Đề cương ôn tập Môn : Khí tượng Radar

Chương 1 Sóng điện từ và sự lan truyền song điện từ trong không gian Sóng điện từ : là sự biến đổi qua lại của điện trường và từ trường dần dần lan rộng trong không gian từ bản tụ này sang bản tụ kia Khi hai bản tụ rời xa nhau thì chúng chở thàng angten phát và angten thu Mối quan giữa các thong số đặc trưng cho song điện từ biểu diễn qua công thức Sóng điện từ lan truyền trong chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc độ bằng tốc độ ánh sang ~3.108 Chu kì dao động thay đổi 〖10〗(10) đến 〖10〗(6) giây Người ta sử dụng song điện từ có tần số hang ngàn Hz trở lên gọi là song vô tuyến Sự tán xạ của sóng điện từ Trên đường lan truyên khi gặp mục tiêu sóng điện từ bị tán xạ hay phản xạ một phần lại về phía song điện từ phát Năng lượng phản xạ về radar phụ thuộc vào : kích thước , tính chất , hình dáng và sự bố trí của mục tiêu Diện tích tán xạ hiệu dụng là diện tích mặt phản xạ đặt vuông góc với đường truyền song , phản xạ toàn bộ năng lượng chiếu tới nó theo mọi hướng Khúc xạ điên từ Là sự lan truyền của song điện từ bị uống cong quỹ đạo do ảnh hưởng của môi trường truyền tới Quỹ đạo cong về phía mặt đất bằng ¼ độ cong bề mặt n =cv (n :chỉ số khúc xạ, chiết suất môi trường , v : vận tốc sóng) Để đơn giản hóa bài toán .Độ khúc xạ tính bằng : N=(n1).106 Độ khúc xạ phụ thuộc vào nhiệt độ , khí áp và hơi nướ

Đề cương ôn tậpMôn : Khí tượng Radar

Người soạn : Johny Lê

 Chương 1

1.1 Sóng điện từ và sự lan truyền song điện từ trong không gian

• Sóng điện từ : là sự biến đổi qua lại của điện trường và từ trường dần dần lan rộng trong không gian từ bản tụ này sang bản tụ kia

 Khi hai bản tụ rời xa nhau thì chúng chở thàng angten phát và angten thu

 Mối quan giữa các thong số đặc trưng cho song điện từ biểu diễn qua công

thức

 Sóng điện từ lan truyền trong chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc độ bằng tốc độ ánh sang ~3.10^8

 Chu kì dao động thay đổi đến giây

 Người ta sử dụng song điện từ có tần số hang ngàn Hz trở lên gọi là song

vô tuyến

• Sự tán xạ của sóng điện từ

• Trên đường lan truyên khi gặp mục tiêu sóng điện từ bị tán xạ hay phản

xạ một phần lại về phía song điện từ phát

• Năng lượng phản xạ về radar phụ thuộc vào : kích thước , tính chất , hình dáng và sự bố trí của mục tiêu

• Diện tích tán xạ hiệu dụng là diện tích mặt phản xạ đặt vuông góc với đường truyền song , phản xạ toàn bộ năng lượng chiếu tới nó theo mọi hướng

• Khúc xạ điên từ

• Là sự lan truyền của song điện từ bị uống cong quỹ đạo do ảnh hưởng của môi trường truyền tới

• Quỹ đạo cong về phía mặt đất bằng ¼ độ cong bề mặt

• n =c/v (n :chỉ số khúc xạ, chiết suất môi trường , v : vận tốc sóng)

• Để đơn giản hóa bài toán Độ khúc xạ tính bằng : N=(n-1).10^6

• Độ khúc xạ phụ thuộc vào nhiệt độ , khí áp và hơi nước :

N= (p+4180)

T : nhiệt độ không khí

P :khí áp

e : áp suất hơi nước

• Sự suy giảm song điện từ từ khi lan truyền trong không khí

• Sự suy giảm trong không khí

• Sự suy giảm lớn nhất : do các chất khí hơi nước ,ôxy

• Mật độ hơi nước và oxy trong khí quyển lớn thì mức độ suy giảm càng nhiều

• Tỷ nghịch với bước sóng ,phụ thuộc vào tần số song,quãng đường di chuyển

• Sự suy giảm trong mây

• Tỷ lệ nghịch với bước sóng ,và nhiệt độ đối với loại mây nước

• Tỉ lệ nghịch với bước sóng , tỷ lệ thuật với nhiệt độ ở loại mây băng

• Mây nước độ suy giảm lớn hơn rất nhiều so với mây bang

• Sự suy giảm trong mưa

• Tỷ lệ nghịch với bước sóng

• Cường độ mưa càng lớn thì độ suy giảm càng lớn

• Sự suy giảm trong mưa lớn hơn trong mây rất nhiều

1.6 Mục tiêu khí tượng

• Khái niệm mục tiêu

• Mục tiêu khí tượng không phải là một khối cấu tạo mà là tập hợp các hạt nước với trạng thái khác nhau

• Mục tiêu khí tượng của radar chủ yếu là mây mưa

• Mục tiêu 1 : Mây

o Tập hợp các sản phẩn ngưng két cua hơi nước có mật độ lớn

o Sự phân bố của các hạt trong mây phụ thuộc vào loại mây ,độ cao ,thời gian tồn tại

o Đường kính hạt mây nằm trong khoảng từ 5-10

• Mục tiêu 2 : Mưa

o Các hạt nước lỏng hoặc đặc rơi từ trên mây xuống

o Cường độ mưa thường khác nhau

o Mưa rất dẽ được phát hiện bởi radar

• Tính chất của mục tiêu khí tượng

• Các mục tiêu khí tượng khác nhau về hình dáng ,kích thước và tính chất vật lí

• Tính chất vi mô của mây thay đổi theo không gian và thời gian

• Đối với mây thay đổi nhanh theo không gian và thời gian

• Thay đổi về trạng thái , ban đầu , hình thành phát triển của mây , là thay đổi trạng thái của các hạt nước , hạt băng và khi ngưng kết để để chúng rơi xuống, thay đổi đặc trưng vậy lí vô tuyến của mục tiêu khí tượng

• Việc nhận biết đối tượng cũng chịu ảnh hưởng của các mục tiêu khác như côn trùng , đàn chim , máy bay là giảm độ chính xác khi xác đinh mục tiêu khí tương cần phân tích

1.7 Phương trình radar

• Phương trình radar đối với một tiêu điểm

• Phương trình đối với mục tiêu khí tượng

Thay

Vào PT radar cho một mục tiêu khí tượng ta được

ai: bán kính của hạt nước

h: độ dày của 1 xung phát ra

: độ rộng của búp sóng anten

Di: đường kính của hạt

Z: là độ phản hồi vô tuyến của mục tiêu về radar

C: đặc trưng cho các thong số kĩ thuật của radar

• Pt tỷ lệ thuận với độ rộng búp sóng, độ dài của xung (h)

• Pt tỷ lệ nghịch với bước sóng và khoảng cách

radar có bước sóng nhỏ => thu về năng lượng càng lớn =>k/năng phát hiệnmục tiêu ở xa c/xác hơn (đúng trong mt ko có sự suy giảm)

trong mt suy giảm : radar có bước sóng nhỏ =>suy giảm càng nhiều=> thậm chí ko k/năng phát hiện mục tiêu ở gần

• Phương trình radar Probert – Tones

Phụ thuộc vào góc nâng ăngten và khoảng cách đến mục tiêu

Tỉ lệ thuân góc nâng , tỉnh lệ nghịch với khoảng cách

1.9 Rardar Doppler

• Hiệu ứng Dopper, quan hệ một số thành phần

• Khí máy phát sóng chuyển động tương đối với máy thu thì tần số thu thay đổi , tần số tín hiệu thu được tăng lên khi chạy gần về máy phát và giảm đikhi chạy xa ra máy phát

• - = = v : vân tốc tương đối giữa mục tiêu và radar theo phương ngang bán kính , tần số Dopper

• giữa và

mà = 

 V càng lớn thì tần số dopper càng lớn , đối tượng càng gần radar hơn , nếu muốn đo ở xa hơn thì giảm tốc độ

• Hạn chế của phương pháp đo gió bằng radar Dopper

• Nếu không cso mục tiêu thì không đo đưuọc gió

• Nếu khoảng cách giữa radar và mục tiêu không thay đổi thì tốc độ coi nhưbằng không

• Mục tiêu ở xa radar hơn khoảng cách cực đại thì khoảng cách mà radar đođưuọc sẽ không chính xác (khoảng cách ảo)

• Khi mục tiêu vuông goc với búp sóng chính thì vân tốc của mục tiêu coi như bằng không

• Khi mục tiêu có tốc độ gió xuyên tâm lớn hơn giá trị tốc độ gió cực đại thì tốc độ gió đo đưuọc cũng sai lệch (tốc độ ảo)

• Xác định hướng và tốc độ gió

• Xác định tốc độ gió xuyên tâm : tốc độ gió thổi theo phương bán kính v , tính và hiển thị tốc độ gió ngang thông qua hệ thức tính tốc độ gió xuyên tâm

• Tốc độ gió ngang : u =vcos

• Tốc độ gió thẳng đứng : w = vsin

• Xác đinh hướng gió

 Do gió đồng nhất theo phương ngang , lên hướng gió khôgn đổi ở một độ cao xác đinh

 Đường số không rất quan trong khi phân tích tốc độ gió

 Tốc độ gió âm(màu xanh) thường đi vào phía radar , tốc độ gió

dương(màu đỏ) thường đi xa radar

• Xác định tốc độ gió ngang : tốc độ gió tại một điểm là tốc độ gió toàn phần trên độ cao đó

Ví dụ xác định tại điểm 2 : xác định hướng gió (tự nhìn xác định )

Chương 2 Phát hiện các mục tiêu hí tượng bằng phản hồi vô tuyến

Câu 1:Trình bày ý nghĩa của độ phản hồi vô tuyến?

CT độ phản hồi vô tuyến : Z|26 (mm6/m3)

Z’= 10lgZ (dBz)

Ý nghĩa: - đặc trưng cho cấu trúc vi mô của mây và giáng thủy (kích thước

và trạng thái hạt)

- Z của mây sẽ quyết định các hiện tượng thời tiết xảy ra trong mây

- Mang thông tin khí tượng của mục tiêu và sẽ quyết định các hiện tượng thời tiết xảy ra trong mây

Câu 2: Các nhân tố ảnh hưởng đến độ phản hồi vô tuyến?

1.Ảnh hưởng của phổ phân bố hạt theo kích thước và trạng thái hạt

Từ CT độ phản hồi vô tuyến :

Z|26

 3 đặc trưng quan trọng của mưa liên quan đến độ phản hồi vô tuyến:

+ Số lượng hạt trong mỗi đơn vị thể tích N

+ kích thước hạt Di

+ trạng thái pha của hạt |Ki|2

- PHVT của hạt nước > khoảng 5 lần so với hạt băng

 Radar sẽ không phát hiện được mưa đá, mưa tuyết ở những khoảng cách xa do tín hiệu phản hồi quá yếu

2.Ảnh hưởng của độ dài bước sóng

- Từ phương trình radar :

= > Công suất thu được tỉ lệ nghịch với bình phương độ dài bước

sóng :Radar có bước sóng càng lớn thì năng lượng phản hồi về phía radar càng nhỏ, và ngược lại

Radar có bước sóng ngắn ->phát hiện mục tiêu tốt hơn, nhưng mức độ suy yếu lớn hơn không phát hiện được chính xác mục tiêu đó

3.Ảnh hưởng của khoảng cách đến mục tiêu và độ cao của mục tiêu

Từ phương trình radar dạng rút gọn:

Pr = = La

 - Công suất trung bình Pr tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ mụctiêu đến radar : k/c càng gần thì năng lượng phản hồi về phía radar càng lớn.

- Độ cao h của mục tiêu so với mặt đất tăng lên, hệ số suy yếu thường giảm đi ->La và Pr tăng lên Do tín hiệu ít phải đi qua những vùng khí quyển dày đặc hơn ở dưới thấp

=> NX : ảnh hưởng của h đến công suất thu thường rất nhỏ (có thể bỏ qua)

4.Ảnh hưởng của mức độ lấp đầy búp sóng

- Khi thể tích xung chỉ được lấp đầy 1 phần -> công suất hoặc độ PHVT thu được nhỏ hơn rất nhiều so với TH xung được lấp đầy

- khi hai xung đều được lấp đầy bởi các hạt, nhưng phân bố theo kích thước của các hạt trong 2 TH không giống nhau =>độ PHVT hiển thị cũng khác nhau :

Vùng lõi mây : kích thước hạt lớn hơn, mật độ lớn hơn =>độ phản hồi lớn nhất

Hình minh họa :

Câu 3 : Phát hiện và nhận biết mây, mưa bằng phản hồi vô tuyến ?

1.Nguyên lý nhận biết các loại mây qua độ phản hồi vô tuyến

Dựa vào đặc điểm của độ PHVT mà radar quan trắc được :

- Độ cao giới hạn trên và dưới của một đám mây đối lưu

-Cường độ phản hồi

-Hình dạng và cấu trúc ảnh phản hồi trên màn hình (mặt cắt ngang và mặtcắt thẳng đứng)

-Vị trí của phản hồi so với Radar

-Trong các Radar Doppler, các hiện tượng thời tiết được nhận biết nhờ các dấu hiệu bổ xung về trường gió (hướng gió và tốc độ gió)

2.Nhận biết các loại mây.

 Mây Ci :

- Đặc điểm cơ bản : thường có dạng tơ sợi,hẹp bề ngang, phát triển theo

chiều ngang yếu, có màu trắng

- Trên mặt cắt thẳng đứng :

+ Độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành dải hẹp

+ Độ cao lớn hơn 6 km và ở khoảng cách gần so với radar (50-70 km)

- Trên mặt cắt ngang :

+ Rất khó để phát hiện loại mây này

+Độ phản hồi vô tuyên của mây rất nhỏ, <= -30 dBz

+ Có màu xám hơn mây Ci

+ Đôi khi có lỗ hổng hoặc khoảng trống

- Trên mặt cắt thẳng đứng :

+ Độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành dải rộng hơn, tương đối đồng nhất theo các hướng

+ Mây tầng trung có độ cao chân mây trên 2km

+ Khi có mưa độ cao chân mây kéo dài xuống mặt đất

-Trên mặt cắt ngang:

+ Độ phản hồi của mây thể hiện thành màn, tương đối đồng nhất theo tất cả các hướng

+ Độ phản hồi <= 0 chiếm một diện tích lớn

+Mây này chỉ được phát hiện khi cách radar dưới 200 km

+ Độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành dải

+ Có độ dày lớn kéo dài xuống mặt đất

+ Độ cao giới hạn trên có khi vượt 9km, càng xa radar độ cao càng giảm

+ Ở độ cao có nhiệt độ 00C : có dải sáng đậm

+ Sự xuất hiện của dải sáng– đặc điểm rất đặc trưng của phản hồi

vô tuyến mây vũ tầng

 Đối với mây tầng thấp:Sc, St , Cu và Cb

-Trên mặt cắt thẳng đứng:

+ Độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành 1 dải hẹp, tương đốiđồng nhất

+ Khi không có mưa, chân mây có độ cao < 2km

+ Khi có mưa, độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành dải kéodài xuống mặt đất

- Trên mặt cắt ngang:

+ Độ phản hồi vô tuyến của mây thể hiện thành màn rộng

+ Giá trị độ phản hồi lg Z= -2 -> 2,5

+ Mây chỉ được phát hiện ở khoảng cách Max là 120 km

+ Ranh giới giữa vùng có mây và vùng không mây không thể hiện rõ

 Mây tích (Cu, Cb)

-Đặc điểm cơ bản:

+ Phát triển theo chiều thẳng đứng

+Mây Cu có các dạng : dẹt,trung gian,mảnh xác xơ,dày đặc

+ Độ phản hồi mây đối lưu thể hiện thành từng đám nằm rải rác, hoặc

có 1 sự sắp xếp theo quy luật nhất định

+ Độ phản hồi vô tuyến thường > 0

+ Giới hạn giữa vùng có mây và vùng không mây thể hiện rất rõ

Câu 4.Nhận biết hiện tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh bằng các đặc điểm của phản hồi vô tuyến?

1. Dấu hiệu nhận biết các loại mây đối lưu có khả năng gây ra các hiện tượng thời tiết nguy hiểm dựa trên độ phản hồi vô tuyến:

- Độ cao phản hồi vô tuyến của mây lớn: Hmax> 15km

- Đỉnh phản hồi vô tuyến của mây vượt quá tầng đối lưu hạn từ 3 -> 4 km

- Ở độ cao 6-> 7 km, độ phản hồi cực đại vượt quá 48 dBz

- Vùng phản hồi cực đại của mây có dạng lưỡi liềm, dấu hỏi hay tổ sâu

- Vùng phản hồi di chuyển với tốc độ lớn (> 74 km/h)

- Trong vùng có độ phản hồi lớn xuất hiện 1 vùng có độ phản hồi rất nhỏ

- Tốc độ phát triển của đỉnh phản hồi vô tuyến lớn hơn 600m/phút

- Xuất hiện sự hội tụ của các vùng phản hồi

2. Nhận biết dông

a) Những đặc trưng cơ bản của mây dông:

-Thường hình thành dưới dạng ổ gọi là ổ mây dông

-Có thể tồn tại độc lập gọi là dông đơn ổ, hay nhiều ổ đơn lẻ kết hợp lại gọi là dông đa ổ hay siêu ổ

-Hình thành và xuất hiện trên 1 vùng khá rộng, nơi có các dòng chuyển động thẳng đứng của kk khá mạnh

-Thời gian tồn tại TB của 1 đám mây dông từ 1/2h -> 1 h

b) Các chỉ tiêu nhận biết dông

-Chỉ tiêu đơn trị: chỉ sử dụng 1 đặc trưng để nhận biết hiện tượng

->có độ chính xác không cao

-Chỉ tiêu tổng hợp- thường được sd để dự báo dông

+Chỉ tiêu thường được sd là:

đám mây đối lưu mạnh sắp xếp theo 1 trật tự nhất định Tốc độ di chuyển đạt đến 60m/phút.

b) Dấu hiệu nhận biết tố

Hình dạng của đường tố trên màn hình radar phần lớn được thể hiện thành hình cánh cung  dấu hiệu của tố mạnh

4. Nhận biết lốc

a) Khái niệm

- Lốc là vùng gió xoáy có kích thước nhỏ, là cột kk chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ Tốc độ gió từ 18-> 135 m/s

- Lốc xảy ra thường đi kèm với sự xuất hiện của vòi rồng

- Hiện tượng vòi rồng là hiện tượng những cơn lốc thể hiện thành 1 phễu mây và có 1 vòi ‘thò’ xuống phía dưới giống như vòi voi hút nước.b) Dấu hiệu nhận biết lốc

 Điều kiện thuận lợi cho hình thành lốc:

-Từ các đám mây đối lưu siêu ổ, hoặc từ nhiều đám mây đối lưu với điều kiện thuận lợi cho đối lưu phát triển mạnh

-Trước khi lốc được hình thành, thường tồn tại 1 xoáy thuận nhỏ trong vùng mây của đám mây siêu ổ

 Dấu hiệu nhận biết lốc:

dấu hiệu này cho biết có lốc mạnh nhất, ta cần phải chú ý

-PHVT của cơn lốc còn có dạng khác là dạng hình chữ ‘ U ’ (hay chữ ‘ V’ )

5. Nhận biết mưa đá.

-K/n: Mưa đá là mưa có các hạt giáng thủy dạng băng, hình dạng hạt

thường có dạng hình cầu

-Dấu hiệu nhận biết:

+Trên mặt cắt thẳng đứng:có 1 vùng phản hồi yếu ở phía dưới, còn ở phía trên lại có 1 vùng phản hồi mạnh với độ phản hồi lớn Mưa đá sẽ xảy ra với dòng thăng mạnh khi có những dấu hiệu :

• Vùng WER (vùng phản hồi yếu) lớn

• Phân kỳ mạnh phía trên.

• Độ PHVT lớn hơn so với giá trị TB của mùa

• Mây có lõi PHVT mạnh ‘treo ’ lơ lửng ở phía trên

+Trên mặt cắt thẳng đứng PHVT có dạng hình các ngón tay xòe ra

từ 1 bàn tay khả năng gây mưa đá lớn nhất

Câu 5.Ước lượng mưa bằng radar thời tiết.

1. K.n và những đặc trưng cơ bản của 1 số loại mưa thường gặp.

a) K/n:

-Mưa (hay giáng thủy) là nước ở thể lỏng hoặc rắn rơi từ các đám mây xuống mặt đất

- Chia mưa thành các loại cơ bản:

+ Mưa phùn:: là 1dạng mưa có kích thước hạt nhỏ nhưng tương đối đồng nhất, r hạt < 1mm

• S mưa lớn, tgian mưa kéo dài

• là sp của mây tầng St, mây tích Sc, của sương mù khi tan ra

• là sp của các dạng mây front

- Mưa rào: là loại giáng thủy có cường độ lớn, tgian mưa ngắn, S mưa

không rộng lắm

• r hạt khoảng 2 đến 2,5 mm

• Tốc độ rơi từ 6 -> 9m/s

• là sản phẩm của mây vũ tích

-Mưa đá: là dạng giáng thủy nguy hiểm nhất

• hình thành trong mây vũ tích,trong khối không khí và front

• kéo dài khoảng 5 phút có khi dến 15 phút

-Mưa tuyết: là loại giáng thủy rơi xuống dưới dạng các tinh thể tuyết hay băng

• thường có hình sao 6 cánh hoặc các bông tuyết lớn

• tinh thể tuyết có d ~ 10mm, bông tuyết lớn có d ~ 8 ->10 cm

b) Những đặc trưng cơ bản:

-Quy mô:

+Quy mô synop: các trận mưa rơi trên S > 104 km2, tgian tồn tại đạt đến 10h

+Quy mô trung bình: các trận mưa trải dài 50-> 80 km, trên S ~ 103 -> 104

km2, tgian tồn tại từ 1-> 2h

+Quy mô nhỏ: các trận mưa rơi trên S < 103 km2

Mây do đối lưu: vùng mưa trải rộng từ 1-> 4 km, với S ~ 1->10 km2, tồn tại trong vài phút

- Cường độ mưa: cường độ mưa I tại 1 nơi nào đó là khối lượng nước rơi xuống 1 đơn vị diện tích, trong 1 đơn vị tgian

CT tính I đã được đơn giản hóa Với giả thiết:

+Mưa là đồng nhất về không gian và thời gian

CT liên hệ lượng mưa tích lũy và cường độ mưa: