Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo định lượng mưa do bão, áp thấp nhiệt đới bằng mô hình số trị phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không (11/10/2024)

Việt Nam là một nước thuộc khu vực Đông Nam châu Á và nằm trọn vẹn trong vùng nội chí tuyến thuộc khu vực gió mùa châu Á, lãnh thổ trải dài theo phương Bắc - Nam, có đường bờ biển dài trên 3.000 km. Hàng năm Việt Nam chịu tác động của nhiều loại hình thời tiết hết sức phức tạp đặc biệt là bão/ áp thấp nhiệt đới (ATNĐ). Hiện tượng thời tiết nguy hiểm bão/ATNĐ sẽ gây ra các hệ quả về mưa lớn, lũ lụt và mang lại nhiều thiệt hại nhất. Công nghệ dự báo mưa chi tiết định lượng nói chung và cho riêng bão/ATNĐ nói riêng phụ thuộc chính vào các sản phẩm dự báo số, đây là công nghệ dự báo định lượng và khách quan và có khả năng tích hợp với các công nghệ dự báo thủy văn về lũ, lũ quét, sạt lở đất hiện tại. Hiện nay, kỹ năng dự báo mưa định lượng nói chung và đối với mưa do bão/ATNĐ nói riêng còn thấp, đặc biệt ở các ngưỡng mưa lớn trên 50 mm/24h tại các hạn 1-3 ngày. Thử nghiệm những năm gần đây đã cho thấy rõ khả năng tăng cường kỹ năng dự báo định lượng mưa lớn từ mô hình phân giải cao so với mô hình toàn cầu.

Tại Việt Nam, mạng lưới quan trắc truyền thống và phi truyền thống hiện nay đã được bổ sung thêm cả về chất lượng và số lượng. Các trạm quan trắc synop truyền thống có xấp xỉ 200 trạm. Đặc biệt trong những năm gần đây, quan trắc mưa còn được bổ sung các nguồn số liệu quan trắc khác từ quan trắc mưa tự động (nguồn dự án và nguồn xã hội hóa) và từ sản phẩm ước lượng mưa trên lưới của radar và vệ tinh. Năm 2020, bộ số liệu mưa trên lưới đã được thiết lập từ mưa trạm và mưa ước lượng từ độ phản hồi của các trạm radar và vệ tinh cho mức độ chi tiết theo chiều ngang là 1km x 1km, được Đài khí tượng cao không thiết lập và truyền về Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn quốc gia với tần suất 1 tiếng một lần. Bên cạnh đó là nguồn dữ liệu mưa ước lượng trên lưới của Nhật Bản (GSMaP) với độ phân giải theo chiều ngang là 10km x 10km. Với mạng lưới radar phủ kín lãnh thổ Việt Nam bảo gồm 10 radar được đồng bộ về tần suất quét và định dạng và các nguồn dữ liệu vệ tinh cập nhật nhanh là tiền đề cho việc thiết lập sản phẩm dự báo cực ngắn, làm cơ sở cho việc kết hợp hiệu chỉnh dự báo của các mô hình số hạn ngắn 6-12h. Bên cạnh đó, cuối năm 2018, việc triển khai nâng cấp tính toán lên hệ thống siêu máy tính CrayXC40 là điều kiện quan trọng trong việc triển khai được công nghệ đồng hóa số liệu song song với công nghệ mô hình dự báo số chi tiết - phân giải cao vào trong điều kiện nghiệp vụ. Như vậy việc triển khai nhiệm vụ KH&CN cấp Bộ “Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo định lượng mưa do bão, áp thấp nhiệt đới bằng mô hình số trị phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không” do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn quốc gia chủ trì thực hiện, ThS. Mai Khánh Hưng làm chủ nhiệm là vô cùng cấp thiết nhằm góp phần nâng cao hiệu quả công tác dự báo và phòng tránh và giảm thiểu những thiệt hại do thiên tai gây ra do bão/ATNĐ trên lãnh thổ Việt Nam, góp phần phát triển kinh tế bền vững và bảo đảm an sinh xã hội.

Minh họa lưới lồng 1km nằm trong miền tính 3km sử dụng điều kiện biên ECMWF (9km) thử nghiệm cho cơn bão hoạt động trên biển Đông vào ngày 26-9-2022

Nghiên cứu đã tiến hành tối ưu hệ thống dự báo định lượng mưa do bão, áp thấp nhiệt đới bằng mô hình số trị phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không. Trong đó, hệ thống dự báo mưa định lượng do bão, áp thấp nhiệt đới là hệ thống gồm 3 phần chính: (1) Hệ thống dựa trên kỹ thuật đồng hoá số liệu cho một mô hình số trị có khả năng cập nhật liên tục tất cả các loại số liệu hiện có của Việt Nam như số liệu radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không và áp dụng phù hợp cho bài toán dự báo bão, áp thấp nhiệt đới; (2) Dựa trên sản phẩm dự báo cực ngắn từ radar để làm cơ sở cho việc kết hợp (blending) hiệu chỉnh dự báo của các mô hình số hạn ngắn 6h; (3) Hệ thống hậu xử lý sản phẩm cho các nghiệp vụ dự báo mưa định lượng và bài toán dự báo thủy văn. Nghiên cứu tối ưu hệ thống dự báo định lượng mưa do bão, áp thấp nhiệt đới bằng mô hình số trị phân giải cao dựa trên các nghiên cứu về hệ thống mô hình phân giải cao và thiết lập lưới lồng cho bài toán dự báo chi tiết về bão; hệ thống đồng hóa số liệu. Đề tài nghiên cứu xây dựng quy trình kích hoạt công nghệ dự báo phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu cập nhật nhanh dữ liệu radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không, để tăng cường dự báo mưa định lượng do bão, ATNĐ ảnh hưởng đến Việt Nam gồm các điểm cơ bản: chế độ cơ bản, chế độ dự báo chi tiết, chế độ khẩn cấp và cập nhật sản phẩm dự báo mưa định lượng. Nghiên cứu hệ thống tính toán, hệ thống dự báo cực ngắn từ radar, vệ tinh SWIRLS, kết hợp (blending) giữa dự báo cực ngắn và dự báo mô hình phân giải cao; xây dựng các sản phẩm phục vụ nghiệp vụ dự báo định lượng; chi tiết thông tin hệ thống dự báo phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu và sự khác biệt so với hệ thống nghiệp vụ hiện tại cũng được nhóm nghiên cứu triển khai. Về tổng thể, nghiên cứu đã xây dựng được hệ thống chương trình điều khiển chạy trên hệ thống máy chủ của Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn quốc gia và siêu máy tính CrayXC40-AC gồm: Hệ thống chương trình điều khiển, vận hành tự động hệ thống dự báo phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu và thiết lập lưới lồng dự báo bão để nhận dạng mức độ ảnh hưởng của bão, áp thấp nhiệt đới đến đất liền Việt Nam (bão đổ bộ), từ đó đưa ra mức thực hiện dự báo phù hợp; Hệ thống chương trình chuyển đổi dữ liệu mô hình số cho hệ thống kết hợp (blending) giữa dự báo cực ngắn và hệ thống dự báo cực ngắn sử dụng dữ liệu đồng thời nhiều radar của Việt Nam; Hệ thống thiết lập các sản phẩm dự báo mưa định lượng phục vụ công tác dự báo nghiệp vụ mưa định lượng và các bài toán dự báo cảnh báo thủy văn tại Tổng cục Khí tượng thủy văn.

Từ những nghiên cứu trên, nhóm tác giả thử nghiệm và đánh giá khả năng áp dụng của hệ thống. Tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống (đồng hóa kết hợp lưới lồng xuống độ phân giải 1km) đối với các cơn bão, áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến Việt Nam trong năm 2021, 2022 và 2023 (gần 60 phiên dự báo) trên hệ thống siêu máy tính CrayXC40-AC. Các thử nghiệm cho thấy rõ việc cải thiện rõ đối với các ngưỡng mưa lớn, cụ thể các dự báo toàn cầu chủ yếu nắm bắt được các ngưỡng mưa dưới 60mm đối với các hạn và tích lũy 6-12h, đối với các ngưỡng mưa trên 100mm/12h hầu như không nắm bắt được. Hệ thống đồng hóa kết hợp lưới lồng xuống độ phân giải 1km đã có những cải thiện rất rõ như: chỉ số kĩ năng và phát hiện hầu như hơn hẳn các mô hình khác ở hầu hết các ngưỡng, bên cạnh đó đã bổ sung được phần nào các thông tin đối với dự báo khoảng mưa quan trắc thực tế xảy ra từ 100-200mm. Việc thử nghiệm hệ thống nowcast từ radar giúp giảm thiểu, hiệu chỉnh sai số dự báo mưa định lượng QPF từ mô hình trong những giờ đầu dự báo. Với những kết quả thử nghiệm cụ thể cho các cơn bão gây mưa lớn trong đó thông qua đánh giá cho thấy sai số đối với dự báo cực ngắn ở 1-3h đầu được giảm thiểu đi rõ rệt, kĩ năng dự báo có thể được tăng lên 40-50% đối với các ngưỡng mưa từ 1-10mm/1h. Đối với mưa do bão, vai trò của radar là hết sức quan trọng khi xoáy thuận nhiệt đới nằm trong vùng quét của radar và khi mô hình chưa kịp cập nhật vị trí thực tế của bão ven bờ cũng như mô hình có độ trễ khá lớn đặc biệt đối với bão. Khả năng hiệu chỉnh của sản phẩm dự báo cực ngắn thông qua sản phẩm blending thể hiện ở cả việc bù đắp những vùng mưa đã xảy ra sớm mà mô hình chưa nắm bắt được và cả ở những vùng mưa bị báo khống (đặc biệt khi bão có xu thế di chuyển sai so với thực tế, dẫn đến các đới mưa do bão đặc biệt vùng mưa phía Bắc hoặc Tây Bắc cơn bão) có thể được giảm đi bằng sản phẩm nowcast. Hệ số ảnh hưởng của quá trình blending đối với bão sát bờ có thể nên tăng lên để giữ được vai trò đến 1-2h đầu của sản phẩm radar thay vì tắt ảnh hưởng quá sớm của radar. Sản phẩm kết hợp cho thấy tăng rõ về mặt kĩ năng chất lượng ở hầu hết toàn bộ các case thử nghiệm. Việc triển khai đồng bộ hệ thống này song song với dự báo phân giải cao cho phép tăng cường chất lượng dự báo QPF do bão một cách khách quan hoàn toàn trước khi đưa vào các bài toán dự báo cảnh báo thủy văn.

Từ những kết quả nghiên cứu cho thấy, áp dụng hệ thống ở mức độ khi bão/ATNĐ có ảnh hưởng trong 24h, khi đó sẽ tận dụng được tối đa ảnh hưởng của dữ liệu radar vào trường phân tích ban đầu cho mô hình và đặc điểm của việc hạ quy mô dựa trên lưới lồng sẽ tăng được tính chi tiết của phân bố theo không gian mưa do bão/ATNĐ gây ra trên đất liền. Hệ thống kết hợp blending giữa dự báo cực ngắn và dự báo phân giải cao hoàn toàn có thể áp dụng trong các trường hợp mưa lớn khác không chỉ do bão/ATNĐ gây ra. 

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài tại Trung tâm Thông tin, Thống kê KH&CN Hải Phòng./.