00050012529 nghiên cứu và phát triển mô hình cảnh báo sớm thiên tai nhằm giảm thiểu thiệt hại cho hạ tầng viễn thông của viettel” chi tiết hơn là “Ứng dụng học máy vào dự Đoán và cảnh báo sét từ nguồn dữ liệu tổng hợp''

00050012529 nghiên cứu và phát triển mô hình cảnh báo sớm thiên tai nhằm giảm thiểu thiệt hại cho hạ tầng viễn thông của viettel” chi tiết hơn là “Ứng dụng học máy vào dự Đoán và cảnh báo sét từ nguồn dữ liệu tổng hợp''

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐÀO ĐẠI NGHĨA

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM THIÊN TAI NHẰM GIẢM THIỂU THIỆT HẠI CHO HẠ TẦNG

VIỄN THÔNG CỦA VIETTEL

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

Hà Nội - 2022

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐÀO ĐẠI NGHĨA

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM THIÊN TAI NHẰM GIẢM THIỂU THIỆT HẠI CHO HẠ TẦNG

VIỄN THÔNG CỦA VIETTEL

Ngành: Hệ thống thông tin

Chuyên ngành: Hệ thống thông tin

Mã số: 848010401

LUẬN VĂN THẠC SĨ HỆ THỐNG THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI QUANG HƯNG

Hà Nội - 2022

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của TS Bùi Quang Hưng – người đã đưa ra định hướng khoa học và luôn quan tâm, động viên, thông cảm, tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi xin cảm ơn Trung tâm Giám sát Hiện trường (FIMO) - Đại học Quốc Gia Hà Nội, đã định hướng cho Tôi trong đề tài nghiên cứu này

Bên cạnh đó Tôi cũng xin được cảm ơn sự hỗ trợ về mặt số liệu của Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ Tài nguyên và môi trường "Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo định lượng mưa do bão, áp thấp nhiệt đới bằng mô hình số trị phân giải cao kết hợp đồng hóa số liệu Radar, vệ tinh, quan trắc bề mặt và quan trắc cao không", mã số 2022.06.02

Cuối cùng, Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các bạn bè đã giúp đỡ, hỗ trợ Tôi cả

về mặt tinh thần và nền tảng kiến thức để Tôi có thể hoàn thành luận văn

Một lần nữa, Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả mọi người Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 11 năm 2022

Đào Đại Nghĩa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá nhân Tôi, không sao chép lại của người khác Trong toàn bộ nội dung của luận văn, những điều đã trình bày là của cá nhân Tôi hoặc được Tôi tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu Tất cả các nguồn tài liệu tham khảo có xuất xứ rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp

Tôi xin chịu toàn bộ trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho lời cam đoan của Tôi

Hà Nội, tháng 11 năm 2022

Đào Đại Nghĩa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC HÌNH VẼ 11

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT 16

1.1 S Ự HÌNH THÀNH VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA S ÉT 16

1.2 S Ự TÍCH ĐIỆN 16

1.2 S Ự HÌNH THÀNH LUỒNG DẪN SÉT 18

1.3 P HÂN LOẠI SÉT 18

1.4 M ÂY VŨ TÍCH / MÂY DÔNG ( NGUỒN GỐC SINH RA SÉT ) 19

1.4.1 Sự hình thành và phát triển của mây 19

1.4.2 Cấu trúc của mây 20

1.4.3 Bảng phân loại mây quốc tế 21

1.4.4 Các đặc điểm của mây vũ tích (mây dông) 22

1.5 Ả NH HƯỞNG CỦA SÉT LÊN CÁC HOẠT ĐỘNG KINH TẾ , XÃ HỘI 23

1.5.1 Tác hại của tia sét 23

1.5.2 Thiệt hại do sét về nhân mạng 24

1.5.3 Thiệt hại do sét lên hạ tầng viễn thông 24

1.6 C ÁC PHƯƠNG ÁN SỬ DỤNG KẾT QUẢ DỰ ĐOÁN SÉT ĐỂ GIẢM THIỂU THIỆT HẠI 24

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN, ĐỊNH VỊ VÀ DỰ BÁO SÉT 2.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM PHỤC VỤ CHO VIỆC PHÁT HIỆN, DỰ ĐOÁN VÀ CẢNH BÁO SÉT 27

2.2 C ÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN , ĐỊNH VỊ VÀ DỰ BÁO SÉT 27

2.2.1 Kỹ thuật phát hiện, định vị và dự báo sét dựa trên điện trường 27

2.2.2 Kỹ thuật phát hiện, định vị và dự báo sét dựa trên sóng điện từ 32

2.2.3 Kỹ thuật dự đoán và cảnh báo sét dựa trên dữ liệu Rada: 36

2.2.4 Kỹ thuật dự đoán và cảnh báo sét dựa trên dữ liệu Vệ tinh 37

2.2.5 Kỹ thuật dự đoán và cảnh báo sét dựa trên dữ liệu khí tượng 37

2.2.6 Tổng kết về các kỹ thuật dự báo và cảnh báo sét 38

2.3 C ÁC KỸ THUẬT HỌC MÁY TRUYỀN THỐNG 39

2.3.1 Linear Regression: 39

2.3.2 Logistic Regression: 40

2.3.3 Na ve Bayes 41

2.3.4 Trees và Forests 42

2.3.5 Support Vector Machines 44

2.4 C ÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC DỰ ĐOÁN 45

2.4.1 Đánh giá độ chính xác dự đoán cho bài toán phân lớp 45

2.4.2 Đánh giá độ chính xác dự đoán cho bài toán hồi quy 48

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN SÉT TỪ NGUỒN DỮ LIỆU TỔNG HỢP 49

3.1 N GUỒN DỮ LIỆU 49

3.2 P HƯƠNG PHÁP DỰ ĐOÁN 50

3.3 K ẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 51

3.3.1 T HỰC HIỆN HUẤN LUYỆN VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG DỰ ĐOÁN 53

KẾT LUẬN 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết

tắt

Ci Cirrus Mây Ti có dạng sợi mảnh, mầu trắng

Cc Cirroculumulus Mây Ti tích dạng nắm nhỏ, mầu trắng

Cs Cirrostratus Mây Ti tầng có dạng màng mỏng

Ac Altocumulus Mây Cao tích có dạng đám trắng lớn

As Altostratus Mây Cao tầng dạng màng có gây mưa

Sc Stratocumulus Mây Tầng tích rặng xám lớn gây mưa

Ns Nimbostratus Mây Vũ tầng xám dầy, mưa kéo dài

Cb Cumulonimbus Mây Vũ tích dầy đặc, có sét, mưa lớn

Cu Cumulus Mây Tích khá dầy, đen, gây mưa rào

St Stratus Mây Tầng lớp thấp gây mưa phùn

ST Step Leader Luồng dẫn bậc

US Upward Streamer Luồng đi lên

RS Return Stroke Vệt sét phản hồi

EMP Electro Magnetic Pulse Xung điện từ

DL Dart Leader Luồng tiên đạo

CG Cloud to Ground Sét phóng điện giữa Mây – Đất

CC Cloud to Cloud Sét phóng điện giữa Mây – Mây

IC Intra - Cloud Sét phóng điện trong nội bộ đám mây SPD Surge Protector Device Thiết bị bảo vệ chống xung quá áp

TVSS Transient Voltage Surge

Suppressor Thiết bị dập xung quá áp tức thời

Pb Pyrocumulonimbus Mây dông lửa

BFB Bolt From The Blue Sét từ bầu trời xanh

TOA Time Of Arrival Thời gian tới

MDF Magnetic Direction Finding Định vị phương hướng từ trường NLDN National Lightning Mạng định vị sét quốc gia

Detection Network

GLDN Global Lightning Detection

Network Mạng định vị sét toàn cầu

LLS Lightning Location System Hệ thống định vị sét

LT Lead Time Khoảng thời gian dự đoán trước sét TAM Two area method Phương pháp 2 vùng để dự đoán sét

PI Point of Interest Điểm quan tâm

AOC Area Of Concern Vùng quan tâm/Vùng cần dự đoán

WA Warning Area Vùng phát hiện/vùng báo động

EFM Electric Field Monitor Thiết bị giám sát điện trường

TIR Thermal Infrared Ray Bức xạ nhiệt hồng ngoại

POD Probability Of Detection Tỷ lệ phát hiện đúng

FTW Failure to Warn Tỷ lệ phát hiện sai

FAR False Alarm Ratio Tỷ lệ cảnh báo khống

CSI Critical Success Index Chỉ số thành công chính

SUC SUCcessfull Số lần cảnh báo thành công

CGWA Cloud–Ground in WA Số cảnh báo có tối thiểu một cú phóng

điện mây–đất trong vùng WA

HCAI High–resolution Cloud

Analysis Information

Thông tin phân tích mây độ phân dải cao

SMS Short Message Services Dịch vụ nhắn tin ngắn

ATS Automatic Transfer

Switches Thiết bị chuyển nguồn điện tự động LnR Linear Regression Hồi quy tuyến tính

LgR Logistic Regression Hồi quy Logistic

GBT Gradient Boosted Trees Cây tăng cường Gradient

SVM Support Vector Machines Máy Vector hỗ trợ

RSS Residual Summed Squared

AUC Area Under the Curve Vùng nằm dưới đường cong

ROC Receiver Operating

Characteristics Curve

Đường cong đặc tính hoạt động của

bộ thu

POFD Probability of False

PD Performance Diagram Biểu đồ hiệu suất

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Phân loại mây, tên gọi và tên viết tắt 22

Bảng 2.1 Mật độ sét tại 3 tỉnh cao nhất và 3 tỉnh thấp nhất ở Việt Nam 33

Bảng 2.2 Kết quả của một số nghiên cứu dự đoán sét bằng dữ liệu Rada 36

Bảng 3.1 Dữ liệu triết xuất từ ảnh vệ tinh GOES kênh thị phổ (0C) 54

Bảng 3.2 Dữ liệu triết xuất từ ảnh vệ tinh GOES kênh hơi nước (0C) 54

Bảng 3.3 Dữ liệu triết xuất từ ảnh vệ tinh GOES kênh hồng ngoại (0C) 54

Bảng 3.4 Dữ liệu triết xuất từ mạng Rada NEXRAD (kg m-2) 54

Bảng 3.5 Dữ liệu đếm số lượt sét từ vệ tinh GOES 55

Bảng 3.6 Kết quả đánh giá hiệu năng dự đoán phân lớp theo AUC 57

Bảng 3.7 Kết quả đánh giá hiệu năng dự đoán phân lớp theo PD 58

Bảng 3.8 Kết quả đánh giá hiệu năng dự đoán hồi quy 58

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sét đánh từ trên mây xuống đất trong một cơn dông ở khu vực đô thị 16

Hình 1.2 Sự cọ sát của các hạt băng và các hạt mưa đá gây ra nhiễm điện 17

Hình 1.3 Sự phân bố điện tích trong đám mây 17

Hình 1.4 Phân loại mây theo dạng mây và theo tầng 21

Hình 1.5 Cột viễn thông trong vùng có nguy cơ bị sét đánh 25

Hình 1.6 Thiết bị ATS dùng để chủ động cách ly các cột viễn thông khỏi lưới điện 25

Hình 1.7 Người dân có thể nhận được cảnh báo về vùng có nguy cơ bị sét đánh 26

Hình 2.1 Phương pháp hai vùng sét cho khu vực nghiên cứu 29

Hình 2.2 Lưu đồ dự báo và cảnh báo sét của công trình [6] 29

Hình 2.3 Tỷ lệ cảnh báo đúng, sai 30

Hình 2.4 Thời gian cảnh báo trước khi có sét đánh xuống 30

Hình 2.5 Bản đồ mạng lưới trạm định vị sét của TTKTTVQGError! Bookmark not defined Hình 2.6 Bản đồ mạng lưới trạm định vị sét của Viện Vật lý Địa cầu.Error! Bookmark not defined Hình 2.7 Bản đồ phân bố sét của Việt Nam và các nước lân cận 33

Hình 2.8 Nguyên lý của kỹ thuật dự đoán sét dựa trên dữ liệu định vị sét 34

Hình 2.9 Hệ thống cảnh báo sớm dông sét của Vaisala 35

Hình 2.10 Mô hình hồi quy tuyến tính một đặc tính 40

Hình 2.11 Hàm Sigmoid với trục ngang là giá trị nhãn, trục dọc là Scale Value 41

Hình 2.12 Hàm Gini và Entropy 43

Hình 2.13 Cây quyết định 43

Hình 2.14 Máy Vector hỗ trợ cho bài toán phân loại 45

Hình 2.15 Biểu đồ AUC 46

Hình 2.16 Biểu đồ Performance Diagram 47

Hình 3.1 Dữ liệu vệ tinh kênh thị phổ, hơi nước, hồng ngoại, Rada và định vị sét 53

Hình 3.2 Đánh giá hiệu năng dự đoán trên 01 đặc tính theo phương pháp biểu đồ PD 58

Hình 3.3 Đánh giá hiệu năng dự đoán trên 36 đặc tính theo phương pháp AUC 57

Hình 3.4 Đánh giá hiệu năng dự đoán trên 36 đặc tính theo phương pháp biểu đồ PD 58

Hình 3.5 Đánh giá hiệu năng của các mô hình dự đoán hồi quy 59

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày 1/9/2021 vừa qua, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), trực thuộc Liên Hợp Quốc (LHQ) đã đưa ra cảnh báo đang lo ngại về biến đổi khí hậu khi

mà các thảm họa thiên nhiên đã tăng gấp 5 lần trong nửa thế kỷ qua và gây thiệt

hại gấp 7 lần so với những năm 1970 [1] Theo đó, để đưa ra cảnh báo này WMO

đã nghiên cứu số liệu từ hơn 11.000 thảm họa thiên nhiên trong nửa thế kỷ qua Vào những năm 1970, trung bình mỗi năm có hơn 700 hiện tượng thiên tai, trong khi đó từ năm 2000 đến 2009, mỗi năm ghi nhận hơn 3.500 vụ, tương đương với khoảng 10 vụ mỗi ngày Các hiện tượng như bão, lũ lụt, hạn hán và sét là nguyên nhân gây ra nhiều trường hợp tử vong và thiệt hại nhất trong 50 năm qua Đáng chú ý, hơn 90% trong số khoảng 2 triệu người thiệt mạng vì thiên tai được LHQ xác định là ở các nước đang phát triển trong khi 60% thiệt hại kinh tế lại được ghi nhận ở các nước giàu có hơn

Trong bối cảnh đó, Việt Nam cũng không nằm ngoài tác động của thiên tai và biến đối khí hậu đang diễn biến phức tạp với xu hướng ngày càng tăng cả về tần suất lẫn thiệt hại Nước ta nằm ở phía Đông Nam của Châu Á, trong khu vực nhiệt đới gió mùa nóng, ẩm và nhiều mưa, sét Với vị trí địa lý kéo dài gần 15 vĩ độ từ bắc tới nam, cùng với đường bờ biển trên 3.000 km Do tiếp giáp với đại lục Châu Á và đại dương bao la, nên nước ta là nơi giao thoa của nhiều hệ thống thời tiết phức tạp mang sắc thái đa dạng và biến động lớn theo thời gian và không gian Vì vậy, thiên tai mà nhất là thiên tai có nguồn gốc khí tượng thuỷ văn như bão, lũ lụt, dông sét, gió lốc … là thường xuyên xảy ra

Theo Viện Vật lý – Địa cầu [2]: Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á – một trong ba tâm dông lớn trên thế giới, là nơi có hoạt động dông sét khá mạnh Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài, số giờ dông trung bình là 250 giờ/năm Ngoài tác dụng có lợi như mang lại nước mưa, cung cấp đạm Nitơ tự nhiên, dông sét lại là hiểm họa gây các thiệt hại về người và của

Theo thống tại Tập đoàn Viễn thông Quân Đội (Viettel), mỗi năm có khoảng

10.000/50.000 cột viễn thông của Tập đoàn này bị sét đánh vào gây hư hỏng các thiết bị thông tin liên lạc Mặc dù tại mỗi cột Anten đều được trang bị đầy đủ kim thu sét Franklin, cáp thoát sét, bãi tiếp đất, lồng Faraday và thiết bị chống sét SPD/TVSS đầy đủ Nhưng vẫn chịu thiệt hại ước tính ~10tr USD/năm (chưa tính các thiệt hại gián tiếp do gián đoạn thông tin làm mất doanh thu dịch vụ)

Theo thống kê của Văn phòng thường trực Ban Chỉ đạo Quốc gia về phòng, chống thiên tai [3]: Số người tử vong do sét gây ra từ năm 2017 đến cuối tháng

7/2022 là 175 người Số vụ sét đánh và số người chết do sét đánh có chiều hướng gia tăng sau mỗi năm Cụ thể, năm 2017 xảy ra 16 vụ sét đánh khiến 16 người chết Năm 2018 tăng lên 22 vụ khiến 25 người chết Số vụ sét đánh năm 2019 là

22 vụ làm 26 người tử vong Năm 2020, số vụ sét đánh tăng lên 29 vụ làm 32 người chết Đến năm 2021, số vụ sét đánh giảm còn 27 vụ khiến 32 người chết Riêng gần 7 tháng năm 2022 đã xảy ra 36 vụ sét đánh làm 44 người chết

Xuất phát từ những thiệt hại nêu trên, đề tài: “Nghiên cứu và phát triển mô hình cảnh báo sớm thiên tai nhằm giảm thiểu thiệt hại cho hạ tầng viễn thông của Viettel” mà chi tiết hơn là “Ứng dụng học máy và trí tuệ nhân tạo vào dự đoán và cảnh báo sét từ nguồn dữ liệu tổng hợp” đã được lựa chọn để thực hiện với mong muốn kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học và tài liệu tham khảo quan trọng cho việc dự đoán và cảnh báo sét Từ đó góp phần xây dựng các phương án nhằm ứng phó, hạn chế, phòng ngừa để giảm thiểu thiệt hại gây ra bởi sét tại Viettel nói riêng và trong cộng đồng nói chung

2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là:

- Xác định tính khả thi của hướng tiếp cận về việc có thể xây dựng một hệ thống dự đoán và cảnh báo sớm nguy cơ sét đánh xuống mặt đất

- Nghiên cứu và phát triển mô hình cảnh báo sớm thiên tai nhằm giảm thiểu thiệt hại cho hạ tầng viễn thông của Viettel” mà chi tiết hơn là xây dựng một phương pháp dự đoán, cảnh báo sét bằng cách ứng dụng một số

kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo để xử lý các dữ liệu viễn thám, Rada, khí tượng và dữ liệu định vị sét

- Thực nghiệm trên số liệu minh hoạ và đánh giá độ chính xác dự đoán

3 Đối tượng nghiên cứu

- Hiện tượng sét, các điều kiện để hình thành sét, các đặc trưng chính của sét để có thể phát hiện, giám sát và dự đoán

- Các nguồn dữ liệu có chứa thông tin về các trạng thái hình thành, phát triển, thoái hoá của sét

- Các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo có thể ứng dụng được cho bài toán dự đoán, cảnh báo dông sét

4 Quan điểm và phương pháp nghiên cứu

Luận văn được nghiên cứu trên cơ sở lý luận và thực nghiệm bằng cách thu thập số liệu, sử dụng những nguồn thông tin đã sẵn có Tiếp đó là kế thừa, tham khảo kết luận, kết quả có liên quan của một số nghiên cứu trước đó của các tác

giả, cơ quan, tổ chức khác nhau Và cuối cùng là thực nghiệm bài toán cụ thể bằng cách thực hiện ứng dụng học máy vào dự đoán và cảnh báo sét từ nguồn dữ liệu vệ tinh, Rada và định vị sét

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Đề tài: “Nghiên cứu và phát triển mô hình cảnh báo sớm thiên tai (cụ thể là sét) nhằm giảm thiểu thiệt hại cho hạ tầng viễn thông của Viettel” đã được thực hiện với mong muốn kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở khoa học, tài liệu tham khảo quan trọng cho việc dự đoán và cảnh báo sét Từ đó có thể xây dựng các thống cảnh báo sớm vùng có nguy cơ xảy ra sét đánh xuống mặt đất, qua đó có phương

án có phương án ứng phó kịp thời nhằm hạn chế và giảm thiểu các thiệt hại gây

ra

6 Cấu trúc của luận văn

Nội dung chính của luận văn gồm 3 chương như sau:

- Chương 1: Trình bày các khái niệm, đặc trưng cơ bản và ảnh hưởng của

sét lên các hoạt động kinh tế, xã hội

- Chương 2: Trình bày các kỹ thuật phát hiện, định vị và dự đoán sét

- Chương 3: Đề xuất phương án ứng dụng một số kỹ thuật Machine

Learning vào dự đoán và cảnh báo sét từ nguồn dữ liệu tổng hợp và kết quả thực nghiệm

CHƯƠNG 1 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SÉT 1.1 Sự hình thành và các đặc trưng của Sét

Sét là hiện tượng phóng điện trong khí quyển giữa các đám mây và mặt đất hay giữa các đám mây mang các điện tích khác dấu, đôi khi sét còn xuất hiện trong các trận phun trào núi lửa hay bão bụi Khi phóng điện, sét có thể di chuyển với tốc độ gần 100.000 km/s Vì tia sét là sự di chuyển của các hạt mang điện (electron và ion) dưới dạng dòng Plasma phát sáng nên Ta có thể thấy nó trước khi nghe thấy tiếng sấm, vì tiếng động chỉ truyền đi được 343 m/s còn ánh sáng thì đi được 299.792 km/s Sét có thể đạt tới nhiệt độ trên 30.000 K (29.726°C), gấp 5 lần nhiệt độ bề mặt của Mặt Trời (5.778 K) và hơn 20 lần nhiệt độ cần thiết

để biến cát Silica thành thủy tinh [4]

Sét sinh ra từ các đám mây vũ tích hay còn gọi là mây dông, đây là loại mây thường có độ cao chân mây từ 1 đến 2 km tính từ mặt đất và độ cao đỉnh mây có thể tới 15 km Trên thế giới có khoảng 16 triệu cơn dông mỗi năm Nếu có đám mây dông tích điện bay gần mặt đất tới những khu vực trống trải và gặp một vật có độ cao như cây cối, cột, tháp thì các luồng dẫn sét sẽ hình thành và xảy ra sự phóng tia lửa điện giữa đám mây và mặt đất Đó là hiện tượng sét đánh

Hình 1.1 Sét đánh từ trên mây xuống đất trong một cơn dông ở khu vực đô thị

1.2 Sự tích điện

Một đám mây dông được hình thành khi có một khối không khí nóng ẩm chuyển động hướng lên trên, trong đó khu vực trung tâm của đám mây dông là khu vực chủ yếu xảy ra sự tích điện trong đám mây, nơi đó có luồng không khí đối lưu di chuyển hướng lên rất nhanh (gọi là luồng Updraft) và có nhiệt độ khá lạnh từ −15 đến −25 °C (5 đến −13 °F) Nhiệt độ thấp cùng với sự chuyển động nhanh của luồng Updraft tạo ra một hỗn hợp gồm: Các giọt mây trong trạng thái siêu lạnh (tức là các giọt nước ở thể lỏng dưới điểm nhiệt độ đóng băng), các

tinh thể băng nhỏ và các hạt nước đá mềm Dòng không khí hướng lên đưa các giọt mây siêu lạnh và tinh thể băng nhỏ nhẹ lên phía đỉnh của đám mây dông; Trong khi các hạt nước đá mềm nặng và đặc hơn có xu hướng rơi xuống phần dưới của đám mây hoặc lơ lửng ở giữa dòng không khí [4] Các chuyển động ngược chiều nhau của các hạt ngưng đọng khác nhau sẽ dẫn tới sự ma sát Khi có

ma sát các giữa tinh thể băng và các hạt nước đá mềm, các tinh thể băng bị nhiễm điện dương và hạt nước đá mềm bị nhiễm điện âm

Hình 1.2 Sự cọ sát của các hạt băng và các hạt mưa đá gây ra nhiễm điện

Các tinh thể băng tiếp tục bị đẩy lên phía đỉnh của đám mây, trong khi các hạt mưa đá mềm sẽ lơ lửng hoặc rơi xuống phần phía dưới Kết quả là trong đám mây dông sẽ phân ly thành hai miền điện tích trái dấu: Miền điện tích âm ở phía dưới và miền điện tích dương ở phía trên (Hình 1.3)

Hình 1.3 Sự phân bố điện tích trong đám mây

Mặc dù quá trình tích điện mô tả ở trên chủ yếu xảy ra ở bên trong đám mây, nhưng một số điện tích có thể bị tái phân bố do tác động của các chuyển động không khí lên và xuống Ngoài ra còn có một khu vực điện tích dương mỏng hơn nhưng đáng kể phía đáy của đám mây được hình thành do mưa và nhiệt độ

ấm hơn ở gần mặt đất

1.2 Sự hình thành luồng dẫn sét

Để hiểu được tia sét hình thành từ đâu, trước tiên ta phải tìm hiểu giai đoạn

sơ khai của chúng: dưới dạng các luồng dẫn sét Các luồng dẫn (hay kênh dẫn) là các kênh ion trong không khí và là cơ chế chính của sự hình thành các tia sét [4]

Các điều kiện cần để xảy ra sự phóng điện sét trong không khí bao gồm:

- Thứ nhất, phải tồn tại hiệu điện thế cao (ngưỡng vài triệu volt) giữa các khu vực trong không gian để tạo ra điện trường đủ mạnh để làm ion hóa không khí và góp phần hình thành các luồng dẫn;

- Thứ hai là phải có môi trường trở kháng cao ngăn cản sự trung hòa tự nhiên giữa các điện tích trái dấu - trong trường hợp của sét, nó là bầu khí quyển Điện trường được sinh ra giữa các khu vực mang điện tích trái dấu, cường độ của điện trường tăng khi lượng (hay mật độ) điện tích tăng, chiều của điện trường từ bản dương là mặt đất lên đến bản âm là chân đám mây Hai miền điện tích trái dấu của đám mây dông có thể coi như là hai bản của một tụ điện không khí khổng lồ Giữa phần chân đám mây dông mang điện âm và mặt đất tích điện dương (do sự hưởng ứng tĩnh điện) cũng là một tụ điện khổng lồ nữa với không khí đóng vai trò như chất điện môi giữa 2 bản tụ Tia sét là sự phóng điện - dưới dạng một tia lửa điện khổng lồ, sẽ được bắt đầu dưới hình thức luồng dẫn, khi hiệu điện thế giữa 2 bản cực của tụ điện được nâng dần tới mức đủ lớn để "đánh thủng" điện môi không khí

Một lượng lớn điện tích tương đương trái dấu (dương) với điện tích của đám mây (âm) sẽ được tích trên mặt đất do sự hưởng ứng tĩnh điện Lượng điện tích (điện trường) đo tại một điểm cố định trên mặt đất sẽ tăng dần khi đám mây dông tiến gần đến vị trí đó, và giảm đi khi đám mây đi qua Giá trị của điện trường đo được trên mặt đất theo vị trí tương đối với đám mây có thể được biểu diễn gần đúng bằng một đường cong hình chuông

1.3 Phân loại sét

Các tia sét khác nhau có các đặc tính cụ thể cũng khác nhau, các nhà khoa học và dân chúng đã đặt tên cho rất nhiều loại sét khác nhau Hình thức mà sét thường xuất hiện nhất là vệt sét Một lượng lớn các hạt mang điện thường nằm

trong các đám mây nhưng mọi người không thể thấy chúng trừ khi chúng bắt đầu xáo động và tiến hành trao đổi với nhau trong cơn dông

Có ba loại sét chính [4]:

- Sét đánh từ mây xuống đất (cloud-to-ground, CG);

- Sét giữa các đám mây (cloud-to-cloud, CC);

- Sét trong nội bộ đám mây (intra-cloud, IC)

Ngoài các loại sét chính trong tự nhiên kể trên còn có một vài dạng sét biến thể khác

1.4 Mây vũ tích/mây dông (nguồn gốc sinh ra sét)

1.4.1 Sự hình thành và phát triển của mây

Do quá trình ngưng kết trong khí quyển xuất hiện tập hợp những sản phẩm ngưng kết: những giọt nước và hạt băng Người ta gọi chúng là mây Kích thước của chúng nhỏ đến mức trọng lượng của chúng cân bằng với lực ma sát nên chúng rơi với một tốc độ rất nhỏ Tốc độ rơi của các hạt nước này chỉ bằng vài phần mười cm trong 1 giây Tốc độ rơi của những hạt băng thậm chí còn nhỏ hơn [5]

Chuyển động nhiễu loạn của không khí làm cho những giọt nước và hạt băng nhỏ bé đó nói chung không rơi xuống được, mà chúng được giữ lơ lửng trong không khí rất lâu và di chuyển khi xuống thấp khi lên cao Nhìn chung, mây bị các dòng không khí lưu chuyển trên không trung Nếu độ ẩm tương đối trong không khí chứa mây giảm, mây sẽ bốc hơi Trong những điều kiện nhất định, một số thành phần của mây lớn lên và nặng đến mức rơi xuống đất (mưa)

Tập hợp những sản phẩm ngưng kết ở sát mặt đất được gọi là sương mù Giữa mây và sương mù không có sự khác biệt cơ bản trong cấu trúc ở vùng núi

có thể có những trường hợp mây xuất hiện ngay trên sườn núi Đối với người quan sát từ dưới thung lũng, thì đó là mây; còn đối với người quan sát ở ngay trên sườn núi thì đó là sương mù

Có những đám mây chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn Chẳng hạn những đám mây Tích chỉ tồn tại trong vòng 10 – 15 phút (những giọt nước tạo thành mây vừa mới xuất hiện lại bốc hơi nhanh chóng) Nhưng cũng có khi mây tồn tại rất lâu) Thực tế mây luôn ở trong quá trình hình thành và mất đi liên tục (bị bốc hơi) Trong khi một số phần tử mây bị bốc hơi thì những phần tử khác lại xuất hiện Quá trình hình thành mây duy trì rất lâu, và mây chỉ là phần nhìn thấy được của khối hơi nước trong quá trình này ở trong một thời điểm nhất định

Hiện tượng này biểu hiện đặc biệt rõ trong quá trình tạo mây ở vùng núi Nếu không khí liên tục trườn qua núi, tới độ cao nào đó, nó lạnh đi đoạn nhiệt đến mức

mây xuất hiện Những đám mây này dường như gắn liền bất động với đỉnh núi Nhưng thực ra, khi di chuyển cùng với không khí, phần phía trước của chúng luôn bốc hơi do không khí sau khi trườn qua núi bắt đầu hạ xuống Còn ở sườn đón gió mây luôn được tạo thành do hơi nước được không khí đưa lên cao

Trạng thái lơ lửng của mây cũng là giả tạo Nếu mây không thay đổi độ cao thì điều đó không có nghĩa là những phần tử tạo thành nó không rơi xuống dưới Các hạt chất lỏng và chất rắn trong mây vẫn rơi xuống, song khi tới chân mây nơi không khí chưa bão hoà, chúng lại bị bốc hơi Kết quả là mây dường như vẫn tồn tại trên một độ cao nhất định

1.4.2 Cấu trúc của mây

Theo cấu trúc riêng mây chia làm ba loại [5]:

- Mây nước tạo thành bởi những giọt nước Mây này tồn tại không những ở nhiệt độ dương mà cả ở nhiệt độ âm Trong trường hợp này, các giọt nước ở trạng thái siêu lạnh, điều này thường rất hay xảy ra trong khí quyển

- Mây hỗn hợp tạo thành bởi hỗn hợp những giọt nước siêu lạnh và những hạt băng dưới nhiệt độ âm nhất định

- Mây băng chỉ tạo thành bởi các hạt băng ở nhiệt độ âm tương đối thấp Vào mùa nắng nóng, phần lớn mây nước được tạo thành ở những tầng khí quyển tầng thấp, mây hỗn hợp ở những tầng trung, còn mây băng ở những tầng trên Vào mùa lạnh, dưới nhiệt độ thấp, mây hỗn hợp và mây băng có thể xuất hiện ở sát mặt đất Các giọt nước trong mây có thể duy trì đến nhiệt độ khoảng –10oC (đôi khi tới nhiệt độ thấp hơn) ở nhiệt độ thấp hơn, ngoài những giọt nước còn có các hạt băng,

đó là mây hỗn hợp Mây trong tầng đối lưu quan trắc thấy ở nhiệt độ khoảng - 30 o

C

 - 50o

C và thường có cấu trúc tinh thể

Hình 1.4 Phân loại mây theo dạng mây và theo tầng

1.4.3 Bảng phân loại mây quốc tế

Mây trong tầng đối lưu rất đa dạng Tuy nhiên, có thể xếp chúng vào một số dạng cơ bản như sau [5]:

Trong 10 loại mây kể trên, thì 3 loại đầu là mây ti, mây ti tích và mây ti tầng thường gặp ở tầng trên; mây cao tích và mây cao tầng ở tầng giữa; mây tầng tích, mây vũ tầng và mây tầng ở tầng dưới Mây tầng trên ở miền địa cực trung bình tới

độ cao khoảng từ 3 đến 8km, ở miền ôn đới từ 5 đến 13 km và ở miền nhiệt đới từ

6 đến 18 km Mây tầng giữa ở miền cực từ 2 đến 4 km, ở miền ôn đới từ 2 đến 7

km và ở miền nhiệt đới từ 2 đến 8 km Mây tầng dưới ở mọi vĩ độ có độ cao từ mặt đất đến 2 km Chân (bề mặt phía dưới) của mây tích và mây vũ tích thường thấy ở tầng dưới cùng nhưng đỉnh của chúng thường lan tới tầng giữa và đôi khi đến tầng trên

Tên 10 loại của mây chính [5]:

Bảng 1 Phân loại mây, tên gọi và tên viết tắt

STT Tên mây Tên latinh viết tắt Tên

Độ cao ở miền nhiệt đới (km)

2 Mây ti tích Cirroculumulus Cc 6-18

3 Mây ti tầng Cirrostratus Cs 6-18

1.4.4 Các đặc điểm của mây vũ tích (mây dông)

Mây vũ tích (Cb) là những khối mây tích dày phát triển mạnh theo chiều thẳng đứng dưới hình dạng ngọn núi hay toà tháp, mây thường phát triển từ tầng dưới cùng cho đến tận tầng trên cùng [5] Khi che khuất Mặt Trời, mây vũ tích có dạng tối và giảm độ chiếu sáng rất nhiều Đỉnh của chúng phẳng và có cấu trúc dạng sợi như mây tích, nhiều khi có dạng đặc trưng hình đe Phần trên cùng của mây vũ tích cấu tạo bởi những hạt băng và những giọt nước có kích thước khác nhau Mây này cho giáng thuỷ (mưa rào) rất lớn kèm sấm sét, đôi khi còn có mưa

đá, vào mùa đông sẽ cho tuyết rất dày và tuyết bông Vì vậy, người ta còn gọi mây vũ tích là mây dông

1.5 Ảnh hưởng của sét lên các hoạt động kinh tế, xã hội

1.5.1 Tác hại của tia sét

Theo Viện Vật lý – Địa cầu [2]: Việt Nam nằm ở tâm dông châu Á – một trong ba tâm dông lớn trên thế giới, có hoạt động dông sét khá mạnh Mùa dông ở Việt Nam tương đối dài, số giờ dông trung bình là 250 giờ/năm Ngoài tác dụng

có lợi như mang lại nước mưa, cung cấp đạm Nitơ tự nhiên, dông sét lại là hiểm họa gây các thiệt hại về người và của

Trong những năm gần đây, rất nhiều công trình, đường dây tải điện, kho tàng, các thiết bị ngành Hàng không, Hàng hải, Bưu chính Viễn thông, thiết bị nghiên cứu khoa học, thiết bị điện tử đã bị sét đánh hỏng gây thiệt hại rất lớn Ngoài thiệt hại về kinh tế, sét còn gây thiệt hại về người, gây tâm lý hoang mang

ở một số địa phương như xã Cổ Dũng (Hải Dương), huyện Đông Anh (Hà Nội),

xã Sơn Lộc, huyện Can Lộc, Tỉnh Hà Tĩnh, các vùng đồng bằng sông Cửu Long… Kết quả nghiên cứu dông sét trên thế giới, cho thấy:

 Cùng một lúc trên trái đất có khoảng 2.000 cơn dông

 Trong mỗi giây có gần 100 sét đánh

 Mỗi ngày có trên 4.000 cơn dông và 9.000.000 sét đánh

 Trên thế giới sét làm chết từ 1.000 đến 10.000 người/năm và riêng ở Mỹ

từ 100 đến 600 người/năm

 Tổn thất về kinh tế trên thế giới do sét là: 10 Tỷ USD/năm

 Dông sét là một trong số những hiểm họa thiên tai vô cùng nguy hiểm đối với tính mạng con người và gây ra những thiệt hại rất lớn về tài sản vật chất

Một số hậu quả do sét gây ra đối với đời sống, kinh tế và xã hội:

 Sét đánh chết người, động vật hoặc gia súc…

 Sét gây hư hỏng, cháy nổ các công trình kiến trúc, nhà xưởng, kho tàng, phương tiện vận chuyển, kiểm tra, giám sát và điều hành v.v…

 Sét có thể làm hư hỏng hoàn toàn các thiết bị máy móc công nghiệp, thiết bị điện tử, viễn thông v.v… hoặc làm cho thiết bị hoạt động không

ổn định, làm sai lệch chương trình xử lý số liệu v.v…

 Ngoài các thiệt hại về vật chất, sét còn gây ra các tổn thất dịch vụ Tổn thất dịch vụ là dạng thiệt hại vô hình nghiêm trọng, làm gián đoạn hoạt động sản xuất, kinh doanh (do máy xử lý không chính xác hoặc phải mất thời gian sửa chữa khắc phục hậu quả do sét) dẫn đến hao tốn vật tư và

nhân lực, không bảo đảm tiến độ và kế hoạch giao hàng, phải bồi thường hợp đồng v.v

1.5.2 Thiệt hại do sét về nhân mạng

Theo thống kê của Văn phòng thường trực Ban Chỉ đạo Quốc gia về phòng, chống thiên tai [3]: Số người tử vong do sét gây ra từ năm 2017 đến cuối tháng 7/2022 là 175 người Số vụ sét đánh và số người chết do sét đánh có chiều hướng gia tăng sau mỗi năm Cụ thể, năm 2017 xảy ra 16 vụ sét đánh khiến 16 người chết Năm 2018 tăng lên 22 vụ khiến 25 người chết Số vụ sét đánh năm 2019 là

22 vụ làm 26 người tử vong Năm 2020, số vụ sét đánh tăng lên 29 vụ làm 32 người chết Đến năm 2021, số vụ sét đánh giảm còn 27 vụ khiến 32 người chết Riêng gần 7 tháng năm 2022 đã xảy ra 36 vụ sét đánh làm 44 người tử vong

1.5.3 Thiệt hại do sét lên hạ tầng viễn thông

Tại Tập đoàn Viễn thông Quân Đội (Viettel), với quy mô ~50.000 cột Anten phát sóng của mạng di động có độ cao lớn hơn các kiến trúc, vật thể xung quanh trung bình từ 6 – 30 m Với độ cao như vậy các cột Anten viễn thông đã trở thành các địa điểm lý tưởng để sét đánh xuống mặt đất

Mặc dù tại mỗi cột Anten đều được trang bị đầy đủ kim thu sét Franklin, cáp thoát sét, bãi tiếp đất, lồng Faraday và các thiết bị chống sét SPD/TVSS đầy đủ Nhưng mỗi năm Viettel vẫn có hàng chục ngàn cột Anten bị sét đánh vào gây hư hỏng các thiết bị điện tử viễn thông với thiệt hại ~10tr USD/năm (chưa tính các thiệt hại gián tiếp do gián đoạn thông tin làm mất doanh thu dịch vụ)

1.6 Các phương án sử dụng kết quả dự đoán sét để giảm thiểu thiệt hại

Theo dữ liệu thống kê từ thực tế vận hành khai thác mạng viễn thông trong 20 năm qua của Viettel, thiệt hại do sét gây ra chủ yếu đến từ sự lan truyền xung sét từ đường cáp điện lực vào trạm, qua đó đánh hỏng các linh kiện điện tử trong thiết bị viễn thông Các trường hợp sét đánh vào cột Anten đều được kim thu sét hấp thụ và dẫn xuống hệ thống cọc tiếp đất ở chân cột và hầu như không gây ra thiệt hại gì đáng

kể

Như vậy, nếu có thể dự đoán trước khi có sét xẩy ra và chủ động cách ly (tự động hoặc điều khiển từ xa) các thiết bị viễn thông trong trạm ra khỏi lưới điện thì hoàn toàn có thể cắt đứt con đường để sét lan truyền vào trong trạm và tàn phá các thiết bị viễn thông Lúc này các thiết bị viễn thông sẽ hoạt động hoàn toàn dựa trên nguồn Ắc quy hoặc nguồn máy phát dự phòng và nguy cơ bị sét đánh hỏng sẽ giảm xuống mức rất thấp hoặc không còn tồn tại Hình 1.6 mô tả thiết bị ATS được dùng

để chuyển đổi nguồn điện tự động hoặc điều khiển từ xa

Hình 1.5 Cột viễn thông trong vùng có nguy cơ bị sét đánh

Hình 1.6 Thiết bị ATS dùng để chủ động cách ly cột viễn thông khỏi lưới điện

- Ngoài ra, nhà mạng viễn thông còn có thể gửi tin nhắn SMS di động về cảnh báo nguy cơ sét đánh đến tất cả các người dùng điện thoại di động nằm trong khu vực có nguy cơ bị sét đánh (trên cơ sở người dùng đồng ý nhận các tin nhắn này) Thông tin gửi đi sẽ bao gồm cả khoảng thời gian dự tính bị ảnh hưởng Từ đó, người dân có thể tìm nơi trú tránh an toàn trước khi sét gia tăng cường độ hoạt động mạnh mẽ

Hình 1.7 Người dân có thể nhận được cảnh báo về vùng có nguy cơ bị sét đánh

CHƯƠNG 2 CÁC KỸ THUẬT PHÁT HIỆN, ĐỊNH VỊ VÀ DỰ BÁO SÉT 2.1 Các đặc điểm phục vụ cho việc phát hiện, dự đoán và cảnh báo sét

Từ các nghiên cứu trong Chương 1, Ta có thể rút ra các nội dung sau để phục vụ cho việc xây dựng các phương pháp phát hiện, định vị sét và dự đoán, cảnh báo sét như sau:

- Trong 10 loại mây thuộc bảng phân loại mây quốc tế thì chỉ có mây vũ tích (hay mây dông) mới có thể sinh ra sét

- Để hình thành sét, đám mây vũ tích phải tạo thành siêu tụ điện mà các bản cực là mặt đất với chân mây và/hoặc chân mây với đỉnh mây

- Để sự phóng điện sét xẩy ra, đám mây dông/siêu tụ điện này phải tích tụ được lượng điện tích đủ lớn để tạo ra mức cường độ điện trường đủ để đánh thủng lớp cách điện là tầng không khí tự nhiên giữa các bản cực

- Để tích điện, ở phần giữa và phần trên của đám mây dông phải nằm ở độ cao đủ lạnh để băng hoá các hạt nước thành các hạt băng hoặc tinh thể băng Sự ma sát giữa các hạt băng rơi xuống do trọng lực với các hạt băng bay lên do luồng khí nóng đối lưu sẽ tạo thành các bản cực tích điện âm ở chân mây và tích điện dương ở đỉnh mây

- Phần chân mây dông mang điện âm sẽ tạo sẽ tạo ra hiện tượng cảm ứng tĩnh điện, thu hút các ion mang điện dương tụ tập lại trên các đỉnh cao, chóp nhọn trên mặt đất

- Khi cường độ điện trường đạt mức khoảng 3kV/m trở lên, hiện tượng ion hoá không khí xảy ra và tạo thành các kênh dẫn sét có điện trở thấp, nhờ đó sét được phóng qua kênh dẫn giữa 2 siêu bản cực

- Trong quá trình phóng điện sét giải phóng ra các sóng điện từ trường ở tần

số rất thấp và siêu thấp, các sóng này có thể truyền đi rất xa nhờ bước sóng lớn (có thể lên tới vài ngàn km nhờ hiệu ứng ống dẫn sóng ở tầng đối lưu)

Từ các đặc điểm về sét nêu trên, các nhà khoa học đã phát triển ra những hệ thống để phát hiện, định vị sét và dự đoán, cảnh báo sớm dông sét

2.2 Các kỹ thuật phát hiện, định vị và dự báo sét

2.2.1 Kỹ thuật phát hiện, định vị và dự báo sét dựa trên điện trường

Dựa trên đặc điểm muốn hình thành sét thì cụm mây dông phải tích luỹ được một lượng lớn điện tích và tạo ra cường độ điện trường đủ cao trước khi sự phóng điện sét xảy ra Người ta có thể đo giám sát cường độ điện trường tại các vị trí/khu vực cần cảnh báo sớm nguy cơ sét như: Sân bay, cảng biển, trung tâm dữ

liệu, trạm biến áp trung/cao thế, công trình xây dựng cao tầng, khu chế xuất, khu công nghiệp và các địa điểm tụ tập đông người ngoài trời như lễ hội, sự kiện

Vào năm 2013, nhóm tác giả Zeng, Q.; Wang, Z.; Guo, F.; Feng, M.; Zhou,

S.; Wang, H.; Xu, D trong công trình [7], đã thực hiện dự đoán sét cho khu vực

Nanjing – Trung Quốc dựa trên số liệu của 5 trạm đo cường độ điện trường, 2 trạm Radar thời tiết và số liệu của hệ thống định vị sét LLS (Lightning Location System) Kết quả đạt được thời gian trung bình dự đoán trước thời điểm có sét phóng điện mây–đất đầu tiên LT (Lead Time) = 20,8 phút với khả năng dự đoán sét thành công trên 80%

Năm 2020, nhóm tác giả Hoang Hai Son, Nguyen Xuan Anh, Pham Xuan

Thanh, Nguyen Van Hiep trong công trình [6], đã thực hiện lại mô hình cảnh báo

sét tương tự như trên (bổ sung thêm nguồn dữ liệu vệ tinh) cho khu vực Phú Thụy–Gia Lâm–Hà Nội Kết quả cho thấy thời gian trung bình cảnh báo trước thời điểm có phóng điện mây–đất đầu tiên LT (Lead Time) = 31,6 phút với khả năng cảnh báo sét thành công trên 88%

Mô tả phương pháp của công trình [6] như sau:

Để cảnh báo sét cho khu vực Gia Lâm–Hà Nội, nhóm Hải Sơn sử dụng phương pháp hai vùng (Two area method), (Hình 2.1) Các tham số cơ bản của phương pháp gồm: điểm quan tâm (Point of Interest: PI), tương ứng với vị trí đặt thiết bị đo cường độ điện trường tại trạm Phú Thụy; Vùng quan tâm hay vùng cần cảnh báo (Area Of Concern: AOC) tương ứng diện tích hình tròn bán kính 10 km, với tâm đường tròn là vị trí đặt thiết bị EFM–100 tại trạm Phú Thụy; Vùng cảnh báo (Warning Area: WA) tương ứng với hình vành khuyên có bán kính từ 10 km đến 30 km, bao quanh vùng AOC Phương pháp hai vùng là phương pháp sử dụng thông tin của vùng cảnh báo WA để cảnh báo cho vùng quan tâm AOC Để kiểm tra sự tồn tại của các vùng mây đối lưu/mây dông (giới hạn xung quanh trạm EFM–100 Phú Thụy khoảng 50 km) có thể phát triển hoặc di chuyển đến khu vực nghiên cứu, nhóm Hải Sơn sử dụng số liệu radar là các vùng mây có độ phản hồi lớn hơn 35 dBz hoặc số liệu vệ tinh, sử dụng kết hợp số liệu các kênh hồng ngoại TIR6 (6,2 µm), TIR2 (11,2 µm), kênh TIR2 biểu thị mức độ đóng băng ở đỉnh mây và tốc độ phát triển của mây, chênh lệch TIR6–TIR2 biểu thị độ dày của mây; Còn số liệu định vị sét sử dụng để kích hoạt cảnh báo

Hình 2.1 Phương pháp hai vùng sét cho khu vực nghiên cứu

Dữ liệu giám sát điện trường thu được từ cảm biến EFM-100 được lọc nhiễu

và so sánh ngưỡng 1kV/m nếu xuất hiện giá trị vượt ngưỡng thì kiểm tra tiếp có tồn tại mây dông (mây đối lưu) gần khu vực WA hay không bằng cách phân tích

số liệu Rada hoặc số liệu vệ tinh Nếu có mây dông thì kiểm tra tiếp có sét CG trong vùng WA hay không, nếu có thì đưa ra cảnh báo sắp có sét đánh vào vùng AOC

Hình 2.2 Lưu đồ dự báo và cảnh báo sét của công trình [6]

Kết quả đạt được sau khi nhóm Hải Sơn áp dụng phương pháp cho tập dữ liệu 139 ngày cảm biến EFM-100 vượt ngưỡng 1kV/m như sau:

- 97/139 ngày đạt điều kiện cảnh báo sét với 107 sự kiện sét

- Tỷ lệ cảnh báo đúng (POD), cảnh báo sai (FTW) và cảnh báo khống (FAR) như sau:

Hình 2.3 Tỷ lệ cảnh báo đúng, sai

Hình 2.4 Thời gian cảnh báo trước khi có sét đánh xuống

Một số công trình khác cùng hướng nghiên cứu gồm có:

Năm 2004, nhóm tác giả Montanya, J.; Bergas, J.; Hermoso đã đề cập đến

việc sử dụng phương pháp đo điện trường trên mặt đất để cảnh báo sớm nguy cơ

sét đánh xuống mặt đất [8]

Năm 2008, nhóm tác giả Beasley, W.H.; Williams, D.E.; Hyland, P.T đã đưa ra các kết quả phân tích cho thấy mối tương quan giữa cường độ điện trường

trên mặt đất với các loạt sét phóng điện từ mây xuống đất tại trung tâm vũ trụ

Kenedy trong các cơn dông [9]

Năm 2009, nhóm tác giả Aranguren, D.; Montanya, J.; Solá, G.; March, V.;

Romero, D.; Torres, H đã đưa ra phương pháp cảnh báo sớm nguy cơ sét sử dụng

trường tĩnh điện khi phân tích các cơn dông mùa hè ở Tây Ban Nha [10]

Năm 20011, nhóm tác giả Ferro, M.A.D.S.; Yamasaki, J.; Pimentel,

D.R.D.M.; Naccarato, K.P.; Saba, M.M.F cũng đưa ra phương pháp cảnh báo

sớm nguy cơ sét sử dụng các phép đo điện trường ở Brazil [11]

Năm 20012, nhóm tác giả López, J.; Pérez, E.; Herrera, J.; Aranguren, D.;

Porras, L đã khởi xướng việc đưa ra phương pháp luận về cảnh báo sớm nguy cơ sét cho khu vực vùng núi, sử dụng phép đo điện trường kết hợp với mạng định vị sét [12]

Cũng trong năm 20012, nhóm tác giả Junchi, Z.; Qingfeng, Z.; Shah, A.B.;

Xue, J.; Ye, Z A đã đưa ra thuật toán để thực hiện cảnh báo sớm sét sử dụng mạng

các trạm đo điện trường kết hợp với mạng định vị sét ở Pakistan [13]

Năm 20016, nhóm tác giả Murphy, M.J.; Said, R.K thực hiện phân tích và

cảnh báo sớm sét cho khu vực gần vùng núi Rocky ở Hoa Kỳ, sử dụng mạng định

vị sét quốc gia và dữ liệu đo điện trường [14]

(*) Đánh giá ưu, nhược điểm của kỹ thuật cảnh báo sét dựa trên điện trường

o Cự ly/vùng có thể giám sát và cảnh báo khoảng 10-30km (giới hạn nằm

ở cự ly đo điện trường của cảm biến)

o Thời gian cảnh báo LT trung bình ~ 30 phút Đây chính là thời gian để ổ mây dông di chuyển từ biên ngoài của vùng WA đến vùng AOC (~20km)

vì tốc độ di chuyển trung bình của ổ mây dông ~40km/h

o Mặt khác, nếu ổ mây dông chỉ di chuyển trên vùng WA mà không băng qua vùng AOC thì kết quả cảnh báo sẽ bị sai

o Không khả thi trong việc triển khai ở vùng núi hay vùng biển (do không

có vị trí đặt cảm biến)

o Số lượng trạm cần triển khai lớn nên không hiệu quả về mặt kinh tế

(**) Để cải tiến độ chính xác của phương pháp này, Ta có thể thực hiện thêm bước phân tích hướng di chuyển của ổ mây dông từ dữ liệu ảnh Rada hoặc vệ tinh, nếu ổ mây dông có hướng cắt qua vùng cảnh báo thì mới có đầy đủ điều kiện

để bật cảnh báo sét

2.2.2 Kỹ thuật phát hiện, định vị và dự báo sét dựa trên sóng điện từ

Dựa trên đặc điểm phát xạ ra sóng điện từ trường khi sét phóng điện, người

ta có thể sử dụng máy đo sóng điện từ trường để phát hiện sét, cụ thể là sử dụng

kỹ thuật TOA (Time Of Arrival) để xác định cự ly từ điểm có sét đến vị trí đặt máy đo và kỹ thuật MDF (Magnetic Direction Finding) để xác định phương vị từ điểm có sét đến vị trí đặt máy đo Kết hợp thông tin từ 3 máy đo xung quanh điểm

có sét theo quy tắc tam giác, người ta có thể định vị ra vị trí phát sinh sét Mạng

lưới các điểm đặt máy đo càng dầy thì kết quả định vị sét càng chính xác [15]

Tại Việt Nam hiện có 02 đơn vị quản lý thiết bị phát hiện và định vị sét là:

- Viện Vật lý Địa cầu có 07 trạm định vị sét của hãng Boltek Canada

- Trung tâm Dự đoán Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia có 18 trạm định vị sét của hãng Vaisala Phần Lan

Mạng lưới đặt các trạm định vị sét này hiện như sau:

Hình 2.5 Bản đồ mạng lưới trạm định vị

sét của TTKTTVQG

Hình 2.6 Bản đồ mạng lưới trạm định vị sét của Viện Vật lý Địa cầu

Ngoài ra, hãng Vaisala cũng đầu tư riêng một mạng lưới phát hiện và định

vị sét trên quy mô toàn cầu (Vaisala Global Lightning Detection Network - GLD360) Vaisala bắt đầu thu thập dữ liệu đồ sét từ năm 2016 đến nay và hiện đã