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

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: Auto

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

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

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 7

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 14

1.1 Bão hoạt động trên biển Đông và ảnh hưởng đến Việt Nam 14

1.2 Tình hình nghiên cứu xác định cường độ bão bằng phương pháp Dvorak trên thế giới và Việt Nam 15

1.2.1 Trên thế giới 15

1.2.2 Tại Việt Nam 20

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP ADT VÀ SỐ LIỆU THỬ NGHIỆM 23

2.1 Phương pháp ADT 23

2.1.1 Những cải tiến của phương pháp ADT 23

2.1.2 Sơ đồ phân tích trong phương pháp ADT 27

2.2 Số liệu thử nghiệm 34

CHƯƠNG III: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CỦA PHƯƠNG PHÁP DVORAK CẢI TIẾN (ADT) 37

3.1 Phương pháp đánh giá 37

3.2 Đánh giá sai số ví trị và cường độ bão giữa ADT và Best track Việt Nam theo dạng mây bão 39

3.2.1 Sai số vị trí 39

3.2.2 Sai số cường độ 39

3.3 Đánh giá sai số ví trị và cường độ bão giữa ADT và best track Việt Nam theo phân chia cấp bão 43

3.3.1 Sai số vị trí 44

3.3.2 Sai số cường độ 44

3.4 Đánh giá sai số giữa ADT, phương pháp Dvorak cổ điển và best track Việt Nam và cho hai cơn bão điển hình trên biển Đông 47

3.4.1 Cơn bão số 2 (Rammasun) năm 2014 47

3.4.2 Cơn bão số 6 (Megi) năm 2010 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

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

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

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

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Sơ đồ phát triển của phương pháp Dvorak theo thời gian 16 Hình 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 Hình 2.2: Sơ đồ mô tả các bước phân tích tâm, cường đô ̣ XTNĐ sử du ̣ng trong phương pháp ADT 27 Hình 2.3: Sơ đồ phân tích mẫu mây bão trong phương pháp ADT 29 Hình 2.4: Ví dụ về 5 loại mây bão: SHEAR, CRVBND, EMBC, IRRCDO và UNIFRM sử dụng trong phương pháp ADT 30 Hình 2.5: Ví dụ về 3 loại mây bão có dạng mắt trong phương pháp ADT 31 Hình 2.6: Sơ đồ ước tính cường độ bão trong phương pháp ADT 31 Hình 2.7: Ví dụ về kết quả đầu ra của phương pháp ADT khi tâm bão chưa đổ bộ vào đất liền 33 Hình 2.8: Ví dụ kết quả đầu ra của phương pháp ADT khi tâm bão trên đất liền 33 Hình 2.9: Mười bước xác định cường độ XTNĐ bằng phương pháp Dvorak 35 Hình 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 Hình 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 Hình 3.3: Tương tự hình 3.2 cho trị số khí áp thấp nhất 41 Hình 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 Hình 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

Hình 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 Hình 3.7: Diễn biến của bão số 2 (Rammasun) năm 2014 47 Hình 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 Hình 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 Hình 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 Hình 3.11: Diễn biến của bão số 6 (Megi) năm 2010 52 Hình 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 Hình 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 Hình 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 Hình 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 Hình 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

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

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

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

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

vâ ̣y 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

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 mô ̣t 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

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

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

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

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

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

1.2.2 Tại Việt Nam

Hiện nay, trong nghiệp vụ dự báo bão tại Việt Nam, việc phân tích vị trí và cường độ bão được thực hiện dựa trên việc phân tích ảnh mây vệ tinh bằng phương pháp Dvorak cổ điển và thông qua việc tổng hợp thông tin các nguồn phân tích và dự báo của các trung tâm quốc tế trên thế giới Vấn đề ứng dụng ảnh mây vệ tinh cũng như phương pháp Dvorak cổ điển tại Việt Nam có quá trình tiến triển như sau:

Từ những năm 1980, mặc dù chưa có trạm thu ảnh vệ tinh phân giải cao như hiện nay nhưng các bức ảnh đầu tiên từ thế hệ vệ tinh địa tĩnh đã được đưa vào sử dụng trong nghiệp vụ phân tích bão và mưa lớn Những nghiên cứu đầu tiên phải kể đến các công trình của tác giả Trần Đình Bá năm 1983, 1985 [1, 2] trong việc ứng dụng vào nghiệp vụ phân tích bão từ các phân tích ảnh vệ tinh Tác giả cũng đã có những nghiên cứu ban đầu về cấu trúc mây bão Biển Đông và kiểm chứng với 5 dạng mây cơ bản tương tự như những kết quả nghiên cứu của Dvorak đã công bố năm 1984 [12] Tác giả Trần Đình Bá cũng đưa ra trong nghiên cứu về đặc điểm mây bão trên Biển Đông với các mẫu mây dạng tương tác với không khí lạnh Bên cạnh đó, nhờ những kết quả bước đầu xử lý số ảnh vệ tinh, tác giả Trần Đình Bá đã bước đầu nghiên cứu mối quan hệ giữa nhiệt độ đỉnh mây trên ảnh hồng ngoại nhiệt với vùng mưa lớn Nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ giữa vùng mưa lớn với vùng có nhiệt độ đỉnh mây nhỏ hơn -25 độ C

Từ năm 1997, trạm thu ảnh vệ tinh GMS-5 phân giải cao được lắp đặt tại Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia đã mở ra một bước ngoặt lớn trong sử dụng ảnh vệ tinh tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương Ngay sau thời gian đó các phần mềm phân tích ảnh mây đã được đưa vào ứng dụng trong phân tích ảnh Một

trong những ứng dụng cần thiết của phần mềm phân tích ảnh đó là hỗ trợ cho các tính toán xác định tâm, cường độ xoáy thuận nhiệt đới Trong vài năm tiếp theo, việc xác định tâm và cường độ được thực hiện một cách định tính dựa trên các mẫu mây bão, ATNĐ (gọi chung là XTNĐ)

Tới năm 2006, nghiên cứu “Ứng dụng thông tin vệ tinh xác định vị trí tâm bão, cường độ bão phục vụ dự báo bão, dự báo mưa” do Nguyễn Văn Thắng và cộng sự (2009) [6] thực hiện Trong đó, mục tiêu đầu tiên của dự án hướng tới việc đưa vào ứng dụng kỹ thuật Dvorak vào nghiệp vụ xác định tâm và cường độ của xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) bằng ảnh mây vệ tinh Quá trình nghiên cứu đã áp dụng thử nghiệp phương pháp cho các cơn bão hoạt động trên biển Đông từ năm 1997 - 2006 và cho kết quả khả quan Năm 2008 tới 2010 là quá trình vận hành thử nghiệm và hoàn thiện quy trình xác định tâm và cường độ XTNĐ tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương Hiện tại, quy trình này vẫn đang được sử dụng nghiệp vụ dự báo bão, ATNĐ

Cho tới nay, các ứng dụng kỹ thuật Dvorak (DT) vẫn được coi là duy nhất trong phân tích XTNĐ bằng ảnh mây vệ tinh ở Việt Nam cũng như trên thế giới Quá trình thực hiện nhiệm vụ tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương còn gặp nhiều khó khăn, trước tiên phải kể đến việc nhận định và tính toán cường độ trong giai đoạn ban đầu của XTNĐ hết sức khó khăn, bởi mẫu mây không rõ ràng dẫn tới sai số cao khi phân tích Đặc biệt là những trường hợp một ATNĐ bắt đầu hình thành ngay ngoài khơi Trung Bộ hoặc ngay trên vịnh Bắc Bộ Khó khăn thứ hai là những mẫu mây XTNĐ có dạng tương tác đặc biệt với các hệ thống thời tiết khác như rãnh gió tây trên cao, gió mùa đông bắc Các mẫu mây này khi xuất hiện người phân tích

sẽ gặp khó khăn trong việc tính toán đo đạc các chỉ số dựa trên mẫu mây tiêu chuẩn của kỹ thuật Dvorak Khó khăn thứ ba là việc quy đổi giá trị Tnumber tính toán từ kỹ thuật Dvorak dựa trên mẫu mây XTNĐ ra giá trị áp suất nhỏ nhất (Pmin) và tốc độ gió cực đại (Vmax) chưa thực sự phù hợp với các XTNĐ hoạt động trên biển Đông Trong một số trường hợp, kết quả tính toán quy đổi từ kỹ thuật Dvorak đã cho kết quả XTNĐ mạnh hơn thực tế dựa trên số liệu bão chuẩn (best track)

CHƯƠNG II: PHƯƠNG PHÁP ADT VÀ SỐ LIỆU THỬ NGHIỆM

2.1 Phương pháp ADT

2.1.1 Những cải tiến của phương pháp ADT

Phương pháp ADT (và các phương pháp trước đó ODT và AODT) đã cố gắng làm giảm bớt những hạn chế được tìm ra trong phương pháp Dvorak và các thuật toán khách quan trước đó dựa trên cơ sở các phương pháp được phác họa bởi Dvorak Phương pháp ADT hiện tại sử dụng sơ đồ xác định tâm bão khách quan và logic xác định mẫu hình mây để loại bỏ tính chủ quan trong quá trình xử lý việc ước tính cường

độ Nó có thể được áp dụng cho tất cả các giai đoạn của vòng đời XTNĐ ADT là một công cụ mạnh để xác định cường độ bão nhưng dễ sử dụng, ước tính độ chính xác ngang bằng với các ước tính của các nhà dự báo có kinh nghiệm sử dụng kỹ thuật Dvorak cổ điển

Mục tiêu ban đầu của việc tạo ra thuật toán Dvorak khách quan là bắt chước phương pháp gốc (DT) nhiều nhất có thể Tuy nhiên, với sự phát triển gần đây, nhiều phương pháp, quy tắc và các điều chỉnh dựa trên các thống kê khác nhau đã được thực hiện với nhiều khác biệt so với các phương pháp DT cơ bản Hiện nay phiên bản mới nhất của thuật toán này là phương pháp Dvorak cải tiến Thuật ngữ cải tiến trong trường hợp này bao gồm việc tự động hóa phương pháp DT thành một phương pháp hoàn toàn khách quan Những bổ sung và sửa đổi của ADT so với phương pháp ODT được đưa ra bởi Velden và các cộng sự (1998) [18] như sau:

- Mở rộng phạm vi phân tích các giai đoạn ATNĐ hay bão nhiệt đới trong một vòng đời của XTNĐ

- Thêm phân loại các dạng mẫu mây và mắt bão mới

- Điều chỉnh sơ đồ xác định cường độ với dạng mắt và dạng CDO

- Thay đổi bước 9 của DT (đánh giá cường độ CI)

- Thay đổi bước 8 của DT (đưa ra số Tnumber cuối cùng)

- Thực hiện những liên kết mới phụ thuộc vào từng tình huống và mẫu mây khác nhau

- Điều chỉnh sơ đồ xác định nhiệt độ khu vực xung quanh vùng mây (trung bình vòng tròn lạnh nhất thay vì nhiệt độ điểm nóng nhất trên vòng tròn)

- Điều chỉnh sơ đồ xác định loại mây

- Thực hiện các cải tiến về kỹ thuật xác định tâm bão tự động

- Điều chỉnh sai số áp suất mực nước biển (MSLP) theo vĩ độ

- Thêm sơ đồ xác định bán kính gió cực đại (RMW)

- Thêm bản đồ mới và tự động hóa dự báo

- Lựa chọn tùy biến cho đầu ra

Trong hầu hết các trường hợp, việc thực hiện một quy tắc mới hay việc điều chỉnh một trong các quy tắc của kỹ thuật DT phải được thực hiện trước bởi quá trình phân tích thống kê nghiêm ngặt Bao gồm việc phân tích chi tiết ảnh hưởng của những điều chỉnh được đưa ra đối với mỗi giai đoạn của bão (hình thành, trưởng thành hay tan rã), các loại mẫu hình ADT đưa ra phải được đánh giá chi tiết thông qua một chu trình của bão (từ vùng thấp cho đến giai đoạn bão mạnh)

Ngoài những thay đổi về mặt phương pháp, kỹ thuật ADT cũng cải tiến hơn

so với kỹ thuật DT gốc bằng cách đưa thêm những khái niệm mới Như việc điều chỉnh ước tính cường độ áp suất mực nước biển (MSLP) của XTNĐ dựa trên vĩ độ của XTNĐ Việc điều chỉnh này được thực hiện sau khi sai số phụ thuộc vĩ độ đã được ghi chép lại trong các đánh giá theo phương pháp DT đối với áp suất mực nước biển (MSLP) (Kossin và Velden, 2004) [13] Nghiên cứu đã chỉ ra rằng sai số này có liên quan đến độ nghiêng của đỉnh tầng đối lưu và sự thay đổi trong cách đo nhiệt độ đỉnh mây trên kênh hồng ngoại tương ứng so với vĩ độ Sự điều chỉnh này chỉ được

áp dụng để ước tính cường độ trong một số trường hợp đặc biệt, ví dụ trường hợp dạng mắt, dạng mây phủ tâm (CDO) và dạng tâm nhúng đĩa mây được tính toán sử dụng thông tin nhiệt độ đỉnh mây từ kênh hồng ngoại kỹ thuật số Việc hiệu chỉnh sai

số này góp phần trong việc làm giảm sai số ước tính áp suất mực nước biển (MSLP) trong phương pháp ADT, đặc biệt trong suốt giai đoạn tan rã của bão (nhất là khi cơn bão ở các vĩ độ cao)

Những điều chỉnh về sơ đồ xác định cường độ đối với dạng mắt và dạng CDO dựa trên các phương trình hồi quy cũng là một cải tiến quan trọng khác của phương pháp ADT Các phương trình liên quan tới một vài tham số môi trường đo, chẳng hạn như tính đối xứng của vùng mây đối lưu, kích thước vùng mây, hiệu số giữa nhiệt độ vùng mắt bão và nhiệt độ vùng mây xung quanh Các tham số lựa chọn này được xác định từ phân tích hồi quy mở rộng của các biến giữa vùng mắt và vùng mây xung quanh Độ chính xác tương quan được cải thiện đáng kể với việc sử dụng các phương trình hồi quy mới so với các kỹ thuật trước đó, chỉ dựa vào các giá trị nhiệt độ mắt bão và vùng mây xung quanh (trên cơ sở phương pháp DT) Khi so sánh với những

đo đạc về cường độ của các thám sát từ máy bay, các ước tính cường độ đạt được với phương trình CDO mới đã làm gia tăng mối tương quan từ 0.28 đến 0.50, trong khi các ước tính cường độ với phương trình mắt bão mới cho mối tương quan tăng từ 0.62 đến 0.70 [13] Thêm vào đó, trường hợp mắt bão bị mờ hoặc không rõ đã lỗi thời trong phương pháp mới này và đã bị loại trừ

Trong các trường hợp mắt bão rất nhỏ, gọi là “lỗ kim” được xác định trên kênh ảnh hồng ngoại của vệ tinh địa tĩnh với độ phân giải 4 km, nhưng có thể quan sát được trên các kênh có độ phân giải cao hơn như trên ảnh thị phổ Đây là các trường hợp điển hình dẫn đến kết quả ước tính cường độ thấp hơn đáng kể của thuật toán ODT và AODT do việc xác định sai dạng mẫu hình mây Như đối với trường hợp Bão Wilma năm 2005 (hình 2.1) (Olander và Velden, 2007) [15] Trong ví dụ này, thuật toán ODT và AODT xác định nhầm thành dạng CDO dẫn đến việc ước tính cường độ Tnumber = 4.5 Thám sát từ máy bay đo được áp suất mực nước biển (MSLP) tại thời điểm đó là 960mb (xấp xỉ Tnumber = 5.5), và 6h sau đó MSLP giảm nhanh xuống còn 901mb (Tnumber = 7.6) Việc nhận biết chính xác dạng mẫu mây với dạng mắt rất nhỏ từ phương pháp ADT trong trường hợp này đã làm tăng cường độ tương ứng là 6.2 và 7.2, đã giúp cho dự báo viên phân tích trong trường hợp này thấy bão đang trong quá trình tăng cường độ nhanh chóng Sơ đồ xác định mắt dạng rất nhỏ đã được thực hiện trong phiên bản mới nhất của phương pháp ADT

Hình 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) Các vùng màu trắng trong ảnh hồng ngoại tăng cường biểu thị nhiệt độ đỉnh mây lạnh nhất, trong khi màu đỏ, xanh lá và xanh dương biểu thị các giá trị nhiệt độ ấm hơn theo mức tăng dần

Một chức năng mới được thêm vào thuật toán ADT để hiển thị thông tin trường gió trong khi các phương pháp cũ chỉ ước tính gió thịnh hành lớn nhất (Kossin và cộng sự, 2005) [14] Chương trình sẽ đưa ra ước lượng về bán kính gió cực đại (RMW) trong trường hợp mắt bão xuất hiện rõ ràng Phương pháp này xem xét trường nhiệt độ đỉnh mây trên kênh hồng ngoại theo bốn hướng từ vị trí tâm bão để xác định giá trị nhiệt độ tới hạn có mối liên hệ cao với vị trí của bán kính gió cực đại nhận được từ phân tích thống kê trong các đo đạc của máy bay Khoảng cách trung bình dọc theo mỗi trục sẽ được tính toán và được sử dụng để xác định RMW Phương pháp này đang được mở rộng để tính toán các trường hợp bão không có mắt Thuật toán tương quan được sử dụng để ước tính trường gió bề mặt 2 chiều gần cơn bão dựa trên việc ước tính cường độ từ phương pháp ADT, trường nhiệt độ đỉnh mây từ ảnh vệ tinh, và hướng di chuyển của cơn bão Chương trình này vẫn đang trong quá trình phát triển nhưng sẽ trở thành một lựa chọn đầu ra được thêm vào trong phương pháp ADT, và có thể được hiển thị khi sử dụng bất kỳ gói phần mềm đồ họa nào

Với những tiến bộ trong thuật toán như vậy đã đánh dấu sự thay đổi trong phương pháp DT đơn giản sang một phương pháp phức tạp hơn trong môi trường máy tính để cải thiện phương pháp DT ban đầu

2.1.2 Sơ đồ phân tích trong phương pháp ADT

Hình 2.2 chỉ ra sơ đồ các bước phân tích tâm, cường độ XTNĐ sử dụng trong thuật toán của ADT (Olander và Velden, 2015) [16] Bao gồm 3 bước chính đó là: nhập giá trị số liệu đầu vào, phân tích cường độ XTNĐ và cuối cùng là đưa ra phân tích cường độ và vị trí XTNĐ

Hình 2.2: Sơ đồ mô tả các bước phân tích tâm, cường độ XTNĐ sử dụng trong

phương pháp ADT Bước 1: Nhập giá tri ̣ đầu vào

Thuật toán ADT hoạt động trong môi trường Linux, đầu vào số liệu vệ tinh là các sản phẩm của MTSAT-1, MTSAT-2, Himawari-8, Himawari-9… bao gồm các kênh phổ: thị phổ, hồng ngoại nhiệt, cận hồng ngoại, hơi nước… dưới dạng NetCDF

- Hệ thống dự báo xoáy thuận nhiệt đới tự động (ATCF)

- Các bản tin cảnh báo từ trung tâm bão Quốc gia (NHC) và trung tâm bão Thái Bình Dương (CPHC) Khu vực cảnh báo là Đại Tây Dương, phía Đông

và Giữa Thái Bình Dương

- Bản tỉn cảnh báo bão từ trung tâm hạn vừa Châu Âu (JTWC)

- Các sản phẩm của các trung tâm dự báo bão khu vực (RSMC):

+ RSMC Nadi (đảo Fiji): FKPS01-02 NFFN + RSMC New Delhi (Ấn Độ): FKIN20 VIDP + RSMC Tokyo (Nhật): FKPQ30-34 RJTD

- Bản tin từ trung tâm cảnh báo xoáy thuận nhiệt đới Australia:

TCWC Perth: AXAU01-02 APRF TCWC Darwin: AXAU01-02 ADRM TCWC Brisbane: AXAU21 ABRF

- Bản tin dự báo bão của Việt Nam (VNN)

Bước 2: Phân tích cường độ XTNĐ

Sau khi số liệu đầu vào đầy đủ, đến bước tiến hành phân tích cường đô ̣ XTNĐ Trước tiên cần phải xác đi ̣nh vi ̣ trí tâm XTNĐ theo 2 cách thủ công hay tự động Tiến hành xác đi ̣nh tâm XTNĐ theo phương pháp thủ công, người sử dụng sẽ phải sử du ̣ng con trỏ để xác đi ̣nh vi ̣ trí tâm của XTNĐ theo từng bước của phương pháp Dvorak cổ điển Sau khi xác đi ̣nh được vị trí tâm XTNĐ, người phân tích sẽ chuyển qua đo ̣c file dữ liê ̣u địa hình TOPO Còn nếu xác đi ̣nh vi ̣ trí tâm XTNĐ hoàn toàn tự đô ̣ng, thuật toán trong ADT sẽ tiến hành bước đo ̣c kết quả dự báo bão đầu vào từ các trung tâm

dự báo bão trên thế giới, phân tích kỹ thuật xoắn trung tâm (SC) và định vị lại vị trí

tâm bão (RF) và xác định được tâm XTNĐ từ số liệu ảnh mây vệ tinh Sau đó nó sẽ

tự động chuyển tới đo ̣c file dữ liê ̣u địa hình TOPO

Bước tiếp theo trong quá trình phân tích cường độ của XTNĐ của thuật toán ADT là kiểm tra xem XTNĐ đã đổ bô ̣ vào đất liền hay chưa độ bộ vào đất liền Trường hợp XTNĐ đổ bô ̣ vào đất liền, nó sẽ tự động xuất ra file số liệu li ̣ch sử và cho ra kết quả phân tích XTNĐ theo phương pháp ADT và kết thúc quá trình phân tích

Trong trường hợp XTNĐ chưa đổ bộ vào đất liền, thuật toán trong ADT sẽ tiến hành bước xác định da ̣ng mẫu mây trong XTNĐ (theo sơ đồ hình 2.3), sau đó ước tính cường đô ̣ XTNĐ (theo sơ đồ hình 2.6)

Hình 2.3: Sơ đồ phân tích mẫu mây bão trong phương pháp ADT

Hình 2.3 chỉ ra việc phân tích mẫu mây bão tự động trong phương pháp ADT Trước tiên nó sẽ xác định nhiệt độ vùng mắt bão và vùng mây xung quanh bão Sau

đó sử dụng thuật toán biển đổi Fourier (FFT) phân tích vùng mắt bão và vùng mây

xung quanh bão Tiếp theo thuật toán sẽ tính mức độ đối xứng đối lưu và độ lệch tiêu

chuẩn vùng mắt bão Từ đó đưa ra được ngưỡng điểm cho mẫu mây phân tích

Từ điểm mẫu mây chương trình xác định được một trong sáu dạng mẫu mây chính đó là: dạng lệch tâm (SHEAR), dạng băng cuốn (CRVBND), khối mây đậm đặc phủ vùng tâm có nhiệt độ đồng đều (UNIFRM), khối mây đậm đặc phủ trên vùng tâm bão nhưng có sử thay đổi lớn trong vùng CDO (IRRCDO), dạng tâm nhúng đĩa mây (EMBC) và mắt (EYE) Hình 2.4 là ví dụ về 5 loại mây bão: SHEAR, CRVBND, EMBC, IRRCDO và UNIFRM sử dụng trong phương pháp ADT

Hình 2.4: Ví dụ về 5 loại mây bão: SHEAR, CRVBND, EMBC, IRRCDO và

UNIFRM sử dụng trong phương pháp ADT

Trong dạng mắt ADT chia làm 3 loại là: loại mắt bão lớn có bán kính mắt

≥38 km, loại mắt bão rất nhỏ và các loại mắt bão còn lại: nhìn rõ ràng, bị che khuất,…Hình 2.5 là ví dụ về 3 loại mây bão có dạng mắt phương pháp ADT

Hình 2.5: Ví dụ về 3 loại mây bão có dạng mắt trong phương pháp ADT

Tiếp theo với dạng lệch tâm thuật toán trong ADT tính khoảng cách đến vùng đối lưu, dạng băng cuốn thì phân tích vòng xoắn logarit 100, dạng khối mây dày đặc trung tâm thì tính kích thước vùng khối mây đồng thời kiểm tra dạng tâm nhúng đĩa mây và dạng mắt siêu nhỏ, cuối cùng với dạng mắt sẽ xác định kích thước mắt bão

Hình 2.6: Sơ đồ ước tính cường độ bão trong phương pháp ADT

Sơ đồ ước tính cường độ bão trong phương pháp ADT (hình 2.6) chỉ ra rằng trước tiên thuật toán sẽ tính Tnumber từ phân tích ảnh mây hiện tại Đối với dạng khối mây dày đặc trung tâm (CDO) hay dạng mắt (EYE) sẽ được phân tích hồi quy, dạng băng cuốn sử dụng độ cong đối lưu để xác định, còn sẽ tính khoảng cách đến vùng đối lưu cho dạng lệch tâm

Sau khi xác định được Tnumber sẽ so sánh với cơ sở dữ liệu lịch sử, nếu không

có trong cơ sở dữ liệu lịch sử sẽ đưa ra ước tính cường độ bão luôn, còn nếu cơ sở dữ liệu lịch sử có, thuật toán trong ADT sẽ sử dụng bước 8 của Dvorack cổ điển nhằm giới hạn giá trị Tnumber cuối cùng Bước tiếp theo sẽ tính trung bình trọng số 3h và 6h của Tnumber theo thời gian Từ đó sử dùng bước 9 của Dvorak cổ điển xác định cường

độ CI hiện tại Rồi điều chỉnh sai số áp suất mực nước biển (MSLP) theo vĩ độ Và cuối cùng đưa ra ước tính cường độ bão

Bước 3: Đưa ra kết quả phân tích cường độ XTNĐ

Bước cuối cùng là xuất ra file số liê ̣u lịch sử và cho ra kết quả phân tích XTNĐ theo phương pháp ADT và kết thúc quá trình phân tích

Sau khi tính toán cho ra kết quả cuối cùng, thuật toán trong ADT sẽ hiển thị đầu ra dưới dạng văn bản trong cửa sổ Linux (hình 2.7) Bao gồm các thông tin thời gian chạy khác nhau ước lượng vị trí, dự báo cường độ, khí áp trung tâm bão, tốc độ gió cực đại, loại mây bão, nhiệt độ vùng mắt bão và vùng mây bão, phương pháp điều chỉnh tâm bão (tự động hay thủ công),…

2.2 Số liệu thử nghiệm

Số liệu sử dụng để đánh giá sai số vị trí, cường độ bão giữa kết quả từ phương pháp Dvorak cải tiến (ADT) so với best track Việt Nam của 41 cơn bão hoạt động trên biển Đông với 632 chu kì dự báo (cách nhau 6 tiếng một lần) trong thời gian 6

năm từ 2010 - 2015 bao gồm những số liệu sau:

* Số liệu vệ tinh địa tĩnh MTSAT

Số liệu vệ tinh MTSAT từ năm 2010 - 2015 là thời gian vệ tinh địa tĩnh MTSAT-2 của cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA) hoạt động và quét trên khu vực biển Đông Số liệu MTSAT sử dụng dưới định dạng NetCDF làm số liệu đầu vào cho phương pháp ADT Số liệu vệ tịnh địa tĩnh MTSAT-2 thu nhận tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Trung ương với miền tính -50N đến 400N và 950E đến 1400E, với tần suất 30 phút có một sản phẩm bao gồm 5 kênh:

- Kênh thị phổ (VIS) với bước sóng 0.68µm

- Kênh hồng ngoại nhiệt 1 (IR1) với bước sóng 10.8µm

- Kênh hồng ngoại nhiệt 2 (IR2) với bước sóng 12µm

- Kênh hơi nước (WV) với bước sóng 6.8µm

- Kênh cận hồng ngoại (IR4) với bước sóng từ 3.7µm

Trong đó kênh thị phổ có độ phân giải 1 km, còn 4 kênh ảnh còn lại có độ phân giải 4 km

* Số liệu dự báo bão của Nhật Bản

Cùng với số liệu vệ tinh MTSAT, số liệu dự báo về các cơn bão trên biển Đông

từ năm 2010 - 2015 của Nhật Bản được sử dụng làm số liệu đầu vào để chạy ADT trong môi trường Linux Số liệu dự báo bão của Nhật Bản được lấy từ trang mạng internet: http://weather.unisys.com/hurricane/archive/

* Số liệu kết quả của phương pháp ADT

Kết quả chạy ADT bao gồm số liệu tương ứng với số liệu best track về thời gian, vị trí, tốc độ gió cực đại, trị số khí áp thấp và dạng mẫu mây bão của 41 cơn bão hoạt động trên biển Đông (Phụ lục 1) với 632 chu kì dự báo (cách nhau 6 tiếng một lần) trong thời gian 6 năm từ 2010 - 2015 Khi cơn bão đổ bộ vào đất liền, số liệu đã

được loại bỏ trong quá trình đánh giá vì trong trường hợp này, phương pháp ADT không phân tích cường độ bão trên đất liền Phụ lục 2 là một ví dụ về kết quả chạy phương pháp ADT sử dụng đánh giá trong cơn bão số 1 (Con son) năm 2010

* Số liệu best track của Việt Nam

Sử dụng để đánh giá với số liệu trong kết quả chạy ADT và phân tích Dvorak

cổ điển Bao gồm số liệu về thời gian, vị trí, tốc độ gió cực đại, trị số khí áp thấp nhất

và cấp bão Khi bão đổ bộ vào đất liền, số liệu best track cũng đã được loại bỏ Phụ lục 3 là một ví dụ về thông tin best track Việt Nam sử dụng trong đánh giá của cơn bão số 1 (Con son) năm 2010

* Số liệu phân tích Dvorak cổ điển của hai cơn bão số 6 (Rammasun) năm

2014 và số 2 (Megi) năm 2010

Số liệu phân tích theo phương pháp Dvorak cổ điển được tính toán trên ảnh thị phổ (VIS) và hồng ngoại (IR) Quá trình thực hiện phương pháp được chia thành

10 bước như hình 2.9

BƯỚC 1: Xác định tâm hệ thống mây

độ bão trong 24h qua

BƯỚC 5: Chỉ số MET (Model expected