Nghiên cứu đánh giá khả năng dự báo mưa lớn của mô hình khu vực WRF kết hợp với đồng hóa số liệu 3DVAR trên khu vực miền Trung Việt Nam

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG DỰ BÁO MƯA LỚN CỦA
MƠ HÌNH KHU VỰC WRF KẾT HỢP VỚI ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU
3DVAR TRÊN KHU VỰC MIỀN TRUNG VIỆT NAM
Nguyễn Văn Hiếu1 , Dư Đức Tiến2 , Nguyễn Mạnh Linh2
1
Trường đại học Thủy lợi
2
Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia - Tổng cục KTTV

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Dự báo chính xác mưa cho khu vực miền
Trung là điều kiện tiên quyết cho dự báo thủy
văn chính xác, cơng nghệ dự báo mưa nhất
thiết phải là công nghệ dự báo định lượng và
khách quan.
Bài báo này sẽ trình bày kết quả thử nghiệm
dự báo mưa lớn ở khu vực miền Trung dựa
trên cách tiếp cận hạ quy mô động lực thơng
qua mơ hình khu vực WRF [1,2] có độ phân
giải 15km và 2 nhóm thử nghiệm khác nhau là
có và khơng có đồng hóa số liệu thơng qua sơ
đồ đồng hóa số liệu 3DVAR. Lượng mưa tích
lũy 24h với ngưỡng mưa lớn (50-100mm/24h)
và rất lớn (>100mm/24h) được sử dụng trong
các đánh giá dưới đây. Các kết quả đánh giá
được thực hiện dựa trên các chỉ số đánh giá dự
báo pha như POD, FAR, ETS.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mơ hình WRF được lựa chọn có miền tích
phân bao phủ vùng từ 5ºN-27ºN và 96ºE124ºE với độ phân giải ngang tương ứng là
15km (201x161 điểm nút lưới). Mơ hình sử
dụng sơ đồ tham số hóa vật lý Kain-Fritsch,
tham số hóa bức xạ GFDL, tham số hóa lớp
biên Yonsei. Lưới sai phân ngang là lưới
Arakawa C và hệ tọa độ thẳng đứng sigma
(σ) gồm 40 mực thẳng đứng.
Để tăng cường chất lượng trường ban đầu
cho mơ hình WRF cũng như đánh giá được
vai trò của thám sát địa phương trong việc bổ
sung thêm thông tin quan trắc tại khu vực
nghiên cứu, sơ đồ đồng hóa số liệu 3DVAR

đi kèm theo mơ hình WRF được sử dụng [1].
Chu kỳ đồng hóa số liệu 6h một trong đó
trường dự báo +6h của dự báo tại phiên dự
báo liền trước được sử dụng như là trường
phỏng đốn ban đầu cho sơ đồ đồng hóa số
liệu 3DVAR. Q trình đồng hóa được thực
hiện tại các thời điểm tích phân gồm 00Z,
06Z, 12Z và 18Z trong đó sử dụng tất cả các
loại dữ liệu quan trắc truyền thống và phi
truyền thống sẵn có tại thời điểm phân tích.
Sau khi đồng hóa số liệu, mơ hình WRF được
tích phân tới hạn dự báo 72h với cập nhật biên
6h một từ mơ hình tồn cầu GFS hoặc GSM.
Trong nghiên cứu này chúng tơi sử dụng
các trường phân tích và dự báo từ các mơ

hình tồn cầu GFS của NCEP và GSM của
JMA với độ phân giải 0.5x0.5 độ để làm
trường ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc
vào thời gian cho WRF 15km để đánh giá
thêm tác động của số liệu phân tích và dự báo
từ các mơ hình tồn cầu tới chất lượng dự
báo mưa lớn. Hai nhóm thử nghiệm sẽ được
thiết kế gồm:
1) Chạy WRF 15km với trường ban đầu và
điều kiện biên trực tiếp từ trường phân tích và
dự báo của mơ hình GFS của NCEP và GSM
của JMA với độ phân giải 0.5x0.5 độ (WRF15-GFS-nodvar và WRF-15-GSM-nodvar).
2) Chạy WRF 15km với trường ban đầu
và điều kiện biên trực tiếp từ trường phân
tích và dự báo của mơ hình GFS của NCEP
và GSM của JMA với độ phân giải 0.5x0.5
độ và có sử dụng đồng hóa số liệu 3DVAR
để cải tiến trường ban đầu (WRF-15-GFS3dvar và WRF-15-GSM-3dvar).

572


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Nghiên cứu lựa chọn 10 đợt mưa lớn trong
các năm 2010-2012 (bảng 2.1) để thử nghiệm
dự báo mưa lớn bằng mơ hình WRF ở độ
phân giải 15km, với tiêu chí đảm bảo gần
như tồn bộ các dạng hình thế thời tiết điển
hình (hình thế đơn, kết hợp từ 2 hoặc nhiều

hình thế thời tiết) gây mưa lớn ở khu vực
miền Trung được đánh giá và có tổng cộng
có 63 ngày thử nghiệm cho dự báo bắt đầu từ
thời điểm 00Z để tiến hành đánh giá.
Bảng 2.1. Các đợt mưa lớn trong nghiên cứu

khía cạnh của các chỉ số BIAS, POD và FAR,
chỉ số ETS càng gần 1 càng tốt. Phương pháp
thẩm định CRA [3] cũng được sử dụng để đưa
ra đánh giá sai số về diện và lượng của từng
đợt mưa lớn.
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Bảng 3.1 đưa ra kết quả tính tốn cho 4 chỉ
số đánh giá nói trên tương ứng cho từng thử
nghiệm, hạn dự báo, các giá trị được bôi đậm
ngụ ý là giá trị tốt nhất cho chỉ số đánh giá.

T hời gian
Lượng mưa
xảy ra
TT
Khu vực mưa
phổ biến
(Ng/T g/Nm)
(mm)
1 28/9-3/10/10 T rung Bộ
200-40
2
3-5/9/10

Bắc và T rung
300-500
T rung Bộ
3 15-18/10/10 Các tỉnh Trung Bộ
100-300
4 10/-12/9/11 Bắc và T rung
300-500
T rung Bộ
5 22-25/9/11 T rung T rung Bộ và
200 - 300 và
Nam T rung Bộ
80-120
6 16-20/10/11 T rung T rung Bộ
200-400
và ven biển Nam Trung
Bộ
7
4-9/11/11 Các tỉnh ven biển
200-400
Quảng Bình –
Phú Yên
8
3-8/9/12
Các tỉnh ven biển Bắc 200-400
và T rung Trung Bộ
9
14-5/9/12 T ừ phía Nam Hà Tĩnh - 50-120và
Bình T huận
100-300
10 6-8/10/12 Ven biển T rung T rung 100-200

Bộ, Nam T rung Bộ và
khu vực T ây Nguyên

Bảng 3.1. Chỉ số đánh giá chất lượng
dự báo mưa to và rất to
Hạn dự
báo

24h

48h

72h

Các
chỉ số
BIAS
PO D
FAR
ETS
BIAS
PO D
FAR
ETS
BIAS
PO D
FAR
ETS

Ngưỡng mưa

50mm/24h
100mm/24h
WRF-15- WRF-15-WRF-15-WRF-15GSMGSMGFSGFSnodvar nodvar nodvar nodvar
1.28
1.21
1.65
1.69
0.42
0.46
0.33
0.35
0.51
0.48
0.60
0.57
0.16
0.18
0.15
0.15
1.36
1.36
1.41
1.73
0.33
0.36
0.31
0.27
0.62
0.56
0.61

0.59
0.13
0.15
0.15
0.14
1.52
1.47
1.50
1.81
0.27
0.31
0.25
0.25
0.65
0.62
0.59
0.58
0.12
0.13
0.15
0.13

Từ bảng 3.1 có thể thấy tại ngưỡng mưa
to, các kết quả đánh giá cho thấy dự báo từ
mơ hình WRF phân giải 15km với số liệu đầu
vào từ mơ hình tồn cầu GFS tốt hơn một
Để chỉ ra được kỹ năng dự báo mưa lớn chút so với thử nghiệm chạy với đầu vào từ
của các mơ hình WRF và NHM trên khu vực mơ hình GSM tại hầu hết các chỉ số đánh giá
miền Trung Việt Nam, lượng mưa tích lũy và hạn dự báo. Chuyển sang ngưỡng mưa rất
24h với ngưỡng mưa lớn và rất lớn được sử to, chất lượng dự báo tốt nhất giữa 2 thử

dụng trong các đánh giá dưới đây. Các kết nghiệm có đan xen lẫn nhau khi xem xét từng
quả đánh giá được thực hiện dựa trên các chỉ các chỉ số đánh giá. Tuy nhiên, nếu chỉ xét
số đánh giá dự báo pha gồm BIAS, POD, theo chỉ số ETS thì thử nghiệm với đầu vào
FAR, ETS [4]. Chỉ số BIAS cho biết khuynh từ mơ hình GSM tốt hơn một chút so với thử
hướng sai số là thiên cao (BIAS>1) hay thiên nghiệm sử dụng đầu vào từ mơ hình GFS.
Như vậy, các kết quả đánh giá ở đây cho thấy
thấp (BIAS<1). Trong khi các chỉ số POD và việc sử dụng trực tiếp các trường phân tích
FAR lần lượt cho biết tỷ lệ dự báo đúng hiện và dự báo từ các mơ hình tồn cầu khác nhau
tượng có xảy ra (POD càng gần 1 càng tốt) nhưng có cùng độ phân giải làm ban đầu và
và tỷ lệ dự báo khống (FAR càng gần 0 càng điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian cho
tốt). Chỉ số ETS là chỉ số tổng hợp cho biết mơ hình NWP khu vực chạy với độ phân giải
toàn bộ kỹ năng dự báo pha và bao hàm các trên thủy tĩnh đem lại ít sự khác biệt trong
573


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

chất lượng dự báo mưa lớn. Kết quả này hoàn
toàn phù hợp với các kết quả đánh giá chất
lượng dự báo của hệ thống dự báo tổ hợp đa
mô hình đa phân tích - SREPS [2] trong đó
độ tán của hệ thống dự báo tổ hợp này quá
nhỏ do các dự báo thành phần cho kết quả dự
báo gần như nhau.
Bảng 3.2. Các thử nghiệm WRF-15-GFS3dvar và WRF-15-GSM-3dvar
Ngưỡng mưa
Hạn
50mm/24h
100mm/24h
Các

dự
WRF-15- WRF-15- WRF-15- WRF-15báo chỉ số GSMGFSGSMGFS3dvar
3dvar
3dvar
3dvar
BIAS
0.57
0.58
0.60
0.66
PO D
0.75
0.71
0.56
0.56
24h
FAR
0.59
0.60
0.68
0.67
ETS
0.15
0.14
0.13
0.15
BIAS
0.54
0.60
0.67

0.85
PO D
0.63
0.60
0.41
0.40
48h
FAR
0.67
0.66
0.73
0.70
ETS
0.14
0.15
0.13
0.14
BIAS
0.57
0.62
0.86
0.96
PO D
0.53
0.50
0.32
0.31
72h
FAR
0.73

0.71
0.74
0.73
ETS
0.14
0.15
0.13
0.13

24h và 48h được cải thiện nhiều hơn so với
hạn 72h khi đưa đồng hóa số liệu vào.
- Theo FAR: xác suất dự báo khống trong
trường hợp chỉ sử dụng điều kiện biên GFS và
khơng có đồng hóa số liệu là thấp nhất. Việc
đưa đồng hóa số liệu vào mặc dù làm tăng tỉ lệ
phát hiện hiện tượng mưa lớn những kèm theo
đó là tăng tỉ lệ dự báo khống lên.
- Theo ETS: sử dụng điều kiện biên GFS
và có đồng hóa số liệu cho kết quả tốt nhất
trong số 4 thử nghiệm. Xét về mặt giá trị, cho
thấy chênh lệch giữa các trường hợp là rất
nhỏ (khác biệt từ 0.01 đến 0.03).
4. KẾT LUẬN

Các kết quả đánh giá đã cho thấy chất
lượng dự báo của mơ hình WRF sử dụng số
liệu đầu vào từ mơ hình tồn cầu GSM của
JMA là tốt hơn từ mơ hình tồn cầu GFS của
NCEP trong cả 2 nhóm thử nghiệm có và
khơng có sử dụng đồng hóa số liệu. Mặt

khác, việc sử dụng đồng hóa số liệu 3DVAR
đã làm thay đổi và nâng cao chất lượng của
trường phân tích ban đầu khi đưa vào mơ
hình khu vực. Do đó, chất lượng dự báo mưa
lớn của mơ hình WRF trên khu vực miền
Trung đã được cải thiện đáng kể cả về dự báo
lượng và diện mưa khi có sử dụng đồng
Nhóm thử nghiệm 15km có và khơng có định
đồng hóa số liệu được thiết kế để kiểm chứng hóa số liệu 3DVAR.
hiệu quả của đồng hóa số liệu địa phương để 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
nâng cao chất lượng trường ban đầu cho mơ
hình, qua đó nâng cao chất lượng dự báo tổng [1] Bùi Minh Tăng và cộng tác viên, 2014:
Nghiên cứu xây dựng công nghệ dự báo
thể của mơ hình NWP khu vực. Từ bảng 3.1
mưa lớn thời hạn 2-3 ngày phục vụ công tác
và 3.2 có thể nhận thấy:
cảnh báo sớm lũ lụt khu vực miền Trung
- Sự khác biệt giữa chất lượng dự báo của
Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài NCKH
hai trường hợp có điều kiện biên tồn cầu
khác nhau là không lớn so với việc cập nhật
độc lập cấp Nhà nước, 267tr.
trường ban đầu thơng qua đồng hóa số liệu [2] Võ Văn Hòa và cộng tác viên, 2010:
3DVAR hay nói cách khác nó ít nhiều đem
Nghiên cứu phát triển hệ thống dự báo tổ
lại sự thay đổi trong chất lượng dự báo.
hợp thời tiết hạn ngắn (SREPS) cho khu
- Theo BIAS: các thử nghiệm khơng có
vực Việt Nam. Báo cáo tổng kết đề tài
đồng hóa số liệu có xu hướng thiên cao, trong

NCKH cấp Bộ, 188 tr.
khi các thử nghiệm có đồng hóa cho xu [3] Ebert E.E., McBride J.L., 1997: Methods for
hướng thiên thấp. Thời đoạn 24h cho chỉ số
verifying quantitative precipitation forecasts :
BIAS tiến gần 1 nhất, 48h và 72h, việc đưa
Application to the BMRC LAPS model 24đồng hóa số liệu vào đã giảm được sai số hệ
hour precipitation forecasts, BMRC Techniques
thống, đặc biệt cho ngưỡng mưa to.
Development Rep. 2, 87pp.
- Theo POD: xác suất phát hiện các hiện
tượng mưa ở hầu hết các ngưỡng mưa đều [4] Wilks, D. S., 2006: Statistical Methods in
the Atmos pheric Sciences. Academic Press,
được tăng lên một cách rõ rệt khi xem xét các
Second Edition, 649 pp.
thử nghiệm có đồng hóa số liệu. Tần suất
phát hiện mưa to và rất to tại các hạn dự báo
574