Các điều kiện khí hậu vào tháng sau, mùa sau hay năm sau luôn được quan tâm khi con người đề ra những kế hoạch dài hạn trong sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp, trong kinh tế, xây dựng, du lịch,… Mức độ thành công của những hoạt động xã hội này phụ thuộc rất nhiều vào việc mùa sau sẽ nóng hay lạnh hơn, mưa nhiều hay ít hơn, hạn hán hay lũ lụt có thể xảy ra do những sản phẩm sản xuất ra có thích hợp với khí hậu khi đó hay không. Như ta đã biết, đây chính là mục đích của bài toán dự báo khí hậu hạn mùa. Từ khóa: hải dương học, môi trường biển, hệ sinh thái biển, kỹ thuật bờ biển, khí tượng
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
HỒ THỊ MINH HÀ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG MÙA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ THỐNG KÊ
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC
HÀ NỘI - 2008
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
- -
HỒ THỊ MINH HÀ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG MÙA CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ THỐNG KÊ
Chuyên ngành: Khí tượng học
Mã số: 62.44.87.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1 PGS TS Nguyễn Hướng Điền
2 GS TS Nguyễn Văn Hữu
HÀ NỘI - 2008
Trang 3Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tác giả luận án
Hồ Thị Minh Hà
Trang 4Lời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS
TS Nguyễn Hướng Điền, Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học và GS TS Nguyễn Văn Hữu, Khoa Toán-Cơ-Tin học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên, Hà Nội Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới hai nhà khoa học đã hết lòng động viên, tận tình giúp đỡ và quan tâm tới từng bước nghiên cứu của luận án
Để thực hiện luận án, tác giả đã được giúp đỡ về thời gian và điều kiện nghiên cứu thuận lợi từ Ban Chủ nhiệm Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học
và Bộ môn Khí tượng, nơi tác giả được hỗ trợ về trang thiết bị tính toán và lưu trữ
số liệu
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS TSKH Kiều Thị Xin đã chỉ dẫn những bước đi đầu tiên của tác giả đến với bài toán mô hình hóa khí hậu khu vực - vấn đề khoa học còn mới mẻ trong nước và tạo điều kiện cho tác giả tham gia
đề tài khoa học để phát triển năng lực nghiên cứu
Lời tri ân tác giả muốn gửi tới các nhà khoa học GS TS Trần Tân Tiến, PGS TS Phan Văn Tân, GS TSKH Nguyễn Đức Ngữ, PGS TS Hoàng Xuân Cơ, PGS TS Nguyễn Văn Tuyên, PGS TS Phạm Văn Huấn, PGS TS Phạm Vũ Anh, TSKH Nguyễn Duy Chinh, PGS Nguyễn Đăng Quế, thầy Trần Công Minh, TS Nguyễn Văn Thắng, TS Hoàng Đức Cường, Ths Vũ Thanh Hằng và một số nhà khoa học khác đã góp ý chân tình và xây dựng về những nội dung nghiên cứu của luận án
Thành công của luận án đạt được cũng là nhờ sự giúp đỡ về số liệu cũng như hướng dẫn sử dụng hệ thống máy tính và đồ họa của các đồng nghiệp trong Bộ môn Khí tượng và sự đóng góp ý kiến nhiệt tình của Chi Đoàn cán bộ Khoa Khí tượng-Thủy văn-Hải dương học Tác giả xin cám ơn tất cả bạn bè và đồng nghiệp
Tác giả sẽ không bao giờ quên sự quan tâm, chăm sóc, sẻ chia buồn vui và giúp đỡ qua bao khó khăn của người bạn đời
Lòng biết ơn sâu nặng nhất của tác giả xin gửi về cha mẹ, những người đã ban cho tác giả cuộc sống, dưỡng nuôi suốt thời thơ ấu và định hướng khoa học là con đường theo đuổi suốt đời của tác giả
Trang 5Mục lục
Lời cam đoan 1
Lời cảm ơn 2
Mục lục 3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 5
Danh mục hình ảnh 7
Danh mục các bảng 13
Mở đầu 15
Chương 1 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ DỰ BÁO KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH SỐ TRỊ 18
1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 21 1.1.1 Tại sao cần dự báo khí hậu khu vực bằng mô hình RCM? 21
1.1.2 Những nghiên cứu ứng dụng RCM vào dự báo khí hậu khu vực 26
1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 32 1.3 Những nghiên cứu về thống kê hiệu chỉnh sản phẩm mô hình số 35 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA KHÍ HẬU KHU VỰC VÀ PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SẢN PHẨM MÔ HÌNH SỐ (MOS) 38
2.1 Phương pháp mô hình hóa khí hậu khu vực ứng dụng vào mô hình RegCM3 39 2.1.1 Động lực học 39
2.1.2 Các thành phần vật lý trong RegCM3 45
2.2 Phương pháp thống kê sản phẩm mô hình số 66 2.2.1 Các phương pháp đánh giá thống kê mô hình khí hậu 66
2.2.2 Phương pháp luyện mạng thần kinh nhân tạo ANN 70
Trang 6
2
1
n
i
e
A e
x x
=
∂
=
∂ ∂
∑ (B5)
Bây giờ ta xác định công thức lặp Giả sử tại bước lặp thứ k, ta đã biết x k, ta cần
xác định x k+1 Xét khai triển Taylor của hàm nhiều biến J F (x k+1) :
2
T
J x + = J x +⎡⎣x + −x ⎤⎦ H x +o (B6)
trong đó o(2) ký hiệu các vô cùng bé bậc 2 Điểm cực tiểu là điểm có các đạo hàm riêng cấp 1 bằng 0, tức là Jacobian J F bằng 0 Nếu bỏ qua vô cùng bé bậc 2 thì ta cần chọn x k+1
sao cho:
J x +⎡⎣x + −x ⎤⎦ H x = (B7)
Sử dụng (B3) và (B4) thay vào (B7), chú ý tính đối xứng của ma trận Hessian, ta
có công thức của bước lặp (thế hệ) thứ k:
( )
trong đó các ký hiệu k ở bên trên chỉ các giá trị được tính tại bước lặp (thế hệ) thứ k Từ
(B5) ta thấy rằng muốn tính được (B8) thì phải tính các đạo hàm cấp 2 Việc tính các đạo
hàm cấp 2 rất khó Vì vậy Levenberg-Marquardt thay ma trận A bởi ma trận đường chéo
có trọng số thay đổi được Lúc đó (B8) được sửa thành:
( ( ) ) 1( )
x + = x − J J +μ I − J e (B9)
với I là ma trận đơn vị còn μk là một tham số có thể thay đổi một cách thích hợp Với chú
ý rằng J e T e là gradient, so sánh x k+1=x k −αk g k và (B9) ta thấy rằng bước tiến αk được
thay bằng ((J e k)T J e k+μkI -1 Bước tiến này thay đổi theo từng bước lặp Tại những vị trí có
đạo hàm riêng J ek lớn thì bước tiến bé Ta có thể hiểu vấn đề một cách hình tượng là một đường rất dốc nếu có bước tiến dài thì ta có thể vượt qua chỗ trũng và không hội tụ đến được điểm cực tiểu Ngoài ra, trong thuật toán Levenberg-Marquardt, tham số μ được điều chỉnh sao cho hàm sai số giảm Tại mỗi bước mà hàm sai số nhỏ đi thì μ sẽ được giảm đi để tăng bước tiến Ngược lại nếu hàm sai số tăng lên, tức là bước tiến quá lớn thì
μ được tăng lên để giảm bước tiến cho tới khi giảm được hàm sai số Như vậy vấn đề của
Trang 7thuật toán còn lại là tính ma trận Jacobian Ma trận Jacobian được tính bằng phương pháp đạo hàm hàm hợp Từ (2.80) ta có các đạo hàm riêng sau:
1
' , 1 1 ' ' 1
N
e e a n a a n
LW a n a n n LW
e
f LW f f a a
−
∂
=
∂
(B10)
1
1 1 ' , 1 1 ' '
N
e e a n a a n
b a n a n n b
e
f LW f f a
−
− −
− −
=
∂
=
∂
(B11)
1 1 1
' , 1 1 ' 1 '
N
e e a n a a n
IW a n a n n IW
e
f LW f f p a
−
− −
− −
∂
=
∂
(B12)
trong đó dấu phẩy ở trên ký hiệu đạo hàm của các hàm truyền Để lập trình, các công thức (B10), (B11) và (B12) được viết dưới dạng quy nạp (B13)
( )
( ) ( )
'
'
'
1 1,
'
, 1
,
N
e
ga gn ga f
a
ga gn LW gn ga f
ga gn LW gn ga f
ga gn LW gn ga f
e e e
gn a gn gn p
LW b IW
+ +
−
−
∂
∂
(B13) Biểu thức quy nạp (B13) cho ta tính tất cả các đạo hàm riêng theo trọng số đầu vào
IW , theo trọng số lớp LW và theo b, như vậy là ta tính được ma trận Jacobian J và có thể
tiến hành lặp theo thuật toán Levenberg-Marquardt