vai trò và ảnh hưởng của máy tính đến sự phát triển của NWP

Giáo viên h ng d n: NGUY N TH H NG NGướ ẫ Ễ Ị Ồ Ự
N i dungộ

Gi i thi u m t s ph ng pháp d báoớ ệ ộ ố ươ ự

L ch s phát tri n c a mô hình d báo s trị ử ể ủ ự ố ị

B c ti n đ u tiên c a ph ng pháp s trướ ế ầ ủ ươ ố ị

Vai trò và nh h ng c a máy tính đ n d ả ưở ủ ế ự
báo th i ti tờ ế

Để dự báo thời tiết các nhà khí tượng đã sử dụng một số phương
pháp khác nhau.

- Phương pháp quán tính

- Phương pháp xu thế

- Phương pháp khí hậu

- Phương pháp tương tự

- Phương pháp dự báo số

Phương pháp dự báo số sử dụng các máy tính để xây dựng mô
hình máy tính của khí quyển. Đây là phương pháp thành công
nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới.

Vilhelm Bjerknes là giáo sư về cơ học ứng
dụng và vật lí toán học tại Đại học

Stockholm. Nhà vật lý người Nauy này
được gọi là cha đẻ của khí tượng học hiện
đại.

Đầu thế kỷ 20, ở Na Uy có một nhóm các
nhà khí tượng, đứng đầu là Vilhelm
Bjerknes đã phát triển một mô hình để giải
thích sự hình thành, tăng cường và tan rã
(vòng đời) của các xoáy thuận ngoại nhiệt
đới, đã đưa ra ý tưởng về front, là đường
biên giữa các khối khí. Nhóm cũng bao
gồm Carl-Gustaf Rossby (người đầu tiên
giải thích các chuyển động qui mô lớn khí
quyển trên quan điểm của động lực học
chất lỏng), Tor Bergeron (người đầu tiên
đưa ra cơ chế hình thành mưa).

Đầu thế kỷ 20, những tiến bộ
của sự hiểu biết về vật lý khí
quyển dẫn tới sự hình thành của
dự báo thời tiết bằng phương
pháp số hiện đại. Vào năm
1922, Lewis Fry Richardson đã
xuất bản cuốn Dự báo thời tiết
bằng quá trình số trị, trong đó
đã miêu tả những số hạng nhỏ
trong các phương trình động
lực học chất lỏng có thể được
bỏ qua để có thể tìm được các
nghiệm số. Tuy nhiên, số lượng

tính toán quá lớn khi đó và
không thể thực hiện được trước
khi các máy vi tính xuất hiện.

Hình vẽ mô phỏng xưởng
dự báo của Richardson
(mô hình dự báo thời tiết
số trị đầu tiên ). Xưởng dự
báo là một quả cầu khổng
lồ, bên trong quả cầu vẽ
bản đồ Trái Đất, xoay
quanh quả cầu là 64000
bộ óc tính toán nhằm bắt
kịp diễn tiến của thời tiết
trên Trái Đất. Có một
người điều khiển đứng
giữa quả cầu làm nhiệm
vụ điều phối màu ánh
sáng.)

1946 Jonh Von Neumann thành lập
dự án máy tính điện tử tại ISA
(Institude For Advance Study)
trong Priceton, New Jersey. Toàn
bộ dự án đã thiết kế và xây dựng
nên một máy tính điện tử vượt xa
khả năng của những máy tính điện
tử trước đó.

Năm 1948, John von Neumann tập

hợp một nhóm các nhà khí tượng lý
thuyết tại viện nghiên cứu cao cấp
ở Princeton, New Jersey. Đứng đầu
nhóm là Jule Charney. Nhóm của
ông đã xây dựng thành công mô
hình toán học của khí quyển và
chứng tỏ dự báo thời tiết số trị là
hữu dụng.

Họ đã dùng máy tính điện tử trong dự án của mình

Có thể nói dự báo thời tiết là một trong số 3 động lực đẩy
mạnh việc thành lập dự án máy tính điện tử, hai trong số đó là
phương pháp số trị và kĩ thuật công trình ( theo Goldstine 1972).

2 đặc trưng đặc biệt quan trong trong cấu trúc của máy tính
đang được xây dưng là:

- Những chương trình của máy tính được lưu giữ ở bộ nhớ
trong.

- Máy tính là một cấu trúc song song

Đặc trưng đầu tiên cho phép máy tự động cập nhật

Đặc trưng thứ 2, xử lý toàn bộ những con số trong cùng một
thời điểm.

Hai đặc trưng này gần như là đặc điểm chung phổ biến cho
tất cả các máy tính điện tử hiện đại.


1950 Charney Et Al đã chạy thành công mô hình dự báo thời tiết
trên ENIAC ( electronic numerical integrator and computer)

Đến giữa thập niên 1950, các thí nghiệm số trở nên dễ dàng hơn
với sự trợ giúp của máy tính. Các dự báo thời tiết đầu tiên bằng
phương pháp số đã sử dụng các mô hình chính áp(với một mực
thẳng đứng) và đã dự báo các chuyển động qui mô lớn của sóng
Rossby vùng vĩ độ trung bình một cách thành công.

ENIAC được phát triển bởi The Moore School Of Electrical
Engineering ở trường đại học của Pennsylvania.Với mô hình đơn
giản nhất _The Barotropic phải mất 24h để dự báo cho 1 ngày
trên ENIAC.Còn trên máy IAS chỉ ít hơn 5 phút .
ENIAC
( electronic numerical integrator and computer)
ENIAC
( electronic numerical integrator and computer)

Sau chiến tranh thế giới 2 người ta mới thấy được tầm quan trọng
của dự báo thời tiết.

Một loạt các kế hoạch liên tục của The U.S Weather Bureau, The
Air Weather Service của lực lượng hàng không Mỹ, và The Naval
Weater Service yêu cầu cần phải có một máy tính thương mại có
khả năng tương tự ISA ,có khả năng dự báo thời tiếi với một số
lượng lớn.

1/7/1954 JNWPU ( Joint Numerical Weather Prediction Unit )
đuợc thành lập.

Fred Shuman (trái ) và Otha Fuller
với máy IBM 701 là máy tính đầu
tiên sử dụng JNWPU (Joint
Numerical Weather Prediction
Unit) để cho ra kết quả tính toán dự
báo thời tiết số trị (JNWPU cho kết
quả dự báo số trị 2 lần một ngày )

3/1955 dòng máy IBM
701 ra đời và mùa hè
năm đó nó được sử dụng
để dự báo thời tiết bằng
phương pháp số trị ( 2
lần 1 ngày).

Có thể nói mô hình NWP hiện đại bắt đầu với sự phát minh
ra máy tính điện tử hiện đại và sự cải tiến sau đó của NWP
đã bước đầu bắt kịp bởi sự tiến bộ của kỹ thuật máy tính.

Máy tính đóng một vai trò hết sức lớn trong NWP và với
những kỹ thuật hỗ trợ của nó.Ngày nay máy tính có mặt
khắp nơi, nó hầu như là một phần của tất cả kỹ thuật hiện
đại.

Những siêu máy tính mạnh không chỉ có khả năng giải
quyết những hoạt động phức tạp rắc rối trong mô hình NWP
với sự phức tạp cao mà nhiều loại máy tính còn gắn liền với
những hỗ trợ kỹ thuật như quan sát và truyền đạt tin tức.

Ngày nay khả năng quan sát của chúng ta ít bị giới hạn nhất

là nhờ có những siêu máy tính,các mô hình ứng dụng được
chạy trên chúng và đưa ra các kết quả.

Từ năm 1952 đã có những bước tiến đột phá trong kĩ thuật máy
tính:

Trung tâm khí tượng học quốc gia đã dùng qua 6 đời siêu máy
tính trong suốt 33 năm ( IBM701, IBM704, IBM7094, CDC
6600, IBM 360/195, và Cyber 205 )

Những đời sau của siêu máy tính luôn mạnh hơn đời trước đó ,ví
dụ như Cyber205mạnh gấp 10.000lần so với IBM 701. Những
máy tính mạnh tiếp túc phát triển sau đó, bây giờ trên thị trường
còn có nhiều máy mạnh hơn cả Cyber 205.

Sự chính xác của NWP tăng lên qua nhiều năm nhưng không chỉ
bởi tầm quan trọng của nó mà còn do sức mạnh của máy tính.

Những siêu máy tính mới có thể làm cho NWP ngày càng tinh vi
hơn trước.

NWP bắt đầu với IBM 701.

Sau đó là IBM704 có thể làm cho mô hình chính áp được lớn hơn
bao phủ cả khu vục Bắc Bán Cầu.

IBM 7094 có thể giới thiệu mô hình tà áp với 3 mức độ .

CDC 6600 có thể thu thập dữ liệu toàn cầu, có khả năng làm một
mô hình với phương trình nguyên thuỷ 6 lớp.


Sự thu thập dự lịệu được cung cấp nhanh hơn bởi mạng lưới thời
tiết tự động của lực lượng hàng không Mỹ.

IBM 360/195 đã cho phép double xử lý theo phương ngang của
mô hình 6 lớp.
IBM 704
(Làm cho mô hình chính áp được lớn hơn bao
phủ cả khu vục Bắc Bán Cầu)
IBM 704
IBM 705
IBM 7049
(Có th gi i thi u mô hình tà áp ể ớ ệ
v i 3 m c đ )ớ ứ ộ
CDC 6600
IBM 360/195
(Double x lý theo ph ng ngang ử ươ
c a mô hình 6 l p)ủ ớ
CYBER 205

Những năm gần đây, các mô hình khí hậu đã được phát triển với
độ phân giải ngày càng cao. Chúng được sử dụng để nghiên cứu
những biến đổi khí hậu trong thời gian dài, chẳng hạn như hiệu
ứng nhà kính – hậu quả khí thải do con người tạo ra. Tất cả các dữ
liệu này, được các siêu máy tính xây dựng nên mô hình của khí
quyển. Các dự báo này dựa trên mô hình dự báo số trị. Đây là
phương pháp hiệu quả nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế
giới, nâng cao độ chính xác trong dự báo thời tiết.

Mô hình máy tính mới được thiết lập với sự hợp tác của Cơ quan

khí quyển – đại dương quốc gia (National Oceanic and
Atmospheric Administration – NOAA), Trung tâm Nghiên cứu
khí quyển Quốc gia (National Center for Atmospheric Research –
NCAR) và hơn 150 tổ chức và trường đại học ở Mỹ và nước
ngoài: đó là mô hình WRF (Weather Research and Forecasting
Model ) - nghiên cứu và dự báo thời tiết độ phân giải cao, là mô
hình đầu tiên dùng cho cả hai mục đích: dự báo thời tiết dân sự và
quân sự, là khung cơ bản cho dự báo thời tiết của quốc gia và là
công cụ nghiên cứu thời tiết tiên tiến.

Mô hình được Cơ quan Thời tiết Quốc gia (National Weather
Service – NWS) của NOAA chấp nhận để sử dụng làm mô hình
cơ bản dự báo thời tiết cho từ 1 đến 3 ngày của Mỹ và là bộ phận
cơ bản của hệ thống mô hình hóa tổng thể cho dự báo thời tiết
ngắn hạn của NWS. Cơ quan Thời tiết của Không quân Mỹ (Air
Force Weather Agency – AFWA) cũng sử dụng WRF trong nhiều
lĩnh vực hoạt động trên thế giới.