Luận văn Đánh giá phương pháp Dvorak cải tiến để xác định cường độ bão từ ảnh mây vệ tinh địa tĩnh cho khu vực biển Đông
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN HỮU THÀNH
ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP DVORAK CẢI TIẾN
ĐỂ XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÃO TỪ ẢNH MÂY VỆ TINH
ĐỊA TĨNH CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - Năm 2017
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
NGUYỄN HỮU THÀNH
ĐÁNH GIÁ PHƯƠNG PHÁP DVORAK CẢI TIẾN
ĐỂ XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ BÃO TỪ ẢNH MÂY VỆ TINH
ĐỊA TĨNH CHO KHU VỰC BIỂN ĐÔNG
Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học
Mã số: 60440222
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM THỊ THANH NGÀ
Hà Nội - Năm 2017
1
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn Tiến sĩ Phạm Thị Thanh Ngà đã tận
tình chỉ bảo và hướng dẫn cho tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu Luận
văn Thạc sĩ này.
Trong quá trình nghiên cứu và học tập tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải
dương học, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội tôi đã có cơ hội
được tiếp thu những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về chuyên ngành Khí tượng và
khí hậu học. Qua đó, đã giúp tôi có được những kiến thức chuyên môn cũng như kinh
nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo động lực trong nghiên cứu khoa học, phục
vụ hiệu quả trong quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thiện Luận văn Thạc sĩ
của tôi.
Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các cán bộ trong Khoa
Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên
môn quý giá, tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá
trình học tập và thực hiện Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các đồng chí Lãnh đạo và cán bộ của Trung tâm Dự
báo khí tượng thủy văn Trung ương đã tạo điều kiện cho tôi tham gia khóa đào tạo
Thạc sĩ, tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn.
Trân trọng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình
đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành Luận
văn.
Nguyễn Hữu Thành
2
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... 2
MỤC LỤC......................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG......................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ.................................................................................... 7
MỞ ĐẦU......................................................................................................... 11
trên thế giới và Việt Nam................................................................................ 15
1.2.1. Trên thế giới .................................................................................. 15
1.2.2. Tại Việt Nam.................................................................................. 20
2.1. Phương pháp ADT ................................................................................... 23
2.2. Số liệu thử nghiệm ................................................................................... 34
CẢI TIẾN (ADT)............................................................................................ 37
3.1. Phương pháp đánh giá.............................................................................. 37
theo dạng mây bão .......................................................................................... 39
3.2.1. Sai số vị trí..................................................................................... 39
3.2.2. Sai số cường độ ............................................................................. 39
theo phân chia cấp bão .................................................................................... 43
3
3.3.1. Sai số vị trí..................................................................................... 44
3.3.2. Sai số cường độ ............................................................................. 44
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................... 62
PHỤ LỤC 1..................................................................................................... 65
PHỤ LỤC 2..................................................................................................... 67
PHỤ LỤC 3..................................................................................................... 68
PHỤ LỤC 4..................................................................................................... 69
PHỤ LỤC 5..................................................................................................... 72
4
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Mối quan hệ giữa cường độ bão, tốc độ gió (knot) và áp suất mực biển trên
khu vực vùng biển Đại Tây Dương và Tây Bắc Thái Bình Dương.........................36
Bảng 3.1: Tổng số trường hợp theo phân loại mây bão trong các cơn bão trên biển
Đông từ năm 2010 - 2015 .........................................................................................37
Bảng 3.2: Tổng số trường hợp theo phân loại cấp bão trong các cơn bão trên biển
Đông từ năm 2010 - 2015 .........................................................................................37
Bảng 3.3: Trung bình tốc độ gió cực đại (kts) và MAE của ADT và best track cho
từng loại mẫu mây bão trong các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015.......40
Bảng 3.4: Trung bình trị số khí áp thấp nhất (mb) và MAE của ADT và best track cho
từng loại mẫu mây bão trong các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015.......42
Bảng 3.5: Hệ số tương quan tốc độ gió cực đại (Vmax) và trị số khí áp thấp nhất
(Pmin) cho từng loại mẫu mây bão giữa ADT và best track ....................................42
Bảng 3.6: Trung bình tốc độ gió cực đại (kts) và MAE của best track và ADT theo
các cấp bão trong các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015.........................45
Bảng 3.7: Trung bình trị số khí áp thấp nhất (mb) và MAE của best track và ADT
theo các cấp bão trong các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015.................46
Bảng 3.8: Hệ số tương quan tốc độ gió cực đại và trị số khí áp thấp nhất theo cấp bão
của ADT và best track trong các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015........46
Bảng 3.9: Các chỉ số đánh giá trị số khí áp thấp nhất của ADT và Dvorak cổ điển so
với best track trong cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014........................................49
Bảng 3.10: Các chỉ số đánh giá tốc độ gió cực đại của ADT và Dvorak cổ điển so với
best track trong cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014..............................................49
Bảng 3.11: So sánh việc xác định dạng mây bão của phương pháp ADT và Dvorak
cổ điển trong cơn bão số 2 năm 2014 .......................................................................51
Bảng 3.12: Các chỉ số đánh giá trị số khí áp thấp nhất của ADT và Dvorak cổ điển so
với best track trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 .................................................55
Bảng 3.13: Các chỉ số đánh giá tốc độ gió cực đại của ADT và Dvorak cổ điển so với
best track trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 .......................................................56
5
Bảng 3.14: So sánh việc xác định dạng mây bão của phương pháp ADT và Dvorak
cổ điển trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 ...........................................................57
6
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hinh 1.1: Sơ đồ phát triển của phương pháp Dvorak theo thời gian ........................16
̀
Hinh 2.1: Ví dụ về mắt bão rất nhỏ quan sát được trên kênh ảnh hồng ngoại tăng
̀
cường trong cơn bão Wilma trên Đại Tây Dương (2005).........................................26
Hinh 2.2: Sơ đô
̀
mô ta cac bươc phân tich tâm, cương đô
̣
XTNĐ sư dun
̣
g trong phương
̉
̉
́
́
̀
̀
́
phap ADT..................................................................................................................27
́
̀
Hinh 2.3: Sơ đô phân tích mẫu mây bão trong phương phap ADT ..........................29
́
̀
Hinh 2.4: Ví dụ về 5 loại mây bão: SHEAR, CRVBND, EMBC, IRRCDO và
̀
UNIFRM sử dụng trong phương phap ADT.............................................................30
́
Hinh 2.5: Ví dụ về 3 loại mây bão có dạng mắt trong phương phap ADT...............31
́
̀
̀
Hinh 2.6: Sơ đô ước tính cường độ bão trong phương phap ADT ...........................31
́
̀
Hinh 2.7: Ví dụ về kết quả đầu ra của phương phap ADT khi tâm bão chưa đổ bộ vào
́
̀
đất liền.......................................................................................................................33
Hinh 2.8: Ví dụ kết quả đầu ra của phương phap ADT khi tâm bão trên đất liền....33
́
̀
Hinh 2.9: Mười bước xác định cường độ XTNĐ bằng phương pháp Dvorak..........35
̀
Hinh 3.1: Trung bình sai số vị trí giữa ADT và best track của các loại mây bão trong
̀
các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015 ......................................................39
Hinh 3.2: Biểu đồ phân tán tốc độ gió cực đại (kts) giữa ADT và best track trong các
̀
cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015 có dạng: tâm nhúng đĩa mây (EMBC),
dạng mắt (EYE), dạng lệch tâm (SHEAR), dạng băng cuốn (CRVBND), dạng khối
mây dày đặc phủ trên vùng tâm bão có sự thay đổi lớn trong vùng CDO (IRRCDO)
và khối mây đậm đặc phủ vùng tâm có nhiệt độ đồng đều (UNIFRM) ...................40
Hinh 3.3: Tương tự hình 3.2 cho trị số khí áp thấp nhất...........................................41
̀
Hinh 3.4: Hệ số tương quan tốc độ gió cực đại và trị số khí áp thấp nhất giữa ADT và
̀
best track của các loại mây bão.................................................................................43
Hinh 3.5: Trung bình sai số vị trí giữa ADT và best track theo phân chia cấp bão trong
̀
các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 - 2015 ......................................................44
7
Hinh 3.6: Biểu đồ phân tán tốc độ gió cực đại (kts) và trị số khí áp thấp nhất (mb)
̀
giữa ADT và best track theo cấp bão của các cơn bão trên biển Đông từ năm 2010 -
2015...........................................................................................................................45
Hinh 3.7: Diễn biến của bão số 2 (Rammasun) năm 2014 .......................................47
̀
Hinh 3.8: Sai số vị trí tâm bão (km) theo thời gian của ADT và Dvorak so với best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014.....................................48
Hinh 3.9: Biến thiên trị số khí áp thấp nhất theo thời gian của ADT, Dvorak và best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014.....................................50
Hinh 3.10: Biến thiên tốc độ gió cực đại theo thời gian của ADT, Dvorak và best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014.....................................50
Hinh 3.11: Diễn biến của bão số 6 (Megi) năm 2010...............................................52
̀
Hinh 3.12: Sai số vị trí tâm bão (km) theo thời gian của ADT và Dvorak so với best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 ..............................................53
Hinh 3.13: Bão Megi trên ảnh thị phổ (VIS) (ảnh trái) và ảnh hồng ngoại tăng cường
̀
màu (EIR) (hình phải) tại thời điểm lúc 00z ngày 20/10/2010.................................54
Hinh 3.14: Biến thiên trị số khí áp thấp nhất theo thời gian của ADT, Dvorak và best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 ..............................................54
Hinh 3.15: Biến thiên tốc độ gió cực đại theo thời gian của ADT, Dvorak và best
̀
track Việt Nam trong cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 ..............................................55
Hinh 3.16: Bão Megi trên ảnh hồng ngoại IR (a,b,c) và ảnh hồng ngoại tăng cường
̀
EIR (d,e,f) tại thời điểm 12z, 18z ngày 19/10/2010 và lúc 00z ngày 20/10/2010....58
8
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT
ADT: Advanced Dvorak Technique - Phương pháp Dvorak cải tiến
AODT: Advanced Objective Dvorak Technique - Phương pháp Dvoark khách quan
có cải tiến
ATCF: Automated Tropical Cyclone Forecasting System - Hệ thống tự động dự báo
xoáy thuận nhiệt đới
CB: Curved band - Dải băng cuốn
CDO: Centre Dense Overcast - Dạng khối mây dày đặc ở trung tâm
CI: Current Intensity - Cường độ hiện tại
CIMSS: Cooperative Institute for Meteorological Satellite Studies - Trung tâm
nghiên cứu vệ tinh khí tượng thuộc đại học Wisconsin Madison của Mỹ
CPHC: Central Pacific Hurricane Center - Trung tâm bão Thái Bình Dương
CRVBND: Curved Band - Dạng băng cuốn
DD: Digital Dvorak - Chương trình tự động ước lượng cường độ bão
DT: Dvorak Technique - Phương pháp Dvorak cổ điển
EIR: Enhanced Infrared - Ảnh hồng ngoại tăng cường
EMBC: Embedded Center - Dạng tâm nhúng đĩa mây
IR: Infrared - Ảnh hồng ngoại
IRRCDO: Irregular CDO - Khối mây đậm đặc phủ trên vùng tâm bão, nhưng có sự
thay đổi lớn trong vùng CDO
JMA: Japan Meteorological Agency - Cơ quan Khí tượng Nhật Bản
JTWC: Joint Typhoon Warning Center - Trung tâm cảnh báo bão của hạn vừa Châu
Âu
MSLP: Mean sea level pressure - Áp suất mực nước biển
MTSAT: Multifunctional Transport Satellite - Tên loại vệ tinh địa tĩnh
NetCDF: Network Common Data Form - Tên một loại định dạng file
NHC: National Hurricane Center - Trung tâm bão Quốc gia
ODT: Objective Dvorak Technique - Phương pháp Dvorak khách quan
RF: Ring fitting - Phương pháp tích hợp vòng
9
RMW: Radius of maximum wind - Bán kính gió mạnh
RSMC: The Regional Specialized Meteorological Center - Trung tâm khu vực theo
phân công của WMO
SC: Spiral centering - Kỹ thuật định vị tâm xoắn
TOPO: Topography - Dữ liệu địa hình
UNIFRM: Uniform CDO - Khối mây đậm đặc phủ vùng tâm có nhiệt độ đồng đều
WMO: World Meteorological Organization - Tổ chức Khí tượng Thế giới
10
MỞ ĐẦU
Công tác dự báo bão ở Việt Nam trong những năm gần đây đã được Chính phủ
quan tâm và đầu tư nhiều trang thiết bị hiện đại. Cho đến nay, một hệ thống quan trắc
KTTV với những trang thiết bị hiện đại có thể đáp ứng việc thu thập thông tin số liệu
KTTV phục vụ công tác dự báo. Song do điều kiện kinh tế nước ta còn nghèo, việc
hoàn chỉnh, duy trì và phát triển một mạng lưới quan trắc trên cả nước so với các
nước khác vẫn còn một khoảng cách và cần được hoàn thiện hơn. Việc phân tích được
cường độ bão, ATNĐ theo thời gian thực, từ đó làm cơ sở cho việc đưa ra những kết
quả dự báo về cường độ trong tương lai đóng vai trò hết sức quan trọng bởi nó liên
quan đến toàn bộ hệ thống phòng chống thiên tai các cấp từ Trung ương đến địa
phương. Một cảnh báo đúng, một dự báo chính xác sẽ tiết kiệm được rất nhiều công
sức, tiền bạc cũng như sẽ giảm nhẹ thiệt hại về tài sản, tính mạng của người dân. Một
ví dụ điển hình có thể lấy là cơn bão số 1 (Kujira) năm 2015. Tại thời điểm 01 giờ
sáng ngày 23/6/2015, khi bão đang ở gần đảo Bạch Long Vĩ, các cơ quan dự báo Bão
hàng đầu trên thế giới đánh giá rất khác nhau về cường độ của cơn bão này. Các
Trung tâm dự báo bão của các nước lần lượt phân tích cường độ bão như sau: Trung
Quốc cấp 8, Nhật Bản cấp 8, Hàn Quốc xấp xỉ cấp 10, Hồng Kông cấp 8, Hoa Kỳ cấp
7. Trong khi đó Việt Nam ngoài việc sử dụng ảnh mây vệ tinh để phân tích, kết hợp
với số liệu Radar Phủ Liễn và các trạm quan trắc bổ sung ven bờ cũng như trạm đảo
Bạch Long Vĩ xác định bão ở khoảng giữa cấp 8, đầu cấp 9. Như vậy có thể thấy,
ngay việc phân tích cường độ bão thời gian thực của các nước đã rất chênh lệch (giữa
Hoa Kỳ và Hàn Quốc là gần 3 cấp bão). Nếu chúng ta ước lượng bão quá mạnh so
với thực tế thì công tác phòng chống sẽ rất lãng phí về nhân lực và vật lực, còn nếu
ước lượng yếu hơn, hậu quả có thể còn nặng nề hơn rất nhiều. Như vậy có thể thấy
việc xác định cường độ bão thời gian thực hết sức quan trọng, nó vừa làm tiền đề để
nâng cao chất lượng bản tin dự báo, vừa là cơ sở để có thể giúp cơ quan phòng chống
thiên tai các cấp đưa ra những quyết định phòng chống kịp thời, hiệu quả.
Có thể thấy rằng, trong hơn 30 năm qua, phương pháp Dvorak [17] sử dụng
ảnh mây vệ tinh để xác định vị trí và cường độ bão là phương pháp nghiệp vụ duy
11
nhất, hiệu quả nhất, đặc biệt khi bão ở trên các vùng đại dương nơi mà số liệu quan
trắc bị hạn chế. Trên thế giới, phương pháp Dvorak cổ điển đã được các nhóm tác giả
phát triển, lần lượt từ phương pháp Dvorak cổ điển (DT), phương pháp Dvorak khách
quan (ODT), phương pháp Dvorak khách quan có cải tiến (AODT) và nay là phương
pháp Dvorak cải tiến (ADT). ADT đang được sử dụng nghiệp vụ tại hầu hết trung
tâm dự báo bão lớn trên thế giới (như tại: RSMC Tokyo, RSMC Australia, Trung tâm
bão quốc gia - NHC, Hoa Kỳ,...), phiên bản mới nhất hiện nay đang được sử dụng
trong nghiệp vụ là ADT V8.2.1. Ngoài ra, có thể thấy rằng bắt đầu từ năm 1995 ODT
đã phát triển, đến 2005 ADT ra đời và được thế giới sử dụng rộng rãi trong vòng 10
năm gần đây, nếu tính thời điểm ODT đã là 20 năm.
Trong khi đó, đến năm 2017, ở Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung
ương vẫn đang dùng phương pháp Dvorak cổ điển, so với những phát triển mới nhất
hiện nay thì chúng ta đang chậm hơn 20 năm trong nghiệp vụ xác định cường độ bão
bằng phương pháp Dvorak. Phương pháp Dvorak cổ điển đang dùng tại Trung tâm
Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương về bản chất là phương pháp thống kê thực
nghiệm, do đó kết quả phân tích phụ thuộc phần lớn vào trình độ người phân tích,
mang tính chủ quan nhiều. Do đó cần phải có một công cụ phân tích khách quan để
có thể loại bỏ tính chủ quan này.
DT cũng như ADT được sử dụng bắt nguồn từ các cơn bão trên vùng biển Đại
Tây Dương cũng như Tây Bắc Thái Bình Dương, trong khi đó vùng biển Đông của
Việt Nam là vùng biển tương đối kín lại bị ảnh hưởng nhiều bởi các hoàn lưu khí
quyển (gió mùa đông bắc, gió mùa tây nam) cũng như ảnh hưởng bởi địa hình. Do
vậy, cần phải thực hiện việc phân tích, đánh giá mẫu mây bão trên khu vực biển Đông
để có thể sử dụng trong ADT.
Yêu cầu của xã hội ngày càng cao đối với các bản tin dự báo bão. Do đó cần
phải tăng cường không chỉ chất lượng dự báo, mà còn phải đổi mới nội dung bản tin
cũng như tăng cường tần suất bản tin. Bắt đầu từ năm 2015, Trung tâm Dự báo khí
tượng thủy văn Trung ương đã phát bản tin nhanh về bão mỗi giờ một lần, kèm theo
đó thông tin về vị trí và cường độ bão cũng phải cập nhật hàng giờ, như vậy bài toán
12
tự động phải tính đến, đặc biệt trong những tình huống rất khẩn cấp khi yêu cầu tần
suất bản tin nhiều hơn nữa.
Với những hạn chế của phương pháp Dvorak cổ điển và những hiệu quả của
phương pháp Dvorak cải tiến mang lại, việc nghiên cứu đánh giá và áp dụng phương
pháp này là hết sức cần thiết, đem lại khả năng phân tích vị trí và cường độ bão một
cách tự động và khách quan, đặc biệt trong môi trường áp dụng nghiệp vụ. Chính vì
̣
vây luận văn sẽ thực hiện đánh giá kết quả của phương pháp Drorak cải tiến trong
việc xác định cường độ bão từ ảnh mây vệ tinh cho các cơn bão xuất hiện trên biển
Đông từ năm 2010 đến năm 2015, nhằm đưa ra những nhận định một cách khách
quan về sai số của phương pháp so với số liệu thực tế làm tiền đề cho việc áp dụng
ADT vào thực tiễn.
Cấu trúc Luận văn bao gồm: Phần Mở đầu, 3 Chương, Kết luận và kiến nghị,
Danh mục tài liệu tham khảo và Phụ lục:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Phương pháp ADT và số liệu thử nghiệm
Chương 3: Đánh giá kết quả của phương pháp Dvorak cải tiến (ADT)
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
13
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Bão hoạt động trên biển Đông và ảnh hưởng đến Việt Nam
̣
Áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) và bão được đánh giá là môt trong những loại hình
thiên tai ảnh hưởng đến nước ta không chỉ gây gió mạnh mà còn sinh ra mưa lớn diện
rộng gây ngập lụt nghiêm trọng, nước biển dâng cao. Việt Nam là một đất nước nằm
trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa với đường bờ biển kéo dài trên 3200 km và tiếp
giáp với biển Đông (thuộc khu vực biển Tây Bắc Thái Bình Dương) là một trong
những ổ bão nhiệt đới nhiều nhất trên thế giới. Do bão biển Đông phức tạp về đường
đi, cường độ và địa hình nơi bão đi vào nên các hiện tượng thời tiết kèm theo bão
cũng khác nhau, có cơn bão gây mưa nhiều và kéo dài, lũ lụt nghiêm trọng, song có
cơn bão gió mạnh, mưa lại rất ít. Trong các cơn bão ảnh hưởng đến Việt Nam, có cơn
nguồn gốc phát sinh từ vùng biển phía Đông Philippin, có cơn phát sinh phát triển
trên Biển Đông, thậm chí có cơn bão phát sinh ngay trên vịnh Bắc Bộ.
Với các cơn bão có nguồn gốc phát sinh khác nhau, khi đi vào đất liền các hiện
tượng thời tiết kèm theo bão cũng khác biệt nhau đối với từng vùng trên lãnh thổ Việt
Nam. Đặc biệt đối với các tỉnh Miền Trung là nơi hàng năm chịu ảnh hưởng bão
nhiều nhất cùng với địa hình dãy Trường Sơn ở phía tây nằm song song với bờ biển;
ở sườn đón gió phía đông, hoàn lưu bão thường nhận được hướng gió gần như thẳng
góc với sống núi, tạo nên quá trình mưa bão đặc biệt. Hay khi bão vào đất liền cùng
với các quá trình xâm nhập của không khí lạnh từ phía bắc xuống, hoặc trong khoảng
thời gian ngắn có hai hoặc ba cơn bão ảnh hưởng đến khu vực này gây nên tình hình
mưa đặc biệt nghiêm trọng, quá trình mưa do cơn bão trước vừa kết thúc, hoặc chưa
chấm dứt, đã bị ảnh hưởng mưa của cơn bão sau.
Đã có nhiều nghiên cứu ở Việt Nam về đặc điểm ảnh hưởng của bão. Theo
Nguyễn Văn Khánh và Phạm Đình Thụy (1985) [3] có 72 cơn bão, ATNĐ đổ bộ vào
miền Bắc thời kỳ 1956 - 1980 có tới 43 cơn gây ra gió mạnh từ cấp 10 đến cấp 12 và
17 cơn gây ra gió mạnh trên cấp 13, với phạm vi gió mạnh cấp 6 trở lên là khoảng
vài trăm km (khoảng 2 độ kinh/vĩ) xung quanh tâm bão, ATNĐ. Bão hoạt động nhiều
nhất về số lượng và mạnh nhất về cường độ ở vùng bờ biển Bắc Bộ, hoạt động ít nhất
14
ở các vùng bờ biển Ninh Thuận - Bình Thuận, Nam Bộ (Trần Việt Liễn, 1990;
Nguyễn Đức Ngữ và cộng sự, 2010) [4, 5]. Nguyễn Đức Ngữ và cộng sự (2010) [5]
nghiên cứu đặc điểm bão dựa trên số liệu quan trắc cho thấy trung bình mỗi năm nước
ta chịu ảnh hưởng của trên 7 cơn bão và ATNĐ. Thời gian bão ảnh hưởng đến Việt
Nam kéo dài từ tháng 3 đến tháng 12 trong đó các tháng 6 - 10 có tần suất đáng kể,
đặc biệt trong 3 tháng 8 - 10 có tần suất lớn. Nguyễn Văn Thắng và cộng sự (2010)
[7] phân tích hoạt động của bão ở các đoạn bờ biển cho thấy, trong thời kỳ gần đây
tần suất của bão trên đa số đoạn bờ biển phía Bắc bao gồm Bắc Bộ, Thanh Hóa đến
Thừa Thiên Huế có xu hướng giảm, trong khi phía Nam, bao gồm Đà Nẵng - Bình
Định, Phú Yên - Bình Thuận, Nam Bộ có xu hướng tăng.
Theo nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng và cộng sự (2016) [8] trên toàn lãnh
thổ Việt Nam, trong thời kỳ 1961 - 2014 có 364 cơn bão, ATNĐ đổ bộ và ảnh hưởng
trong đó chiếm tỷ lệ từ 10% trở lên tập trung vào 5 tháng từ tháng 7 đến tháng 11.
Tổng tỷ lệ % bão ảnh hưởng so với cả năm của 5 tháng này là 87%, cao nhất vào
tháng 9, thấp nhất vào tháng 7. Thời gian có bão ảnh hưởng sớm nhất ở Bắc Bộ với
3 tháng nhiều bão ảnh hưởng nhất là các tháng 7 - 8 - 9, và lùi dần từ Bắc vào Nam,
bão ảnh hưởng tập trung vào các tháng 10 - 11 - 12 ở cực Nam Trung Bộ, Tây Nguyên
và Nam Bộ. Tần số bão trung bình năm cao nhất là 2,0 - 2,5 cơn ở vùng Quảng Ninh
đến Thanh Hóa; thấp nhất là dưới 0,5 cơn ở vùng Tây Bắc, vùng Bình Thuận đến Cà
Mau - Kiên Giang; các vùng còn lại tần số bão dao động từ 0,5 - 1,5 cơn.
1.2. Tình hình nghiên cứu xác định cường độ bão bằng phương pháp Dvorak
trên thế giới và Việt Nam
1.2.1. Trên thế giới
Bão nhiệt đới trở thành một mối đe dọa ngày càng lớn đối với con người, đặc
biệt là khu vực ven biển nơi có dân số đang tăng nhanh. Trong hơn 20 năm qua, cùng
với những tiến bộ của khoa học, việc dự báo đường đi của bão đã đạt nhiều tiến bộ
khi sai số dự báo giảm đáng kể. Tuy vậy, việc dự báo cường độ bão vẫn là thách thức
rất lớn đối với các nhà khí tượng, nguyên nhân một phần cũng vì cường độ thật của
15
bão tại thời điểm dự báo luôn là bài toán khó khi mà các cơn bão thường hình thành
ngoài đại dương, nơi mạng lưới quan trắc khí tượng còn rất mỏng.
Để xác định cường độ bão thời gian thực, đầu những năm 1970, các nhà khoa
học đã phát triển một kỹ thuật dùng để ước lượng cường độ bão sử dụng thông tin từ
vệ tinh địa tĩnh, người tiên phong là Vernon Dvorak, sau đó Dvorak được lấy để đặt
tên cho phương pháp này - phương pháp Dvorak (Dvorak, 1972; Dvorak, 1973;
Dvorak, 1975) [9, 10, 11]. Phương pháp Dvorak với tính chất nguyên thủy là một kỹ
thuật bán chủ quan đã được sử dụng tại các trung tâm dự báo nghiệp vụ khí tượng
nhiệt đới trên toàn cầu trong hơn 30 năm qua. Những năm gần đây, cùng với sự phát
triển của thế hệ cảm biến trên các vệ tinh khí tượng mới và khả năng tính toán của
máy tính, kết hợp với sự tích lũy lâu năm kinh nghiệm dự báo viên và những thành
tựu mới của công nghệ tự động hóa, việc tự động phân tích và ước lượng cường độ
bão nhiệt đới bằng các hệ thống máy tính đã trở nên khả thi hơn rất nhiều, đó chính
là tiền đề để phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) ra đời.
Dựa trên phương pháp phân tích Dvorak cổ điển, nhóm phát triển hệ thống tại
Trung tâm nghiên cứu vệ tinh CIMSS của Trường đại học Wisconsin đã tiến hành tự
động hóa qua 4 mốc chính (Hình 1.1), bao gồm: 1) Phương pháp Dvorak tự động ước
lượng cường độ bão, 2) Phương pháp Dvorak khách quan (ODT), 3) Phương pháp
Dvorak khách quan có cải tiến (AODT), và cuối cùng là 4) Phương pháp Dvorak cải
tiến (ADT) [17].
Hình 1.1: Sơ đồ phát triển của phương pháp Dvorak theo thời gian
16
Về kỹ thuật, phương pháp Dvorak cổ điển (DT) (Dvorak, 1973) [10] được thực
hiện qua 4 bước chính: 1) xác định vị trí tâm bão, ATNĐ, 2) xác định cường độ bão,
ATNĐ, 3) chọn ước lượng cường độ tốt nhất và 4) áp dụng một số quy định để đưa
ra kết quả ước lượng cường độ cuối cùng. Trong thời kỳ đầu, kỹ thuật này chủ yếu
dựa trên lý thuyết nhận dạng mẫu mây với 5 dạng cơ bản: 1) dạng khối mây dày đặc
ở trung tâm (CDO), 2) dạng lệch tâm (SHEAR), 3) dạng tâm nhúng đĩa mây (EMBC),
4) dạng có mắt (EYE) và 5) Dạng băng cuốn (CRVBND). Trên thực tế, đây là phương
pháp bán chủ quan, sử dụng chủ yếu để đánh giá sự thay đổi 24 giờ của mẫu mây và
cường độ để có thể chỉ ra sự thay đổi ngắn hạn của cấu trúc mây, nhược điểm chính
của phương pháp là tính chủ quan và trình độ không đồng đều của dự báo viên khi sử
dụng kỹ thuật này.
Năm 1984, Dvorak đã cải tiến phương pháp Dvorak cổ điển và phát triển thêm
ở một kỹ thuật cao hơn khi kết hợp bổ sung việc xác định các mẫu mây với việc đánh
giá, xác định các đặc trưng của mây cụ thể ở đây là nhiệt độ đỉnh mây (Dvorak, 1984)
[12]. Việc phân tích cường độ bão không chỉ giới hạn bởi phương pháp định tính nữa
mà thay vào đó được định lượng hóa qua việc đánh giá chỉ số tính toán từ kỹ thuật
Dvorak dựa trên mẫu mây bão (Tnumber).
Zehr (1989) [20] đã nghiên cứu và xây dựng chương trình tự động ước lượng
cường độ bão (DD) dựa trên đặc trưng cường độ bão có liên quan tới nhiệt độ lạnh
nhất ở đỉnh mây và nhiệt độ ấm nhất ở tâm xoáy thuận nhiệt đới khi đã có ảnh hồng
ngoại tăng cường (EIR) cho dạng có mắt (EYE). Phương pháp DD này đã đặt nền
tảng cho phương pháp Dvorak khách quan (ODT) sau này khi sử dụng các thuật toán
khách quan nhưng vẫn giữ được đặc trưng cơ bản của phương pháp Dvorak cổ điển.
Sang đến thập niên 1990, khi số liệu có đầy đủ hơn, độ phân giải ảnh vệ tinh cao hơn,
năng lực tính toán của máy tính mạnh hơn đã thúc đẩy phát triển phương pháp Dvorak
khách quan (ODT) (Velden và cộng sự, 1998) [18]. Với phương pháp ODT, dự báo
viên ở khắp nơi trên thế giới, kể cả trình độ và kĩ năng của từng nơi, từng người có
sự chênh lệch, vẫn có thể đưa ra những dự báo mang tính khách quan cao với độ sai
lệch về kết quả ở mức tối thiểu. Các kết quả thực nghiệm từ máy bay do thám khí
17
tượng cho thấy ước lượng cường độ bão của phương pháp ODT có thể so sánh được
với những phân tích đưa ra từ các trung tâm khí tượng của Hoa Kỳ. Tuy nhiên phương
pháp này có một nhược điểm lớn, đó là nó chỉ có thể áp dụng được cho những cơn
bão mạnh, điều này làm ảnh hưởng đến tính ứng dụng phổ cập của ODT. Ngoài ra
phương pháp ODT vẫn cần có dự báo viên khí tượng xác định vị trí tâm bão trước
khi sử dụng thuật toán.
Nhược điểm chủ yếu của phương pháp ODT là nó không thể xử lý được các
cơn bão yếu. Nhược điểm này sau đó đã được khắc phục bằng phương pháp Dvorak
khách quan có cải tiến (AODT). Phương pháp AODT làm việc được với mọi cường
độ bão và áp dụng tất cả các luật của phương pháp Dvorak. Phương pháp AODT là
bước cải tiến trực tiếp của phương pháp ODT trên ba phương diện chính: 1) phạm vi
ứng dụng được mở rộng, bao gồm việc xử lý ATNĐ và các giai đoạn khác nhau của
các cơn bão, 2) áp dụng thêm nhiều thuật toán và quy luật của phương pháp Dvorak
cổ điển, 3) tích hợp hệ thống tự động xác định tâm bão.
Để có thể áp dụng phương pháp AODT cho các cơn bão nhỏ và ATNĐ, người
ta cần phải sử dụng tới kỹ thuật “nhận dạng mẫu mây” (Olander và Velden, 2007)
[15]. Kỹ thuật dải băng cuốn (CB) trong AODT đưa ra thông tin về cường độ cơn bão
dựa trên độ uốn cong của đám mây trên ảnh chụp vệ tinh hồng ngoại (IR). Ngược lại,
trong phương pháp DT cổ điển, độ uốn cong của mây được xác định bằng tay dựa
trên những cung xoắn ốc 10 độ. Phương pháp này cũng được sử dụng để xác định
tâm bão nếu hình chụp không rõ nét. Tuy nhiên, việc xác định theo dải băng cuốn này
mang tính chủ quan của người phân tích dự báo khi quan sát ảnh chụp vệ tinh. Phương
pháp AODT đưa ra một hệ thống tự động hóa dựa trên phân tích dải băng cuốn của
nhiều người dùng khác nhau. Ngoài phương pháp dải băng cuốn, các phương pháp
khác cũng được tích hợp trong phương pháp AODT, và còn được sử dụng cho đến
bây giờ. Bước cải tiến đáng kể của phương pháp AODT đó chính là đưa ra các định
lượng cho hai chỉ số Tnumber và CI. Trong đó các giá trị Tnumber thay đổi cho biết xu
hướng mạnh lên hay yếu đi của bão, các giá trị CI được sử dụng để xác định cường
độ hiện tại.
18
Một ưu điểm nữa của AODT đó chính là loại bỏ bước thủ công xác định tâm
bão bằng việc phân tích vị trí tâm bão tự động thông qua các phương pháp xử lý và
phân tích ảnh, kỹ thuật định vị tâm xoắn (SC) sử dụng để hiệu chỉnh một tâm giả định
ban đầu (lấy từ dự báo hoặc cảnh báo của các trung tâm dự báo bão như JTWC của
Hải quân Mỹ hay RMSC của Nhật Bản), phương pháp Laplacian được áp dụng đối
với trường hợp bão có phát triển một cách hoàn thiện và phương pháp thích hợp vòng
(Wimmers và Velden, 2004) [19]. Ngoài ra phương pháp AODT còn có khả năng cập
nhật và sử dụng số liệu vệ tinh cực, kênh phổ sóng ngắn để tăng cường độ chính xác
đối với giá trị cường độ và xác định giai đoạn mà xoáy thuận nhiệt đới đang đạt đến.
Phương pháp Dvorak cải tiển (ADT) sau này được Olander và các cộng sự
[17] tại viện nghiên cứu vệ tinh khí tượng thuộc đại học Wisconsin Madison của Mỹ
(CIMSS) phát triển đã kế thừa các nghiên cứu, kỹ thuật mới của ODT và AODT đồng
thời quay trở lại thiết lập một số điều chỉnh mới trên cơ sở của phương pháp Dovorak
cổ điển. Đặc biệt, ADT được chạy hoàn toàn tự động và được áp dụng cho đến tận
ngày nay. Năm 2014, hệ thống mã nguồn ADT đã được Olander chia sẻ để áp dụng
trên khu vực Biển Đông. Một trong những điều chỉnh mới trong ADT đó chính là
việc hiệu chỉnh tâm bão bằng cách ước lượng cường độ khí áp mực biển (MSLP) dựa
trên sự thay đổi vị trí tâm bão theo quỹ đạo (Kossin và Velden, 2004) [13]. Kỹ thuật
mới trong ADT đó chính là xây dựng một sơ đồ mới cho việc xác định mẫu mây dạng
CDO và EYE sử dụng phương trình hồi quy. Những phương trình này có sử dụng
một số tham số cơ bản liên quan tới cường độ bão như khu vực có đối lưu thẳng đứng,
kích cỡ vùng mây và chênh lệch nhiệt độ giữa mắt bão và khu vực xung quanh. Khi
sử dụng phương trình hồi quy với những tính toán này, tiến hành so sánh với số liệu
thám sát máy bay khí tượng cho thấy kết quả tốt hơn khá nhiều. Kỹ thuật mới nhất
gần đây được phát triển trong ADT đó chính là việc cung cấp thông tin về bán kính
gió mạnh (RMW) trong trường hợp có mắt bão, bằng việc xử dụng thuật toán xác
định nhiệt độ đỉnh mây trên kênh ảnh hồng ngoại (IR) ở bốn phía cơn bão để tìm khu
vực nào đạt điều kiện về nhiệt độ đỉnh mây so với số liệu thống kê từ máy bay thám
19
Tải về để xem bản đầy đủ
73 trang
21140
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Đánh giá phương pháp Dvorak cải tiến để xác định cường độ bão từ ảnh mây vệ tinh địa tĩnh cho khu vực biển Đông", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- luan_van_danh_gia_phuong_phap_dvorak_cai_tien_de_xac_dinh_cu.pdf
