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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHÙNG KIẾN QUỐC XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ Chuyên ngành: Khí tƣợng và Khí hậu học Mã số: 60. 44. 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Ngô Đức Thành Hà Nội - 2013 1 LỜI CẢM ƠN Ngƣời đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc, đó là TS Ngô Đức Thành, ngƣời Thầy đã dạy tôi trong suốt thời gian học tập tại trƣờng và đặc biệt trong thời gian tôi làm luận văn tốt nghiệp. Mặc dù công việc hàng ngày rất bận rộn nhƣng Thầy đã tạo mọi điều kiện, tận tình giúp đỡ và hƣớng dẫn khoa học để tôi có thể hoàn thành luận văn Thạc sỹ này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, Cô ở Khoa khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, những ngƣời luôn tạo điều kiện và cho tôi kiến thức để tôi có thể tích lũy học hỏi và phấn đấu vƣơn lên trong sự nghiệp. Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trƣờng. Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Phòng Khí tƣợng ra đa, Đài Khí tƣợng Cao không, các bạn đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy Văn Trung ƣơng, Trung tâm Tƣ liệu Khí tƣợng Thủy văn đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Đài Khí tƣợng Cao không đã tạo điều kiện thời gian và cơ sở vật chất cho tôi đƣợc học tập trong quá trình công tác. Cuối cùng là lời cảm ơn dành cho gia đình tôi, những ngƣời đã đồng hành cùng tôi trong những năm tháng tôi theo khóa học. Phùng Kiến Quốc 2 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KTTV Khí Tƣợng Thủy Văn PHVT Phản Hồi Vô Tuyến RADAR RAdio Detection And Ranging CSDL Cơ Sở Dữ Liệu ĐKTCK Đài Khí Tƣợng Cao Không KTCK Khí Tƣợng Cao Không KTBM Khí Tƣợng Bề Mặt DWSR-2501C Ra đa thời tiết số hóa (Doppler) của Mỹ (Doppler Weather Service Radar) TRS-2730 Ra đa thời tiết không số hóa của Pháp MRL-5 Ra đa thời tiết số hóa của Nga NetCDF Dạng dữ liệu chuẩn trao đổi qua mạng (Network Common Data Form) PPI Sản phẩm quét ngang theo góc phƣơng vị nhất định (Plan Position Indicator) HMAX Độ cao của điểm có giá trị phản hồi vô tuyến cực đại CMAX Giá trị phản hồi vô tuyến cực đại ETOPS Giá trị độ cao đỉnh PHVT CAPPI (3km) Sản phẩm trƣờng PHVT trên cùng 1 độ cao 3km MAHASRI Monsoon Asian Hydro-Atmosphere Scientific Research and Prediction Initiative 3 DANH SÁCH CÁC BẢNG TT Số thứ tự bảng Nội dung Trang 1 2.1 So sánh lựa chọn miền lấy giá trị PHVT 26 2 3.1 Xác suất xảy ra dông tổng hợp trên sản phẩm CAPPI và CMAX 46 3 3.2 Xác suất xảy ra dông theo độ cao đỉnh PHVT 47 4 DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ TT Số thứ tự hình Nội dung Trang 1 1.1 Minh họa cách tính nửa thể tích xung phát 11 2 1.2 Quy hoạch mạng lƣới ra đa thời tiết đến năm 2020 13 3 1.3 Mô hình quét khối của ra đa DWSR 14 4 2.1 Vị trí các trạm đo mƣa tự động MAHASRI 21 5 2.2 Một số sản phẩm của ra đa thời tiết Tam Kỳ 23 6 2.3 Sơ đồ trích xuất giá trị PHVT 26 7 3.1 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Quảng Ngãi năm 2007 30 8 3.2 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm Trà My năm 2007 31 9 3.3 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm Quảng Ngãi năm 2010 32 10 3.4 Thời gian và lƣợng mƣa ngày của trạm đo mƣa tự động và mặt đất Trạm Tam Kỳ 2010 33 11 3.5 Xác suất xảy ra dông tổng hợp trên sản phẩm CAPPI và CMAX 34 12 3.6 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 km 35 13 3.7 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 37 14 3.8 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 km 38 15 3.9 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 km 39 16 3.10 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 42 17 3.11 Xác suất xuất hiện mƣa theo ngƣỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 km 42 18 3.12 Xác suất xảy ra mƣa trung bình theo tháng năm 2007 với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 43 19 3.13 Xác suất xảy ra mƣa trung bình theo tháng và khoảng cách năm 2010 44 20 3.14 Xác suất xuất hiện dông trên sản phẩm CAPPI, CMAX trạm Ba Tơ 45 21 3.15 Xác suất xuất hiện dông trên sản phẩm CAPPI, CMAX trạm Quảng Ngãi 46 5 MỤC LỤC Trang Mở đầu 7 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA 9 1.1 Giới thiệu chung về ra đa thời tiết 9 1.1.1 Nguyên lý hoạt động của ra đa 9 1.1.2 Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa 9 1.1.3 Mạng lƣới ra đa thời tiết tại Việt Nam 12 1.1.4 Sơ lƣợc về trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ 13 1.2 Tổng Quan về xây dựng chỉ tiêu Mƣa và Dông 15 1.2.1 Trên thế giới 15 1.2.2 Ở Việt Nam 17 CHƢƠNG II: THU THẬP SỐ LIỆU, PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU 20 2.1 Thu thập số liệu 20 2.1.1 Số liệu quan trắc bề mặt 20 2.1.1.1 Số liệu đo mƣa mặt đất 20 2.1.1.2 Số liệu quan trắc dông 21 2.1.2 Số liệu ra đa thời tiết 22 2.2 Xử lý số liệu 23 2.2.1 Xử lý số liệu mƣa, dông 23 2.2.2 Xử lý số liệu ra đa 24 2.2.2.1 Một số đặc điểm về số liệu ra đa 24 2.2.2.2 Trích xuất số liệu ra đa 25 2.3 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu 27 2.3.1 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mƣa 27 2.3.2 Phƣơng pháp xây dựng chỉ tiêu dông 28 6 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 29 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mƣa 29 3.1.1 Phƣơng pháp tính toán số liệu 29 3.1.2 Một số kết quả phân tích 35 3.1.3 Kết quả đánh giá chỉ tiêu theo tháng và trung bình theo khoảng cách 43 3.2 Tính toán xây dựng chỉ tiêu dông 45 3.2.1 Phƣơng pháp tính toán số liệu dông 45 3.2.2 Một số kết quả tính toán 45 Kết luận và kiến nghị 48 Tài liệu tham khảo 50 Phụ lục 52 7 MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hƣởng nặng nề nhất do thiên tai gây ra trong khu vực châu Á. Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa với bờ biển trải dài hơn 3.500 km, mỗi năm có từ 5-7 cơn bão gây ảnh hƣởng đến thời tiết của nƣớc ta, trong đó có từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào đất liền. Các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm cũng thƣờng xuyên xảy ra trên phạm vi cả nƣớc nhƣ: mƣa lớn diện rộng, mƣa đá, dông mạnh và tố lốc gây thiệt hại lớn về tài sản cũng nhƣ tính mạng của con ngƣời, làm ảnh hƣởng đến quá trình phát triển kinh tế của đất nƣớc. Dự báo thời tiết đặc biệt là Dự báo, cảnh báo các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm nhằm giảm thiểu thiệt hại do chúng gây ra là một việc hết sức cần thiết và cấp bách. Ra đa thời tiết là thiết bị sử dụng sóng vô tuyến điện để quan trắc, phát hiện, theo dõi và cảnh báo các hiện tƣợng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây nhƣ dông, tố, lốc, mƣa lớn, mƣa đá và đặc biệt là xác định vị trí tâm bão khi đi vào gần bờ, nơi các thiết bị quan trắc khác nhƣ vệ tinh không đảm bảo độ chính xác và các số liệu quan trắc truyền thống trên biển đông không đủ dày phục vụ xác định chính xác vị trí tâm bão. Với ƣu điểm nổi trội, ra đa thời tiết đã đƣợc sử dụng ở nhiều nƣớc trên thế giới trong việc quan trắc và giám sát các hiện tƣợng thời tiết (điển hình nhƣ: Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc ). Tuy nhiên để đƣa ra đa vào hoạt động hiệu quả, việc đầu tiên sau khi lắp đặt ra đa là phải xây dựng chỉ tiêu địa phƣơng đối với từng loại hiện tƣợng thời tiết riêng biệt. Mỗi vùng khác nhau sẽ có điều kiện khí hậu, các hệ thống thời tiết, điều kiện nhiệt, ẩm và tính chất giáng thuỷ khác nhau. Ra đa thời tiết hoạt động theo nguyên tắc phát sóng siêu cao tần vào không gian và thu nhận tín hiệu phản xạ trở lại từ các vật mục tiêu (ở đây là mây và các hiện tƣợng thời tiết liên quan) trên quãng đƣờng truyền sóng. Mức độ mạnh hay yếu của tín hiệu phản hồi vô tuyến (PHVT) thu đƣợc phụ thuộc vào diện tích phản xạ hiệu dụng và tính chất vật lý, hình dạng và mật độ phân bố hạt của mây. Ra đa thu nhận tất cả các giá trị PHVT trong bán kính quét của nó (bao gồm các giá trị phản hồi vô tuyến chƣa gây ra hiện tƣợng và đã gây ra hiện tƣợng thời tiết), mỗi hiện tƣợng thời tiết nhƣ mƣa, dông, mƣa đá… thƣờng có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tƣơng ứng với mỗi loại hiện tƣợng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận đƣợc các ngƣỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tƣợng. Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngƣỡng các giá trị PHVT tƣơng ứng 8 từng loại hiện tƣợng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tƣợng thời tiết cũng nhƣ ƣớc lƣợng lƣợng mƣa với độ chính xác cao nhất. Xuất phát từ những lý do nêu trên, để góp phần tăng thêm các cơ sở phục vụ cho cảnh báo mƣa, dông đối với khu vực Trung Trung Bộ trên cơ sở khai thác số liệu ra đa Tam Kỳ, tôi chọn đề tài cho luận văn thạc sỹ là: “Xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ”. Việc xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ đóng góp tích cực cho việc cảnh báo sớm hiện tƣợng thời tiết trong vùng hoạt động của ra đa. Nội dung của luận văn gồm có: MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: Tổng quan về ra đa thời tiết và xây dựng chỉ tiêu mƣa, dông cho trạm ra đa thời tiết. CHƢƠNG 2: Phƣơng pháp nghiên cứu và nguồn số liệu CHƢƠNG 3: Tính toán, xây dựng chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 9 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA 1.1. Giới thiệu chung về ra đa thời tiết 1.1.1. Nguyên lý hoạt động của ra đa: RADAR là từ viết tắt tiếng Anh của cụm từ “Radio Detection And Ranging” – là một phƣơng tiện kỹ thuật phát hiện và xác định mục tiêu ở xa bằng sóng vô tuyến điện. Nguyên tắc hoạt động của ra đa dựa vào sự lan truyền, phản xạ của sóng điện từ. Khi ra đa phát 1 tín hiệu sóng điện từ vào không gian qua ăng ten, sóng lan truyền về phía mục tiêu, gặp mục tiêu bị phản xạ trở lại. Từ tín hiệu phản xạ trở lại, vị trí của vật mục tiêu sẽ đƣợc xác định thông qua các tham số bao gồm: khoảng thời gian giữa thời điểm phát đi tín hiệu điện từ và thời điểm nhận đƣợc tín hiệu phản hồi, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian (bằng tốc độ ánh sáng) và góc cao, góc hƣớng của ăng ten. Ra đa thời tiết hoạt động cũng trên nguyên tắc đó, nhƣng với đối tƣợng cụ thể là các mục tiêu khí tƣợng là giáng thủy. Độ lớn của tín hiệu phản xạ thu đƣợc phụ thuộc vào tính chất hạt của mục tiêu khí tƣợng gây ra phản hồi. Dựa trên độ lớn của tín hiệu thu đƣợc, qua các công thức toán học và tính toán thống kê ngƣời ta nhận dạng đƣợc các mục tiêu khí tƣợng. 1.1.2. Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa - Mục tiêu khí tượng: Mục tiêu khí tƣợng của ra đa chủ yếu là mây và mƣa. Ra đa thời tiết dùng để phát hiện mây, mƣa và các hiện tƣợng thời tiết liên quan. Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tƣợng là loại mục tiêu đặc biệt, chúng không phải là mục tiêu có tính chất đồng nhất mà gồm tập hợp các hạt nƣớc có hình dạng, kích thƣớc và trạng thái khác nhau. Có hai loại mục tiêu khác nhau: Mây: Là tập hợp các hạt nƣớc, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngƣng kết hơi nƣớc.Trong một đám mây, các hạt có thể tồn tại ở một thể thống nhất hoặc hỗn hợp ở hai thể rắn và lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ và các yếu tố khác của môi trƣờng. Mƣa: Khi các hạt nƣớc, hạt đá, hạt băng tuyết trong mây đủ lớn, trọng lực của chúng thắng đƣợc lực cản của môi trƣờng, rơi xuống đất gọi là mƣa. - Tính chất của mục tiêu khí tượng [...]... Xây dựng chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ với mục tiêu là sẽ xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định mƣa và dông theo các ngƣỡng PHVT và theo khoảng cách; xây dựng đƣợc chỉ tiêu tổng hợp về khả năng xuất hiện dông trong vùng hoạt động của ra đa thời tiết Tam Kỳ dựa trên một số sản phẩm dẫn xuất 19 CHƢƠNG II THU THẬP SỐ LIỆU, PHƢƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU Để việc xây dựng. .. ETOPS, CMAX để xây dựng chỉ tiêu tổng hợp các dấu hiệu xảy ra dông trên mỗi loại sản phẩm Trên cơ sở đó sẽ xây dựng đƣợc đồ thị về xác suất xảy ra dông theo giá trị PHVT, độ cao đỉnh PHVT, độ cao PHVT cực đại khả năng xuất hiện dông theo độ PHVT và độ cao đỉnh mây 28 CHƢƠNG 3 TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƢA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mƣa 3.1.1... tôi liệt kê thời điểm xuất hiện và thời gian kết thục của các cơn dông trong ngày theo từng trạm phục vụ cho việc trích xuất số liệu ra đa để xây dựng chỉ tiêu 2.1.2 Số liệu ra đa thời tiết Số liệu ra đa thời tiết thu thập phục vụ cho các tính toán trong luận văn là số liệu quan trắc tại trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ trong các tháng 10, 11, 12, giai đoạn từ 2007, 2010 và 2011 Số liệu thu thập là các... hiện tại ở Việt Nam và mục tiêu quy hoạch đến năm 2020 đƣợc thể hiện ở hình 1.2 dƣới đây Hình 1.2 Quy hoạch mạng lƣới ra đa thời tiết đến năm 2020 1.1.4 Sơ lược về trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ Trạm ra đa thời tiết Tam kỳ đƣợc lắp đặt và đƣa vào hoạt động nghiệp vụ từ năm 1998 với chủng loại ra đa DWSR-93C, là ra đa Doppler của Mỹ với trình độ 13 công nghệ hiện đại, đa dạng sản phẩm cho ngƣời sử dụng có... và CCS (2011) [6] đã và đang thực hiện đề tài “Nghiên cứu khai thác các định dạng số liệu, tổ hợp và xây dựng phần mềm xác định vị trí tâm mắt bão, hƣớng và tốc độ di chuyển của tâm bão cho mạng lƣới ra đa thời tiết ở Việt Nam”, hiện tại đề tài đã khai thác thành công một số định dạng sản phẩm của ra đa thời tiết nói chung và của ra đa DWSR nói riêng (đã trích xuất đƣợc các giá trị PHVT của ra đa và. .. bùng nổ của khoa học công nghệ các ra đa thời tiết Doppler hiện đại đã đƣợc lắp đặt và một số ra đa cũ đƣợc nâng cấp Hiện tại mạng lƣới ra đa đã có 7 trạm với 8 ra đa đang hoạt động trong đó 1 ra đa MRL-5 của Nga mới nâng cấp năm 2010; 03 ra đa TRS-2730 của Pháp và 04 ra đa DWSR 2500C-2501C của Mỹ Nhìn chung mạng lƣới ra đa hiện đang hoạt động khá ổn định, số liệu ra đa mặc dù chƣa đƣợc khai thác hết... chƣơng 2, để xây dựng chỉ tiêu mƣa cho trạm ra đa chúng tôi đã tiến hành thu thập và xử lý số liệu các trạm đo mƣa tự động MAHASRI, gồm 31/32 trạm trong tháng 10, 11, 12 và số liệu mƣa của 5 trạm mặt đất trong vùng hoạt động của ra đa (Tam Kỳ, Ba Tơ, Quảng Ngãi, Đà Nẵng, Lý Sơn) trong 2 năm 2007 và 2010 chuỗi số liệu này đại diện cho 2 giai đoạn trƣớc và sau khi ra đa Tam kỳ đƣợc nâng cấp, đã đi vào hoạt... sở cho việc phát hiện và theo dõi các hiện tƣợng này bằng ra đa TRS-2730, tác giả đã xây dựng đƣợc khả năng phát hiện các cấp mƣa trong bán kính 100km của ra đa theo giá trị PHVT; xây dựng đƣợc cơ sở khoa học để phân định loại mây bằng phƣơng pháp ra đa theo số liệu quan trắc đồng bộ của trạm KTBM, xây dựng đƣợc chỉ tiêu nhận biết dông thông qua giá trị PHVT và một số kết quả khác Các chỉ tiêu xây dựng. .. đồng bộ với chu kỳ quan trắc, thu thập số liệu của ra đa Tam Kỳ 2.2.2 Xử lý số liệu ra đa 2.2.2.1 Một số đặc điểm về số liệu ra đa Ra đa Tam Kỳ là chủng loại ra đa Doppler hiện đại với khả năng quét khối có thể cung cấp bức tranh 3 chiều về các hiện tƣợng thời tiết đang diễn ra, điều này đƣợc minh chứng qua số lƣợng sản phẩm đa dạng của nó: PPI, CAPPI, ETOPS, CMAX, HMAX, VIL, TRACK, BASE, LRA Phƣơng thức... đƣa về định dạng số liệu chuẩn NetCDF) và đang thử nghiệm phần mềm xác định vị trí tâm bão; Nguyễn Thế Hào và CCS (2011) [7] đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu sử dụng thông tin ra đa thời tiết DWSR-2500C trạm Nhà Bè phục vụ cảnh báo và theo dõi mƣa về xây dựng các chỉ tiêu cảnh báo mƣa và dông trên cơ sở sử dụng số liệu ra đa Nhà Bè Tuy nhiên do do một số hạn chế nhất định mà kết quả của đề tài đƣa ra chƣa . dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ . Việc xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ. văn này thực hiện nghiên cứu Xây dựng chỉ tiêu xác định mƣa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ với mục tiêu là sẽ xây dựng đƣợc chỉ tiêu xác định