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

Luận văn thạc sĩ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ. Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hƣởng nặng nề nhất do thiên tai gây ra trong khu...

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-



PHÙNG KIẾN QUỐC

XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG

CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ

LỜI CẢM ƠN

Người đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, đó là TS Ngô Đức Thành, người Thầy đã dạy tôi trong suốt thời gian học tập tại trường và đặc biệt trong thời gian tôi làm luận văn tốt nghiệp Mặc dù công việc hàng ngày rất bận rộn nhưng Thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình giúp đỡ và hướng 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 tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, những người luôn tạo điều kiện

và cho tôi kiến thức để tôi có thể tích lũy học hỏi và phấn đấu vươn lên trong sự nghiệp

Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường

Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Phòng Khí tượng ra đa, Đài Khí tượng Cao không, các bạn đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy Văn Trung ương, Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thủy văn đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Đài Khí tượng Cao không đã tạo điều kiện thời gian và cơ sở vật chất cho tôi được học tập trong quá trình công tác

Cuối cùng là lời cảm ơn dành cho gia đình tôi, những người đã đồng hành cùng tôi trong những năm tháng tôi theo khóa học

Phùng Kiến Quốc

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PHVT Phản Hồi Vô Tuyến

RADAR RAdio Detection And Ranging

ĐKTCK Đài Khí Tượng Cao Không

KTBM Khí Tượng 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 phương 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 trường PHVT trên cùng 1 độ cao 3km MAHASRI Monsoon Asian Hydro-Atmosphere

Scientific Research and Prediction Initiative

DANH SÁCH CÁC BẢNG

TT Số thứ

2 3.1 Xác suất xảy ra dông tổng hợp trên sản phẩm CAPPI và

CMAX

46

3 3.2 Xác suất xảy ra dông theo độ cao đỉnh PHVT 47

Quảng Ngãi năm 2010

32

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY

DỰNG CHỈ TIÊU MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA

9

1.1.2 Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa 9

2.3.1 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mưa 27

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC

ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT

TAM KỲ

29

3.1.3 Kết quả đánh giá chỉ tiêu theo tháng và trung bình theo khoảng cách 43

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng 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 hưởng đến thời tiết của nước ta, trong đó có từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào đất liền Các hiện tượng thời tiết nguy hiểm cũng thường xuyên xảy ra trên phạm vi cả nước như: mưa lớn diện rộng, mưa

đá, dông mạnh và tố lốc gây thiệt hại lớn về tài sản cũng như tính mạng của con người, làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển kinh tế của đất nước

Dự báo thời tiết đặc biệt là Dự báo, cảnh báo các hiện tượng 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 tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây như dông,

tố, lốc, mưa lớn, mưa đá và đặc biệt là xác định vị trí tâm bão khi đi vào gần bờ, nơi các thiết bị quan trắc khác như 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 ưu điểm nổi trội, ra đa thời tiết đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới trong việc quan trắc và giám sát các hiện tượng thời tiết (điển hình như: Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc ) Tuy nhiên để đưa ra đa vào hoạt động hiệu quả, việc đầu tiên sau khi lắp đặt ra đa là phải xây dựng chỉ tiêu địa phương đối với từng loại hiện tượng 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 tượng thời tiết liên quan) trên quãng đường truyền sóng Mức độ mạnh hay yếu của tín hiệu phản hồi vô tuyến (PHVT) thu được 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 chưa gây ra hiện tượng và đã gây ra hiện tượng thời tiết), mỗi hiện tượng thời tiết như mưa, dông, mưa đá… thường có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tương ứng với mỗi loại hiện tượng thời tiết khi

ra đa quan trắc sẽ thu nhận được các ngưỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tượng Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngưỡng các giá trị PHVT tương ứng

từng loại hiện tượng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tượng thời tiết cũng như ước lượng lượng mưa 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 mưa, 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 được chỉ tiêu xác

định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ đóng góp tích cực cho việc cảnh

báo sớm hiện tượng thời tiết trong vùng hoạt động của ra đa

Nội dung của luận văn gồm có:

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1: Tổng quan về ra đa thời tiết và xây dựng chỉ tiêu mưa, dông cho trạm ra đa thời tiết

CHƯƠNG 2: Phương pháp nghiên cứu và nguồn số liệu

CHƯƠNG 3: Tính toán, xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra

đa thời tiết Tam Kỳ

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƯA 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 phương 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 được 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 được tín hiệu phản hồi, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian (bằng tốc độ ánh sáng) và góc cao, góc hướng của ăng ten

Ra đa thời tiết hoạt động cũng trên nguyên tắc đó, nhưng với đối tượng cụ thể

là các mục tiêu khí tượng là giáng thủy Độ lớn của tín hiệu phản xạ thu được phụ thuộc vào tính chất hạt của mục tiêu khí tượng gây ra phản hồi Dựa trên độ lớn của tín hiệu thu được, qua các công thức toán học và tính toán thống kê người ta nhận dạng được các mục tiêu khí tượng

1.1.2 Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa

- Mục tiêu khí tượng:

Mục tiêu khí tượng của ra đa chủ yếu là mây và mưa Ra đa thời tiết dùng để phát hiện mây, mưa và các hiện tượng thời tiết liên quan Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tượng là loại mục tiêu đặc biệt, chúng không phải là mục tiêu có tính chất đồng nhất mà gồm tập hợp các hạt nước có hình dạng, kích thước và trạng thái khác nhau Có hai loại mục tiêu khác nhau:

Mây: Là tập hợp các hạt nước, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngưng kết hơi nước.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 trường

Mưa: Khi các hạt nước, hạt đá, hạt băng tuyết trong mây đủ lớn, trọng lực của chúng thắng được lực cản của môi trường, rơi xuống đất gọi là mưa

- Tính chất của mục tiêu khí tượng

Mục tiêu khí tượng khác nhau về hình dáng, kích thước và tính chất vật lý của chúng Mây đối lưu, 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 lưu, kích thước và trạng thái hạt luôn thay đổi theo thời gian Sự thay đổi về kích thước và trạng thái hạt theo không gian và thời gian dẫn đến sự thay đổi các đặc trưng vật lý vô tuyến của mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết

- Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng

Như đã nêu, mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết là mây và mưa 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 mưa, một phần năng lượng 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 ngược trở lại theo mọi hướng khác nhau, trong đó có hướng đi về hướng ăng ten ra đa Cường độ của dòng năng lượng bức xạ ngược trở lại ăng ten được quyết định bởi diện tích phản xạ hiệu dụng của mỗi hạt ( ) trong mây hoặc mưa Nếu giả thiết hạt là hình cầu thỏa mãn tán xạ Rayleigh thì ta có thể tính được  khi biết dộ dài bước sóng và chỉ số khúc xạ của môi trường thông qua công thức sau:

i =

5 6

2 4

1 2

i i

m m

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:

 =

2 5

6 4

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):

Vu = 2

2

h R

Tuy nhiên, muốn tính chính xác hơn thể tích phân giải của khối xung Probert

và Jones được nêu bởi Nguyễn Hướng 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 hướng 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 được công thức tính thể tích phân giải “hiệu dụng” của khối xung

1

N

i i

Z Ki D



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 được lắp đặt ở nước ta năm

1977 là chủng loại ra đa chưa số hoá Hiểu được 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 được lắp đặt tại Vinh và Phù Liễn, đây đều là chủng loại ra đa chưa số hoá

Năm 2000 với sự giúp đỡ của chính phủ Pháp, 3 trạm ra đa số hoá thông thường TRS-2730 được 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 được lắp đặt và một số ra đa cũ được nâng cấp

Hiện tại mạng lưới 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 lưới ra đa hiện đang hoạt động khá

ổn định, số liệu ra đa mặc dù chưa được khai thác hết theo tiềm năng nhưng cũng đã

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 lưới 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 được nhu cầu cung cấp số liệu phục vụ dự báo cực ngắn

Sơ đồ về mạng lưới ra đa thời tiết hiện tại ở Việt Nam và mục tiêu quy hoạch đến năm 2020 được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây

Hình 1.2 Quy hoạch mạng lưới 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 được lắp đặt và đưa vào hoạt động nghiệp vụ từ năm 1998 với chủng loại ra đa DWSR-93C, là ra đa Doppler của Mỹ với trình độ

công nghệ hiện đại, đa dạng sản phẩm cho người 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) thường thu được kết quả là 1 tệp dữ liệu gốc (volume scan) và một số tệp sản phẩm dẫn xuất

- 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 thường các ra đa thường 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 được vai trò đóng góp của trạm ra đa cho dự báo thời tiết một số tỉnh thuộc Trung Trung Bộ, trạm được đầu tư nâng cấp thành ra

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 chưa hoàn chỉnh

1.2 Tổng quan về xây dựng chỉ tiêu Mưa và Dông

1.2.1 Trên thế giới

Các giọt nước và tinh thể băng rơi từ trong khí quyển xuống mặt đất được gọi

là giáng thuỷ Thường người ta thường gọi giáng thủy là mưa (gồm cả dạng rắn và lỏng) Mưa được đặc trưng bởi các tham số: kích thước, tốc độ di chuyển, thời gian tồn tại, sự phát triển pha, cấu trúc, phân bố mật độ hạt

Dự báo mưa, đặc biệt là việc theo dõi và định lượng mưa 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 người Từ xa xưa việc dự báo mưa thường

sử dụng dụng phương pháp synốp truyền thống, chủ yếu dựa trên các hình thế thời tiết chiếm ngự, do vậy chỉ có thể dự báo mưa một cách định tính và phạm vi dự báo thường rất rộng, chưa chi tiết Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ máy tính, các mô hình dự báo thời tiết số trị đã được áp dụng trong dự báo mưa, có thể đưa ra những dự báo định lượng mặc dù vẫn còn những sai số hệ thống nhất định Tuy nhiên cả 2 phương pháp dự báo mưa bằng phương 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 phương 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 được áp dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết, đặc biệt

là cảnh báo cũng như dự báo định lượng mưa

Với ưu điểm khi hoạt động, ra đa có thể phát hiện rất nhanh các vùng mưa 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 dưới 1 km) thông qua giá trị PHVT mà ra đa thu nhận được từ các vùng mưa và được hiển thị trên màn hình quét tròn Tuy nhiên không phải bất kỳ giá trị PHVT nào mà ra đa thu nhận được cũng có thể cho mưa, do vậy việc xác định được các ngưỡng PHVT cho mưa nhằm cảnh báo sự xuất hiện mưa 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 tượng thời tiết liên quan) trên quãng đường 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

phản xạ trở lại trong bán kính quét của nó (bao gồm các tín hiệu phản xạ từ các đám mây chưa gây ra hiện tượng và các đám mây gây ra hiện tượng thời tiết) Các đám mây mang hiện tượng thời tiết như mưa, dông, mưa đá… thường có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tương ứng với mỗi loại hiện tượng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận được các ngưỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tượng Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngưỡng các giá trị PHVT tương ứng từng loại hiện tượng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tượng thời tiết cũng như ước lượng lượng mưa 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 lượng mưa Hagen và Sandrae

(2003) [15] đã xây dựng mối quan hệ giữa độ PHVT Z và hàm lượng nước chứa (W)

– lượng nước chứa trong một cột không khí thẳng đứng có đơn vị thể tích, lượng mưa

đến bề mặt (R) Hệ thức liên hệ W=qZ (4/7) và Z=aR 1.5 với các hệ số q và a tính từ số

liệu Tập mẫu lấy 10 phút được chia làm 2 tập con riêng biệt có nghĩa của các hệ số

Mối liên hệ được khuyến cáo là W=3.4Z 4/7

và Z=216R 1.5 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 lượng mưa khác nhau trên khu vực

Gadanki trong khoảng thời gian 4 năm từ 1998-2001 Tập số liệu gốc bao gồm PHVT

và lượng mưa có nguồn gốc từ thiết bị đo và ghi sự phân bố của các giọt mưa trong khoảng thời gian này Bài báo đã phân loại lượng mưa thành R≤0.5mm/h; 0.5<R≤4.0mm/h; 4<R≤10 mm/h; 10<R≤50 mm/h và R≥50 mm/h Nghiên cứu chỉ ra

rằng mối quan hệ Z-R biến đổi theo lượng mưa Matthias Stainer và CCS (1995) [13]

đã sử dụng số liệu mưa mặt đất có độ phân giải thời gian là 1 phút tại 22 trạm quan trắc và số liệu ra đa Doppler trong tháng 2 năm 1988 để đánh giá các kết quả nghiên cứu về ước lượng mưa từ ra đa Trong nghiên cứu, việc phân định mây tầng, mây đối lưu được thực hiện dựa trên giá trị PHVT và hình dạng của vùng PHVT để hạn chế việc ước lượng mưa dưới ngưỡng trong các trường hợp mây tầng Phương pháp cấu trúc thẳng đứng đưa ra ở đây là phân bố tần xuất của PHVT ra đa như là hàm của độ cao Kết quả cho thấy ước lượng mưa tháng từ ra đa có độ chính xác khá cao

MacKeen và CCS (1999) [14], dựa trên mối quan hệ giữa PHVT dông - đặc điểm ban đầu và tuổi thọ của nó được kiểm tra để mô tả một số đặc điểm của cơn dông đang mạnh lên liên quan đến vòng đời của nó, mối quan hệ này là rất hữu ích cho việc dự báo vòng đời của dông Kevin R Knupp và William R Cotton (1982) [18] đã sử dụng số liệu gió hướng tâm và PHVT từ hai ra đa Doppler băng sóng X và một ra đa Doppler băng sóng C cùng 20 trạm quan trắc mặt đất để phân tích cơn dông mạnh xảy ra trong mùa hè trên vùng núi ở khu vực giữa và phía tây Colorado Kết quả cho thấy, một vài tương tác đã được quan trắc thấy trong phạm vi cơn dông Sự

vận chuyển dòng thăng thẳng đứng của động lượng gió bắc phổ biến ở mực thấp đã ngăn chặn phần lớn động lượng gió nam mực trung bình, sự ngăn chặn này đã ảnh hưởng đến sự chuyển động và đặc điểm của khu vực quanh đó, làm giảm đi tính cấu trúc của dông

Thêm nữa, sự tương tác giữa môi trường và cơn dông đã tạo ra một hoàn lưu ngược 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 hướng ngược 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 đường 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 trường số liệu tốc độ trung bình gió Doppler Đặc điểm riêng này và sự kết hợp với xoáy lốc đã được kiểm tra bởi mô hình mô phỏng trường gió Doppler đo được trong xoáy lốc, kết quả cho thấy sự biến đổi không gian và thời gian của các đặc trưng của xoáy lốc đã được bộc lộ trước khi xoáy lốc xảy ra Các đặc trưng này xuất hiện đầu tiên ở các mực trung bình trong hoàn lưu mẹ quy mô meso cho đến mặt đất (mở rộng đến 10 km theo phương 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 được thực hiện cho 879 cơn dông được 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 được đều cho kết quả chung là rất khó để đưa ra các kết quả

dự báo tốt về thời gian tồn tại của dông

1.2.2 Ở Việt Nam

Ở nước ta, kể từ khi ra đa đầu tiên được đưa vào lắp đặt và sử dụng cho đến nay, việc xây dựng chỉ tiêu mới chỉ được 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 tượng Cao không như: Trần Duy Sơn (2007) [1], đã đánh giá khả năng phát hiện mục tiêu khí tượng (mây và mưa) của ra đa theo khoảng cách, phân định các loại mây (mây đối lưu và mây tầng) theo ngưỡng 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 được với

chủng loại ra đa TRS-2730; Nguyễn Viết Thắng (2008) [2] đã xây dựng được ngưỡng giá trị PHVT để phân định loại mây và các hiện tượng thời tiết (HTTT) cho ra đa TRS-2730 Việt Trì và Vinh, tác giả đã đưa ra được các ngưỡng PHVT tương ứng với khả năng xuất hiện loại mây và hiện tượng thời tiết, tuy nhiên các chỉ tiêu còn bị chồng lấn nhau trên cùng một khoảng cách và một số chỉ tiêu về hiện tượng thời tiết như mưa rào, dông biến đổi mạnh theo không gian

Trần Duy Sơn (2009) [3] đã xây dựng được 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 tượng này bằng ra đa TRS-2730, tác giả đã xây dựng được khả năng phát hiện các cấp mưa trong bán kính 100km của ra đa theo giá trị PHVT; xây dựng được cơ sở khoa học để phân định loại mây bằng phương pháp ra đa theo số liệu quan trắc đồng bộ của trạm KTBM, xây dựng được 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 được công cụ hiệu quả để xác định các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như dông, tố lốc, mưa đá và đưa ra các cảnh báo, dự báo mưa trong vùng hoạt động của ra đa, góp phần phát huy được 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 chưa được quan tâm đúng mức, dẫn đến việc khai thác các ra đa này chưa được 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 được một số chỉ tiêu phục vụ cho việc nghiên cứu thử nghiệm dự báo cực ngắn mưa và dông cho khu vực Trung Trung Bộ, tuy nhiên do yếu tố khách quan mà đề tài chưa đem lại kết quả như 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, hướng và tốc độ di chuyển của tâm bão cho mạng lưới 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 được các giá trị PHVT của ra đa và đưa 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 mưa về xây dựng các chỉ tiêu cảnh báo mưa 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 đưa ra chưa được như mong đợi, đề tài mới phân loại được các loại hình thế gây mưa, thống kê các ngưỡng phản hồi vô tuyến và so sánh, hiệu chỉnh với

lượng mưa vũ lượng ký để xây dựng công thức ước lượng mưa định lượng cho ra đa, tuy nhiên việc sử dụng bộ số liệu chưa 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 lưới 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 được các sản phẩm “prd” của các ra đa DWSR (PPI, CAPPI, ETOP, HMAX…), trích xuất được 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 Hướng Điền [11] trên cơ sở của số liệu ra đa thời tiết Tam Kỳ và 6 trạm đo mưa mặt đất đã xây dựng được công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ PHVT của ra đa (R= C10DZ’) Kết quả đạt được 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 như cả khu vực Trung Trung Bộ khi tính toán cường độ mưa 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 thường 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 mưa tự động được đầu tư lắp đặt tại khu vực và giúp trạm có cơ sở ban đầu về cảnh báo mưa, dông trên cơ sở số liệu ra đa, luận văn này thực hiện nghiên cứu “Xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ” với mục tiêu là sẽ xây dựng được chỉ tiêu xác định mưa và dông theo các ngưỡng PHVT và theo khoảng cách; xây dựng được 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

CHƯƠNG II THU THẬP SỐ LIỆU, PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU

Để việc xây dựng chỉ tiêu mưa và giông có hiệu quả, bên cạnh số liệu quan trắc tại trạm ra đa Tam Kỳ, tác giả đã sử dụng nguồn thông tin thu thập được từ mạng lưới quan trắc đo mưa tự động và một số trạm mặt đất ở khu vực Trung Trung Bộ (trong bán kính hoạt động hiệu dụng của ra đa Tam Kỳ) để đối chiếu, so sánh và xây dựng chỉ tiêu Trong chương này, vấn đề thu thập, xử lý số liệu và phương pháp tính toán được thực hiện trong phạm vi của luận văn sẽ được đề cập đến

2.1.1.1 Số liệu đo mưa mặt đất:

Số liệu đo mưa mặt đất giai đoạn 2007-2011 quan trắc được tại 31 trạm đo mưa tự động thuộc chương trình hợp tác với Nhật Bản “bước đầu dự báo thuỷ - khí quyển gió mùa châu Á - MAHASRI” (MAHASRI - Monsoon Asian Hydro-Atmosphere Scientific Research and Prediction Initiative) MAHASRI là chương trình hợp tác nghiên cứu khoa học và dự báo thủy – khí quyển vùng châu Á gió mùa trong các năm 2006-2015 do Nhật Bản chủ trì với sự tham gia của Việt Nam và nhiều nước trong khu vực châu Á gió mùa

Trong dự án này, 31 trạm đo mưa (hình 2.1) được lắp đặt tại khu vực Trung Trung Bộ trong bán kính quan trắc hiệu dụng của ra đa Tam Kỳ

Các trạm đo mưa tự động này quan trắc và lưu số liệu mưa theo thời gian thực nghĩa là cứ mỗi khi có mưa thì trạm tự động đo và lưu lại trong bộ nhớ, do vậy ta có thể khai thác số liệu theo thời gian 5 phút, 10 phút hoặc tùy ý Sử dụng nguồn số liệu

từ các trạm đo mưa MAHASRI sẽ giúp cho luận văn có thể khai thác được số trạm có

số liệu đồng bộ giữa ra đa và mưa nhiều hơn hẳn so với 5 trạm Khí tượng bề mặt ở khu vực này và nó sẽ phục vụ cho việc xây dựng chỉ tiêu mưa được tốt hơn

Cùng với số liệu từ mạng lưới các trạm MAHASRI, số liệu mưa vũ lượng ký tại các trạm khí tượng bề mặt thuộc khu vực Trung Trung Bộ giai đoạn 2007-2011 trong khu vực cũng được thu thập để so sánh, đánh giá số liệu mưa MAHASRI tại các trạm tương ứng Danh sách các trạm bao gồm: Đà Nẵng, Tam Kỳ, Trà My, Quảng Ngãi, Ba Tơ và Lý Sơn Tuy nhiên, sau khi thu thập các nguồn số liệu, do các yếu tố khách quan khác nhau đặc biệt là số liệu ra đa không có đủ trong các tháng mùa mưa năm 2008 và 2009 do vậy chúng tôi chỉ tiến hành thu thập, xử lý số liệu 3 tháng 10,11 và 12 trong năm 2007 và 2010 để phục vụ cho tính toán chỉ tiêu mưa

2.1.1.2 Số liệu quan trắc dông

Phục vụ mục tiêu xây dựng chỉ tiêu dông, số liệu dông tại trạm khí tượng bề mặt ở khu vực Trung Trung Bộ trong 2 năm 2007 và 2011 được sử dụng Danh sách

Hình 2.1 Vị trí các trạm đo mưa tự động MAHASRI

các trạm khí tượng này bao gồm: Đà Nẵng, Tam Kỳ, Trà My, Quảng Ngãi, Ba Tơ và

Lý Sơn Số liệu quan trắc dông được lấy từ số liệu 8 obs quan trắc sy-nốp của các trạm nêu trên Trên cơ sở số liệu dông tại các trạm mặt đất, chúng tôi liệt kê thời điểm xuất hiện và thời gian kết thục của các cơn dông trong ngày theo từng trạm phục vụ cho việc trích xuất số liệu ra đa để xây dựng chỉ tiêu

2.1.2 Số liệu ra đa thời tiết

Số liệu ra đa thời tiết thu thập phục vụ cho các tính toán trong luận văn là số liệu quan trắc tại trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ trong các tháng 10, 11, 12, giai đoạn từ

2007, 2010 và 2011 Số liệu thu thập là các sản phẩm PPI(Z), CAPPI(Z) 3km, CMAX(Z), HMAX và ETOPS với bán kính quét 240 km, 480km và chu kỳ quan trắc, lưu số liệu từ 10- 30 phút/lần Trong đó ý nghĩa của các sản phẩm được định nghĩa và minh họa cụ thể:

PPI(Z): là bản đồ trường phản hồi vô tuyến đã hiệu chỉnh trên mặt cắt xiên có được khi cho ra đa quét tròn (3600) ở bán kính, góc cao ăng ten nhất định

CAPPI(Z): Là sản phẩm hiển thị giá trị PHVT đã hiệu chỉnh ở cùng một độ cao

CMAX (Z): Là sản phẩm hiển thị giá trị cực đại của PHVT theo mỗi cột khí quyển trên bề mặt diện tích đó

ETOPS: Là sản phẩm cho ta biết phân bố độ cao của đỉnh PHVT so với mực nước biển theo theo mỗi cột khí quyển trên đơn vị diện tích

HMAX : Là sản phẩm cho ta biết độ cao của PHVT đã hiệu chỉnh cực đại trên mỗi đơn vị diện tích bề mặt

Một số hình ảnh minh họa các sản phẩm ra đa được thể hiện ở hình 2.2

Sản phẩm CMAX Sản phẩm ETOPS

Hình 2.2 Một số sản phẩm của ra đa thời tiết Tam Kỳ

Sản phầm Hmax

Như vậy để biết được cấu trúc của một đám mây thì từ các sản phẩm nêu trên

sẽ cung cấp cho ta một không gian 3 chiều khá chi tiết về đám mây đó như: độ mạnh, yếu của đám mây, độ cao đỉnh mây, độ cao vùng đối lưu mạnh, những thông tin này

sẽ là điều kiện quan trọng cho nội dung nghiên cứu của luận văn

2.2 Xử lý số liệu

2.2.1 Xử lý số liệu mưa, dông

Trên cơ sở số liệu quan trắc mưa, dông tại mặt đất giai đoạn từ năm 2007,

2010 và 2011, chúng tôi đã tiến hành xử lý số liệu theo các bước như sau:

i) Thống kê thời gian xuất hiện dông trong ngày của 5 trạm KTBM trong vùng hoạt động của ra đa (riêng trạm Tam Kỳ do nằm trong vùng mù của ra đa nên không

có số liệu PHVT để tính toán đồng bộ), ghi giờ (2 số) và phút (2 số) liền nhau

ii) Thống kê thời gian xuất hiện mưa ở các trạm đo mưa tự động thuộc dự án MAHASRI tương ứng với các tháng có số liệu ra đa các năm 2007 và 2010

iii) Đối chiếu so sánh tổng lượng mưa ngày tại các trạm khí tượng bề mặt nơi quan trắc cả bằng thiết bị đo mưa tự động MAHASRI và vũ lượng ký để xem xét tính

chính xác của số liệu đo mưa tự động MAHASRI tại các trạm này Những ngày có độ chênh số liệu lớn sẽ được xem xét để loại ra khỏi các tính toán

iii) Tính tổng lượng mưa mỗi 30 phút từ số liệu quan trắc tại các trạm đo mưa

tự động MAHASRI Việc lựa chọn tính tổng lượng mưa mỗi 30 phút là để đồng bộ với chu kỳ quan trắc, thu thập số liệu của ra đa Tam Kỳ

2.2.2 Xử lý số liệu ra đa

2.2.2.1 Một số đặc điểm về số liệu ra đa

Ra đa Tam Kỳ là chủng loại ra đa Doppler hiện đại với khả năng quét khối có thể cung cấp bức tranh 3 chiều về các hiện tượng thời tiết đang diễn ra, điều này được minh chứng qua số lượng sản phẩm đa dạng của nó: PPI, CAPPI, ETOPS, CMAX, HMAX, VIL, TRACK, BASE, LRA Phương thức PPI được thực hiện với nhiều góc nâng khác nhau đã cho phép xác lập một bản đồ 3 chiều về Z cũng như khả năng thu được rất nhiều sản phẩm dẫn xuất như trên Để sử dụng được các số liệu trên vào những bài toán thiết thực khác công việc đầu tiên cần thực hiện là giải mã các số liệu này về dạng số thông thường, tuy nhiên việc giải mã các số liệu này gặp rất nhiều khó khăn do trong các dự án lắp đặt trạm ra đa EDGE ở nước ta thường không mua kèm format các sản phẩm

Như vậy muốn có số liệu về giá trị PHVT cũng như độ cao của PHVT cực đại…chúng ta cần phải khai mã để đọc được các thông tin trên từ các sản phẩm dẫn xuất như CAPPI(Z), HMAX….Với hiện trạng nêu trên, Trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu Phùng Kiến Quốc và CCS [5], Nguyễn Viết Thắng và CCS [6] đã xây dựng một chương trình cho phép rút ra các thông tin quan trọng dưới dạng số từ sản phẩm của DWSR-2500C Cụ thể phương pháp chiết xuất số liệu từ sản phẩm PPI, CMAX và HMAX và ETOPS như sau:

Sản phẩm PPI được tạo ra với các góc nâng khác nhau, độ phân giải 1km và bán kính quét 240km Các sản phẩm dẫn xuất khác mà luận văn quan tâm gồm có CMAX và HMAX, CAPPI (3km), ETOPS CMAX, HMAX mô tả phân bố của độ phản hồi cực đại (cực đại tín hiệu trong một cột khí quyển) và độ cao tương ứng của tín hiệu có độ phản hồi cực đại, CAPPI (3km) cho ta biết phân bố trường phản hồi vô tuyến ở độ cao 3km còn ETOPS cho ta biết độ cao đỉnh phản hồi vô tuyến

Các file mô tả 2 loại dữ liệu này có đuôi mở rộng là prd và tên file được quy

định mã hóa theo cơ số 16, thông tin được mã hóa trong tên file vẫn chưa được hiểu

rõ Tất cả các file prd cho mọi loại dữ liệu đều có chung một định dạng, cấu trúc file gồm có 2 phần chính:

 Header: phần mở đầu là một đoạn văn bản gồm 20 dòng mô tả các

thông số hoạt động của ra đa như thời điểm quét, loại dữ liệu, kích thước dữ liệu, bán kính quét, góc quét, phương thức quét,…;

 Data: phần dữ liệu gồm 2 phần với 192 byte đầu tiên mô tả các tham số

liên quan đến ra đa như tọa độ, bán kính quét, các tham số chuyển dạng nguyên về dạng giá trị thực, … và phần dữ liệu đằng sau là một mảng nguyên 1byte kích thước

512 x 512 đã được nén lại bằng thuật toán Z Với mọi độ phân giải hay bán kính quét của ra đa tất cả các số liệu đều có cùng kích thước này, cùng biểu diễn dưới dạng một mảng nguyên, các số liệu chỉ khác nhau ở đơn vị đo

Với mảng số liệu nguyên kích thước 512 x 512, ra đa Tam Kỳ có khả năng mô

tả 256 mức phản hồi khác nhau Với những sản phẩm phản hồi có đơn vị dbZ, 256 mức lượng tử này lần lượt mô tả độ phản hồi từ -31.5dbZ đến 95.5dbZ với khoảng cách giữa 2 mức lượng tử là 0.5dbZ, riêng giá trị 255 được gán cho các điểm mù của

ra đa Với những sản phẩm độ cao như HMAX, 256 mức lượng tử mô tả độ cao từ 0

km đến 25.5km với khoảng cách 0.1km giữa 2 mức lượng tử liền kề

2.2.2.2 Trích xuất số liệu ra đa

Ra đa thời tiết Tam Kỳ là ra đa Doppler có quét khối Với mỗi trình quét, số liệu ra đa được lưu thành 1 khối các dữ liệu lưu ở các góc nâng khác nhau Để có thể lấy ra những đặc trưng của PHVT mây, chúng ta phải trích xuất chúng từ số liệu quét khối hoặc giải mã số liệu Product của ra đa

Trong khuân khổ của luận văn, trên cơ sở số liệu được giải mã thuộc đề tài cơ

sở [5] và đề tài cấp Bộ [6], tác giả đã xây dựng chương trình trích xuất số liệu (độ PHVT) ra đa của các sản phẩm PPI với góc nâng 0,00 và 1,00, CAPPI (3km) đối với

số liệu năm 2007 Sau khi so sánh lựa chọn giữa số liệu PPI và CAPPI, chúng tôi đã lựa chọn sản phẩm CAPPI(Z) ở độ cao 3km để xây dựng chỉ tiêu mưa, dông Do đó đối với số liệu năm 2010 và 2011, chúng tôi chỉ trích xuất giá trị PHVT của sản phẩm CAPPI(Z) ở đọ cao 3km Nguyên tắc lấy số liệu là lấy trạm đo mưa làm tâm và lấy giá trị PHVT trung bình trong một miền tròn có bán kính là 3km, 5km và 7km được minh họa ở hình 2.3 Trích xuất số liệu phản hồi vô tuyến theo từng trạm đo mưa Mahasri của các sản phẩm CMAX, HMAX, CAPPI, ETOPS

Với sản phẩm CMAX, HMAX: Lấy giá trị PHVT cực đại trong cột khí quyển thuộc vùng giới hạn ứng với từng trạm đo mưa đã xác định ở phần trên (CMAX), từ

đó lấy giá trị độ cao tương ứng (HMAX)

Với sản phẩm ETOPS: Lấy giá trị độ cao cực đại của những phản hồi vô tuyến lớn hơn hoặc bằng ngưỡng 18dBz trong vùng giới hạn

Sau khi trích xuất đƣợc các giá trị theo 3 bán kính lựa chọn, đem so sánh để lựa chọn miền lấy trung bình PHVT đủ rộng mà vẫn đảm bảo độ chính xác phục vụ cho bài toán xây dựng chỉ tiêu

R = 5 km

Vị trí trạm

đo mƣa mặt đất

1km

Hình 2.3 Sơ đồ trích xuất giá trị PHVT

Trên cơ sở tập số liệu trích xuất PHVT ra đa theo các bán kính, tác giả lựa chọn ngẫu nhiên 01 trạm đo mƣa tự động để lấy tâm làm tọa độ gốc (ở đây là trạm Thƣợng Nhật), sau đó trích xuất PHVT theo 3 bán kính nói ở trên trong tháng 10 với

3 sản phẩm là PPI, CAPPI, Cmax (đƣợc thể hiện ở bảng 2.1)

Bảng 2.1: So sánh lựa chọn miền lấy giá trị PHVT

Trạm

Thƣợng

Nhật

PPI tháng

10

Qua bảng 2.1, chúng ta thấy rằng nếu miền lấy trung bình càng rộng thì xác suất bắt được giá trị PHVT của ra đa sẽ càng cao, giả sử như đối với miền lấy trung bình trên sản phẩm PPI ở bảng 2.1 tương ứng với các bán kính 3km, 5km và 7 km là 248; 350 và 433 trường hợp có giá trị PHVT trong miền lựa chọn, về các giá trị max, min và trung bình thì không có sự biến đổi nhiều ở 3 vùng lựa chọn đó Sau khi so sánh, tác giả đã lựa chọn miền lấy giá trị PHVT là miền tròn có tâm là trạm đo mưa mặt đất và có bán kính là 5 km vừa đảm bảo độ tin cậy để so sánh đồng nhất nguồn

dữ liệu và xây dựng chỉ tiêu mưa, dông

Để xây dựng chỉ tiêu mưa, chúng tôi lấy sản phẩm CAPPI tại độ cao 3km, với giá trị độ cao 3 km chúng ta có thể tránh được ảnh hưởng của địa hình (gặp phải nếu lấy thấp hơn 3 km) và tránh cánh sóng “quệt” vào dải sáng (nếu lấy cao hơn 3 km) sẽ làm cho độ PHVT thu được trở nên bất thường Tương tự cách trích xuất giá trị PHVT cực đại từ sản phẩm CMAX cũng được lấy trong một miền tròn bán kính 5km lấy tâm là trạm mặt đất

Đối với chỉ tiêu dông, các thông tin về PHVT cực đại, độ cao của PHVT cực đại và độ cao đỉnh PHVT được sử dụng Việc trích xuất các thông tin này được thực hiện như đối với các sản phẩm CAPPI, theo nguyên tắc lấy các giá trị PHVT lớn nhất,

độ cao của PHVT cực đại và độ cao cao nhất của PHVT trong vùng có bán kính là 5

km xung quanh các trạm khí tượng bề mặt

2.3 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu

2.3.1 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mưa

Thông thường các ra đa khi mới lắp đặt thì chỉ có ngưỡng chung, giả sử như khi giá trị PHVT từ 18dBZ thì cảnh báo có thể có mưa hoặc ≥ 30dBZ thì cảnh báo khả năng có dông, tuy nhiên không cho ta biết về xác suất xảy ra là bao nhiêu Do vậy việc cảnh báo xác suất xảy ra hiện tượng theo từng ngưỡng nhất định là rất cần thiết

Để tìm chỉ tiêu cảnh báo mưa, chúng tôi sử dụng phương pháp thống kê để tìm xác suất xảy ra mưa đối với mỗi giá trị khác nhau của độ phản hồi vô tuyến Ở đây chúng tôi chia mỗi ngưỡng giá trị PHVT để tính xác suất xảy ra hiện tượng với bước nhảy là 5dBz Trên cơ sở thống kê các ngưỡng PHVT xuất hiện trong bộ số liệu tương ứng với từng vị trí trạm đo mưa và số lần ngưỡng giá trị có xảy ra mưa tương ứng, chúng tôi tìm được xác suất xảy ra hiện tượng

Từ đó, ta có thể vẽ được đồ thị hàm phân bố xác suất mưa phụ thuộc vào giá trị PHVT và ta có thể cảnh báo hiện tượng mưa theo xác suất xảy ra nếu biết được ngưỡng giá trị PHVT, điều này ở các ra đa khi mới lắp đặt là chưa có cụ thể Đối với việc ước lượng mưa từ ra đa thì phần trong EDGE thường áp dụng công thức giữa

mối quan hệ PHVT và lượng mưa của Marshall-Palmer với cặp hệ số A=200 và b=1,6; đối với cảnh báo dông, trên cơ sở cấu trúc vùng PHVT thì các ngưỡng PHVT

≥ 30dBZ thì cảnh báo khả năng xuất hiện có dông Tuy nhiên xác suất xuất hiện dông

là bao nhiêu thì không cụ thể

2.3.2 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu dông

Dông là hiện tượng liên quan với mây tích đối lưu cho mưa rào, gió giật rất mạnh có hay không có sấm, chớp, đây là hiện tượng khí tượng quy mô vừa có tiềm năng và sức tàn phá mạnh nhất; sự hình thành và phân loại dông cũng như các hiện tượng thời tiết và sức tàn phá của nó được đề cập và phân tích, miêu tả chi tiết bởi tác giả Trần Công Minh [10]

Một đám mây đối lưu muốn có dông mạnh thì phải phát triển đến độ cao nào

nó để có quá trình hoá băng các hạt nước trong mây hay nói cách khác phải có điều kiện để làm xuất hiện các hạt mây ở các pha trạng thái khác nhau: dạng nước lỏng và dạng băng Tuy nhiên nếu có hai dạng hạt nhưng số lượng hạt ít, kích thước hạt nhỏ thì khả năng va chạm để có sự nhiễm điện và phân chia điện tích đạt tới mức độ phóng điện, dông trong mây vẫn không xảy ra Vì vậy muốn có hiện tượng nhiễm điện và phân chia điện tích trái dấu để gây nên dông kích thước hạt mây phải đủ lớn

và mật độ hạt cũng phải lớn hay nói cách khác độ phản hồi vô tuyến (PHVT) trên màn ảnh ra đa phải đủ lớn

Như vậy cả độ cao đỉnh PHVT và giá trị PHVT cũng có vai trò quan trọng trong phát hiện quá trình tạo nên hoạt tính dông trong mây, đó là cơ sở cơ bản sử dụng tìm kiếm các chỉ tiêu

Phương pháp tìm chỉ tiêu dông cũng tương tự như đối với mưa Trên cơ sở các giá trị PHVT tương ứng với 5 trạm mặt đất quan trắc được thời điểm xuất hiện dông

và sử dụng 4 sản phẩm dẫn xuất như CAPPI (3km), HMAX, ETOPS, CMAX để xây dựng chỉ tiêu tổng hợp các dấu hiệu xảy ra dông trên mỗi loại sản phẩm Trên cơ sở

đó sẽ xây dựng được đồ thị về xác suất xảy ra dông theo giá trị PHVT, độ cao đỉnh PHVT, độ cao PHVT cực đại

khả năng xuất hiện dông theo độ PHVT và độ cao đỉnh mây

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO

TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mưa

3.1.1 Phương pháp tính toán số liệu

a, Kiểm nghiệm số liệu

Như đã nói ở chương 2, để xây dựng chỉ tiêu mưa cho trạm ra đa chúng tôi đã tiến hành thu thập và xử lý số liệu các trạm đo mưa tự động MAHASRI, gồm 31/32 trạm trong tháng 10, 11, 12 và số liệu mưa của 5 trạm mặt đất trong vùng hoạt động của ra đa (Tam Kỳ, Ba Tơ, Quảng Ngãi, Đà Nẵng, Lý Sơn) trong 2 năm 2007 và

2010 chuỗi số liệu này đại diện cho 2 giai đoạn trước và sau khi ra đa Tam kỳ được nâng cấp, đã đi vào hoạt động ổn định Chúng tôi đã đánh giá độ tin cậy của chuỗi số liệu đo mưa tự động thông qua việc so sánh thời gian thiết bị đo được mưa và lượng mưa tương ứng với số liệu của các trạm mặt đất nêu trên (do các trạm đo mưa mặt đất trên khu vực này là rất hạn chế, ở khu vực này lại có mạng trạm đo mưa tự động tương đối nhiều), mặt khác với mạng lưới trạm đối chứng nhiều hơn sẽ mang lại kết quả và phản ánh tính địa phương tốt hơn.Bởi vậy trong luận văn này sẽ dùng số liệu

đo mưa tự động làm cơ sở tính toán xây dựng chỉ tiêu, số liệu so sánh được thể hiện ở trên các hình 3.1 đến hình 3.4

Quảng Ngãi _ Tháng 10

0 20

Quảng Ngãi _ Tháng 11

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0 400.0

Ngày

Mua Mua Mh

Quảng Ngãi _ Tháng 12

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0 30.0 35.0

Ngày

Mua Mưa Mh

Hình 3.1.Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Quảng

Ngãi năm 2007

Trà My _ Tháng 10

0.0 50.0 100.0 150.0 200.0 250.0 300.0 350.0

Ngày

Mua Mh

Trà My _ Tháng 11

0.0 100.0 200.0 300.0 400.0 500.0 600.0 700.0

Ngày

Mua Mh

Trà My _ Tháng 12

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0

Ngày

Mua Mh

Hình 3.2 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm

Trà My năm 2007

Quảng Ngãi _ Tháng 10

0 20 40 60 80 100 120 140

Ngày

mua Mua Mh