BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌCTÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
-------------------------

TRẦN ĐỨC BÁ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
DỰ BÁO MƯA HẠN NGẮN TỪ MÔ HÌNH IFS
CHO KHU VỰC BẮC TRUNG BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội, năm 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌCTÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
-------------------------

TRẦN ĐỨC BÁ

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG
DỰ BÁO MƯA HẠN NGẮN TỪ MÔ HÌNH IFS
CHO KHU VỰC BẮC TRUNG BỘ
CHUYÊN NGHÀNH: KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
MÃ SỐ: 60440222

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. TS. VÕ VĂN HÒA
2. TS.THÁI THỊ THANH MINH



Trần Đức Bá

i


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Võ Văn Hòa và TS
Thái Thị Thanh Minh - người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành
luận văn này.
Tôi xin cảm ơn các Thầy cô và các cán bộ trong khoa Khí tượng, thủy
văn đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn, giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập ở Trường và ở
Khoa.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ phòng Dự báo thời tiết, phòng Dự báo khí
hậu và phòng Số và Viễn thám (Trung tâm dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc
gia), tập thể cán bộ viên chức Đài KTTV Hà Tĩnh, Đài KTTV khu vực Bắc
Trung Bộ và các đồng nghiệp đã giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin cám ơn, nhóm tác giả đề tài nghiên cứu khoa học và phát triển
công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu ứng dụng số liệu dự báo của Trung tâm Dự
báo thời tiết hạn vừa Châu Âu để xây dựng các phương án dự báo lũ 5 ngày
cho các sông chính ở Trung Trung Bộ”, mã số: TNMT.2018.05.35.
Tôi cũng xin cảm ơn Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà
Nội, Đài Khí tượng đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân
và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều
kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường.
Trần Đức Bá

ii



3.1 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ ĐỊNH LƯỢNG MƯA ........................................ 46
3.2 KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ DỰ BÁO THEO CẤP........................................ 54
3.3 PHÂN TÍCH MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP .................................................. 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 70

iv


TÓM TẮT LUẬN VĂN:
+ Họ và tên học viên: Trần Đức Bá
+ Lớp: CH3a-K Khoá: 2017 - 2019
+ Cán bộ hướng dẫn: 1. Hướng dẫn 1: TS. Võ Văn Hòa
2. Hướng dẫn 2: TS.Thái Thị Thanh Minh
+ Tên đề tài: Nghiên cứu đánh giá khả năng dự báo mưa hạn ngắn từ mô
hình IFS cho khu vực Bắc Trung Bộ.
+ Tóm tắt: Tác giả sử dụng các chỉ số đánh giá lượng mưa, các chỉ số đánh
giá theo cấp mưa trên tập số liệu quan trắc lượng mưa trong 24 giờ của 20 trạm khí
tượng thuộc khu vực BTB trong thời gian 6 năm từ năm 2012 - 2017 và số liệu dự
báo từ mô hình IFS.
Kết quả cho thấy: khả năng dự báo mưa thời hạn ngắn cho khu vực BTB của
IFS là có kỹ năng và sai số tổng thể không lớn, tuy nhiên khả năng dự báo các hiện
tượng mưa to và mưa rất to còn chưa đạt thấp, cần lưu ý khi sử dụng kết quả dự báo
trong trường hợp mưa lớn.
Thesis summary
Full name: Tran Duc Ba
Class: CH3AK
School year: 2017-2019


GMĐB

Gió mùa đông bắc

KKLTC

Không khí lạnh tăng cường

ATNĐ

Áp thấp nhiệt đới

XTNĐ

Xoáy thuận Nhiệt đới

ITCZ

Dải hội tụ nhiệt đới

NWP

Mô hình dự báo thời tiết số

KTTV

Khí tượng thủy văn

TTBDTƯ

Bảng 3.2: Bảng chỉ số RMSE các trạm ........................................................... 49
Bảng 3.3: Bảng chỉ số kỹ năng dự báo các trạm ............................................. 53
Bảng 3.4: Bảng tổng hợp chỉ số POD các cấp mưa ........................................ 55
Bảng 3.5: Chỉ số dự báo khống các trạm ........................................................ 57
Bảng 3.6: Chỉ số TS chuỗi lượng mưa các khu vực ....................................... 59
Bảng 3.7: Bảng chỉ số TS cấp mưa to các trạm .............................................. 59
Bảng 3.8 Bảng các chỉ số đánh giá lượng mưa đợt mưa lớn diện rộng .......... 61
Bảng 3.9 Bảng các chỉ số đánh giá lượng mưa đợt mưa lớn diện hẹp ........... 62
Bảng 3.10 Các chỉ số đánh giá cho hình thế đơn lẻ ........................................ 63
Bảng 3.11 Các chỉ số đánh giá cấp mưa vừa cho hình thế đơn lẻ .................. 63
Bảng 3.12 Các chỉ số đánh giá cấp mưa to cho hình thế đơn lẻ ..................... 64
Bảng 3.13 Các chỉ số đánh giá cho hình thế tổ hợp ........................................ 64
Bảng 3.14 Các chỉ số đánh giá cấp mưa vừa cho hình thế tổ hợp .................. 64
Bảng 3.15 Các chỉ số đánh giá cấp mưa to cho hình thế tổ hợp ..................... 64
Bảng 3.16 Các kết quả đánh giá theo lượng các tháng mưa nhiều và ít mưa . 65
Bảng 3.17 Các kết quả đánh giá theo lượng các tháng mưa nhiều và ít mưa . 66

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Phân bố tổng lượng mưa TBNN khu vực BTB ................................ 6
Hình 1.2 Phân bố lượng mưa trung bình trong tháng 7 .................................... 7
Hình 1.3 Phân bố lượng mưa trung bình trong tháng 11 .................................. 8
Hình 1.4 Hình thế KKL hoạt động độc lập ..................................................... 10
Hình 1.5 Bão hoạt động độc lập ...................................................................... 10
Hình 1.6 Hình thế KKL ảnh hưởng kết hợp với ITCZ ................................... 11
Hình 1.7 Hình thế gây mưa ảnh hưởng XTNĐ ............................................... 12
Hình 1.8: Dự báo nhiệt độ cao (0C) cho thành phố Oklahoma từ ba hệ thống
và quan trắc tương ứng. ................................................................................... 15

báo thì trong quá trình ứng dụng mô hình cần phải có những nghiên cứu, đánh
giá mức độ chính xác của mô hình so với các giá trị quan trắc, để tìm ra ưu,
nhược điểm của mô hình từ đó rút ra kinh nghiệm để nâng cao chất lượng dự
báo. Tuy nhiên, cho đến thời điểm hiện nay chưa có tác giả nào nghiên cứu và
đánh giá kết quả của mô hình IFS cho dự báo hạn ngắn, duy chỉ có Võ Văn
Hòa và cộng sự có nghiên cứu đánh giá kết quả dự báo của mô hình này cho
hạn tháng và hạn mùa.
Khu vực Bắc Trung Bộ nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa, thường xuyên
có sự giao tranh mạnh mẽ của các khối khí, một trong những khu vực có tần
suất xảy ra thiên tai lớn nhất cả nước. Do đặc điểm khu vực Bắc Trung Bộ có
địa hình hẹp ngang và không đồng nhất nên kết quả dự báo định lượng mưa
của mô hình IFS cho khu vực này có sai số khá lớn và đặc biệt các sai số này
không mang tính quy luật.

1


Để nâng cao chất lượng dự báo mưa, các dự báo viên rất cần biết khuynh
hướng sai số, giá trị sai số, khả năng dự báo mưa của mô hình IFS. Chính vì
vậy, việc nghiên cứu, đánh giá chỉ ra chất lượng dự báo mưa của mô hình IFS
cho khu vực Bắc Trung Bộ bằng các chỉ số đánh giá là hết sức cấp thiết. Vì
vậy, đề tài:“Nghiên cứu đánh giá khả năng dự báo mưa hạn ngắn từ mô
hình IFS cho khu vực Bắc Trung Bộ” đã được chọn làm luận văn tốt nghiệp
Thạc sỹ. Kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là cơ sở khoa học cho việc nâng cao
chất lượng dự báo, cảnh báo mưa, phục vụ công tác PCTT, hạn chế thiệt hại
do thiên tai gây ra trên khu vực BTB.
Mục tiêu của đề tài nhằm chỉ ra được chất lượng dự báo mưa của mô
hình IFS trên khu vực Bắc Trung Bộ; Đề xuất được các giải pháp cải tiến chất
lượng dự báo mưa từ mô hình IFS cho khu vực Bắc Trung Bộ.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là khả năng dự báo mưa mưa thời hạn

thuộc khu vực có sự giao tranh mạnh mẽ của các khối không khí kết hợp với
yếu tố địa hình nên khu vực này có lượng mưa nhiều hơn trung bình của cả
nước [7]. Lượng mưa trung bình năm của khu vực BTB dao động từ 1478 –
2676mm. Lượng mưa khu vực BTB phân bố không đều, có sự phân hóa mạnh
theo không gian, và thời gian.
Sự phân hóa tổng lượng mưa TBNN theo không gian theo hướng giảm
dần chiều đông sang tây tại phần phía bắc và phần phía nam của khu vực rất
khác nhau. Tính trên chênh lệch tổng lượng mưa TBNN ở khu vực Thanh
Hóa trạm vùng ven biển có lượng mưa trung bình nhiều năm cao nhất chỉ cao
hơn trạm có lượng mưa TBNN thấp nhất ở khu vực phía tây khoảng 330mm,
thì khu vực Nghệ An chênh lệch đó là 625mm và khu vực Hà Tĩnh và
730mm, tương ứng với mức chênh lệch theo chiều đông - tây là 22% ở khu
vực Thanh Hóa và 37 - 48% ở khu vực Nghệ An và Hà Tĩnh. Khoảng cách
địa lý giữa các trạm khu vực đồng bằng phía đông và miền núi phía tây ở
Thanh Hóa và Nghệ An khoảng 100km nhưng khoảng cách đó ở khu vực Hà

3


Tĩnh chỉ khoảng 50km điều đó càng cho thấy sự khác biệt về phân hóa lượng
mưa TBNN theo chiều đông - tây giữa các khu vực.
Tổng lượng mưa TBNN khu vực BTB còn phân hóa rất rõ theo chiều từ
bắc vào nam. Vùng có mưa cao nhất là vùng đồng bằng ven biển phía nam
của tỉnh Hà Tĩnh, vùng có lượng mưa thấp nhất là vùng núi phía tây thuộc
tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An. Chênh lệch lượng mưa giữa vùng mưa nhiều nhất
và vùng mưa ít nhất là khoảng gần 2 lần. Cụ thể, tại vùng núi của Thanh Hóa
đến Nghệ An, lượng mưa trung bình năm các trạm thấp nhất dao động từ
1298 mm đến 1448 mm, trong khi đó vùng đồng bằng ven biển phía nam của
tỉnh Hà Tĩnh lượng mưa năm dao động từ 2584 đến 2676mm. Ngoài ra, ở khu
vực Hà Tĩnh do ảnh hưởng của địa hình còn có một số khu vực có lượng mưa


Yên
Định

23.9

16.9

41.3

65.1

169.2

156.9

211.7

257.5

281.1

172.0

61.2

21.0

1477.7


Hóa

24.8

16.3

46.7

58.6

156.9

154.6

190.0

272.4

345.3

231.4

69.8

31.3

1598.0

Như
Xuân

38.2

26.1

58.6

75.1

255.8

218.8

220.1

325.3

292.1

195.9

69.8

26.9

1802.9

Tĩnh
Gia

34.4

33.1

51.9

57.5

191.0

128.5

144.1

268.9

379.1

374.1

86.3

40.4

1790.7

Tây
Hiếu

23.0

18.3

33.7

69.7

244.0

182.1

192.7

281.9

279.1

204.4

48.3

22.0

1594.0

Trạm

4


Tháng

Năm

19.0

44.0

54.5

223.0

176.5

168.4

257.6

264.8

212.9

41.5

21.8

1506.1

Con
Cuông

36.5

35.8

35.8

46.1

106.9

115.8

131.1

251.7

393.3

350.4

67.8

35.7

1570.4

Tương
Dương

17.6

14.9

36.0


151.9

92.8

89.4

264.4

399.6

547.9

126.6

72.3

1924.3

Hương
Sơn

48.7

49.6

64.0

89.4



129.1

163.9

307.9

448.5

630.0

194.3

79.3

2406.6

Hà Tĩnh

95.0

57.3

68.6

68.8

168.2

122.9

92.8

242.8

471.8

750.6

349.1

206.7

2676.0

Trạm

(Nguồn: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ)
Sự phân hóa theo không gian của tổng lượng mưa từng năm ở các khu
vực cũng có nhiều khác biệt giữa các năm. Phần lớn các năm phân bố tổng
lượng mưa năm giữa phần phía bắc và phía nam tương tự với phân hóa của
lượng mưa trung bình nhiều năm nhưng một số năm sự phân bố này khác hẳn.
Trong chuỗi số liệu 30 năm, từ 1988 - 2017 bên cạnh những năm có chênh
lệch lượng mưa cả theo chiều đông - tây và bắc - nam rất ít như năm 1988,
2003, 2006, 2014 với mức chênh lệch chỉ từ 300 - 500mm, thì có những năm
mức chênh lệch rất lớn từ 1400 - 1700mm như các năm 1989, 1999, 2001 và
2007.

5



tiết thường chỉ mưa hoặc mưa vừa cho các tỉnh ở BTB. Riêng khu vực Hà
Tĩnh do nằm ở phía nam của khu vực nên vào tháng XI vẫn còn có mưa to,
mùa mưa kết thúc muộn hơn so với hai tỉnh phía bắc của khu vực.

7


Hình 1.3 Phân bố lượng mưa trung bình trong tháng 11
Khu vực BTB có tổng lượng mưa phân bố không đồng đều giữa các
mùa, cũng như giữa các tháng trong năm, gây ra những bất lợi cho sản xuất và
sinh hoạt [7]. Chính sự phân bố không đồng nhất theo thời gian đã gây thừa
nước trong mùa mưa và thiếu nước trong mùa khô.
1.1.2 Các hình thế gây mưa
Nằm ở khu vực có sự giao tranh mạnh mẽ của các hệ thống gió mùa nên
các hình thế gây mưa ở khu vực BTB rất đa dạng. Trong các hình thế thời tiết
gây mưa cho khu vực Bắc Trung Bộ có thể chia làm hai loại: các hình thế thời
tiết hoạt động độc lập và các hình thế hoạt động kết hợp.
Trong số các hình thế thời tiết hoạt động độc lập thì hình thế không khí
lạnh thường gây mưa nhỏ cho phần lớn khu vực, chỉ một số ít đợt gây mưa to
cho khu vực ven biển phía nam của tỉnh. Các hình thế hoạt động độc lập khác

8


như: rãnh áp thấp, dải hội tụ nhiệt đới, xoáy thuận nhiệt đới, gió đông trên
cao... thường gây mưa vừa, mưa to cho khu vực Bắc Trung Bộ.
Các hình thế ảnh hưởng kết hợp đến khu vực BTB gồm các hình thế:
không khí lạnh, rãnh áp thấp, dải hội tụ nhiệt đới, xoáy thuận nhiệt đới, gió
đông trên cao... kết hợp lại với nhau dưới dạng tổ hợp 2 hình thế hoặc 3 hình
thế làm cho diễn biến mưa phức tạp. Phần lớn các đợt mưa lớn diện rộng có

(Nguồn:Trung tâm dự báo KTTV Trung ương)
10


* Dải hội tụ nhiệt đới hoạt động độc lập
Đây là dạng hình thế synốp được cấu trúc bởi sự hội tụ tín phong của hai
bán cầu và được thể hiện phía Bắc là đới tín phong dày và mạnh của rìa áp
cao cận nhiệt đới Tây Bắc Thái Bình Dương và phía Nam là gió Tây Nam có
nguồn gốc từ Nam bán cầu khi vượt qua xích đạo [4]. Cần chú ý rằng mưa lớn
do hệ thống này phụ thuộc khá nhiều ở cường độ của áp cao cận nhiệt đới.
Mưa lớn thường xuất hiện trong thời kỳ mạnh lên và lấn về phía tây của áp
cao cận nhiệt đới.
* Hình thế KKL kết hợp với các hình thế khác
Trong các loại hình thế kết hợp đáng chú ý nhất là các hình thế: KKL kết
hợp với XTNĐ và KKL kết hợp với nhiễu động trên cao, KKL kết hợp với tín
phong và các nhiễu động nhiệt đới khác như ITCZ, XTNĐ hay nhiễu động
sóng trong đới gió Đông trên cao…. Trong các loại hình thế synốp đặc trưng
gây mưa lớn đối với BTB thì loại hình thế áp cao lạnh kết hợp với ITCZ hoặc
XTNĐ gây mưa mãnh liệt nhất. Thực tế cho thấy khi áp cao lạnh ảnh hưởng
thì thường gây mưa nhưng không phải đợt nào cũng gây mưa lớn mà nó hoàn
toàn phụ thuộc hoàn lưu trên cao ở lớp dưới của tầng đối lưu (tiêu biểu ở mực
1500m). Thời gian bắt đầu và kết thúc mưa, cường độ mưa, thời gian duy trì
mưa lớn, phạm vi mưa... không đồng nhất giữa các đợt xâm nhập của KKL.

Hình 1.6 Hình thế KKL ảnh hưởng kết hợp với ITCZ
(Nguồn:Trung tâm dự báo KTTV Trung ương)

11



dưới hai dạng chủ yếu: ITCZ hoạt động đơn thuần và ITCZ kết hợp với các hệ
thống synop và các nhiễu động khác như KKL, nhiễu động trong đới gió
Đông nhiệt đới trên cao, XTNĐ,…..
Thực tế trong công tác dự báo hiện nay, các hình thế thời tiết gây mưa
kết hợp với nhau sự tương tác qua lại giữa chúng tạo ra nhiều hệ quả khác
nhau nên gây khó khăn hơn nhiều trong việc dự báo định lượng mưa, kết quả
dự báo thường có độ sai lệch lớn hơn so với các đợt mưa do các hình thế thời
tiết hoạt động độc lập.
1.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ DỰ BÁO
1.2.1 Ngoài nước
Murphy (1996a) là người đầu tiên đưa ra câu hỏi về chất lượng dự báo
và thực hiện đánh giá chất lượng dự báo đầu tiên ở Hoa Kỳ và Tây Âu năm
1880. Koppen và Finley (1984) đã đưa ra một số điểm số quan trọng về đánh
giá dự báo dự trên dạng nhị phân (bảng 1.1) [13]. Dự báo bão của Finley thực
hiện từ ngày 10 tháng 3 đến hết tháng 5 năm 1884, với thời gian dự báo 2
lần/ngày, cho 18 quận phía đông núi Rockies của Hoa Kỳ. Bảng 1.2 chỉ ra
tổng cộng có 2803 dự báo được thực hiện, trong đó có 100 dự báo có 51 số
cơn bão xuất hiện [13].

13


Bảng 1.2: Dự báo bão của Finley
Thám sát
Dự báo

Bão

Không có bão


mô hình dự báo số trị (Stanski và cộng sự, 1989) và được áp dụng sau năm
1980. Tài liệu này rất hữu ích trong việc đánh giá kết quả dự báo thời tiết hạn
ngắn. Tiếp đến, Trung tâm Dự báo Khí tượng hạn vừa châu Âu đưa ra tài liệu
hướng dẫn về kỹ thuật đánh giá kết quả sản phẩm dự báo số trị. Kỹ thuật này
được ứng dụng tại Trung tâm Khí tượng quốc gia Úc.
Trong dự báo được chia thành 02 loại: Dự báo liên tục và dự báo pha
(hay dự báo xác suất). Chính vì vậy, tùy thuộc vào từng loại dự báo, chúng ta
đưa ra các phương pháp đánh giá khác nhau. Một bài toán đánh giá chất
lượng của sản phẩm dự báo chính là trả lời cho người sử dụng là: Độ chính
xác, kỹ năng, độ tin cậy, độ kiên định, độ nhọn và độ biến động của sản phẩm
dự báo từ mô hình như thế nào?
Các phương pháp đánh giá chất lượng dự báo được sử dụng bao gồm:
Phương pháp đồ thị, phương pháp thống kê liên tục và theo loại.
Phương pháp đồ thị được xem là công cụ đánh giá đơn giản nhất và
thường được sử dụng trong đánh giá các biến liên tục như nhiệt độ và gió.
Hình 1.1 chỉ ra dự báo nhiệt độ cao từ ba hệ hệ thống dự báo khác nhau, được
thực hiện bởi Trung tâm Dự báo thời tiết Quốc gia, Norman, thành phố

14