Những điều thú vị về... dự báo thời tiết (Bài cuối)

>> Bài 1: Từ con chuồn chuồn đến... siêu máy tính

Bài cuối: Sự kết hợp của nghệ thuật với khoa học

Dự báo thời tiết đầu tiên bằng phương pháp số đã sử dụng các mô hình chính áp (theo mực thẳng đứng) và đã dự báo các chuyển động quy mô lớn của sóng Rossby vùng vĩ độ trung bình khá thành công. Trong thập niên 1960, bản chất lý thuyết hỗn loạn của khí quyển lần đầu tiên được biết tới bởi Edward Lorenz, hình thành nên ngành khoa học nghiên cứu về lý thuyết hỗn loạn. Điều này có vai trò đặc biệt quan trọng đối với dự báo khí tượng ngày nay.

Siêu máy tính làm được những gì?

Nửa cuối thế kỷ XX, dự báo khí tượng tại châu Âu và Mỹ phát triển mạnh nhờ sự phát triển kinh tế. Một trong các lĩnh vực được quan tâm nhiều nhất của dự báo thời tiết là vận tải đường thủy, đường hàng không trong cả hai lĩnh vực dân sự và quân sự. Tháng 4-1960, vệ tinh khí tượng đầu tiên được đưa vào phục vụ dự báo khí tượng với sự trợ giúp của vệ tinh khí tượng mô hình dự báo khí tượng toàn cầu được phát triển tại Trung tâm Nghiên cứu khí quyển (NCAR “North Carolina Association of Realtors”) của Mỹ, Trung tâm Dự báo thời tiết châu Âu (ECMWF - “European Center for Medium - Range Weather Forecasts”) và Trung tâm Khí tượng Mỹ (NMC “American Meteorological Centre”) đã trở thành tiêu chuẩn cho dự báo nền các khu vực trên toàn thế giới năm 1980. Mô hình dự báo thời tiết toàn cầu được tổ chức khí tượng thế giới giao cơ quan dự báo thời tiết Nhật Bản, Vương quốc Anh và Canada làm nhiệm vụ theo dõi thời tiết khu vực và toàn cầu.

Năm 1995, mô hình dự báo thời tiết WRF được Cơ quan Nghiên cứu khí tượng và hải dương học NOAA, Trung tâm Nghiên cứu khí tượng hải quân Mỹ và Trường đại học Rhode Island, bang Florida phát triển và đưa vào thực hiện năm 2007. Hiện nay, WRF đã bao trùm được các cơ quan khí tượng ở 130 quốc gia trong tổ chức khí tượng thế giới, các trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NCEP), phòng thí nghiệm hệ thống dự báo (FSL), các cơ quan thời tiết của không quân (AFWA), trung tâm dự báo khí tượng hải quân...

Đến nay, hầu hết trung tâm khí tượng lớn trên thế giới đều sử dụng các mô hình dự báo toàn cầu và đưa kết quả trên internet. Các kết quả dự báo toàn cầu được sử dụng làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho các mô hình dự báo quy mô vừa của các nước. Tới thời điểm hiện nay vẫn chưa có sự phân biệt rõ ràng giữa mô hình khu vực và mô hình quy mô vừa. Người ta xem mô hình khu vực có độ phân giải từ 50-150km, còn quy mô vừa từ 25-50km. Một số mô hình quy mô vừa hiện nay như: ETA dự báo nghiệp vụ cho khu vực Tây Bắc Thái Bình Dương, Hồng Kông, Đài Loan... và hệ thống mô phỏng khí quyển quy mô vừa (MASS) dự báo cho khu vực Nam Califolina - Mỹ, mô hình RAMS ở Mỹ; Hy Lạp...; mô hình HRM ở Đức, các nước châu Âu; mô hình MM5 ở Mỹ, Hồng Kông.

 Để dùng những phương trình này, các nhà khí tượng học chia mặt đất ra thành lưới  ô vuông (mỗi ô vuông có cạnh từ 25, 50 đến 100km) và chia khí quyển trên mỗi ô vuông đó thành 31 tầng. Các nhà khí tượng ghi những gì đã quan sát được về gió, áp suất không khí, nhiệt độ và độ ẩm nút lưới đó ở 31 độ cao khác nhau. Các mô hình số trị chạy trên siêu máy tính thực hiện phân tích số liệu từ các trạm quan sát khí tượng trên toàn thế giới (hơn 3.500 trạm) gửi đến và rồi đưa ra một dự báo tiên đoán thời tiết thế giới sẽ ra sao trong 3 tiếng đồng hồ kế tiếp. Quá trình này thực hiện liên tục nhiều lần, chỉ trong vòng 24 tiếng đồng hồ siêu máy tính có thể cho biết trước thời tiết của 7 ngày trên khắp trái đất.

Với sự phát triển của siêu máy tính, các mô hình toán học của khí quyển ngày càng đạt đến độ tinh xảo cao. Không chỉ có độ phân giải không gian và thời gian được nâng cao mà nhiều thành phần trong hệ thống khí hậu dần dần cũng được tích hợp vào mô hình: Khí quyển, đại dương, sinh quyển và các tác động của con người.

Mô hình thời tiết số hiện đại ngày nay đang chạy trên các máy tính NOAA/National Weather Service ở Maryland. NOAA trên siêu máy tính khủng với tốc độ xử lý quadrillions tính toán mỗi giây! Những nâng cấp này sẽ cho ra được kết quả dự báo kịp thời, chính xác và đáng tin cậy.

Vai trò của người dự báo thời tiết

Dự báo thời tiết không chỉ hoàn toàn dựa vào khoa học. Theo cuốn bách khoa The World Book Encyclopedia thì “những mô hình số trị sử dụng trên các siêu máy tính chỉ miêu tả một cách mô phỏng chuyển động của bầu khí quyển”. Hơn nữa, ngay cả một dự đoán chính xác cho một vùng rộng lớn, có thể các nhà khí tượng không kể đến tác động từ địa hình của từng địa phương tác động đến thời tiết. Vì thế, các nhà dự báo khí tượng cần đến kỹ thuật của người dự báo thời tiết, dùng kinh nghiệm và óc suy xét của mình để nhận định lại những kết quả sản phẩm mô hình số trị mà siêu máy tính thực hiện. Điều này giúp dự báo khí tượng được chính xác hơn.

Ví dụ, khi khí lạnh thổi qua biển Đông vào vùng đồng bằng Bắc bộ và Trung bộ thì thường có một lớp mây mỏng tụ lại. Việc lớp mây mỏng này báo vùng đồng bằng Bắc bộ và Trung bộ có mưa vào ngày hôm sau hay chỉ bốc hơi dưới sức nóng mặt trời, tùy thuộc vào nhiệt độ chênh lệch nhau vài phần mười độ. Dữ liệu mà người dự báo thời tiết có được từ sản phẩm mô hình số trị, cùng với kiến thức về những trường hợp tương tự trước đó có thể giúp họ cho những nhận định đáng tin cậy. Vì vậy, việc phối hợp giữa nghệ thuật và khoa học là điều rất quan trọng để đưa ra những kết quả dự báo chính xác.

Đáng tin cậy đến mức độ nào?

Hiện nay, dự báo khí tượng đạt 86-97% với các sản phẩm dự báo 24 giờ. Các phỏng đoán cho 5 ngày đạt được độ chính xác 80-85% (cao hơn độ tin cậy của các dự báo cho 2 ngày vào đầu thập niên 70). Các kết quả này quá ấn tượng nhưng không phải hoàn toàn dự báo nào cũng ấn tượng như vậy. Tại sao các dự báo không phải hoàn toàn đáng tin cậy?

Lý do đơn giản là các hệ thống thời tiết cực kỳ phức tạp. Con người cùng công nghệ ngày nay không thể xác định được tất cả những gì cần có để dự đoán chắc chắn. Những vùng biển mênh mông không có trạm khí tượng để phát dữ liệu qua vệ tinh cho các đài khí tượng thực hiện dự báo trên đất liền. Mặt khác, rất hiếm khi các điểm trên mạng ô vuông của mô hình thời tiết nằm ngay tại vị trí của các trạm quan trắc khí tượng. Ngoài ra, khoa học ngày nay vẫn chưa hiểu hết được tất cả quá trình vật lý khí quyển ảnh hưởng đến thời tiết.

Tuy nhiên, các nhà dự báo khí tượng luôn cải tiến công nghệ dự báo thời tiết. Vì dự báo thời tiết tùy thuộc phần lớn vào việc quan sát bầu khí quyển. Nhưng 71% bề mặt của trái đất là nước, chính vì thế các nhà nghiên cứu khí tượng đang tập trung sự chú ý vào tương tác giữa khí quyển và đại dương từ nguồn số liệu quan trắc có được từ các trạm phao. Hệ thống quan sát đại dương toàn cầu cung cấp tin tức về những sự gia tăng nhiệt độ nước biển nhỏ nhất ở những vùng biển có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho thời tiết ở nơi rất xa (để dự báo mức độ khô hạn và thời gian mùa khô kéo dài, các nhà dự báo khí tượng sử dụng sự gia tăng bề mặt nhiệt độ mặt nước biển vùng El nino3 và El nino4).

Ngày nay, loài người vẫn còn hiểu tương đối ít về sự biến động của thời tiết. Dù sao đi nữa, việc dự báo hiện đại về thời tiết đủ chính xác để được mọi người tin cậy. Nói cách khác, nếu nghe thông tin dự báo thời tiết thông báo là có thể mưa thì bạn nên đem theo cây dù hoặc áo mưa.

Nguyễn Hải Sơn
Giám đốc Đài Khí tượng thủy văn tỉnh Bình Phước