Những vấn đề dự báo nghiệp vụ gió và sóng theo các đường khí áp

429 430 cho ®Õn tËn ngμy nay. Cã lÏ, ®iÒu nμy lμ do c¸c m« h×nh nμy cho nh÷ng kÕt qu¶ tho¶ m·n nhu cÇu cña c¸c nhμ thùc hμnh vμ ngoμi ra, chóng cã tèc ®é ch¹y nhanh so víi nh÷ng m« h×nh sãng giã hiÖn ®¹i h¬n thuéc thÕ hÖ ba vμ bèn [365]. Trong c«ng nghÖ tÝnh to¸n chung sÏ xem xÐt sau ®©y, chóng t«i sö dông m« h×nh phæ tham sè. M« h×nh nμy, mét mÆt do nã sö dông phÐp tham sè hãa qu¸ tr×nh vËn chuyÓn n¨ng l−îng phi tuyÕn yÕu trong phæ sãng, nªn nã thuéc lo¹i c¸c m« h×nh hoμn thiÖn thÕ hÖ hai, nh−ng mÆt kh¸c, v× trong nã tÝnh ®Õn sù t−¬ng t¸c sãng víi líp biªn khÝ quyÓn, nªn cã thÓ xÕp vμo lo¹i m« h×nh sãng giã thÕ hÖ bèn. Nh− sau ®©y sÏ cho thÊy, mÆc dï kh¸ ®¬n gi¶n, m« h×nh phæ tham sè ®−a ra c¸c kÕt qu¶ kh¸ tin cËy, h¬n n÷a vËn hμnh nhanh, cã thÓ sö dông thùc hiÖn c¸c tÝnh to¸n nghiÖp vô trong thêi gian thùc vμ ®Ó gi¶i quyÕt c¸c bμi to¸n cã tÝnh chÊt khÝ hËu cÇn tÝnh to¸n liªn tôc tr−êng sãng giã trong nhiÒu thËp nªn. Ch−¬ng 7 nh÷ng vÊn ®Ò dù b¸o nghiÖp vô giã vμ sãng theo c¸c tr−êng khÝ ¸p 7.1. Tæng quan vÊn ®Ò Môc ®Ých cuèi cïng x©y dùng c¸c m« h×nh sãng giã lμ sö dông chóng trong tÝnh to¸n chÈn ®o¸n vμ dù b¸o thùc tÕ. VÊn ®Ò sö dông thùc tÕ c¸c m« h×nh tá ra phøc t¹p h¬n, bëi v× tïy thuéc kh«ng chØ vμo b¶n th©n c¸c m« h×nh, mμ cßn vμo chÊt l−îng th«ng tin xuÊt ph¸t, ®ã lμ tr−êng giã hay khÝ ¸p mÆt ®Êt. KÕt côc, chØ cã ®èi s¸nh c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n víi d÷ liÖu quan tr¾c thùc ®Þa lμ tiªu chÝ kh¸ch quan vÒ ®é chÝnh x¸c tÝnh c¸c yÕu tè sãng giã vμ chÊt l−îng m« h×nh. Sù phøc t¹p khi so s¸nh c¸c kÕt qu¶ tÝnh m« h×nh víi d÷ liÖu thùc ®Þa liªn quan tíi mét lo¹t vÊn ®Ò. §Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n cÇn th«ng tin xuÊt ph¸t tin c©yk vÒ tr¹ng th¸i khÝ quyÓn trong líp biªn s¸t ®Êt, bao gåm khÝ ¸p, tèc ®é giã, nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ. Ngoμi ra, cÇn nh÷ng sè liÖu quan tr¾c vÒ giã vμ sãng. HiÖn nay ®· cã nh÷ng m¶ng d÷ liÖu quan tr¾c kh¸ lín vÒ tr¹ng th¸i biÓn do ®éi hoa tiªu quan tr¾c b»ng m¾t tõ tÇu. Tuy nhiªn, nh÷ng d÷ liÖu nμy cung cÊp mét −íc l−îng qu¸ th«, khã cã thÓ dïng ®Ó kiÓm tra c¸c m« h×nh to¸n. ë ®©y chØ nªn sö dông c¸c sè liÖu quan tr¾c m¸y. §¸ng tiÕc, vÊn ®Ò thu nhËn c¸c sè liÖu quan tr¾c m¸y th−êng vÉn cßn bá ngá. Tõ n¨m 1994, ë ViÖn nghiªn cøu Khoa häc B¾c Cùc vμ Nam Cùc (ААНИИ) ®· xuÊt hiÖn kh¶ n¨ng hiÖn thùc sö dông c¸c d÷ liÖu quan tr¾c ®å sé thùc hiÖn b»ng m¸y trªn c¸c dμn khoan thuéc c¸c vïng biÓn Nauy, Greenland vμ B¾c H¶i. VÞ trÝ ®Þa lý cña c¸c dμn nμy ®−îc chØ ra trªn h×nh 7.1. C¸c sè liÖu ®Òu ®Æn nhËp vÒ trung t©m ®iÖn tÝn cña ААНИИ theo c¸c kªnh trao ®æi quèc tÕ (m· "Ship"). §iÒu nμy t¹o c¬ héi ®Ó kiÓm tra ®é chÝnh x¸c dù b¸o giã mÆt ®Êt vμ sãng do viÖn ®Òu ®Æn ph¸t hμnh cho c¸c vïng biÓn thuéc B¾c B¨ng D−¬ng vμ B¾c §¹i T©y D−¬ng. C¸c dù b¸o thùc hiÖn theo mét hÖ ph−¬ng ph¸p dùa trªn sö dông m« h×nh phæ tham sè [43, 99, 171, 185]. Th«ng tin xuÊt ph¸t lμ c¸c dù b¸o khÝ ¸p truyÒn tíi tõ Trung t©m Ch©u ¢u Dù b¸o Trung h¹n (ECMWF). §Ó thùc hiÖn nhiÖm vô ®Æt ra, tr−íc hÕt ph¶i tæ chøc c«ng t¸c thu nhËn vμ tÝch luü th«ng tin quan tr¾c mét c¸ch tin cËy, tiÕn hμnh ph©n lo¹i vμ ph©n tÝch, lo¹i bá khiÕm khuyÕt, s¾p xÕp t−¬ng øng gi÷a c¸c d÷ liÖu tÝnh to¸n vμ 431 432 d÷ liÖu quan tr¾c theo thêi gian vμ kh«ng gian. VÊn ®Ò ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c tÝnh to¸n giã vμ sãng thËm chÝ khi cã c¸c sè liÖu quan tr¾c vÉn ch−a ph¶i lμ vÊn ®Ò tÇm th−êng. N¶y sinh nh÷ng vÊn ®Ò vÒ chÊt l−îng vμ tÝnh ®¹i diÖn cña sè liÖu quan tr¾c thùc hiÖn trªn c¸c dμn vμ phao quan tr¾c, bëi v× thiÕu th«ng tin vÒ ph©n thang vμ chuÈn ®é c¸c dông cô quan tr¾c ®èi víi c¸c cÊp tèc ®é, h−íng giã vμ ®é cao sãng. MÆc dï nh÷ng d÷ liÖu nμy ®−îc truyÒn theo c¸c kªnh trao ®æi quèc tÕ, vÊn ®Ò vÒ ®é chÝnh x¸c cña chóng vÉn cßn lμ vÊn ®Ò bá ngá. Ph¶i nhËn xÐt r»ng tèc ®é giã vμ ®é cao sãng ®−îc truyÒn víi ®é chÝnh x¸c ®Õn nöa mÐt, ®iÒu ®ã lu«n ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh x¸c cña nh÷ng −íc l−îng cña chóng t«i. MÆt kh¸c c¸c quan tr¾c thùc hiÖn trªn nh÷ng dμn ®o cã täa ®é kh«ng trïng víi c¸c nót trªn l−íi tÝnh cña m« h×nh. ë ®©y ph¶i néi suy c¸c kÕt qu¶ tÝnh cho c¸c ®iÓm quan tr¾c, ®iÒu ®ã còng dÉn tíi nh÷ng sai sè bæ sung. Nh− vËy kh«ng thÓ kú väng vÒ ®é chÝnh x¸c cao khi ®¸nh gi¸ chÊt l−îng c¸c tÝnh to¸n cña chóng t«i. Cßn vÒ ®é chÝnh x¸c cña b¶n th©n c¸c tÝnh to¸n sãng, Ýt nhÊt tån t¹i mét sè nguån sai sè. Tr−íc hÕt, ®ã lμ ®é chÝnh x¸c cña th«ng tin xuÊt ph¸t vÒ ¸p suÊt khÝ quyÓn mÆt ®Êt ®−îc tÝnh to¸n ë ECMWF. Nh÷ng sai sè kh«ng lín khi tÝnh khÝ ¸p mÆt ®Êt cã thÓ dÉn tíi nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ khi tÝnh giã vμ sãng. ThÝ dô, sai sè tÝnh khÝ ¸p ~0,1% cã thÓ dÉn ®Õn sai sè tÝnh tèc ®é giã 10% (®èi víi giã 10 m/s), vμ g©y sai sè tÝnh ®é cao sãng giã 20%, cßn sai sè tÝnh khÝ ¸p ~0,2% g©y sai sè tèc ®é giã 20% vμ sai sè tÝnh ®é cao sãng giã 50%. V× vËy ®éc lËp ®¸nh gi¸ chÊt l−îng c¸c dù b¸o khÝ ¸p mÆt ®Êt cña ECMWF dïng phæ biÕn trong c¸c ph−¬ng ph¸p dù b¸o còng lμ mét c«ng viÖc ®¸ng quan t©m. Nguån sai sè thø hai khi sö dông th«ng tin khÝ ¸p mÆt ®Êt lμ sai sè néi suy thêi gian vμ kh«ng gian. VÊn ®Ò ë chç th«ng tin khÝ ¸p mÆt ®Êt truyÒn tõ ECMWF theo m· GRID ®−îc thÓ hiÖn t¹i c¸c nót cña vïng l−íi ®Òu täa ®é cÇu vμ ®−îc truyÒn víi kho¶ng gi¸n ®o¹n thêi gian nhÊt ®Þnh. T¹i ААНИИ th«ng tin ®−îc thÓ hiÖn trªn l−íi 55o mét lÇn trong 24 giê, ®iÒu nμy hiÓn nhiªn lμ kh«ng ®ñ. V× vËy n¶y sinh yªu cÇu néi suy nh÷ng gi¸ trÞ nμy c¶ theo thêi gian lÉn theo kh«ng gian. Sai sè néi suy ®−¬ng nhiªn còng gãp phÇn vμo tæng sai sè chung cña c¸c tÝnh to¸n tiÕp theo. Nguån sai sè thø ba n¶y sinh tõ ph−¬ng ph¸p tÝnh giã gra®ien, sau ®ã lμ giã mÆt ®Êt. Nh− ®· biÕt, ®Ó tÝnh ®óng giã mÆt ®Êt ph¶i gi¶i bμi to¸n líp biªn khÝ quyÓn vμ cÇn th«ng tin vÒ tr¹ng th¸i khÝ quyÓn trªn c¸c tÇng kh¸c nhau. Trong thùc tÕ, chóng ta th−êng chØ cã th«ng tin trªn mét tÇng. V× thiÕu th«ng tin buéc chóng ta ph¶i sö dông nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n hãa tÝnh giã mÆt ®Êt ch−a th©u tãm ®−îc mét lo¹t nh÷ng nh©n tè quan träng. Nguån sai sè cuèi cïng lμ b¶n th©n ph−¬ng ph¸p tÝnh c¸c yÕu tè sãng. VÊn ®Ò nμy bá ngá cho ®Õn tËn ngμy nay. Nguån sai sè nμy phô thuéc vμo mét lo¹t c¸c nh©n tè bao gåm c¶ c¸c ph−¬ng diÖn vËt lý cña vÊn ®Ò m« h×nh hãa to¸n häc sãng giã lÉn nhøng vÊn ®Ò hiÖn thùc hãa b»ng sè c¸c ph−¬ng tr×nh ®¹o hμm riªng m« t¶ sù tiÕn triÓn cña mËt ®é phæ sãng giã. Nh− vËy, chÊt l−îng so s¸nh c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cña chóng ta víi d÷ liÖu quan tr¾c phô thuéc vμo nhiÒu nh©n tè. Sai sè cuèi cïng phô thuéc vμo nhiÒu nguyªn nh©n sÏ ®−îc kh¶o s¸t tiÕp d−íi ®©y. 433 434 H×nh 7.1. VÞ trÝ c¸c dμn quan tr¾c cè ®Þnh 7.2. ®¸nh gi¸ ®é chÝnh x¸c dù b¸o khÝ ¸p mÆt ®Êt cña Trung t©m Ch©u ¢u dù b¸o trung h¹n Tr−íc khi ®¸nh gi¸ c¸c tÝnh to¸n giã vμ sãng, ph¶i ®¸nh gi¸ chÊt l−îng vμ ®é tin cËy cña th«ng tin xuÊt ph¸t – khÝ ¸p mÆt ®Êt cña ECMWF ®−îc dïng trong c¸c m« h×nh tÝnh. §−îc biÕt, ë ECMWF c¸c tÝnh to¸n vμ dù b¸o tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt thùc hiÖn theo m« h×nh phæ hoμn l−u khÝ quyÓn toμn cÇu, trong ®ã d÷ liÖu ban ®Çu lμ th«ng tin quan tr¾c vÒ c¸c tham sè khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng tõ m¹ng l−íi quan tr¾c thêi tiÕt toμn thÕ giíi. B¶n th©n c¸c kÕt qu¶ tÝnh to¸n cña ECMWF ®−îc chuyÓn tíi ng−êi dïng theo mét ®Þnh d¹ng tho¶ thuËn nhÊt ®Þnh. ThÝ dô, th«ng tin vÒ tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt truyÒn vÒ ААНИИ ®−îc tiÕp nhËn nh− lμ th«ng tin chÈn ®o¸n còng nh− lμ th«ng tin dù b¸o cho 24, 48, 72, 96, 120 vμ 144 giê (®é gi¸n ®o¹n 24 giê) ë c¸c nót l−íi 55o hÖ täa ®é ®Þa lý. §é gi¸n ®o¹n kh«ng gian vμ thêi gian nh− vËy cung cÊp mét kh¸i niÖm chung vÒ tr¹ng th¸i tr−êng khÝ ¸p, nh−ng tá ra kh¸ th« ®Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n sãng biÓn. H¬n n÷a, vÊn ®Ò vÒ ®é chÝnh x¸c cña b¶n th©n th«ng tin cung cÊp theo ®Þnh d¹ng ®· nªu cßn lμ vÊn ®Ò bá ngá. Víi môc ®Ých −íc l−îng ®é chÝnh x¸c tÝnh to¸n tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt cña ECMWF chóng t«i ®· sö dông mét chuçi tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt dμi 19 th¸ng trong thêi kú tõ 27/7/1994 ®Õn 27/12/1995. Nhê néi suy c¸c gi¸ trÞ khÝ ¸p tõ c¸c nót l−íi ®Òu trªn mÆt cÇu ®· ®−îc suy vÒ c¸c ®iÓm cã täa ®é trïng víi vÞ trÝ c¸c dμn khoan n¬i thùc hiÖn quan tr¾c. KÕt qu¶ so s¸nh c¸c gi¸ trÞ khÝ ¸p mÆt ®Êt ®o ®−îc trªn c¸c dμn khoan vμ c¸c sè liÖu tÝnh to¸n cña ECMWF ®· suy vÒ ®iÓm ®o, víi thêi gian b¸o tr−íc kh¸c nhau ®−îc biÓu diÔn trªn c¸c h×nh 7.2 a–d. C¸c trÞ sè −íc l−îng thèng kª cña phÐp so s¸nh nμy dÉn trong b¶ng 7.1. B¶ng 7.1. C¸c −íc l−îng thèng kª so s¸nh kÕt qu¶ tÝnh khÝ ¸p mÆt ®Êt cña ECMWF víi quan tr¾c thùc ®Þa Thêi gian b¸o tr−íc cña dù b¸o, giê ¦íc l−îng thèng kª 00 (chÈn ®o¸n) 24 48 72 96 120 144 Sè tr−êng hîp 547 574 511 488 510 472 478 Sai sè sè häc (BIAS) –0,14 –0,47 –0,68 –0,87 –0,95 –1,05 –1,64 Sai sè trung b×nh 0,81 1,26 2,36 3,40 6,30 6,48 7,74 ChØ sè t¶n m¹n, SI, % 0,12 0,16 0,30 0,45 0,85 0,84 1,01 Sai sè b×nh ph−¬ng trung b×nh (RMSE) 1,19 1,62 3,07 4,57 8,42 8,42 10,15 HÖ sè t−¬ng quan, r 0,99 0,99 0,97 0,92 0,83 0,78 0,68 435 436 H×nh 7.2. So s¸nh c¸c kÕt qu¶ tÝnh khÝ ¸p mÆt ®Êt a) chÈn ®o¸n 00 giê; b) dù b¸o 48 giê; c) dù b¸o 96 giê; d) dù b¸o 144 giê; cña ECMWF víi quan tr¾c thùc ®Þa: 1) 1 tr−êng hîp; 2) 2 tr−êng hîp; 3) 3 tr−êng hîp; 4) 4 tr−êng hîp 437 438 Nh− ®· thÊy trªn h×nh 7.2 vμ b¶ng 7.1, khi thêi gian b¸o tr−íc t¨ng th× c¸c sai sè tÝnh to¸n ®¬n ®iÖu t¨ng, hÖ sè t−¬ng quan gi¶m. DÊu trõ trong b¶ng cã nghÜa r»ng c¸c gi¸ trÞ tÝnh to¸n cao h¬n so víi c¸c gi¸ trÞ ®o. Víi ba ngμy ®Çu chÊt l−îng cña c¸c tÝnh to¸n vμ dù b¸o gi¸ trÞ cña tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt kh¸ cao. B¾t ®Çu tõ ngμy thø t− sai sè t¨ng ®¸ng kÓ, tíi c¸c ngμy thø s¸u, thø b¶y th× sai sè ®· lín ®Õn møc dù b¸o chØ cã thÓ cã ý nghÜa ®Þnh tÝnh chø kh«ng ph¶i lμ ®Þnh l−îng n÷a. Sai sè dù b¸o tr−êng khÝ ¸p h¹n chÕ ®é chÝnh x¸c tÝnh giã vμ sãng. V× lý do ®ã kh«ng nªn kú väng mét chÊt l−îng cao cña dù b¸o giã vμ sãng cho c¸c ngμy thø s¸u – thø b¶y. C¸c kÕt qu¶ so s¸nh ®· dÉn cßn chøng tá cã sù v−ît tréi cã tÝnh chÊt hÖ thèng gi÷a gi¸ trÞ tÝnh to¸n khÝ ¸p mÆt ®Êt so víi gi¸ trÞ ®o, vμ nã t¨ng dÇn khi t¨ng thêi gian b¸o tr−íc cña dù b¸o (thùc vËy, víi ngμy ®Çu tiªn sai sè hÖ thèng b»ng –0,14 hPa, nh−ng víi ngμy thø b¶y –1,64 hPa). Tuy nhiªn, ph¶i nhËn thÊy r»ng ®Ó ®¶m b¶o tÝnh chÝnh x¸c tèc ®é giã vμ t−¬ng øng lμ sãng th× ®iÒu quan träng lμ ®é chÝnh x¸c tÝnh gra®ien ¸p suÊt, chø kh«ng ph¶i ®¬n thuÇn lμ gi¸ trÞ ¸p suÊt. Nh÷ng gi¸ trÞ so s¸nh tr−êng khÝ ¸p mÆt ®Êt dÉn trªn ®©y mét mÆt chøng tá vÒ sù phï hîp kh¸ tèt víi sè liÖu quan tr¾c cho vμi ba ngμy ®Çu, mÆt kh¸c còng chøng tá vÒ sai sè t−¬ng ®èi thÊp cña phÐp néi suy kh«ng gian sö dông trong c«ng tr×nh nμy ®Ó quy c¸c gi¸ trÞ tr−êng ¸p suÊt vÒ c¸c ®iÓm quan tr¾c. Cã lÏ, sù phï hîp tèt cho ngμy ®Çu còng do mét thùc tÕ lμ nh÷ng sè liÖu ®o mμ chóng t«i dïng ®Ó so s¸nh, n»m kh¸ gän trªn mét diÖn tÝch h¹n chÕ (thñy vùc B¾c H¶i vμ phÇn nam c¸c biÓn Nauy vμ Greenland), vμ chÝnh nh÷ng sè liÖu ®ã ®−îc dïng ë ECMWF ë giai ®o¹n khai th¸c th«ng tin lμm nh÷ng ®iÒu kiÖn ban ®Çu ®Ó thùc hiÖn tÝnh to¸n theo m« h×nh hoμn l−u khÝ quyÓn. 7.3. C¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh giã mÆt ®Êt TÝnh giã gra®ien. VÊn ®Ò tÝnh giã mÆt ®Êt theo tr−êng ¸p suÊt ®· ®−îc xÐt trong nhiÒu c«ng tr×nh [20, 134, 149, 162, 171, 178, 182]. Ngμy nay thËm chÝ khã mμ tæng quan ®Çy ®ñ c¸c c«ng tr×nh vÒ ®Ò tμi nμy. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t nhiÖm vô nμy quy vÒ gi¶i bμi to¸n chuyÓn ®éng cña dßng kh«ng khÝ trong líp biªn khÝ quyÓn d−íi t¸c ®éng cña gra®ien ¸p suÊt, lùc Coriolis, lùc ma s¸t (ph©n tö vμ rèi) vμ lùc hÊp dÉn träng tr−êng. NÕu cho r»ng c¸c chuyÓn ®éng ngang lín h¬n nhiÒu so víi chuyÓn ®éng th¼ng ®øng vμ kh«ng tÝnh ®Õn biÕn ®æi cña mËt ®é víi ®é cao trong líp biªn khÝ quyÓn, c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng ®−îc viÕt d−íi d¹ng: )( z U k z U x p td dU z 1 2 1 2 1       ; (7.1) )( z U k z U y p td dU z 2 1 2 2 1       ; (7.2) agz p   , (7.3) trong ®ã   321 UUUU ,, vect¬ vËn tèc; p ¸p suÊt;  z thμnh phÇn vËn tèc gãc quay Tr¸i §Êt; k hÖ sè trao ®æi rèi; a mËt ®é kh«ng khÝ. NhËn thÊy c¸c vÕ tr¸i cña nh÷ng ph−¬ng tr×nh (7.1) vμ (7.2) biÓu diÔn c¸c ®¹o hμm toμn phÇn theo thêi gian: z U U y U U x U U t U td dU 1 3 1 2 1 1 11      ; (7.4) 439 440 z U U y U U x U U t U td dU 2 3 2 2 2 1 22      . (7.5) C¸c ph−¬ng tr×nh (7.1)–(7.5) cïng víi ph−¬ng tr×nh liªn tôc 0 321      z U y U x U t aaaa )()()( (7.6) lμ mét hÖ ph−¬ng tr×nh mμ nghiÖm cña nã x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña tèc ®é giã trong líp biªn khÝ quyÓn. Khã kh¨n chÝnh cña viÖc gi¶i hÖ nμy lμ tÝnh phi tuyÕn cña hÖ vμ hÖ sè trao ®æi rèi lμ hμm ch−a biÕt tr−íc cña täa ®é th¼ng ®øng z . V× lý do ®ã bμi to¸n th−êng ®−îc ®¬n gi¶n hãa. §Çu tiªn x¸c ®Þnh giã gra®ien, sau ®ã giã gra®ien ®−îc dÉn xuèng líp biªn s¸t mÆt n−íc. Víi tr−êng ¸p suÊt dõng, kh«ng cã lùc ma s¸t, tõ (7.1)–(7.3) tèc ®é giã ®Þa chuyÓn gstrU ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc n p f U Ka gstr 1    )( , (7.7) ë ®©y  sin2kf tham sè Coriolis;   n p gra®ien ngang cña khÝ ¸p. PhÐp chuyÓn sang giã gra®ien gU cho phÐp tÝnh ®Õn nh÷ng sè h¹ng phi tuyÕn trong (7.1)–(7.5) nhê tÝnh ®Õn lùc ly t©m. §èi víi nh÷ng ®−êng ®¼ng ¸p víi b¸n kÝnh cong R ng−êi ta x¸c ®Þnh gi¸ trÞ giã gra®ien theo c«ng thøc         21 4 1 2 / K gstrK g f URf U . (7.8) NhËn thÊy r»ng trong c¸c tÝnh to¸n sè ®«i khi n¶y sÝnh khã kh¨n trong viÖc x¸c ®Þnh ®óng b¸n kÝnh cong R cña c¸c ®−êng ®¼ng ¸p. C¸c hÖ ph−¬ng ph¸p tÝnh giã mÆt ®Êt. HiÖn nay cã nhiÒu hÖ ph−¬ng ph¸p chuyÓn tõ giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt [20, 134, 171, 182, 362]. ë ®©y kh«ng cã ý ®Þnh kh¸i qu¸t hãa, chóng t«i chØ xem xÐt mét sè ph−¬ng ph¸p phæ biÕn nhÊt vμ thö x¸c ®Þnh mèi liªn hÖ gi÷a giã mÆt ®Êt ®o ®−îc trªn c¸c dμn quan tr¾c vμ gi¸ trÞ giã gra®ien tÝnh ®−îc theo tr−êng chÈn ®o¸n ¸p suÊt mÆt ®Êt. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t tÝnh giã mÆt ®Êt cã thÓ th«ng qua gi¶i bμi to¸n t−¬ng t¸c gi÷a mÆt n−íc vμ khÝ quyÓn trong líp biªn. NghiÖm ®¬n gi¶n hãa cña bμi to¸n ®· nhËn ®−îc trong c«ng tr×nh quen thuéc cña Monhin – Kazanski [149]. Mèi liªn hÖ gi÷a giã gra®ien gU , tèc ®é ma s¸t *U vμ tham sè gå ghÒ cã d¹ng ,sin ;)()(ln * * * g K g U UA AB Zf U U U               22 0 2 2 1 (7.9) ë ®©y A vμ B lμ c¸c hμm trong tr−êng hîp tæng qu¸t phô thuéc vμo ph©n tÇng khÝ quyÓn;  tham sè ph©n tÇng; 0Z tham sè gå ghÒ;  40, h»ng sè Karman;  gãc gi÷a h−íng giã gra®ien vμ h−íng giã t¹i tÇng 10 mÐt. Tèc ®é giã trong phô líp biªn s¸t ®Êt t¹i ®é cao Z ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc      0 Z ZUUZ ln * . (7.10) Khã kh¨n chñ yÕu khi dïng m« h×nh Monhin – Kazanski lμ ë chç x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè A vμ B , nh÷ng hÖ sè nμy lμ nh÷ng hμm cña tr¹ng th¸i ph©n tÇng khÝ quyÓn. Theo nh÷ng d÷ liÖu cña c«ng tr×nh [149], ®èi víi ph©n tÇng phiÕm ®Þnh cã thÓ chÊp 441 442 nhËn 54,A , 71,B (theo sè liÖu cña S. S. Zilitinkevich, 1989). NhiÒu t¸c gi¶ ®· x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ cña c¸c hÖ sè nμy ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn ph©n tÇng kh¸c, nh−ng c¸c gi¸ trÞ nhËn ®−îc cßn rÊt kh¸c nhau. Khã kh¨n thø hai khi sö dông m« h×nh nμy lμ ë chç trong phÇn lín tr−êng hîp tham sè gå ghÒ 0Z vμ ph©n tÇng líp biªn khÝ quyÓn s¸t ®Êt kh«ng x¸c ®Þnh. Tr−êng hîp may m¾n nhÊt lμ biÕt ®−îc nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i mét tÇng cao vμ nhiÖt ®é n−íc líp mÆt ®¹i d−¬ng. Trong c«ng tr×nh [362] c¸c tham sè trong m« h×nh Monhin – Kazanski ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau. ChÊp nhËn tham sè gå ghÒ gUZ /, * 2 0 0210  kh«ng phô thuéc vμo giai ®o¹n ph¸t triÓn sãng, nh÷ng c«ng thøc sau ®©y ®−îc ®Ò xuÊt ®Ó tÝnh to¸n thùc tÕ c¸c hÖ sè A vμ B :        2,2; víi 66 0 víi 0 2,2;0 víi4422 , ; ,, A (7.11)         ,,, ;,,, ;,, 750 víi 750 6; víi 6 m/s 25 6,0,75 víi1310351 m/s 25 6,0,75 víi 60351 g gg UU U B ë ®©y wa TT  ; aT nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i ®é cao 10 m; wT nhiÖt ®é mÆt biÓn. Sö dông c¸c tham sè A vμ B nh− nh÷ng hμm cña hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ wa TT  cho phÐp tÝnh tèc ®é ®éng lùc vμ x¸c ®Þnh tèc ®é giã t¹i mét tÇng ®ang xÐt trong líp biªn, thÝ dô t¹i ®é cao 10 m. Tuy nhiªn nhËn thÊy r»ng trong m« h×nh nμy kh«ng tÝnh ®Õn biÕn thiªn cña ®é gå ghÒ tïy thuéc vμo tr¹ng th¸i mÆt biÓn. Nh− vËy m« h×nh cã cïng møc ®óng ®¾n nh− nhiÒu chØ dÉn kh¸c vÒ viÖc chuyÓn tõ giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt, v× tÊt c¶ ®Òu chØ sö dông cïng mét th«ng tin: gi¸ trÞ giã gra®ien vμ hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ. Trong c«ng tr×nh cña V. I. Makova [134] trªn c¬ së ph©n tÝch sè liÖu quan tr¾c ®· ®Ò xuÊt ph−¬ng ph¸p tÝnh giã mÆt ®Êt. XuÊt ph¸t tõ tèc ®é giã gra®ien gU vμ hÖ sè ph©n tÇng  , tèc ®é giã t¹i tÇng 10 m )( 10U ®−îc tÝnh theo mét b¶ng hÖ sè chuyÓn ®æi TK : gTUKU 10 . Trong b¶ng cßn dÉn hiÖu chØnh  cho h−íng giã, tøc gãc lÖch cña vect¬ tèc ®é giã vÒ phÝa t©m xo¸y thuËn. V. I. §−mov sö dông néi suy tuyÕn tÝnh, ®· chÝnh x¸c hãa c¸c trÞ sè trung gian cña b¶ng I. V. Makova vμ ngo¹i suy c¸c trÞ sè cho vïng ph©n tÇng 50, vμ 4 . TiÕp sau ®©y sÏ sö dông hÖ ph−¬ng ph¸p tÝnh giã mÆt ®Êt c¶i biªn theo kiÓu nh− vËy. So s¸nh sè liÖu ®o tèc ®é giã trªn c¸c dμn khoan cè ®Þnh víi giã gra®ien. Th«ng tin khÝ t−îng thñy v¨n nhËn ®−îc trªn c¸c dμn khoan ®−îc truyÒn theo c¸c kªnh trao ®æi quèc tÕ b»ng m· SHIP gåm khÝ ¸p, nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ, tèc ®é giã quy vÒ ®é cao 10m trªn mùc biÓn. Dïng th«ng tin nμy vμ tr−êng chÈn ®o¸n khÝ ¸p mÆt ®Êt cña ECMWF trong 19 th¸ng, ta so s¸nh c¸c d÷ liÖu víi nhau vμ x¸c ®Þnh c¸c hÖ sè chuyÓn ®æi tõ giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt. XuÊt ph¸t tõ c¸c tr−êng chÈn ®o¸n ¸p suÊt mÆt ®Êt cña ECMWF vμ sö dông c¸c biÓu thøc (7.7) vμ (7.8) ®· tÝnh ra c¸c gi¸ trÞ giã gra®ien vμ so s¸nh víi c¸c gi¸ trÞ tèc ®é giã quan tr¾c ë ®é cao 10 m ®èi víi c¸c tr−êng hîp biÕt nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ. NhËn thÊy tØ sè gi÷a tèc ®é giã quan tr¾c vμ giã gra®ien cã tÝnh chÊt ngÉu nhiªn. §Ó ph©n tÝch thèng kª, nh÷ng gi¸ trÞ giã 443 444 ®· ®−îc ph©n chia thμnh c¸c cÊp tïy thuéc vμo tèc ®é giã gra®ien (c¸ch nhau 5 m/s) vμ hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ (c¸ch nhau 2o). V× trong mçi cÊp cã mét sè ngÉu nhiªn c¸c gi¸ trÞ, nªn ®Ó −íc l−îng gi¸ trÞ trung b×nh trong mét cÊp ®· tÝnh c¸c gi¸ trÞ trung vÞ, mét ®Æc tr−ng trung b×nh æn ®Þnh nhÊt. KÕt qu¶ thÓ hiÖn trong b¶ng 7.2. Nh− ®· thÊy, b¶ng bao qu¸t mét d¶i kh¸ réng biÕn thiªn tèc ®é giã (tõ 0 ®Õn 35 m/s) vμ hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ (tõ 6 ®Õn 8o). Gi¸ trÞ tØ sè tèc ®é giã mÆt ®Êt trªn giã gra®ien biÕn ®æi trong ph¹m vi tõ 1,3 ®èi víi giã yÕu (d−íi 5 m/s) vμ ph©n tÇng æn ®Þnh ®Õn 0,57 ®èi víi giã m¹nh (30–35 m/s). B¶ng 7.2. C¸c hÖ sè chuyÓn ®æi tõ tèc ®é giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt theo d÷ liÖu quan tr¾c (trong ngoÆc vu«ng ghi sè tr−êng hîp) Tèc ®é giã gra®ien gU (m/s) HiÖu nhiÖt ®é aw TT  (oC) 0–5 5–10 10–15 15–20 20–25 25–30 30–35 0406 ,..,  0,98 0,83 0,77 [10] [12] [2] 0204 ,..,  1,30 0,93 0,71 0,75 0,59 [19] [58] [15] [5] [3] 0002 ,.., 1,22 0,93 0,78 0,69 0,65 0,56 [120] [351] [208] [99] [19] [2] 020 ,.. 1,11 0,88 0,79 0,73 0,61 0,65 0,57 [239] [540] [295] [104] [32] [7] [2] 0402 ,.., 1,14 0,93 0,83 0,71 0,78 0,66 0,95 [62] [171] [95] [52] [15] [8] [1] 0604 ,.., 1,00 0,97 0,84 0,65 0,74 0,74 [15] [41] [42] [13] [4] [1] 0806 ,.., 1,33 0,94 0,82 0,88 1,02 [2] [9] [10] [2] [1] 01008 ,.., 0,86 0,57 0,91 1,04 [1] [1] [3] [1] Trong dÊu ngoÆc vu«ng cña mçi gi¸ trÞ trung vÞ ghi sè gi¸ trÞ quan tr¾c ®−îc sö dông. Nh− ®· thÊy, trong mçi cÊp cã sè tr−êng hîp quan tr¾c (sè ®iÓm) kh¸c nhau. Sè l−îng ®iÓm lín nhÊt thuéc vÒ c¸c cÊp giã yÕu vμ giã võa vμ ph©n tÇng gÇn víi phiÕm ®Þnh. §èi víi c¸c giã m¹nh vμ ph©n tÇng kh¸c phiÕm ®Þnh sè ®iÓm gi¶m m¹nh, chøng tá hiÖu øng x¸o trén m¹nh trong líp biªn khi giã m¹nh. §iÒu lý thó lμ phÇn lín tr−êng hîp giã yÕu (d−íi 5 m/s) gi¸ trÞ giã mÆt ®Êt tá ra lín h¬n giã gra®ien, ®iÒu nμy, cã lÏ do ¶nh h−ëng líp biªn sãng lμm t¨ng giã mÆt n−íc. Sö dông c¸c gi¸ trÞ trong b¶ng ®· ®Ò xuÊt mét quan hÖ xÊp xØ nh− sau cho tØ sè tèc ®é giã mÆt ®Êt vμ giã gra®ien: ),(exp/)ln,,(  00152021003151 ggT UUK . (7.12) Gãc lÖch cña tèc ®é giã so víi ®−êng ®¼ng ¸p vÒ phÝa t©m xo¸y thuËn b»ng };,max{ 01851  . (7.13) C¸c c«ng thøc (7.12), (7.13) nhËn ®−îc cho mét d¶i kh¸ réng c¸c tèc ®é giã gra®ien (tõ 2,5 ®Õn 35 m/s) vμ hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ (tõ –6 ®Õn 8o). Nh÷ng quan hÖ (7.12) vμ (7.13) cã thÓ xem nh− nh÷ng c«ng thøc song ®Ò ®èi víi nh÷ng hÖ ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi tõ giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt hiÖn ®ang tån t¹i. Ph©n tÝch so s¸nh kÕt qu¶ tÝnh giã mÆt n−íc víi d÷ liÖu quan tr¾c. C¸c ph−¬ng ph¸p tÝnh giã mÆt ®Êt dÉn trªn ®©y ®· ®−îc thö th¸ch trªn c¬ së so s¸nh sè liÖu tÝnh to¸n víi kÕt qu¶ ®o tèc ®é giã thùc hiÖn trªn c¸c dμn cè ®Þnh ë c¸c biÓn Nauy, Greenland vμ B¾c H¶i. Trong mét thêi kú mét n¨m r−ìi ®· tÝnh giã gra®ien theo sè liÖu tr−êng ¸p suÊt mÆt ®Êt chÈn ®o¸n cña ECMWF, sau ®ã thùc hiÖn chuyÓn ®æi sang giã mÆt 445 446 ®Êt (t¹i ®é cao 10 m trªn mùc biÓn). V× vÊn ®Ò chÊt l−îng sè liÖu quan tr¾c cßn ch−a râ nªn tõ sè liÖu quan tr¾c ®· lo¹i bá nh÷ng sè liÖu nghi ngê. T¹i b−íc thø nhÊt cÇn thiÕt ph¶i x¸c ®Þnh ¶nh h−ëng cña ph©n tÇng líp biªn tíi tèc ®é giã mÆt ®Êt. V× vËy ®· tiÕn hμnh tÝnh tèc ®é giã øng víi hiÖu nhiÖt ®é n−íc – kh«ng khÝ lÊy trung b×nh n¨m, sö dông ph−¬ng ph¸p c¶i biªn cña V. I. Makova. ChÊp nhËn hiÖu nhiÖt ®é trung b×nh n¨m b»ng 52, . C¸c kÕt qu¶ so s¸nh tÝnh to¸n vμ quan tr¾c biÓu diÔn trªn h×nh 7.3 a,b. Sai sè hÖ thèng (xem h×nh 7.3 a) chøng tá r»ng tèc ®é giã mÆt n−íc bÞ v−ît tréi râ rμng trong kho¶ng thêi gian c¶ mét n¨m. H×nh 7.3. So s¸nh c¸c sai sè tÝnh tèc ®é giã víi ph©n tÇng kh«ng ®æi WINDI-old (1) vμ ph©n tÇng biÕn ®æi theo c¸c th¸ng WINDI-new (2): a) c¸c sai sè sè häc (BIAS); b) c¸c sai sè b×nh ph−¬ng trung b×nh (RMSE) V× hÖ sè chuyÓn ®æi phô thuéc vμo ph©n tÇng líp biªn x¸c ®Þnh theo hiÖu nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ, nªn ®Çu tiªn ph¶i x¸c ®Þnh hiÖu nμy. Nhê sè liÖu thùc ®o nhiÖt ®é trªn tõng dμn quan tr¾c ®· tÝnh tèc ®é giã vμ so s¸nh víi sè liÖu quan tr¾c. KÕt qu¶ so s¸nh sè liÖu quan tr¾c vμ tÝnh to¸n, trong ®ã tÝnh ®Õn hiÖu trung b×nh cña nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ trªn toμn vïng n−íc còng ®−îc dÉn trªn h×nh 7.3. So s¸nh kÕt qu¶ thÊy r»ng: nÕu kÓ tíi ph©n tÇng líp khÝ quyÓn s¸t mÆt n−íc ®−îc lÊy trung b×nh theo tõng th¸ng, th× cã thÓ gi¶m sai sè hÖ thèng mét c¸ch ®¸ng kÓ (xem h×nh 7.3 a) vμ còng gi¶m thiÓu sai sè b×nh ph−¬ng trung b×nh (xem h×nh 7.3 b). Sau khi x¸c ®Þnh biÕn tr×nh th¸ng cña hiÖu c¸c nhiÖt ®é, ®· tiÕn hμnh tÝnh to¸n chÈn ®o¸n tèc ®é giã mÆt n−íc theo ba ph−¬ng ph¸p m« t¶ ë trªn cho chu kú mét n¨m r−ìi. KÕt qu¶ so s¸nh víi sè liÖu quan tr¾c dÉn trªn h×nh 7.4. C¸c −íc l−îng thèng kª tæng qu¸t vÒ ®é chÝnh x¸c tÝnh to¸n dÉn trong b¶ng 7. So s¸nh c¸c sai sè cña ba ph−¬ng ph¸p tÝnh thÊy r»ng chÊt l−îng tÝnh to¸n gÇn nh− nhau. C«ng thøc (7.12) cho sai sè tÝnh to¸n nhá nhÊt. ChÊt l−îng kÕt qu¶ tÝnh cña ba ph−¬ng ph¸p gÇn nh− nhau nãi nªn r»ng c¸c ph−¬ng ph¸p Êy t−¬ng tù nhau theo nghÜa cïng sö dông nh÷ng d÷ liÖu xuÊt ph¸t nh− nhau vμ cïng tÝnh tíi nh÷ng nh©n tè quyÕt ®Þnh: giã gra®ien vμ hiÖu c¸c nhiÖt ®é n−íc vμ kh«ng khÝ. B¶ng 7.3. So s¸nh c¸c −íc l−îng thèng kª c¸c tÝnh to¸n tèc ®é giã b»ng mét sè ph−¬ng ph¸p cã kÓ tíi biÕn tr×nh mïa cña ph©n tÇng theo ¸p suÊt mÆt ®Êt chÈn ®o¸n cña ECMWF trong 19 th¸ng Ph−¬ng ph¸p ¦íc l−îng thèng kª Makova Strekalova C«ng thøc (7.12) Sè tr−êng hîp 4758 4758 4758 Sai sè sè häc BIAS, m/s 0,21 0,32 0,05 Sai sè b×nh ph−¬ng trung b×nh RMSE, m/s 2,32 2,32 2,26 ChØ sè t¶n m¹n SI, % 23,66 24,11 22,26 HÖ sè t−¬ng quan r 0,82 0,82 0,83 447 448 H×nh 7.4. So s¸nh kÕt qu¶ tÝnh giã mÆt n−íc víi quan tr¾c (chÈn ®o¸n 00 giê): a) theo m« h×nh V. I. Makova; b) theo m« h×nh S. S. Strekalova §ång thêi còng ph¶i nhËn xÐt r»ng thùc tÕ tÊt c¶ c¸c ph−¬ng ph¸p ®Òu h¹ thÊp nh÷ng tèc ®é giã lín so víi sè liÖu quan tr¾c. §iÒu nμy, cã lÏ, liªn quan kh«ng chØ tíi ph−¬ng ph¸p chuyÓn ®æi tõ giã gra®ien sang giã mÆt ®Êt, mμ chñ yÕu lμ do b¶n th©n gi¸ trÞ giã ®Þa chuyÓn tÝnh theo gra®ien khÝ ¸p bÞ h¹ thÊp. B−íc l−íi kh«ng gian qu¸ lín (55o) ®· lμ tr¬n tr−êng khÝ ¸p, lμm gi¶m m¹nh nh÷ng gra®ien lín cña ¸p suÊt. NÕu so s¸nh sai sè c¸c tÝnh to¸n giã mÆt ®Êt ®· thùc hiÖn víi c¸c kÕt qu¶ c«ng bè trong chuyªn kh¶o [303], trong ®ã tÝnh giã mÆt n−íc thùc hiÖn ë ECMWF cho vïng n−íc B¾c H¶i theo m« h×nh hoμn l−u khÝ quyÓn, th× cã thÓ ®i ®Õn kÕt luËn r»ng ®é chÝnh x¸c tÝnh to¸n cña chóng t«i ngang b»ng víi c¸c kÕt qu¶ nμy. Cã lÏ, sai sè b×nh ph−¬ng trung b×nh tÝnh giã