Hiện nay mặc dù độ phân giải ngang của các mô hình toàn cầu đã liên tục được tăng lên (phổ biến từ 20km đến 30km) nhưng việc các dự báo viên thời tiết có thể tiếp cận được những sản phẩm dự báo số trị toàn cầu đầy đủ (đủ các biến trường và tại đầy đủ các mực độ cao khác nhau) có độ phân giải dưới 10km trong vòng 5-6 năm tới là không thể. Điều này do thực tế khi các trung tâm quốc tế (Mỹ, Nhật, Đức, châu Âu) thay đổi chất lượng của các mô hình toàn cầu thì thường sau 3-5 năm những trung tâm này mới phổ biến rộng rãi cho các trung tâm khu vực khác khai thác và ở mức độ hạn chế. Ngoài ra, hiện tại độ phân giải ngang của các mô hình khu vực ứng dụng trong nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương chỉ phổ biến từ 15-17km. Như vậy có thể thấy việc tiếp tục ứng dụng các mô hình khu vực vẫn là chìa khóa để tăng độ chi tiết từ các sản phẩm dự báo toàn cầu. Bên cạnh đó, với nhu cầu tăng mức độ chi tiết hơn nữa trong các bản tin phục vụ dự báo khí tượng, thủy văn và hải văn, độ phân giải trong các mô hình khu vực sẽ cần thiết phải hạ quy mô xuống từ cận dưới quy mô vừa 5-7km đến quy mô đối lưu dưới 2km trong thời gian tới.

Căn cứ vào tính cấp thiết của việc tiếp tục ứng dụng mô hình bất thủy tĩnh phân giải cao trong bài toán dự báo nghiệp vụ. Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì đề tài Trung tâm khí tượng Thủy văn Quốc gia phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Th.S Dư Đức Tiến cùng thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng nghiệp vụ mô hình bất thủy tĩnh để nâng cao chất lượng dự báo thời tiết cho khu vực Việt Nam”.

Dựa trên các kết quả thử nghiệm và đánh giá dự báo, mô phỏng bằng các mô hình khu vực bất thủy tĩnh phân giải cao, đề tài rút ra một số kết luận chính như sau:

1) Ảnh hưởng của mô hình bất thủy tĩnh tới dự báo thời tiết giai đoạn 2012-2014:

+ Đối với điều kiện thời tiết thông thường: thông quan việc đánh giá 3 biến khí tượng bề mặt cơ bản gồm nhiệt độ mực 2m, gió mực 10m và mưa tích lũy ngày, các kết quả đánh giá từ năm 2012-2014 giữa chế độ chạy mô hình thủy tĩnh và bất thủy tĩnh với cùng độ phân giải là 15km cho thấy đối với nhiệt độ tt có sự khác biệt. Chế độ gió và mưa có sự sai khác rõ rệt tập trung chủ yếu vào mùa hè, cụ thể gió mực 10m có sai số giảm tập trung lớn ở khu vực Trung Trung Bộ còn lượng mưa dự báo ngày giảm đặc biệt tại khu vực Tây Nguyên. Các vị trí giảm sai số ở mô hình bất thủy tĩnh đều liên quan trực tiếp đến các khu vực có địa hình phức tạp.

+ Đối với dự báo mưa lớn, thông qua đánh giá dự báo mưa từ mô hình WRF-ARW ở hai chế độ thủy tĩnh (WRF-ARW-TT-15km) và bất thủy tĩnh (WRF-ARW-BTT-15km) cho thấy ở ngưỡng mưa dưới 50mm/24h ít có sự khác biệt giữa hai lựa chọn này cho mô hình WRF-ARW ở độ phân giải 15km, tuy nhiên ở các ngưỡng mưa từ 50-100mm và lớn hơn 100mm có sự cải thiện ở chế độ bất thủy tĩnh. Khi hạ độ phân giải xuống 5km (WRF-ARW-BTT-5km), sai số ở các ngưỡng mưa lớn hơn 100mm được cải thiện so với ở dự báo 15km tại cả hai chế độ thủy tĩnh và bất thủy tĩnh cho các hạn 48h và 72h. Điều này cho thấy chế độ bất thủy tĩnh được thể hiện rõ rệt trong các dự báo phân giải cao và có khả năng giảm thiểu sai số trong các trường hợp mưa cực trị lớn.

+ Đối với dự báo không khí lạnh và nắng nóng, ở cùng độ phân giải 15km, chế độ bất thủy tĩnh không cải thiện được dự báo nhiệt độ nói chung và hai hiện tượng không khí lạnh và nắng nóng, tuy nhiên từ các thử nghiệm dự báo phân giải cao từ 3-5km cho thấy rõ được vai trò của mô hình bất thủy tĩnh phân giải cao ảnh hưởng đến chất lượng dự báo không khí lạnh và nắng nóng – đánh giá gián tiếp thông qua chế độ nhiệt bề mặt.

2) Vấn đề lựa chọn vật lý mô hình và độ phân giải cao trong dự báo mưa lớn

+ Đã thử nghiệm tổ hợp các sơ đồ vật lý khác nhau trong mô hình WRF-ARW (gồm sơ đồ đối lưu, sơ đồ vi vật lý mây và sơ đồ bức xạ trong khí quyển) và mổ phỏng cho 30 đợt mưa lớn trên toàn bộ lãnh thổ Việt Nam từ 2012-2014 trong đó điều kiện biên tái phân tích được sử dụng để cô lập ảnh hưởng của sai số điều kiện biên, qua đó xem xét độ nhạy của các sơ đồ tham số hóa vật lý trong mô hình đến kết quả dự báo mưa lớn. Kết quả cho thấy sơ đồ đối lưu Kain-Friscth thể hiện rõ ưu điểm thông qua hầu hết các chỉ số đánh giá so với sơ đồ đối lưu BMJ. Sự kết hợp giữa sơ đồ Kain-Fristch với sơ đồ vi vật lý mấy WSM (3 hoặc 5 hoặc 6 lớp) và sơ đồ bức xạ Dudhia cũng cho kết quả mô phỏng có kĩ năng nhất so với các tổ hợp còn lại.

+ Những kết quả đánh giá dự báo ở các hạn dài (2-3 ngày) cho thấy sự khác biệt giữa kết quả của các tổ hợp vật lý không nhiều so với hạn 24h (dao động của chỉ số ETS ở hạn 24h ~ 0.1 đến 0.15; hạn 48h ~ 0.05 đến 0.8; hạn 72h dưới 0.05). Điều này có nghĩa, đối với bài toán dự báo mưa lớn ở các hạn sau 24h cần phải tiếp tục khảo sát liên quan đến vấn đề động lực của mô hình khu vực và độ chính xác của điều kiện biên điều khiển.

3) Vấn đề giữa các mô hình khu vực:

+ Đề tài đã thực hiện dự báo 13 đợt mưa lớn năm 2014 bằng 5 mô hình khu vực phân giải cao gồm COSMO (7km), WRF-ARW (5km hạ quy mô từ 15km), WRF-NMM (5km hạ quy mô từ 15km), Moloch (5km, hạ qua môBolam 15km) và NHM (5km hạ quy mô từ 15km. Những kết quả đánh giá sai số giữa các mô hình tại hạn 24h, 48h và 72h cho thấy ở độ phân giải cao (5km), mô hình NHM cho kết quả tốt nhất tại hai hạn 24h và 72h với sai số ổn định hơn so với các mô hình còn lại. Đánh giá cho 3 hệ thống mô hình NHM, WRF-ARW và WRF-NMM khi hạ độ phân giải thì sai số giảm đi ở đa số các hạn sau 1 ngày. Ngoài ra, về cơ bản chưa thấy khả năng giảm sai số ở hạn 24h khi hạ độ phân giải và khá tương đồng với kết quả đã thử nghiệm về vai trò của độ phân giải với mô hình WRF-ARW. Điều này cho thấy tính phức tạp của bài toán hạ quy mô phù hợp với từng khu vực, khí hậu địa phương cần áp dụng.

4) Khả năng tăng cường mô phỏng và dự báo cho các hiện tượng thời tiết nguy hiểm ở độ phân giải cao dưới 5km:

+ Một số thử nghiệm tăng độ phân giải xuống 2-3km để đánh giá khả năng mô phỏng và dự báo hiện tượng dông và xoáy thuận nhiệt đới đã được thực hiện trong năm 2015 và 2016. Kết quả cho thấy khả năng cung cấp dự báo các hiện tượng quy mô đối lưu như dông và cấu trúc chi tiết của xoáy thuận nhiệt đới được miêu tả chi tiết hơn và rõ hơn trong ở độ phân giải 2-3km. Do hạn chế về mặt tính toán (thử nghiệm ở độ phân giải 2-3km với 50 mực thẳng đứng cần 15-20h tích phân thực tế trên hệ thống hiện tại của Trung tâm DBKTTVTƯ cho dự báo hạn 24h) nên cần thực hiện bổ sung các mẫu dự báo các hiện tượng quy mô nhỏ trong tương lai, qua đó đánh giá định lượng được hiệu quả của các mô hình chạy ở quy mô đối lưu (2-3km hoặc dưới 2km)

+ Thông qua chỉ số dự báo dông Kindex, các thử nghiệm trong những trường hợp có dông tại khu vực Hà Nội, Vinh và Đà Nẵng cho thấy tăng được hệ số tượng quan với quan trắc trong dự báo ở chế độ bất thủy tĩnh và bất thủy tĩnh phân giải cao (2/3 số trạm đánh giá). Mức độ tương quan giữa quan trắc và dự báo khoảng 0.5-0.6 khi xét trên toàn tập mẫu. Chỉ có sự khác biệt trong mẫu có dông giữa bất thủy tĩnh và thủy tĩnh, tuy nhiên giữa bất thủy tĩnh và bất thủy tĩnh-phân giải cao (hạ quy mô động lực không có tương tác 2 chiều) ít có sự khác biệt.

+ Trong bài toán dự báo bão và xoáy thuận nhiệt đới, các kết quả đánh giá dự báo quỹ đạo và cường độ bão từ năm 2012-2014 giữa mô hình toàn cầu GFS và mô hình WRF-ARW ở hai chế độ thủy tĩnh và bất thủy tĩnh cho thấy: trong các hạn 24h và 48h không có sự cải thiện về sai số quỹ đạo nhưng sai số cường độ được giảm đi ở chế độ bất thủy tĩnh so với thủy tĩnh. Khi sử dụng hệ thống lưới lồng hạ xuống độ phân giải 5km từ sản phẩm 15km (bất thủy tĩnh), sai số cường độ vẫn tiếp tục có khả năng được cải thiện từ 1-2m/s (trung bình tuyệt đối) so với ở độ phân giải 15km trong các năm thử nghiệm.

5) Vấn đề đồng hóa số liệu:

+ Đã kế thừa hệ thống đồng hóa số liệu WRFDA từ đề tài cấp NN do TS Bùi Minh Tăng làm chủ nhiệm trong việc đồng hóa số liệu địa phương tại Việt Nam và số liệu radar Doppler Đông Hà. Ngoài ra đề tài đã thử nghiệm bổ sung xử lý và đồng hóa thêm số liệu gió hướng tâm từ các quan trắc radar Doppler (Đông Hà, Tam Kỳ).

+ Đã tiếp nhận, thiết lập và thử nghiệm hệ thống đồng hóa động lực giảm dư Nudging số liệu radar cho hệ thống mô hình COSMO từ Tổng Cục khí tượng Đức, qua đó lần đầu tiên tận dụng được số liệu quan trắc từ các loại radar thế hệ cũ (chỉ cung cấp độ phản hồi tại các góc quét đơn) cho bài toán đồng hóa số liệu vào các mô hình khu vực tại Việt Nam

+ Đồng bộ hóa toàn bộ các loại số liệu quan trắc về định dạng bufr để sử dụng thống nhất trong cả hệ thống đồng hóa WRFDA và Nudging.

+ Thử nghiệm trong nghiệp vụ hệ thống đồng hóa biến phân WRFDA cho mô hình WRF-ARW cho thấy chưa có sự khác biệt thực sự khi sử dụng số liệu bề mặt của Việt Nam mặc dù sự thay đổi của trường ban đầu có thể lan lên các mực đến 500hPa trong mô hình trong các tháng mùa hè.

+ Đối với số liệu radar, các kết quả khảo sát với hệ thống COSMO sử dụng số liệu radar phía Bắc hoặc mô hình WRF-ARW đồng hóa số liệu Đông Hà cho thấy dự báo mưa của mô hình khá nhạy với sự thay đổi do đồng hóa radar mang lại và có thể ảnh hưởng đến thời hạn 48h dự báo.

6) Phương pháp thống kê sau mô hình:

Đề tài đã kế thừa và áp dụng phương pháp UMOS cho mô hình WRF-ARW ở hai chế độ thủy tĩnh và bất thủy tĩnh trong việc dự báo pha xảy ra mưa ở các ngưỡng khác nhau. Việc hiệu chỉnh sản phẩm dự báo từ mô hình khu vực WRF-ARW cho thấy khả năng hiệu chỉnh rất cao của phương pháp UMOS thay vì sử dụng trực tiếp dự báo của mô hình WRF và ở chế độ bất thủy tĩnh khả năng hiệu chỉnh cũng được tăng lên. Ở cấp mưa nhỏ và vừa, chế độ bất thủy tĩnh sau khi hiệu chỉnh UMOS cho kết quả tốt nhất trong khi ở các ngưỡng cao hơn mặc dù có cải thiện so với trực tiếp từ mô hình nhưng hiệu chỉnh UMOS của WRF-ARW-TT vẫn tốt hơn.

7) Vấn đề năng lực máy tính và đề xuất thực hiện thử nghiệm nghiệp vụ

+ Năng lực tính toán hiện tại chỉ đáp ứng cho việc thực hiện dự báo hạn 72h ở độ phân giải từ 12km-15km chạy trong thời gian thực (thực hiện hoàn thành trong khoảng 45p-60p) nên khả năng áp dụng các mô hình phân giải cao từ 5km đến 7km là hạn chế. Một trong những hạn chế chính của hệ thống tính toán hiện tại chính là tốc độ kết nối giữa các node tính toán với nhau (vẫn sử dụng công nghệ cũ, tốc độ tính toán giữa các node sử dụng kết nối ethernet ~ 1Gb so với hiện nay đã tiến đến Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương 52 khái niệm băng thông không giới hạn - infiniband ~ 40Gb) nên không thể tăng số cpu cho bài toán mô phỏng (càng tăng sẽ càng làm chậm tính toán đi).

+ Với năng lực nêu trên, chỉ có thể thực hiện từ 1-2 ốp dự báo ở độ phân giải cao và có độ trễ so với các sản phẩm toàn cầu từ 6h-10h và hạn dự báo đề xuất từ 48h cộng thêm thời gian trễ do tốc độ tính toán chưa đảm bảo (thiết lập dự báo đến 60h hoặc 72h và loại bỏ đi 12h đầu tiên để dự báo viên có thể tham khảo thêm sản phẩm phân giải cao).

+ Căn cứ vào thời gian tính toán và thời gian thu nhận các loại số liệu điều kiện biên khác nhau, Đề tài đã đưa vào thử nghiệm nghiệp vụ 02 mô hình: i) WRF-ARW chạy ở chế độ bất thủy tĩnh phân giải 15km bao phủ toàn bộ Việt Nam và Biển Đông và độ phân giải cao 5km bao phủ toàn bộ Việt Nam (ngày chạy 01 ốp dự báo 12z), ii) COSMO ở chế độ bất thủy tĩnh phân giải 7km bao phủ toàn bộ Việt Nam và Biển Đông (ngày chạy 01 ốp dự báo 12z).

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 13806/2017) tại Cục Thông tin KH&CN QG.

Đ.T.V (NASATI)