Tìm hiểu khái quát về công tác dự báo thời tiết

Ngày nay, dự báo thời tiết đã phát triển với những tiến bộ to lớn trong công nghệ, phục vụ ngày một hiệu quả các lĩnh vực kinh tế - xã hội, trong đó có lĩnh vực hàng không. Trong thực tế tác nghiệp, việc chuẩn bị một bản tin dự báo thời tiết bao gồm nhiều hoạt động: Quan trắc, trao đổi số liệu, phân tích, dự báo và phân phát sản phẩm dự báo. Đây là các thành phần thiết yếu của dịch vụ dự báo thời tiết.

Quan trắc

Để chuẩn bị dự báo thời tiết, trước tiên, dự báo viên phải có được một bức tranh chi tiết về điều kiện thời tiết hiện tại trên một khu vực cụ thể. Điều này đòi hỏi phải quan trắc thường xuyên và chính xác các lớp khí quyển từ thấp lên cao bằng các trạm quan trắc bề mặt, cao không và các các hệ thống viễn thám như vệ tinh, radar khí tượng. Chất lượng của bản tin dự báo thời tiết phụ thuộc rất nhiều vào tính đầy đủ và độ chính xác của số liệu quan trắc trạng thái ban đầu của khí quyển.

Các quan sát khí tượng trên đất liền, trên biển và trong khí quyển được thực hiện và trao đổi quốc tế hàng ngày (Nguồn: COMET)

Các hiện tượng thời tiết không có biên giới quốc gia. Do đó, các quan trắc khí tượng phải bao trùm các quốc gia và các vùng lục địa/đại dương. Để bảo đảm số liệu cho bài toán dự  báo thời tiết, việc trao đổi dữ liệu quốc tế có vai trò đặc biệt quan trọng. Vì thế, các CSCCDV KTHK thuộc VATM thường xuyên trao đổi dữ liệu với các trung tâm khí tượng khác trên thế giới thông qua hệ thống viễn thông toàn cầu GTS (Global Telecomunication System), hệ thống trao đổi OPMET khu vực Châu Á-Thái Bình Dương ROBEX (Regional OPMET Exchange) và các hệ thống chuyên dụng khác.

Phân tích dữ liệu

Số liệu quan trắc khí tượng trên một khu vực rộng lớn được vẽ lên bản đồ thời tiết, với các biểu tượng khác nhau đại diện cho gió, nhiệt độ, mây, khí áp và các yếu tố thời tiết khác. Nhờ đó, các Dự báo viên có thể nhanh chóng xác định được tất cả các yếu tố thời tiết tại một địa điểm nhất định, phân tích các kiểu hoàn lưu và xác định vị trí các hệ thống thời tiết quan trọng như khối khí, front, rãnh, áp thấp, áp cao, bão,… Bản đồ thời tiết bao gồm bản đồ bề mặt và các bản đồ cao không thực trạng và quá khứ, để đưa ra một bức tranh bốn chiều của trạng thái khí quyển và tình hình thời tiết. Các giản đồ nhiệt động  lực cũng được phân tích từ dữ liệu quan trắc khí quyển giúp các Dự báo viên có thể xác định độ ổn định (stable) của khí quyển theo phương thẳng đứng để đánh giá khả năng tạo ra đối lưu mạnh, là một trong những nguyên nhân chính gây ra các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như nhiễu động, dông, bão…

Ví dụ về bản đồ thời tiết và sự thể hiện các yếu tố khí tượng

Dự báo thời tiết số trị

Dự báo thời tiết số trị NWP (Numerical Weather Prediction) là công nghệ dự báo tân tiến, hỗ trợ ngày một hiệu quả 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. Trong mô hình, bầu khí quyển được chia thành nhiều “khối” khác nhau có kích thước hữu hạn, kích thước các “khối” này phụ thuộc vào phạm vi mô hình, các khối có kích thước lớn để sử dụng cho bài toán dự báo thời tiết toàn cầu, và các khối kích thước nhỏ hơn để dự báo thời tiết khu vực, địa phương. Việc giải các phương trình để tìm ra các nghiệm là trạng thái khí quyển theo từng  mốc thời gian trong tương lai đòi hỏi cần có hệ thống các máy tính hiệu năng cao HPC (Hight Performance Computer) để có thể thực hiện được một số lượng tính toán khổng lồ cần thiết. Các sản phẩm cuối cùng là dự báo  về gió, nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa và các yếu tố khí tượng khác.

Dự báo gió bề mặt là một trong nhiều loại yếu tố khí tượng được tạo ra bởi mô hình Dự báo thời tiết số.

Phương pháp NWP là phương pháp khách quan và có tính định lượng cao. Tuy nhiên, do hạn chế của công nghệ hiện nay mà độ chính xác trường số liệu đầu vào vẫn còn hạn chế cũng như  việc mô hình hóa các quá trình vật lý trong khí quyển chưa thực sự hoàn hảo. Để khắc phục vấn đề trên, người ta phát triển các phương pháp hỗ trợ:

- Thống kê số liệu đầu ra mô hình MOS (Model Oput Statistic): Mô hình này dựa trên các trường ba chiều số liệu đầu ra của các mô hình NWP, số liệu quan trắc bề mặt và các điều kiện khí hậu cho các vị trí cụ thể.

- Dự báo đồng bộ (ensemble forecast): Phương pháp này bao gồm phân tích nhiều kết quả dự báo được tạo ra từ cùng một mô hình bằng cách sử dụng các tham số vật lý khác nhau hoặc các điều kiện ban đầu khác nhau.

Lập bản tin dự báo

Để dự báo thời tiết , Dự báo viên phải kết hợp phân tích dữ liệu với sử dụng các sản phẩm mô hình dự báo số NWP, ảnh radar, vệ tinh khí tượng, đặc điểm khí hậu của khu vực và kiến thức, kinh nghiệm cá nhân. Các dự báo cần phải kịp thời để phục vụ hoạt động bay của các  hãng hàng không và nhiều đối tượng sử dụng khác.

Những thách thức trong dự báo thời tiết nhiệt đới

Thời tiết vùng nhiệt đới khó dự báo so với thời tiết vùng ôn đới. Không giống như các vĩ độ trung bình, vùng nhiệt đới có các khối khí tương đối đồng nhất và phân bố nhiệt độ bề mặt và áp suất không khí khá đồng đều. Do đó, ảnh hưởng của các tác động  quy mô cục bộ, địa  phương và quy mô vừa (mesoscale) (ví dụ như gió đất-biển) chiếm ưu thế hơn so với ảnh hưởng có quy mô synop (quy mô lớn), ngoại trừ các cơn bão nhiệt đới.

Các quy mô không gian và thời gian khác nhau của các hệ thống thời tiết và hiện tượng khí hậu đặt ra
các thách thức dự báo với các mức độ khác nhau

Đối lưu sâu (deep convection) và không khí ẩm ở vùng nhiệt đới thường xuyên gây ra mưa lớn và dông mạnh. Các hệ thống thời tiết đối lưu này có xu hướng phát triển và tan rã  nhanh chóng, thường trong vòng một hoặc vài giờ. Ngoài ra, do gió thịnh hành ở vùng nhiệt đới nói chung là nhẹ, nên việc dự đoán sự di chuyển của các cơn dông địa phương có thể gặp khó khăn. Thời gian tồn tại ngắn và kích thước nhỏ của chúng là một thách thức về độ chính xác đối với các dự báo .

Khác với vùng ôn đới, hiện tại độ chính xác của việc dự báo thời tiết đối lưu nhiệt đới bằng các mô hình NWP có phần hạn chế hơn. Ngoài ra, các quá trình nhiệt, động lực phức tạp ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu ở vùng nhiệt đới vẫn chưa được hiểu một cách tường tận. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng đang được thực hiện tại Việt Nam và các trung tâm nghiên cứu khí tượng khác trên thế giới.

Dự báo thời tiết là một bài toán khó và phức tạp, đặc biệt ở các nước thuộc vùng nhiệt đới như Việt Nam. Để tạo ra các sản phẩm dự báo thời tiết có độ chính xác cao theo tiêu chuẩn ICAO, phục vụ hiệu quả hoạt động hàng không, các CSCCDV KTHK phải được bảo đảm đầy đủ các nguồn số liệu cần thiết, kể cả các số liệu, sản phẩm đầu ra của các mô hình dự báo số trị NWP. Tuy nhiên, trong bất cứ hoàn cảnh nào, yếu tố con người luôn đóng một vai trò trung tâm, trọng yếu trong việc bảo đảm chất lượng dự báo. Điều đó đồng nghĩa với việc các Dự báo viên Khí tượng hàng không luôn phải được cập nhật, nâng cao kiến thức chuyên môn, kỹ năng thực hành và kinh nghiệm thực tế cũng như ý thức trách nhiệm nghề nghiệp.    

                                                                                    Phan Bá Hùng