Luận văn thạc sĩ " XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

79
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hƣởng nặng nề nhất do thiên tai gây ra trong khu vực châu Á. Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển trải dài hơn 3.500 km, mỗi năm có từ 5-7 cơn bão gây ảnh hƣởng đến thời tiết của nƣớc ta, trong đó có từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào đất liền. Các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm cũng thƣờng xuyên xảy ra trên phạm vi cả nƣớc nhƣ: mƣa lớn diện rộng, mƣa đá, dông mạnh và tố lốc gây thiệt hại...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ "

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN -------------------------------  PHÙNG KIẾN QUỐC XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ Chuyên ngành: Khí tƣợng và Khí hậu học Mã số: 60. 44. 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Ngô Đức Thành Hà Nội - 2013
LỜI CẢM ƠN Ngƣời đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, đó là TS Ngô Đức Thành, ngƣời Thầy đã dạy tôi trong suốt thời gian học tập tại trƣờng và đặc biệt trong thời gian tôi làm luận văn tốt nghiệp. Mặc dù công việc hàng ngày rất bận rộn nhƣng Thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn khoa học để tôi có thể hoàn thành luận văn Thạc sỹ này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô ở Khoa khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, những ngƣời luôn tạo điều kiện và cho tôi kiến thức để tôi có thể tích lũy học hỏi và phấn đấu vƣơn lên trong sự nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trƣờng. Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Phòng Khí tƣợng ra đa, Đài Khí tƣợng Cao không, các bạn đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy Văn Trung ƣơng, Trung tâm Tƣ liệu Khí tƣợng Thủy văn đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Đài Khí tƣợng Cao không đã tạo điều kiện thời gian và cơ sở vật chất cho tôi đƣợc học tập trong quá trình công tác. Cuối cùng là lời cảm ơn dành cho gia đình tôi, những ngƣời đã đồng hành cùng tôi trong những năm tháng tôi theo khóa học. Phùng Kiến Quốc 1
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KTTV Khí Tƣợng Thủy Văn PHVT Phản Hồi Vô Tuyến RADAR RAdio Detection And Ranging CSDL Cơ Sở Dữ Liệu ĐKTCK Đài Khí Tƣợng Cao Không KTCK Khí Tƣợng Cao Không KTBM Khí Tƣợng Bề Mặt DWSR-2501C Ra đa thời tiết số hóa (Doppler) của Mỹ (Doppler Weather Service Radar) TRS-2730 Ra đa thời tiết không số hóa của Pháp MRL-5 Ra đa thời tiết số hóa của Nga NetCDF Dạng dữ liệu chuẩn trao đổi qua mạng (Network Common Data Form) PPI Sản phẩm quét ngang theo góc phƣơng vị nhất định (Plan Position Indicator) HMAX Độ cao của điểm có giá trị phản hồi vô tuyến cực đại CMAX Giá trị phản hồi vô tuyến cực đại ETOPS Giá trị độ cao đỉnh PHVT CAPPI (3km) Sản phẩm trƣờng PHVT trên cùng 1 độ cao 3km MAHASRI Monsoon Asian Hydro-Atmosphere Scientific Research and Prediction Initiative 2
DANH SÁCH CÁC BẢNG Số thứ TT Nội dung Trang tự bảng 1 2.1 So sánh lựa chọn miền lấy giá trị PHVT 26 2 3.1 Xác suất xảy ra dông tổng hợp trên sản phẩm CAPPI và 46 CMAX 3 3.2 Xác suất xảy ra dông theo độ cao đỉnh PHVT 47 3
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ Số TT thứ tự Nội dung Trang hình 1 1.1 Minh họa cách tính nửa thể tích xung phát 11 2 1.2 Quy hoạch mạng lƣới ra đa thời tiết đến năm 2020 13 3 1.3 Mô hình quét khối của ra đa DWSR 14 4 2.1 Vị trí các trạm đo mƣa tự động MAHASRI 21 5 2.2 Một số sản phẩm của ra đa thời tiết Tam Kỳ 23 6 2.3 Sơ đồ trích xuất giá trị PHVT 26 7 3.1 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Quảng 30 Ngãi năm 2007 8 3.2 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm 31 Trà My năm 2007 9 3.3 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm 32 Quảng Ngãi năm 2010 10 3.4 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm 33 Tam Kỳ 2010 11 3.5 Xác suất xảy ra dông tổng hợp trên sản phẩm CAPPI và CMAX 34 12 3.6 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 35 km 13 3.7 37 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 14 3.8 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 38 km 15 3.9 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 39 km 16 3.10 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < 42 R ≤ 100 km 17 3.11 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 42 km 18 3.12 Xác suất xảy ra mƣa trung bình theo tháng năm 2007 với bán kính 50 km 43 < R ≤ 100 km 19 3.13 Xác suất xảy ra mƣa trung bình theo tháng và khoảng cách năm 2010 44 20 3.14 Xác suất xuất hiện dông trên sản phẩm CAPPI, CMAX trạm Ba Tơ 45 21 3.15 Xác suất xuất hiện dông trên sản phẩm CAPPI, CMAX trạm Quảng Ngãi 46 4
MỤC LỤC Trang Mở đầu 7 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY 9 DỰNG CHỈ TIÊU MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA 1.1 Giới thiệu chung về ra đa thời tiết 9 1.1.1 Nguyên lý hoạt động của ra đa 9 1.1.2 Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa 9 1.1.3 Mạng lƣới ra đa thời tiết tại Việt Nam 12 1.1.4 Sơ lƣợc về trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ 13 1.2 Tổng Quan về xây dựng chỉ tiêu Mƣa và Dông 15 1.2.1 Trên thế giới 15 1.2.2 Ở Việt Nam 17 CHƢƠNG II: THU THẬP SỐ LIỆU, PHƢƠNG PHÁP TÍNH 20 TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 2.1 Thu thập số liệu 20 2.1.1 Số liệu quan trắc bề mặt 20 2.1.1.1 Số liệu đo mƣa mặt đất 20 2.1.1.2 Số liệu quan trắc dông 21 2.1.2 Số liệu ra đa thời tiết 22 2.2 Xử lý số liệu 23 2.2.1 Xử lý số liệu mƣa, dông 23 2.2.2 Xử lý số liệu ra đa 24 2.2.2.1 Một số đặc điểm về số liệu ra đa 24 2.2.2.2 Trích xuất số liệu ra đa 25 2.3 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu 27 2.3.1 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mƣa 27 2.3.2 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu dông 28 5
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC 29 ĐỊNH MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mƣa 29 3.1.1 Phƣơng pháp tính toán số liệu 29 3.1.2 Một số kết quả phân tích 35 3.1.3 Kết quả đánh giá chỉ tiêu theo tháng và trung bình theo khoảng cách 43 3.2 Tính toán xây dựng chỉ tiêu dông 45 3.2.1 Phƣơng pháp tính toán số liệu dông 45 3.2.2 Một số kết quả tính toán 45 Kết luận và kiến nghị 48 Tài liệu tham khảo 50 Phụ lục 52 6
MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hƣởng nặng nề nhất do thiên tai gây ra trong khu vực châu Á. Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển trải dài hơn 3.500 km, mỗi năm có từ 5-7 cơn bão gây ảnh hƣởng đến thời tiết của nƣớc ta, trong đó có từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào đất liền. Các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm cũng thƣờng xuyên xảy ra trên phạm vi cả nƣớc nhƣ: mƣa lớn diện rộng, mƣa đá, dông mạnh và tố lốc gây thiệt hại lớn về tài sản cũng nhƣ tính mạng của con ngƣời, làm ảnh hƣởng đến quá trình phát triển kinh tế của đất nƣớc. Dự báo thời tiết đặc biệt là Dự báo, cảnh báo các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm nhằm giảm thiểu thiệt hại do chúng gây ra là một việc hết sức cần thiết và cấp bách. Ra đa thời tiết là thiết bị sử dụng sóng vô tuyến điện để quan trắc, phát hiện, theo dõi và cảnh báo các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây nhƣ dông, tố, lốc, mƣa lớn, mƣa đá ...và đặc biệt là xác định vị trí tâm bão khi đi vào gần bờ, nơi các thiết bị quan trắc khác nhƣ vệ tinh không đảm bảo độ chính xác và các số liệu quan trắc truyền thống trên biển đông không đủ dày phục vụ xác định chính xác vị trí tâm bão. Với ƣu điểm nổi trội, ra đa thời tiết đã đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới trong việc quan trắc và giám sát các hiện tƣợng thời tiết (điển hình nhƣ: Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc...). Tuy nhiên để đƣa ra đa vào hoạt động hiệu quả, việc đầu tiên sau khi lắp đặt ra đa là phải xây dựng chỉ tiêu địa phƣơng đối với từng loại hiện tƣợng thời tiết riêng biệt. Mỗi vùng khác nhau sẽ có điều kiện khí hậu, các hệ thống thời tiết, điều kiện nhiệt, ẩm và tính chất giáng thuỷ khác nhau. Ra đa thời tiết hoạt động theo nguyên tắc phát sóng siêu cao tần vào không gian và thu nhận tín hiệu phản xạ trở lại từ các vật mục tiêu (ở đây là mây và các hiện tƣợng thời tiết liên quan) trên quãng đƣờng truyền sóng. Mức độ mạnh hay yếu của tín hiệu phản hồi vô tuyến (PHVT) thu đƣợc phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng và tính chất vật lý, hình dạng và mật độ phân bố hạt của mây. Ra đa thu nhận tất cả các giá trị PHVT trong bán kính quét của nó (bao gồm các giá trị phản hồi vô tuyến chƣa gây ra hiện tƣợng và đã gây ra hiện tƣợng thời tiết), mỗi hiện tƣợng thời tiết nhƣ mƣa, dông, mƣa đá… thƣờng có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tƣơng ứng với mỗi loại hiện tƣợng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận đƣợc các ngƣỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tƣợng. Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngƣỡng các giá trị PHVT tƣơng ứng 7
từng loại hiện tƣợng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tƣợng thời tiết cũng nhƣ ƣớc lƣợng lƣợng mƣa với độ chính xác cao nhất. Xuất phát từ những lý do nêu trên, để góp phần tăng thêm các cơ sở phục vụ cho cảnh báo mƣa, dông đối với khu vực Trung Trung Bộ trên cơ sở khai thác số liệu ra đa Tam Kỳ, tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: “Xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ”. Việc xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ đóng góp tích cực cho việc cảnh báo sớm hiện tƣợng thời tiết trong vùng hoạt động của ra đa. Nội dung của luận văn gồm có: MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: Tổng quan về ra đa thời tiết và xây dựng chỉ tiêu mƣa, dông cho trạm ra đa thời tiết. CHƢƠNG 2: Phƣơng pháp nghiên cứu và nguồn số liệu CHƢƠNG 3: Tính toán, xây dựng chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 8
CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA 1.1. Giới thiệu chung về ra đa thời tiết 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa: RADAR là từ viết tắt tiếng Anh của cụm từ “Radio Detection And Ranging” – là một phƣơng tiện kỹ thuật phát hiện và xác định mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Nguyên tắc hoạt động của ra đa dựa vào sự lan truyền, phản xạ của sóng điện từ. Khi ra đa phát 1 tín hiệu sóng điện từ vào không gian qua ăng ten, sóng lan truyền về phía mục tiêu, gặp mục tiêu bị phản xạ trở lại. Từ tín hiệu phản xạ trở lại, vị trí của vật mục tiêu sẽ đƣợc xác định thông qua các tham số bao gồm: khoảng thời gian giữa thời điểm phát đi tín hiệu điện từ và thời điểm nhận đƣợc tín hiệu phản hồi, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian (bằng tốc độ ánh sáng) và góc cao, góc hƣớng của ăng ten. Ra đa thời tiết hoạt động cũng trên nguyên tắc đó, nhƣng với đối tƣợng cụ thể là các mục tiêu khí tƣợng là giáng thủy. Độ lớn của tín hiệu phản xạ thu đƣợc phụ thuộc vào tính chất hạt của mục tiêu khí tƣợng gây ra phản hồi. Dựa trên độ lớn của tín hiệu thu đƣợc, qua các công thức toán học và tính toán thống kê ngƣời ta nhận dạng đƣợc các mục tiêu khí tƣợng. 1.1.2. Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa - Mục tiêu khí tượng: Mục tiêu khí tƣợng của ra đa chủ yếu là mây và mƣa. Ra đa thời tiết dùng để phát hiện mây, mƣa và các hiện tƣợng thời tiết liên quan. Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tƣợng là loại mục tiêu đặc biệt, chúng không phải là mục tiêu có tính chất đồng nhất mà gồm tập hợp các hạt nƣớc có hình dạng, kích thƣớc và trạng thái khác nhau. Có hai loại mục tiêu khác nhau: Mây: Là tập hợp các hạt nƣớc, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngƣng kết hơi nƣớc.Trong một đám mây, các hạt có thể tồn tại ở một thể thống nhất hoặc hỗn hợp ở hai thể rắn và lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác của môi trƣờng. Mƣa: Khi các hạt nƣớc, hạt đá, hạt băng tuyết trong mây đủ lớn, trọng lực của chúng thắng đƣợc lực cản của môi trƣờng, rơi xuống đất gọi là mƣa. - Tính chất của mục tiêu khí tượng 9
Mục tiêu khí tƣợng khác nhau về hình dáng, kích thƣớc và tính chất vật lý của chúng. Mây đối lƣu, là mây phát triển thẳng đứng. Chúng gồm một hoặc nhiều đám kết hợp với nhau, tồn tại từ vài chục phút đến vài giờ. Mây tầng và mây vũ tầng là mây phát triển theo chiều ngang, có diện tích lớn, tồn tại lâu từ vài giờ đến vài ngày. Tính chất vật lý vi mô của mây cũng thay đổi rất nhanh theo không gian và thời gian do các quá trình vật lý xảy ra trong đó. Trong mây đối lƣu, kích thƣớc và trạng thái hạt luôn thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi về kích thƣớc và trạng thái hạt theo không gian và thời gian dẫn đến sự thay đổi các đặc trƣng vật lý vô tuyến của mục tiêu khí tƣợng của ra đa thời tiết. - Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng Nhƣ đã nêu, mục tiêu khí tƣợng của ra đa thời tiết là mây và mƣa. Việc sử dụng nguyên lý ra đa trong quan trắc, phát hiện các mục tiêu nói trên là: ra đa bức xạ sóng điện từ vào không gian, khi gặp mây hoặc mƣa, một phần năng lƣợng sóng điện từ xuyên qua hạt tiếp tục đi vào không gian, một phần bị các hạt vật chất hấp thu chuyển hóa thành nội năng, một phần khác bức xạ ngƣợc trở lại theo mọi hƣớng khác nhau, trong đó có hƣớng đi về hƣớng ăng ten ra đa. Cƣờng độ của dòng năng lƣợng bức xạ ngƣợc trở lại ăng ten đƣợc quyết định bởi diện tích phản xạ hiệu dụng của mỗi hạt (  ) trong mây hoặc mƣa. Nếu giả thiết hạt là hình cầu thỏa mãn tán xạ Rayleigh thì ta có thể tính đƣợc  khi biết dộ dài bƣớc sóng và chỉ số khúc xạ của môi trƣờng thông qua công thức sau: 64 5 ai6 i = i 2 (1.1)  4 2 m 2 1 Trong đó  i  i2 2 (1.2) mi  2 Trong đó:  i - Diện tích phản xạ hiệu dụng của hạt vật chất a - Bán kính hạt và D là đƣờng kính hạt  - Độ dài bƣớc sóng ra đa (cm) mi- Chỉ số khúc xạ phức của hạt vật chất cấu tạo nên hạt Thừa số  i phụ thuộc vào trạng thái pha của hạt đối với hạt chất lỏng là 0.93 2 ± 0.04 và hạt băng là 0,197 Nhƣ vậy cùng với một kích thƣớc, diện tích tán xạ hiệu dụng của hạt nƣớc lớn gấp 5 lần hạt băng. Vì mục tiêu khí tƣợng là tập hợp các hạt, nên ta cần phải xét mặt phẳng tán xạ hiệu dụng của một đơn vị thể tích của mục tiêu, nó bằng tổng các mặt phẳng tán xạ 10
hiệu dụng của từng hạt trong đơn vị thể tích đó. Diện tích phản xạ  của một đơn vị thể tích của mục tiêu khí tƣợng là: 64 5 N N 2 =  i 1 i  4  i 1 i ai6 (1.3) Trong đó N là số hạt trong đơn vị thể tích,  còn gọi là hệ số tán xạ có đơn vị -1 là m . Tín hiệu phản xạ thu đƣợc tại đầu vào của máy thu ở một thời điểm là tập hợp tín hiệu phản xạ của tất cả các hạt nằm trong một phần V u của thể tích khối xung đƣợc ra đa coi là về cùng một lúc. Vu đƣợc coi là thể tích phân giải của khối xung, nó có mối quan hệ mật thiết với thời gian phân giải của ra đa. Đối với ra đa thì thời gian phân giải bằng  / 2 , trong đó  là độ rộng xung phát. Hình 1.1 Minh họa cách tính nửa thể tích xung phát [8] Có thể chứng minh đƣợc rằng Vu bằng nửa thể tích khối xung. Từ hình 1.1 ta thấy các hạt mƣa 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 ra đa cùng một lúc do chúng khác nhau về khoảng cách. Tất cả các hạt nằm trong khối nón cụt có chiều dài bằng h/2 (h là chiều dài không gian của xung) dọc theo búp sóng ở lân cận khoảng cách r (từ r-h/4 đến r + h/4), mặt bên của nón là mặt bên của búp sóng, đều cho tín hiệu phản hồi về tới ra đa ở các thời điểm lệch nhau không quá  / 2 (từ t-  / 4 đến t +  / 4 ). Thể tích của nón cụt xấp xỉ bằng ½ thể tích của khối xung (thể tích phân giải của khối xung): h Vu =  R 2 (1.4) 2 trong đó R là bán kính mặt cắt ngang của khối xung. Giữa R và độ rộng cánh sóng  và khoảng cách từ ra đa đến mục tiêu (r) có mối liên hệ:  R=r (1.5) 2  r  h  r  h 2 2 2 Do vậy Vu=     (1.6)  2  2 8 11
Tuy nhiên, muốn tính chính xác hơn thể tích phân giải của khối xung Probert và Jones đƣợc nêu bởi Nguyễn Hƣớng Điền và Tạ Văn Đa [8] 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 sóng chiếu tới chúng khác nhau. Với giả thiết “công suất” sóng phát mạnh nhất theo hƣớng trục búp sóng (Pmax) và giảm dần ra xung quanh (tới P1/2 ở rìa búp sóng) theo quy luật phân bố chuẩn, Probert và Jones đã tìm đƣợc công thức tính thể tích phân giải “hiệu dụng” của khối xung  r 2 2 h Vue= (1.7) 16 ln 2 Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tƣợng  m khi đó sẽ là: N  m  Vue  Vue   i (1.8) i 1 Thay (1.3) và (1.7) vào (1.8) ta sẽ đƣợc diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tƣợng:  r 2 h 64 5 N  6 r 2 2 h N 2 2 4  4  m  Ki ai  6 Ki Di6 (1.9) 16ln 2  i 1 16ln 2 i 1 Từ phƣơng trình (1.9) ta thấy rằng diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tƣợng phụ thuộc vào trạng thái pha của hạt và đƣờng kính hạt. Mặt khác, trong N phƣơng trình ra đa Probert-Jones, độ PHVT của mục tiêu khí tƣợng Z   Ki Di6 do 2 i 1 vậy ta thấy rằng độ PHVT phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu. 1.1.3. Mạng lưới ra đa thời tiết tại Việt Nam Trạm ra đa thời tiết MRL-2 của Liên Xô đầu tiên đƣợc lắp đặt ở nƣớc ta năm 1977 là chủng loại ra đa chƣa số hoá. Hiểu đƣợc tầm quan trọng mà nguồn số liệu ra đa mang lại, đến năm 1993 với sự giúp đỡ của Nga, 2 trạm ra đa MRL-5 thế hệ mới hơn đƣợc lắp đặt tại Vinh và Phù Liễn, đây đều là chủng loại ra đa chƣa số hoá. Năm 2000 với sự giúp đỡ của chính phủ Pháp, 3 trạm ra đa số hoá thông thƣờng TRS-2730 đƣợc lắp đặt nhằm cung cấp số liệu nhanh chóng và chính xác hơn. Trong những năm gần đây, theo yêu cầu phát triển của ngành và sự bùng nổ của khoa học công nghệ các ra đa thời tiết Doppler hiện đại đã đƣợc lắp đặt và một số ra đa cũ đƣợc nâng cấp. Hiện tại mạng lƣới ra đa đã có 7 trạm với 8 ra đa đang hoạt động trong đó 1 ra đa MRL-5 của Nga mới nâng cấp năm 2010; 03 ra đa TRS-2730 của Pháp và 04 ra đa DWSR 2500C-2501C của Mỹ. Nhìn chung mạng lƣới ra đa hiện đang hoạt động khá ổn định, số liệu ra đa mặc dù chƣa đƣợc khai thác hết theo tiềm năng nhƣng cũng đã 12
đóng góp đáng kể trong việc quan trắc, phát hiện và cảnh báo thời tiết nguy hiểm, đặc biệt là trong quan trắc xác định tâm bão, áp thấp nhiệt đới gần bờ. Theo kế hoạch phát triển ngành đến năm 2020 mạng lƣới trạm ra đa thời tiết sẽ có khoảng 15 trạm với chủng loại ra đa Doppler hiện đại, sử dụng công nghệ tiên tiến trên thế giới nhằm đáp ứng đƣợc nhu cầu cung cấp số liệu phục vụ dự báo cực ngắn. Sơ đồ về mạng lƣới ra đa thời tiết hiện tại ở Việt Nam và mục tiêu quy hoạch đến năm 2020 đƣợc thể hiện ở hình 1.2 dƣới đây. Hình 1.2 Quy hoạch mạng lƣới ra đa thời tiết đến năm 2020 1.1.4. Sơ lược về trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ Trạm ra đa thời tiết Tam kỳ đƣợc lắp đặt và đƣa vào hoạt động nghiệp vụ từ năm 1998 với chủng loại ra đa DWSR-93C, là ra đa Doppler của Mỹ với trình độ 13
công nghệ hiện đại, đa dạng sản phẩm cho ngƣời sử dụng có thể khai thác sản phẩm cơ bản quét khối (Volume scan) và các sản phẩm dẫn xuất (Product). Một obs quan trắc của ra đa thời tiết (ở đây đề cập đến ra đa Tam Kỳ) thƣờng thu đƣợc kết quả là 1 tệp dữ liệu gốc (volume scan) và một số tệp sản phẩm dẫn xuất từ tệp dữ liệu gốc. Các sản phẩm quét khối của các ra đa thời tiết nói chung và ra đa Tam Kỳ nói riêng, có cấu trúc chung nhƣ sau: - Mỗi “volume” là tập hợp của các mặt quét nón (sweep), từ 1 đến 30 sweeps. - Mỗi “sweep” gồm nhiều tia quét (ray), tối đa gồm 1500 rays. - Mỗi “ray” gồm nhiều điểm lấy mẫu (bin), khoảng cách các “bin” phụ thuộc vào khoảng cách lấy mẫu (gate-width). “Gate Width” có giá trị từ 62.5m đến 2000m. - Mỗi “bin” gồm 4 thành tố (moment) cơ bản: U, Z, V và W. Thông thƣờng các ra đa thƣờng quan trắc ở các cự ly (bán kính quét) 60 km, 120 km, 240 km, 480 km. Hình 1.3. Mô hình trình quét khối của ra đa DWSR [21] Mặc dù trạm đã có những đóng góp đáng kể trong việc cung cấp thông tin phục vụ dự báo, tuy vậy trạm này cũng là trạm hay gặp nhiều hỏng hóc gây gián đoạn quan trắc nhất. Năm 2009, nhận thức đƣợc vai trò đóng góp của trạm ra đa cho dự báo thời tiết một số tỉnh thuộc Trung Trung Bộ, trạm đƣợc đầu tƣ nâng cấp thành ra 14
đa DWSR-2501C. Tuy nhiên do không nâng cấp hệ thống ăng ten nên hiện tại trạm đang quan trắc ở điều kiện kỹ thuật chƣa hoàn chỉnh. 1.2. Tổng quan về xây dựng chỉ tiêu Mƣa và Dông 1.2.1. Trên thế giới Các giọt nƣớc và tinh thể băng rơi từ trong khí quyển xuống mặt đất đƣợc gọi là giáng thuỷ. Thƣờng ngƣời ta thƣờng gọi giáng thủy là mƣa (gồm cả dạng rắn và lỏng). Mƣa đƣợc đặc trƣng bởi các tham số: kích thƣớc, tốc độ di chuyển, thời gian tồn tại, sự phát triển pha, cấu trúc, phân bố mật độ hạt. Dự báo mƣa, đặc biệt là việc theo dõi và định lƣợng mƣa là một vấn đề rất khó khăn đồng thời cũng là một trong những yêu cầu cấp thiết trong công tác dự báo, đặc biệt trong dự báo bão, lũ, phục vụ điều tiết hồ chứa, phòng tránh thiên tai và giảm thiểu thiệt hại về kinh tế và tính mạng con ngƣời. Từ xa xƣa việc dự báo mƣa thƣờng sử dụng dụng phƣơng pháp synốp truyền thống, chủ yếu dựa trên các hình thế thời tiết chiếm ngự, do vậy chỉ có thể dự báo mƣa một cách định tính và phạm vi dự báo thƣờng rất rộng, chƣa chi tiết. Hiện nay, với sự phát triển vƣợt bậc của công nghệ máy tính, các mô hình dự báo thời tiết số trị đã đƣợc áp dụng trong dự báo mƣa, có thể đƣa ra những dự báo định lƣợng mặc dù vẫn còn những sai số hệ thống nhất định. Tuy nhiên cả 2 phƣơng pháp dự báo mƣa bằng phƣơng pháp synop truyền thống và sử dụng sản phẩm dự báo trực tiếp từ mô hình đều có chung hạn chế là không áp dụng để dự báo cho phạm vi không gian hẹp (đặc biệt là phƣơng pháp synop). Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, hệ thống ra đa thời tiết đã ra đời, phát triển mạnh mẽ và đƣợc áp dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết, đặc biệt là cảnh báo cũng nhƣ dự báo định lƣợng mƣa. Với ƣu điểm khi hoạt động, ra đa có thể phát hiện rất nhanh các vùng mƣa trên phạm vi rộng (trung bình khoảng 240 km), độ phân giải không gian và thời gian cao (độ phân giải thời gian từ 5-10 phút, phân giải không gian dƣới 1 km) thông qua giá trị PHVT mà ra đa thu nhận đƣợc từ các vùng mƣa và đƣợc hiển thị trên màn hình quét tròn. Tuy nhiên không phải bất kỳ giá trị PHVT nào mà ra đa thu nhận đƣợc cũng có thể cho mƣa, do vậy việc xác định đƣợc các ngƣỡng PHVT cho mƣa nhằm cảnh báo sự xuất hiện mƣa là việc làm cần thiết cho mỗi trạm ra đa. Bởi lẽ mỗi vùng khác nhau sẽ có điều kiện khí hậu, các hệ thống thời tiết, điều kiện nhiệt, ẩm và tính chất giáng thuỷ khác nhau mà ra đa hoạt động theo nguyên tắc phát sóng siêu cao tần vào không gian và thu nhận tín hiệu phản xạ trở lại từ các vật mục tiêu (ở đây là mây và các hiện tƣợng thời tiết liên quan) trên quãng đƣờng truyền sóng. Mức độ mạnh hay yếu của tín hiệu phản xạ phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng và tính chất vật lý, hình dạng và mật độ phân bố hạt của mây. Ra đa thu nhận tất cả các tín hiệu 15
phản xạ trở lại trong bán kính quét của nó (bao gồm các tín hiệu phản xạ từ các đám mây chƣa gây ra hiện tƣợng và các đám mây gây ra hiện tƣợng thời tiết). Các đám mây mang hiện tƣợng thời tiết nhƣ mƣa, dông, mƣa đá… thƣờng có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tƣơng ứng với mỗi loại hiện tƣợng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận đƣợc các ngƣỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tƣợng. Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngƣỡng các giá trị PHVT tƣơng ứng từng loại hiện tƣợng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tƣợng thời tiết cũng nhƣ ƣớc lƣợng lƣợng mƣa với độ chính xác cao nhất. Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu sử dụng số liệu ra đa trong việc giám sát, phát hiện dông, sét và dự báo định lƣợng mƣa. Hagen và Sandrae (2003) [15] đã xây dựng mối quan hệ giữa độ PHVT Z và hàm lƣợng nƣớc chứa (W) – lƣợng nƣớc chứa trong một cột không khí thẳng đứng có đơn vị thể tích, lƣợng mƣa đến bề mặt (R). Hệ thức liên hệ W=qZ(4/7) và Z=aR1.5 với các hệ số q và a tính từ số liệu. Tập mẫu lấy 10 phút đƣợc chia làm 2 tập con riêng biệt có nghĩa của các hệ số. Mối liên hệ đƣợc khuyến cáo là W=3.4Z4/7 và Z=216R1.5. Sai số của mối liên hệ này là a±4.4dBZ cho mối quan hệ W và R, a±2.4dBZ cho Z và R. Jaiswal và CCS (2009) [16] đã nghiên cứu về mối liên hệ Z-R cho lƣợng mƣa khác nhau trên khu vực Gadanki trong khoảng thời gian 4 năm từ 1998-2001. Tập số liệu gốc bao gồm PHVT và lƣợng mƣa có nguồn gốc từ thiết bị đo và ghi sự phân bố của các giọt mƣa trong khoảng thời gian này. Bài báo đã phân loại lƣợng mƣa thành R≤0.5mm/h; 0.5
vận chuyển dòng thăng thẳng đứng của động lƣợng gió bắc phổ biến ở mực thấp đã ngăn chặn phần lớn động lƣợng gió nam mực trung bình, sự ngăn chặn này đã ảnh hƣởng đến sự chuyển động và đặc điểm của khu vực quanh đó, làm giảm đi tính cấu trúc của dông. Thêm nữa, sự tƣơng tác giữa môi trƣờng và cơn dông đã tạo ra một hoàn lƣu ngƣợc của các phần tử giáng thủy từ dòng thăng mực trung bình đến dòng thăng mực thấp, có nghĩa là tính bền vững của cơn dông phụ thuộc vào hai yếu tố: i) tác động của dòng thăng mực thấp có hƣớng ngƣợc lại với dòng ở mực trung bình, ii) sự hình thành và tồn tại của dòng giáng đủ lớn để duy trì sự hoạt động của đƣờng gió giật. Rodger A. Brown và CCS (1978) [19] đã sử dụng ra đa Doppler ở thành phố Unioon, Okla để quan trắc, phân tích tìm ra các đặc điểm riêng của xoáy lốc trong trƣờng số liệu tốc độ trung bình gió Doppler. Đặc điểm riêng này và sự kết hợp với xoáy lốc đã đƣợc kiểm tra bởi mô hình mô phỏng trƣờng gió Doppler đo đƣợc trong xoáy lốc, kết quả cho thấy sự biến đổi không gian và thời gian của các đặc trƣng của xoáy lốc đã đƣợc bộc lộ trƣớc khi xoáy lốc xảy ra. Các đặc trƣng này xuất hiện đầu tiên ở các mực trung bình trong hoàn lƣu mẹ quy mô meso cho đến mặt đất (mở rộng đến 10 km theo phƣơng thẳng đứng) và biến mất ở tất cả các mực khi cơn lốc tan rã. P. L. Mackeen và CCS (1999) [20] đã sử dụng số liệu của ra đa Doppler Giám sát thời tiết (WSR-88D) trong 15 ngày cuối mùa xuân và mùa hè năm 1995-1996 ở Memphis, Tennessee để xác định sự liên hệ giữa PHVT ra đa và các đặc điểm của dông để dự báo thời gian tồn tại của dông. Nghiên cứu đƣợc thực hiện cho 879 cơn dông đƣợc hình thành trên khu vực Memphis, Tennessee trong 15 ngày nói trên. Kết quả cho thấy, các cơn dông có giá trị PHVT cực đại từ 30-50 dBZ có xác xuất lớn nhất (82%) với thời gian tan rã trong vòng 30 phút, trong khi xác xuất dông tan rã trong vòng 30 phút chỉ là 44% cho những cơn dông có PHVT cực đại lớn hơn 55 dBZ. Tuy nhiên, nói chung khi xem xét tất cả các đặc điểm của dông với thời gian sống của dông quan trắc đƣợc đều cho kết quả chung là rất khó để đƣa ra các kết quả dự báo tốt về thời gian tồn tại của dông. 1.2.2. Ở Việt Nam Ở nƣớc ta, kể từ khi ra đa đầu tiên đƣợc đƣa vào lắp đặt và sử dụng cho đến nay, việc xây dựng chỉ tiêu mới chỉ đƣợc thực hiện cho 03 ra đa TRS-2730 ở khu vực phía bắc thông qua các đề tài nghiên cứu thực hiện bởi các cán bộ Đài Khí tƣợng Cao không nhƣ: Trần Duy Sơn (2007) [1], đã đánh giá khả năng phát hiện mục tiêu khí tƣợng (mây và mƣa) của ra đa theo khoảng cách, phân định các loại mây (mây đối lƣu và mây tầng) theo ngƣỡng giá trị PHVT, xác định chỉ tiêu nhận biết dông theo độ PHVT…tuy nhiên do yếu tố khách quan nên tác giả mới chỉ thực hiện đƣợc với 17
chủng loại ra đa TRS-2730; Nguyễn Viết Thắng (2008) [2] đã xây dựng đƣợc ngƣỡng giá trị PHVT để phân định loại mây và các hiện tƣợng thời tiết (HTTT) cho ra đa TRS-2730 Việt Trì và Vinh, tác giả đã đƣa ra đƣợc các ngƣỡng PHVT tƣơng ứng với khả năng xuất hiện loại mây và hiện tƣợng thời tiết, tuy nhiên các chỉ tiêu còn bị chồng lấn nhau trên cùng một khoảng cách và một số chỉ tiêu về hiện tƣợng thời tiết nhƣ mƣa rào, dông biến đổi mạnh theo không gian . Trần Duy Sơn (2009) [3] đã xây dựng đƣợc các đặc điểm PHVT liên quan đến các HTTT nguy hiểm cục bộ làm cơ sở cho việc phát hiện và theo dõi các hiện tƣợng này bằng ra đa TRS-2730, tác giả đã xây dựng đƣợc khả năng phát hiện các cấp mƣa trong bán kính 100km của ra đa theo giá trị PHVT; xây dựng đƣợc cơ sở khoa học để phân định loại mây bằng phƣơng pháp ra đa theo số liệu quan trắc đồng bộ của trạm KTBM, xây dựng đƣợc chỉ tiêu nhận biết dông thông qua giá trị PHVT và một số kết quả khác. Các chỉ tiêu xây dựng cho 03 ra đa trên đã giúp cho các quan trắc viên và dự báo viên có đƣợc công cụ hiệu quả để xác định các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm nhƣ dông, tố lốc, mƣa đá và đƣa ra các cảnh báo, dự báo mƣa trong vùng hoạt động của ra đa, góp phần phát huy đƣợc thế mạnh và hiệu quả của các ra đa này trong việc phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai. Các ra đa DWSR do Mỹ sản xuất là các ra đa hiện đại, đắt tiền tuy nhiên việc xây dựng chỉ tiêu cho các ra đa này chƣa đƣợc quan tâm đúng mức, dẫn đến việc khai thác các ra đa này chƣa đƣợc phát huy tối đa, trong những năm qua chỉ có một vài nghiên cứu về khai thác số liệu của chủng loại ra đa này. Nguyễn Thị Tân Thanh (2010) [4], đã xây dựng đƣợc một số chỉ tiêu phục vụ cho việc nghiên cứu thử nghiệm dự báo cực ngắn mƣa và dông cho khu vực Trung Trung Bộ, tuy nhiên do yếu tố khách quan mà đề tài chƣa đem lại kết quả nhƣ mong đợi. Nguyễn Viết Thắng và CCS (2011) [6] đã và đang thực hiện đề tài “Nghiên cứu khai thác các định dạng số liệu, tổ hợp và xây dựng phần mềm xác định vị trí tâm mắt bão, hƣớng và tốc độ di chuyển của tâm bão cho mạng lƣới ra đa thời tiết ở Việt Nam”, hiện tại đề tài đã khai thác thành công một số định dạng sản phẩm của ra đa thời tiết nói chung và của ra đa DWSR nói riêng (đã trích xuất đƣợc các giá trị PHVT của ra đa và đƣa về định dạng số liệu chuẩn NetCDF) và đang thử nghiệm phần mềm xác định vị trí tâm bão; Nguyễn Thế Hào và CCS (2011) [7] đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thông tin ra đa thời tiết DWSR-2500C trạm Nhà Bè phục vụ cảnh báo và theo dõi mƣa về xây dựng các chỉ tiêu cảnh báo mƣa và dông trên cơ sở sử dụng số liệu ra đa Nhà Bè. Tuy nhiên do do một số hạn chế nhất định mà kết quả của đề tài đƣa ra chƣa đƣợc nhƣ mong đợi, đề tài mới phân loại đƣợc các loại hình thế gây mƣa, thống kê các ngƣỡng phản hồi vô tuyến và so sánh, hiệu chỉnh với 18
lƣợng mƣa vũ lƣợng ký để xây dựng công thức ƣớc lƣợng mƣa định lƣợng cho ra đa, tuy nhiên việc sử dụng bộ số liệu chƣa hợp lý nên kết quả còn tồn tại những sai sót nhất định; Phùng Kiến Quốc và các cộng sự (2011) [5] đã khai mã một số sản phẩm của các ra đa trên mạng lƣới và mã hóa số liệu ra đa theo mã luật phát báo quốc tế RADOB phục vụ phát báo quốc tế khi có bão. Tác giả và CCS đã khai mã đƣợc các sản phẩm “prd” của các ra đa DWSR (PPI, CAPPI, ETOP, HMAX…), trích xuất đƣợc các giá trị phản hồi vô tuyến ra đa phục vụ mục đích xây dựng phần mềm bán tự động mã hóa các thông tin ra đa theo mã luật RADOB và phát báo đến các đơn vị sử dụng theo yêu cầu. Nguyễn Hƣớng Điền [11] trên cơ sở của số liệu ra đa thời tiết Tam Kỳ và 6 trạm đo mƣa mặt đất đã xây dựng đƣợc công thức thực nghiệm tính toán cƣờng độ mƣa từ độ PHVT của ra đa (R= C10DZ’). Kết quả đạt đƣợc khi sử dụng công thức của tác giả cho độ chính xác cao hơn khi sử dụng công thức của Marshall- Palmer (Z= ARB) đối với từng trạm riêng biệt cũng nhƣ cả khu vực Trung Trung Bộ khi tính toán cƣờng độ mƣa thông qua giá trị độ PHVT của ra đa. Khu vực Trung Trung Bộ là nơi hoạt động của cả 02 hệ thống gió mùa, khu vực này còn là nơi bão và áp thấp nhiệt đới thƣờng xuyên xuất hiện và đổ bộ. Đặc điểm địa hình khu vực này là núi cao ở phía tây và dải đồng bằng hẹp ở phía đông cùng dãy Bạch Mã chắn ngang giữa 02 tỉnh Huế và Đà Nẵng đã làm tăng thêm sự khắc nghiệt của thời tiết. Để khai thác hiệu quả ra đa và các thiết bị đo mƣa tự động đƣợc đầu tƣ lắp đặt tại khu vực và giúp trạm có cơ sở ban đầu về cảnh báo mƣa, dông trên cơ sở số liệu ra đa, luận văn này thực hiện nghiên cứu “Xây dựng chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ” với mục tiêu là sẽ xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định mƣa và dông theo các ngƣỡng PHVT và theo khoảng cách; xây dựng đƣợc chỉ tiêu tổng hợp về khả năng xuất hiện dông trong vùng hoạt động của ra đa thời tiết Tam Kỳ dựa trên một số sản phẩm dẫn xuất. 19