Chẩn Đoán Và Dự Báo Thống Kê Các Quá Trình Hải Dương Học

Cuốn sách Chẩn đoán và dự báo thống kê các quá trình hải dương học tổng kết những kinh nghiệm ứng dụng các phương pháp thống kê nhiều biến vào nghiên cứu trường các yếu tố hải dương học diễn ra trong đại dương. Các tác giả giới thiệu tóm tắt về bản chất và ý nghĩa của các phương pháp phân tích thống kê hiện đại, quy trình tính toán thực tế khi áp dụng chúng vào các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể, không đi sâu vào khía cạnh toán học của vấn đề. Do đó cuốn sách sẽ là một tài liệu chỉ dẫn phù hợp cho những người không chuyên toán muốn ứng dụng công cụ thống kê toán học vào công việc nghiên cứu của mình. Đặc biệt, khi diễn đạt những bài toán nghiên cứu và dự báo thống kê các quá trình hải dương, các tác giả luôn chú trọng phương diện phương pháp luận nghiên cứu, cách đặt vấn đề, cách lý giải nội hàm của những kết quả nhận được, nhờ đó giúp chúng ta biết cách ứng dụng công cụ thống kê một cách khéo léo và hiệu quả.

Các phương pháp thống kê nhiều biến cho phép người nghiên cứu phân tích toàn diện, đồng thời nhiều quá trình, nhiều đặc trưng hải dương học, từ đó nhận được quan niệm đầy đủ về những gì đang và sẽ diễn ra trong biển và đại dương, hình thành những mô hình về cấu trúc và biến động của quá trình, hiện tượng mà ta quan tâm. Hiện nay ở Việt Nam nguồn dữ liệu về các yếu tố thủy văn, thủy hoá, khí tượng, sinh học biển ngày càng được thu thập thêm, dần dần trở nên đồng bộ, phong phú. Với phương tiện tính toán ngày càng hiện đại, chắc chắn hướng nghiên cứu phân tích thống kê tự động sẽ phát triển và cuốn sách này sẽ hữu ích cho nhiều người nghiên cứu.

Tính đa chiều và ngẫu nhiên trong biến động của các quá trình đại dương không cho phép người ta ngay tức khắc theo dõi, mô tả định lượng và lý giải cơ chế vật lý của chúng một cách đơn trị. Các phương pháp phân tích thống kê sẽ là một công cụ phát hiện và mô tả những mối quan hệ tương hỗ phức tạp đó để giải quyết các bài toán chẩn đoán và dự báo những quá trình đại dương. Độ chính xác và tin cậy của những kết luận nhận được phụ thuộc rất nhiều vào số lượng và sự đa dạng của thông tin ban đầu được đưa vào xử lý.

Thực tế ta thấy toàn bộ cơ sở thông tin được tích luỹ trên ba mặt phẳng: không gian ( thời gian , không gian ( dấu hiệu , dấu hiệu ( thời gian ; tập hợp những thông tin này làm thành một khối lập phương dữ liệu với các trục: không gian (), thời gian (), các biến số () (hình 0.1). Vậy các dữ liệu được sắp xếp trong khối lập phương đó như thế nào? Một quan trắc riêng lẻ về một biến số nào đó, tại một điểm không gian, vào một thời điểm cho trước, sẽ là một ô duy nhất trong khối lập phương dữ liệu. Một chuỗi gồm quan trắc sẽ là một vectơ nằm dọc theo trục tương ứng của khối lập phương.

Thí dụ, bản ghi nhiệt độ nước ở một điểm tại những thời điểm sẽ cho ta một vectơ quan trắc , trong khối lập phương dữ liệu nó sẽ song song với trục thời gian. Một quan trắc phân bố thẳng đứng của nhiệt độ nước sẽ là một vectơ dữ liệu song song với trục không gian: . Nếu ta quan trắc liên tiếp theo thời gian về phân bố thẳng đứng của nhiệt độ nước tại một điểm, ta sẽ nhận được một mặt phẳng dữ liệu nằm trong khối lập phương song song với mặt phẳng các dấu hiệu: .

Còn nếu như đồng thời với nhiệt độ, ta quan trắc nhiều lần các tham số trạng thái đại dương khác (độ muối, vận tốc dòng chảy, các yếu tố hoá học), thì kết quả là ta nhận được khối lập phương dữ liệu phủ đầy tất cả các trục tọa độ đã chọn: .

Trong các phương pháp phân tích dữ liệu đơn chiều, người ta xét chuỗi quan trắc trong thời gian hoặc trong không gian và nghiên cứu được tính chất của sự biến động (tuần hoàn, ngẫu nhiên...), sự đồng nhất của các dao động, sự liên hệ của vectơ quan trắc [104, 123, 201]. Khi đó thực tế ta không xét tới mặt phẳng quan trắc về những tham số khác nhau. Và mặc dù có những hiệu quả nhất định, các phương pháp thống kê đơn chiều không cho phép phân tích một cách đầy đủ cần thiết về quá trình phức tạp đa tham số.

• Hình 0.1. Khối lập phương dữ liệu hải dương học:

• Các mặt phẳng và vectơ quan trắc hợp phần

• Các phương pháp phân tích cặp các chuỗi (phân tích tương quan, hồi quy, phổ) nhằm mục đích mô tả thống kê về mối liên hệ tương hỗ của hai vectơ quan trắc trong thời gian hay trong không gian: , ; , . Ở đây người ta vừa phân tích từng vectơ riêng biệt, vừa phân tích mức độ quan hệ cặp đồng bộ hay bất đồng bộ giữa chúng. Vậy là người ta đã nghiên cứu cấu trúc thống kê của quá trình một cách đầy đủ hơn so với phân tích đơn chiều.

• Nhưng chỉ trong các phương pháp phân tích thống kê đa chiều thì mới thực sự có khả năng khảo sát đồng thời một tập hợp các vectơ quan trắc. Các phương pháp phân tích thống kê đa chiều hướng tới giải quyết các bài toán phân tích thống kê đối với những ma trận gồm quan trắc (các đối tượng) về biến số (các dấu hiệu). Ở đây, những ma trận có thể là những bảng số nhận được bằng cách cắt khối lập phương dữ liệu dọc theo một mặt bất kỳ nào đó. Đây có thể là những ma trận quan trắc trong các mặt phẳng: các biến số ( thời gian , các biến số ( không gian hoặc thời gian ( không gian . Ta có thể đưa trục các dấu hiệu vào phân tích thì cũng hoàn toàn như vậy, đó là ưu điểm rõ rệt của phân tích thống kê đa chiều, nó cho phép khảo sát khối lập phương dữ liệu một cách toàn thể. Những tập phân bố đồng thời của các đặc trưng quan trắc được phân tích bằng các phương pháp phân tích các vectơ và các ma trận, với chúng, bằng phép phân tích thống kê đa chiều sẽ đưa ra sự mô tả định lượng về những mối liên hệ tương hỗ ẩn bên trong các tham số ban đầu và phát hiện ra nội hàm của các mô hình chẩn đoán và dự báo các quá trình hải dương đa chiều được nghiên cứu.

• Khái niệm chẩn đoán

  • Theo từ điển các từ nước ngoài, thì chẩn đoán là quá trình xác định thực chất của bệnh và trạng thái của bệnh nhân trên cơ sở khám xét toàn diện về anh ta. Áp dụng vào hải dương học thực hành, bản chất của thuật ngữ này không có gì đổi khác nhiều lắm. Ta có thể định nghĩa như sau: Chẩn đoán là tuần tự những thủ tục tổng kết, hệ thống hoá và lý giải về sự biến động quan sát thấy của các đặc trưng hải dương nhằm hình thành một mô hình tin cậy về các quá trình đang diễn ra.

  • Chẩn đoán đòi hỏi hai giai đoạn cơ bản: phân tích và tổng hợp. Phân tích, tức tách bạch đối tượng nghiên cứu thành những hợp phần, là giai đoạn nghiên cứu đầu tiên. Giai đoạn này có thể bao gồm nhiều phương pháp biến đổi dữ liệu quan trắc và các tính toán để mô tả các hợp phần và những hiện tượng riêng lẻ của các quá trình. Nội dung chính của một phương pháp phân tích bất kỳ ( phương pháp vật lý, thực nghiệm, thống kê hay số trị ( là làm sao phát hiện và mô tả những yếu tố hợp thành các quá trình đang diễn ra.

  • Tổng hợp là giai đoạn kết thúc của chẩn đoán và hướng tới liên kết những bộ phận cấu thành đơn lẻ, hay những tính chất đơn giản nhất đã phát hiện được, thành một chỉnh thể nào đó. Nguyên tắc cơ bản của sự liên kết này là hình thành một cách lôgic bức tranh hoàn chỉnh về các sự kiện đang diễn ra trên cơ sở những quy luật và những mối liên hệ của các yếu tố đã phát hiện được ở giai đoạn phân tích. Thực chất thì tổng hợp bao gồm nhiều phương pháp trong số các phương pháp phân tích, nhưng chúng được áp dụng với chức năng nội dung và mục tiêu khác ( để liên kết và hệ thống hoá những hợp phần đã biết. Ngoài ra, tổng hợp gồm cả sự lý giải về hệ thống các quy luật đã thấy được. Lý giải được hiểu là sự giải thích vật lý về những quy luật đã phát hiện, nêu ra cơ chế vật lý chung trong sự xuất hiện và phát triển của các hiện tượng đang diễn ra trong đại dương.

  • Tác giả công trình này gộp vào khái niệm chẩn đoán toàn bộ những thủ tục biến đổi thông tin hải dương học đa dạng trong quá trình nghiên cứu sự vận hành của hệ thống "đại dương" trong quá khứ hay hiện tại. Vì vậy, có hai loại thủ tục chẩn đoán sau đây với tư cách là những bộ phận cấu thành của chẩn đoán: chẩn đoán vật lý và chẩn đoán thống kê. Những khái niệm này khác nhau về dấu hiệu kỹ thuật hay dấu hiệu tính toán.

  • Chẩn đoán vật lý bao gồm các thủ tục và phương pháp xác định trạng thái đại dương, được xây dựng trên cơ sở mô tả những hiện tượng và quá trình hải dương bằng cách tính toán và phân tích những đặc trưng thủy vật lý. Theo nội dung, chẩn đoán vật lý có tính truyền thống. Trước hết, nó gồm những phương pháp hải dương học tính toán những đặc trưng trạng thái đại dương không trực tiếp quan trắc, những đặc trưng thứ sinh. Đó là những tham số đặc trưng cho các trường vật lý, động lực, năng lượng, ta có thể kể ra rất nhiều. May thay, tất cả những tham số đó liên hệ với những đặc trưng nguyên sinh thông qua những quy luật vật lý đã biết và tạo thành một tập hợp các biến đặc trưng một cách đơn trị cho những dạng quá trình hải dương cụ thể.

  • Ý nghĩa của chẩn đoán vật lý còn ở chỗ nó khái quát những biến đổi đang diễn ra trong đại dương thông qua một hệ thống những thuật ngữ và phạm trù đã biết và chấp nhận trong hải dương học. Đó là những yếu tố cân bằng nhiệt (entalpy, các dòng nhiệt), những yếu tố cấu trúc ngang và thẳng đứng của nước (các khối nước, front và đới chuyển tiếp, các xoáy nước và các hệ thống hoàn lưu) v.v... Đối với những loại thuật ngữ cụ thể đã có những hệ phương pháp phân tích chuyên biệt.

  • Thông thường, hệ phương pháp phân tích vật lý là một tổ hợp gồm những phương pháp kinh nghiệm phân tích định lượng kết hợp với những phương pháp thực tiễn xử lý và mô tả định tính. Có sự liên kết đó là nhờ kinh nghiệm nhiều năm nghiên cứu thực tế, thường thì không phải là kết quả của những nghiên cứu một cách hệ thống và có định hướng, mà là do người ta khái quát những điều đáng quan tâm từ hoạt động thực tiễn.

  • Thí dụ, phương pháp luận phân tích đối với các khối nước [23,125] là một thành tựu cơ bản của khoa học, cho phép hiểu và mô tả những quá trình quan trọng nhất hình thành cấu trúc khối nước. Trong khi đó hệ phương pháp mô tả điều kiện băng và trạng thái mặt biển theo thang điểm là đúc rút từ những nhu cầu thực tiễn hàng hải.

  • Phần lớn những phương pháp phân tích vật lý các quá trình hải dương kết hợp những cơ sở của phép phân tích định lượng các quan trắc với những giải pháp lý luận tập hợp, chuẩn bị và xử lý thông tin hải dương học. Những quy tắc lý thuyết đồng thời là cơ sở để lý giải tiếp theo về những ước lượng định lượng về phương diện hải dương học.

  • Về toàn cục thì thực tiễn phân tích vật lý đối với những quá trình hải dương là một phương pháp luận đã hình thành, hoàn chỉnh và rất hiệu quả trong xử lý thông tin hải dương học.