http://www.ebook.edu.vn Phần 5 - Hoạt động của con ng{ời Chơng 13 Dự báo v phân tích thời tiết Các nhân viên dự báo của Cơ quan Thời tiết Quốc gia (NWS) đã bỏ ra một phần lớn thời gian lm việc mỗi ngy để trả lời điện thoại với những câu hỏi về thời tiết sắp tới. Đôi khi ngời ta muốn biết ván golf của mình có bị ma không hoặc l những cây cảnh ngoi trời của họ có thể bị tổn thơng do sơng muối ban đêm hay không. Nhng những khía cạnh quan trọng nhất của công việc của một nhân viên dự báo không can dự đến những chuyện tiện nghi hay không đơn thuần, m l những câu hỏi liên quan tới những vấn đề sống sót hay chết. Đó l trờng hợp đối với Mark Moede, nh khí tợng học với Phòng dự báo của NWS ở San Diego. Cuối tháng 8 năm 1998, phần lớn miền nam California đã bị đe dọa bởi những vụ cháy do hoạt động dông sét nặng bất thờng phát sinh. Các nhân viên cứu hỏa chiến đấu với lửa đã nhận đợc những tin cập nhật liên tục về điều kiện thời tiết có thể ngăn chặn hoặc l khích lệ sự lây lan của đám cháy. Vo ngy 2 tháng 9 tình huống đã đạt tới giai doạn đỉnh điểm của nó. Pete Curran, nhân viên của Cục phòng hỏa quận Orange, đã duy trì liên lạc trực tiếp với Moede nhằm cập nhật liên tục về một loạt các trận lốc tố đang tới. Vấn đề l liệu lốc tố có tiếp tục mạnh lên hay không, hoặc l liệu lốc tố có đi qua những khu vực nơi những ngời chữa cháy đang tác nghiệp hay không. Nếu gió bão đi theo đờng đó, thì gió mạnh, sấm sét nguy hiểm v ma ro mù mịt sẽ đa các đội cứu hỏa của Curran vo thế nguy hiểm. Nhờ trợ giúp của rađa Doppler v thông tin từ các trạm thời tiết tự động, Moede đã có một cú thông báo điện thoại đúng đắn. Ông đã khuyên Curran rút các đội của mình khỏi tuyến đi xác suất cao của cơn bão, nơi gió trên 95 km/h tạo nên một trận bão lửa không thể kiểm soát nổi. Về sau, những ngời chữa cháy đã báo cáo lại rằng tuyến ho ngăn lửa m họ sơ tán khỏi đã bị thiêu trụi hon ton. Nếu nh cuộc gọi yêu cầu sơ tán không đợc thực hiện, thì rất có thể l một số lính chống cháy đã bị giết chết. Chơng ny thảo luận những phơng pháp m các nh d ự báo sử dụng để thực hiện nhiệm vụ của họ. Đầu tiên chúng ta xem xét một số vấn đề quan trọng liên quan tới khái niệm chung về dự báo thời tiết v sau đó bn luận những phơng thức thu nhận v xử lý các dữ liệu cần thiết. Sau nữa, chúng ta nghiên cứu các loại bản đồ thời tiết khác nhau v chúng đợc dùng nh thế no trong khi phân tích thời tiết. http://www.ebook.edu.vn Vì sao dự báo thời tiết ch~a hon thiện Tất cả chúng ta đã từng có những kế hoạch tỉ mỉ bị phá vỡ bởi một dự báo thời tiết xấu v cũng rất nhanh nhạy tìm ra lỗi khi những điều kiện thực khác với dự báo. Nh vậy, điều ẩn chứa bên trong thái độ phê phán nh vậy chính l phải nhận thức đợc rằng các dự báo cần phải đúng đắn v rằng không có chuyện xin lỗi đối với một sai lầm. Vậy tại sao các dự báo thờng hay sai? Mặc dù, với những máy tính rất mạnh, vệ tinh, rađa v mạng lới thông tin ton cầu, có vẻ nh lm một dự báo tốt phải rất dễ. Tuy nhiên, dù đa số công chúng có thể nghĩ nh thế, song hon ton không phải nh vậy - thật ra, việc dự báo thời tiết đúng l cực kỳ khó. Để thấy tại sao, hãy hình dung bạn muốn dự báo nhiệt độ ngy mai v suy ngẫm về một số nhân tố m bạn phải cân nhắc. Thứ nhất, hãy nhớ rằng cấu trúc nhiệt độ của khí quyển phụ thuộc một phần vo quá trình hấp thụ v phát xạ bức xạ (sóng ngắn v sóng di), tự chúng lại phụ thuộc vo phân bố thẳng đứng v ngang của các chất khí khí quyển, mây v nhiều thứ khác. Cho nên, để tính nhiệt độ tại một điểm, bạn phải bắt đầu với thông tin chi tiết về thnh phần của khí quyển trong ba chiều đo. Dĩ nhiên, với sự chuyển đổi không ngừng giữa các pha rắn, lỏng v hơi, thnh phần khí quyển khó m không đổi, cho nên bạn sẽ phải dự báo những biến đổi đó trong thời gian. Hãy nhớ thêm rằng khi nớc thay đổi pha, nhiệt ẩn đợc thêm vo hoặc mất đi từ khí quyển; do đó, bạn sẽ phải luôn theo dõi chuyện đó v quá trình vận chuyển bức xạ. Nhng những biến đổi pha bị ảnh hởng bởi các dòng thăng v dòng giáng quy mô nhỏ, cho nên bạn sẽ phải dự báo nh thế no đó về các chuyển động thẳng đứng nh một phần của tất cả những nỗ lực của bạn. Ngoi ra, chuyển động ngang không thể không tính tới - bạn sẽ phải chấp nhận sự bình lu không khí nóng hay không khí lạnh (chơng 10). Về phơng diện gió, ở gần bề mặt, bạn đối mặt với những vấn đề dòng gió lân cận mặt đất phức tạp v đánh giá nh thế no đó về các hiệu ứng ma sát giữa khí quyển v bề mặt. Bên trên lớp ma sát thì sự việc đỡ rắm rối hơn, nhng cũng không l bao. Bi toán cơ bản l bi toán về sự tơng tác liên tục: các chuyển động của khí quyển lm thay đổi những chuyển động phát triển tiếp sau đó. Nói khác đi, sau một thời gian ngắn, gió lm thay đổi gió. Cho nên, thậm chí dù bạn chỉ quan tâm tới nhiệt độ, bạn không thể bảo l gió không đổi, trái lại, bạn buộc phải can dự vo chuyện dự báo chuyển động khí quyển. Không may, đó l một việc rất khó khăn, bởi vì khí quyển bất ổn định động lực. Nói nh thế chúng ta ám chỉ rằng những nhiễu động bé nhỏ thờng lớn lên thnh các thnh tạo lớn dần dần áp đảo trờng chuyển động. Do đó, cho dù bạn có thể chỉ quan tâm về chuyển động ở quy mô lớn nhằm đáp ứng các mục đích về bình lu nhiệt, nhng bạn phải cân nhắc các chuyển động cỡ nhỏ để m biết các hình thế quy mô lớn sẽ tiến hóa ra sao. Rõ rng, dự báo thời tiết can dự vo một tập những bi toán liên kết với nhau, mỗi bi toán khó m giải đợc một cách biệt lập, tách ra khỏi tập hợp. Trong bối cảnh tất cả những khó khăn nh vậy, thật l đáng chú ý l dù sao thì các dự báo đang cho thấy một sự đúng đắn no đó. Chúng ta chắc ch ắn sẽ ngạc nhiên l m thế 466 http://www.ebook.edu.vn no m các dự báo có thể thnh công, thay vì phân vân tại sao các dự báo bị sai! Công tác dự báo thời tiết do chính phủ Mỹ thực hiện đã bắt đầu vo những năm 1870, khi ấy Quốc hội thiết lập một Nha Thời tiết Quốc gia trực thuộc Cục Quân báo. Đến năm 1890, cơ quan ny đổi tên thnh Phòng Thời tiết Quốc gia (National Weather Bureau) v chuyển sang Bộ Nông nghiệp v ở đó cho đến năm 1942 thì chuyển sang trực thuộc Bộ Thơng mại. Cơ quan Đại dơng v Khí quyển Quốc gia (NOAA) đợc thnh lập năm 1970 để thống nhất một số cơ quan nghiên cứu môi trờng, kể cả Nha Thời tiết Quốc gia, cơ quan ny lấy lại tên gọi cũ của mình. Nha Khí tợng Canađa (Meteorological Service of Canada, MSC), đóng ở Downsview, Ontario, thực hiện tất cả các nhiệm vụ dự báo cho Canađa v đảm bảo các thông tin khí tợng địa phơng v khu vực cho 14 trung tâm thời tiết khu vực của họ. Các ph~ơng pháp dự báo bão Không có một phơng pháp no l duy nhất đúng để dự báo thời tiết. Tùy thuộc vo độ di của dự báo, dạng thông tin đợc yêu cầu v trạng thái hiện tại của khí quyển đợc biết đến mức no m một phơng pháp no đó trong một loạt phơng pháp có thể đợc sử dụng. Ngời ta thậm chí có thể cố gắng lm một dự báo ngay cả khi không có một dữ liệu no về tình hình thời tiết hiện tại, nếu nh có đợc thông tin di hạn. Ví dụ, một dự báo các điều kiện nóng, ẩm với một khả năng giông buổi chiều ở Orlando, Florida vo giữa tháng 8 sẽ có cơ may đúng khá cao. Những dự báo ny dựa trên các giá trị trung bình di hạn, đợc gọi l các dự báo khí hậu. Rõ rng, độ tin cậy của một dự báo khí hậu phụ thuộc vo độ biến thiên năm tới năm của các điều kiện thời tiết đối với ngy dự báo. Do đó, một sự báo dựa trên khí hậu có thể có một khả năng đúng vừa phải đối với Orlando trong thời gian mùa hè, song chỉ có ai thực sự bạo gan mới mu tính dự báo nh vậy cho Chicago vo tháng 4, khi m hầu nh mọi kiểu thời tiết đều có thể xảy ra. Một kiểu dự báo khác, đợc gọi l dự báo quán tính, dựa hon ton vo điều kiện hiện tại, không tham chiếu tới khí hậu. Thực ra, một trờng hợp đặc biệt của dự báo quán tính đang đợc tất cả mọi ngời chúng ta sử dụng trong đời sống hng ngy. Khi thấy bầu trời trong xanh v bỏ lại ô ở nh, chúng ta đang cợc rằng các điều kiện hiện hnh sẽ tiếp diễn v chúng ta đang lm một dự báo ngắn hạn dựa trên quán tính. Phơng pháp đơn giản ny có thể tốt đối với một thời gian ngắn, nhng cuối cùng sẽ không nắm bắt đợc những thay đổi của thời tiết. Một phiên bản phức tạp hơn có thể dùng độ giảm áp suất trong một số giờ đã qua để chỉ thị về một hệ thống áp thấp đang tới v độ phủ mây tăng lên gắn liền với nó. Nói cách khác, ta có thể chấp nhận rằng xu thế cũng có quán tín h để lm một dự đoán về những biến đổi của thời tiết. Tuy nhiên, ở đây ta đã ngoại suy sự diễn biến hiện tại vo tơng lai, với nhận thức rằng cách ny rồi cũng sẽ thất bại một khi sự diễn biến đó ngừng lại. Đơng nhiên, thờng l chính những bớc ngoặt đó so với diễn biến quá khứ mới l cái m chúng ta muốn dự báo; vậy một phơng pháp không đảm bảo đợc thông tin nh vậy thì chẳng mấy hữu ích. 467 http://www.ebook.edu.vn Cho đến những năm 1950, việc phân tích v dự báo thời thiết phụ thuộc hon ton vo kinh nghiệm của các nh khí tợng học v sự lý giải của họ về tình hình thời tiết hiện tại v trong quá khứ gần. Anh ta hoặc chị ta (thờng l anh ta ở thời ấy) sẽ sử dụng diễn biến quá khứ lm chỉ dẫn để xác định xem một hệ thống thời tiết hiện tại rồi sẽ diễn biến ra sao. Nói khác đi, nh khí tợng học đã chủ yếu dựa vo sự đối chiếu tình huống hiện tại với những điều kiện tơng tự đã gặp trớc đây (nhng không nhất thiết phải l quá khứ gần nhất) để lm cơ sở cho một dự báo. Cách tiếp cận ny đã dẫn đến sự phát triển v sử dụng rất nhiều qui tắc kinh nghiệm, nhằm thâu tóm các hình thế có khả năng lặp lại v những mối liên hệ giữa các yếu tố thời tiết khác nhau. Ví dụ, giáng thủy vo mùa đông ở miền đông Hoa Kỳ v Canađa thờng l tuyết ở về phía bắc của đờng đồng mức độ cao 4560 m đối với mực 500 mb v ma ở về phía nam của đờng ny. Trong phơng pháp đợc gọi l loại suy ny, ngời ta cố gắng nhận dạng những nét tơng tự giữa các điều kiện hiện tại với những hình thế tơng tự v đã đợc nghiên cứu kỹ từ quá khứ. Phơng pháp loại suy có nhiều biến dạng khác nhau, một số mang tính chủ quan (tùy thuộc v o trình độ của dự báo viên), một số khác khách quan (dựa vo những quan hệ thống kê). Song tất cả đều chấp nhận l những gì đã từng xảy ra khi no đó trong quá khứ l một chìa khóa cho tơng lai. Trong vi thập kỷ gần đây, dự báo thời tiết bằng phơng pháp số đã chiếm một vị trí quan trọng. Thuật ngữ ny hơi gây lầm lẫn, bởi vì tất cả các phơng pháp vừa nêu ở trên đều cho ra các dự báo số. Cái khác nhau l ở chỗ phơng pháp ny dựa trên các chơng trình máy tính cố gắng phỏng theo diễn biến thực của khí quyển. Tức l, các mô hình thời tiết số trực tiếp tính toán sự tiến hóa của gió, áp suất, nhiệt độ v các yếu tố khác trong thời gian. Bằng cách xem xét đầu ra ứng với một thời điểm đã định, ngời ta có đợc một bức tranh về trạng thái ba chiều của khí quyển tại thời điểm đó. (Điều ny trái lại với việc dự báo các giá trị bề mặt cho một số yếu tố thời tiết, nh các phơng pháp khác có thể lm). Những mô hình số điển hình sử dụng trong dự báo thời tiết rất lớn v chỉ có thể chạy trên các máy tính mạnh nhất, gọi l siêu máy tính. Để phản ánh tầm quan trọng của chúng trong dự báo hiện đại, các mô hình ny đợc trình by kỹ hơn ở mục Các qui trình v sản phẩm dự báo, v chi tiết hơn nữa, ở phụ lục của chơng 13. ở đây, chúng tôi chỉ muốn khái quát sự khác nhau giữa các phơng pháp khác v cách tiếp cận có cơ sở vật lí ny (phơng pháp số). Các kiểu dự báo Sản phẩm, hay kết quả của một phơng pháp dự báo có thể có nhiều hình thức khác nhau, chúng ta gọi l kiểu dự báo. Tất cả chúng ta khá quen thuộc với các dự báo định lợng, trong đó chỉ ra giá trị của biến dự báo. Ví dụ, một dự báo nói rằng Lợng ma sẽ l 1 inch l một dự báo lợng. Tơng tự, các dự báo về nhiệt độ cao hay thấp l dự báo lợng, vì nó đa ra một trị số cho biến dự báo. Ngợc lại, các dự báo định tính chỉ đa ra một giá trị phân loại cho biến dự báo. Các ví dụ của kiểu dự báo ny l ma hay không ma, có bão hay không có bão, trên hay 468 http://www.ebook.edu.vn dới chuẩn, hoặc có mây hay có mây một phần hay gần nh quang mây. Trong những ví dụ ny, các biến dự báo đợc gán vo một lớp, hay loại cụ thể; vậy đó l một dự báo định tính. Trong những ví dụ trên, các dự báo đợc đa ra không kèm theo chỉ định giới hạn. Các dự báo xác suất l một kiểu khác, trong đó khả năng của một sự kiện no đó đợc nêu ra. Ví dụ, một dự báo phân loại bão có thể đợc biểu diễn thnh một xác suất, chứ không phải thnh một khẳng định. Dự báo xác suất có thể có nhiều dạng, phổ biến nhất có lẽ l dự báo xác suất của ma (dự báo PoP). Khi ngời đa tin nói khả năng ma hôm ny l 70% hay có thể có ma ro buổi chiều với xác suất 60%, thì đó một dự báo PoP. Chú ý rằng những dự báo ny không chỉ ra một lợng ma. Trái lại, ý nghĩa của một dự báo PoP l ở chỗ một điểm chọn ngẫu nhiên trong vùng dự báo sẽ nhận đợc lợng ma có thể đo đợc với xác suất nh đã chỉ định. Ví dụ, một dự báo PoP 75% có nghĩa l khả năng có ma so với không ma l 3:1, hay một cách tơng đơng, bạn chỉ có cơ may 1 trong 4 (25%) không bị ớt trong suốt thời gian dự báo. Đánh giá dự báo Dù phơng pháp dự báo no đợc sử dụng, hay kiểu dự báo l gì, chúng ta đơng nhiên cần có một cách no đó khẳng định một dự báo có tốt không. Cần thiết những tiêu chí, ví dụ, để so sánh một phơng pháp dự báo với phơng pháp khác, hay để quyết định xem phải cân nhắc ra sao đối với một dự báo khi lên các kế hoạch. Quan trọng nhất, các chỉ số đánh giá rất cần thiết đối với những ngời chịu trách nhiệm phát triển v điều hnh các chơng trình dự báo. Vì ngời ta đang liên tục cố gắng cải tiến các quy trình thu thập dữ liệu v dự báo (với chi phí ngy cng tăng), cho nên cần có các phơng pháp phán xét giá trị của những cải tiến, điều tiết những chi phí tơng lai v xác định lợi ích trong đầu t. Mặc dù với t cách l ngời sử dụng, chúng ta không đợc nghe nghiều về đánh giá dự báo, nhng đó l một bộ phận hng ngy v không thể thiếu của công tác dự báo chuyên nghiệp. Qua nhiều năm, nhiều tiêu chí đánh giá v cách đánh giá dự báo đã đợc đề xuất, mỗi tiêu chí có những u v nhợc điểm riêng. Để phân loại các tiêu chí, chúng ta phải nghĩ ngay đến mục đích của việc đánh giá. Chúng ta muốn thông tin về chất lợng dự báo hay l giá trị dự báo? Chất lợng dự báo căn cứ vo sự trùng khớp giữa dự báo v quan trắc, còn giá trị dự báo căn cứ vo hữu ích của dự báo. Những thứ ny nghe có vẻ giống nhau, nhng hon ton khác nhau. Ví dụ, một dự báo m a có - không chất lợng cao độ chính xác 100 % có thể có giá trị zero đối với công tác kế hoạch tới ruộng, ở đó thông tin về lợng ma l quan trọng. Do không có một quan hệ đơn giản giữa chất lợng v giá trị dự báo, nên phải có các tiêu chí đánh giá riêng cho từng loại. Vấn đề thứ hai l kiểu dự báo: định lợng hay định tính, xác suất hay không chỉ định giới hạn v.v Rõ rng l, tiêu chí đánh giá thích hợp sẽ thay đổi theo kiểu của biến dự báo. Cuối cùng, có vấn đề l chúng ta muốn có một tiêu chí tuyệt đối của dự báo hay chúng ta chủ yếu chỉ quan tâm tới một tiêu chí tơng đối, tiêu chí so sánh? 469 http://www.ebook.edu.vn Giá trị dự báo nhất thiết phải phụ thuộc vo sự ứng dụng của một dự báo cho một bi toán hay một quyết định cụ thể. Phần lớn các tiêu chí về giá trị dựa trên các bảng tính mất/đoợc, nhằm cố gắng nắm bắt những rủi ro v lợi ích gắn liền với các dự báo khác nhau v những ứng phó đối với các dự báo đó. Ví dụ, nếu biết giá của một công việc cụ thể bị thất bại, số tiền thu đợc nếu công việc tốt đẹp v xác suất của một dự báo đúng, bạn có thể gán giá trị bằng tiền cho dự báo. Những tiêu chí liên quan tới xác suất l những khái niệm vợt ra ngoi khuôn khổ một giáo trình nhập môn; cho nên, chúng tôi sẽ không bn thêm về giá trị dự báo, ngoi việc nhấn mạnh rằng một dự báo đơn lẻ có thể có giá trị rất khác nhau, tùy thuộc nó đợc sử dụng nh thế no. Đối với chất loợng của một dự báo, một câu hỏi hiển nhiên đợc đặt ra l độ chính xác của dự báo. Tức l, về trung bình, giá trị dự báo gần với giá trị thực đến mức no? Có nhiều cách để trả lời câu hỏi đơn giản ny, mỗi cách dẫn đến một tiêu chí chính xác khác nhau. ở mức rộng nhất, chúng ta có thể muốn có thông tin về độ chệch của dự báo (bias), nó liên quan tới dự báo thiên cao hoặc thiên thấp một cách có hệ thống. Một phơng pháp dự báo bị chệch l phơng pháp m giá trị dự báo trung bình cao hơn hoặc thấp hơn giá trị trung bình thực. Ngợc lại, một phơng pháp dự báo không bị chệch sẽ không thể hiện xu thế dự báo thiên cao hoặc thiên thấp. Tất nhiên, điều ny cha nói lên đợc phơng pháp l hon hảo, nó chỉ có nghĩa l giá trị thiê n cao trung bình đúng bằng giá trị thiên thấp trung bình, khiến cho sai số trung bình bằng 0. Ví dụ, nếu bạn muốn dự báo số chấm sau khi thả một con súc sắc, bạn có thể dự báo l 3,5 chấm trong mỗi lần thả. Sau nhiều lần thả (một con súc sắc tốt), giá trị trung bình của số chấm sẽ l 3,5, trùng khớp với các dự báo của bạn vì thế các dự báo không bị chệch. Tất nhiên, phơng pháp ny không thể cho dù l chỉ một dự báo đúng. Rõ rng l, mặc dù độ chệch l một tiêu chí hữu ích, chúng ta còn cần các tiêu chí chính xác không cho phép các sai số dơng vô hiệu hóa các sai số âm. Tiêu chí đơn giản nhất l sai số tuyệt đối trung bình (MAE), nó bỏ qua dấu (dơng hoặc âm) của các sai số. Tức l, các dự báo thiên cao v thiên thấp đợc coi ngang hng nhau v đợc xử lí nh nhau v chúng ta chỉ tìm sai số trung bình m không quan tâm tới dấu. Đối với những ngời không chuyên nghiệp sử dụng một dự báo, độ chính xác có lẽ l vấn đề chất lợng quan trọng nhất. Nhng những ngời chuyên nghiệp, những ngời phát triển các phơng pháp dự báo thì thờng quan tâm đến kỹ năng dự báo. Kỹ năng dự báo có thể đợc đo bằng nhiều cách khác nhau, song về đại thể, khái niệm ny đợc định nghĩa l sự tiến bộ của phơng pháp dự báo đó so với các kết quả dự báo bằng phơng pháp khí hậu, quán tính hay các phơng pháp đợc gọi l không có kỹ năng khác. Nếu nh phơng pháp dự báo không tốt hơn việc dựa vo các giá trị khí hậu, kỹ năng dự báo của phơng pháp đó đợc cho l bằng 0 một dự báo khí hậu không cần thiết các kiến thức đặc biệt về hoạt động của khí quyển v do đó không có kỹ năng dự báo. Ví dụ, cha từng có một lợng ma có thể đo đợc no đợc ghi nhận ở Jerusalem vo tháng 7 trong suốt 100 năm qua. Một phơng pháp bất kỳ đa ra dự báo không ma vo tháng 7 chắc chắn l sẽ thuộc loại khá chính xác trong phần lớn các trờng hợp. Giống nh vậy, nếu bạn dự báo 470 http://www.ebook.edu.vn rằng sẽ có một cơn bão nhiệt đới hoạt động ở đâu đó trên Đại Tây Dơng vo ngy 10 tháng 9 tới, bạn sẽ có một xác suất thnh công 90% (sử dụng diễn biến quá khứ lm chỉ dẫn). Nhng những dự báo ny không có kỹ năng, bởi vì chúng không nâng cao đợc xác suất đúng (so với khí hậu trong trờng hợp ny). Chỉ khi nếu các dự báo đúng nhiều hơn 90% số lần dự báo, chúng ta mới có thể nói phơng pháp có một kỹ năng no đó. Trong trờng hợp về nhiệt độ không khí, chúng ta có thể so sánh MAE của phơng pháp dự báo với MAE thu đợc dựa trên giá trị nhiệt độ trung bình nhiều năm. Nếu phơng pháp không khá hơn phơng pháp khí hậu, điểm kỹ năng sẽ bằng không. ý tởng ở đây l một dự báo khí hậu không đòi hỏi hiểu biết đặc biệt gì về diễn biến của khí quyển v do đó không có một kỹ năng gì. Thu thập v truyền phát số liệu Khởi điểm của hầu hết tất cả công việc dự báo thời tiết l thông tin hiện trạng của khí quyển. Để biết tơng lai, chúng ta bắt đầu với thông tin về hiện tại. Nh vậy, quá trình đầu tiên công tác dự báo thời tiết nghiệp vụ l thu thập số liệu cần thiết. Điều ny cần phải có những nỗ lực quốc tế, ngay cả khi chỉ lm dự báo cho những khu vực nhỏ, nh l các nớc riêng biệt; lý do sẽ trở nên rõ dới đây. Tổ chức Khí tợng Thế giới (WMO), dới sự bảo trợ của Liên hiệp Quốc, quản lí công tác thu thập số liệu thời tiết trên ton cầu từ 179 quốc gia thnh viên của nó. WMO thu thập số liệu từ khoảng 10 nghìn trạm quan trắc trên lục địa, 7000 trạm quan trắc trên tu biển, 300 trạm phao neo cố định v phao thả trôi với các đầu đo thời tiết tự động v một số vệ tinh thời tiết. WMO còn thu đợc số liệu cao không từ khoảng 1000 trạm cao không thả bóng thám không thời tiết hai lần một ngy v số liệu liên tục từ các dụng cụ đặt trên các máy bay dân dụng. Số liệu từ tất cả các nớc trên thế giới đợc gửi tới ba Trung tâm Khí tợng Thế giới ở Washington, Mỹ; Moskva, Nga v Melbourne, úc; các trung tâm ny, đến lợt mình, truyền phát dữ liệu cho tất cả các nớc thnh viên của WMO. Các quốc gia thnh viên của WMO đều duy trì các cơ quan khí tợng của riêng họ để thu thập, xử lí dữ liệu v phát báo các dự báo khu vực v quốc gia. ở Mỹ, các Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trờng (NCEP) của Cơ quan Thời tiết Quốc gia (NWS) thực hiện các nhiệm vụ ny, còn ở Canađa - do Trung tâm Khí tợng Canađa của Nha Môi trờng Khí quyển (AES) thực hiện. Không có gì ngạc nhiên, nớc Mỹ có một mạng lới trạm quan trắc khí tợng mặt đất tơng đối dy đặc. Trong khoảng 1000 vị trí các điều kiện thời tiết bề mặt đợc quan trắc thì có khoảng 120 trạm l ở các trụ sở của Cơ quan Thời tiết Quốc gia; số còn lại l ở các sân bay của Cơ quan Điều hnh Hng không Liên bang (FAA). AES của Canađa có khoảng 720 trạm đo mặt đất. Các trạm ny ghi lại nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, tình trạng mây (bao gồm loại mây v độ cao chân mây v tỷ phần diện tích bầu trời bị mây che phủ), hớng v vận tốc gió, tầm nhìn xa, sự xuất hiện các điều kiện thời tiết đặc biệt, nh sơng mù hoặc ma v lợng m a tích lũy đo đợc tại mặt đất. Nh một phần của chơng trình nâng cấp v hiện đại hóa hiện 471 http://www.ebook.edu.vn nay (xem chuyên mục 13-1: Chuyên đề: Hiện đại hóa Cơ quan Thời tiết Quốc gia), FAA v NWS đã lắp đặt hơn 800 đầu thu tự động, đợc gọi l Hệ thống Quan trắc Mặt đất Tự động (viết tắt l ASOS) để đo đạc v ghi lại những yếu tố trên (hình 13.1). AES cũng đang cho hoạt động hơn 100 trạm quan trắc trên khắp nớc Canađa, tơng tự nh hệ ASOS, v đợc gọi l Hệ thống Quan trắc Thời tiết Tự động (AWOS). Hình 13.1. Một trạm ASOS điển hình Ngoi các quan trắc mặt đất đợc thực hiện tại những trạm ny, NWS còn thả những bóng thám không, đợc bơm khí hyđrô, mang theo các bộ máy đo thời tiết, đợc gọi l máy thám sát vô tuyến (radiosonde) (hình 13.2) . Hai lần một ngy vo các hạn 0000 v 12000 giờ UTC * (Thời gian Đồng bộ Toun cầu, Universal * Các thời gian ny tơng ứng với 1900 (7:00 P.M.) v 0700 (7:00 A.M.) của Thời gian Miền đông Tiêu chuẩn của Mỹ. 472 http://www.ebook.edu.vn Coordinated Time), có khoảng 750 bóng thám sát vô tuyến đợc thả lên khí quyển trên khắp thế giới, khoảng 80 ở trong phạm vi nớc Mỹ v Canađa. Các máy thám sát vô tuyến liên tục quan trắc v truyền tới các trạm ghi ở mặt đất áp suất, nhiệt độ không khí v nhiệt độ bầu ớt (từ đó xác định đợc nhiệt độ điểm sơng). Một số máy thám sát vô tuyến đợc kiểm soát đờng đi bằng rađa khi chúng bay lên trong khí quyển, cho phép xác định tốc độ v hớng gió của khí quyển tầng trung v tầng cao. Các máy thám sát vô tuyến đợc kiểm soát quỹ đạo bằng ra đa đợc gọi l rađa thám sát gió (rawinsonde). 13-1 Chuyên đề: Hiện đại hóa Cơ quan Thời tiết Quốc gia Trong mấy thập niên gần đây, tất cả các mặt của công tác dự báo thời tiết đã đợc cải thiện đáng kể. Những thnh tựu của việc phân tích thời tiết l nhờ một phần ở mạng lới dữ liệu bề mặt đợc cải thiện v một phần nhờ nhận thức tốt hơn về các nguyên lý khí tợng học. Song những cải thiện ấn tợng nhất diễn ra trên phơng diện công nghệ. Những máy tính của những năm 1950 v 1960 có công suất không thể so sánh với các phiên bản ngy nay chỉ để chạy các mô hình thô sơ. Thậm chí kịch tính hơn, trớc khi phóng vệ tinh thời tiết TIROS I tháng 4 năm 1960 không có một quan trắc no đợc thực hiện từ vũ trụ v do đó có các khoảng trống về độ phủ không gian cả trên lục địa lẫn đại dơng. Đến những năm 1970, sử dụng các máy tính tốc độ cao v các vệ tinh phức tạp đã trở thnh chuyện bình thờng trong dự báo nghiệp vụ. Các vệ tinh địa tĩnh (vệ tinh quay quanh xích đạo một vòng trong một ngy v do đó giữ nguyên vị trí cố định bên trên mặt đất) v những phiên bản quỹ đạo cực của chúng (vệ tinh quay từ cực đến cực trong khi hnh tinh ở phía dới xoay) không chỉ cung cấp ảnh nhìn thấy v ảnh hồng ngoại về mây, m còn xác định các đặc trng nhiệt độ v độ ẩm tại các độ cao của khí quyển. Sự kết hợp giữa quỹ dữ liệu tăng lên v năng lực xử lý dữ liệu hon thiện hơn bao giờ hết đã giúp các nh dự báo có thể tin tởng dựa vo đầu ra của mô hình l m chỉ dẫn cho các dự báo của họ. Nhng đến những năm 1980, ngời ta đã quyết định rằng một cuộc cải tổ to lớn đối với Cơ quan Thời tiết Quốc gia l cần thiết để đảm bảo trình độ dự báo cao nhất có thể v cảnh báo thời tiết cực đoan nói riêng. Do đó m bắt đầu chơng trình hiện đại hóa NWS. Một trong các bớc đầu tiên của quá trình hiện đại hóa l cải tiến phần cứng máy tính v hon thiện các mô hình số. Đã có những bớc tiến bộ nhảy vọt về phần cứng máy tính trong những năm gần đây v thậm chí hứa hẹn cải thiện tiếp tục. Vo tháng 5/2002 NWS đã thỏa thuận phát triển một siêu máy tính mới có thể xử lý 100 tỷ tỷ phép tính trong một giây vo năm 2009. GOES-1 v GOES-2, các vệ tinh đầu tiên trong loạt vệ tinh địa tĩnh hiện tại đã đợc thay thế bằng GOES-10 v GOES-12 đang vận hnh, chúng đảm bảo khả năng quét phủ tuyệt vời bên trên các bộ phận phía tây v phía đông của Bắc Mỹ. Thế hệ mới nhất của vệ tinh GOES 473 http://www.ebook.edu.vn đảm bảo độ phân giải siêu cao v thu nhận thông tin về nhiệt độ, độ ẩm tốt hơn đối với các mực khí quyển khác nhau. Các nh dự báo hiện nay còn đợc hởng lợi từ một hệ thống rađa hiện đại hóa. Thế hệ NEXRAD của các hệ thống rađa Doppler (đã giới thiệu ở chơng 11) đã đợc lắp đặt tại 163 địa phơng trong nớc Mỹ. Ngoi những trạm đã đợc lắp đặt vừa nêu, NOAA hiện nay đang thí nghiệm với một loại hệ thống rađa khác. Các rađa quét gió lát cắt (wind profiler) ny thu nhận số liệu gió phơng ngang cho tới 72 mực khác nhau trong khoảng từ 0,5 tới 10 km bên trên mặt đất. Chúng vận hnh cùng một lúc phát xạ ba chùm tia rađa. Một chùm đi thẳng từ bề mặt lên trên. Hai chùm khác nghiêng 16 độ so với đờng thẳng đứng, một chùm định hớng về phía bắc, chùm kia định hớng về phía đông. Những thay đổi về bớc sóng của các chùm tia ra đa phản xạ ngợc trở lại xuất hiện thích ứng với sự di chuyển của những tác nhân phản xạ khác nhau (nh bụi, côn trùng, các phân tử không khí) v chỉ thị về tốc độ v hớng gió. NOAA hiện đang vận hnh 29 trạm rađa quét lát cắt ở khắp miền trung Hoa Kỳ. Nếu hệ thống chứng tỏ có giá trị đối với các nh dự báo, mạng lới ny sẽ mở rộng tới khoảng 120 rađa quét lát cắt. Hiện đại hóa không chỉ bao gồm áp dụng công nghệ mới, m còn hiện đại hóa mọi hoạt động. Trớc đây có 52 phòng dự báo dịch vụ thời tiết v 204 phòng dịch vụ thời tiết nhỏ hơn. Hiện nay, hng ngy công việc đợc tiến h nh tại 119 phòng dự báo thời tiết, đảm bảo an ton đá ng kể cho công chúng. Hình 13.2. Một bóng thám sát vô tuyến đ~ợc thả bên ngoi Phòng dịch vụ Thời tiết ở Topeka, Kansas Phần lớn các bóng thám sát vô tuyến bay lên tới bình lu quyển ở khoảng mực 4 mb, hay khoảng 30 km, ở đó quả bóng bị nổ v bộ ruột máy đợc dù mang trở lại mặt đất. Thông thờng một lần bay lên đầy đủ của bóng thám sát vô tuyến mất khoảng 1 giờ 50 phút, với thời gian đó bộ thiết bị đo có thể bị mang đi xuôi theo gió nhiều kilômét khỏi vị trí thả bóng. Điều thú vị l, tìm thấy các hộp máy thám sát vô tuyến thờng l những ngời không phải l nh khí tợng học, họ chỉ ngẫu nhiên tìm thấy m thôi. Nhiều ngời tìm thấy hộp máy đã tuân theo chỉ dẫn ở trong đó yêu cầu họ bỏ vo thùng bu cục để gửi tới phòng dịch vụ thời tiết, v các cảm biến thám sát vô tuyến đợc trả lại sau đó đợc sửa chữa để sử dụng lại. Tuy 474 [...]... về khả năng của giáng thủy mạnh hoặc thời tiết cực đoan Những thông tin trong ch ơng n y chủ yếu dựa trên những nguyên lý đã thảo luận trong 12 ch ơng tr ớc v đã áp dụng những nguyên lý đó v o một hoạt động rất quan trọng đối với xã hội, đó l dự báo Ch ơng tiếp theo xem xét một khía cạnh con ng ời khác của khí t ợng học - đó l những tác động của con ng ời tới thời tiết Câu hỏi ôn tập 1 Hãy mô tả ngắn... thiên của hoạt động thời tiết Hình 13. 18 ảnh nhìn thấy (a), hồng ngoại (b) v ảnh hơi n ớc (c) thu đ ợc từ vệ tinh GOES 8 http://www.ebook.edu.vn 4 95 Mỗi trạm rađa phủ khoảng cách tới khoảng 400 km ( 250 dặm) Các Cơ quan Thời tiết tập hợp kết quả từ tất cả các trạm rađa trong mạng l ới to n quốc v chuyển thông tin th nh các bản đồ của 48 bang chung biên giới của Mỹ v Canađa (hình 13. 19) Hình 13. 19 Một... Một bản đồ 700 mb Bản đồ 50 0 mb Các bản đồ 50 0 mb (hình 13. 14) th ờng dùng để thể hiện các điều kiện trong khí quyển tầng trung Độ cao trung bình to n cầu của mực 50 0 mb bằng khoảng 5, 6 km bên trên mực n ớc biển v nhiệt độ trung bình v o khoảng -2 0oC (-4 oF) Vì áp suất trung bình tại mực n ớc biển gần bằng 1000 mb, khoảng một nửa khối l ợng khí quyển tồn tại ở phía d ới mực 50 0 mb, còn một nửa ở trên... 13. 15, với một áp cao omega phủ lên phần trung tâm của Bắc Mỹ v các rãnh trên các khu vực phía tây v phía đông Các đ ờng đồng mức độ cao của các bản đồ 50 0 mb vẽ cách nhau những khoảng 60 m thay vì 30 m nh ở các bản đồ 850 v 700 mb Bản đồ 300 v 200 mb Nằm ở gần đỉnh đối l u quyển, các mực 300 mb (xấp xỉ 9 km bên trên mực n ớc biển v có nhiệt độ trung bình khoảng -4 5oC, hay -5 0oF) v 200 mb (12 km; -5 5oC,... http://www.ebook.edu.vn 489 Hình 13. 11 Bản đồ 850 mb Các đ ờng liền nét biểu diễn độ cao của mực 850 mb bằng Dm Các đ ờng gạch nối thể hiện nhiệt độ tại mực đó Hình 13. 12 Bình l u không khí nóng v lạnh tại mực 850 mb Bên ngo i các vùng núi, không khí tại mực 850 mb thổi song song với với các đ ờng đồng mức độ cao Nếu những đ ờng n y cắt các đ ờng đẳng nhiệt độ (các đ ờng gạch nối), bình l u không khí nóng xuất hiện... nối), bình l u không khí nóng xuất hiện ở nơi n o không khí thổi về phía vùng lạnh hơn v bình l u không khí lạnh diễn ra ở nơi không khí thổi về phía các vùng nóng hơn Bình l u không khí nóng mực 850 mb thuận lợi cho sự phát triển mây Bản đồ 700 mb Các bản đồ của mực 700 mb (hình 13. 13) có nhiều ứng dụng giống nh các bản đồ 850 mb Giống nh các bản đồ 850 mb, các bản đồ quan trắc thể hiện những đ ờng đồng... chi tiết về nhiệt độ, điểm s ơng, áp suất, gió v những điều kiện khác tại rất nhiều trạm Mặc dù quan trọng, các bản đồ thời tiết bề mặt chỉ cung cấp một phần thông tin, ng ời ta còn phải căn cứ v o các bản đồ hiện trạng khí quyển tại các mực cao hơn ở Mỹ các bản đồ h ng ng y đ ợc xây dựng cho các mực áp suất tiêu chuẩn: 850 , 700, 50 0, 300 v 200 mb Ví dụ, tại mực 850 mb, việc phân tích dòng không khí. .. trên các vùng không phải l núi Tại mực 850 mb, không khí ở đủ xa cách bề mặt để nó không bị ảnh h ởng của các chu trình nóng lên v lạnh đi trong ng y Do đó, trong thời gian mùa hè, nhiệt độ không khí bề mặt cực đại th ờng khoảng 15oC lớn hơn so với nhiệt độ mực 850 mb, bất chấp thời gian của ng y Trong thời gian mùa đông, chênh lệch sẽ bằng khoảng 9oC; trong thời gian mùa thu v mùa xuân, chênh lệch... mặt đất, song việc dự báo thời tiết còn đòi hỏi phân tích những điều kiện trong khí quyển tầng trung v tầng cao Không chỉ các đám mây tồn tại ở trên cao bên trên bề mặt, m khí quyển tầng trung v tầng cao cũng kết nối mật thiết với không khí gần bề mặt Kết quả l , phân tích thời tiết đúng đắn đòi hỏi sử dụng một loạt các bản đồ khác, mỗi bản đồ thể hiện những lớp khác nhau của khí quyển Bản đồ bề mặt... hoạt động cục bộ từ một ảnh rađa, nh khí t ợng học phải tin chắc không bị mắc lỗi khi sử dụng ảnh Ví dụ, độ cong của Trái Đất l m cho một chùm bức xạ phát ra theo ph ơng ngang phải chấp nhận những độ cao lớn hơn bên trên bề mặt khi nó di chuyển ra xa khỏi máy phát Ngo i ra, các sóng rađa bị khúc xạ (bị cong) một phần n o khi chúng đi qua khí quyển Mức độ khúc xạ tùy thuộc v o độ ổn định Do đó, nh khí . http://www.ebook.edu.vn Phần 5 - Hoạt động của con ng{ời Chơng 13 Dự báo v phân tích thời tiết Các nhân viên dự báo của Cơ quan Thời tiết Quốc gia (NWS) đã bỏ ra một phần lớn thời gian lm việc mỗi. đại hóa mọi hoạt động. Trớc đây có 52 phòng dự báo dịch vụ thời tiết v 204 phòng dịch vụ thời tiết nhỏ hơn. Hiện nay, hng ngy công việc đợc tiến h nh tại 119 phòng dự báo thời tiết, đảm bảo. các dự báo khí hậu. Rõ rng, độ tin cậy của một dự báo khí hậu phụ thuộc vo độ biến thiên năm tới năm của các điều kiện thời tiết đối với ngy dự báo. Do đó, một sự báo dựa trên khí hậu có thể