Nghiên cứu khả năng sử dụng phương pháp động lực xoáy thế và xây dựng bộ công cụ dự báo dông, mưa lớn ở khu vực Bắc Bộ

Trong dự báo nghiệp vụ, vấn đề dự báo mưa lớn và dông cũng như bài toán dự báo định lượng mưa là một bài toán vô cùng khó và cấp thiết không chỉ ở Việt Nam, mà còn của nhiều nước có nền khoa học công nghệ tiến tiến như Mỹ, Đức, Nhật Bản. Bên cạnh phương pháp sy-nốp truyền thống cho dự báo mưa định tính, dự báo định lượng mưa bằng mô hình số cho đến nay đã trở thành công cụ tham khảo chính tại nhiều trung tâm dự báo lớn trên thế giới. Các nghiên cứu phát triển về lý thuyết cũng như ứng dụng dự báo QPF chủ yếu vẫn chỉ quan tâm đến các khu vực ngoại nhiệt đới (như ở Châu Âu và Mỹ), trong khi dự báo thời tiết nói chung và QPF nói riêng ở nhiệt đới bằng phương pháp số còn rất nghèo nàn.

Đối với khu vực nhiệt đới dự báo thời tiết nói chung, dự báo mưa, dông và định lượng mưa nói riêng càng phức tạp hơn và đang được các nhà khí tượng Việt Nam và các nước vùng nhiệt đới đầu tư nghiên cứu đặc biệt mạnh bằng nhiều phương pháp và công nghệ tiên tiến. Trong công tác dự báo khí tượng thủy văn (KTTV), mưa lớn chính là một hiện tượng thời tiết nguy hiểm rất dễ dẫn đến lũ quét, lũ ống, sạt lở đất; mưa dông có thể kèm theo lốc, sét, mưa đá và mưa lớn cũng là một thiên tai cần được cảnh báo, dự báo sớm. Vì vậy, công tác dự báo mưa lớn, mưa dông luôn luôn được quan tâm và đầu tư tại nhiều quốc gia trên thế giới và tại Việt Nam. Dự báo mưa lớn tương đối chính xác là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu đảm bảo độ chính xác của bài toán dự báo thủy văn, góp phần nâng cao hiệu quả phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai. Những nghiên cứu trước đây cho thấy mưa lớn ở Bắc Bộ thường gắn liền với một số hình thế thời tiết điển hình như bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa Đông Bắc, gió mùa Tây Nam, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), các nhiễu động gió Đông nhiệt đới và gió Tây cận nhiệt đới tầng cao… Tuy nhiên việc nghiên cứu, đánh giá cấu trúc theo không gian, diễn biến theo thời gian và các đặc trưng nhiệt động lực của các tác nhân gây mưa lớn ở Bắc Bộ lại chưa được làm rõ.

Nhằm xác định được đặc điểm xoáy thế trước, trong và sau khi xảy ra mưa lớn và dông ở khu vực Bắc Bộ; xây dựng được mối quan hệ giữa xoáy thế với mưa lớn và dông ở khu vực Bắc Bộ; xây dựng được bộ công cụ dự báo định lượng và xác suất mưa lớn và dông cho khu vực Bắc Bộ sử dụng xoáy thế, nhóm nghiên cứu Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn quốc gia Tổng cục khí tượng thủy văn do TS. Hoàng Phúc Lâm làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng sử dụng phương pháp động lực xoáy thế và xây dựng bộ công cụ dự báo dông, mưa lớn ở khu vực Bắc Bộ”.

Nghiên cứu này đã sử dụng số liệu tái phân tích ERA-Interim của Trung tâm Dự báo Hạn vừa Châu Âu (ECMWF) với độ phân giải 0.75 độ (khoảng 80 km) để phân tích các đặc trưng phân bố theo không gian và diễn biến theo thời gian của xoáy thế cũng như các đặc trưng nhiệt động lực khác như xoáy tương đối, nhiệt độ thế vị tương đương, độ ẩm, gió và tốc độ thẳng đứng… của khí quyển trên khu vực Bắc Bộ và lân cận trong thời gian trước, trong và sau khi xảy ra mưa lớn, mưa dông trên khu vực Bắc Bộ.

Trong khuôn khổ thuyết minh thực hiện, đề tài này đạt được 02 mục tiêu đó là:

(1) Xác định đặc điểm xoáy thế trước, trong và sau khi xảy ra mưa lớn và dông ở khu vực Bắc Bộ.

(2) Xây dựng bộ công cụ dự báo định lượng và xác suất mưa lớn và dông cho khu vực Bắc Bộ sử dụng các chỉ số bất ổn định của khí quyển và xoáy thế.

Kết quả nghiên cứu về đặc điểm phân bố, diễn biến và cấu trúc thẳng đứng khi có mưa lớn và dông ở Bắc Bộ đã chỉ ra rằng:

-  Mưa lớn trong mùa hè ở khu vực Bắc Bộ thường chịu ảnh hưởng của các hệ thống đối lưu quy mô vừa như các xoáy thấp, áp thấp nhiệt đới và bão; trong khi đó nguyên nhân phổ biến gây ra các ngày mưa lớn trong mùa đông ở Bắc Bộ là sự xuất hiện của gió mùa đông bắc ở tầng thấp kết hợp với đới gió tây nam mạnh trên tầng khí quyển giữa và khí quyển trên cao;

-  Vùng mưa lớn trong mùa đông ở Bắc Bộ thường trải rộng theo phương vĩ tuyến, từ Bắc Bộ kéo sang phần phía nam của Trung Quốc; trong khi đó trong mùa hè, vùng mưa lớn thường “tròn” hơn, tập trung chủ yếu tại khu vực Bắc Bộ.

- Khối không khí ở Bắc Bộ trong thời gian xảy ra mưa lớn có nhiệt độ thế vị tương đương cao hơn hẳn so với xung quanh và thường được hoàn lưu gió đông nam đưa từ vịnh Bắc Bộ vào khu vực đất liền trong mùa hè và được khối không khí lạnh từ Trung Quốc đẩy xuống khu vực Bắc Bộ trong mùa đông.

- Các đặc trưng khí quyển ở tầng đối lưu giữa có vai trò quan trọng trong phân tích và dự báo mưa lớn cho khu vực Bắc Bộ. Cụ thể, thường tồn tại một cực đại xoáy thế quanh mực 330K (tương đương 500 mb) trước, trong và kéo dài 1-2 ngày sau khi có mưa lớn. Vùng xoáy thế cực đại này thường di chuyển từ đông sang tây và làm cho lượng mưa tăng lên ở rìa phía trước (phía tây) của vùng cực đại xoáy thế.

- Các kết quả phân tích dựa trên xoáy thế trên mực đẳng nhiệt độ thế vị thể hiện ưu thế hơn trường độ cao địa thế vị hay xoáy tương đối trên mực đẳng áp, đặc biệt là trên mực 330 K đối với mưa lớn trong mùa hè. Ngoài ra, đề tài cũng cho thấy được vai trò và ý nghĩa của các chỉ số bất ổn định trong phân tích và dự báo dông.

- Đối với dông ở Bắc Bộ trong mùa đông, kết qua phân tích cho thấy mưa dông thường trùng với các đợt mưa lớn. Nguyên nhân gây ra mưa dông và mưa lớn trong mùa đông ở Bắc Bộ là sự tác động của không khí lạnh ở tầng thấp kết hợp với dòng xiết gió tây trên tầng đối lưu giữa. Trên mực 330 K, so với TBNN thì vị trí trục áp cao cận nhiệt đới cao hơn về phía bắc, tạo ra trường gió tây nam trên khu vực Bắc Bộ chứ không thuần 22 túy là trường gió tây như TBNN. Xoáy thế trên khu vực Bắc Bộ trong những ngày có dông thường có xu hướng lớn hơn trung bình, tuy nhiên chênh lệch là không nhiều.

- Đối với dông ở Bắc Bộ trong mùa hè, các phân tích trường xoáy thế trên mực đẳng nhiệt độ thế vị hay trường độ cao địa thế vị và trường gió trên mực đẳng áp đều cho thấy: Đa số các trận mưa dông trong mùa hè ở khu vực Bắc Bộ có liên quan đến sự tăng cường và dịch sang phía tây của áp cao cận nhiệt đới tạo nên một rãnh áp thấp có trục tây bắc – đông nam cùng với hoàn lưu gió đông nam ở tầng thấp và tầng đối lưu giữa trên vịnh Bắc Bộ và phía đông Bắc Bộ

- Đề tài đã xây dựng được bộ công cụ dự báo xác suất và định lượng mưa lớn, dông cho khu vực Bắc Bộ sử dụng đầu vào là xoáy thế, các chỉ số bất ổn định của khí quyển và các đặc trưng nhiệt động lực khác như xoáy tương đối, nhiệt độ thế vị tương đương, gió và độ ẩm dựa trên phương pháp hồi quy lô-gic và hồi quy tuyến tính đa biến. Các dự báo xác suất và định lượng mưa lớn, dông cho khu vực Bắc Bộ với các thời hạn 24, 48 và 72 giờ dựa trên phương pháp Dự báo hoàn hảo và đầu ra của 3 mô hình toàn cầu là IFS, GFS và GSM. Các kết quả dự báo xác suất và dự báo pha mưa lớn, pha dông có chất lượng tốt, có thể tham khảo trong nghiệp vụ, tuy nhiên tỷ lệ cảnh báo không (FAR) còn khá cao, đặc biệt đối với dự báo dông.

- Dự báo định lượng mưa và định lượng mưa dông còn có sai số lớn, đặc biệt đối với các lượng mưa xấp xỉ 100mm/ngày. Tuy nhiên, các kết quả đánh giá cho thấy đối với dự báo định lượng mưa cho khoảng lượng mưa 50-70mm/ngày có chất lượng tốt, có thể sử dụng trong nghiệp vụ. Những công cụ và sản phẩm của đề tài đã tạo ra được một cơ sở khoa học vững chắc cho việc ứng dụng xoáy thế và phương pháp động lực xoáy thế trong dự báo mưa lớn, mưa dông ở khu vực Bắc Bộ. Cơ sở khoa học của phương pháp động lực xoáy thế và các cơ chế động lực trong dự báo mưa lớn, dông ở Bắc Bộ đã được ứng dụng trên các sản phẩm đầu ra của các mô hình toàn cầu độ phân giải cao (GSM, GFS, IFS) để giúp các dự báo viên hiểu rõ hơn điều kiện nhiệt động lực của khí quyển hiện tại cũng như dự báo trong 24, 48 và 72 giờ tiếp theo. Cơ sở khoa học và những kiến thức về phương pháp động lực xoáy thế còn giúp dự báo viên điều chỉnh các kết quả dự báo mưa và các chỉ số bất ổn định của mô hình số trị. Đề tài đã đạt được những mục tiêu và nội dung đề ra, qua đó xây dựng được cơ sở khoa học và ứng dụng xây dựng được một bộ công cụ dự báo mưa lớn, dông cho khu vực Bắc Bộ sử dụng xoáy thế và các đặc trưng nhiệt động lực khác.

Kết quả thử nghiệm và đánh giá cho thấy bài toán dự báo dông là một bài toán khó, sai số còn lớn. Cụ thể, thứ nhất, dự báo pha dông còn có tỷ lệ canh báo khống lớn mặc dù mô hình đã được xây dựng chi tiết cho từng mùa, từng khoảng thời gian trong ngày (dông ngày và dông đêm). Dự báo định lượng mưa dông còn sai số lớn. Do đó, cần có các nghiên cứu chi tiết hơn cho các khu vực quy mô nhỏ, ví dụ từng khu vực quận, huyện ở Hà Nội thay vì dùng 1 trạm đặc trưng cho toàn tỉnh/thành phố. Phương pháp hồi quy lô-gic dự báo xác suất mưa lớn và dông cho kết quả tốt trên khu vực Bắc Bộ. Đây cũng là phương pháp được sử dụng nhiều trong học máy (machine learning), do đó đề tài kiến nghị nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn nữa phương pháp này trong dự báo thời tiết nói riêng và ứng dụng công nghệ 4.0 trong khí tượng nói chung. Dự báo định lượng mưa lớn đã thể hiện được ưu điểm đối với lượng mưa xấp xỉ 50 mm/ngày nhưng với lượng mưa cực trị, xấp xỉ và trên 100 mm/ngày còn chưa dự báo được. Chính những sự kiện mưa cực trị này lại gây ra sai số rất lớn cho mô hình. Do đó, cần có các nghiên cứu riêng cho các trường hợp mưa cực trị trên 100mm hoặc lớn hơn phân vị để xác định được nguyên nhân gây mưa lớn, góp phần hiệu chỉnh các dự báo định lượng của mô hình số trị cũng như mô hình thống kê.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18897/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)