Một số kết quả ban đầu về ứng dụng số liệu vệ tinh đánh giá độ cao sóng dự báo

- Một số kết quả ban đầu về ứng dụng số liệu vệ tinh đánh giá độ cao sóng dự báo.
- 1 Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn quốc gia.
- Tóm tắt: Nâng cao chất lượng dự báo các yếu tố khí tượng thủy văn nói chung và dự báo hải văn nói riêng có vai trò quan trọng trong dự báo, cảnh báo khí tượng thủy văn phục vụ phòng, chống và giảm nhẹ thiên tai và phát triển kinh tế biển.
- Ở Việt Nam, do hạn chế về số liệu quan trắc khí tượng thủy văn biển nên dự báo sóng biển chủ yếu dựa trên các kết quả của mô hình số trị.
- Cũng chính vì thiếu số liệu quan trắc nên đánh giá kết quả dự báo của mô hình còn nhiều hạn chế, nhất là tại khu vực biển xa bờ dẫn tới sản phẩm dự báo chưa thực sự đủ độ tin cậy.
- Trong nghiên cứu này giới thiệu kết quả thu thập, phân tích và xử lý số liệu quan trắc sóng bằng vệ tinh và một số kết quả đánh giá dự báo sóng của mô hình SWAN trên khu vực Biển Đông.
- Đánh giá kết quả dự báo sóng tháng 10 năm 2020 cho thấy giữa số liệu dự báo từ mô hình và quan trắc độ cao sóng từ vệ tinh có hệ số tương quan khá lớn với sai số nhỏ ở cả thời hạn dự báo 24 và 48 giờ, ngoại trừ những ngày có bão..
- Từ khóa: Dự báo sóng biển.
- Vệ tinh.
- Đánh giá dự báo..
- Chính vì vậy mà các bản tin cảnh báo, dự báo sóng luôn được quan tâm không chỉ trong những thời điểm có thời tiết nguy hiểm (bão, áp thấp nhiệt đới, gió mùa mạnh.
- Ở Việt Nam do hạn chế về số liệu quan trắc nên dự báo sóng chủ yếu dựa trên kết quả của mô hình số trị..
- Các kết quả dự báo của mô hình SWAN được thiết lập tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn (KTTV) quốc gia là nguồn tham khảo chính để đưa ra các bản tin dự báo sóng hằng ngày tại Việt Nam.
- Mặc dù mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định trong một vài đề tài, dự án, tuy nhiên với thời gian ngắn và không gian kiểm định còn giới hạn nên chất lượng dự báo chung chưa thực sự đủ độ tin cậy.
- Chính vì vậy rất khó khăn cho công tác dự báo và đánh giá chất lượng dự báo sóng biển..
- Trong lĩnh vực KTTV ở Việt Nam nghiên cứu sử dụng số liệu vệ tinh vào dự báo chủ yếu thực hiện trong dự báo khí tượng và thủy văn và yếu tố được quan tâm nhất là dữ liệu mưa ước lượng từ vệ tinh [1 – 4].
- Trong khi đó, đối với dự báo sóng biển một số nghiên cứu chủ yếu tập trung vào phát triển và hoàn thiện công nghệ dự báo [5 – 6].
- Tại nước ngoài, nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc độ cao sóng từ vệ tinh vào dự báo sóng biển đã thực hiện từ lâu nhưng.
- Trong đó, số liệu quan trắc sóng từ vệ tinh được sử dụng vào 2 mục đích, đó là kiểm nghiệm các mô hình dự báo sóng và đồng hóa dữ liệu cho mô hình dự báo sóng.
- Hướng nghiên cứu sử dụng số liệu vệ tinh để đánh giá chất lượng mô hình dự báo ngày càng phát triển với nhiều thuật toán phân tích và sử lý số liệu được cập nhật, như trong các nghiên cứu điển hình [7 – 9].
- Sử dụng số liệu quan trắc sóng từ vệ để đồng hóa dữ liệu đã cải thiện đáng kể chất lượng dự báo sóng, nhất là làm giảm xu thế thiên cao và thiên thấp về độ cao sóng dự báo [10 – 13].
- Những năm gần đây, nhiều cơ quan dự báo của nước ngoài đã đưa sản quan trắc độ cao sóng từ vệ tinh cũng như kết quả đánh giá dự báo lên web site như là những báo cáo hàng tháng [14 – 16]..
- Trong khuôn khổ dự án hợp tác về chia sẻ kinh nghiệm dự báo giữa Trung tâm KTTV quốc gia và Viện Khí tượng Nauy, phía Nauy đã cung cấp cho Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia nguồn dữ liệu quan trắc độ cao sóng bằng vệ tinh được cung cấp bởi chương trình “Dịch vụ Giám sát Môi trường Biển Copernicus – CMEMS” của Ủy ban Châu Âu [4].
- Nhiều cơ quan dự báo của Châu Âu hiện nay như là Viện Khí tượng Nauy (Met Norway) đã sử dụng nguồn số liệu này để đánh mô hình dự báo sóng và cập nhật kết quả đánh giá trên website của họ [17].
- Hiện tại dữ liệu quan trắc sóng được thực hiện bởi 7 vệ tinh đo cao bao gồm Jason–.
- Các số liệu vệ tinh được cung cấp gần với thời gian thực, được cập nhật liên tục với độ phân giải không gian là 7km x 7km [17].
- Như vậy, ngoài các số liệu quan trắc theo phương pháp truyền thống thì dữ liệu vệ tinh được xem như là một nguồn dữ liệu đáng tin cậy và có thể bổ sung vào chuỗi số liệu quan trắc còn thiếu sót..
- Trong bài báo này, một vài kết quả bước đầu trong việc thu thập, xử lý số liệu vệ tinh và sử dụng số liệu vệ tinh để đánh giá kết quả dự báo sóng từ mô hình SWAN cho vùng biển Việt Nam được phân tích đánh giá.
- Thành công của nghiên cứu sẽ giúp các dự báo viên có thêm một nguồn số và công cụ phục vụ dự báo và đánh giá chất lượng dự báo sóng biển..
- Phương pháp quan trắc sóng bằng vệ tinh.
- Nguồn số liệu quan trắc sóng bằng vệ tinh mà CMEMS cung cấp được thực hiện bởi 07 vệ tinh đo cao bao gồm Jason–3 (J3), Sentinel–3A (S3A), Sentinel–3B (S3B), Cryosat–2 (C2), SARAL / AltiKa (Al), CFOSAT (CFO) và Hai Yang–2B (H2B) với các nhiệm vụ khác nhau xung quannh trái đất trong đó có vùng biển Việt Nam [17].
- Hình ảnh của 07 vệ tinh trên không gian được thể hiện như trên Hình 1.
- Các tín hiệu này bị phản xạ bởi bề mặt biển và quay trở lại vệ tinh.
- Hình ảnh 07 vệ tinh thực hiện quan trắc sóng trên Biển Đông của Dịch vụ Giám sát Môi trường Biển Copernicus–CMEMS [17]..
- Số liệu quan trắc độ cao sóng từ vệ tinh CFOSAT (CFO) trong tháng 10 năm 2021 được sử dụng để đánh giá kết quả dự báo độ cao sóng từ mô hình SWAN.
- Số liệu quan trắc sóng của vệ tinh CFO là sản phẩm của vệ tinh đo cao đã được xử lý ở cấp độ 3 (level 3), độ phân giải không gian 7km x 7km.
- SWAN là mô hình dự báo sóng thế hệ ba, dựa trên tính phổ sóng hai chiều bằng cách giải phương trình cân bằng tác động sóng (trong trường hợp không có dòng chảy có thể dùng phương trình cân bằng năng lượng sóng) có tính tới sự lan truyền sóng từ vùng nước sâu vào vùng nước nông ven bờ, đồng thời trao đổi năng lượng với gió thông qua hàm nguồn cùng vớisự tiêu tán năng lượng sóng.
- Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAN được trình bày rất chi tiết trong các nghiên cứu [5–6,18].
- Mô hình SWAN được thiết lập chạy nghiệp vụ tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia với vùng dự báo là khu vực Biển Đông (0–.
- Để có được chuỗi số liệu theo thời gian từ mô hình dự báo sóng phù hợp với các quan sát vệ tinh, một thuật toán được xây dựng để sắp xếp các điểm ảnh CFO với các ô lưới của mô hình (Hình 4).
- Ràng buộc về không gian và thời gian quyết định xem liệu một ô lưới mô hình có thể so sánh với một điểm ảnh của vệ tinh được hay không [17].
- Giới hạn thời gian tập trung vào bước thời gian của mô hình và cho phép các giá trị quan trắc từ vệ tính CFO được chọn nếu chúng được ghi lại trong vòng ±30 phút.
- Cách tiếp cận này dẫn đến hai chuỗi thời gian của các giá trị độ cao sóng, một cho mô hình sóng và một cho các quan sát vệ tinh [17]..
- Để đánh giá mức độ phù hợp giữa các giá trị độ cao sóng từ mô hình với các quan sát từ vệ tinh, một số chỉ tiêu sau được đánh giá:.
- Hệ số tương quan tuyến tính chỉ ra mức độ thay đổi của mô hình theo các giá trị quan trắc..
- Trong đó F i là giá trị dự báo.
- O i là giá trị quan trắc..
- Giá trị dương của ME tức là trung bình giá trị dự báo lớn hơn giá trị quan trắc, giá trị âm của ME tương ứng với việc dự báo thấp hơn giá trị quan trắc.
- Tuy nhiên, đôi khi một dự báo sai lại nhận được giá trị ME = 0 khi trong đó có những sai số triệt tiêu nhau.
- Do vậy, nếu chỉ sử dụng một chỉ số ME để đánh giá chất lượng dự báo sẽ không phản ánh được độ tin cậy của kết quả dự báo..
- Giá trị 0 cho biết dự báo là “hoàn hảo”.
- Thông thường, chỉ số MAE được sử dụng cùng với chỉ số BIAS để đưa ra ước lượng về độ tin cậy hiệu chỉnh kết quả mô phỏng của mô hình dự báo..
- Kết quả đánh giá dự báo độ cao sóng sử dụng số liệu quan trắc từ vệ tinh.
- Trong nghiên cứu này, các kết quả dự báo từ mô hình SWAN với các thời hạn dự báo 24 và 48 giờ trong tháng 10 năm 2020 được đánh giá với số liệu quan trắc sóng bằng vệ tinh..
- Hình 5 là các vệt ảnh quan trắc số liệu sóng từ vệ tinh CFO trong tháng 10 năm 2020.
- Dựa vào số lượng điểm ảnh trong tháng 10 năm 2020 được thể hiện như trên hình 6 có thể thấy giá trị quan trắc sóng mà vệ tinh CFO thu thập được theo thời gian là không giống nhau, số lượng điểm ảnh phụ thuộc vào vị trí mà vệ tinh đi qua trên khu vực quan trắc.
- So sánh giữa các giá trị dự báo từ mô hình SWAN với số liệu quan trắc vệ tinh tại các thời điểm dự báo 24 và 48.
- Các kết quả so sánh trong tháng 10 năm 2020 cho thấy giá trị dự báo 24, 48 giờ của mô hình thường thiên thấp so với quan trắc, nhưng vào thời điểm xảy ra bão mạnh giá trị dự báo lại hướng thiên cao và thường có sai số lớn..
- Quan trắc của vệ tinh CFO trên khu vực Biển Đông tháng 10 năm 2020..
- Số lượng điểm ảnh từ vệ tinh CFO thu thập được tại các bước thời gian dự báo 24 và 49 giờ trong tháng 10 năm 2020 phù hợp để so sánh với kết quả dự báo từ mô hình SWAN..
- Biểu đồ scatter đánh giá mức độ tương quan giữa dự báo và quan trắc sóng từ vệ tinh CFO trên Biển Đông trong tháng 10 năm 2020 với thời hạn dự báo (a) 24 giờ và (b) 48 giờ..
- Hệ số tương quan giữa mô hình và quan trắc tại các thời điểm dự báo 24 và 48 giờ trong tháng 10 năm 2020..
- Sai số trung bình (BIAS) và Căn bậc hai của sai số bình phương trung bình (RMSE) giữa kết quả dự báo từ mô hình SWAN và số liệu quan trắc từ vệ tinh tại các thời điểm dự báo 24 và 48 giờ .
- Trường hợp thứ nhất: Khoảng thời gian 00Z ngày bão Saudel ảnh hưởng) với các thời hạn dự báo 24h và 48h..
- Trường hợp thứ hai: Thời điểm lúc 00Z ngày thời tiết bình thường = không có bão và áp thấp nhiệt đới) với các thời hạn dự báo 24 và 48h..
- Với trường hợp thứ nhất, tại thời điểm dự báo lúc 00Z ngày của mô hình SWAN thì vệ tinh CFO cũng cho một vệt ảnh của các giá trị quan trắc khá gần bờ và gần tâm của cơn bão trên khu vực Biển Đông.
- Theo hình ảnh so sánh như trên hình 10 có thể thấy giá trị quan trắc sóng nơi vệ tinh đi qua gần tâm bão nhỏ hơn so với dự báo của mô hình.
- Các sai số đánh giá trên Bảng 1 cũng cho thấy với 248 giá trị được đánh giá, sai số giữa mô hình và quan trắc khá lớn với sai số quân phương (RMSE), Sai số trung bình tuyệt đối (MAE) và sai số trung bình (BIAS) lần lượt là và 0,73 với thời hạn dự báo 24 giờ.
- Tại thời hạn dự báo 48 giờ các sai số này còn lớn hơn với các giá và 1,12 lần lượt tương ứng với RMSE, MAE và BIAS.
- Giá trị dương của BIAS cũng cho thấy mô hình có thiên cao hơn so với quan trắc.
- Mặc dù vậy, tương quan tuyến tính lại khá cao, điều này có nghĩa giá trị quan trắc và mô hình cùng có xu hướng tăng..
- So sánh giữa kết quả dự báo từ mô hình SWAN với quan trắc từ vệ tinh CFO và trong cơn bão Saudel tại thời điểm 00Z ngày với thời hạn dự báo 24 (a) và 48 giờ (b)..
- Sai số giữa kết quả dự báo từ mô hình SWAN với quan trắc từ vệ tinh CFO tại thời điểm 00Z ngày với thời hạn dự báo 24 và 48 giờ..
- Giá trị trung bình của mô hình 4,21 4,60.
- Giá trị trung bình của quan trắc 3,48 3,48.
- Còn với trường hợp thứ hai trong điều kiện thời tiết không có bão và áp thấp nhiệt đới tại thời điểm dự báo lúc 00Z ngày của mô hình SWAN, vệ tinh CFO cũng đã đi qua khu vực Biển Đông và một phần vệt ảnh mà vệ tinh quan trắc được đã đi qua khu vực Vịnh Bắc Bộ.
- Tại thời điểm này, giữa mô hình và quan trắc đã ghi nhận được 191 giá trị độ cao sóng để so sánh.
- Các kết quả so sánh và đánh giá trên hình 11 và bảng 2 cho thấy mô hình dự báo khá tốt tại thời điểm này với cả hạn dự báo 24 và 48 giờ.
- Cụ thể, các giá trị sai số tương đối thấp như hệ số RMSE, MAE và BIAS lần lượt là và –0,25 với hạn dự báo 24 giờ và với hạn dự báo 48 giờ.
- Các sai số giữa hạn dự báo 24 và 48 giờ có sự chênh lệch không đáng kể cho thấy dự báo xa của mô hình tại thời điểm này cũng tương đối chính xác.
- Hệ số BIAS mang giá trị âm cho thấy mô hình có thiên thấp hơn với quan trắc..
- Tương quan của cả 02 hạn dự báo gần như là tuyệt đối tại thời điểm này..
- Sai số kết quả dự báo từ mô hình SWAN với quan trắc từ vệ tinh CFO thời điểm 00Z ngày với thời hạn dự báo 24 và 48 giờ..
- Giá trị trung bình của mô hình 1,39 1,40.
- Giá trị trung bình của quan trắc 1,64 1,64.
- So sánh giữa kết quả dự báo từ mô hình SWAN với quan trắc từ vệ tinh CFO tại thời điểm 00Z ngày với thời hạn dự báo 24 (a) và 48 giờ (b)..
- Trong nghiên cứu này số liệu quan trắc độ cao sóng từ vệ tinh được cung cấp bởi chương trình “Dịch vụ Giám sát Môi trường Biển Copernicus–CMEMS” được khai thác và sử dụng để đánh giá chất lượng dự báo từ mô hình SWAN hiện đang được thiết lập tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia trong tháng 10 năm 2020.
- Kết quả được phân tích chi tiết tại hai thời điểm trong cơn bão Saudel lúc 00Z ngày và tại một thời điểm không có bão và áp thấp nhiệt đới lúc 00Z ngày với các hạn dự báo là 24 và 48 giờ.
- Đã thu thập, phân tích và xử lý số liệu quan trắc sóng vệ tinh để phục vụ đánh giá chất lượng của mô hình dự báo sóng..
- Trong các trường hợp thử nghiệm, hệ số tương quan giữa số liệu dự báo và quan trắc từ vệ tinh độ cao sóng khá lớn đã cho thấy cùng xu thế của kết quả dự báo và quan trắc..
- So sánh giữa các giá trị dự báo từ mô hình SWAN với số liệu quan trắc vệ tinh độ cao sóng tại thời hạn dự báo 24 và 48 giờ trong tháng 10 năm 2020 cho kết quả tương đối tốt, ngoại trừ các ngày có bão.
- Các giá trị dự báo từ mô hình thường thiên thấp so với quan trắc, nhưng vào thời điểm có bão giá trị dự báo có thiên cao..
- Những đánh giá ban đầu ở trên mới chỉ dựa vào các kết quả phân tích từ vệ tinh CFO trong tháng 10 năm 2020 với các quan trắc chưa bao phủ được toàn bộ miền tính và số điểm ảnh ghi nhận được tại từng thời điểm so sánh còn hạn chế.
- Chính vì vậy, cần thiết phải tiến hành thêm những đánh giá kết quả dự báo từ mô hình SWAN với số liệu quan trắc từ nhiều vệ tinh khác trong thời gian dài mới có thể đưa ra kết luận đầy đủ về khả năng của mô hình SWAN trong dự báo sóng biển hiện nay tại Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia, đây cũng là những nhiệm vụ sẽ được triển khai thực hiện trong các nghiên cứu tiếp theo..
- Bên cạnh đó, tập thể tác giả trân trọng cảm ơn tiến sỹ Patrik Bohlinger và tiến sĩ Lark Robert Hole thuộc Viện Khí tượng Nauy đã phát triển và hỗ trợ thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu quan trắc sóng từ vệ tinh..
- Nghiên cứu ứng dụng số liệu vệ tinh mưa dự báo số trị kết hợp số liệu bề mặt trong dự báo lũ hệ thống sông Hồng – Thái Bình.
- Nghiên cứu ứng dụng số liệu mưa vệ tinh mô phỏng lũ khu vực trung lưu sông Mã.
- Kết nối mô hình SWAN với WAM thành hệ thống dự báo sóng biển cho vùng Vịnh Bắc Bộ.
- Kết quả bước đầu dự báo sóng tổ hợp tại Việt Nam.
- Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, xuất bản tháng 3/2021.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt