Luận văn thạc sĩ khoa học: Xây dựng công thức tính lượng mưa từ số liệu rađa Đốp - le cho khu vực Trung Trung Bộ - Hoàng Minh Toán

Chia sẻ: Minh Minh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:92

Thêm vào BST

Báo xấu

200
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn thạc sĩ khoa học - Đề tài: "Xây dựng công thức tính lượng mưa từ số liệu Ra Đa Đốp - le cho khu vực Trung Trung Bộ" giới thiệu chung về rađa, rađa thời tiết Tam Kỳ và hệ thống đo mưa tự động, ước lượng mưa từ độ phản hồi vô tuyến của rađa khí tượng, phương pháp tính toán và đánh giá sai số, chương trình tính toán, kết quả và kết luận.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ khoa học: Xây dựng công thức tính lượng mưa từ số liệu rađa Đốp - le cho khu vực Trung Trung Bộ - Hoàng Minh Toán

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- HOÀNG MINH TOÁN XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------- HOÀNG MINH TOÁN XÂY DỰNG CÔNG THỨC TÍNH LƯỢNG MƯA TỪ SỐ LIỆU RA ĐA ĐỐP-LE CHO KHU VỰC TRUNG TRUNG BỘ Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HƯỚNG ĐIỀN Hà Nội – 2009 2
Trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp tôi được: Đài Khí tượng Cao không đã cho phép tiếp cận, tìm hiểu, triển khai và nghiên cứu trên cặp số liệu khảo sát rađa thời tiết - số liệu đo mưa tự động. TT Quốc gia Dự báo KTTV-Phòng Dự báo Hạn ngắn, Đài Khí tượng Thuỷ văn Khu vực Trung Trung Bộ, Công ty CMT Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi được đến và làm việc hoàn thành kế hoạch nhanh chóng và đạt yêu cầu. Các chuyên gia Nhật Bản: GS.TS Matsumoto, GS.TS Kimpei ICHIYANAGI - Viện JAMSTEC, T.S.Hironari KANAMORI tại Đại học Tokyo, T.S Hideyuki KAMIMERA tại Viện JAMSTEC đã chuyển giao kỹ thuật, công nghệ, trang thiết bị và cùng chúng tôi xây dựng hệ thống đo mưa tự động. Bên cạnh đó còn có sự giúp đỡ của các đồng nghiệp: T.S. Trần Duy Sơn, T.S. Ngô Đức Thành, Th.S. Nguyễn Viết Thắng, Th.S. Đào Thị Loan v.v... tại Đài Khí tượng Cao không, T.S. Tạ Văn Đa tại Viện Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường. Sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, các bạn học viên ở Bộ môn Khí tượng- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS.T.S. Nguyễn Hướng Điền và sự giúp đỡ của T.S. Nguyễn Thị Tân Thanh . Cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn chân thành trước những sự giúp đỡ quý báu đó. Hà Nội, tháng 5/2009. 3
MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................... 4 MỞ ĐẦU....................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG...................................... 8 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA........................................................ 8 1.1.1. Lịch sử của rađa ................................................................................ 8 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động........................................................................ 8 1.1.3. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không ............ 10 1.1.4. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân giải của khối xung..................................................................................... 12 1.1.5.Các phương trình rađa Probert-Jones và phương trình rađa rút gọn đối với mục tiêu khí tượng .............................................................................. 15 1.2. RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ............................................................. 18 1.3.HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG ..................................................... 20 CHƯƠNG 2: ƯỚC LƯỢNG MƯA TỪ ĐỘ PHẢN HỒI VÔ TUYẾN CỦA RAĐA KHÍ TƯỢNG ........................................................................ 25 2.1. KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ MƯA.................................................... 25 2.1.1.Mưa và một vài loại mưa thường gặp ............................................... 25 2.1.2.Một số đặc trưng cơ bản................................................................... 26 2.1.3.Sự phân bố hạt mưa theo kích thước hạt........................................... 27 2.1.4.Phân cấp cường độ mưa ................................................................... 29 2.1.5.Sử dụng rađa để phát hiện mưa ........................................................ 30 2.1.6.Sử dụng rađa để ước lượng mưa....................................................... 31 2.2. CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY RA SAI SỐ KHI ƯỚC LƯỢNG MƯA BẰNG RAĐA KHÍ TƯỢNG ..................................................................... 34 2.2.1. Sai số do hệ thống thiết bị rađa........................................................ 35 2.2.2.Sai số do địa hình ............................................................................. 35 2.2.3.Các sai số do điều kiện truyền sóng dị thường trong khí quyển ........ 36 2.2.4.Các sai số do công thức tính cường độ mưa không bao hàm hết các đặc tính của vùng mưa .............................................................................. 37 2.2.5. Sai số do hệ thống thiết bị đo mưa mặt đất. ..................................... 38 4
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ . 39 3.1. PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG TỐI THIỂU ........................... 39 3.1.1.Đặt bài toán về cách tìm các tham số................................................ 39 3.1.2.Phương pháp bình phương tối thiểu.................................................. 40 3.2. TỔNG QUAN VỀ ĐÁNH GIÁ ........................................................... 44 3.2.1. Một số kiến thức cơ bản về đánh giá ............................................... 44 3.2.2. Một số đại lượng thống kê khách quan thường được sử dụng trong đánh giá .................................................................................................... 45 CHƯƠNG 4. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN, KẾT QUẢ VÀ KẾT LUẬN .......................................................................................................... 48 4.1. TIẾN HÀNH XÂY DỰNG CÔNG THỨC...................................... 48 4.1.1.Thu thập số liệu................................................................................ 48 4.1.2 Xử lí số liệu và đồng bộ số liệu theo thời gian.................................. 49 4.1.3 Tính toán và đánh giá công thức....................................................... 56 4.1.3 Giới thiệu phần mềm tính toán và kiểm nghiệm ............................... 58 4.2 KẾT LUẬN........................................................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 63 PHỤ LỤC.................................................................................................... 65 PL1. Dạng đầu vào số liệu rađa................................................................. 65 PL2. Dạng đầu vào của đo mưa tự động mặt đất. ...................................... 66 PL3.Mã nguồn phần mềm. ........................................................................ 69 PL4.Kết quả tính toán ............................................................................... 91 5
MỞ ĐẦU Thời tiết ảnh hưởng rất lớn đến đời sống kinh tế–xã hội của loài người. Việc dự báo các hiện tượng thời tiết ngày càng trở nên cần thiết và trở thành mối quan tâm nhiều quốc gia trên thế giới. Dự báo thời tiết thông qua dự báo các yếu tố: áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, gió, mưa... Như chúng ta đã biết, mưa lớn là nguyên nhân chính gây ra lũ ở vùng Trung Trung bộ và đã để lại những hậu quả rất nghiêm trọng cho vùng này trong nhiều năm qua nhất là trong thời gian gần đây, vì thế dự báo định lượng mưa được quan tâm nhiều nhất. Để đo mưa định lượng (xác định cường độ mưa, tổng lượng mưa giờ, ngày…) được tiến hành với nhiều phương pháp trực tiếp hoặc gián tiếp, một trong những phương pháp đó là sử dụng ra đa khí tượng. Ra đa có nhiều ưu điểm mạnh trong đo mưa định lượng so với mạng lưới trạm đo mưa trực tiếp tại mặt đất như: đo trong phạm vi rộng, xác định được diện tích vùng mưa, đo mưa với độ phân giải cao về không gian và thời gian. Ra đa có thể đo mưa tại các vùng sâu, vùng xa, ngoài biển nơi xây dựng rất khó khăn hoặc không thể xây dựng được những hệ thống trạm đo đạc yếu tố khí tượng bề mặt. Hơn thế nữa ra đa còn có thể xác định được cấu trúc không gian ba chiều của trường mây và mưa trong vùng hoạt động của ra đa. Tuy nhiên, thực tế biến động của trường mưa rất phức tạp, nhất là tính biến động ngẫu nhiên của chúng theo quy mô thời gian và không gian, thể hiện qua cường độ, phạm vi. Bên cạch đó hệ thống các trạm đo mưa trên lãnh thổ Việt Nam vẫn còn khá thưa thớt, một số vùng quan trọng mạng trạm đo mưa không đủ dày, độ chính xác ước lượng mưa bằng ra đa phụ thuộc rất nhiều vào các tham số như: độ rộng, mức độ bị che khuất của cánh sóng ăng ten, Một điểm nữa là các công thức tính lượng mưa khu vực Trung trung Bộ chưa có hoặc mới ở giai đoạn áp dụng thử nghiệm vài hệ số thực nghiệm của 6
nước ngoài, vì thế ảnh hưởng rất lớn tới các phương pháp dự báo thời tiết, cảnh báo hệ quả của hiện tượng thời tiết nguy hiểm. Xuất phát từ nhu cầu có được số liệu tốt phục vụ mục đích dự báo, điều tra, nghiên cứu nên việc sử dụng những tính năng ưu việt của ra đa thời tiết kết hợp với hệ thống đo mưa tự động để đo mưa mà đặc biệt là mưa diện rộng chính là mực tiêu của luận văn này. 7
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA, RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ VÀ HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG 1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ RAĐA 1.1.1. Lịch sử của rađa Rađa là sản phẩm của sự phát triển kỹ thuật vô tuyến và điện tử học hiện đại, nó được đưa vào sử dụng từ trước chiến tranh thế giới lần thứ II ở các nước có nền khoa học tiên tiến. Rađa được sử dụng cho mục đích quân sự, dùng để phát hiện máy bay khi chúng vẫn nằm ngoài vùng nhìn thấy được, rồi hiển thị lên màn hình rađa. Công cụ này ngày càng được sử dụng rộng rãi để phục vụ cho mục đích quân sự. Ngày nay, khi công nghệ khoa học kỹ thuật phát triển, rađa có tác dụng lớn trong quốc phòng, kinh tế quốc dân và cả trong nghiên cứu khoa học. Nhờ những ưu điểm nổi bật mà rađa được sử dụng rộng rãi trong ngành khí tượng nhằm phát hiện, theo dõi, nghiên cứu mục tiêu, trong đó có các mục tiêu khí tượng. 1.1.2. Nguyên tắc hoạt động RADAR (RAdio Detection And Ranging) là một phương tiện kỹ thuật dùng để phát hiện và xác định vị trí của mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Có một điều thú vị là bản thân từ RADAR trong tiếng anh có thể đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà vẫn giữ nguyên các âm tiết như khi đọc xuôi, như thể nó mang hàm ý rằng sóng của rađa phát đi vào không gian và lại quay ngược trở lại rađa. Máy phát của rađa tạo ra một sóng điện từ mạnh truyền vào khí quyển thông qua anten. Trong quá trình truyền sóng trong khí quyển, sóng điện từ 8
gặp các mục tiêu, bị các mục tiêu tán xạ và hấp thụ. Mục tiêu tán xạ sóng điện từ theo mọi hướng trong đó một phần năng lượng sẽ quay trở lại anten. Hình 1.1. Anten rađa truyền Hình 1.2. Xung phản hồi lại rađa sóng vào khí quyển Anten nhận tán xạ sóng điện từ trở lại, tập hợp chúng và khuyếch đại chúng lên nhờ bộ phận khuyếch đại điện từ. Tuy vậy, tín hiệu trở về có mức năng lượng nhỏ hơn rất nhiều so với tín hiệu truyền đi. Mục tiêu càng tán xạ mạnh thì công suất tín hiệu nhận về càng cao. Sóng điện từ mà anten truyền ra có 3 thuộc tính cơ bản sau: - Tần số lặp (pulse repetition frequency) - Thời gian phát xung (transmission time) - Độ rộng cánh sóng (beam width). Tần số lặp là số lần xung phát trong một giây, nó tuỳ thuộc từng loại rađa. Thời gian phát xung (còn gọi là độ rộng xung) là khoảng thời gian mà rađa phát ra một xung. Khi một chùm tia di chuyển với tốc độ ánh sáng thì độ dài của một xung (pulse length) có thể được tính một cách dễ dàng qua thời gian phát xung. Độ rộng cánh sóng được xác định bởi độ rộng của góc hợp bởi hai tia có độ chói bức xạ bằng một nửa độ chói cực đại và ở những rađa 9
thời tiết hiện đại nó có độ lớn khoảng 10. Dựa vào độ rộng cánh sóng, độ dài của một xung và khoảng cách từ rađa tới xung ta có thể tính được thể tích xung phát (pulse volume). Hình 1.3. Hình ảnh mô tả sóng điện từ mà rađa truyền ra 1.1.3. Phương trình rađa đối với mục tiêu điểm trong chân không Khi lan truyền trong môi trường vật chất bất kì, sóng điện từ ít nhiều đều bị suy yếu dọc đường do bị hấp thụ và khuếch tán bởi các phần tử của môi trường. Trong chân không, sóng điện từ không bị suy yếu bởi các hiện tượng này mà chỉ bị suy yếu nếu năng lượng sóng phải phân bố trong một vùng không gian ngày càng rộng lớn hơn. Tuy nhiên, khí quyển sạch, không chứa các hạt aerosol (xon khí) chỉ hấp thụ và khuếch tán rất ít sóng vô tuyến điện từ mà các rađa thường sử dụng, do vậy có thể xem nó như một môi trường không gây ra sự suy yếu sóng. Trong mục này ta xét một mục tiêu điểm nằm trong môi trường như vậy hoặc trong chân không. Nếu anten phát sóng với công suất xung Pt và hệ số khuếch đại của anten là G thì tại mục tiêu ở khoảng cách r sẽ có mật độ dòng năng lượng sóng điện từ Im là: 10
Pt G Im  (1.1) 4r 2 Như vậy, nếu mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng là m thì dòng (thông lượng) năng lượng do mục tiêu tán xạ ra mọi hướng sẽ là: Pt G Pm  I m  m  m (1.2) 4r 2 Mật độ dòng năng lượng thu được tại anten rađa Ia là: Pm PG 1 Pt G Ia   t 2 m  m (1.3) 4r 2 4r 4r 2 16 2 r 4 Từ đây dễ dàng nhận thấy khi anten có diện tích phản xạ hiệu dụng Ae, dòng năng lượng điện từ tại anten thu (tức công suất thu) của rađa sẽ là: Pt GAe Pr  I a Ae  m (1.4) 16 2 r 4 Giữa hệ số khuếch đại G và diện tích phản xạ hiệu dụng Ae của anten lại có mối quan hệ sau: G 2 Ae  (1.5) 4 Thay (1.5) vào (1.4) ta được công suất thu: Pt G 2  2 Pr  m (1.6) 64 3 r 4 Hệ thức (1.6) là phương trình rađa cho một mục tiêu điểm trong chân không (hoặc trong môi trường không gây ra sự suy yếu sóng của rađa). 11
1.1.4. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng. Thể tích phân giải của khối xung Độ lớn của năng lượng phản xạ được đánh giá bởi thông số m , gọi là diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m phụ thuộc không những vào kích thước, trạng thái, nhiệt độ và sự phân bố của các hạt mà còn vào tần số sóng (hoặc bước sóng). Việc tính toán m bằng giải tích là phức tạp, vì như trên đã nói, bản thân mục tiêu khí tượng rất phức tạp. Để đơn giản, người ta tính toán m của mục tiêu khí tượng với các giả thiết sau: - Coi như các hạt đều có hình cầu, bán kính a của hạt nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng  (a  /32 = 0,03); khi đó diện tích phản xạ hiệu dụng của một hạt thứ i nào đó được tính bằng hệ thức thu được từ lí thuyết tán xạ của Rayleigh: 64 5 6 2 i  a Ki (1.7) 4 i 2 2 mi2  1 trong đó, K i  phụ thuộc vào trạng thái pha, nhiệt độ của hạt m i2  2 và bước sóng (ở đây mi là chỉ số khúc xạ phức của hạt thứ i) . Sự phụ thuộc của K i 2 vào bước sóng và nhiệt độ không lớn lắm. K i 2 phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái pha của hạt. Đối với hạt nước, K i 2 có giá trị bằng 0,93  0,004, trong khi đó đối với hạt băng K i 2 có giá trị bằng cỡ 0,197 tức là nhỏ hơn khoảng 5 lần. - Sự phân bố các hạt không ảnh hưởng lẫn nhau, nghĩa là khoảng cách giữa các hạt đủ lớn để trường điện từ của các hạt không tác dụng qua lại, lúc đó diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng trong một đơn vị thể 12
tích là tổng các diện tích phản xạ hiệu dụng của tất cả các hạt trong đơn vị thể tích đó. Diện tích phản xạ hiệu dụng  của một đơn vị thể tích của mục tiêu khí tượng là: N 64π 5 N    i  K 2 i ai6 (1.8) i 1 λ4 i 1 trong đó N là số hạt trong một đơn vị thể tích.  còn gọi là hệ số tán xạ, có đơn vị là m-1. - Tín hiệu phản xạ thu được tại đầu vào của máy thu rađa tại một thời điểm là tín hiệu phản xạ từ tập hợp tất cả các hạt nằm trong một phần Vu của thể tích khối xung, cùng về tới máy thu cùng vào thời điểm đó. Vu được gọi là thể tích phân giải của khối xung. Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng m khi đó sẽ là: N  m  Vu .  Vu   i (1.9) i 1 Một cách gần đúng, có thể chứng minh được rằng Vu bằng nửa thể tích khối xung. Thật vậy, khi một khối xung nằm trọn trong một mục tiêu khí tượng (hình 1.14), các hạt mây hoặc mưa trong khối xung sẽ bị sóng chiếu vào và cùng tạo ra các sóng phản hồi. Tuy nhiên, các sóng phản hồi này lại không về tới rađa cùng một lúc vì khoảng cách từ nơi phản hồi tới rađa không bằng nhau. Chẳng hạn, do khoảng cách giữa mặt sóng đầu và cuối là h (chiều dài không gian của khối xung) nên các sóng từ những hạt ở mặt sóng cuối của khối xung sẽ về đích trước các sóng từ những hạt ở mặt sóng đầu một khoảng thời gian bằng  (   h ). Do thời gian phân giải của radar bằng /2 (tức là các c tín hiệu thu ở những thời điểm quá gần nhau, cách nhau ít hơn /2 thì rađa không phân biệt được), như vậy công suất thu ở một thời điểm t thực chất là 13
công suất trung bình trong cả một khoảng thời gian bằng /2 (từ t   / 4 đến t  / 4) do đóng góp của tất cả các hạt nằm trong một nón cụt có chiều dài bằng h/2 (h là chiều dài không gian của một xung) dọc theo búp sóng ở lân cận khoảng cách r (từ r  h/4 đến r  h / 4 ), mặt bên là mặt bên của búp sóng. Thể tích của nón cụt này xấp xỉ bằng nửa thể tích của khối xung, theo định nghĩa, chính là thể tích phân giải của khối xung và có thể tính được như sau: h Vu  R 2 (1.10) 2 trong đó R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R, độ rộng cánh sóng  (tính bằng rađian) và khoảng cách từ rađa đến mục tiêu r có mối liên hệ:  Rr (1.11) 2 Do vậy: 2  r  h r  h 2 2 Vu      (1.12)  2  2 8 Hình 1.4. Để tính nửa thể tích xung phát Tuy nhiên, muốn tính chính xác hơn thể tích phân giải của khối xung, Probert và Jones đã tính đến sự khác biệt giữa vai trò của các hạt nằm dọc theo trục của búp sóng với những hạt nằm xa trục đó vì rõ ràng là công suất 14
sóng chiếu tới chúng khác nhau. Với giả thiết “công suất” sóng phát mạnh nhất theo hướng trục búp sóng (Pmax) và giảm dần ra xung quanh (tới P1/2 ở rìa búp sóng) theo qui luật phân bố chuẩn, Probert và Jones đã tìm được công thức tính thể tích phân giải "hiệu dụng" của khối xung:  .r 2 2 h Vu  (1.13) 16 ln 2 Dưới đây ta sẽ dùng Vu tính theo công thức này (nếu búp sóng có dạng elip thì 2 trong công thức trên phải thay bằng tích ). Đưa các hệ thức của  và Vu từ (1.8) và (1.13) vào (1.9) ta có thể tính được diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng: π.r 2 .θ 2 h 64π 5 N 8π 6 r 2θ 2 h N K  K i ai6 2 2 m  . 4 i ai6  4 (1.14) 8 λ i 1 λ i 1 1.1.5.Các phương trình rađa Probert-Jones và phương trình rađa rút gọn đối với mục tiêu khí tượng Thay m từ hệ thức trên vào hệ thức (1.6), bỏ qua sự suy yếu dọc đường truyền của sóng rađa, ta có phương trình rađa đối với mục tiêu khí tượng như sau: Pt G 2 λ 2 64π 6 θ 2 h r 2 N π 3 Pt G 2 θ 2 c τ N  K 2 2 Pr  K i a i6  i Di6 (1.15) 64π 3 r 4 16 ln 2 λ 4 i 1 1024λ r 2 2 ln 2 i 1 Nếu tính đến sự suy yếu năng lượng dọc đường truyền trong khí quyển thực và dọc đường truyền từ anten đến máy thu, ta phải nhân vế phải của phương trình với một hệ số L (L
Phương trình (1.16) được gọi là phương trình rađa Probert-Jones đối với mục tiêu khí tượng trong môi trường khí quyển thực. Giá trị N Z   K i Di6 2 (1.17) i 1 được gọi là độ phản hồi vô tuyến (PHVT) của mục tiêu khí tượng . Đại lượng này có thứ nguyên là m3 trong hệ SI, còn trong Khí tượng rađa nó có thứ nguyên là mm6/m3. L trong phương trình Probert-Jones được gọi là độ truyền qua, nó có thể được viết lại thành: L  La Lrd (1.18) với La là độ truyền qua trong khí quyển, còn Lrd là độ truyền qua các đường dẫn sóng bên trong rađa. Nghịch đảo của các đại lượng này gọi là độ hao tổn (loss factor): 1 M - độ hao tổn toàn phần (1.19) L 1 Ma  - độ hao tổn trong khí quyển (1.20) La 1 M rd  - độ hao tổn qua các đường dẫn sóng bên trong rađa (1.21) Lrd Khi một rađa được lắp đặt, chỉ có những tham số sau đây không phải là cố định: độ phản hồi Z, độ hao tổn bởi môi trường Ma và khoảng cách r. Những tham số còn lại đều không đổi và được tổng hợp để tạo ra hằng số Cr (ở một chế độ hoạt động của rađa, Cr là không đổi). Phương trình rađa trên có thể viết dưới dạng đơn giản (rút gọn): 16
Cr Z Pr  La (1.22) r2 trong đó:  3 Pt G 2 2 c Cr  Lrd (1.23) 10242 ln 2 Cr được gọi là thế hay hằng số của rađa (chỉ phụ thuộc vào các thông số riêng của rađa). Giá trị của hằng số rađa được sử dụng để hiệu chỉnh độ phản hồi vô tuyến đo được bởi rađa. Độ truyền qua La luôn  1 (còn Ma thì luôn  1). La = 1 trong trường hợp không có sự hao tổn, tức không có sự suy yếu do hiện tượng hấp thụ và tán xạ sóng bởi môi trường dọc đường truyền. Sự suy yếu tuân theo định luật Bouguer-Lambert, cho nên độ truyền qua khí quyển được tính theo công thøc r 2 r r r  2   e dr    e dr  2  0,4343  e dr  2  ,e dr La  e 0  10 ln 10 0  10 0  10 0 . (1.24) trong đó e là hệ số suy yếu sóng trong khí quyển, còn  ,  0,4343 e e là độ suy yếu (attenuation), thường biểu thị trong đơn vị dB/km (1 dB/km = 10-4 m- 1 ). Khi có mây hoặc mưa dọc đường truyền sóng thì sự suy yếu chủ yếu do mây và mưa gây ra. Với một biến đổi nhỏ, phương trình trên sẽ có dạng: Pr r 2 P r2 Z Ma  r (1.25) Cr Cr La Với việc đo khoảng cách r và năng lượng phản hồi về tới radar Pr, phương trình trên cho phép các nhà khí tượng tính toán trực tiếp độ phản hồi vô tuyến Z của mục tiêu khi biết Cr và La. Trong thực tế, radar đo Pr và r rồi tự động tính Z bằng cách khuếch đại Pr với một số lần để bù lại sự suy yếu do khoảng cách và sự hao hụt cường độ phản hồi do suy yếu dọc đường truyền trong khí 17
r2 quyển và trong radar, tức là khuếch đại lên một số lần bằng hoặc Cr L a r2 Ma . ở các radar hiện đại, độ truyền qua La hoặc độ hao tổn Ma được tính Cr toán và sử dụng cho từng khoảng cách ngay trong lúc radar đang hoạt động (trong thời gian thực). Độ truyền qua La giảm đi nhiều khi tín hiệu phải truyền qua mây hoặc nhất là vùng đang mưa. Để hiệu chỉnh sự suy yếu trong mây hoặc mưa đối với Z, cần phải tính được La. Cần nói thêm rằng các radar chưa số hoá không thể tính được La (người ta chỉ coi La là một hàm của khoảng cách, chẳng hạn như coi nó tỉ lệ nghịch với r chứ không lấy được tích phân (1.24)), thậm chí ngay cả những radar số hoá thế hệ cũ với tốc độ tính toán không cao cũng không làm được điều này. Đối với các radar số hoá hiện đại thì khác, chẳng hạn như radar DWSR-2500C, người ta lấy  ,  AZ * b e tính ra dB/km, với A = 6,9.10-5 và b = 0,67 tại mọi điểm dọc đường truyền sóng (Z* là độ PHVT ở mỗi điểm trên đường truyền sóng) và tính được tích phân La một cách nhanh chóng; Hiệu chỉnh Z do suy yếu trong mây hoặc mưa (tính Z theo công thức (1.25), tức là r2 bằng cách khuếch đại Pr lên một số lần bằng sau khi tính được La) cần Cr L a được thực hiện sau khi đã hiệu chỉnh ảnh hưởng của địa hình. Z thu được cuối cùng thường được gọi là cường độ phản hồi vô tuyến đã hiệu chỉnh (corrected intensity), còn Z thu được khi không tính được tích phân La là cường độ phản hồi vô tuyến chưa hiệu chỉnh. 1.2. RAĐA THỜI TIẾT TAM KỲ. Trạm rađa Tam Kỳ là loại Doppler DWSR-93C được lắp đặt và sử dụng từ tháng 4 năm 1998 tại thành phố Tam Kỳ-Tỉnh Quảng Nam. Tuy quá trình hoạt động với thời gian dài các Modul của hệ thống đã xuống cấp, nhiều 18
bộ phận đã được sửa chữa, thay thế và hoạt động không thật sự ổn định nhưng rađa này đã đóng góp một phần không nhỏ trong công tác nghiệp vụ dự báo bão và các đợt mưa lớn. Hệ thống phần mềm điều khiển là EDGETM của Hãng EEC -Mỹ chạy trên hệ điều hành Unix 4.0, thuộc chủng loại ra đa tương đối hiện đại với các sản phẩm cơ bản như sau: Rađa DWSR thực hiện quét khối (volume scan) để thu được các số liệu thô tại một vùng không gian nào đó, từ đó có thể tái tạo các sản phẩm cơ bản và tạo ra các sản phẩm dẫn xuất. Sản phẩm cơ bản của rađa gồm: các ảnh về cường độ phản hồi, tốc độ gió Doppler, độ rộng phổ…. Từ số liệu quét khối có thể tạo ra các sản phẩm dẫn xuất nhờ các phần mềm. Một số sản phẩm dẫn xuất: a. Sản phẩm CMAX(Z): là sản phẩm hiển thị giá trị cường độ phản hồi vô tuyến cực đại (dBz) phía trên bề mặt diện tích. Với sản phẩm này cho phép ta xác định nhanh các ổ mây đố lưu, vùng có hiện tượng thời tiết nguy hiểm (dông mạnh, tố, lốc, mưa đá .. vv) b. Sản phẩm ETOP: là sản phẩm hiển thị đỉnh phản hồi vô tuyến của mây (độ cao mây km). Sản phẩm này có ý nghĩa quan trọng trong hàng không, bởi nó giúp phi công lựa chọn độ cao bay. Ngoài ra sản phẩm này còn là một trong các yếu tố quan trọng để xác định chỉ tiêu nhận biết hiện tượng thời tiết nguy hiểm (dông mạnh, tố, lốc, mưa đá .. vv). c. Sản phẩm LRA(Z): Giá trị phản hồi trung bình của một lớp phản hồi vô tuyến là sản phẩm độ PHVT trung bình giữa hai mặt cắt ngang song song với mặt đất. 19
d. Sản phẩm CAPPI(Z). Là giá trị PHVT trên mặt phẳng ở độ cao nhất định. e. Độ cao của PHVT cực đại (HMAX). Là giá trị độ cao mà ở đó PHVT đạt cực trị trên mỗi pixel bề mặt. f. Tổng lượng nước trong một cột mây VIL: là giá trị ước lượng tiềm lượng nước trong một đơn vị diện tích bề mặt mây (kg/m2). Giá trị VIL có ý nghĩa quan trọng trong việc xác định giữa dông nguy hiểm và dông không nguy hiểm g. Sản phẩm hiển thị profile tốc độ và hướng gió ngang VAD (Velocity Azimuth Display) là một trong những sản phẩm hữu hiệu nhất của ra đa DWSR. VAD tương tự như giá trị đo gió tức thời của TKVT. h. Sản phẩm lượng mưa tích lũy ACM (Accumulated Rainfall Mount) là độ dầy của lượng nước mưa tích lũy trên một diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian nhất định: 1, 3, 24h hoặc khoảng thời gian mà người sử dụng yêu cầu. i. Sản phẩm mặt cắt tùy chọn XSEC(Z): Là sản phẩm hiển thị mặt cắt đứng của độ PHVT dọc theo một tuyến bất kì mà người sử dụng lựa chọn. Tuy có nhiều sản phẩm như vậy nhưng việc khai thác chưa thật sự hiệu quả. Bởi các sản phẩm này chủ yếu hiển thị ngay tại máy quan trắc, còn nếu chuyển sang máy khác dạng đòi hỏi phải có phần mềm thứ cấp mô phỏng lại, hơn nữa các phần mềm thứ cấp này mới trong giai đoạn thử nghiệm. 1.3.HỆ THỐNG ĐO MƯA TỰ ĐỘNG Hệ thống đo mưa tự động bao gồm 32 trạm đặt trong bán kính quan trắc của rađa thời tiết Tam Kỳ, bắt đầu tiến hành khảo sát từ năm 2006. Đây là hệ 20