Mưa - yếu tố khó dự báo
Mưa là yếu tố rất quan trọng, có ảnh hưởng lớn tới sự phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam. Lượng mưa quá lớn sẽ dẫn đến lũ lụt, có thể gây ra thiệt hại nghiêm trọng về con người và vật chất; ngược lại, lượng mưa quá ít có thể gây ra hạn hán, thiếu nước sinh hoạt và phá hủy mùa màng. Do đó, nghiên cứu và dự báo mưa luôn là vấn đề được quan tâm hàng đầu của các nhà khí tượng trên thế giới.
Mặc dù ngành khí tượng đã có sự phát triển vượt bậc trong những thập kỷ qua, nhưng mưa vẫn là yếu tố khó dự báo nhất. Trong giai đoạn đầu, dự báo thời tiết nói chung và mưa nói riêng chủ yếu dựa vào kinh nghiệm chủ quan của dự báo viên nên độ chính xác không cao. Từ những năm 50 của thế kỷ trước, nhờ sự phát triển của hệ thống siêu máy tính, các mô hình thời tiết được đưa vào sử dụng. Các mô hình này dựa trên các phương trình toán học mô tả định luật khí quyển, giúp tính toán đưa ra các dự báo trạng thái khí quyển trong tương lai. Do tính khoa học và khách quan, các mô hình số đã giúp cải thiện đáng kể độ chính xác của bản tin dự báo. Ở thời điểm hiện tại, với những mô hình thời tiết được chạy trên những siêu máy tính lớn, độ chính xác của các bản tin dự báo là tương đối cao với hầu hết các biến khí quyển, tuy nhiên khả năng dự báo mưa của mô hình vẫn còn rất hạn chế.
Có nhiều yếu tố tác động tới khả năng dự báo thời tiết nói chung, bao gồm sai số trong trường số liệu đầu vào (các số liệu được đo tại các trạm bề mặt, radar, vệ tinh…), bản chất hỗn loạn của khí quyển, các phép tính toán gần đúng trong mô hình và đặc biệt là thiếu các phương trình vật lý mô tả chính xác các quá trình vật lý trong khí quyển. Chỉ nói riêng về bản chất hỗn loạn của khí quyển, Lorenz (1963) cho thấy, sau một thời gian dự báo ngắn, các mô hình số sẽ khuếch đại rất nhanh các sai số trong trường đầu vào (dù chúng rất nhỏ) và các sai số này sẽ dần lấn át các thông tin dự báo có ý nghĩa. Sự phụ thuộc của kết quả dự báo vào điều kiện đầu vào này được biết đến là hiệu ứng cánh bướm nổi tiếng với hình ảnh ẩn dụ: một tác động nhỏ như sự vỗ cánh của một con bướm có thể gây lên một cơn bão nào đó ở rất xa. Do đó, mặc dù có các hệ thống siêu máy tính rất mạnh hỗ trợ, khả năng dự báo của mô hình giảm rất nhanh sau 3 ngày dự báo và gần như không còn ý nghĩa sau 7 ngày dự báo.
Nghiên cứu đầu tiên về biến động của mưa trong chu kỳ 10-90 ngày ở Việt Nam
Do tầm quan trọng của các thông tin dự báo hạn vừa (từ 2 tuần tới 3 tháng) và hạn dài (từ 3 tháng trở lên) trong việc lên kế hoạch cho các hoạt động sản xuất và phòng tránh thiên tai, có rất nhiều nghiên cứu đã được tiến hành nhằm cải thiện chất lượng dự báo với các hạn dự báo xa hơn. Các dự báo tất định (chỉ đưa ra một dự báo duy nhất và không đưa ra được tính không chắc chắn của dự báo) được thay thế dần bằng dự báo bất định (dự báo dựa trên nhiều trường ban đầu khác nhau) để đưa ra nhiều dự báo khác nhau. Các dự báo này sẽ đưa ra được xác suất xuất hiện của biến khí tượng cũng như độ không chắc chắn của bản tin dự báo. Cùng với đó, các phương pháp đồng hóa số liệu cũng được phát triển để hạn chế thấp nhất những sai số của trường số liệu đầu vào. Nhờ những nghiên cứu này, khả năng dự báo của mô hình đã tăng lên đáng kể.
Công trình nghiên cứu của TS Bùi Minh Tuân tiếp cận vấn đề ở khía cạnh khác với hai phương pháp trên, đó là tìm hiểu các quá trình vật lý trong khí quyển để cải thiện khả năng dự báo. Các quá trình vật lý trong khí quyển rất đa dạng, trải dài trên nhiều quy mô thời gian khác nhau, từ các xoáy rối nhỏ có chu kỳ sống vài giây tới các dao động dài hàng thập kỷ, thậm chí thiên niên kỷ. Nghiên cứu của tác giả chỉ tập trung vào các quá trình sóng trong khí quyển với chu kỳ 10-90 ngày, hướng tới mục đích cuối cùng là cải thiện khả năng dự báo mưa tại Việt Nam ở quy mô thời gian tương đương (từ 2 tuần tới 3 tháng).
Khác với dự báo hạn ngắn (từ 1 đến 7 ngày) và dự báo hạn dài (3 tháng trở lên), hạn dự báo 10-90 ngày được xếp vào dự báo hạn vừa và là hạn dự báo thách thức nhất. Trong khi dự báo hạn ngắn có thể bỏ qua tương tác khí quyển - đại dương, còn trong dự báo hạn dài, sự chính xác của trường số liệu đầu vào không quá quan trọng thì dự báo hạn vừa lại liên quan đến cả 2 vấn đề này. Hơn nữa, cơ chế vật lý các quá trình đối lưu ẩm trong quy mô thời gian này vẫn chưa được hiểu rõ. Công trình nghiên cứu của TS Bùi Minh Tuân hướng đến trả lời một số câu hỏi sau: 1) Mưa ở Việt Nam có sự biến động theo chu kỳ, đặc biệt là chu kỳ 10-90 ngày hay không? Sự biến động này có khác nhau giữa các khu vực khí hậu không? 2) Nếu mưa ở Việt Nam có sự biến động mạnh theo chu kỳ 10-90 ngày, các quá trình quy mô lớn nào dẫn đến sự biến động của các chu kỳ này? Từ đó giải thích cơ chế vật lý liên quan đến các biến động khác nhau của mưa tại các khu vực khác nhau ở Việt Nam; 3) Có tồn tại mối liên hệ của mưa lớn diện rộng ở Việt Nam với các dao động chu kỳ 10-90 ngày? Cơ chế của mối liên hệ này là gì?
Để trả lời những câu hỏi trên, nghiên cứu của TS Tuân sử dụng kết hợp nhiều phương pháp như: phương pháp phân tích trực giao, phương pháp lọc sóng trong khí quyển, phương pháp thống kê kết hợp động lực, phương pháp phân tích phổ, áp lên bộ số liệu mưa và số liệu khí quyển trong giai đoạn dài 1980-2010. Với khối lượng tính toán lớn, các kết quả tính toán mang đặc điểm khí hậu và đặc trưng cho một số lượng lớn các sự kiện thời tiết xảy ra ở Việt Nam.
Kết quả chính của nghiên cứu được TS Bùi Minh Tuân khái quát ở 2 điểm:
Thứ nhất, dựa trên phương pháp hàm trực giao tự nhiên và phương pháp lọc dải Lanczos, nghiên cứu chỉ ra rằng, mưa ở Việt Nam có sự biến động rất rõ trong chu kỳ 10-90 ngày. Các đặc trưng của dao động chu kỳ 10-90 ngày của mưa ở các khu vực khác nhau của Việt Nam là rất khác nhau. Đặc biệt, nghiên cứu nhấn mạnh địa hình có vai trò quan trọng, dẫn tới sự khác biệt của biến động mưa giữa các khu vực.
Thứ hai, dựa trên phương pháp phân tích tổng hợp (composite), nghiên cứu đã chỉ ra 4 hình thế quy mô lớn liên quan đến sự biến động của mưa chu kỳ 10-90 ngày ở Việt Nam. Dựa trên những hình thế này, các cơ chế vật lý giải thích cho sự biến động mưa ở Việt Nam cũng được chỉ ra. Việc đưa ra được cơ chế vật lý là rất quan trọng để xây dựng các phương pháp dự báo mưa trong tương lai của Việt Nam. Hệ thống lý thuyết này có thể coi là cơ sở để các nhà nghiên cứu và các dự báo viên xem xét các nhân tố tác động tới sự biến động mưa ở Việt Nam trong các chương trình dự báo mưa của mình.
Theo đánh giá của các chuyên gia thì công trình nghiên cứu của TS Bùi Minh Tuân là nghiên cứu đầu tiên về vấn đề biến động của mưa trong chu kỳ dao động 10-90 ngày ở Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu (mưa) và hạn nghiên cứu đều là những vấn đề rất thách thức của ngành khí tượng ở thời điểm hiện tại, do đó, đòi hỏi rất nhiều thời gian nghiên cứu và kỹ năng phân tích. Các phương pháp được áp dụng trong nghiên cứu là những phương pháp hiện đại, có sự kết hợp của cả thống kê và động lực. Với khối lượng tính toán lớn, kết quả nghiên cứu là khách quan, vừa có thể là tài liệu tham khảo, vừa là cơ sở để phát triển các phương pháp dự báo sau này.
Trao đổi về những khó khăn gặp phải trong quá trình nghiên cứu, TS Tuân cho biết, đó là việc lập trình để phân tích một khối lượng dữ liệu lớn (các phương pháp phân tích được sử dụng đều là các phương pháp mới, dựa trên các thuật toán phức tạp, do đó đòi hỏi thời gian lập trình và tính toán rất lớn). Mặt khác, khí hậu Việt Nam chịu tác động bởi nhiều hệ thống hoàn lưu lớn và có sự phân hóa mạnh giữa các vùng miền, nên việc chọn lựa các khía cạnh quan trọng để phân tích cũng đòi hỏi mất rất nhiều thời gian. Tác giả của công trình đăng trên tạp chí về khí hậu hàng đầu thế giới đã mất 3 năm (lập trình để phân tích dữ liệu lớn, phân tích kết quả, hoàn thiện nội dung, tiếp thu ý kiến của các chuyên gia…) để cho ra đời sản phẩm được đánh giá là nghiên cứu đầu tiên về vấn đề biến động của mưa trong chu kỳ 10-90 ngày ở Việt Nam.
Vũ Hưng