng cách .............................................................................................53 3.2.3 Lựa chọn giá trị trọng số k ...............................................................................53 1
3.3 Phân tích đánh giá khả năng sử dụng mô hình k điểm gần nhất thông qua một số ngày mưa lớn điển hình ..............................................................................56 3.3.1 Mưa lớn ngày 20/07/2014 ................................................................................56 3.3.2 Đợt mưa lớn ngày 23/05/2015 .........................................................................64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................75 2
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Đồ thị dự báo lượng mưa hàng năm của Nam Kinh bởi mô hình thực nghiệm EMD-KNN (biểu thị bằng hình kim cương) và mô hình K-NN ( biểu thị bằng hình tam giác) so với giá trị thực (đường liền nét) ...................................................15 Hình 3.1Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 1500m .............................................................33 Hình 3.2Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp trong thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 1500m ..........................................................34 Hình 3.3Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 3000m .............................................................35 Hình 3.4Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp trong thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 3000m ..........................................................36 Hình 3.5Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 5000m .............................................................37 Hình 3.6Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa vừa độ cao 5000m .....................................................................38 Hình 3.7Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước, trong và 2 ngày sau khi xảy ra mưa to tại độ cao 1500m .......................................................39 Hình 3.8Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa to tại độ cao 1500m ...................................................................40 Hình 3.9Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước, trong và đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa to độ cao 3000m ......................................................41 Hình 3.10Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời điểm khi xảy ra mưa to độ cao 3000m .................................................................................................................42 Hình 3.11 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ trước, trong và sau khi xảy ra mưa to ở độ cao 5000m ..................................................................................43 Hình 3.12 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ trước, trong và sau khi xảy ra mưa to ở độ cao 5000m ..................................................................................44 3
Hình 3.13 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa rất to độ cao 1500m ..........................................................45 Hình 3.14 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa rất to độ cao 1500m ..........................................................46 Hình 3.15 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ từ 2 ngày trước đến 2 ngày sau khi xảy ra mưa rất to ở độ cao 3000m .......................................................47 Hình 3.16 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời điểm 3 ngày trước và 3 ngày sau khi xảy ra mưa rất to ở độ cao 3000m .......................................................48 Hình 3.17 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ trước, trong và sau khi xảy ra mưa rất to ở độ cao 5000m ............................................................................49 Hình 3.18 Dị thường xoáy thế, gió u, v và trường áp thời kỳ trước, trong và sau khi xảy ra mưa rất to ở độ cao 5000m ............................................................................50 Hình 3.19 Vùng lựa chọn nhân tố dự báo .................................................................50 Hình 3.20 Đồ thị biểu diễn giá trị SR dự báo mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ ............56 Hình 3.21 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 86-22/07/2014 ở độ cao 1500m......57 Hình 3.22 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 18-22/07/2014 ở độ cao 3000m......58 Hình 3.23 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 18-22/07/2014 ở độ cao 5000m......59 Hình 3.24 Bản đồ tổng lượng mưa quan trắc ngày 20/07/2014 ...............................60 Hình 3.25 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 26-30/07/2006 ở độ cao 1500m......61 Hình 3.26 Bản đồ hình thế thời tiết thời từ ngày 26-30/07/2006 ở độ cao 3000m ...62 Hình 3.27 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 26-30/07/2006 ở độ cao 5000m......63 Hình 3.28 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 21-25/05/2015 ở độ cao 1500m......65 Hình 3.29 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 21-25/05/2015 ở độ cao 3000m......66 Hình 3.30 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 21-25/05/2015 ở độ cao 5000m......67 Hình 3.31 Bản đồ tổng lượng mưa quan trắc ngày 23/05/2015 ...............................68 Hình 3.32 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 04-08/05/2008 ở độ cao 1500m......69 Hình 3.33 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 04-08/05/2008 ở độ cao 3000m......70 Hình 3.34 Bản đồ hình thế thời tiết thời kỳ từ ngày 04-08/05/2008 ở độ cao 5000m......71 4
DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các đợt mưa lớn trong thời kỳ 2001-2015 ..................................... 21 Bảng 3.1 Cấu trúc bảng số tập mẫu của mô hình kNN của các yếu tố dị thường xoáy thế và xoáy tương đối ................................................................. 52 Bảng 3.2 Mẫu bảng tính toán khoảng cách Ơclit đối với các dị thường xoáy 53 Bảng 3.3 Bảng kết quả dự báo pha mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ với k=11 .. 54 Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm với các lựa chọn K điểm gần nhất khác nhau 55 Bảng 3.5 Chỉ số SR với các lựa chọn K điểm gần nhất khác nhau ................ 55 5
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT ATNĐ Áp thấp nhiệt đới EMD Mô hình thực nghiệm (Empirical Mode Decomposition) ECMWF The European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa châu Âu) GSM Mô hình phổ toàn cầu (Global Spectral Model) HRM Mô hình khu vực độ phân giải cao (High resolution Regional Model) KNN Mô hình K điểm gần nhất (K- Nearest Neighbor) ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới (Inter Tropical Convergence Zone) MAE Sai số dự báo tuyệt đối (Mean Absolute Error) MJO Dao động Madden – Julian (Madden – Julian Oscillation) MM5 Mô hình động lực quy mô vừa MM5 (The fifth-generation mesoscale regional weather model) MRA Sai số tương đối trung bình (Mean Relative Error) NASA Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ (National Aeronautics and Space Administration) RMSE Sai số gốc trung bình (Root-mean-square) – Sai số quân phương (hoặc Sai số bình phương trung bình) PV Xoáy thế (Potential Vorticity) Xtđ Xoáy tương đối 6
MỞ ĐẦU Mưa đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống thường nhật, góp phần cung cấp nước sinh hoạt và một số hoạt động sản xuất, đem lại nguồn nước quý cho các vùng khô hạn. Tuy nhiên, khi xuất hiện mưa lớn, đặc biệt tại khu vực các tỉnh phía bắc nước ta lại có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng như ngập úng cho cây trồng hoa màu trong nông nghiệp, gây ra lũ lụt, lũ quét, sạt lở đất,… ảnh hưởng đến môi trường, gây thiệt hại nặng nề đến kinh tế và cướp đi nhiều sinh mạng. Trong dự báo nghiệp vụ, vấn đề dự báo mưa, đặc biệt dự báo định lượng mưa cực đoan như mưa lớn là một bài toán vô cùng phức tạp và nan giải không chỉ cho Việt Nam, mà còn của nhiều nước có nền khoa học công nghệ tiến tiến như Mỹ, Đức, Nhật Bản,… Trong khi đó các đại lượng vật lý khí quyển luôn biến động và thường không theo quy luật, hay nói đúng hơn là việc xác định quy luật vật lý của các đại lượng thời tiết rất khó thực hiện. Chính vì vậy, việc dự báo chính xác cấp độ mưa trong thực tế là một công việc khó nhưng hết sức ý nghĩa đối với công tác phòng, tránh và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai mưa lớn gây ra. Phương pháp được lựa chọn để nghiên cứu trong khuôn khổ nội dung luận văn là phương pháp thông kê phi tham số. Yếu tố cốt lõi trong phương pháp này là cần một bộ số liệu đặc trưng khí tượng về mưa, nhiệt, ẩm, gió, … trong thời gian đủ dài làm tiền đề nghiên cứu. Phương pháp thống kê cho kết quả nhanh và độ chính xác đảm bảo nếu có những phân tích lựa chọn hệ số hợp lý. Từ bộ số liệu thực tế trong quá khứ tìm ra được các hình thế synôp trong các ngày có mưa lớn xảy ra tại khu vực Bắc Bộ. Ngoài ra, luận văn còn xem xét nghiên cứu cơ chế và tác nhân gây ra mưa lớn ở Bắc Bộ trong một thời gian dài trong quá khứ, dựa trên cơ sở đó để lựa chọnkhu vực nghiên cứu phù hợp và đưa ra được một số đặc trưng khí tượng đóng vai trò như các nhân tố dự báo để dự báo xác suất xuất hiện mưa lớn. Tôi hy vọng kết quả của nghiên cứu dự báo xác suất xuất hiện mưa lớn tại khu vực Bắc Bộ bằng cách sử dụng mô hình k điểm gần nhấtcó thể đóng góp một phần nào đó trong công tác dự báo mưa lớn tại Việt Nam đặc biệt là tại khu vực Bắc Bộ cho thời hạn ngắn, thời hạn vừa trong tương lai, để có những giải pháp giúp phòng chống tác động của mưa lớn gây ra. 7
Ngoài mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được bố cục thành 3 chương như sau: Chương I: TỔNG QUAN Chương II: SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Chương III: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 8
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1Vấn đề dự báo mưa lớn ở Bắc Bộ Trong những năm gần đây, vấn đề dự báo mưa lớn thời đoạn ngắn, thời hạn vừa và thời hạn dài tại khu vực Bắc Bộ là một trong những bài toán được các nhà nghiên cứu cũng như những dự báo viên làm công tác nghiệp vụ đặc biệt quan tâm bởi tính ứng dụng thiết thực đối với đời sống xã hội. Thông tin về dự báo, cảnh báo mưa lớn thời hạn ngắn cho khu vực Bắc Bộ sẽ rất hữu ích cho các nhà hoạch định chính sách như việc chủ động ứng phó với các hiện tượng thiên tai như lũ quét, sạt lở đất, ngập úng, … thường hay xuất hiện trong những trận mưa lớn tại Bắc Bộ, đặc biệt là khu vực vùng núi nơi có địa hình hiểm trở, dốc lớn, lưu vực hẹp. Đối với thông tin dự báo mưa lớn trong dự báo hạn vừa và dự báo hạn dài cho khu vực Bắc Bộ sẽ là tiền đề cho các định hướng sản xuất dân sinh của người dân như trong việc hoạch định sản xuất vụ hè thu, vụ đông xuân nhất là với các tỉnh thuộc đồng bằng sông Hồng. Muốn dự báo mưa lớn, có hai vấn đề được quan tâm hàng đầu, đó là:  Định nghĩa, phân cấp mưa lớn  Những hình thế gây ra mưa lớn 1.1.1 Định nghĩa, phân cấp mưa lớn trong nghiệp vụ Trước khi nghiên cứu dự báo mưa lớn thì khái niệm mưa lớn cần được làm rõ. Mưa lớn có thể đươc định nghĩa theo những cách khác nhau tùy thuộc vào khu vựcnghiên cứu và đặc điểm chế độ mưa của khu vực đó. Theo Hiệp hội khí tượng Mỹ, mưa lớn được định nghĩa là là đợt/ngày mưa có lượng mưa một giờ lớn hơn 0,76cm(tương đương với 18,24 mm/ngày). Năm 2000, theo nghiên cứu của Osborn và Hulme [14] về xu thế của các sự kiện mưa lớn trên khu vực nước Anh xác định sự kiện mưa lớn là mưa có cường độ lớn hơn 15mm/ngày. Bằng cách sử dụng ngưỡng phân vị thứ 90 và 95, năm 2005, Groisman và cộng sự[10] định nghĩa mưa lớn là mưa có lượng mưa ngày lớn hơn lượng mưa tương ứng với các ngưỡng phân vị. Tại Việt Nam, mưa thường được phân thành các cấp khác nhau, trong thông tư 41/2017/TT-BTNMT ngày 23/10/2017 [1] về quy định kỹ thuật đánh giá chất lượng 9
dự báo, cảnh báo khí tượng, phần phụ lục quy định thuật ngữ cấp mưa, mưa lớn không tính thời gian mưa xảy ra liên tục hay ngắt quãng (theo ký hiệu trong sổ AERO): - Mưa vừa: có lượng mưa trong 12h từ 8-25mm. - Mưa to: có lượng mưa trong 12h từ 25-50mm. - Mưa rất to: có lượng mưa trong 12h trên 50mm. 1.1.2 Những hình thế gây mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ Những đợt mưa lớn xảy ra trên diện rộng tại các tỉnh vùng núi Bắc Bộ thường bị ảnh hưởng nhiều từ điều kiện địa hình. Trong đó, những điểm mưa có lượng rất lớn thường xuất hiện trong thời gian ngắn. Những đợt mưa lớn này thường kéo dài 2, 3 ngày. Tuy nhiên, có những đợt mưa lớn có thời gian kéo dài tới 8 đến 9 ngày nhưng thời gian có mưa không xuất hiện liên tục, đôi lúc ngắt quãng đan xen là các ngày có mưa với lượng ít hoặc những khoảng thời gian ngớt mưa.Các dạng hình thế quy mô lớn gây mưa lớn tương đối đa dạng. Các nguyên nhân gây ra mưa lớn đa phần là do chịu ảnh hưởng từ xoáy thuận nhiệt đới, xoáy thuận nhiệt đới kết hợp với gió đông nam, xoáy thuận nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh, dải hội tụ nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh, không khí lạnh kết hợp với hội tụ gió tín phong, xoáy thấp lạnh hoặc dải áp thấp ở Nam Trung Quốc kết hợp với không khí lạnh; rãnh thấp nóng phía tây kết hợp với không khí lạnh, …Vào mùa hè, mưa lớn trên diện rộng tại khu vực Bắc Bộ chủ yếu do hoạt động của dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), nhất là trong tháng 6 khi ITCZ đã bắt đầu xuất hiện và có trục ở phía nam Trung Quốc và phía bắc Việt Nam có thể nối với một vùng xoáy thấp hoặc bão trên khu vực Biển Đông. Sang đến mùa đông, hình thế gây mưa lớn nhiều nơi tại khu vực Bắc Bộ thường do front lạnh, khối không khí lạnh phía Bắc… Năm 2007, theo nghiên cứukhoa học “Nghiên cứu tác động tham số hóa đối lưu đối với dự báo mưa lớn Bắc Bộ bằng mô hình HRM” của Vũ Thanh Hằng [4] đã chỉ ra rằng mưa trên lãnh thổ Việt Nam là kết quả tác động phức tạp của hoàn lưu nhiệt đới với địa hình đồi núi trên ¾ lãnh thổ Việt Nam. Qua việc phân tích synốp trên cơ sở số liệu bản đồ thời tiết, nghiên cứu đã phân chia thành 5 loại hình thế synốp cơ 10
bản gây mưa lớn diện rộng đối với khu vực Bắc Bộ chính là do xoáy thuận nhiệt đới, do rãnh áp thấp, do rãnh áp thấp bị nén, do rãnh gió tây và do sự hội tụ kinh hướng. Trong đó, mưa do xoáy thuận nhiệt đới là loại hình thế gây mưa lớn đặc trưng cho Đông Bằng Bắc Bộ nói riêng và cho toàn Bắc Bộ nói chung. Xoáy thuận nhiệt đới ở đây được hiểu là bao gồm bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), xoáy thấp phát triển từ tầng thấp đến khoảng 5000m. Xoáy thuận nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến Đồng Bằng Bắc Bộ thường gây mưa kéo dài vài ba ngày và tập trung vào hai ngày đầu. Tuy nhiên mưa do bão, ATNĐ có cường độ gia tăng, thời gian kéo dài hơn, phạm vi rộng hơn nếu hoạt động của bão, ATNĐ kèm theo hoạt động của dải hộitụ nhiệt đới hoặc hoạt động của đới gió đông nam mạnh từ rìa áp cao cận nhiệt đới. Cần lưu ý rằng mưa do bão, ATNĐ đôi khi xảy ra không đồng nhất trong một khu vực hẹp do vai trò địa hình đã làm phân hóa khá rõ các nơi khác nhau trong một khu vực hẹp thậm chí hai khu vực liền kề. Mưa do bão, ATNĐ đối vớiBắc Bộ thường tập trung vào mùa bão là tháng 7 và tháng 8, đây là những tháng tần suất mưa xảy ra lớn hơn nên vai trò mưa do hoạt động xoáy thuận nói chung, bão, ATNĐ nói riêng có vị trí khá quan trọng trong các quá trình mưa gây lũ lụt lớn. Ngoài ra, một hình thế gây mưa khá đặc trưng cho khu vực đồng bằng Bắc Bộ là do dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) và rãnh áp thấp có trục Tây Bắc – Đông Nam. ITCZ là một dải thời tiết xấu, nhiều mây kèm theo mưa bất ổn định gây ra bởi sự hội tụ giữa 2 luồng gió tín phong bắc bán cầu và tín phong nam bán cầu hoặc giữa tín phong bắc bán cầu và gió mùa mùa hè mà bản chất là do tín phong nam bán cầu đổi hướng khi vượt qua xích đạo (gió mùa Tây Nam trên khu vực đông nam Châu Á và biển Đông). ITCZ cho lượng mưa không lớn khoảng 30 –50mm và tập trung vào các tháng 7, 8 và 9. ITCZ chỉ có khả năng gây mưa lớn khi có tác động kết hợp với sự tăng cường lấn sâu về phía Tây của áp cao cận nhiệt đới với sự hoạt động của gió mùa đông nam dày và phát triển cao đến 5000m hoặc cao hơn. Ngoài ITCZ thông thường còn phát hiện được 1 loại đường hội tụ khác đó là rãnh áp thấp có trụcTây Bắc - Đông Nam. Sự tồn tại của rãnh này do sự gặp gỡ của tín phong từ áp cao cận nhiệt đới Thái Bình Dương và gió mùa mùa hè thổi từ vịnh Belgan sang hoặc có sự 11
xâm nhập lạnh trong những tháng mùa hè. Rãnh áp thấp Tây Bắc – Đông Nam gây mưa không nhiều và có thể quan sát rõ ở phần dưới tầng đối lưu vào khoảng thời gian đầu mùa hè và cuối mùa hè. Nguyên nhân của mưa theo dạng hình thế này là hậu quả của sự tranh chấp giữa các khối khí có nguồn gốc khác nhau tạo nên sự hội tụ mạnh mẽ trong khu vực mặt đệm nóng ẩm và bất ổn định lớn.Nhìn chung mưa do ITCZ và mưa do rãnh áp thấp có trục Tây Bắc – Đông Nam không lớn nhưng nó thường kèm theo dông và xảy ra chủ yếu vào ban ngày nhiều hơn ban đêm. Đó là sự hội tụ của hai hay nhiều khối khí có nguồn gốc khác nhau nên tính chất mưa từng đợt cũng có khác nhau song xảy ra mãnh liệt nhất về cường độ mưa, tổng lượng mưa, thời gian mưa liên tục kéo dài khi xuất hiện ITCZ bị nén do không khí lạnh hay sự lấn về phía Tây của áp cao cận nhiệt đới với tín phong đông nam mạnh phát triển lên độ cao 3000 – 5000m trên khu vực Bắc Bộ. Một hình thế thời tiết thường hay xuất hiện trong các tháng chuyển tiếp là rãnh áp thấp bị nén cũng là một trong những tác nhân gây mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ. Rãnh áp thấp bị nén thể hiện rõ sự cạnh tranh giữa các khối khí có đặc trưng nhiệt động lực khác nhau, trong đó áp thấp nóng phía Tây đóng vai trò rất quan trọng. Mưa thường xảy ra vào chiều tối và tối khi mà hai điều kiện nhiệt lực và động lực thuận lợi cho quá trình hình thành mây và mưa. Lượng mưa do hình thế này tùy thuộc vào vị trí của trục rãnh thấp, vị trí của vùng áp thấp trên trục rãnh thấp và mức độ nén do sự giao tranh của các hệ thống thời tiết liên quan. Phân bố mưa tập trung vào phần phía Bắc trục rãnh nơi xảy ra hội tụ gió mãnh liệt nhất giữa hai khối khí. Khi trục rãnh có hướng Tây Bắc - Đông Nam thì cho lượng mưa trội hơn so với các hướng khác bởi lẽ trục rãnh quyết định một phần hướng gió hội tụ. Quá trình mưa chỉ kết thúc khi phần đông nam của vùng áp thấp phía Tây bị nén đầy hẳn lên và thay thế với loại hình thế khác như áp cao lạnh hoặc sự phát triển trở lại của vùng thấp hoàn chỉnh. Một hình thế gây mưa đặc trưng cho các tỉnh phía bắc nước ta là rãnh gió tây kết hợp với hoạt động của không khí lạnh (kèm theo front hay đường đứt). Trong đó rãnh gió tây được hiểu là rãnh áp thấp trong dòng xiết gió tây trên cao. Rãnh gió 12
Tây trên cao là nhiễu động sóng dạng rãnh trong đới gió tây cận nhiệt đới hình thành ở độ cao khoảng 3000m trở lên và nhìn rõ nhất ở độ cao khoảng 5000m và có hướng dịch chuyển từ Tây sang Đông. Trong quá trình di chuyển về phía Đông rãnh áp thấp này có thể thay đổi cường độ theo hướng phát triển (rãnh sâu xuống) hoặc suy thoái (rãnh đầy lên) cùng với sự giảm tốc độ gió Tây Nam trước rãnh. Rãnh càng sâu thì tốc độ di chuyển của rãnh càng chậm và ngược lại. Mưa do rãnh gió Tây trên cao có chiều từ tây sang đông cùng với sự di chuyển của rãnh, mưa chỉ xảy ra ở khu vực hội tụ gió gây ra dòng xiết trước rãnh với dạng mưa rào, ít khi có mưa xuất hiện liên tục và đa phần kèm theo dông mạnh. Đôi khi mưa do rãnh gió Tây trên cao còn có thể đi kèm theo sự xuất hiện của mưa đá bởi đỉnh mây đối lưu phát triển tới độ cao từ 12 - 14km với sự bất ổn định của không khí lớn. Quá trình mưa do dòng xiết trước rãnh gió Tây trên cao thường không kéo dài thậm chí chỉ vài giờ và rất khi mưa lặp lại trong nhiều ngày liên tiếp bởi khi rãnh đi qua, khu vực trục rãnh và phía sau rãnh, tốc độ dòng xiết giảm mạnh. Tuy nhiên loại hình thế này chỉ có thể gây mưa lớn khi có tác động đồng thời của hội tụ không khí tầng thấp do không khí lạnh ở tầng thấp (dưới dạng tăng áp, đường đứt hoặc front lạnh) tạo nên sự xáo trộn của các khối khí có nguồn gốc khác nhau hoặc có sự tác động của gió tín phong mạnh ở lớp khí quyển bên dưới tầng đối lưu hoặc có sự tồn tại của rãnh áp thấp, vùng xoáy thấp ở mực bề mặt. Hội tụ kinh hướng là một dạng hình thế gây mưa có tần suất lớn nhất ở khu vực Bắc Bộ. Đây là loại hình thế gây mưa cho khu vực Bắc Bộ không chỉ riêng trong mùa hè hay mùa đông mà trong cả những tháng chuyển mùa. Hội tụ kinh hướng là sự hòa trộn của hai khối khí nóng ẩm có nguồn gốc trên Biển Đông và vịnh Bengal tạo thành sự hội tụ theo chiều Bắc - Nam. Sự hội tụ này thể hiện bởi mô hình synôp đặc trưng ở lớp khí quyển tầng thấp đó là rãnh áp thấp có trục Tây Bắc - Đông Nam(ở độ cao dưới 1500m) và vùng hội tụ gió trên cao (từđộ cao 1500m). Sự hội tụ hướng gió thịnh hành từ Tây đến Tây Nam có nguồn gốc từ vịnh Bengal với hướng gió thịnh hành từ tây nam đến đông nam có nguồn gốc từ Biển Đông. Tùy thuộc vào cấu trúc và mức độ hội tụ mà mưa do loại hình thế này mang lại tập trung thành từng vệt hoặc thành 13
vùng cùng với sự phát triển và cấu trúc hệ thống mây đối lưu. Mưa lớn thường liên tục kéo dài và chỉ có thể suy giảm hay kết thúc khi tác nhân gây hội tụ yếu dần hoặc không còn tồn tại trên vùng núi Bắc Bộ. Tùy thuộc vào mức độ hội tụ và thời gian tồn tại mà lượng mưa có thể từ vài chục đến vài trăm mm và mưa lớn quyết định bởi mức độ hội tụ gió. Mức độ hội tụ kinh hướng xảy ra vào ban đêm thường mãnh liệt hơn ban ngày do quá trình tích nhiệt ban ngày tạo điều kiện thuận lợi cho việc giải phóng năng lượng vào ban đêm. 1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước a. Các nghiên cứu trên thế giới. Dự báo lượng mưa chính xác đóng vai trò quan trọng, là một trong những tiền đề chính phục vụ quá trình quản lý tài nguyên nước và phòng chống lũ lụt. Tuy nhiên, dự báo lượng mưa một cách chính xác vẫn là một công việc khó khăn cho tới thời điểm hiện nay. Một phương pháp thống kê được đề cập tới đó là mô hình k điểm gần nhất đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng để nghiên cứu các đặc trưng khí tượng khác nhau trong đó có việc nghiên cứu để mô phỏng định lượng lượng mưa. Trong bài báo mô phỏng lượng mưa ngày và các biến thời tiết khác dự trên mô hình k điểm gần nhất vào tháng 10, năm 1999 của Balaji Rajagopalan và Upmanu Lall [7] đã mô phỏng chuỗi thời gian đa biến, không theo tỉ lệ trong 30 năm dữ liệu thời tiết hàng ngày tại thành phố Salt Lake, Utah, thời kỳ 1961–1991 cho 6 biến đặc trưng khí tượng là bức xạ mặt trời, nhiệt độ tối cao Tx, nhiệt độ tối thấp Tm, nhiệt độ điểm sương, tốc độ gió trung bình và lượng mưa. Đặc điểm khí hậu tại thành phố Salt Lake với vị trí ở 40046’N, 111058’W và ở độ cao 1288m, hầu hết lượng mưa đến ở trong mùa đông và tuyết rơi chủ yếu vào mùa xuân, đôi khi có thể có tuyết vào mùa thu. Tất cả sáu biến thời tiết hàng ngày (bao gồm cả lượng mưa) được coi là một vectơ thời tiết của một ngày, đây sẽ là "vectơ đặc trưng". Biểu thị chuỗi thời gian vectơ của các biến thời tiết bằng xt, trong đó t =1, … , n. Tác giả giả sử có cấu trúc phụ thuộc, tức là độ trễ của các giá trị trong tương lai sẽ phụ thuộc vào số lượng k điểm gần nhất sẽ sử dụng. Trong nghiên cứu, sáu biến thời tiết vào một ngày cần quan tâm sẽ được xác định dựa trên việc “nhớ lại” từ dữ liệu lịch sử bằng cách điều chỉnh trên vectơ của cùng một biến (vectơ đặc trưng) dựa trên số 14
liệu của ngày hôm trước. Việc lấy mẫu lại được thực hiện từ mô hình k điểm gần nhất trong không gian trạng thái của vectơ đặc trưng bằng cách sử dụng hàm trọng số, ở đây k được lựa chọn là √𝑛 và sử dụng khoảng cách Ơclit. Thuật toán này được áp dụng cho một mùa nhất định (ví dụ: 3 tháng, 1 tháng) và được khởi tạo bởi các giá trị xt, cho ngày cuối cùng của mùa trước. Cách tiếp cận này tương đương với phép tính gần đúng của một quá trình Markov đa biến với độ trễ là 1. Trong đó yêu cầu các giả định trước về hình thức của hàm đảm bảo xác suất chung của các biến. Vào tháng 11/2013, Jian Hu; Jun Liu; Yong Liu; and Cheng Gao [10] đã đề xuất mô hình kết hợp EMD-KNN để dự báo lượng mưa trung bình hàng năm. Mô hình này được cải thiện bằng cách kết hợp hai phương pháp, sử dụng mô hình thực nghiệm EMDvà mô hình hồi quy kép K điểm gần nhất. Khu vực nghiên cứu dự báo lượng mưa trung bình hàng năm là thành phố Nam Kinh và lưu vực sông Dahuofang. Đó là hai khu vực điển hình đặc trưng cho vùng có lượng mưa trung bình năm lớn như thành phố Nam Kinh (Trung Quốc) và một khu vực điển hình cho vùng ít mưa là tại lưu vực sông Dahuofang ở Đông Bắc Trung Quốc. Sau khi nghiên cứu thử nghiệm, kết quả nhận được cho thấy mô hình EMD-KNN làm giảm sai số tuyệt đối dự báo, sai tương đối trung bình và sai số gốc trung bình đối với mô hình K-NN đơn gần 50 %, vì vậy mô hình gợi ý có thể cải thiện hiệu quả độ chính xác dự báo lượng mưa trung bình hàng năm (hình 1.1). Hình 1.1. Đồ thị dự báo lượng mưa hàng năm của Nam Kinh bởi mô hình thực nghiệm EMD-KNN (biểu thị bằng hình kim cương) và mô hình K-NN ( biểu thị bằng hình tam giác) so với giá trị thực (đường liền nét) 15
Năm 2011, TsingChang Chen và các cộng sự [18] đã nghiên cứu mưa lớn tại Hà Nội năm 2008, cụ thể vào ngày 30, ngày 31/10/2008 tại Hà Nội, mưa lớn đã xảy ra gây ngập lụt diện rộng. Đó là sự kiện xảy ra bất thường tại khu vực phía Bắc nước ta. Nguyên nhân của hiện tượng này được các tác giả phân tích do tồn tại nhiễu động quy mô synop xảy ra trong điều kiện tương tác giữa vĩ độ trung bình và vùng nhiệt đới. Tại vĩ độ trung bình có sự gia tăng sóng lạnh có thể đi theo hướng Tây đến vùng khuất gió của vùng xoáy hội tụ giữa dãy núi Altai và Thiên Sơn. Vùng xoáy này phát triển thành bão ở biển Đông cùng lúc với sự xuất hiện của đợt mưa lớn bất thường ở Hà Nội. Tại vùng nhiệt đới, sự xuất hiện của 1 xoáy lạnh hình thành vào 26/10 ở phía Nam Philipines thông qua sự tương tác của nhiễu động sóng Đông tồn tại vùng xoáy nhỏ ở Biển Celebes và sự tăng sóng lạnh ở Đông Á. Vùng xoáy lạnh này phát triển thành vùng hội tụ cùng với ở bề mặt là sự nhập nhập lạnh theo hướng Đông Nam mang lượng hơi ẩm lớn từ vùng biển Nam Trung Quốc để duy trì mưa lớn ở Hà Nội. Tác giả sử dụng phương pháp phân tích phổ của khu vực gió phía nam và phía bắc của vùng hội tụ gió trong đợt mưa lớn ở Hà Nội. Trong bài viết này tác giả sử dụng số liệu GFS của Trung tâm dự báo môi trường để phân tích đợt mưa lớn này. Các phân tích, đánh giá được thực hiện trong nghiên cứu này đã chỉ ra cơ chế hình thành của xoáy lạnh là nguyên nhân chính trong trận mưa lịch sử ở Hà Nội năm 2008. Sự kiện này bao gồm các yếu tố sự tương tác giữa các nhiễu động gió Đông và sự tăng cường sóng lạnh. Môi trường thuận lợi cho sự phát triển của các sóng lạnh này và sự tăng cường của nó bởi hệ thống gió mùa các mùa đã không được xem xét. Bên cạnh đó, cơ chế cung cấp hơi ẩm để duy trì lượng mưa cũng đã bị bỏ quên. Phát hiện mới này nhằm nhấn mạnh trước đó có lẽ nên cho phép chúng ta xây dựng một công thức hữu ích trong việc dự báo mưa vào cuối mùa thu cho Việt Nam. Thứ nhất: Các sóng lạnh mới tăng cường phát triển từ bề mặt hình thành cặp áp cao-áp thấp trong vùng lân cận ở núi Altai. Nó có thể được quan sát và theo dõi vài ngày trước sự xuất hiện của sóng lạnh trên bờ biển Đông ở Đông và Đông bắc 16
Châu Á. Cùng lúc này xuất hiện xoáy thuận ở bề mặt, nó kết hợp với sóng lạnh góp phần gây nên sự kiện mưa lớn ở Hà Nội. Thứ hai: Sự kiện mưa lớn ở Hà Nội năm 2008 đã xảy ra khi mà ở các mực thấp là dòng hội tụ, ở các mực trên cao là dòng phân kỳ, dao động MJO đã được phát hiện ở khu vực gió mùa Châu Á trùng với dị thường lượng mưa là sự giao thoa của 3 chế độ gió mùa ở Hà Nội. Thứ ba: Sự biến đổi giữa các năm của xoáy nghịch cận nhiệt đới Tây Thái Bình Dương là sự phản ứng lại với việc nóng lên dị thường ở vùng nhiệt đới Tây Thái Bình Dương, và cũng là một nhân tố trung tâm hoạt động để dự đoán tiềm năng vị trí, vĩ độ của mưa lớn Việt Nam. Trong năm 2015 đã xảy ra một đợt mưa cực trị ở phía đông bắc Việt Nam vào cuối tháng 7 đến đầu tháng 8. Trong đó khu vực ven biển tỉnh Quảng Ninh là nơi bị ảnh hưởng nặng nề nhất, với lượng mưa mưa từ 1000-1500 mm. Mưa lớn dẫn đến lũ lụt và lở đất, dẫn đến tổn thất kinh tế ước tính là 108 triệu đô la Mỹ và 32 người thiệt mạng. Năm 2017, Roderick van der Linden, Andreas H. Fink, Joaquim G. Pinto, Tan Phan-Van [16] trong nghiên cứu về quá trình động lực xảy ra trong đợt mưa lớn cực trị tại Đông Bắc Việt Nam năm 2015 và khả năng dự báo mưa cực trị trong hệ thống tổ hợp dự báo ECMWF đã sử dụng nhiều nguồn dữ liệu và các dự tổ hợp của ECMWF để nghiên cứu về sự phát triển của các quá trình động lực gây ra mưa lớn và kiểm nghiệm dự đoán thực tế của đợt mưa lớn cực trị trong thời gian 4 ngày từ 12z UTC ngày 25 tháng 7 đến 12z UTC ngày 29 tháng 7 năm 2015. Bộ số liệu sử dụng trong nghiên cứu bao gồm dữ liệu vệ tinh tích hợp đa chiều của NASA là TRMM 3B42, số liệu đo từ vệ tinh địa tĩnh MTSAT-2 của cơ quan khí tượng Nhật Bản, số liệu nhiệt độ 00z và 12z theo giờ UTC từ kênh hồng ngoại MTSAT-2 độ phân giải 0.040 x 0.040 trong kênh phổ 10.8μm, cuối cùng là số liệu ra đa từ băng tần C ở trạm radar Phủ Liễn với độ phân giải 5 phút có trong thời kỳ 25- 28/7/2015 đã được sử dụng để cho thấy sự phát triển quy mô lớn về sự đối lưu mạnh gây ra mưa cực đoan. Mặt khác, để mô tả nguyên nhân về động lực và khả năng dự báo thực tế của mưa lớn cực đại tại Quảng Ninh, nghiên cứu đã sử dụng 17