Báo cáo nghiên cứu khoa học " Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi Radar cho khu vực Trung Trung Bộ "

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

109
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để có thể tính được cường độ mưa R ở từng điểm trong vùng mưa, trên thế giới đã có nhiều công thức thực nghiệm liên hệ giữa nó với độ phản hồi radar Z (trong đơn vị mm6/m3) được sử dụng. Ở Việt Nam, trước đây chỉ có một vài công thức như vậy được xác lập cho một vài khu vực khác nhau.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học " Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi Radar cho khu vực Trung Trung Bộ "

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 317‐321 Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi Radar cho khu vực Trung Trung Bộ Nguyễn Hướng Điền* Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN 334 Nguyễn Trãi, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 11 tháng 8 năm 2010 Tóm tắt. Để có thể tính được cường độ mưa R ở từng điểm trong vùng mưa, trên thế giới đã có nhiều công thức thực nghiệm liên hệ giữa nó với độ phản hồi radar Z (trong đơn vị mm6/m3) được sử dụng. Ở Việt Nam, trước đây chỉ có một vài công thức như vậy được xác lập cho một vài khu vực khác nhau. Tuy nhiên, các radar thế hệ mới sản xuất trong vài thập kỉ gần đây không còn trực tiếp đo độ phản hồi radar Z nữa, mà lại đo độ phản hồi radar Z’ (trong đơn vị dBZ), thêm vào đó các công thức trước đây đều coi Z là hàm của R, dẫn đến sai số lớn khi tính toán R. Để giảm sai số và tăng độ tiện ích, chúng tôi đã xây dựng các công thức tính trực tiếp R (coi là hàm) từ Z’ (coi là biến) dựa trên các số liệu đo mưa mặt đất của 6 trạm vũ lượng kí ở khu vực Trung Trung Bộ và độ phản hồi vô tuyến Z’ mà radar Doppler tại Tam Kỳ quan sát được trong các đợt mưa lớn diện rộng năm 2008. Các công thức có dạng hàm mũ R = C10DZ’ được tính cho từng trạm và chung cho cả vùng Trung Trung Bộ, trong đó các hệ số thực nghiệm C và D được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu. Việc đánh giá sai số của các công thức này cho thấy chúng có độ chính xác cao hơn hẳn công thức kinh điển dạng lũy thừa của Marshall-Palmer, 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 . M ở đầ u ∗ Sóng điện từ gặp các mục tiêu, bị mục tiêu hấp thụ, tán xạ, một phần năng lượng có thể xuyên Mưa là một trong những yếu tố khí tượng qua mục tiêu và đi tiếp. Sóng điện từ tán xạ bởi được quan tâm nhiều nhất, nhưng cũng khó dự mục tiêu theo mọi hướng, một phần quay trở lại báo và tính toán nhất. Các radar thời tiết có thể anten và được anten thu lại, đưa vào máy thu xử quan sát được khá chính xác những vùng mưa lí và kết quả được hiển thị trên màn hình [1]. hoặc mây, chúng cũng giúp cho việc tính toán Nhờ phương trình radar: cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến của Cr Z Pr = vùng mưa mà radar quan trắc được. La , (1) r2 Máy phát của radar tạo ra một sóng điện từ trong đó mạnh truyền vào khí quyển thông qua anten. La - độ truyền qua khí quyển; r - khoảng cách từ radar đến mục tiêu _______ Cr-hằng số radar (gộp các thông số của radar) * ĐT: 84-4-38584943. Email: diennh@vnu.vn 317
318 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 317‐321 N - Sai số do công thức tính cường độ mưa Z = ∑ K i Di6 (độ phản hồi vô tuyến của 2 không bao hàm hết các đặc tính của vùng mưa, i =1 - Sai số do các hiệu ứng xảy ra bên dưới mục tiêu hay độ phản hồi radar với đơn vị mây (gió, bốc hơi, hợp nhất các hạt…). thông dụng là mm6/m3), Ở Việt Nam, cho đến nay đã có một số công 2 K i - giá trị tuỳ thuộc trạng thái pha của hạt, thức thực nghiệm có dạng hàm lũy thừa như Di - đường kính của hạt thứ i, N - số hạt trên được xây dựng, song sai số tính cường độ trong một đơn vị thể tích,radar có thể xác định mưa thường rất lớn. Tuy nhiên, các radar thế hệ được độ phản hồi của mục tiêu Z qua việc xác mới sản xuất trong vài thập kỉ gần đây không định Pr, r, La và biết trước Cr. còn trực tiếp đo độ phản hồi radar Z nữa, mà lại đo Z’ (trong đơn vị dBZ), giữa chúng có mối Thực tế cho thấy là cường độ mưa R càng quan hệ Z’=10lgZ; thêm vào đó các công thức lớn thì các hạt mưa càng to (Di), dẫn tới Z cũng trước đây đều coi Z là hàm của R, dẫn đến sai lớn, tức là giữa Z và R có một mối quan hệ. số lớn khi tính toán R từ Z. Để giảm sai số và Chính nhờ mối quan hệ này mà người ta tính tăng độ tiện ích, chúng tôi đã xây dựng các được R từ Z. công thức tính trực tiếp R (coi là hàm) từ Z’ (coi là biến) cho khu vực Trung Trung Bộ. 2. Phương pháp ước lượng mưa từ độ phản hồi vô tuyến của radar khí tượng 3. Phương pháp tính toán, qui toán số liệu và Có 3 phương pháp tính cường độ mưa từ: đánh giá kết quả - Độ phản hồi vô tuyến của vùng mây, mưa Dùng phương pháp bình phương tối thiểu - Độ suy yếu của năng lượng radar qua mưa [3] (với sự trợ giúp của phần mềm EVIEW) xác định các hệ số trong công thức thực nghiệm dựa - Độ suy yếu và độ phản hồi vô tuyến đồng trên các số liệu đo mưa bằng vũ lượng kí hoặc thời ở 2 bước sóng vũ lượng kế tại 6 trạm ở Trung Trung Bộ, số Phương pháp đầu là thông dụng nhất. Ở liệu quan trắc độ phản hồi vô tuyến Z’ (= 10lgZ Việt Nam có thể dùng phương pháp này. với đơn vị là dBZ) do radar đặt tại Tam Kỳ Năm 1948, Marshall – Palmer đưa ra mối (Quảng Nam) đo được trong một số đợt mưa quan hệ thực nghiệm dạng lũy thừa Z = A.RB diện rộng. Sau đó, công thức thực nghiệm thu với A=200 và B=1,6, trong đó đơn vị đo của R được sẽ được đánh giá sai số trên tập số liệu là mm/h và của Z là mm6/m3. độc lập. Sau này, nhiều tác giả đưa ra các công thức Để tiến hành xây dựng công thức, ta lần tương tự với các cặp hệ số A, B khác nhau, áp lượt thực hiện các bước sau: dụng cho các khu vực hoặc cho các dạng mưa + Vẽ đồ thị Z’-R (Scatter – plot) dựa trên khác nhau [2]. Các nguyên nhân gây ra sai số các số liệu thực có khá nhiều và có thể liệt kê thành mấy nhóm + Nhận định dạng đồ thị sau [1]: + Nhận định dạng công thức thực nghiệm - Sai số do hệ thống thiết bị radar, + Sử dụng phương pháp bình phương tối - Sai số do địa hình, thiểu để tính toán các hệ số của công thức.
319 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 317‐321 - Số liệu và cách qui toán sơ bộ vùng Trung Trung Bộ (bao gồm cả 6 trạm), nhưng ở đây chỉ nêu kết quả ứng với một vài + Chọn số liệu đo mưa tại 6 trạm vũ lượng trạm nào đó như một ví dụ. Chẳng hạn, các kết kí ở khu vực Trung Trung Bộ, đó là các trạm quả vẽ đồ thị Z’-R (Scatter – plot) dựa trên các Hiệp Đức, Thành Mỹ, Thượng Nhật, Quảng số liệu thực đối với trạm Hiệp Đức và Thành Ngãi, Hiên và Hội Khách, trong các đợt mưa Mỹ khi lấy Z’ trung bình trong vòng tròn bán diện rộng trong năm 2008. kính 10 km quanh trạm được cho trong hình 1. + Số liệu cường độ mưa qui toán theo lượng mưa trong từng 5 phút một từ giản đồ vũ lượng kí rồi qui ra cường độ mưa (mm/h). + Số liệu độ phản hồi từ các ảnh của Radar Doppler tại Tam Kỳ (Quảng Nam), lấy trung bình trong một miền tròn bao quanh trạm vũ lượng kí có bán kính 10km ở cùng thời điểm với số liệu đo mưa. - Các chỉ số đánh giá [4] + Sai số trung bình ME: N ∑ (F − O ) i i ME = i =1 , (2) N trong đó, Fi là giá trị dự báo, Oi là giá trị quan trắc và N là dung lượng mẫu. + Sai số trung bình tuyệt đối MAE: N ∑ F −O i i MAE = i =1 , (3) N + Sai số trung bình bình phương MSE Hình 1. Đồ thị Z’-R với độ phản hồi trung bình + Sai số trung bình toàn phương RMSE: lấy trong vòng bán kính 10km trạm Hiệp Đức và Thành Mỹ. N 1 ∑ (F − O ) 2 RMSE = , (4) i i N i =1 Từ hình 1 ta thấy độ phản hồi vô tuyến Z’ (dBZ) và cường độ mưa R (mm/h) có mối quan 4. Các kết quả xác định và đánh giá các công hệ phi tuyến dạng logarit. Do đó ta xây dựng th ứ c công thức thực nghiệm thể hiện mối quan hệ theo dạng loga: 4.1. Kết quả vẽ đồ thị theo số liệu thực và xác Z’= a + blgR (5) định công thức Theo phương pháp bình phương tối thiểu, các hệ số thực nghiệm a và b được xác định Chúng tôi tiến hành xây dựng công thức thông qua việc giải hệ phương trình sau đây: thực nghiệm cho từng trạm, sau đó cho toàn
320 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 317‐321 an + b∑ lg R = ∑ Z' ⎧ bảng 2 và 3. Các sai số này đều được đánh giá ⎨ (6) trên tập số liệu độc lập. ⎩a ∑ lg R + b∑ (lg R ) = ∑ Z' lg R 2 Bảng 2. Sai số của công thức tính được cho từng trong đó n là dung lượng mẫu. trạm và cho cả vùng Qua một vài biến đổi đơn giản, công thức (5) trở thành: Trạm ME MAE RMSE Thành Mỹ -0.27609 0.27609 11.7131 D.Z’ R=C10 (7) Hiệp Đức 1.745869 1.745869 10.5877 -(a /b) với C=10 và D=1/b Thượng Nhật 0.586615 0.586615 10.7409 Quảng Ngãi -0.28928 0.28928 11.4543 Để dễ dàng so sánh với công thức thực Hiên -0.35695 0.35695 4.51845 nghiệm do Marshall – Palmer đưa ra, ta biến Hội Khách 1.6884 1.6884 4.99912 đổi công thức Marshall – Palmer về dạng hàm Cả vùng -1.819075 1.819075 11.9862 mũ. Công thức Marshall-Palmer được cho dưới Bảng 3. Sai số của công thức Marshall-Palmer tính dạng hàm lũy thừa Z=ARB với: cho từng trạm và cho cả vùng A=200 B= 1,6 Trạm ME MAE RMSE Z tính bằng mm6/mm3 và R tính bằng mm/h. Để Thành Mỹ -4.69165 4.69165 15.6252 đưa nó về dạng R= C10D.Z’, cần lưu ý rằng giữa Hiệp Đức -6.5476 6.5476 16.201 Z và Z’ có mối quan hệ Z’=10lgZ. Qua một số Thượng Nhật -5.6307 5.6307 15.8422 biến đổi đơn giản ta thu được Quảng Ngãi -4.42581 4.42581 14.6680 Hiên -6.42702 6.42702 8.53497 C=A-1/B=200-1/1.6=0.036 Hội Khách -6.98372 6.98372 10.8975 D=1/B=0.0625. Cả vùng -8.69165 8.69165 15.6252 Các chỉ số đánh giá trong bảng 2 và 3 cho Với mỗi trạm và toàn vùng ta thu được 7 thấy: công thức như vậy. Các hệ số của chúng được - Sai số ME của các công thức tính được cho trong bảng 1. tương đối nhỏ nhưng sai số RMSE còn tương Bảng 1. Kết quả tính hệ số C, D cho từng trạm và đối lớn. chung cho cả vùng - Sai số của công thức Marshall-Palmer lớn hơn đáng kể so với sai số của các công thức D Tên trạm C tính được, kẻ cả công thức chung cho cả vùng. Thành Mỹ 0.107345 0.074313 - Chỉ số ME (BIAS) đánh giá cho công thức Thượng Nhật 0.314605 0.069886 của Marshall – Palmer nhỏ hơn 0 chứng tỏ, ước Hiệp Đức 1.669762 0.038004 lượng cường độ mưa từ công thức của Marshall Quảng Ngãi 0.206588 0.062065 -Palmer cho giá trị nhỏ hơn giá trị thực đo được. Hiên 0.207697 0.063925 Hội Khách 0.82461 0.04427 - Sai số của từng trạm nhỏ hơn so với sai số chung 6 trạm 0.360214 0.058125 cho cả vùng. Điều này cũng dễ hiểu, vì khi tính trên toàn vùng, ta đã không tính đến sự khác 4.2.Đánh giá công thức biệt địa lý giữa các trạm. Sai số còn lớn có thể do những nguyên nhân Các sai số của tất cả các công thức tìm được đã nêu trong mục mở đầu và có thể do tập số cho từng trạm và cả vùng (cả 6 trạm) cũng như liệu chưa đủ lớn. của công thức Marshall-Palmer được cho trong
321 N.H. Điền / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010) 317‐321 4. Kết luận Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hướng Điền, Tạ Văn Đa, Khí tượng Từ những kết quả tính toán được ở trên, radar, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2010. bước đầu cho thấy: [2] Ronald E. Rinechart, Radar for Meteorologists, - Đã tính được 6 công thức riêng cho từng University of North Dakota, USA, 1992. trạm riêng và 1 công thức cho toàn vùng (bao [3] L.Z. Rumsixki, Phương pháp toán học sử lý các trùm 6 trạm kể trên ). kết quả thực nghiệm, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội (dịch bởi Hoàng Hữu Như, Nguyễn - Sai số trên từng trạm tính riêng từng công Bác Văn), 1972. thức nhỏ hơn so với sai số tính trên toàn vùng. [4] Phan Văn Tân, Các phương pháp thống kê trong - Sai số của các công thức tính được nhỏ khí hậu, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, hơn sai số của công thức Marshall-Palmer 2003. Empirical formulas for calculating rainrate from radar reflectivity for the Mid-Central Vietnam Nguyen Huong Dien Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, Hanoi University of Science, VNU 334 Nguyen Trai, Hanoi, Vietnam To calculate the rainrate R (in mm/h) at each station, numerous relationships between R and the radar reflectivity Z (in mm6/m3) have been proposed in previous studies. In Vietnam, several formulas have also been presented for some isolated regions. However, modern radars do not directly measure the Z, but Z’ (in dBZ); in addition, all of formulas consider Z as a function of the rainrate R that leads to larger errors. To reduce errors and increase the applicability, an empirical formula for calculating directly rainrate R from radar reflectivity Z’ will be presented in this study, based on the measured rainfall data of 6 surface stations in the Mid-Central Vietnam and the reflectivity Z’ observed by radar Doppler installed at Tam Kỳ station for a mesoscale heavy rain event in the year 2008. The relations expressed in the form R= C10DZ’ for each station and the Mid-Central Vietnam are constructed in which the empirical coefficients C and D are determined by the least square method. The errors associated with these formulas are considerably smaller than that from Marshall-Palmer, and the errors of the expression for each station are smaller than that for the entire region. Keywords: radar reflectivity, rainrate, empirical formula.