Báo cáo " Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

119
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dựa trên các số liệu độ phản hồi của radar thời tiết đặt tại Vinh và lượng mưa quan trắc được bởi các vũ lượng kí tại 5 trạm đo mưa mặt đất trong khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ trong 5 đợt mưa lớn diện rộng từ năm 2004 đến năm 2006, các công thức liên hệ giữa cường độ mưa R và độ phản hồi radar Z’ dạng hàm mũ R = C10 DZ’ được tính cho từng trạm và chung cho cả khu vực nghiên cứu, trong đó các hệ số thực...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo " Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ Nguyễn Hướng Điền* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013 Tóm tắt. Dựa trên các số liệu độ phản hồi của radar thời tiết đặt tại Vinh và lượng mưa quan trắc được bởi các vũ lượng kí tại 5 trạm đo mưa mặt đất trong khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ trong 5 đợt mưa lớn diện rộng từ năm 2004 đến năm 2006, các công thức liên hệ giữa cường độ mưa R và độ phản hồi radar Z’ dạng hàm mũ R = C10 DZ’ được tính cho từng trạm và chung cho cả khu vực nghiên cứu, trong đó các hệ số thực nghiệm C và D được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu nhờ phần mềm EVIEW. Việc đánh giá sai số của các công thức này cũng cho thấy chúng có độ chính xác cao hơn hẳn công thức kinh điển dạng lũy thừa của Marshall-Palmer [1]. Khác với công thức Marshall-Palmer cho kết quả tính toán cường độ mưa thiên âm mạnh, phần lớn các công thức tự tính cũng có tình trạng thiên âm, nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. Các công thức riêng cho từng trạm có độ chính xác cao hơn công thức chung cho cả vùng. Từ khóa: Công thức thực nghiệm, độ phản hồi radar, cường độ mưa. 1. Mở đầu Trước đây chúng tôi cũng đã đưa ra các công thức dạng hàm lũy thừa cho vùng này [3], Tiếp nối bài báo trước đây xác định công song sai số tính cường độ mưa vẫn rất lớn. Để thức thực nghiệm tính trực tiếp cường độ mưa giảm sai số và tăng độ tiện ích, trong bài này Trung Trung Bộ [2], bài này trình bày kết quả chúng tôi xây dựng các công thức tính trực tiếp tính toán tương tự đối với khu vực Bắc Trung cường độ mưa R (coi là hàm) từ độ phản hồi Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ- nơi mà radar radar Z’ (coi là biến) cho khu vực Bắc Trung thời tiết thường (không Doppler, đã số hóa) Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ. TRS-2730 (do Pháp chế tạo) đặt tại Vinh có thể vươn tới được. 2. Phương pháp xử lí số liệu và đánh giá kết quả Phương pháp tính toán vẫn như trong bài _______  báo [1], tức là dùng phương pháp bình phương ĐT: 84-904291148 E-mail: diennh@vnu.vn tối thiểu với sự trợ giúp của phần mềm EVIEW 51
52 N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 để xác định các hệ số trong công thức thực tuyệt đối MAE và sai số trung bình toàn nghiệm. Sau đó, công thức thực nghiệm thu phương RMSE. được sẽ được đánh giá sai số trên tập số liệu độc lập. Số liệu sử dụng gồm số liệu đo mưa bằng vũ lượng kí tại 5 trạm trong khu vực, đó là 3. Các kết quả xác định và đánh giá các công các trạm Đô Lương, Hương Khê, Quỳnh Lưu, thức Thanh Hóa và Ninh Bình, trong 5 đợt mưa diện 3.1. Kết quả vẽ đồ thị theo số liệu thực và xác rộng từ năm 2004 đến năm 2006, số liệu quan định công thức trắc độ phản hồi vô tuyến Z’ (= 10lgZ với đơn vị là dBZ) do radar đặt tại Vinh (Nghệ An) đo Chúng tôi tiến hành xây dựng công thức được đồng thời trong các đợt mưa đó. Việc qui thực nghiệm cho từng trạm, sau đó cho toàn toán số liệu và đánh giá kết quả cũng vẫn như vùng (bao gồm cả 5 trạm), nhưng ở đây chỉ nêu trong bài báo [1], tức là từ số liệu lượng mưa kết quả ứng với một vài trạm nào đó như một ví trong từng 5 phút một trên giản đồ vũ lượng kí dụ. Chẳng hạn, các kết quả vẽ đồ thị Z’-R qui ra cường độ mưa (mm/h) và số liệu độ phản (Scatter – plot) dựa trên các số liệu thực đối với hồi Z’(dBZ) trên các ảnh của Radar tại Vinh trạm Đô Lương và Hương Khê khi lấy Z’ trung phải lấy trung bình trong một miền tròn bán bình trong vòng tròn bán kính 10 km quanh kính 10km có tâm tại trạm vũ lượng kí ở cùng trạm được cho trong Hình 1. thời điểm với số liệu đo mưa. Các chỉ số đánh giá là sai số trung bình ME, sai số trung bình Hình 1. Đồ thị Z’-R với độ phản hồi trung bình lấy trong vòng bán kính 10km trạm Đô Lương và Hương Khê. Từ Hình 1 ta thấy độ phản hồi vô tuyến Z’ phương tối thiểu (thiết lập và giải hệ phương (dBZ) và cường độ mưa R (mm/h) có mối quan trình tuyến tính đối với các hệ số) [4]. Lưu ý hệ phi tuyến dạng logarit. Do đó ta xây dựng rằng Z’=10lgZ, công thức (1) có thể biến đổi công thức thực nghiệm thể hiện mối quan hệ thành dạng lũy thừa Z=ARB như Marshall- theo dạng loga: Palmer và nhiều tác giả đã làm [1]. Tuy nhiên, Z’= a + blgR (1) vì hàm cần tính là R (chứ không phải là Z’), ta Các hệ số thực nghiệm a và b có thể xác sẽ tìm công thức thực nghiệm tương đương với định một cách giải tích bằng phương pháp bình (1) nhưng dưới dạng hàm mũ R=C10D.Z’. Phần mềm EVIEW sẽ giúp xác định trực tiếp các hệ
N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 53 số C và D tham gia vào công thức một cách phi Bình -5,0067 5,0143 6,2763 -2,1483 2,4894 3,9944 tuyến mà không phải tính qua a và b, tránh Chung -6,6875 6,8936 8,6832 được các sai số gây ra bởi việc tuyến tính hóa công thức theo cách tính giải tích. Với mỗi trạm Các sai số của các công thức cũng được và toàn vùng ta thu được 6 công thức dạng hàm biểu diễn thành các đồ thị dạng cột (Hình 2, 3 và 4) để dễ dàng so sánh trực quan chúng với mũ. Các hệ số của chúng được cho trong Bảng nhau. 1. 1 Để dễ dàng so sánh độ chính xác của các 0 công thức tự tính với công thức Marshall – -1 Palmer, ta đưa nó từ dạng hàm lũy thừa -2 Z=200R1,6 về dạng hàm mũ R=0,36.100,0625Z’. -3 Hương Khê tự tính Đô Lương Thanh Hóa Marshall-Palmer -4 Quỳnh Lưu Bảng 1. Kết quả tính hệ số C, D cho từng trạm và -5 Ninh Bình chung cho cả vùng -6 -7 Chung Tên trạm C D -8 Đô Lương 10,22347 0,303118 HươngKhê 10,29151 0,300676 Hình 2. Sai số ME(mm/h) của các công thức cho Quỳnh Lưu 8,63921 0,155494 từng trạm và cả khu vực. Thanh Hóa 11,22874 0,523971 Ninh Bình 15,09056 0,877932 8 C/thức chung 10,59924 0,412756 7 Chung 6 Quỳnh Lưu Ninh Bình 5 Đô Lương 3.2. Đánh giá công thức 4 Thanh Hóa tự tính Marshall-Palmer Hương Khê 3 Các sai số của tất cả các công thức tìm được 2 cho từng trạm và cả vùng (6 công thức) cũng 1 như của công thức Marshall-Palmer được cho 0 trong Bảng 2. Các sai số này đều được đánh giá trên tập số liệu độc lập. Hình 3. Sai số MAE(mm/h) của các công thức cho từng trạm và cả khu vực. Bảng 2. Sai số của công thức tính được (dòng trên 10 của mỗi hàng) và công thức Marshall-Palmer (dòng 9 Chung dưới của mỗi hàng) cho từng trạm và cho cả vùng 8 Quỳnh Lưu Thanh Hóa 7 Đô Lương Ninh Bình ME MAE RMSE Trạm 6 tự tính (mm/h) (mm/h) (mm/h) 5 Marshall-Palmer Đô -0,38121 0,46811 0,76868 4 Hương Khê Lương -3,2644 4,1522 6,2267 3 Hương 0,40102 0,84021 1,31343 2 Khê -2,4076 2,9853 3,5890 1 Quỳnh -1,0485 1,0485 1,1597 0 Lưu -4,4807 5,2339 7,4096 Thanh -0,6002 0,6298 0,6811 Hình 4. Sai số RMSE(mm/h) của các công thức cho Hóa -3,3597 3,3995 6,8216 từng trạm và cả khu vực. Ninh -0,7223 0,7223 0,9451
54 N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 Các chỉ số đánh giá trong Bảng 2 hoặc các của công thức Marshall-Palmer, chứng tỏ chúng Hình 2, 3 và 4 cho thấy: có độ chính xác cao hơn hẳn công thức này. - Các giá trị sai số của công thức Marshall- - Sai số trên từng trạm tính theo công thức Palmer lớn hơn nhiều so với các giá trị tương riêng nhỏ hơn so với sai số tính trên toàn vùng. ứng của các công thức tính được, kể cả công - Công thức của Marshall – Palmer cho giá thức chung cho cả vùng. trị tính toán cường độ mưa thiên âm mạnh đối - Sai số ME đối với công thức của Marshall với mọi trạm. Phần lớn các công thức tự tính – Palmer đều nhỏ hơn 0 đáng kể ở tất cả các cũng cho giá trị tính toán cường độ mưa thiên trạm, chứng tỏ cường độ mưa tính toán từ công âm, trừ ở trạm Hương Khê, nhưng ở mức độ thức của Marshall – Palmer thiên âm mạnh nhỏ hơn nhiều. (thường nhỏ hơn giá trị thực đo). Các công thức tự tính cũng có tình trạng thiên âm, trừ ở trạm Hương Khê, nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. Tài liệu tham khảo - Sai số của từng trạm nhỏ hơn so với sai số [1] Nguyễn Hướng Điền, Tạ Văn Đa, Khí tượng cho cả vùng. radar, NXB Đại học QG. Hà Nội, 2010. [2] Nguyễn Hướng Điền, Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan 4. Kết luận trắc bởi radar cho khu vực Trung Trung Bộ, Tạp chí Khoa học, ĐHQGHN, tập 26, số 3S, tr.317- 321, 2010. Từ những kết quả tính toán được ở trên, cho [3] Nguyễn Hướng Điền, Công thức thực nghiệm tính thấy: toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ, Tạp chí - Đã tính được 5 công thức riêng cho từng Khoa học, ĐHQGHN, tập 25, số 3S, tr. 390-396, trạm và 1 công thức cho toàn vùng (bao trùm 5 2009. trạm kể trên ). [4] L.Z. Rumsixki, Phương pháp toán học xử lý các kết quả thực nghiệm, Nhà xuất bản khoa học kỹ - Các công thức tính được có các giá trị sai thuật Hà Nội (dịch bởi Hoàng Hữu Như, Nguyễn số nhỏ hơn nhiều so với các giá trị tương ứng Bác Văn), 1972. Empirical formulas for calculating rainfall rate from radar reflectivity for the North Central region and South of the Red River Delta of Vietnam Nguyen Huong Dien Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam By using a dataset of reflectivity obtained from a weather radar station in Vinh (North Central of Vietnam) and observing rainfall rate from a network of five rain gauge stations located in the North Central Region and South of the Red River Delta during five heavy rainfall periods from 2004-2006,
N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 55 regression formulas between rainfall rate R and radar reflectivity Z’ in the exponential form of R = C10DZ’ were established for stations in which the regression coefficients C and D were obtained from the least squared best fit, using the EVIEW software. Evaluation of these empirical formulas showed that the new formulas had much higher accuracy than that obtained from the classical power form proposed by Marshall-Palmer. Unlike the Marshall-Palmer’s formulation that significantly understimates rainfall rate, the newly proposed formulas reduce the underestimation of rainfall rate substantially. Examination of the new formulas for each individual station also showed better results than a general formula for the entire region. Keywords: radar reflectivity, rainfall rate, empirical formula.