Mô hình dự báo số là chương trình máy tính giải các phương trình vật lý của khí quyển — chuyển động, nhiệt, nước — trên một lưới ô ba chiều bao quanh Trái Đất, tính từng bước thời gian để đoán gió, nhiệt độ, mưa những ngày tới; ý tưởng có từ năm 1922 của Lewis Fry Richardson, và lần dự báo bằng máy tính điện tử đầu tiên thành công vào năm 1950. Ngày nay, các trung tâm lớn chạy mô hình toàn cầu với ô lưới chỉ khoảng 10 km trên siêu máy tính, nhiều lần mỗi ngày.
Lịch sử: từ giấc mơ "nhà máy dự báo" đến siêu máy tính
| Năm | Mốc |
|---|---|
| 1904 | Nhà khí tượng Na Uy Vilhelm Bjerknes đề xuất coi dự báo thời tiết là bài toán vật lý giải bằng phương trình |
| 1922 | Lewis Fry Richardson (Anh) công bố cuốn sách về dự báo thời tiết bằng tính toán số; tự tính tay một dự báo 6 giờ (kết quả sai rất xa) và hình dung một "nhà máy dự báo" với hàng chục nghìn người tính toán |
| 1950 | Nhóm của Jule Charney, John von Neumann dùng máy tính ENIAC thực hiện dự báo số thành công đầu tiên |
| 1963 | Edward Lorenz công bố nghiên cứu về hỗn loạn trong khí quyển — nền tảng của "hiệu ứng cánh bướm" |
| 1975 trở đi | Trung tâm Dự báo Thời tiết Hạn vừa châu Âu (ECMWF) được thành lập; dự báo số trở thành nền tảng của mọi cơ quan khí tượng |
Mô hình hoạt động thế nào
- Chia lưới: khí quyển được chia thành ô theo chiều ngang (vài km đến vài chục km) và nhiều tầng theo chiều cao.
- Điều kiện ban đầu: mỗi ô được gán giá trị gió, nhiệt, ẩm, áp suất từ số liệu quan trắc qua bước đồng hoá số liệu.
- Tính bước thời gian: máy tính áp dụng các phương trình vật lý để tính trạng thái sau vài phút, rồi lặp lại hàng nghìn lần để ra dự báo nhiều ngày.
- Tham số hoá: những quá trình nhỏ hơn ô lưới — mây dông, mưa, bức xạ, ma sát mặt đất — không tính trực tiếp được, phải mô tả gần đúng bằng công thức.
- Xuất kết quả: bản đồ áp suất, gió, mưa, nhiệt độ theo giờ cho dự báo viên sử dụng.
Mô hình toàn cầu và mô hình khu vực
- Mô hình toàn cầu: bao cả Trái Đất, ô lưới lớn hơn, dùng cho dự báo vài ngày đến vài tuần và cung cấp "biên" cho mô hình khu vực. Các trung tâm lớn như ECMWF (châu Âu), NCEP (Mỹ), JMA (Nhật) chạy mô hình toàn cầu.
- Mô hình khu vực: chỉ tính cho một vùng như Việt Nam và Biển Đông, ô lưới nhỏ hơn (vài km), mô tả địa hình, mưa dông chi tiết hơn. Cơ quan khí tượng Việt Nam chạy một số mô hình khu vực và sử dụng sản phẩm của các trung tâm quốc tế.
Dự báo tổ hợp: chạy nhiều lần để biết độ chắc chắn
Vì điều kiện ban đầu không bao giờ hoàn hảo, các trung tâm chạy cùng một mô hình nhiều lần (ví dụ vài chục lần), mỗi lần thay đổi điều kiện ban đầu một chút. Nếu các lần chạy cho kết quả giống nhau, dự báo đáng tin. Nếu chúng toả ra mỗi lần một ngả (ví dụ đường đi của bão), dự báo không chắc chắn. Đây là nguồn gốc của các "dải dự báo", "xác suất mưa" mà ta thấy ngày nay.
Trí tuệ nhân tạo vào cuộc
Từ khoảng năm 2022–2023, một số mô hình dự báo dựa trên học máy, được huấn luyện bằng hàng chục năm dữ liệu tái phân tích, đã cho kết quả cạnh tranh với mô hình vật lý truyền thống ở một số chỉ tiêu, mà chạy nhanh hơn rất nhiều. Các trung tâm lớn như ECMWF đang thử nghiệm và đưa vào vận hành song song. Tuy vậy, các mô hình này vẫn cần dữ liệu quan trắc và mô hình vật lý để tạo điều kiện ban đầu, và giới khoa học còn đánh giá kỹ khả năng dự báo hiện tượng cực đoan.
Vì sao mô hình hay "đoán sai" mưa dông
Một ô lưới 10 km không thể chứa chính xác một đám mây dông chỉ rộng vài km. Mô hình phải "đoán" bằng tham số hoá: ô này có khả năng có dông bao nhiêu. Vì vậy dự báo mưa dông mùa hè thường chỉ đúng ở mức "vùng này có khả năng mưa", không đúng tới từng phường. Mô hình độ phân giải cao (vài km) cải thiện điều này nhưng vẫn còn sai số lớn.
Góc nhìn hôm nay: hiểu kết quả mô hình trên mạng
- Nhiều trang web hiển thị trực tiếp kết quả mô hình (bản đồ gió, mưa động). Đó là sản phẩm thô, chưa qua dự báo viên; dùng tham khảo, không thay bản tin chính thức.
- Hai mô hình khác nhau cho hai đường đi bão khác nhau là chuyện bình thường; nhìn sự đồng thuận chung.
- Muốn tìm hiểu lịch sử, cuốn sách của Richardson năm 1922 và câu chuyện ENIAC năm 1950 là những trang sử thú vị của khoa học.
Câu hỏi thường gặp
Mô hình dự báo số là gì?
Là chương trình máy tính giải các phương trình vật lý của khí quyển trên lưới ô ba chiều, tính từng bước thời gian để dự báo gió, nhiệt độ, mưa trong những ngày tới.
Ai là người đầu tiên dự báo thời tiết bằng tính toán?
Lewis Fry Richardson công bố phương pháp năm 1922 và tự tính tay một dự báo. Dự báo bằng máy tính điện tử thành công đầu tiên là năm 1950 trên máy ENIAC.
Dự báo tổ hợp là gì?
Là chạy một mô hình nhiều lần với điều kiện ban đầu hơi khác nhau. Kết quả giống nhau thì dự báo chắc chắn; toả rộng thì không chắc chắn.
AI có thay được mô hình dự báo truyền thống không?
Một số mô hình học máy đã cho kết quả cạnh tranh ở nhiều chỉ tiêu và chạy nhanh hơn, nhưng vẫn cần số liệu quan trắc và mô hình vật lý làm điều kiện ban đầu. Các trung tâm đang dùng song song.
Vì sao mô hình dự báo mưa dông không chính xác?
Vì mây dông nhỏ hơn ô lưới mô hình, phải mô tả gần đúng bằng tham số hoá, nên chỉ dự báo được khả năng mưa cho cả vùng chứ không chính xác tới từng điểm.