Tài liệu Nghiên cứu dự báo lũ phục vụ vận hành hồ chứa và mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu sông dinh tỉnh quảng bình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI LÊ XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỒ CHỨA VÀ MÔ PHỎNG NGẬP LỤT VÙNG HẠ LƯU SÔNG DINH TỈNH QUẢNG BÌNH LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI LÊ XUÂN KHÁNH NGHIÊN CỨU DỰ BÁO LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỒ CHỨA VÀ MÔ PHỎNG NGẬP LỤT VÙNG HẠ DU SÔNG DINH TỈNH QUẢNG BÌNH Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 181800148 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. Nguyễn Tiến Thành 2. PGS.TS. Trần Kim Châu Hà Nội, NĂM 2019 LÊ XUÂN KHÁNH LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Xuân Khánh i LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành tại Bộ môn Mô hình toán và Dự báo khí tựợng thủy văn dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Trần Kim Châu và TS. Nguyễn Tiến Thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới hai Thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn từng bước trong nghiên cứu và hoàn thiện luận văn. Tác giả luận án xin cảm ơn Trường Đại học Thủy lợi, Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Trung Trung Bộ, Đài Khí tượng thủy văn tỉnh Quảng Bình đã tận tình giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tác giả học tập và nghiên cứu hoàn thành luận án. Nhân dịp này, tác giả cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, các thầy giáo, Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy Lợi, bạn bè và đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ, chia sẻ và động viên tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn đến gia đình và người thân trong gia đình, đặc biệt là người vợ hiền đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn này. Tác giả luận văn Lê Xuân Khánh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN……………….………………………………………………........................i LỜI CẢM ƠN……..………………………………………………………………………...…...ii MỤC LỤC ………………………………………………………………………………..….....iii DANH MỤC HÌNH VẼ...…………………………………………………………….………..vi DANH MỤC BẢNG BIỂU………...………………………………………………….………vii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ................................................................... 4 1.1. Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa lũ ...................................................................... 4 1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................................. 4 1.1.1.1. Dự báo mưa ................................................................................................ 4 1.1.2.2. Dự báo lũ .................................................................................................. 11 1.2. Tổng quan nghiên cứu mô phỏng ngập lụt và vận hành hồ chứa .......................... 12 1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................... 12 1.3. Tổng quan lưu vực nghiên cứu ............................................................................... 15 1.3.1. Đặc điểm tự nhiên............................................................................................ 15 1.3.2. Đặc điểm khí tượng thủy văn ........................................................................... 16 1.3.3. Mạng lưới sông ngòi........................................................................................ 18 1.3.4. Đặc điểm địa hình, địa mạo ............................................................................ 19 1.4. Những tồn tại và phương pháp tiếp cận ................................................................. 20 CHƯƠNG II: CƠ SỞ KHOA HỌC DỰ BÁO LŨ VÀ MÔ PHỎNG NGẬP LỤT ...... 22 2.1. Đặc điểm và hình thế thời tiết gây mưa lũ trên lưu vực sông Dinh ....................... 22 2.2. Nghiên cứu sản phẩm mưa dự báo cho lưu vực sông Dinh ................................... 23 2.2.1. Các mô hình dự báo mưa số trị trên thế giới và Việt Nam ............................. 23 2.2.2 Lựa chọn sản phẩm mưa dự báo phù hợp cho lưu vực sông Dinh................... 25 2.3 Đánh giá sản phẩm mưa dự báo cho lưu vực sông Dinh tỉnh Quảng Bình ............ 29 2.3.1 Đánh giá sản phẩm mưa dự báo ...................................................................... 29 iii 2.3.1.1 Sai số trung bình (ME - Mean Error) ....................................................... 30 2.3.1.2 Sai số tuyệt đối trung bình (MAE-Mean Absolute Error) ......................... 30 2.3.1.3 Sai số bình phương trung bình MSE (Mean Square Error) ...................... 30 2.3.1.4 Sai số bình phương trung bình quân phương............................................ 31 2.3.1.5 Hệ số tương quan (Correlation coefficient) .............................................. 31 3.1.1.6 Phương pháp đánh giá đối với dự báo pha............................................... 31 2.3.1.7 Chỉ số FBI (BS hay FBI - Bias score): ...................................................... 32 2.3.1.8 Xác suất phát hiện (Probability oƒ Detection - POD) ............................. 33 2.3.1.9 Tỷ phần phát hiện sai (False Alarms Ratio - FAR).................................. 33 2.3.1.10 Điểm số thành công ................................................................................. 33 2.3.1.11 Điểm số thành công hợp lý (Equitable Threat Score — ETS) ................ 34 2.3.1.12 Điểm số so le (Odds Ratio) ..................................................................... 34 2.3.1.13 Điểm số Hanssen & Kuipers (HK hay TSS) ............................................ 34 3.1.2. Hiệu chỉnh sản phẩm mưa dự báo .................................................................. 37 2.3. Phương pháp dự báo lũ cho lưu vực sông Dinh ................................................... 38 2.3.1 Thực trạng dự báo lũ cho lưu vực sông Dinh .................................................. 38 2.3.2 Lựa chọn phương pháp dự báo lũ ................................................................... 39 2.3.2.1 Một số phương pháp dự báo lũ. ................................................................ 39 1.3.2.2 Lựa chọn mô hình mô phỏng ..................................................................... 41 1.3.2.3 Giới thiệu mô hình Mike NAM .................................................................. 41 1.3.2.4 Giới thiệu mô hình Mike 11....................................................................... 46 1.3.2.5 Giới thiệu mô hình Mike 21FM. ................................................................ 50 1.3.2.6. Giới thiệu mô hình Mike Flood ............................................................... 51 2.4. Phương pháp mô phỏng ngập lụt cho lưu vực sông Dinh ..................................... 52 CHƯƠNG III: DỰ BÁO LŨ PHỤC VỤ VẬN HÀNH HỒ CHỨA VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA HỒ CHỨA ĐẾN NGẬP LỤT VÙNG HẠ LƯU SÔNG DINH TỈNH QUẢNG BÌNH .............................................................................................................. 53 3.1 Xây dựng phương án dự báo dòng chảy lũ .......................................................... 53 3.1.1 Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn .............................................................. 53 iv 3.1.1.1 Trạm truyền thống ..................................................................................... 53 3.2.1.2 Trạm tự động. ............................................................................................ 55 3.2.2 Thiết lập mô hình thủy văn dự báo dòng chảy lũ. ............................................ 56 3.2.2.1 Thiết lập mô hình thủy văn cho lưu vực Đồng Tâm .................................. 56 3.2.2.2 Thiết lập mô hình thủy văn cho lưu vực sông Dinh................................... 58 3.2.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .................................................................. 58 3.3 Dự báo thử nghiệm .................................................................................................. 61 3.3.2. Lựa chọn trận lũ dự báo .................................................................................. 61 3.3.3 Dự báo dòng chảy tới hồ và phương án vận hành an toàn hồ chứa. ............... 62 3.4 Mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh ............................................................. 63 3.4.1 Thiết lập mô hình thủy lực mô phỏng ngập lụt hạ lưu sông Dinh .................... 63 3.4.1.1 Thiết lập mô hình thủy lực Mike11 cho sông Dinh ................................... 63 3.4.1.2 Thiết lập mô hình 2D Mike 21 ................................................................... 64 3.4.2 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình .................................................................. 64 3.4.2.1 Hiệu chỉnh mô hình 2D.............................................................................. 65 3.4.2.2 Kiểm định mô hình 2D ............................................................................... 67 3.5 Đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh. ............ 69 3.5.1 Khi chưa có hồ chứa ......................................................................................... 69 3.5.2 Khi các hồ chứa được vận hành ....................................................................... 69 3.5.2.1 Lựa chọn kịch bản ..................................................................................... 69 3.5.2.3 Kết quả tính toán kịch bản 2 ..................................................................... 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................... 73 1. Kết luận...................................................................................................................... 73 2. Kiến nghị.................................................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 75 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 78 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ khối nghiên cứu luận văn ......................................................................... 2 Hình 1.1: Bản đồ địa hình lưu vực sông Dinh .............................................................. 20 Hình 2.1: Sơ đồ biểu diễn các chỉ số phục vụ đánh giá chất lượng dự báo mưa ......... 32 Hình 2.2: Sơ đồ minh họa phương pháp nội suy song tuyến tính ................................. 35 Hình 2.3: Giao diện trang web dự báo mưa cho hồ Thác Chuối.................................. 39 Hình 2.4: Cấu trúc mô hình NAM ............................................................................... 42 Hình 2.5: Sơ đồ sai phân hữu hạn 6 điểm ẩn Abbott .................................................... 48 Hình 2.6: Sơ đồ sai phân 6 điểm ẩn Abbott trong mặt phẳng x ~ t .............................. 48 Hình 3.1: Bản đồ mạng lưới trạm KTTV tỉnh Quảng Bình ........................................... 53 Hình 3.2: Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Dinh ................... 56 Hình 3.3: Bản đồ lưu vực Đồng Tâm ............................................................................ 57 Hình 3.4: Số hóa tiểu lưu vực cho mô hình thủy văn lưu vực Đồng Tâm ..................... 57 Hình 3.5: Số hóa tiểu lưu vực cho mô hình thủy văn lưu vực sông Dinh ..................... 58 Hình 3.6: So sánh đường quá trình lũ tính toán và thực đo 15-17/10/2013. ................ 59 Hình.3.7: So sánh đường quá trình lũ tính toán và thực đo 13-15/10/2016 ................. 59 Hình 3.8: So sánh đường quá trình lũ tính toán và thực đo 31/10-02/11/2016. ........... 60 Hình 3.9: So sánh đường quá trình lũ tính toán và thực đo 14-16/9/2017. .................. 60 Hình 3.10: Biểu đồ dòng chảy và lượng mưa thực đo hồ Thác Chuối ......................... 62 Hình 3.11: Kết quả dự báo thử dòng chảy về hồ bằng mô hình mike NAM ................. 62 Hình 3.12: Sơ đồ thủy lực lưu vực sông Dinh ............................................................... 63 Hình 3.13: Tạo địa hình cho mô hình 2D ..................................................................... 64 Hình 3.14: Minh họa thiết lập Mike flood ..................................................................... 64 Hình 3.15: Bản đồ ngập lụt vùng hạ du sông Dinh 16-18/10/2010 .............................. 67 Hình 3.16: Bản đồ ngập lụt vùng hạ du sông Dinh 01-02/10/1985 .............................. 68 Hình 3.17: Bản đồ ngập lụt hạ du sông Dinh theo kịch bản xả lũ thiết kế ................... 70 Hình 3.18: Bản đồ ngập lụt hệ thống sông Dinh ứng với kịch bản vỡ đập và mưa lớn 72 Phụ lục hình 1: Đường tần suất mưa 1 ngày max trạm Đồng Hới ............................... 78 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc điểm hình thái sông ngòi tỉnh Quảng Bình ........................................... 19 Bảng 2.1: Các trạm đo mưa dùng đánh giá sai số dự báo mưa từ mô hình ................. 29 Bảng 2.2: Một số chỉ số đánh giá mô hình .................................................................... 36 Bảng 3.1: Danh sách trạm khí tượng thủy văn cơ bản đang hoạt động ....................... 54 Bảng 3.2: Danh sách trạm đo mưa tự động công nghệ Hàn Quốc ............................... 55 Bảng 3.3: Thông số mô hình NAM cho trận lũ ngày 15-17/10/2013 ............................ 59 Bảng 3.4:: Thông số mô hình NAM hiệu chỉnh lũ ngày 13-15/10/2016 ....................... 59 Bảng 3.5: Thông số mô hình NAM hiệu chỉnh lũ ngày 31/10-02/11/2016.................... 60 Bảng 3.6: Bộ thông số tối ưu mô hình NAM của lưu vực Đồng Tâm ........................... 60 Bảng 3.7: tóm tắt kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình NAM................................ 61 Bảng 3.8: Số liệu quan trắc hồ Thác Chuối .................................................................. 61 Bảng 3.9: Phân loại chỉ tiêu xếp loại chất lượng mô hình. .......................................... 65 Bảng 3.10: Kết quả mô phỏng ngập lụt tháng 16-18/10/2010 ...................................... 66 Bảng 3.11: So sánh kết quả tính toán mô phỏng và thực đo lũ 16-18/10/2010 ...... 66 Bảng 3.12: Kết quả mô phỏng diện tích và độ sâu ngập lụt tháng 01-02/10/1985 ...... 67 Bảng 3.13: So sánh kết quả tính toán mô phỏng và thực đo lũ 01-02/10/1985 ...... 68 Bảng 3.14: Thống kê các xã ngập ứng với kịch bản 1 ................................................. 71 Bảng 3.15: Thống kê diện tích ngập của các xã ứng với kịch bản vỡ đập và mưa lớn 71 Phụ Lục 1: Bảng kết quả tính toán tần suất mưa 1 ngày max trạm Đồng Hới ............. 78 Phụ lục 2: Kết quả mô hình NAM lưu vực Dinh 16-18/10/2010 ................................... 79 Phụ lục 3: Kết quả mô hình NAM lưu vực Dinh 01-03/10/1985 ................................... 80 vii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của Đề tài luận văn: Hệ thống sông Dinh tỉnh Quảng Bình có diện tích lưu vực khoảng 212 km 2, bề rộng trung bình của lưu vực 8,5 km và mật độ sông suối 0,93 km/km2. Hiện nay, trên lưu vực sông Dinh đang có gần 10 hồ chứa với tổng dung tích lên tới hơn 40 triệu m3. Việc xây dựng và phát triển các hồ chứa trên lưu vực đã làm thay đổi dòng chảy tự nhiên gây ảnh hưởng tới các vấn đề liên quan tới tài nguyên nước như ngập lụt vào mùa lũ, thay đổi hệ thủy sinh, an ninh nguồn nước và sinh kế trong k hu vực. Ngoài ra, trong những năm gần đây, Việt Nam nói chung và tỉnh Quảng Bình nói riêng, các loại hình thiên tai như bão, lũ, ngập lụt đang có xu hướng diễn biến phức tạp, gia tăng cả về tần suất xuất hiện và cường độ, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi k hí hậu. Để phục vụ công tác phòng chống giảm nhẹ thiên tai, đảm bảo vận hành an toàn hồ chứa trên lưu vực sông, rấ t cần thiết phải tăng cường giám sát, nâng cao chất lượng dự báo và cảnh báo lũ, ngập lụt cũng như xây dựng các phương án dự báo có tính hiệu quả cao. Do vậy, việc lựa chọn hướng nghiên cứu dự báo lũ phục vụ vận hành hồ chứa và mô phỏng ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh tỉnh Quảng Bình nhằm giúp địa phương chủ động ứng phó với các tình huống thiên tai có thể xảy ra, giảm thiểu thiệt hại và tăng cường hiệu quả kinh tế xã hội và môi trường từ việc vận hành hồ chứa trên lưu vực sông. 2. Mục tiêu của Đề tài: Mục tiêu của đề tài: Dự báo dòng chảy lũ đến hồ và mô phỏng ngập lụt vùng hạ du sông Dinh. Để đạt được mục tiêu trên, luận văn cần thực hiện các nội dung sau: Nghiên cứu đặc điểm và hình thế gây mưa lũ trên lưu vực sông Dinh; Xây dựng phương án dự báo lũ phục vụ vận hành an toàn hồ chứa Thác Chuối trên lưu vực sông Dinh; Đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa tới ngập lụt vùng hạ lưu sông Dinh. 3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 1 Hình 1. Sơ đồ khối nghiên cứu luận văn Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy lũ đến hồ chứa, vận hành hồ chứa, ngập lụt hạ lưu hồ chứa do vận hành hồ. Phạm vi nghiên cứu: Thượng lưu hồ chứa Thác Chuối và hạ lưu các hồ ở lưu vực sông Dinh tỉnh Quảng Bình. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp mô hình toán: Ứng dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để tính toán và dự báo dòng chảy lũ cho lưu vực nghiên cứu. Phương pháp thống kê: Phân tích đánh giá tính tin cậy cũng như tính xác thực của số liệu thu thập được để có thể sử dụng trong nghiên cứu. Phương pháp kế thừa: Kế thừa các kết quả, số liệu từ đề tài “Lập phương án phồng chống lũ, lụt cho vùng hạ du hồ Thác Chuối”. Số liệu thu thập: Mưa tại trạm đo mưa Nông trường Việt Trung, mưa tại hồ chứa Thác Chuối, Đồng Tâm, Tuyên Hóa, Minh Hóa. Dòng chảy trạm Đồng Tâm. Mực nước trạm thủy văn Đồng Hới. 4. Kết quả đạt được: Cơ sở khoa học trong dự báo mưa lũ trên lưu vực sông Dinh 2 Xây dựng được phương án dự báo lũ đến hồ hiệu quả nhằm giúp đơn vị quản lý hồ chủ động vận hành an toàn hồ chứa trên lưu vực sông Dinh. Đưa ra cảnh báo mức độ ngập lụt tại hạ du hồ chứa khi có sự cố công trình kết hợp với thiên tai. 5. Bố cục luận văn: Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị và phụ lục, bố cục luận văn bao gồm 4 chương: Chương 1: Tổng quan nghiên cứu Chương 2: Cơ sở khoa học dự báo lũ và mô phỏng ngập lụt. Chương 3: Dự báo lũ phục vụ vận hành hồ chứa và đánh giá ảnh hưởng của hồ chứa đến ngập lụt vùng hạ du lưu vực sông Dinh. 3 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan nghiên cứu dự báo mưa lũ 1.1.1. Các nghiên cứu trên thế giới 1.1.1.1. Dự báo mưa Hiện nay, dự báo mưa lũ đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống phục vụ sự phát triển kinh tế xã hội và thường được cung cấp bởi các trung tâm dự báo khí tượng, thời tiết lớn trên thế giới. Phần lớn các sản phẩm dự báo mưa đều dựa trên phương pháp dự báo tổ hợp nhằm nắm bắt các nguồn bất định do trường điều kiện ban đầu gây ra. Hệ thống dự báo tổ hợp được chạy trên hệ thống siêu máy tính và bắt đầu đưa vào chạy nghiệp vụ từ đầu những năm 90 để phục vụ công tác dự báo hạn vừa và hạn dài. Dự báo tổ hợp nghiệp vụ đầu tiên được tiến hành tại Trung tâm quốc gia dự báo môi trường của Mỹ (NCEP-National Center for Enviromental Prediction) từ năm 1992 dựa trên phương pháp BGM (Breeding of Growing Mode) để tạo tập hợp các trường ban đầu khác nhau cho mô hình toàn cầu T126 với 28 mực thẳng đứng và thời gian tích phân lên tới 180 giờ (Toth và Kalnay, 1997) [1]. Hiện tại, dự báo tổ hợp cho dự báo hạn vừa của NCEP (GEFS) bao gồm 21 thành phần dựa theo phương pháp mới ET (Ensemble Transform) độ phân giải T190L28 (khoảng 0.7o, 28 mực), hạn dự báo 15 ngày (Zhu và cộng sự, 2016) [2]. Tại Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF – European Center for Mediumrange Weather Forecasts), dự báo tổ hợp cũng được đưa vào nghiệp vụ từ năm 1992 bằng việc sử dụng phương pháp SV (Singular Vector) để tạo nhiễu động ban đầu (Palmer và cộng sự, 1992) [3]. Hiện nay, hệ thống dự báo với tên gọi VAREPS (Variable Resolution EPS) có 51 dự báo thành phần được dự báo hàng ngày và cung cấp kết quả cho các nước trong Cộng đồng Châu Âu là thành viên của ECMWF với hạn dự báo 15 ngày, trong đó 9 ngày đầu hệ thống chạy với độ phân giải TL399L62 (khoảng 50 km, 62 mực) và 6 ngày sau với độ phân giải TL255L62 (khoảng 80 km, 62 mực). Đây là hệ thống dự báo tổ hợp (EPS) hạn vừa có độ phân giải cao nhất hiện nay trên thế giới. 4 Tại Trung tâm Khí tượng Canada (CMC-Canadian Meteorological Center), hệ thống dự báo tổ hợp cũng bắt đầu đưa vào chạy nghiệp vụ sử dụng phương pháp EnKF (Ensemble Kalman Filter) theo Houtekamer và cộng sự (1996). EPS của CMC cho thấy một sự kết hợp chặt chẽ giữa EF và đồng hóa số liệu. Hiện tại, EPS của CMC (CEFS) bao gồm 21 thành phần tương tự như EPS của NCEP với độ phân giải 0.90, 28 mực và hạn dự báo 16 ngày. Tại một số trung tâm khí tượng khác như MeteoFrance, BoM, JMA, KMA, CMA cũng bắt đầu phát triển và sử dụng EPS cho các mô hình toàn cầu trong dự báo hạn vừa và hạn dài. Với rất nhiều EPS từ các trung tâm dự báo khác nhau như trên, cộng đồng khí tượng đang hướng đến một dự báo siêu tổ hợp, kết hợp tất cả thông tin dự báo từ các EPS thông qua chương trình TIGGE (THORPEX Interactive Grand Global Ensemble) (Philippe Bougeault và cộng sự, 2009)[4]. Thành công bước đầu của TIGGE được thể hiện qua hệ thống dự báo tổ hợp Bắc Mỹ NAEFS kết hợp hai hệ thống GEFS của NCEP và CEFS của CMC (Zhu và cộng sự, 2009) [5]. Ngoài ra, Molteni và cộng sự (2001)[6], Marsigli và cộng sự (2001)[7] cũng bắt đầu những nghiên cứu lý thuyết cho phép thực hiện dự báo tổ hợp trên các mô hình khu vực với độ phân giải cao hơn so với mô hình toàn cầu với tên gọi LEPS (Limited-area Ensemble Prediction System). Tuy nhiên, LEPS hướng đến hạn dự báo từ 2 cho đến 5 ngày. Đối với trường hợp này các nhiễu động điều kiện biên sẽ trở nên quan trọng hơn so với nhiễu động điều kiện ban đầu. Hệ thống được thực hiện đơn giản bằng cách tích phân mô hình khu vực (LM) lồng trong các thành phần của EPS toàn cầu tại ECMWF. Vào năm 2003, sau những thử nghiệm đầu tiên tại ARPA-SIM, hệ thống với tên gọi COSMO-LEPS đã được thực hiện tại ECMWF (Montani và cộng sự 2003b)[8]. Theo các đánh giá của Marsigli và cộng sự (2005) [9] đã cho thấy kỹ năng dự báo của hệ thống này cao hơn so với kỹ năng tương ứng từ hệ thống dự báo tổ hợp toàn cầu mà LM chạy lồng trong đó. Cùng với sự phát triển của các hệ thống dự báo tổ hợp kể trên, các trung tâm lớn trên thế giới cũng tiến hành dự báo tất định với hạn 1-15 ngày dựa trên các mô hình toàn cầu tự phát triển. Tại Trung tâm Dự báo hạn vừa Châu Âu, hệ thống mô hình dự báo tích hợp IFS (Intergrated Forecast System) được chạy một ngày 2 lần, dự báo đến 10 5 ngày với độ phân giải 0.1x0.1 độ kinh vĩ. Trường mưa dự báo với thời đoạn 3 tiếng với 5 ngày đầu trong khi 5 ngày sau thời đoạn dự báo là 6 tiếng. Tại NCEP, mô hình GFS được chạy 4 phiên trong ngày, cách nhau 06 tiếng với các tùy chọn độ phân giải là 0.25x0.25 độ, 0.5x0.5 độ và 1.0x1.0 độ kinh vĩ. Thời hạn dự báo của mô hình lên đến 384h (15 ngày) hoàn toàn có thể đáp ứng được nhu cầu dự báo mưa hạn vừa, làm đầu vào cho các mô hình thủy văn hiện nay. Tại Cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA), mô hình GSM đang chạy với độ phân giải 0.5x0.5 độ và 0.25x0.25 độ với hạn dự báo lên đến 10 ngày. Trong đó, mô hình chạy mỗi ngày 04 phiên dự báo 84h đầu tiên, riêng dự báo từ 84h đến 240h (10 ngày) được chạy duy nhất 1 lần vào phiên 12Z. 1.1.1.2. Dự báo lũ Đối với dự báo lũ, B.T Gouweleeuw và cộng sự [10] đã sử dụng mô hình LISFLOOD dự báo lũ hạn vừa với đầu vào dự báo mưa tổ hợp 51 thành phần của Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF), nghiên cứu cho 2 trường hợp lũ trên sông Meuse (tháng 01/1995) và Odra (tháng 07/1997). Các kết quả cho thấy mô hình LISFLOOD đã cảnh báo được lũ sớm trước từ 2-3 ngày, đặc biệt là thời điểm xảy ra đỉnh lũ. Mặc dù vậy đối với trường hợp lũ trên sông Odra, mô phỏng đỉnh lũ từ mô hình thiên thấp hơn so với thực tế. Vào năm 2008, F. Pappenberger và cộng sự [11] đã áp dụng mô hình LISFLOOD để nghiên cứu trận lũ năm 2007 tại Romania, sử dụng đầu vào là lượng mưa dự báo từ các dự báo tổ hợp của nhiều trung tâm lớn trên thế giới như ECMWF, UKMO hay BOM. Kết quả dự báo có thể cảnh báo được trận lũ trước 8 ngày. Kết quả cũng chứng tỏ rằng dự báo tổ hợp theo cách tiếp cận đa mô hình có đặc tính trung bình tốt nhất là của ECMWF va UKMO, các kết quả mô phỏng rất tốt phần đuôi của hàm phân bố tức là các giá trị cực trị có thể xảy ra. Dữ liệu mưa cực trị hạn vừa đến hạn dài (bao gồm cực trị ngày, cực trị tuần và cực trị mùa) cũng được nhóm các tác giả C. J. White và cộng sự [12] tại Đại học Tasmania sử dụng để nghiên cứu dự báo lũ tại Úc 1.1.2. Các nghiên cứu trong nước 6 1.1.2.1. Dự báo mưa Hiện nay, một số phương pháp chính đang được áp dụng trong dự báo mưa tại nước ta như: Phương pháp synop, phương pháp thống kê và phương pháp mô hình số trị. Phương pháp synop là phương pháp dựa trên các bản đồ synop. Đối với hạn dự báo ngắn sẽ sử dụng trực tiếp các bản đồ synop hằng ngày với các hình thế synop được thể hiện trên bản đồ tại các kỳ quan trắc như 1, 7, 13, 19 giờ thì dự báo hạn dài sử dụng các bản đồ khí hậu với các thời đoạn dài hơn như 5, 10 ngày hay thậm chí 1, 3 tháng...Phương pháp thống kê là phương pháp đơn giản để dự báo những dị thường của các yếu tố so với khí hậu trung bình quy mô tháng hay mùa dựa trên những chỉ số liên quan tới nhiệt độ bề mặt biển và dao động Nam. Trong khi đó, phương pháp dự báo số trị chỉ mới được bắt đầu và phát triển từ những năm giữa thế kỷ 20 cho tới nay dựa trên việc mô hình hóa các quá trình tương tác vật lý trong khí quyển và sự tương tác giữa các thành phần khí hậu. Ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu về mưa lớn có gắn với thiên tai lũ lụt đã được đề cập đến trong một số công trình nghiên cứu khác nhau. Đối với ngành Khí tượng thủy văn (KTTV) đó là các nghiên cứu có tính tổng kết về các hình thế synop gây mưa lớn ở Miền Bắc, hoạt động của bão, ATNĐ, gió mùa đông bắc và mưa lũ lớn của Nguyễn Ngọc Thục và Lương Tuấn Minh (1990) [13], và những nhân tố gây ra mưa lớn, lũ ở các tỉnh miền Trung và Tây Nguyên (Nguyễn Ngọc Thục và cộng sự, 1994). [14]. Trong báo cáo của Lê Văn Ánh (2004)[15], mưa, bão, lũ và thiệt hại do chúng gây ra ở khu vực Bắc Trung Bộ. Bên cạnh đó còn có nghiên cứu các loại hình thời tiết, khí tượng thủy văn, thiên tai bất thường ở miền Trung, (Nguyễn Đức Hậu, 2011)[16]. Nghiên cứu về mưa lũ lớn diện rộng của Lê Bắc Huỳnh, lũ lụt lịch sử đầu tháng XI và đầu tháng XII- 999 ở Miền Trung (2000) [17]. Ngoài ra, còn có những nhiệm vụ chuyên môn, dự án như Tăng cường hệ thống dự báo, cảnh báo lũ lụt ở Việt Nam (Tổng cục KTTV, 2013)[18], Điều tra, khảo sát, xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ lũ quét khu vực Miền Trung, Tây Nguyên, và xây dựng hệ thống thí điểm phục vụ cảnh báo cho các địa phương có nguy cơ cao xảy ra lũ quét phục vụ công tác quy hoạch, chỉ đạo điều hành phòng tránh thiên tai thích ứng với biến đổi khí hậu(Viện Khoa học KTTV&BĐKH, 2015) [19]. 7 Từ những năm 2006, cùng sự phát triển của công nghệ máy tính, đường truyền dữ liệu và sự hợp tác với các trung tâm dự báo thời tiết lớn trên thế giới, hàng loạt các sản phẩm dự báo số trị được thu nhận và sử dụng dưới dạng số. Đầu tiên phải kể tới là sản phẩm mô hình GSM (Global Spectral Model) của Cơ quan khí tượng Nhật Bản JMA (Japan Meteorological Agency) được truyền với độ phân giải 1.25 x 1.25 độ kinh vĩ và hạn dự báo lớn nhất mới đến 72h. Sau đó được nâng cấp, cải tiến và chạy với độ phân giải tinh hơn với độ phân giải 0.5 x 0.5 độ kinh vĩ đối với đầy đủ các trường khí tượng và 0.25 x 0.25 độ kinh vĩ đối với các trường bề mặt. Hạn dự báo của cả hai phiên bản này cũng được tăng từ 72h lên đến 240h (10 ngày) và khoảng thời gian dự báo cách nhau 6 tiếng tăng lên 3 tiếng một, tần suất thu nhận là 4 phiên/ngày. Sản phẩm dự báo mưa từ mô hình này đã được tác giả Bùi Minh Tăng đánh giá, kiểm định có độ tin cậy cao khi áp dụng dự báo thời tiết nghiệp vụ tạiTrung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, nay là Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia (TTDBQG). Song song với sản phẩm mô hình GSM, sản phẩm dự báo của mô hình GFS (Global Forecast System) của Trung tâm dự báo môi trường quốc gia Hoa Kỳ (NCEP) cũng được thu thập. Ban đầu loại sản phẩm này cũng được thu thập khá thô, độ phân giải không gian là 1.0 x 1.0 độ kinh vĩ, hạn dự báo 72h và khoảng thời gian dự báo cách nhau 3h. Theo thời gian phát triển, mô hình GFS được cải tiến cả về động lực và độ phân giải của sản phẩm. Độ phân giải không gian tăng lên 0.5 x 0.5 độ kinh vĩ, thời gian dự báo cách nhau 3h và hạn dự báo cũng tăng lên đến 10 ngày. Ngoài ra, để phục vụ nhu cầu dự báo mưa hạn vừa, TTDBQG cũng đã thu nhận số liệu tổ hợp Bắc Mỹ (NAEFS – North American Ensemble Forecast System) từ NCEP với 21 thành phần tổ hợp, hạn dự báo đến 384h (16 ngày), độ phân giải 1x1 độ kinh vĩ. Các sản phẩm từ trung tâm khác như Cơ quan khí tượng Canada, Cục khí tượng Cộng hòa liên bang Đức, Hải quân Hoa Kỳ cũng được thu nhận tuy nhiên các loại sản phẩm này chỉ đáp ứng yêu cầu dự báo hạn ngắn. Dư Đức Tiến và cộng sự (2011) đã tiến hành nghiên cứu phát triển hệ thống dự báo tổ hợp hạn vừa cho khu vực Việt Nam với hạn dự báo 5 ngày. Hệ thống tổ hợp dựa trên cách tiếp cận một mô hình đa phân tích tức là chạy mô hình khu vực độ phân giải cao HRM với 21 thành phần tổ hợp GFS (NAEFS) làm đầu vào để tạo ra 21 thành phần dự báo với độ phân giải 0.15x0.15 độ. Sản phẩm này đã được sử dụng làm biên đầu vào 8