Hệ thống công nghệ dự báo Khí tượng Thủy văn tại Đài KTTV khu vực Trung Trung Bộ

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ dự báo KTTV cũng ngày càng được nâng cao. Tuy nhiên, diễn biến về thời tiết thuỷ văn ngày càng phức tạp do tác động của biến đổi khí hậu đã làm cho các trận bão, lũ với quy mô lớn, diễn biến phức tạp, không theo quy luật chung xuất hiện ngày càng nhiều, làm cho công tác dự báo khó khăn hơn. Với sự quan tâm đầu tư của Nhà nước và các địa phương, bên cạnh gia tăng mật độ trạm, hiện đại hoá công nghệ quan trắc, truyền tin, công nghệ dự báo KTTV cũng được phát triển khá mạnh mẽ, trong đó điển hình là sự nghiên cứu ứng dụng các mô hình tiên tiến trong nghiệp vụ dự báo.

Công nghệ, phương pháp dự báo khí tượng

Hiện nay, Đài thực hiện nghiệp vụ dự báo khí tượng dựa trên sự kết hợp của các phương pháp truyền thống và các ứng dụng khoa học công nghệ. Đối với phương pháp truyền thống bao gồm phương pháp phân tích synop và thống kê. Ứng dụng khoa học công nghệ trong dự báo bao gồm: Phân tích và khai thác các sản phẩm của mô hình động lực (mô hình số trị thời tiết) được chạy tác nghiệp tại Đài và các sản phẩm mô hình của Trung tâm Dự báo KTTV và quốc tế; phân tích các sản phẩm ảnh mây vệ tinh, sản phẩm radar thời tiết; công cụ hỗ trợ dự báo SmartMet.

- Phương pháp synop: Phân tích diễn biến thời tiết dựa trên số liệu bề mặt, số liệu thám không và các bộ bản đồ synop (mặt đất và trên cao). Phương pháp synop được sử dụng kết hợp với phân tích ảnh mây vệ tinh, ảnh radar thời tiết, sản phẩm từ các mô hình số trị, thống kê và kinh nghiệm, dự báo viên nhận định được diễn biến tình hình thời tiết đã qua và hiện tại, dự báo xu thế hệ thống thời tiết và đưa ra bản tin dự báo chi tiết. Phương pháp phân tích synop được sử dụng trong dự báo hạn ngắn và hạn vừa.

- Phương pháp thống kê: Sử dụng một số phương pháp phân tích thống kê cơ bản như: Tương tự hoàn lưu, tương quan, thống kê kinh nghiệm,.. để xây dựng biến trình quá khứ của các yếu tố khí tượng thông qua các phương trình thống kê, từ đó tìm mối tương quan trong giai đoạn hiện tại. Phương pháp thống kê thường được sử dụng kết hợp với các sản phẩm số trị và ứng dụng nhiều trong dự báo hạn dài.

- Công nghệ dự báo khí tượng: Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật thì việc áp dụng các công nghệ dự báo hiện đại là một trong những ưu tiên hàng đầu của ngành KTTV nói chung và dự báo khí tượng nói riêng. Trong số đó là phân tích và ứng dụng các sản phẩm của mô hình số trị thời tiết trong nước và quốc tế; khai thác sử dụng ảnh mây vệ tinh, sản phẩm radar thời tiết và các phần mền hỗ trợ dự báo như công cụ SmartMet. Các công nghệ dự báo hiện đại hỗ trợ không nhỏ cho các dự báo viên trong việc đưa ra các nhận định thời tiết mang tính chất định tính và bổ trợ cho các phương pháp truyền thống một cách hiệu quả.

+ Phân tích và khai thác các sản phẩm thời tiết số trị:

Dự báo thời tiết bằng phương pháp sử dụng các sản phẩm số trị là công nghệ dự báo tiên tiến, hỗ trợ quan trọng trong công tác dự báo thời tiết. Dữ liệu quan trắc được sử dụng làm đầu vào cho các mô hình dự báo thời tiết số trị. Mô hình số này kết hợp các phương trình toán học phức tạp mô phỏng các quá trình theo các định luật vật lý để dự báo diễn biến trạng thái khí quyển. Các sản phẩm số trị đa dạng về mặt phân giải không gian (toàn cầu, khu vực) và thời gian (thời hạn ngắn, vừa và dài).

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting) là một trong các mô hình thời tiết quy mô khu vực được phát triển dựa trên sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới. Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới.

Hiện nay, mô hình số trị WRF đang được sử dụng chạy tác nghiệp trong dự báo, cảnh bảo thời tiết hàng ngày tại Đài. Mô hình sử dụng 2 dạng dữ liệu đầu vào từ mô hình toàn cầu của Mỹ (GFS) và mô hình toàn cầu của Nhật (GSM) hạ quy mô chạy với 2 miền tính bao gồm toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và khu vực Trung Trung Bộ với độ phân giải cao nhất là 3km. Việc kết hợp sử dụng kết quả của nhiều nguồn đầu vào khác nhau giúp dự báo viên có sự phân tích khách quan hơn trong nghiệp vụ. Sản phẩm đầu ra của mô hình WRF đa dạng  và  được trích xuất dưới dạng các file hình ảnh mô phỏng các trường khí tượng dưới dạng bản đồ và các yếu tố như khí áp, gió, nhiệt độ, mưa, độ ẩm… và dạng file số (text) cho tất các các trạm quan trắc truyền thống và tự động trên khu vực. Các sản phẩm trích xuất với các hạn dự báo 36 giờ, 72 giờ, 5 ngày và 13 ngày cho 2 phiên dự báo 00 và 12z, kết quả từ mô hình này đã hỗ trợ cho các dự báo viên trong công tác dự báo đặc biệt khi có các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như bão, ATNĐ, mưa lớn… Năm 2020 là một trong những năm có thiên tai khắc nghiệt nhất trong lịch sử, với việc áp dụng công nghệ hiện đại mà điển hình là các sản phẩm của các mô hình số trị đã hỗ trợ dự báo viên đưa ra những nhận định thời tiết định tính và định lượng một cách tốt nhất góp phần phục vụ phòng chống thiên tai và đảm bảo quy trình vận hành hồ chứa trên khu vực.

Bên cạnh đó, các sản phẩm mô hình số từ Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia cũng được sử dụng như: Sản phẩm của mô hình tổ hợp 32 thành phần, mô hình WRF (đầu vào từ mô hình IFS của Châu Âu) có đồng hóa dữ liệu địa phương… Các mô hình toàn cầu của các nước phát triển như Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản… (GEM, GFS, JMA (GSM), GME, NOGAPS…) được kết hợp sử dụng tham khảo trong dự báo.

+ Phân tích và sử dụng ảnh mây vệ tinh và radar thời tiết:

Ảnh mây vệ tinh và radar thời tiết là 2 công cụ đắc lực trong dự báo nghiệp vụ. Dựa vào phân tích sản phẩm của 2 công cụ trên, kết hợp với các phương pháp truyền thống và sản phẩm số trị giúp dự báo viên nâng cao chất lượng dự báo đặc biệt đối với các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như bão, ATNĐ và các hiện tượng thời tiết có quy mô nhỏ thời hạn ngắn và cực ngắn như dông, tố lốc...

+ Các công cụ hỗ trợ dự báo (SmartMet):

SmartMet là một trong những công cụ hỗ trợ và biên tập dữ liệu khí tượng. SmartMet được xây dựng cho những chuyên gia nghiên cứu khí tượng và dự báo thời tiết xem và chỉnh sửa dữ liệu khí tượng. Thông thường quy trình sử dụng bao gồm việc tham khảo dữ liệu mô hình (GFS, ECMWF, v.v…) và dữ liệu quan trắc (synop, metar, truyền hình vệ tinh, v.v…). SmartMet cũng có thể được sử dụng để biên tập viên sửa đổi dự báo thời tiết số. Những kiến thức và kinh nghiệm, chuyên môn dự báo có thể được sử dụng để thay đổi dữ liệu mô hình, nghĩa là chỉnh sửa các mô hình theo dữ liệu quan trắc có sẵn và kinh nghiệm riêng của những chuyên gia nghiên cứu khí tượng. Dữ liệu sau khi đã được chỉnh sửa có thể được sử dụng để dự báo thời tiết một cách đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả nhất. Công cụ cho phép hiển thị số liệu, sản phẩm mô hình, ảnh mây vệ tinh và phân tích tất cả dữ liệu này để dự báo thời tiết.

Công nghệ, phương pháp dự báo thuỷ văn

Ngoài các phương pháp dự báo thuỷ văn đã và đang được ứng dụng hiện nay như: Mưa rào- dòng chảy, mực nước (lưu lượng) tương ứng, xu thế, nhận dạng tương tự,... Các mô hình thuỷ văn, thuỷ lực tiên tiến cũng đã và đang được nghiên cứu, ứng dụng tại khu vực Trung Trung Bộ như mô hình thủy văn: MIKE NAM, TANK, HEC-HMS; mô hình thủy lực như HECRAS, bộ mô hình MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD,…

Một số công nghệ dự báo thủy văn đã được xây dựng và sử dụng vào dự báo tác nghiệp cụ thể như:

- Công nghệ dự báo mùa cạn và cảnh báo hạn hán, xâm nhập mặn trên hệ thống sông Vu Gia- Thu Bồn: Đây là công nghệ dự báo thủy văn hạn vừa, hạn dài đầu tiên tại khu vực Trung Trung Bộ được xây dựng trên cơ sở ứng dụng bộ mô hình thủy văn, thủy lực MIKE 11 với các phương pháp thống kê, kỹ thuật lập trình.

- Đối với các lưu vực có hệ thống hồ chứa như lưu vực sông Hương, sông Vu Gia- Thu Bồn, sông Trà Khúc. Công nghệ dự báo lũ được xây dựng dựa vào việc tích hợp 3 mô hình thành phần: Mô hình mưa- dòng chảy MIKE-NAM, mô đun vận hành hồ chứa và mô hình MIKE 11 diễn toán lũ về hạ du. Đối với các lưu vực còn lại: Sử dụng mô hình MIKE 11, HEC-RAS để dự báo.

Ngoài ra, còn ứng dụng các công nghệ được chuyển giao như: Công nghệ dự báo lũ lưu vực sông Trà Khúc, công nghệ cảnh báo, dự báo lũ và cảnh báo ngập lụt vùng hạ lưu sông cho các Sông Gianh, sông Kiến Giang, sông Bến Hải, sông Thạch Hãn.

- Công nghệ dự báo, cảnh báo xâm nhập mặn đã được xây dựng cho tất cả các lưu vực sông Quảng Bình, Quảng Trị, Quảng Nam- Đà Nẵng bằng mô hình Mike 11. Công nghệ này đã giúp cho các dự báo viên có thể dự báo, cảnh báo xâm nhập mặn với hạn thời 10 ngày.

Công nghệ dự báo hải văn

Công tác dự báo các yếu tố hải văn tại Đài đã được chuyển giao và triển khai thực hiện từ năm 2018. Đến nay Đài đã làm chủ được các mô hình dự báo hải văn, xây dựng các công cụ hỗ trợ khai thác sản phẩm từ các nước phát triển. Dự báo sóng biển với thời hạn 10 ngày trên vùng biển gần bờ và ngoài khơi. Nước dâng do bão, triều cường đã được dự báo, cảnh báo kịp thời theo quy định. Các mô hình được nghiên cứu ứng dụng tại Đài hiện nay gồm:

- Dự báo, cảnh báo sóng biển: Mô hình SWAN.

Kết quả dự báo sóng vùng biển khu vực Trung Trung Bộ với hạn dự báo 10 ngày, kết quả dự báo phụ thuộc vào việc xử lý flie gió từ dữ liệu đầu vào là kết quả dự báo khí tượng. Sản phẩm dự báo ở 3 dạng: Hình ảnh, text, đồ thị.

- Dự báo, cảnh báo nước dâng và triều cường: Mô hình ROMS 2D.

Sản phấm của mô hình ROMS 2D: Tùy theo nhu cầu sử dung kết quả dự báo để tác nghiệp và hiệu suất thời gian tính toán của máy tính mà ta có thể chọn số ngày dự báo 3-10 ngày, kết quả dự báo có thể xuất ra là bội số của bước thời gian tính toán. Khi thời tiết nguy hiểm thì việc chạy mô hình chọn thời hạn 3 ngày để cập nhật phiên dự báo mới nhất và cho kết quả tối ưu.

Sản phẩm gồm: Vận tốc dòng chảy mặt, mực nước dâng. Sản phẩm dạng: hình ảnh, text, đồ thị.

- Dự báo thủy triều: Mô hình ROMS 2D.

Dự báo triều bằng mô hình ROMS 2D trên khu vực Trung Trung Bộ cho kết quả dự báo tại các trạm ven bờ.

Như vậy, cùng với sự phát triển về kinh tế, khoa học kỹ thuật, công tác dự báo KTTV cũng đã được đầu tư, nâng cấp; con người cũng đã được quan tâm đào tạo nâng cao trình độ để có thể ứng dụng, khai thác công nghệ, trang thiết bị. Vì vậy, công tác dự báo KTTV trong những năm qua đã phục vụ được nhu cầu của xã hội. Tuy nhiên, với vai trò ngày càng quan trọng của dự báo KTTV đối với xã hội, cần phải tiếp tục có sự đầu tư, phát triển hơn nữa về năng lực, công nghệ.

Tạp chí Khí tượng Thủy văn