(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu ứng dụng phương pháp đồng hoá số liệu phục vụ mô hình dự báo sóng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG HỐ
SỐ LIỆU PHỤC VỤ MƠ HÌNH DỰ BÁO SĨNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƢƠNG HỌC

Hà Nội - 2020


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐỒNG HỐ
SỐ LIỆU PHỤC VỤ MƠ HÌNH DỰ BÁO SĨNG
Chun ngành: Hải dương học
Mã số: 9440228.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HẢI DƢƠNG HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn
2. TS. Trần Quang Tiến

Hà Nội - 2020

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2020

Tác giả luận án

Nguyễn Trung Thành


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được luận án và đạt được kết quả như mong muốn, nghiên
cứu sinh (NCS) gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến: Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương học là
cơ sở đào tạo đã tạo điều kiện tốt nhất cho NCS học tập, trao đổi và lĩnh hội kiến
thức. Đặc biệt NCS trân trọng cảm ơn đến Hội đồng Khoa học và Đào tạo khoa Khí
tượng, Thủy văn và Hải dương học cũng như các nhà khoa học đã góp ý rất nhiều
cho các nội dung của luận án.
Nhân đây NCS tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Minh Huấn và thầy
Trần Quang Tiến. Trong quá trình thực hiện luận án, các Thầy hướng dẫn không chỉ
định hướng nghiên cứu một cách tận tình, khoa học mà cịn hỗ trợ NCS rất nhiều
trong việc cung cấp tài liệu, số liệu phục vụ nghiên cứu giúp NCS hoàn thiện được
bản luận án.
NCS cũng xin gửi lời cảm ơn tới ban lãnh đạo Trung tâm Quy hoạch và Điều

tra tài nguyên – mơi trường biển khu vực phía Bắc đã tạo điều kiện cử NCS đi học,
hỗ trợ về thời gian, vật chất, tinh thần cho NCS trong suốt thời gian tham gia học
tập, nghiên cứu.
Gia đình ln là chỗ dựa tinh thần, là nguồn động viên, là động lực cho NCS
trong suốt thời gian thực hiện luận án, NCS xin trân trọng cảm ơn. Đồng thời NCS
cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè, đồng nghiệp đã tận tình góp ý, chỉ bảo và hỗ trợ
về vật chất và tinh thần để hoàn thành luận án này.


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của luận án ................................................................................1
2. Luận điểm bảo vệ của luận án ..........................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ................................................3
4. Những đóng góp mới của luận án ....................................................................3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................3
6. Cấu trúc của luận án .........................................................................................4
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN SĨNG
VÀ ĐỒNG HĨA SỐ LIỆU .......................................................................................5
1.1. Tổng quan về việc nghiên cứu tính tốn và dự báo sóng .............................5
1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới ....................................................................5
1.1.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam .....................................................................7
1.2. Tổng quan về việc áp dụng phương pháp đồng hoá số liệu .........................9
1.2.1. Việc áp dụng phương pháp đồng hoá số liệu trên thế giới .......................9
1.2.2. Việc áp dụng phương pháp đồng hoá số liệu ở Việt Nam .....................14
1.3. Kết luận chương 1.........................................................................................17
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......18
2.1. Phương pháp đồng hoá số liệu ....................................................................18
2.1.1. Lịch sử đồng hoá số liệu .........................................................................18

2.1.2. Các phương pháp đồng hoá số liệu ........................................................21
2.2. Mơ hình tính tốn sóng SWAN ....................................................................23
2.2.1. Cơ sở lý thuyết của mơ hình SWAN ......................................................24
2.2.2. Sơ đồ số trong mơ hình SWAN ..............................................................27
2.2.3. Điều kiện biên ........................................................................................29
2.2.4. Các tham số tính tốn .............................................................................29
2.2.5. Điều kiện ban đầu ...................................................................................29
2.3. Hệ thống phần mềm OpenDA ......................................................................30
2.3.1. Tổng quan về phần mềm OpenDA .........................................................30
2.3.2. Phương pháp hiệu chỉnh SWAN-CI .......................................................31
2.3.3. Các phương pháp đồng hoá số liệu tổ hợp .............................................37
2.4. Các chỉ số đánh giá sai số ............................................................................44
2.5. Kết luận chương 2.........................................................................................45


CHƢƠNG 3. ÁP DỤNG THỬ NGHIỆM ĐỒNG HOÁ SỐ LIỆU CHO KHU
VỰC BIỂN ĐÔNG ..................................................................................................46
3.1. Thu thập và xử lý số liệu ..............................................................................46
3.1.1. Số liệu địa hình .......................................................................................46
3.1.2. Số liệu gió ...............................................................................................46
3.1.3. Số liệu sóng ............................................................................................47
3.2. Thiết lập mơ hình và mơ tả q trình tính tốn ..........................................50
3.2.1. Thiết lập mơ hình ...................................................................................50
3.2.2. Mơ tả q trình tính tốn ........................................................................52
3.3. Nghiên cứu lựa chọn tham số ......................................................................52
3.3.1. Lựa chọn các tham số trong mơ hình SWAN ........................................52
3.3.2. Lựa chọn các tham số trong đồng hoá số liệu lọc Kalman tổ hợp .........55
3.4. Tính tốn thử nghiệm với chuỗi số liệu tại trạm phao ...............................95
3.4.1. Mơ tả phương án tính tốn .....................................................................95
3.4.2. Kết quả xác định tham số cho mơ hình SWAN .....................................98

3.4.3. Kết quả tính tốn tại trạm phao 4001 ...................................................100
3.4.4. Kết quả tính tốn tại trạm phao 4002 ...................................................105
3.4.5. Kết quả tính tốn tại trạm phao 4003 ...................................................108
3.4.6. Kết quả tính tốn tại trạm phao 4004 ...................................................111
3.4.7. Kết quả tính tốn với số liệu vệ tinh ....................................................115
3.5. Tính tốn thử nghiệm với chuỗi số liệu từ ra đa.......................................118
3.5.1. Mô tả phương án tính tốn ...................................................................118
3.5.2. Kết quả xác định tham số cho mơ hình SWAN ...................................120
3.5.3. Kết quả tính tốn tại trạm MSP1 ..........................................................122
3.5.4. Kết quả tính tốn tại trạm Ra đa Đồng Hới ..........................................125
3.5.5. Kết quả tính tốn với số liệu vệ tinh ....................................................127
3.6. Kết luận chương 3.......................................................................................129
KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ..................................................................................131
1. Kết luận ..........................................................................................................131
2. Kiến nghị ........................................................................................................133
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ...........................................134
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................135


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 2.1. Sơ đồ q trình đồng hố số liệu ...............................................................18
Hình 2.2. Sơ đồ khối mơ hình SWAN ......................................................................28
Hình 2.3. Giao diện bộ phần mềm OpenDA trong trường hợp đồng hố số liệu .....30
Hình 2.4. Sơ đồ khối các bước tính tốn đồng hố số liệu bằng EnKF ....................42
Hình 3.1. Vị trí các điểm tham gia hiệu chỉnh và đồng hố số liệu ..........................50
Hình 3.2. Đường đi của 2 vệ tinh Jarson2 và Saral-Altica qua khu vực Biển Đơng
ngày 5/3/2011 ............................................................................................................50
Hình 3.3. Địa hình và lưới tính khu vực Biển Đơng .................................................51
Hình 3.4. Biến thiên hàm GoF theo tham số CDS2 (a), powst (b), powk (c) và cutfr (d) 54

Hình 3.5. Biến trình độ cao sóng có nghĩa của các thành phần tổ hợp và số liệu quan
trắc tại trạm MSP1 trong các phương án: a. NoEnKF; b. EnKF01; c. EnKF02; d.
EnKF03; e. EnKF04; f. EnKF05; g. EnKF06; h. EnKF07; i. EnKF08; j. EnKF09; k.
EnKF10 .....................................................................................................................59
Hình 3.6. a - Biến trình độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp theo thời gian trong
các phương án NoEnKF, từ EnKF01 đến EnKF10 và độ cao sóng quan trắc tại trạm
MSP1; b – Độ tán độ cao sóng có nghĩa của các thành phần tổ hợp; c – Biểu đồ
phân tán giữa độ cao sóng có nghĩa quan trắc (Obs) và độ cao sóng có nghĩa trung
bình tổ hợp trong các phương án NoEnKF, từ EnKF01 đến EnKF10 ......................61
Hình 3.7. a - Độ cao và hướng sóng trung bình tổ hợp trong phương án NoEnKF; b
- Độ cao và hướng sóng trung bình tổ hợp trong phương án EnKF03; c – Chu kỳ
sóng trung bình tổ hợp trong phương án NoEnKF; d - Chu kỳ sóng trung bình tổ
hợp trong phương án EnKF03 ở Biển Đông lúc 23 giờ ngày 18/9/2013 ..................65
Hình 3.8. Hiệu độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp giữa EnKF- NoEnKF: (b)
EnKF01, (c) EnKF02, (d) EnKF03, (e) EnKF04, (f) EnKF05, (g) EnKF06, (h)
EnKF07, (i) EnKF08, (j) EnKF09, (k) EnKF10 ở Biển Đông vào 23 giờ ngày
18/9/2013 ...................................................................................................................71


Hình 3.9. Hiệu chu kỳ sóng trung bình tổ hợp giữa EnKF- NoEnKF: (b) EnKF01,
(c) EnKF02, (d) EnKF03, (e) EnKF04, (f) EnKF05, (g) EnKF06, (h) EnKF07, (i)
EnKF08, (j) EnKF09, (k) EnKF10 ở Biển Đơng vào 23 giờ ngày 18/9/2013 ..........76
Hình 3.10. So sánh chỉ số sai số giữa các phương án tính tốn a-ME, b -RMSE .....81
Hình 3.11. Chỉ số ME trên tồn miền tính trong các phương án: a. NoEnKF; b.
EnKF01; c. EnKF02; d. EnKF03; e. EnKF04; f. EnKF05; g. EnKF06; h. EnKF07; i.
EnKF08; j. EnKF09; k. EnKF10 ...............................................................................88
Hình 3.12. Chỉ số RMSE trên tồn miền tính trong các phương án: a. NoEnKF; b.
EnKF01; c. EnKF02; d. EnKF03; e. EnKF04; f. EnKF05; g. EnKF06; h. EnKF07; i.
EnKF08; j. EnKF09; k. EnKF10 ...............................................................................94
Hình 3.13. Biến thiên của hàm GoF phương án HC4001 theo tham số CDS2 (a) và

powst (b) ....................................................................................................................98
Hình 3.14. Biến thiên của hàm GoF phương án HC4002 theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ....................................................................................................................99
Hình 3.15. Biến thiên của hàm GoF phương án HC4003 theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ....................................................................................................................99
Hình 3.16. Biến thiên của hàm GoF phương án HC4004 theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ..................................................................................................................100
Hình 3.17. Biến thiên của hàm GoF phương án HC_All theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ..................................................................................................................100
Hình 3.18. Biến trình độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp tại trạm phao 4001 trong
các phương án hiệu chỉnh (a) và các phương án đồng hoá số liệu - EnKF (b).............101
Hình 3.19. So sánh chỉ số ME, RMSE tại trạm phao 4001 giữa các phương án hiệu
chỉnh (a,c) và các phương án EnKF (b,d) ...............................................................104
Hình 3.20. Biến trình độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp tại trạm phao 4002
trong các phương án hiệu chỉnh (a) và các phương án đồng hố số liệu-EnKF (b)105
Hình 3.21. So sánh chỉ số ME, RMSE tại trạm phao 4002 giữa các phương án hiệu
chỉnh (a,c) và các phương án EnKF (b,d) ...............................................................107


Hình 3.22. Biến trình độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp tại trạm phao 4003
trong các phương án hiệu chỉnh (a) và các phương án đồng hoá số liệu-EnKF (b)109
Hình 3.23. So sánh chỉ số ME, RMSE tại trạm phao 4003 giữa các phương án hiệu
chỉnh (a,c) và các phương án EnKF (b,d) ...............................................................111
Hình 3.24. Biến trình độ cao sóng có nghĩa trung bình tổ hợp tại trạm phao 4004
trong các phương án hiệu chỉnh (a) và các phương án đồng hố số liệu-EnKF (b)112
Hình 3.25. So sánh chỉ số ME, RMSE tại trạm phao 4004 giữa các phương án hiệu
chỉnh (a,c) và các phương án EnKF (b,d) ...............................................................114
Hình 3.26. Độ cao sóng có nghĩa tại các điểm vệ tinh trong các phương án hiệu
chỉnh (a) và các phương án đồng hố số liệu-EnKF (b) .........................................116
Hình 3.27. So sánh chỉ số ME, RMSE tại trạm vệ tinh giữa các phương án hiệu

chỉnh (a,c) và các phương án EnKF (b,d) ...............................................................118
Hình 3.28. Biến thiên của hàm GoF phương án HC_BH theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ..................................................................................................................121
Hình 3.29. Biến thiên của hàm GoF phương án HC_DH theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ..................................................................................................................121
Hình 3.30. Biến thiên của hàm GoF phương án HC_All theo tham số CDS2 (a) và
powst (b) ..................................................................................................................122
Hình 3.31. Biến trình độ cao sóng có nghĩa tại trạm MSP1 trong các phương án .123
Hình 3.32. So sánh các chỉ số ME (a), RMSE (b) tại trạm MSP1 giữa các phương án . 124
Hình 3.33. Biến trình độ cao sóng có nghĩa tại trạm ra đa Đồng Hới trong các
phương án ................................................................................................................125
Hình 3.34. So sánh các chỉ số ME (a), RMSE (b) tại trạm ra đa Đồng Hới giữa các
phương án ................................................................................................................127
Hình 3.35. Độ cao sóng có nghĩa tại trạm vệ tinh trong các phương án .................127
Hình 3.36. So sánh các chỉ số ME (a), RMSE (b) tại trạm ra đa Đồng Hới giữa các
phương án ................................................................................................................128


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Vị trí, thời gian đo tại các trạm phao ........................................................47
Bảng 3.2. Danh sách các vệ tinh có thu nhận độ cao sóng .......................................49
Bảng 3.3. Danh sách các tham số sử dụng để hiệu chỉnh .........................................53
Bảng 3.4. Các phương án tính tốn lựa chọn tham số đồng hoá số liệu ...................56
Bảng 3.5. Chỉ số sai số trong các phương án lựa chọn tham số đồng hoá số liệu ....80
Bảng 3.6. Bảng thông tin về các trạm phao ..............................................................96
Bảng 3.7. Các phương án tính tốn thử nghiệm tại trạm phao .................................97
Bảng 3.8. Kết quả xác định tham số mơ hình SWAN tại trạm phao ........................98
Bảng 3.9. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm phao 4001 ...........................102
Bảng 3.10. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm phao 4002 .........................106

Bảng 3.11. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm phao 4003 .........................109
Bảng 3.12. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm phao 4004 .........................113
Bảng 3.13. Chỉ số sai số trong các phương án với số liệu vệ tinh ..........................116
Bảng 3.14. Các phương án tính tốn thử nghiệm....................................................119
Bảng 3.15. Kết quả xác định tham số mơ hình SWAN ..........................................120
Bảng 3.16. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm MSP1 ................................124
Bảng 3.17. Chỉ số sai số trong các phương án tại trạm ra đa Đồng Hới .................126
Bảng 3.18. Chỉ số sai số trong các phương án với số liệu vệ tinh ..........................128


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

STT

Ý nghĩa

1.

3DVar

Phương pháp biến phân ba chiều (Three-Dimensional
Variational)

2.

4DVar

Phương pháp biến phân bốn chiều (Four -Dimensional
Variational)

3.

BH

Trạm MSP1 (trạm Bạch Hổ)

4.

CDS2

Tốc độ tiêu tán sóng do sóng bạc đầu (Coefficient for
Determining the Rate of Whitecapping Dissipation)

5.

cutfr

Tỉ lệ giữa tần số sóng cực đại và tần số sóng trung bình
(The Ratio of the Maximum Frequency over the Mean
Frequency)

6.

DEnKF

Phương pháp lọc Kalman tổ hợp xác định (Deterministic
Ensemble Kalman Filter)

7.

DH

Trạm ra đa Đồng Hới (tỉnh Quảng Bình)

8.

DIA

Xấp xỉ tương tác rời rạc (Discrete
Interaction Approximation)

9.

DUD

Phương pháp hiệu chỉnh không sử dụng đạo hàm
(Doesn’t use derivative)

10.

ECMWF

Trung tâm Dự báo Hạn vừa Châu Âu (European Centre
for Medium-Range Weather Forecasts)

11.

EKF

Phương pháp lọc Kalman mở rộng (The Extended
Kalman Filter)

12.

EMC

Trung tâm Mơ hình hố Mơi trường (Environmental
Modeling Center)

13.

EnKF

Phương pháp lọc Kalman tổ hợp (The Ensemble Kalman
Filter)

14.

EnOI

Phương pháp nội suy tối ưu tổ hợp (Ensemble Optimal
Interpolation)

15.

EnSRF

Phương pháp lọc quân phương tổ hợp (the Ensemble
Square Root Filter)

Ký hiệu

STT

Ý nghĩa

16.

GoF

Hàm đánh giá mức phù hợp giữa kết quả tính tốn và
thực đo (Goodness of Fit or Cost Function)

17.

HC

Hiệu chỉnh

18.

JONSWAP

Dự án Nghiên cứu sóng ở Biển Bắc (The Joint North Sea
Wave Project)

19.

LBFGS

Phương pháp hiệu chỉnh với bộ nhớ giới hạn (Limited
memory Broyden Fletcher Goldfarb Shanno)

20.

LETKF

Phương pháp lọc Kalman tổ hợp địa phương hoá biến đổi
(The Local Ensemble Transform Kalman Filter)

21.

MD

Mặc định

22.

ME

Chỉ số sai số trung bình (Mean Error)

23.

NCEP

Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc Gia Mỹ (National
Centers for Environmental Prediction)

24.

NOAA

Cơ quan Quản lý Đại dương và Khí quyển Quốc gia Mỹ
(National Oceanic and Atmospheric Administration)

25.

OI

Phương pháp nội suy tối ưu (Optimal Interpolation)

26.

OpenDA

Phần mềm đồng hoá số liệu mã nguồn mở

powk

Tỉ lệ giữa số sóng thơng thường với số sóng trung bình
(Power of Wave Number Normalized with the Mean
Wave Number)

28.

powst

Tỉ lệ giữa độ dốc phổ sóng thơng thường với độ dốc phổ
sóng Pierson-Moskowitz (Power of Steepness
Normalized with the Wave Steepness of a PiersonMoskowitz Spectrum)

29.

RMSE

Chỉ số sai số bình phương trung bình qn phương (Root
mean square Error)

30.

SMS

Hệ thống mơ hình nước mặt (Surface Water Modeling
System)

31.

SWH

Độ cao sóng có nghĩa

27.


STT

Ký hiệu

Ý nghĩa

32.

SWAN

Mơ hình Tính tốn sóng ven bờ (Simulating Waves
Nearshore)

33.

SWAN-CI

Cơng cụ hiệu chỉnh tự động cho mơ hình SWAN
(SWAN Calibration Instrument)

34.

TOMAWAC

Mơ hình tính tốn Hoạt động sóng trong bộ phần mềm
TELEMAC (TELEMAC-based Operational Model
Addressing Wave Action Computation)

35.

WAM

Mơ hình Hoạt động sóng (Wave Action Model)

36.

WAVEWATCH Mơ hình sóng gió (Wind Wave Model)


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Các yếu tố hải văn nói chung và sóng biển nói riêng có tác động mạnh đến
các cơng trình trên và ven biển, các phương tiện giao thông đường biển, các hoạt
động kinh tế trên biển. Chính vì vậy từ lâu sóng biển đã được nghiên cứu trên nhiều
phương diện khác nhau. Kiến thức và dữ liệu đã tích lũy được về sóng biển ngày
càng phong phú và chi tiết. Trong nghiệp vụ tính tốn, dự báo sóng biển, đóng góp
lớn nhất và hiệu quả nhất là việc ứng dụng công nghệ, kỹ thuật hiện đại để giải bằng
phương pháp số các mô hình động lực sóng biển và quản lý dữ liệu đầu vào và đầu
ra. Ngày nay, phương pháp này được đánh giá là hiệu quả, tin cậy và ổn định.
Phương pháp này đã thay thế phương pháp Synop và phương pháp kinh nghiệm
trong dự báo sóng biển, các phương pháp này đang được dùng phổ biến ở nhiều
nước trên thế giới.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tính tốn dự báo sóng bằng mơ hình số trị đã
được thực hiện ở nhiều cơ quan, đơn vị, viện nghiên cứu, trường đại học... và tại
Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, kết quả dự báo sóng bằng mơ
hình số trị WAM, SWAN được sử dụng vào dự báo hằng ngày. Tuy nhiên, các
nghiên cứu và ứng dụng này mới chỉ tập trung vào việc sử dụng các công cụ mơ
hình tốn hiện đại được hiệu chỉnh và kiểm định trong một thời đoạn nhất định và
đưa ra các mô phỏng phù hợp với thời điểm đó mà chưa quan tâm nhiều tới việc sử
dụng các số liệu vệ tinh, số liệu từ ra đa kết hợp với các số liệu quan trắc có được
tại các vị trí khác nhau trên tồn miền tính để đưa vào đồng hố số liệu nhằm nâng
cao độ tin cậy dự báo sóng bằng mơ hình số trị, cũng như trong cơng tác tái phân
tích nhằm có được bộ số liệu chi tiết và chính xác hơn. Hơn nữa, việc hiệu chỉnh và

kiểm định số liệu mới chỉ được áp dụng đối với một vài chuỗi số liệu nên chưa bảo
đảm lựa chọn được bộ tham số phù hợp nhất. Việc hiệu chỉnh cũng chủ yếu được
thực hiện thủ công và phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thực hiện. Vì vậy cần
có một cơng cụ hữu ích hơn nhằm hiệu chỉnh và kiểm định các tham số mơ hình
một cách bài bản, khoa học và được thực hiện đồng thời với nhiều loại số liệu nhằm
tìm bộ tham số phù hợp nhất phục vụ tốt hơn việc tính tốn dự báo.

1


Các nghiên cứu về quy trình tính tốn và dự báo sóng có tính đến các phương
pháp đồng hố số liệu khác nhau đã được sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới và mang
lại kết quả khả quan. Trong khi đó, vấn đề đồng hố số liệu vẫn cịn khá mới mẻ ở
Việt Nam. Bên cạnh đó, các nghiên cứu xác định các tham số trong đồng hoá số liệu
cũng cịn khá sơ xài chưa có đánh giá chi tiết, cụ thể đối với từng tham số.
Xuất phát từ những lý do đã nêu trên, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên
cứu ứng dụng phương pháp đồng hoá số liệu phục vụ mơ hình dự báo sóng” sẽ góp
phần vào việc gia tăng độ chính xác trong cơng tác tính tốn, dự báo sóng biển ở
Việt Nam.
2. Luận điểm bảo vệ của luận án
1. Bằng việc áp dụng phương pháp hiệu chỉnh mơ hình tự động SWAN-CI
trong khu vực Biển Đông đã đưa ra được bộ tham số powk - tỉ lệ giữa số sóng thơng
thường với số sóng trung bình và tham số cutfr - tỉ lệ giữa tần số sóng cực đại và tần
số sóng trung bình ít ảnh hưởng đến kết quả tính tốn cịn các tham số CDS2 - tốc
độ tiêu tán sóng do sóng bạc đầu và tham số powst - tỉ lệ giữa độ dốc phổ sóng
thơng thường với độ dốc phổ sóng Pierson-Moskowitz lại có ảnh hưởng rất lớn đến
kết quả tính tốn. Nghiên cứu này cũng chỉ ra rằng SWAN-CI là cơng cụ hiện đại
và hữu ích khơng chỉ nâng cao hiệu quả trong việc lựa chọn tham số cho mơ hình
SWAN một cách khách quan mà cịn làm giảm sai số tính tốn và cải thiện được
chất lượng dự báo.

2. Chất lượng dự báo sóng khơng chỉ phụ thuộc vào việc lựa chọn tham số
của mơ hình mà cịn chịu tác động của các điều kiện biên, điều kiện ban đầu đưa
vào mơ hình và các tham số đồng hoá số liệu của phương pháp lọc Kalman tổ hợp
(EnKF). Bằng việc áp dụng phương pháp lọc Kalman tổ hợp và mơ hình sóng
SWAN ở khu vực Biển Đơng cho nhiều loại số liệu quan trắc, đo đạc từ nhiều
nguồn khác nhau đã đưa ra được bộ các tham số tốt nhất trong đồng hố số liệu
khơng chỉ làm giảm sai số tính tốn trong giai đoạn đồng hố số liệu mà cịn làm
tăng độ chính xác của dự báo trong khoảng từ 1 đến 24 giờ cũng như tiếp tục ảnh
hưởng đến kết quả dự báo trong khoảng từ 25 đến 48 giờ.

2


3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu của luận án là việc ứng dụng phương pháp hiệu chỉnh
mơ hình tự động, phương pháp đồng hóa số liệu vào mơ hình dự báo sóng và ứng
dụng thử nghiệm cho khu vực Biển Đông.
Phạm vi nghiên cứu: phạm vi không gian nghiên cứu của luận án là khu vực
Biển Đông và chi tiết cho vùng biển Việt Nam.
Phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp SWAN-CI và lọc
Kalman tổ hợp (EnKF) và mô hình sóng SWAN nhằm làm giảm sai số của mơ hình
trong tính tốn tái phân tích số liệu cũng như gia tăng độ chính xác trong tính tốn
dự báo sóng biển.
4. Những đóng góp mới của luận án
1. Đóng góp thứ nhất của luận án: đã đề xuất được dải giá trị các tham số
chung và các giá trị cụ thể cho các tham số này đối với các loại số liệu khác nhau
cho mơ hình SWAN ở khu vực Biển Đơng. Các kết quả cũng cho thấy SWAN-CI
có thể hiệu chỉnh đồng thời nhiều tham số mơ hình với nhiều loại số liệu khác nhau
trên khu vực Biển Đông hiệu quả và tin cậy.
2. Đóng góp thứ hai của luận án: đã lựa chọn và thử nghiệm thành công

phương pháp lọc Kalman tổ hợp kết hợp với mơ hình SWAN và đưa ra được bộ
tham số đồng hoá số liệu nhằm cập nhật lại điều kiện ban đầu và các điều kiện biên
thông qua đánh giá khách quan trường sóng tính tốn và số liệu quan trắc. Kết quả
cho thấy chất lượng tính tốn được cải thiện trong giai đoạn đồng hố số liệu phục
vụ tốt hơn cơng tác tính tốn tái phân tích trường sóng. Bên cạnh đó việc đồng hố
số liệu cịn làm tăng độ chính xác của dự báo trong khoảng từ 1 đến 24 giờ cũng
như tiếp tục cải thiện được kết quả dự báo trong khoảng từ 25 đến 48 giờ so với dự
báo thông thường.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Kết quả của luận án đã góp phần bổ sung và hồn thiện
quy trình tính tốn dự báo sóng.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả của luận án được áp dụng để nâng cao chất lượng
tính tốn tái phân tích trường sóng và nâng cao chất lượng dự báo sóng cho khu vực
Biển Đơng và chi tiết cho vùng biển Việt Nam.

3


6. Cấu trúc của luận án
Ngoài lời cam đoan, lời cảm ơn, danh sách các từ viết tắt, bảng biểu, hình vẽ,
mục lục, tài liệu tham khảo, nội dung chính của luận án bao gồm:
Chƣơng 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu tính tốn, dự báo sóng trên
thế giới và việc nghiên cứu, ứng dụng ở Việt Nam cũng như tình hình nghiên cứu,
áp dụng phương pháp đồng hố số liệu trên thế giới và ở Việt Nam.
Chƣơng 2: Mơ tả sơ lược lịch sử phát triển đồng hố số liệu, mơ tả sơ bộ các
phương pháp đồng hố số liệu theo từng nhóm phương pháp, giới thiệu sơ bộ về mơ
hình tính tốn sóng SWAN, hệ thống phần mềm OpenDA và đưa ra các chỉ số để
đánh giá sai số giữa kết quả tính tốn và số liệu thực đo.
Chƣơng 3: Trình vày về các số liệu đã được thu thập và xử lý nhằm phục vụ
cho luận án, thiết lập mơ hình nhằm mơ phỏng trường sóng Biển Đông, nghiên cứu

lựa chọn các tham số trong mô hình SWAN và các tham số đồng hố số liệu cho
phương pháp lọc Kalman tổ hợp trong OpenDA và tính toán thử nghiệm đối với các
số liệu từ trạm phao, số liệu ra đa biển, số liệu đo đạc tại trạm MSP1 và số liệu vệ
tinh qua đó đánh giá được tác động của việc hiệu chỉnh cũng như đồng hố số liệu
đến kết quả tính tốn tái phân tích cũng như đến việc dự báo sóng trong 24 giờ và
trong 48 giờ.
Kết luận – Kiến nghị: Tóm tắt lại các kết quả chính đã đạt được trong luận
án, trình bày các điểm mới, các nội dung còn tồn tại trong luận án nhằm kiến nghị
về khả năng áp dụng các kết quả của luận án trong thực tế cũng như các nội dung
cần tiếp tục được triển khai và nghiên cứu tiếp.

4


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN SÓNG
VÀ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU
1.1. Tổng quan về việc nghiên cứu tính tốn và dự báo sóng
1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Sóng biển là một trong những yếu tố hải văn có tác động mạnh đến các cơng
trình trên và ven biển, các phương tiện giao thông đường biển, các hoạt động kinh tế
trên biển. Đã có nhiều thống kê về các thiệt hại do sóng gây ra đối với người và của.
Chính vì vậy, sóng biển đã được nghiên cứu trên nhiều phương diện khác nhau.
Kiến thức và dữ liệu đã tích lũy được về sóng biển là vô cùng to lớn.
Từ năm 1947 việc nghiên cứu dự báo sóng gió đã được Sverdrup và Munk
[58] thực hiện. Các tác giả này đã xây dựng mối quan hệ thực nghiệm giữa các đặc
trưng của gió và sóng để dự báo điều kiện sóng trong đó chủ yếu nhằm dự báo độ
cao và chu kỳ sóng. Đến năm 1955, Pierson và nnk [53] trình bày phương pháp
phân tích phổ để mơ phỏng sóng biển hiệu quả và thuận tiện hơn dựa trên việc
chồng chập một số sóng điều hịa ngẫu nhiên. Năm 1957, Gelci và nnk [33] đưa ra
khái niệm về phương trình cân bằng năng lượng dạng phổ hay cịn gọi là mơ hình

sóng thế hệ I.
Những nghiên cứu chi tiết hơn về q trình hình thành sóng gió của Phillips
[52] và Miles [48] vào năm 1957 cung cấp cơ sở cho việc mơ tả trường gió đầu vào.
Hơn nữa, việc đạo hàm hàm tương tác sóng-sóng phi tuyến bậc bốn (quadruplet)
của Hasselmann [35] vào năm 1962 và các kết quả thực nghiệm phổ JONSWAP
của Hasselmann và nnk [36] năm 1973 đã cho thấy tầm quan trọng của số hạng
tương tác sóng-sóng phi tuyến đối với sự phát triển của phổ sóng. Tuy nhiên, để tính
chính xác q trình tương tác sóng-sóng phi tuyến tại thời điểm này lại khơng khả
thi, do đó trong các mơ hình số chỉ có thể đưa số hạng tương tác sóng-sóng phi
tuyến vào dưới dạng các biểu thức tham số đơn giản. Các mơ hình trong giai đoạn
này được gọi là mơ hình sóng thế hệ II.

5


Đến năm 1985, S. Hasselmann và K. Hasselmann [38] đã phát triển thuật
tốn để tính xấp xỉ tương tác sóng-sóng phi tuyến, hay còn gọi là Xấp xỉ tương tác
rời rạc (DIA). Thuật tốn này cho phép tìm được nghiệm của phương trình cân bằng
năng lượng sóng mà khơng cần áp đặt bất kỳ hình thức dạng phổ thực nghiệm nào
vào phổ năng lượng sóng. Đây là phương pháp mới cho các mơ hình tính sóng, hay
cịn gọi là các mơ hình phổ sóng thế hệ III. Các mơ hình sóng thế hệ III này hiện
nay được sử dụng rộng rãi tại các trung tâm nghiên cứu, trung tâm dự báo trên toàn
thế giới. Phương pháp này cũng giúp các nhà khoa học có thể đánh giá đầy đủ các
lý thuyết vật lý mới và giúp cải thiện các tính toán vật lý. Hơn nữa, cùng với sự phát
triển của khoa học cơng nghệ trong những năm qua cũng góp phần rất lớn vào sự
phát triển của các mơ hình sóng. Ngày này, các mơ hình sóng đã tương đối hồn
chỉnh và giải thích được nhiều q trình vật lý quan trọng trong hình thành và phát
triển sóng [20], các mơ hình điển hình trong số này phải kể đến như: WAM [37],
WAVEWATCH [62, 63], TOMAWAC [16], SWAN [17],...
Các mô hình tính sóng thế hệ III mơ phỏng khá tốt trường sóng dưới các điều

kiện thời tiết khác nhau. Các mơ hình tính sóng được sử dụng trong nghiệp vụ dự
báo sóng hàng ngày đồng thời cũng được sử dụng để tái phân tích trường sóng theo
các số liệu trường gió tái phân tích và lập thành các bộ số liệu cho phép tính tốn
chế độ sóng vùng khơi và ven bờ.
Như vậy, trong nghiên cứu tính tốn dự báo sóng biển, đóng góp lớn nhất và
hiệu quả nhất là việc ứng dụng công nghệ hiện đại để giải bằng phương pháp số các
bài tốn động lực sóng biển và quản lý dữ liệu vào ra. Ngày nay đó là phương pháp
được đánh giá là hiệu quả, tin cậy và ổn định. Phương pháp này đã thay thế phương
pháp Synnop và phương pháp kinh nghiệm trong dự báo sóng biển. Phương pháp
này đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như:
Trung tâm Mơ hình hố Mơi trường (EMC), NOAA, Mỹ [69] sử dụng các
mơ hình số trị thơng dụng để dự báo sóng: WAVEWATCH III để dự báo sóng tồn
cầu và SWAN để dự báo sóng cho các khu vực ven bờ. Việc phát bản tin dự báo

6


được thực hiện 4 lần mỗi ngày vào các thời điểm 0 giờ, 6 giờ, 12 giờ và 18 giờ hàng
ngày, bước thời gian dự báo là 3 giờ và khoảng thời gian dự báo là 180 giờ.
Trung tâm Dự báo Hạn vừa Châu Âu (ECMWF) [71] hiện đang sử dụng mơ
hình WAM, SWAN kết hợp với phương pháp đồng hoá số liệu 4DVar và các số
liệu quan trắc từ vệ tinh để tính tốn tái phân tích trường sóng và cung cấp trường
dự báo sóng tồn cầu và khu vực.
Trung tâm Dịch vụ Thông tin Đại dương của Ấn Độ [67], sử dụng hai mơ
hình WAVEWATCH III, SWAN và MIKE để dự báo sóng, các số liệu trường gió
được lấy từ các Trung tâm Dự báo Thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF).
Trung tâm Khí tượng Biển của Thái Lan [72] cũng xây dựng cơng nghệ dự
báo sóng dựa trên mơ hình WAM, SWAN, STWAVE; lưới tính 1 o cho khu vực
Biển Đông và 0,25o cho vịnh Thái Lan. Kết quả dự báo sóng được kiểm nghiệm với
số liệu thực đo của các trạm phao tự động.

Trung tâm Thời tiết Bureau, Đài Loan [70] sử dụng mơ hình
WAVEWATCH III và SWAN để dự báo sóng khu vực ven biển Đài Loan với bước
thời gian dự báo là 3 giờ và khoảng thời gian dự báo là 72 giờ.
Như vậy, mơ hình SWAN được sử dụng rộng rãi tại nhiều trung tâm dự báo
trên thế giới, việc áp dụng các mơ hình dự báo sóng có tính đến đồng hố số liệu
cũng được thực hiện với nhiều phương pháp đồng hoá số liệu khác nhau dựa trên
nhiều nguồn số liệu quan trắc khác nhau.
1.1.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu dự báo sóng biển bằng mơ hình số trị cũng đã
được đặt ra từ lâu và cũng đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể. Hiện tại, việc tiếp
thu cơng nghệ và mơ hình dự báo sóng trên thế giới ngày càng trở nên dễ dàng hơn,
các hệ thống máy tính hiện đại cũng đã được nâng cấp hồn thiện hơn nên khoảng
cách về cơng tác dự báo của nước ta và các nước trên thế giới cũng được rút ngắn.
Các mơ hình số trị dự báo sóng thế hệ III được nhiều cơ quan, đơn vị, viện nghiên
cứu trong nước áp dụng, điển hình như:

7


Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội [5, 6] đã
nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ dự báo ngắn hạn trường các yếu tố
thuỷ văn biển khu vực Biển Đông với thời gian dự báo là 03 ngày (72 giờ) trong đó
đã áp dụng mơ hình WAM, SWAN, STWAVE vào dự báo sóng ở Biển Đơng.
Trung tâm Hải văn, Tổng cục Biển và Hải đảo Việt Nam (trước kia là Trung
tâm Khí tượng - Thuỷ văn biển) [12] đã sử dụng mô hình WAM để dự báo sóng
ngồi khơi, mơ hình SWAN để dự báo sóng ven bờ.
Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia đang ứng dụng mơ hình
SWAN, WAM vào dự báo tác nghiệp cũng như đã nghiên cứu lồng ghép mơ hình
SWAN vào mơ hình WAM thành hệ thống dự báo sóng WAM-SWAN cho khu vực
vịnh Bắc Bộ [9].

Viện Cơ học [3] đã nghiên cứu và áp dụng các mơ hình RCPWAVE,
STWAVE, SWAN để dự báo sóng trên Biển Đơng.
Đài Khí tượng - Thuỷ văn khu vực Nam Bộ [8] đã xây dựng phần mềm dự
báo sóng VINAWAVE cho khu vực biển Nam Bộ dựa trên các mơ hình WAM,
SWAN, STWAVE, RCPWAVE và thường xun cung cấp các bản tin dự báo sóng
cho các Cơng ty khai thác và thăm dị dầu khí trên thềm lục địa Nam Bộ.
Và rất nhiều các nhà khoa học, các đơn vị nghiên cứu vẫn áp dụng tính tốn
và dự báo sóng bằng nhiều loại mơ hình khác nhau.
Nhìn chung, trên thế giới và cả ở Việt Nam các mơ hình số trị sử dụng cho
các đề tài, dự án cụ thể cũng như cho cơng tác dự báo sóng nghiệp vụ được áp dụng
khá phổ biến, bên cạnh đó các mơ hình tính tốn cũng liên tục được cập nhật cải
tiến ngày càng hiện đại và hoàn thiện hơn. Đặc biệt từ phiên bản 40.85 (2011), mơ
hình SWAN tích hợp thêm lưới tam giác (lưới phi cấu trúc) và hỗ trợ tính tốn song
song trên hệ thống máy chủ và máy tính cá nhân có chíp đa nhân giúp việc tính tốn
được nhanh hơn và mềm dẻo hơn.
Như vậy, tại Việt Nam mơ hình SWAN tuy đã được sử dụng khá rộng rãi
trong các nghiên cứu, tính tốn nghiệp vụ nhưng việc nâng cao chất lượng kết quả
tính tốn bằng kỹ thuật đồng hóa số liệu cịn rất hạn chế và mới chỉ dừng lại ở mức

8


độ thử nghiệm khai thác. Việc khai thác sâu rộng hơn mơ hình số trị SWAN có tích
hợp đồng hố số liệu cũng là một nội dung quan trọng cần triển khai nhằm nâng cao
chất lượng kết quả tính tốn tái phân tích trường sóng trong q khứ cũng như nâng
cao chất lượng dự báo.
1.2. Tổng quan về việc áp dụng phƣơng pháp đồng hoá số liệu
1.2.1. Việc áp dụng phương pháp đồng hoá số liệu trên thế giới
Các tiến bộ trong đồng hóa số liệu đại dương được nâng cao với năng lực của
máy tính trong 30 năm trở lại đây, nhưng lý thuyết và kỹ thuật của đồng hóa số liệu

có lịch sử lâu dài với nền tảng tốn học về xác suất và lý thuyết mơ phỏng, lý thuyết
nghịch và các tính tốn truyền thống về biến thiên số. Nguồn gốc của đồng hóa số
liệu gắn liền với cộng đồng dự báo thời tiết, dựa trên việc xử lý nhằm làm trơn và
nội suy các số liệu đo đạc rời rạc một cách khách quan để có được các dự báo thời
tiết chính xác và hiệu quả hơn. Có rất nhiều tài liệu nghiên cứu về đồng hóa số liệu
trong khí tượng và hải dương học, dưới đây trình bày một số nghiên cứu đồng hóa
số liệu trong tính tốn sóng được đăng trên các tạp chí nổi tiếng thế giới:
Nghiên cứu của Chen [22] năm 2004 đã phát triển phương pháp đồng hoá số
liệu độ cao sóng để dự báo sóng tồn cầu bằng mơ hình NWW3 (NOAA
WaveWatchIII). Các số liệu quan trắc độ cao sóng của các phao nổi và vệ tinh ERS2 được sử dụng để dự báo hindcast và nowcast trong 6 giờ. Sự khác nhau về độ cao
sóng giữa các trường hợp khi có và khơng có đồng hóa số liệu cho thấy dự báo độ
cao sóng trong 12 giờ đầu tiên được cải thiện đáng kể, trong 12 giờ tiếp theo chỉ đạt
ở mức độ trung bình. Sau 24 giờ, sự cải thiện kết quả dự báo là rất nhỏ, tuy nhiên
vẫn ghi nhận được một chút ảnh hưởng của việc đồng hoá số liệu đến kết quả dự
báo tới 5 ngày.
Nghiên cứu của Emmanouil và nnk [26] năm 2007 đã phát triển hệ thống
tính tốn đồng hố số liệu kết hợp với mơ hình WAM, áp dụng ở hai khu vực có đặc
điểm sóng khác nhau là biển Địa Trung Hải - khu vực bị chi phối bởi gió biển với
những đặc điểm địa hình phức tạp; và ở phía bắc Ấn Độ Dương - khu vực biển hở

9


nơi chịu tác động trực tiếp của chế độ sóng ngồi khơi. Những khác biệt này là
ngun nhân chính làm cho kết quả trong tác động đồng hoá khác nhau về chất
lượng theo cả không gian và thời gian. Đặc điểm thứ hai nhưng cũng rất quan trọng
đó là việc sử dụng các mơ hình sóng và khí quyển độ phân giải cao dẫn tới các kết
luận phân tích và chi tiết cho từng khu vực quan tâm cũng khác nhau. Bài báo sử
dụng phương pháp đồng hoá ASSIMDIF được đề xuất bởi Breivik và Reistad
(1994) thuộc Viện Khí tượng Na Uy. Số liệu vệ tinh được sử dụng làm đầu vào cho

sơ đồ đồng hoá được thu thập từ Ra đa của ENVISAT-ESA.
Nghiên cứu của Yang Ming Fan và nnk [31] năm 2009 nhằm tăng cường độ
chính xác trong dự báo sóng bằng phương pháp số kết hợp với đồng hóa số liệu. Bài
báo áp dụng mơ hình SWAN kết hợp với phương pháp đồng hoá số liệu nội suy tối
ưu OI-I và OI-P cho khu vực biển phía đơng Đài Loan. Số liệu sử dụng để đồng hố
là số liệu sóng từ các trạm phao gần bờ biển Đài Loan. Các kết quả tính tốn cho
thấy việc tính toán đồng hoá số liệu giúp cải thiện đáng kể kết quả tính sóng ở khu
vực phía bờ đơng của Đài Loan; việc sử dụng độ cao sóng để đồng hố số liệu cũng
có thể giúp cải thiện các điều kiện biên trong mơ hình; sơ đồ đồng hố IO-P hiệu
quả hơn sơ đồ OI-I trong trường hợp dự báo tái phân tích.
Nghiên cứu của George Galanis và nnk [32] năm 2009 sử dụng kết hợp hai
công cụ lọc Kalman và lọc Kolmogorov-Zurbenko nhằm loại bỏ các lỗi hệ thống
trong trường ban đầu của các kết quả mơ hình tính sóng. Sau đó, các dự báo thu
được được sử dụng như các quan trắc nhân tạo mà có thể được đồng hố với tính
tốn mơ hình tiếp theo trong chu trình dự báo. Phương pháp này được áp dụng
thành cơng cho vùng biển mở Thái Bình Dương để dự báo độ cao sóng có ý nghĩa
bằng mơ hình sóng WAM và các trạm quan trắc từ 6 phao nổi. Các kết quả thu được
trong nghiên cứu cho thấy đây là hướng nghiên cứu khả quan và cần phải mở rộng
tác động của đồng hố với tồn bộ thời gian dự báo, đồng thời phương pháp này còn
làm giảm đáng kể sự thiên lệch trong dự báo.
Nghiên cứu của Seongjin Yoon và nnk [66] năm 2012 đã xây dựng bộ sơ đồ
đồng hóa dữ liệu sóng dựa trên bộ lọc Kalman kết hợp với mơ hình sóng phi tuyến.

10


Hai biến trạng thái – cao độ mặt nước và thế vận tốc được cập nhật liên tục theo
thời gian bằng cách giải các phương trình cao độ tuyến tính sử dụng phương pháp
giả phổ hiệu quả trong khi ma trận phương sai sai số được tính định lượng, hay
được xác định định tính bằng việc giải mơ hình sóng tuyến tính trong miền tính. Thí

nghiệm số được thực hiện với số liệu tổng hợp có tính đến nhiễu do các sóng bất
thường truyền một chiều đặc trưng bởi phổ sóng JONSWAP. Việc đánh giá cao độ
mặt nước sử dụng sơ đồ đồng hóa số liệu hiện tại thu được nghiệm số đúng của mơ
hình sóng phi tuyến trong khoảng sai số cho phép. Sơ đồ đồng hóa số liệu hiện tại
cải thiện đáng kể sự ổn định và hiệu quả của hệ thống dự báo sóng so với sơ đồ
đồng hóa số liệu hồn tồn số học.
Nghiên cứu của Mark D. Orzech và nnk [46] năm 2012 đã mô tả việc hiệu
chỉnh và phát triển các thủ tục con liên hợp số học, kèm theo đó là các kiểm tra và
đánh giá hệ thống đồng hoá như một tổng thể với một thí nghiệm đơi lý tưởng và
với các số liệu từ Duck, Bắc Carolina. Trong thí nghiệm đơi, hệ thống hiện tại thực
hiện cùng với thí nghiệm của Walker. Đánh giá phổ sóng và thống kê phổ cũng
được so với số liệu phổ quan trắc ở Duck, Bắc Carolina. Sai số trong những đánh
giá này một phần là do khơng tính đến các số hạng nguồn (sink và source) phi tuyến
từ việc liên hợp và một phần do kỹ thuật thiết lập phổ sử dụng các loại quan trắc
khác nhau. Nghiên cứu sử dụng phương pháp đồng hoá biến phân để tinh tốn kết
hợp với mơ hình sóng SWAN.
Nghiên cứu của Nima Serpoushan và nnk [57] năm 2013 sử dụng phương
pháp đồng hoá số liệu EnKF trong phần mềm OpenDA kết hợp với mơ hình SWAN
để tính tốn tái phân tích sóng cho khu vực vịnh Persian với số liệu gió từ ECMWF
và số liệu độ cao sóng từ hai trạm phao BushehrAW và Asalooye. Bài báo hiệu
chỉnh hai tham số sóng nước sâu là tham số sóng bạc đầu gồm Cdis và δ và lựa
chọn được các tham số tương ứng là 3,95 và 0,6. Bên cạnh đó, bài báo cũng đánh
giá ảnh hưởng của số thành phần tổ hợp đến kết quả tính tốn với 10, 30 và 50
thành phần, trong đó đề xuất số thành phần tổ hợp cần thiết để đạt kết quả tốt nhất
trong khoảng từ 50 đến 100, tuy nhiên việc tính toán này cần phải được thực hiện

11


trên hệ thống máy chủ song song mới tính tốn được. Các kết quả cũng cho thấy

việc đồng hoá số liệu mang lại hiệu quả khá tốt đối với các tính tốn tái phân tích
trường sóng trong khu vực nghiên cứu.
Nghiên cứu của Xiao-Ming Li và nnk [43] năm 2014 sử dụng độ cao sóng có
ý nghĩa (SWH) thu được từ hai cảm biến vi sóng độc lập của Ra đa đo độ cao 2
(RA-2) và Ra đa truyền dẫn nâng cao (ASAR) từ Vệ tinh môi trường (ENVISAT)
để kiểm định các mơ hình sóng đại dương tồn cầu (WAMs). So sánh hai kết quả
quan trắc từ ra đa với mơ hình phân tích tạm thời ERA (với đồng hóa của các quan
trắc RA-2) và WAM (Mơ hình sóng đại dương tồn cầu Deutscher Wetterdienst,
khơng đồng hóa trước năm 2008) cho thấy WAMs đúng với quan trắc từ ASAR và
RA-2. Tuy nhiên, sự sai khác cho thấy việc đồng hóa với quan trắc RA-2 có thể cải
thiện hiệu quả của WAMs. Hơn nữa, những sai khác trong việc so sánh quan trắc
ASAR và RA-2 với WAM của ERA tạm thời thấy rằng mặc dù đồng hóa của RA-2
cải thiện đáng kể độ chính xác của mơ hình quanh các ơ lưới gần quan trắc RA-2,
cải thiện này giảm đi khi khoảng cách giữa các ơ lưới của mơ hình và quan trắc RA2 tăng lên.
Nghiên cứu của Cao Lei và nnk [42] năm 2015 đã áp dụng phương pháp
đồng hoá số liệu EnOI và OI để tính tốn đồng hố số liệu độ cao sóng trong mơ
hình WW3 ở khu vực Biển Đông cho một số cơn bão ảnh hưởng đến khu vực Bắc
bộ Việt Nam và khu vực phía Nam Trung Quốc. Bài báo sử dụng số liệu độ cao
sóng từ 4 vệ tinh Exp, Jason-1&2, ENVISAT và số liệu tại trạm phao để tính tốn.
Các kết quả cho thấy sơ đồ đồng hóa số liệu dựa trên nội suy tối ưu tổ hợp đạt được
những cải tiến tương tự như sơ đồ dựa trên nội suy tối ưu trước đây, các kết quả
cũng cho thấy việc ứng dụng thực tế phương pháp tổ hợp này là khả thi.
Nghiên cứu của Almeida và nnk [13] năm 2015 đã thử nghiệm áp dụng
phương pháp lọc Kalman tổ hợp EnKF để đồng hố số liệu sóng tại 4 trạm phao khu
vực ven biển Bồ Đào Nha cho mơ hình tính tốn sóng SWAN với 20 thành phần tổ
hợp. Bài báo mơ tả việc ứng dụng EnKF bằng cách thay thế quan trắc độ cao sóng

12