Nhận dạng hình thế thời tiết

Tổ chức khí tượng thế giới có tên là WMO World MeteorologicalOrganization đã thiết lập một mạng lưới thông tin khí tượng trên toàn cầu.Các số liệu quan trắc được từ các trạm khí tượng tr

Đỗ Thị Thu Nga

NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội - 2007

Đỗ Thị Thu Nga

NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI TIẾT

Ngành: Công nghệ thông tin

Chuyên ngành: Khoa học máy tính

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH

DANH SÁCH CÁC BẢNG

MỞ ĐẦU

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT

1.1Khái niệm về thời tiết

1.2Quan trắc thời tiết

1.2.1Mạng lưới trạm khí tượng

1.2.2Hạn quan trắc

1.3Xử lý và chỉnh lý số liệu

1.3.1Mã hoá và giải mã

1.3.2Kiểm tra số liệu

1.3.3Trao đổi và lưu trữ số liệu

1.4Các phương pháp dự báo thời tiết

1.5Các hình thế thời tiết

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP SYNOP VÀ MÔ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ

2.1Phương pháp synop

2.1.1Bản đồ synop

2.1.2Điền đồ

2.1.3Phân tích bản đồ

2.2Mô hình dự báo số trị

2.2.1Giới thiệu mô hình MM5

2.2.2Cấu trúc mô hình MM5

2.3Một số giải pháp mới cho bài toán nhận dạng hình thế thời tiết

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI

TIẾT

3.1Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết

3.1.1Đặt vấn đề

3.1.2Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết

3.1.3Giới hạn của bài toán

3.1.4Đặc điểm của các hình thế thời tiết

3.2Phương pháp nhận dạng hình thế thời tiết

3.3Hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết

3.3.1Công cụ xây dựng hệ thống

3.3.2Dữ liệu

3.3.3Lược đồ luồng dữ liệu

3.3.4Giao diện hệ thống

3.3.5Đặc tả các chức năng trong hệ thống

3.4Đánh giá kết quả

KẾT LUẬN

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ điền đồ 31

Hình 2.2 Những ký hiệu về hiện tượng thời tiết và mây điền lên bản đồ 31

Hình 2.3 Các hình thế khí áp bề mặt 33

Hình 2.4 Mô hình hệ thống dự báo số trị MM5 39

Hình 2.5 Cấu trúc mô hình MM5 với các mô đun 41

Hình 2.6 Mô đun REGRID 42

Hình 2.7 Bản đồ synop lúc 0 giờ ngày 22/1/2007 47

Hình 3.1 Mô hình hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết 53

Hình 3.2 Lược đồ luồng dữ liệu 60

Hình 3.3 Cửa sổ giao diện chương trình 60

Hình 3.4 Biểu mẫu “Nhập hình thế mẫu” 61

Hình 3.5 Biểu mẫu “Nhập dữ liệu theo ngày” 62

Hình 3.6 Cửa sổ hiển thị “Danh sách các trạm” 63

Hình 3.7 Cửa sổ “Hình thế thời tiết” 64

Hình 3.8 Bản đồ mô phỏng Áp cao Siberia 67

Hình 3.9 Bản đồ mô phỏng Áp thấp Nam Á 68

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng “Hình thế thời tiết” 58

Bảng “Thông tin trạm” 59

Bảng “Dữ liệu trạm” 59

Bảng tóm tắt các hình thế mẫu 71

Bảng tọa độ trạm 71

Bảng dữ liệu các trạm thử nghiệm 72

MỞ ĐẦU

Thời tiết là quá trình khí quyển được đặc trưng bởi tập hợp các yếu tốkhí tượng và sự biến thiên của chúng Các yếu tố khí tượng liên quan mật thiếtvới nhau nên khi theo dõi sự biến thiên của một số yếu tố ta có thể suy đoán

về những biến thiên có thể xảy ra của các yếu tố khác

Thời tiết ảnh hưởng quan trọng đến mọi mặt hoạt động trong cuộc sốngcủa con người Vì vậy hàng ngày chúng ta vẫn thường theo dõi diễn biến thờitiết và xem các bản tin thời tiết trên các kênh thông tin Chúng ta luôn mongmuốn nắm bắt được qui luật của thời tiết cũng như dự báo sớm tình hình thờitiết để đưa ra quyết định thực thi một hoạt động nào đó Hơn thế nữa việc dựbáo thời tiết sớm sẽ giúp con người có thể phòng chống thiên tai, giảm thiểutối đa thiệt hại do thời tiết xấu mang lại

Về cơ bản, trước hết muốn dự báo thời tiết, các dự báo viên khí tượngphải nghiên cứu diễn biến thời tiết qua những yếu tố khí tượng đã quan trắcđược một cách chi tiết Từ những yếu tố khí tượng này họ nhận dạng đượchình thế thời tiết đang chế ngự trên địa bàn khảo sát và xác định tên của loạihình thời tiết đó Do hình thế thời tiết ảnh hưởng trực tiếp đến thời tiết củavùng đang xét và ảnh hưởng rộng ra các vùng lân cận nên việc nhận dạnghình thế thời tiết trong quá trình dự báo thời tiết rất quan trọng

Tổ chức khí tượng thế giới có tên là WMO (World MeteorologicalOrganization) đã thiết lập một mạng lưới thông tin khí tượng trên toàn cầu.Các số liệu quan trắc được từ các trạm khí tượng trong mạng lưới của của mỗiquốc gia được gửi về trung tâm dự báo quốc gia, các trung tâm dự báo quốcgia kết nối vào 23 trung tâm khu vực và kết nối 23 trung tâm khu vực này vào

3 trung tâm toàn cầu đóng tại các thành phố Moscow, Washington vàMelbourne [3] Các trung tâm toàn cầu thu thập toàn bộ số liệu khí tượng trên

thế giới gửi trở lại các trung tâm khu vực và các trung tâm quốc gia Khi đã

có các số liệu của toàn khu vực và toàn cầu người ta thiết lập các bản đồsynop quy mô châu lục để thực hiện các công việc tiếp theo, đó là việc nhậndạng hình thế thời tiết Sau khi xác định được hình thế thời tiết, dự báo viên

sẽ áp dụng các phương pháp dự báo để dự báo thời tiết

Quy trình thu thập số liệu và dự báo thời tiết như trên có thể được chiathành ba giai đoạn: Giai đoạn thu thập, trao đổi và lưu trữ số liệu; giai đoạnnhận dạng hình thế thời tiết và giai đoạn dự báo thời tiết Trong ba giai đoạnnày thì hai giai đoạn đầu có thể áp dụng máy móc và công nghệ để thay thếcon người Nhưng đối với giai đoạn thứ ba chúng ta chưa làm như vậy đượcbởi vì máy móc không thể có kinh nghiệm và tính nhạy cảm như con người để

có thể dự báo những diễn biến phức tạp tiềm ẩn của thời tiết Chính vì vậy,việc dự báo chính xác thời tiết vẫn luôn là bài toán khó của ngành khí tượng

Đến nay trên thế giới người ta đã ứng dụng nhiều phương pháp dự báothời tiết như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp sốtrị Trong các phương pháp đó thì phương pháp dự báo số trị được ứng dụngmạnh mẽ nhờ máy tính ngày nay có khả năng tinh toán lớn Tuy vậy liên quanđến bài toán nhận dạng hình thế thời tiết bằng việc áp dụng công nghệ thôngtin lại chưa được quan tâm nhiều Ở Việt Nam, Trung tâm dự báo khí tượngthủy văn Quốc gia người ta đã sử dụng các mô hình dự báo số trị để dự báothời tiết Nhưng việc chạy mô hình này mới chỉ được vận hành một cách thủcông, nghĩa là việc đưa số liệu vào mô hình chưa được tự động hóa và cáctham số có thể bị thay đổi theo ước lượng chủ quan của người vận hành môhình Việc áp dụng mô hình dự báo số trị là một bước tiến lớn của ngành dựbáo thời tiết, ưu điểm lớn nhất của mô hình này là nó mang lại kết quả dự báothời tiết với độ chính xác cao Nhưng chúng ta vẫn gặp phải rất nhiều khókhăn khi ứng dụng mô hình dự báo số trị để dự báo thời tiết bởi vì mô hình

này dựa trên hệ phương trình thủy nhiệt động lực học hết sức phức tạp Hệphương trình này bao gồm mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố khí tượngrất nhằng nhịt mà người ta không thể tìm ra được nghiệm tổng quát của hệphương trình Mô hình dự báo số trị được chạy với khối lượng dữ liệu tínhtoán rất lớn và kết quả đầu ra của mô hình phụ thuộc nhiều vào độ chính xác

và đầy đủ của số liệu đầu vào Thực tế ở Việt Nam việc thu thập số liệu quantrắc không được tự động hoá nên việc này còn rất nhiều hạn chế Nhiều khichúng ta không có được số liệu đầy đủ và chính xác do phải phụ thuộc vàonăng lực quan trắc và ý thức của con người Mặt khác, ở Việt Nam, dữ liệuquan trắc không được cung cấp công khai theo quy định quốc tế nên ngoàitrung tâm dự báo quốc gia thì các đơn vị khác muốn lấy được dữ liệu quantrắc đầy đủ cần bỏ ra chi phí lớn vì vậy việc áp dụng mô hình số trị còn chưađược ứng dụng ở nhiều nơi trong nước

Nếu chúng ta không thể dự báo thời tiết bằng mô hình dự báo số trị vìnhững khó khăn nêu trên thì chúng ta có thể sử dụng máy tính để nhận dạnghình thế thời tiết, sau đó bằng kinh nghiệm chúng ta sẽ tiến hành dự báo thờitiết Do hình thế thời tiết được hình thành từ các khối khí tương đối đồng nhất

về tính chất vật lý như nhiệt độ, độ ẩm, và chúng chuyển động khá trật tựtrong hoàn lưu khí quyển nên trong cùng một hình thế số liệu quan trắc khítượng ở các trạm gần nhau sẽ tương tự nhau, khí áp của hình thế thời tiết có

xu thế tăng dần hay giảm dần từ tâm hình thế ra ngoài Ngoài ra các yếu tố khítượng có mối quan hệ khăng khít và tác động qua lại với nhau cho nên từ mộtvài yếu tố khí tượng nào đó có thể suy diễn lô gíc ra những yếu tố khí tượngkhác Chính từ những đặc điểm và tính chất trên của hình thế thời tiết mà việcnhận dạng hình thế thời tiết hoàn toàn có thể thực hiện được khi không có đầy

đủ số liệu quan trắc khí tượng Vì vậy chỉ cần sử dụng một vài

yếu tố khí tượng cơ bản như khí áp, nhiệt độ, điểm sương, chúng ta có thểnhận dạng được hình thế thời tiết.

Trong quá trình nghiên cứu khoa học về thời tiết và dự báo thời tiết, tôimong muốn xây dựng một công cụ nhận dạng hình thế thời tiết để hỗ trợgiảng dạy môn dự báo khí tượng tại nơi tôi đang làm việc, đó là Trường Caođẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Vì vậy, ý tưởng về việc ứng dụngcông nghệ thông tin để số hóa bản đồ synop [3] và nhận dạng hình thế thờitiết đã được hình thành trong tôi Tôi bắt đầu tìm hiểu và định hướng việcnghiên cứu đề tài mang tên “Nhận dạng hình thế thời tiết” Mục tiêu của đề tàinày là nghiên cứu, xây dựng một phương pháp nhận dạng hình thế thời tiếtbằng mô hình máy tính; xây dựng một hệ thống nhận dạng hình thế thời tiếtnhằm phục vụ giảng dạy cho sinh viên ngành khí tượng Với mục tiêu đặt ra,phạm vi nghiên cứu của đề tài này là giải quyết bài toán nhận dạng hình thếthời tiết tương ứng với giai đoạn thứ hai của quá trình dự báo thời tiết

Nội dung nghiên cứu trong đề tài này bao gồm: Nghiên cứu hệ thốngquan trắc, hệ thống thông tin thời tiết Nghiên cứu các phương pháp dự báothời tiết Đề xuất một phương pháp mới để nhận dạng những hình thế thời tiếtbằng mô hình máy tính Xây dựng và cài đặt hệ thống nhận dạng thời tiết trênmáy tính Cuối cùng là những đánh giá kết quả nghiên cứu phương pháp mới

và đề xuất phương hướng phát triển đề tài trong tương lai

Luận văn gồm 3 chương như sau:

Chương 1 Tổng quan về dự báo thời tiết

Chương 2 Phương pháp synop và mô hình dự báo số trị

Chương 3 Xây dựng hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT

Trong chương này phần đầu sẽ trình bày những kiến thức cơ bản vềthời tiết, mạng lưới quan trắc khí tượng của Việt Nam và hệ thống trao đổi sốliệu khí tượng của tổ chức khí tượng thế giới WMO Phần còn lại của chương

sẽ trình bày khái niệm hình thế thời tiết và các hình thế thời tiết đặc trưng ảnhhưởng đến Việt Nam

1.1 Khái niệm về thời tiết

Trạng thái tổng hợp của các hiện tượng vật lí xảy ra trong khí quyểnhay còn gọi là hiện tượng khí tượng như: mây, giáng thuỷ, sương mù, dông,…

và các yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, khí áp, độ ẩm,… trong một thời kì nhấtđịnh tại một địa phương nào đó được gọi là thời tiết của địa phương trong thờigian đó [3]

Thời tiết của một địa phương trong một thời kì xác định đặc trưng bởimức độ nổi trội của một vài hiện tượng hoặc yếu tố khí tượng cũng như sựbiến thiên của chúng theo thời gian Chẳng hạn, thời tiết của tuần vừa qua ởđịa phương này có thể nói là khô và nóng vì nhìn chung nhiệt độ cao và độ ẩmthấp chiếm ưu thế, mặc dù trong từng lúc, thời tiết có thể có mưa và mát.Hoặc có thể nói thời tiết của một tháng nào đó ở một địa phương nào đó làlạnh và có mưa trong nửa tháng đầu và tương đối nóng, không mưa trong nửatháng cuối

Thời tiết là một tổ hợp các hiện tượng và các yếu tố khí tượng xảy ratrong một bề dày nhất định của khí quyển Vì vậy, nghiên cứu khí quyểnkhông thể chỉ nghiên cứu ở một mực hoặc từng mực riêng biệt mà phảinghiên cứu một cách tổng hợp các độ cao khác nhau Trong nhiều trường hợp,

ở gần mặt đất có thể có mây thấp, sương mù,… cản trở máy bay hoạt động,nhưng ở trên cao lại không có mây nên máy bay có thể hoạt động dễ dàng Theoquan điểm đó, có thể coi, ở các độ cao khác nhau, thời tiết có khác nhau.

1.2 Quan trắc thời tiết

1.2.1 Mạng lưới trạm khí tượng

Để có được các thông tin dự báo thời tiết, người ta xây dựng và tổ chứchoạt động một mạng lưới trạm quan trắc khí tượng các loại Mỗi trạm khítượng đều được xác định toạ độ bằng kinh độ, vĩ độ và độ cao so với mựcnước biển trung bình Mỗi trạm cũng có tên riêng (thường là tên địa danh nơilập trạm) và mã số riêng của trạm gồm 5 chữ số, trong đó 2 số đầu là mã sốvùng và 3 số sau là mã số trạm

Mạng lưới quan trắc bề mặt

Trên bề mặt, các trạm khí tượng được xây dựng ở đồng bằng, vùng núi,

sa mạc, băng dương, hải đảo,… tức là trên mọi miền có những đặc điểm thờitiết khác nhau Khoảng cách giữa các trạm khí tượng bề mặt mau hay thưa tuỳthuộc vào mức độ phức tạp của địa hình và do đó phụ thuộc vào mức độkhông đồng nhất của thời tiết ở các địa phương Thông thường, ở vùng đồngbằng, khoảng cách giữa các trạm từ 70-100 km, còn ở vùng núi chỉ từ 50-70km hoặc gần hơn

Tại các trạm khí tượng bề mặt người ta quan trắc khí áp, nhiệt độ khôngkhí, nhiệt độ các lớp đất gần bề mặt đất, độ ẩm không khí, độ bốc hơi nước,hướng và tốc độ gió, các hiện tượng thời tiết đã qua và hiện tại (mây, mưa,dông, sương mù, tố, lốc, bão bụi, tầm nhìn xa, …), tổng lượng mưa 6 giờ hay

12 giờ (ngày và đêm) Các trạm khí tượng bề mặt thường xuyên báo cáo ngaykết quả quan trắc về các trung tâm theo dõi và dự báo thời tiết, được gọi là các

trạm khí tượng synop Các trạm khác, các số liệu quan trắc được thu thập đểnghiên cứu khí hậu, thời tiết, được gọi là các trạm khí hậu

Trạm đo mưa: Bên cạnh mạng lưới trạm khí tượng bề mặt nói trên

người ta còn lập một mạng lưới trạm và tiêu đo mưa có mật độ dày đặc hơn.Mức độ dày đặc các trạm và tiêu đo mưa tuỳ thuộc vào nhu cầu và khả năngthiết lập, vận hành thực tế Khoảng cách giữa các điểm đo mưa thường vàokhoảng từ 5-10km

Trạm tàu biển: Trên biển, ngoài các trạm đảo, người ta còn đặt các trạm

quan trắc trên các tàu viễn dương để bổ sung cho số liệu trên biển, được gọi làtrạm ship Ngoài các hạng mục quan trắc như ở các trạm khí tượng bề mặt,các trạm ship còn cung cấp cả hướng và tốc độ tàu lúc quan trắc Trạm đảo vàtrạm ship còn quan trắc cả hướng, độ cao và chu kì của sóng gió và sóng lừngthuộc vùng biển quan trắc

Trạm phao: Ở các vùng biển quan trọng, thường xuyên cần có số liệu

quan trắc, không thể chỉ dựa vào các tàu biển qua lại đó, người ta lập các trạmquan trắc tự động, tự báo, đặt trên các phao được neo đậu cố định, đó là cáctrạm phao Nội dung quan trắc của một trạm phao cũng giống như của mộttrạm đảo

Ở các trạm khí tượng bề mặt, để có thể so sánh được khí áp và nhiệt độquan trắc tại trạm thường được quy về mực biển vì các đại lượng này thay đổitheo độ cao mà mỗi trạm thường có độ cao khác nhau so với mực biển

Mạng lưới quan trắc trên cao

Trạm khí tượng cao không: Để có số liệu khí tượng tại các tầng khí

quyển trên cao, người ta lập ra các trạm khí tượng thám không, thường gọi làtrạm khí tượng cao không Tại đây người ta thả những quả bóng lớn mang

theo máy thám không tự động Tại trạm, người ta sẽ thu được các thông tin như: vị trí máy thám không, số liệu khí áp, nhiệt độ, độ ẩm không khí, gió,

Trạm pilot: các trạm pilot chuyên đo gió trên cao Tại các trạm này

người ta quan sát quả bóng bay sau khi thả lên để xác định hướng và tốc độgió Nhược điểm lớn của trạm này là bóng hay bị lấp ở trong mây Để khắcphục, người ta đeo vào bóng một miếng kim loại phản xạ sóng radar do trạmphát ra Nhờ sóng phản hồi, vị trí của bóng vẫn có thể được xác định ngay cảkhi có mây, những trạm như vậy gọi là trạm vô tuyến đo gió (trạm rawind)

Các trạm trên núi cao quan trắc hướng gió, tốc độ gió, khí áp, nhiệt độ

và độ ẩm không khí mực trạm Trạm có độ cao khoảng 1500m quy số liệu vềmực 850mb, trạm có độ cao khoảng 3000m quy số liệu về mực 700mb (khôngquy về mực biển)

Hệ thống những trạm khí tượng cao không, rawind, pilot lập thànhmạng lưới trạm khí tượng cao không Khoảng cách giữa chúng thường daođộng trong khoảng từ 200-300km

Trạm cầu bay: Để theo dõi quá trình biến tính của một khối không khí,

người ta gắn một trạm quan trắc tự động vào một khinh khí cầu thả trôi theogió Theo những khoảng thời gian nhất định trạm quan trắc tự động lại thôngbáo về các giá trị nhiệt độ, độ ẩm, khí áp và vị trí của trạm, từ đó hướng và tốc

độ gió cũng được xác định Đó là những trạm cầu bay

Trạm khí tượng lớp biên: Để quan sát các yếu tố khí tượng trong lớp

biên khí quyển sát đất, người ta lập những tháp (thường có độ cao từ 100m) hoặc là lợi dụng những tháp cao như tháp truyền hình và gắn vào đónhững máy quan trắc tự động ở những độ cao 5, 10, 15, 20,… 100m để đo cácyếu tố khí tượng một cách chi tiết trong lớp này, đó là những tháp quan trắckhí tượng lớp biên

Dựa vào đặc tính của quỹ đạo chuyển động, người ta chia vệ tinh khítượng ra làm hai loại cơ bản là vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực.

Vệ tinh địa tĩnh (VTĐT): Là vệ tinh nằm trên mặt phẳng xích đạo, có

độ cao khoảng 36.000 km và có vận tốc góc quay tương đương với vận tốcgóc quay của trái đất Do vậy, ảnh chụp từ các vệ tinh địa tĩnh luôn là mộtvùng cố định trên trái đất Một số vệ tinh địa tĩnh thông dụng trong nghiệp vụkhí tượng như: vệ tinh GMS của Nhật (1400E), vệ tinh GOES của Mỹ(GOES-E: 750W, GOES-W: 750E), METEOSAT của châu Âu (00), INSATcủa Ấn-độ (93,50E), FY-2 của Trung Quốc (1050E)

VTĐT có ưu điểm là có độ phân giải thời gian rất cao và có thể quantrắc được trên một vùng rất rộng (gần một nửa trái đất: 600N-600S) Thếnhưng nhược điểm của nó là độ phân giải không gian không lớn, không quantrắc được ở những vùng gần cực, khó có thể phát hiện các tín hiệu yếu vì nóđược đặt cách xa trái đất

Vệ tinh quỹ đạo cực (VTQĐC): Là vệ tinh có quỹ đạo gần song songvới đường kinh tuyến Mỗi một vòng quay, VTQĐC đi qua hai vùng cực củatrái đất Một số vệ tinh thường được dùng trong nghiệp vụ như: TIROS,NOAA, QuickSCAT, TRMM (Mỹ), METEOR (Liên Xô cũ), FY-1 (Trung

Quốc), Từ mỗi trạm thu cố định trên trái đất, người ta có thể thu được 2 lầnảnh trong một ngày khi nó đi qua vùng phủ của trạm thu.

Ưu điểm của số liệu VTQĐC là có độ phân giải không gian cao do nóchuyển động ở rất gần bề mặt của trái đất (độ cao của vệ tinh chỉ từ 300-1000km) VTQĐC có thể quan trắc được những tín hiệu rất yếu từ bề mặt tráiđất, ví dụ vệ tinh QuickSAT dùng để thám sát gió trên biển, TRMM (TropicalRainfall Measurement Mission) dùng để thám sát mưa vùng nhiệt đới, Tuyvậy loại vệ tinh này lại có nhược điểm là số liệu của nó có vùng quan trắc bịgiới hạn trong một phạm vi hẹp (tối đa khoảng 3.000km) và có độ phân giảithời gian không cao (2lần/ngày)

Quan trắc vệ tinh dựa vào việc hấp thụ bức xạ sóng dài phát ra từ hệthống trái đất-khí quyển Bằng cách thu nhận có chọn lọc các bức xạ có bướcsóng nhất định (các kênh phổ bức xạ) người ta có thể có được các thông tinkhác nhau về khí quyển

Kênh thị phổ (VIS-visible): Kênh thị phổ (phổ ánh sáng nhìn thấy) chụp

được ảnh nằm trong vùng phổ của ánh sáng thu nhận được khoảng 13 ảnh thịphổ từ 06 giờ sáng tới 06 giờ tối Nó cho ta bức tranh về trường mây và bềmặt trái đất gần nhất có thể quan sát được bằng mắt người

Kênh hơi nước (WV-water vapor): Dải bước sóng của kênh này nằm

trong khoảng 6,7m Tại bước sóng này, năng lượng toả ra bị hơi nước trongkhí quyền hấp thụ Độ xám của điểm ảnh mô tả mức độ tập trung của hơinước trong cột khí quyển chủ yếu từ mực 850-300mb

Người ta thường sử dụng ảnh WV kết hợp với ảnh hồng ngoại trongphân tích thời tiết, đặc biệt trong việc theo dõi sự di chuyển của mây và tínhtoán trường gió tại các tầng trung và cao của tầng đối lưu từ một số ảnh mây

vệ tinh liên tục về thời gian

Kênh hồng ngoại nhiệt (IR-infrared): Dải phổ của các kênh này nằm

trong khoảng từ 10,5-12,5m Dải phổ này còn được gọi là cửa sổ khí quyển

bởi vì đây là dải phổ mà khí quyển tương đối trong suốt nhất đối với bức xạphát ra từ bề mặt trái đất vào vũ trụ Theo các công thức vật lí, từ các mứcxám thu được có thể tính toán gần đúng nhiệt độ của đỉnh mây, của mặt đấthoặc bề mặt biển Trên ảnh hồng ngoại cũng dễ dàng phân biệt được mây và

bề mặt đất cũng như bề mặt đại dương do sự khác biệt khá rõ ràng về nhiệt độcủa các đối tượng này Ưu điểm của kênh hồng ngoại là có thể cung cấp thôngtin cả thời gian ban ngày lẫn ban đêm và không bị ảnh hưởng bởi độ cao mặttrời như kênh thị phổ So với ảnh hơi nước, ảnh hồng ngoại phản ánh tốt hơn

bề mặt trái đất dưới các tầng khí quyển khác nhau

Khí tƣợng radar

Trong khí tượng radar được dùng để quan trắc mây và sự chuyển độngcủa mây Như vậy đối tượng quan trắc của radar chính là các hạt nước trongkhí quyển có kích thước nhỏ và rất nhỏ, từ micromet đến milimet trong đámmây

Radar phát ra những chùm bức xạ điện từ (các xung điện từ) đều đặn,

có bước sóng và cường độ bức xạ xác định và đồng thời cũng thu về nhữngchùm bức xạ phản hồi xen kẽ giữa các chùm bức xạ phát đi

Tuỳ theo kích thước của các hạt nước và mật độ của chúng trong đámmây mà bức xạ phản hồi có cường độ tương ứng Bức xạ phản hồi thu được,sau khi lọc nhiễu và khuếch đại được hiển thị trên màn huỳnh quang củaradar Trên đó hình dạng và đặc điểm cấu trúc của đám mây được các nhà khítượng quan sát và phân tích Đối với radar doppler người ta còn có thể tínhđược thành phần của tốc độ chuyển động của các phần tử mây theo hướng củabức xạ phản hồi

Do vật cản là những hạt nước nhỏ có kích thước biến đổi trong mộtkhoảng không lớn nên bức xạ sóng điện từ trong các radar khí tượng thường

có bước sóng 10cm hoặc 5cm và 3cm Bán kính hoạt động của các radar khítượng thường từ 300-500mm Radar khí tượng là một công cụ đắc lực, khôngthể thiếu được trong công tác theo dõi bão và mây dông cũng như trong việc

xử lý chúng, chẳng hạn trong việc tác động tích cực lên các đám mây để tạomưa hoặc để phá các đám mây dông có thể gây ra mưa đá hoặc xoáy lốc

1.2.2 Hạn quan trắc

Để số liệu quan trắc từ các trạm khác nhau có thể so sánh được và tậphợp lại với nhau, tạo nên bức tranh sát thực về thời tiết toàn cảnh thì các sốliệu quan trắc khí tượng ở mọi trạm phải được tiến hành theo những quy địnhchung chặt chẽ, chẳng hạn các trạm phải được thiết lập theo các quy chuẩnthống nhất Các máy quan trắc phải được kiểm định theo những máy chuẩnquốc gia và quốc tế, được thể hiện trong các quy phạm xây dựng trạm, kiểmđịnh máy và quan trắc khí tượng Ngoài ra, các quan trắc phải được thực hiện

ở những thời điểm thống nhất, gọi là những hạn quan trắc

Thời điểm quan trắc được chọn theo giờ chung, được xác định theokinh tuyến gốc, đi qua đài thiên văn Greenwich ở ngoại ô Luân Đôn của nướcAnh, được gọi là thời gian trung bình Greenwich (Greenwich Mean Time, viếttắt là GMT) hay cũng được gọi là thời gian xác định chung cho toàn thế giới(Universal Time Coordinated, viết tắt là UTC) Việt Nam ở giữa múi giờ thứ 7nên giờ địa phương của Việt Nam sớm hơn GMT 7 tiếng Thời điểm quan trắcchính là lúc 00, 06, 12 và 18 GMT tương ứng với 07, 13, 19 và 01 giờ ở ViệtNam và thời điểm quan trắc phụ là lúc 03, 09, 15 và 21 GMT (UTC), tươngứng với 10, 16, 22 và 04 ở giờ Việt Nam

Ngoài ra, do những nhu cầu thực tế có thể tiến hành các quan trắc ởnhững thời hạn đặc biệt Chẳng hạn, khi có bão khẩn cấp, ngoài các quan trắcsynop thông thường, người ta còn làm các quan trắc từng giờ để cung cấp sốliệu kịp thời cho công tác theo dõi và dự báo bão.

Hạn quan trắc của các tháp quan trắc khí tượng lớp biên, của trạm khítượng vệ tinh do người sử dụng quy định Vì đó là những trạm quan trắc tựđộng nên có thể lấy các thông tin sau từng giờ hay sau những khoảng thờigian ngắn hơn, thậm chí chỉ sau vài phút

1.3 Xử lý và chỉnh lý số liệu

1.3.1 Mã hoá và giải mã

Để chuyển phát nhanh bản tin quan trắc từ các trạm khí tượng người ta

mã hoá bản tin đó Khi bản tin được chuyển về trung tâm, người ta lại giải mã

để có được các kết quả như trước khi mã hoá Việc mã hoá và giải mã đượcthực hiện theo mã luật và được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới hoặc trêntoàn quốc gia

Các dạng mã luật khí tượng bề mặt [3] hiện đang sử dụng gồm:

- Mã FM 12-X Ext SYNOP (bản tin quan trắc từ các trạm cố định trên mặt đất):

AAXX YYGGiW IIiii iRiXhVV NNddff 1snTTT 2snTdTdTd 3P0P0P0P0

4PPPP 5appp 6RRRtR 7wwW1W2 8NhCLCMCH 9GGgg

- Mã FM 13-X SHIP (bản tin quan trắc từ các trạm trên biển):

BBXX YYGGiW 99LaLaLa QcL0L0L0L0 iRiXhVV NNddff 1snTTT2snTdTdTd 3P0P0P0P0 4PPPP 5appp 6RRRtR 7wwW1W2 8NhCLCMCH

9GGgg

- Mã FM 14-X Ext SYNOP MOBIL (bản tin quan trắc các trạm di động

- Các nhóm AAXX, BBXX và OOXX là nhóm nhận dạng các bản tin;

- Nhóm YYGGiW báo ngày (YY), giờ (GG) và phương pháp đo, đơn vị

đo tốc độ gió (iW, nếu gió được ước lượng và tính bằng m/s thì iW = 0,tính bằng kt thì iW = 2; nếu gió được đo bằng máy và tính bằng m/s thì

iW = 1, tính bằng kt thì iW = 3);

- Nhóm IIiii báo biểu số miền (II) và biểu số trạm (iii);

- Nhóm 99LaLaLa báo nhóm số không đổi (99) và vĩ độ (LaLaLa, báo đến phần mười);

- Nhóm QcL0L0L0L0 báo phần tư địa cầu (Qc, nếu quan trắc tại kinh độđông và vĩ độ bắc thì Qc = 1, vĩ độ nam thì Qc = 3; tại kinh độ tây và vĩ

độ nam thì Qc = 5, vĩ độ bắc thì Qc = 7) và kinh độ (L0L0L0L0, báo đếnphần mười độ);

- Nhóm MMMULaULo báo thứ tự ô vuông của điểm quan trắc (MMM)

và chữ số hàng đơn vị của vĩ độ và kinh độ của ô MMM (ULaULo);

- Nhóm h0h0h0h0im báo độ cao của trạm di động (h0h0h0h0) và mực độ tin cậy về độ cao (im);

- Nhóm iRiXhVV báo trước nhóm 6RRRtR có trong bản tin không (iR),kiểu thao tác ở trạm và báo trước nhóm 7wwW1W2 có trong bản tin không,

độ cao chân mây thấp nhất so với bề mặt (h) và tầm nhìn ngang (VV);

- Nhóm Nddff báo lượng mây tổng quan (N), hướng gió (dd) và tốc độ gió (ff) được báo theo đơn vị chỉ bởi iW;

- Nhóm 1snTTT báo dấu của nhiệt độ (sn, nếu nhiệt độ dương thì sn = 0,nhiệt độ âm thì sn = 1), nhiệt độ không khí tính theo thang độ bách phânlấy đến phần mười độ (TTT);

- Nhóm 2snTdTdTd báo dấu của điểm sương (sn, nếu điểm sương dươngthì sn = 0, điểm sương âm thì sn = 1), điểm sương tính theo thang độbách phân lấy đến phần mười độ (TdTdT) Nếu không có số liệu điểmsương thì báo độ ẩm tương đối bằng nhóm 29UUU;

- Nhóm 3P0P0P0P0 báo biểu khí áp mực trạm tính đến phần mười mb;

- Nhóm 4PPPP báo biểu khí áp mặt biển tính đến phần mười mb Nếukhí áp không rút về mực biển được chính xác thì báo nhóm 4a3hhh vớihhh là độ cao mặt đẳng áp chuẩn tính bằng mét được chỉ bởi a3 (mực1000mb thì a3 = 1, mực 925mb thì a3 = 2, mực 500mb thì a3 = 5, mực700mb thì a3 = 7, mực 850mb thì a3 = 8);

- Nhóm 5appp báo đặc điểm xu thế khí áp 3 giờ qua (a) và trị số biến áp(ppp);

- Nhóm 6RRRtR báo lượng mưa 6 giờ qua (RRR) và thời gian kéo dài (tR);

- Nhóm 7wwW1W2 báo thời tiết hiện tại (ww) và đã qua (W1W2);

- Nhóm 8NhCLCMCH báo lượng mây thấp (Nh, nếu không có mây thấpthì là mây trung), CL là loại mây thấp, CM là loại mây trung, CH là loạimây cao;

- Nhóm 9GGgg báo thời gian quan trắc sai lệch quá 10 phút

1.3.2 Kiểm tra số liệu

Những bản tin thu được có thể gặp những sai sót nên cần phải kiểm tra

và sửa chữa kịp thời Sai số có thể phân làm hai loại là sai số hệ thống và sai

số ngẫu nhiên

Những sai số có hệ thống thường phát sinh do đặc điểm vị trí đặt trạm,hoặc do việc lắp đặt máy và vận hành máy không chính xác Chẳng hạn,những sai sót có hệ thống về gió có thể do cột gió đặt gần vật cản hoặc cột giókhông thẳng đứng Những sai số hệ thống của khí áp, nhiệt độ thường có liênquan đến việc xác định độ cao mực trạm không chính xác Sai số hệ thốngcũng có thể mắc phải do năng lực của quan trắc viên

Những sai số hệ thống thường dễ nhận ra vì chúng lặp đi lặp lại nhiềulần ở một trạm Phương pháp tốt nhất để tìm ra những sai số đó là dựa vào sốliệu của một mạng lưới trạm đủ dày, xác định trị số trung bình trong mộttháng nào đó của các yếu tố cần xét Nếu số liệu của một trạm nào đó sai khácnhiều so với số liệu của các trạm lân cận thì có thể kết luận số liệu của trạm

đó là có sai số hệ thống Tuy nhiên, đối với các yếu tố như lượng mưa thìphương pháp này không thể áp dụng được vì tính ngẫu nhiên của lượng mưarất cao

Những sai số ngẫu nhiên có thể xảy ra do quan trắc, ghi mã số, chuyển

mã điện, ghi mã điện, dịch mã điện trong điền đồ, không chính xác Trongnhiều trường hợp có thể dễ dàng nhận ra những sai số ngẫu nhiên Ví dụ, khitrên bản đồ có ghi những yếu tố thời tiết không thể xảy ra trong một mùa haytrong một miền nào đó; còn phần lớn, để nhận ra sai số ngẫu nhiên, phải ápdụng một trong các biện pháp đối chiếu sau đây:

Đối chiếu các yếu tố khác nhau tại cùng một trạm để kiểm tra yếu tốnày qua các yếu tố khác Ví dụ, đối chiếu mưa tuyết với nhiệt độ, đối

chiếu đặc điểm của giáng thuỷ với mây cũng có thể tìm ra các sai số;

Đối chiếu một yếu tố trên nhiều trạm để tìm ra trạm có số liệu khácthường Bằng cách này ta có thể nhận ra sai số về gió, nhiệt độ, biếnthiên khí áp, ;

Đối chiếu số liệu quan trắc được tiến hành vào các thời điểm khácnhau để xem xét sự thay đổi của thời tiết theo thời gian cũng có thểphát hiện được sai số

1.3.3 Trao đổi và lưu trữ số liệu

Như đã giới thiệu ở phần đầu, việc trao đổi số liệu cần phải được tiếnhành có tổ chức mới có thể nhanh chóng, đầy đủ và chính xác Vì vậy, WMO

đã thiết lập một mạng lưới thông tin khí tượng toàn cầu kết nối các trung tâmquốc gia vào 23 trung tâm khu vực và kết nối 23 trung tâm khu vực này vào 3trung tâm toàn cầu đóng tại các thành phố Moscow, Washington vàMelbourne Các trung tâm toàn cầu thu thập toàn bộ số liệu khí tượng trên thếgiới rồi phân phối về các trung tâm khu vực và các trung tâm quốc gia

Thông qua hệ thống Viễn thông toàn cầu GTS của WMO, Trung tâmKhí tượng thuỷ văn Quốc gia ở Hà Nội nối với 3 Trung tâm khu vực và thếgiới là: Bangkok, Bắc Kinh và Matxcơva Ngoài ra, Trung tâm Khí tượngthuỷ văn Quốc gia còn thu thập các thông tin khí tượng của Cục Khí tượngNhà nước Trung Quốc và các sản phẩm dự báo số trị của các Trung tâm Khítượng Tokyo, Trung tâm Dự báo hạn vừa châu Âu và các Trung tâm Khítượng khác thông qua Internet

Hệ thống thông tin liên lạc nội địa sử dụng kết hợp thông tin vô tuyến,điện thoại, mạng máy tính diện rộng WAN và vệ tinh thế hệ mới VSAT trên

cơ sở mạng thông tin khí tượng bảo đảm thu thập các thông tin, số liệu khí

tượng thuỷ văn từ các đài, trạm trong cả nước về Trung tâm Khí tượng thuỷvăn Quốc gia, đồng thời truyền các thông tin, các bản tin dự báo từ Trung tâmKhí tượng thuỷ văn Quốc gia tới các Đài Khí tượng thuỷ văn khu vực và một

số Trung tâm dự báo Khí tượng thuỷ văn ở mỗi tỉnh

1.4 Các phương pháp dự báo thời tiết

Các nhà khí tượng sử dụng một số phương pháp khác nhau để dự báothời tiết trong tương lai Nền tảng của các phương pháp dự báo thời tiết ngày

nay là phương pháp dự báo synop Phương pháp synop hình thành từ cuối thế

kỉ 19, phát triển nhanh ở thế kỉ 20, phương pháp này nghiên cứu các quá trìnhkhí quyển vĩ mô: sự phát sinh, phát triển và dịch chuyển các vùng áp cao và

áp thấp trong tương quan với sự phát sinh, dịch chuyển và tiến triển của cáckhối khí và front tạo thành giữa chúng; các xoáy nghịch, xoáy thuận, bão,dông từ đó phát hiện các quy luật diễn biến thời tiết và hình thành các dựbáo tình huống sẽ xảy ra trong một vài ngày tới Việc khảo sát các quá trìnhsynop được thực hiện bằng cách phân tích có hệ thống các bản đồ synop mặtđất và cao không, các mặt cắt thẳng đứng của khí quyển, các giản đồ thámkhông và nhiều phương tiện hỗ trợ khác, từ đó ngoại suy ra các dự báo thờitiết Trong thời gian gần đây các phương pháp mô phỏng số bằng máy tính và

vệ tinh khí tượng được áp dụng nhằm dự báo thời tiết chính xác hơn về mặtđịnh lượng

Sau đây là một số phương pháp dự báo thời tiết được sử dụng chínhtrước thập niên 70 khi máy tính chưa phát triển đủ mạnh để thực hiện cácphương pháp dự báo số trị [14]

Phương pháp quán tính: Phương pháp này giả thiết điều kiện thời tiết

sẽ không thay đổi: "Ngày mai như ngày hôm nay" Phương pháp này chỉ đúngcho hạn dự báo ngắn

Phương pháp xu thế: Phương pháp này xác đinh hướng và tốc độ của

các front, các trung tâm áp cao và áp thấp và các vùng mây và giáng thủy

Phương pháp khí hậu: Phương pháp này sử dụng số liệu thời tiết lịch

sử, được lấy trung bình trong một khoảng thời gian dài (hàng năm) để dự báođiều kiện thời tiết ở một ngày cụ thể

Phương pháp tương tự: Là một phương pháp phức hợp để tìm các điều

kiện thời tiết tương tự với số liệu lịch sử

Ngày nay các phương pháp này đã dần bị thay thế bằng các mô hình dựbáo hiện đại và chúng chỉ còn được sử dụng để đánh giá mức độ hiệu quả củaviệc dự báo thời tiết

Phương pháp tiên tiến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giớihiện nay là phương pháp dự báo số trị Phương pháp này sử dụng các máy

tính để xây dựng mô hình máy tính của khí quyển

Đầu thế kỷ 20, những tiến bộ của sự hiểu biết về vật lý khí quyển dẫntới sự hình thành của dự báo thời tiết bằng phương pháp số hiện đại Vào năm

1922, Lewis Fry Richardson đã xuất bản cuốn “Dự báo thời tiết bằng quátrình số trị” [5], trong đó đã miêu tả những số hạng nhỏ trong các phươngtrình động lực học chất lỏng có thể được bỏ qua để có thể tìm được cácnghiệm số Tuy nhiên, số lượng tính toán quá lớn bằng phương pháp nàykhông thể thực hiện được trước khi các máy vi tính xuất hiện

Đến giữa thập niên 1950, các thí nghiệm số trở nên dễ dàng hơn với sựtrợ giúp của máy tính Các kết quả dự báo thời tiết đầu tiên bằng phương pháp

số đã sử dụng các mô hình chính áp với một mực thẳng đứng và đã dự báo cácchuyển động qui mô lớn của sóng Rossby vùng vĩ độ trung bình một cáchthành công.

Hiện nay ở trên thế giới, nhất là ở các nước tiên tiến việc nghiên cứu vàxây dựng các công cụ dự báo thời tiết rất phát triển Các nước này thường ápdụng phương pháp số trị để dự báo thời tiết Tuy nhiên, ở nước ta việc ápdụng phương pháp dự báo synop vẫn đang còn phổ biến, điều đáng nói làphương pháp này phù hợp với điều kiện thực tế tại các trường đại học và caođẳng

Nội dung nghiên cứu của đề tài này tôi sẽ đưa ra một số giải pháp nhậndạng hình thế thời tiết trước khi lựa chọn một phương pháp thích hợp để xâydựng và cài đặt thuật toán trên máy tính Để thực hiện điều này trước tiênchúng ta hãy tìm hiểu sơ bộ thế nào là hình thế thời tiết

+ Áp thấp Nam Á (hay Áp thấp nóng phía tây hoặc Áp thấp Ấn Miến).

Áp thấp Nam Á hình thành do mặt đất bị đốt nóng liên tục, nhiệt độkhông khí đạt đến 39oC, nó ảnh hưởng bao trùm cả khu vực Đông Nam Á

+ Xoáy thuận nhiệt đới

Xoáy thuận nhiệt đới là một dải mây rộng lớn được hình thành trên biển

do nhiệt độ nước biển cao thường lớn hơn 26,5oC (làm cho không khí ẩm bốclên cao tạo thành mây) kết hợp với điều kiện nhiệt động lực tạo thành xoáythuận nhiệt đới Tuỳ theo khu vực mà người ta gọi những tên khác nhau như:Typhoon, Storm

+ Dải áp thấp nóng

Dải áp thấp nóng là dải bao gồm những trung tâm áp thấp nóng xen kẽ

nó là những trung tâm lạnh

+ Áp cao Thái Bình Dương

Áp cao Thái Bình Dương là trung tâm áp cao nằm ở khu vực Thái BìnhDương Đặc điểm của áp cao này khác với áp cao lạnh lục địa là nhiệt độ cao,

độ ẩm lớn

+ Dải hội tụ nhiệt đới

Dải hội tụ nhiệt đới là một dải mây hẹp, chuyển động theo biểu kiếncủa mặt trời hoạt động ở khu vực Nam Trung bộ chủ yếu xuất hiện vào cáctháng 10 đến tháng 11 hàng năm

+ Gió tây nam xích đạo

Vào thời kỳ mùa hè không khí cực đới thổi từ nam bán cầu lên phía bắc

có hướng tây nam Gió mùa tây nam thường thổi từ tháng 5 đến tháng 6 hàngnăm

Các hình thế thời tiết đều trải qua các giai đoạn mạnh suy của nó vì vậyquá trình tác động của nó đối với thời tiết của khu vực cũng thay đổi theo.Thời tiết có thể chỉ do một loại hình thế nào đó khống chế gây nên Nhưngnhiều khi thời tiết chịu sự tác động từ sự kết hợp của nhiều hình thế thời tiết.Hơn nữa, một điều đáng lưu ý là các loại hình thế thời tiết này không nhữngchỉ xảy ra ở tầng thấp mà còn xảy ra ở những tầng cao hơn, như những tầngcao từ 3000m đến 6000m.

Trên đây là đặc điểm của một số hình thế thời tiết, tiếp theo trongchương 2 chúng ta sẽ tìm hiểu hai phương pháp dự báo thời tiết phổ biến nhấthiện nay và một số giải pháp nhận dạng hình thế thời tiết mà tôi đưa ra

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP SYNOP

VÀ MÔ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ

Chương này giới thiệu hai phương pháp dự báo khí tượng phổ biến nhấthiện nay và đề xuất một số giải pháp nhận dạng hình thế thời tiết nhằm hỗ trợviệc giảng dạy môn dự báo khí tượng trong ngành khí tượng

2.1 Phương pháp synop

Phương pháp synop chuyên nghiên cứu quy luật diễn biến của các quátrình trong khí quyển bằng việc thành lập và phân tích các loại bản đồ thời

tiết Danh từ synop có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp cổ synopticos có nghĩa là

nhìn/xem đồng thời Do khí quyển luôn luôn ở trong trạng thái chuyển độngnên thời tiết chỉ có thể dự báo được khi nắm được những biểu hiện của nó trênmột không gian rộng lớn Các số liệu khí tượng quan trắc đồng thời tại cáctrạm khí tượng được điền lên một bản đồ địa lí bằng những kí hiệu quy ước.Qua những bản đồ này người ta có thể biết được tình hình thời tiết vào một

thời điểm nhất định của một vùng nào đó Những bản đồ đó được gọi là bản

đồ synop [3].

Phương pháp synop vừa phân tích định tính để xác định xu thế pháttriển của một quá trình khí quyển (xác định một cách cơ bản về khả năng cóthể xảy ra rét, mưa, dông ), về đặc điểm hoàn lưu khí quyển vừa tính toánđịnh lượng để xác định độ biến thiên của từng yếu tố khí tượng

Phương pháp synop sử dụng một hệ thống bản đồ, giản đồ để phản ánhdiễn biến của các quá trình khí quyển, từ đó dự báo thời tiết trong tương lai

Phương pháp synop phân tích định tính nhưng đều dựa trên cơ sở vật lí

của quá trình Phương pháp này được thiết lập từ những nghiên cứu lí thuyết

và kinh nghiệm Trong phương pháp synop, các xác định định lượng và địnhtính nhiều khi khăng khít với nhau đến nỗi không thể phân biệt một cách rõràng được Sự kết hợp giữa phương pháp định lượng và định tính là một đặcđiểm cơ bản của phương pháp synop

2.1.1 Bản đồ synop

Bản đồ nền: Bản đồ nền là những bản đồ địa lí gồm có địa hình, các

đường kinh vĩ độ và vị trí của các trạm khí tượng mang biển số riêng

Tỉ lệ xích của bản đồ phải chọn sao cho kích thước của bản đồ không

quá lớn nhưng vẫn đủ bao gồm được lãnh thổ rộng lớn cần xem xét

Tại Việt Nam, hai loại bản đồ thường được sử dụng là Bản đồ Âu-Á có

tỉ lệ xích 1: 20 000 000 và bản đồ biển Đông có tỉ lệ xích 1: 7 500 000

Bản đồ synop bề mặt: Bản đồ synop bề mặt (thường gọi là bản đồ bề

mặt hay bản đồ mặt đất) là những bản đồ nền có điền số liệu khí tượng quantrắc được tại các trạm khí tượng bề mặt theo biển số trạm Khi đó bản đồsynop bề mặt sẽ mô tả sự phân bố của các yếu tố khí tượng như khí áp, biếnthiên khí áp 24 giờ, nhiệt độ, điểm sương, mây, gió và các hiện tượng thời tiếttại một thời điểm nào đó trên một phạm vi rộng lớn

Bản đồ synop trên cao: Bản đồ synop trên cao (thường gọi là bản đồ

trên cao hay bản đồ hình thế khí áp) là những bản đồ nền có điền số liệu khítượng quan trắc được tại các trạm khí tượng cao không theo biển số trạm.Thông thường, người ta thường lập các bản đồ tại các mực đẳng áp chính là

850, 700, 500, 300, 200 và 100mb Bản đồ synop trên cao chỉ mô tả sự phân

bố của các yếu tố khí tượng như độ cao địa thế vị của mực đẳng áp, nhiệt độ,điểm sương, hướng gió và tốc độ gió Trên những bản đồ này trị số khí áp ởmọi điểm đều như nhau, còn độ cao của mặt đẳng áp so với mực biển thì thay

đổi từ điểm này qua điểm khác Các đường đẳng trị vẽ trên các bản đồ này,đường nối các điểm có độ cao như nhau của mặt đẳng áp, được gọi là cácđường đẳng cao.

Có hai loại bản đồ hình thế khí áp là bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối vàbản đồ hình thế khí áp tương đối Bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối là bản đồxác định độ cao của một mặt đẳng áp so với mực biển trung bình, được kýhiệu là AT, cùng trị số khí áp của mặt đẳng áp đó Chẳng hạn bản đồ hình thếkhí áp tuyệt đối của mặt 850mb được kí hiệu là AT850, bản đồ hình thế khí áptuyệt đối của mặt 700mb được kí hiệu là AT700, Còn bản đồ hình thế khí áptương đối là bản đồ xác định hiệu độ cao của hai mặt đẳng áp cho trước.Trong thực tế, hai mặt đẳng áp cho trước thường được chọn là mặt 1000mb và500mb Khi đó bản đồ hình thế khí áp tương đối của mặt 500mb trên mặt1000mb được kí hiệu là OT 1000500 Bản đồ này cho ta hình ảnh phân bố bề dàycủa lớp khí quyển nằm giữa hai mặt đẳng áp 1000mb và 500mb, bao gồm mộtnửa khối lượng khí quyển Bản đồ này có một giá trị lớn trong việc phân tíchnhững quá trình khí quyển quy mô lớn

2.1.2 Điền đồ

Để xây dựng các bản đồ synop, các số liệu thu được từ các trạm phảiđược thể hiện lên bản đồ, số liệu trạm nào ghi vào đúng vị trí của trạm đó.Công việc này được gọi là điền đồ Số liệu quan trắc của mỗi trạm được điềnvào xung quanh vị trí của trạm theo một sơ đồ nhất định như hình 2.1

Trong sơ đồ này, các kí hiệu được sử dụng là dạng mã khí tượng bềmặt Cần lưu ý rằng, nhiệt độ và điểm sương được quy tròn về 0C, lượng mưa

12 giờ được quy tròn về mm; mây và các hiện tượng thời tiết được biểu thịbằng những kí hiệu dẫn ra trong hình 2.2 Hướng gió được biểu thị bằng các

vạch kẻ từ trạm về phía gió thổi tới, gọi là cán gió Tốc độ gió được biểu thị

bằng một vạch kẻ vuông góc với cán gió tại cuối cấn gió hướng theo chiều

kim đồng hồ, gọi là các râu gió Một râu (thường dài bằng 2/3 cán) tương ứng

với 5m/s, một vạch nửa râu tương ứng với 2-3m/s, chỉ có cán gió mà không córâu gió biểu thị 1m/s

Các bản đồ trên cao chỉ điền hướng và tốc độ gió, độ cao địa thế vịđược quy tròn về 10mdtv, nhiệt độ và điểm sương được quy tròn về 0C

dd

TT a)

2.1.3 Phân tích bản đồ

Để thấy rõ các đặc điểm phân bố theo phương nằm ngang của các yếu

tố khí tượng, người ta phân tích các đường đẳng trị của yếu tố đó Các đườngđẳng trị đó cho ta hình ảnh phân bố không gian của trường các yếu tố khítượng

Khi phân tích bản đồ ta cần nhớ rằng, các hệ thống quy mô lớn thường

di chuyển và biến đổi một cách từ từ và liên tục cho nên cần phải xem các bản

đồ trước đó để xác định quán tính của các hệ thống khí áp Một số đặc trưngcủa quán tính cần được xem xét là:

 Các hình thế ở bề mặt phải tương thích với các hình thế trên các bản

phải phù hợp với trường gió trên cao;

 Các hệ thống thời tiết thể hiện qua các hình thế khí áp được phân tích

phải phù hợp với các quá trình trao đổi nhiệt, bức xạ, bốc hơi, ngưng kết và giáng thủy xảy ra trong khí quyển

người ta vẽ các đường đẳng áp chia hết cho 2 như: 1002, 1004, 1006mb,… Đối với đường đẳng biến áp, đường quan trọng nhất là đường đẳng biến áp số

1 Người ta thường phân tích đường này để phân biệt vùng có khí áp tăng với

e) Dải áp thấp; f) Dải áp cao; g) Xoáy thuận riêng phần; h) Nhân; i) Yên.

Các đường đẳng áp cho ta thấy những trung tâm áp thấp nơi có trị sốkhí áp nhỏ nhất và những trung tâm áp cao nơi có trị số khí áp lớn nhất đềuđược bao bọc bởi các đường đẳng áp đóng kín Ở rìa các trung tâm áp thấphay áp cao các đường đẳng áp thường vươn dài về một hướng nào đó, tạothành những rãnh khí áp hay còn gọi là sống khí áp hoặc lưỡi khí áp Ngoài

ra, trên bản đồ synop còn thấy những khu vực yên ngựa nằm giữa hai trungtâm áp cao và hai trung tâm áp thấp

Trước khi phân tích bản đồ cần phải xem xét các bản đồ trước đó đểđánh giá các hình thế khí áp một cách tổng quát về các khối không khí, front,các hệ thống thời tiết và sự di chuyển của chúng từ bản đồ trước đến hiện tại.Nếu không phân tích một cách cẩn thận sự tiến triển của các hiện tượng thờitiết trên các bản đồ trước đó thì dự báo viên khó có thể phân tích tốt trạng tháithời tiết hiện tại Tùy thuộc vào loại và số lượng bản đồ trong một ngày củatrung tâm dự báo, dự báo viên có thể sử dụng các bản đồ trước đó 3, 6 hoặc

12 giờ, thậm chí là 1, 2 hoặc 3 ngày để xem xét sự tiến triển của một hệ thốnghoặc một hiện tượng nào đó cần quan tâm Để đạt được kết quả tốt trong phântích bản đồ synop, dự báo viên phải thực hiện các bước sau:

Bước 1: Nhận biết được sự phân bố của các yếu tố khí tượng, lượng và

loại mây, đặc biệt là mây thấp Bước này nhằm nhận dạng các khối không khínóng/lạnh Để nhận dạng được các khối không khí cần phải xác định được:

- Thời gian và địa điểm khối không khí hình thành và quá trình di

chuyển của nó;

- Sự khác nhau về nhiệt độ giữa khối không khí và bề mặt;

- Gradient nhiệt độ không khí thẳng đứng trong tầng thấp;

- Loại giáng thủy và tầm nhìn xa

Bước 2: Nhận dạng và phân loại khối không khí Khi phân loại cần sử

dụng cả số liệu thám không, đặc biệt là xem xét sự phân bố không gian củanhiệt độ và độ ẩm trong tầng đối lưu Điều đó cho ta biết rằng, khi phân tíchmực này dứt khoát phải tham khảo các mực khác Ngoài ra, cần phải xét đến

sự phân bố khí hậu của các khối không khí cũng như các yếu tố khí tượngtrong thời kỳ dự báo

Bước 3: Khoanh vùng mây As, Ns và giáng thủy Trong trường hợp có

thể, dự báo viên khoanh các vùng đó lại Phạm vi cũng như hình dạng vùngmưa cũng rất hữu ích cho việc phân tích dự báo

Bước 4: Phân tích vùng áp tăng và vùng áp giảm Khi phân tích cần

chú ý đến hoàn lưu với địa hình và các yếu tố khí tượng khác

Bước 5: Phân tích các đường đẳng áp:

- Khí áp là một hàm liên tục Cần chú ý địa hình khi phân tích

- Ngoài trị số khí áp tại các trạm, hướng gió là một nhân tố rất quan trọng để nội suy hướng của các đường đẳng áp

Bước 6: Xác định vị trí đường front Front thường được tìm ở nơi gió

đổi hướng dọc theo một đường có khí áp nhỏ nhất (đường rãnh) và các đườngđẳng nhiệt dày sít bất thường Gió đổi hướng theo chiều kim đồng hồ từ phíatrước ra phía sau front Nếu xem xét biến áp ta thấy rằng, phía trước front ápgiảm và phía sau front áp tăng Các nhân tố như vùng mây As và Ns có giángthủy cũng là những nhân tố rất tốt để xác định đường front

Bước 7: Sau khi vị trí front được xác định, hướng của những đường

đẳng áp cắt đường front sẽ cho ta xác định được đó là front nóng, front lạnhhay front cố tù Để xác định được loại front còn cần phải sử dụng số liệu caokhông để xem xét cấu trúc không gian ba chiều của các khối không khí haibên front

Bước 8: Điều chỉnh và làm trơn các đường đẳng trị, làm nổi bật các

vùng thời tiết đặc biệt, bỏ qua những dị thường không đáng kể do những ảnhhưởng quy mô nhỏ gây nên Ngoại suy những vùng không có số liệu

b) Phân tích bản đồ synop trên cao.

Trên các bản đồ này người ta thường phân tích các đường đẳng caohoặc đường dòng và đường đẳng nhiệt Các đường đẳng trị cũng được vẽbằng cách nội suy từ những trị số được điền tại các trạm cao không Giá trịcủa các đường đẳng cao được phân tích thường chia hết cho 2, 4, 6 hoặc 8.Nói chung vẽ các đường đẳng cao cũng giống như vẽ các đường đẳng áp, phảituân theo những nguyên tắc là ở bán cầu bắc bên phải hướng gió, độ cao địathế vị lớn hơn bên trái Trung tâm áp cao điền chữ C (hoặc H), trung tâm ápthấp điền chữ T (hoặc L) Các đường đẳng nhiệt cũng được vẽ tại các trị sốchia hết cho 4 (thường vẽ trên các mực 850 và 700mb) và trung tâm nóng viếtchữ “nóng” màu đỏ, trung tâm lạnh đề chữ “lạnh” màu xanh Trên mực đẳng

áp 850mb, thường phân tích các đường đẳng cao: 148, 152dam,… Trên mực700mb, thường phân tích các đường đẳng cao: 312, 316dam,… Trên mực500mb, thường phân tích các đường đẳng cao: 580, 588dam,…

Để phân tích được các bản đồ trên cao một cách chính xác, cũng nhưkhi phân tích bản đồ mặt đất, cần phải tham khảo những bản đồ trước đó trêncác mực Hình dạng, vị trí và sự di chuyển của các hình thế thời tiết phải đượcxem xét một cách tỉ mỉ khi phân tích bản đồ

Mục đích của việc phân tích bản đồ trên cao là phác họa càng chính xáccàng tốt hình dạng của các mặt đẳng áp trên cao Nơi nào mặt đẳng áp lồi lênthì nơi ấy các đường đẳng cao là những đường cong đóng kín và ở trung tâmcủa vùng đó đường đẳng cao có giá trị lớn nhất Còn nơi nào mặt đẳng áp lõmxuống thì nơi ấy các đường đẳng cao cũng là những đường cong đóng kín

nhưng trung tâm của vùng đó đường đẳng cao có giá trị nhỏ nhất.

Số liệu trên lục địa thường dày đặc hơn trên đại dương, cho nên khiphân tích nên bắt đầu từ những nơi có nhiều số liệu, sau đó phân tích mộtcách ngoại suy tới vùng đại dương trên cơ sở sử dụng triệt để những số liệuthưa thớt ở đây và những hiểu biết, kinh nghiệm của dự báo viên về sự dichuyển, sự phát triển, tính liên tục, tính quán tính của các hình thế thời tiết

2.2 Mô hình dự báo số trị

Dự báo số trị là phương pháp dự báo thời tiết dựa trên cơ sở tích phântrị số hệ các phương trình thuỷ nhiệt động lực học của khí quyển, được hìnhthành từ đầu thế kỷ 20 Ở nhiều nước trên thế giới, phương pháp này đã được

sử dụng để dự báo hình thế khí áp Trong những thập kỷ gần đây với sự pháttriển mạnh mẽ của máy tính điện tử đã đẩy mạnh sự phát triển của dự báo sốtrị, cùng với nó là sự đóng góp đặc biệt quan trọng của các vệ tinh khí tượngđóng vai trò đưa ra các thám sát mang tính tổng thể mà các số liệu khác không

có được

Cấu trúc của các mô hình được thiết lập trên cơ sở biểu diễn quá trìnhvật lý và động lực của khí quyển bằng các phương trình toán học theo địnhluật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng Từ đó xây dựng đượccác phương trình: Phương trình chuyển động, phương trình trạng thái, phươngtrình nhập nhiệt, phương trình liên tục và các phương trình mô tả các quá trìnhvận chuyển ẩm trong khí quyển

Các thành phần cơ bản của một mô hình số bao gồm:

(1) Hệ phương trình thủy nhiệt động lực học cho khí quyển và đạidương

(2) Tham số hoá các quá trình vật lý như: ma sát, các quá trình đốt nóng phi đoạn nhiệt, các quá trình vật lý vi mô