Báo cáo " Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ " pot

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51 -55 51 Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ Nguyễn Hướng Điền * Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013 Tóm tắt. Dựa trên các số liệu độ phản hồi của radar thời tiết đặt tại Vinh và lượng mưa quan trắc được bởi các vũ lượng kí tại 5 trạm đo mưa mặt đất trong khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ trong 5 đợt mưa lớn diện rộng từ năm 2004 đến năm 2006, các công thức liên hệ giữa cường độ mưa R và độ phản hồi radar Z’ dạng hàm mũ R = C10 DZ’ được tính cho từng trạm và chung cho cả khu vực nghiên cứu, trong đó các hệ số thực nghiệm C và D được xác định theo phương pháp bình phương tối thiểu nhờ phần mềm EVIEW. Việc đánh giá sai số của các công thức này cũng cho thấy chúng có độ chính xác cao hơn hẳn công thức kinh điển dạng lũy thừa của Marshall-Palmer [1]. Khác với công thức Marshall-Palmer cho kết quả tính toán cường độ mưa thiên âm mạnh, phần lớn các công thức tự tính cũng có tình trạng thiên âm, nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. Các công thức riêng cho từng trạm có độ chính xác cao hơn công thức chung cho cả vùng. Từ khóa: Công thức thực nghiệm, độ phản hồi radar, cường độ mưa. 1. Mở đầu  Tiếp nối bài báo trước đây xác định công thức thực nghiệm tính trực tiếp cường độ mưa Trung Trung Bộ [2], bài này trình bày kết quả tính toán tương tự đối với khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ- nơi mà radar thời tiết thường (không Doppler, đã số hóa) TRS-2730 (do Pháp chế tạo) đặt tại Vinh có thể vươn tới được. _______  ĐT: 84-904291148 E-mail: diennh@vnu.vn Trước đây chúng tôi cũng đã đưa ra các công thức dạng hàm lũy thừa cho vùng này [3], song sai số tính cường độ mưa vẫn rất lớn. Để giảm sai số và tăng độ tiện ích, trong bài này chúng tôi xây dựng các công thức tính trực tiếp cường độ mưa R (coi là hàm) từ độ phản hồi radar Z’ (coi là biến) cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ. 2. Phương pháp xử lí số liệu và đánh giá kết quả Phương pháp tính toán vẫn như trong bài báo [1], tức là dùng phương pháp bình phương tối thiểu với sự trợ giúp của phần mềm EVIEW N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 52 để xác định các hệ số trong công thức thực nghiệm. Sau đó, công thức thực nghiệm thu được sẽ được đánh giá sai số trên tập số liệu độc lập. Số liệu sử dụng gồm số liệu đo mưa bằng vũ lượng kí tại 5 trạm trong khu vực, đó là các trạm Đô Lương, Hương Khê, Quỳnh Lưu, Thanh Hóa và Ninh Bình, trong 5 đợt mưa diện rộng từ năm 2004 đến năm 2006, số liệu quan trắc độ phản hồi vô tuyến Z’ (= 10lgZ với đơn vị là dBZ) do radar đặt tại Vinh (Nghệ An) đo được đồng thời trong các đợt mưa đó. Việc qui toán số liệu và đánh giá kết quả cũng vẫn như trong bài báo [1], tức là từ số liệu lượng mưa trong từng 5 phút một trên giản đồ vũ lượng kí qui ra cường độ mưa (mm/h) và số liệu độ phản hồi Z’(dBZ) trên các ảnh của Radar tại Vinh phải lấy trung bình trong một miền tròn bán kính 10km có tâm tại trạm vũ lượng kí ở cùng thời điểm với số liệu đo mưa. Các chỉ số đánh giá là sai số trung bình ME, sai số trung bình tuyệt đối MAE và sai số trung bình toàn phương RMSE. 3. Các kết quả xác định và đánh giá các công thức 3.1. Kết quả vẽ đồ thị theo số liệu thực và xác định công thức Chúng tôi tiến hành xây dựng công thức thực nghiệm cho từng trạm, sau đó cho toàn vùng (bao gồm cả 5 trạm), nhưng ở đây chỉ nêu kết quả ứng với một vài trạm nào đó như một ví dụ. Chẳng hạn, các kết quả vẽ đồ thị Z’-R (Scatter – plot) dựa trên các số liệu thực đối với trạm Đô Lương và Hương Khê khi lấy Z’ trung bình trong vòng tròn bán kính 10 km quanh trạm được cho trong Hình 1. Hình 1. Đồ thị Z’-R với độ phản hồi trung bình lấy trong vòng bán kính 10km trạm Đô Lương và Hương Khê. Từ Hình 1 ta thấy độ phản hồi vô tuyến Z’ (dBZ) và cường độ mưa R (mm/h) có mối quan hệ phi tuyến dạng logarit. Do đó ta xây dựng công thức thực nghiệm thể hiện mối quan hệ theo dạng loga: Z’= a + blgR (1) Các hệ số thực nghiệm a và b có thể xác định một cách giải tích bằng phương pháp bình phương tối thiểu (thiết lập và giải hệ phương trình tuyến tính đối với các hệ số) [4]. Lưu ý rằng Z’=10lgZ, công thức (1) có thể biến đổi thành dạng lũy thừa Z=AR B như Marshall- Palmer và nhiều tác giả đã làm [1]. Tuy nhiên, vì hàm cần tính là R (chứ không phải là Z’), ta sẽ tìm công thức thực nghiệm tương đương với (1) nhưng dưới dạng hàm mũ R=C10 D.Z’ . Phần mềm EVIEW sẽ giúp xác định trực tiếp các hệ N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 53 số C và D tham gia vào công thức một cách phi tuyến mà không phải tính qua a và b, tránh được các sai số gây ra bởi việc tuyến tính hóa công thức theo cách tính giải tích. Với mỗi trạm và toàn vùng ta thu được 6 công thức dạng hàm mũ. Các hệ số của chúng được cho trong Bảng 1. Để dễ dàng so sánh độ chính xác của các công thức tự tính với công thức Marshall – Palmer, ta đưa nó từ dạng hàm lũy thừa Z=200R 1,6 về dạng hàm mũ R=0,36.10 0,0625Z’ . Bảng 1. Kết quả tính hệ số C, D cho từng trạm và chung cho cả vùng Tên trạm C D Đô Lương 10,22347 0,303118 HươngKhê 10,29151 0,300676 Quỳnh Lưu 8,63921 0,155494 Thanh Hóa 11,22874 0,523971 Ninh Bình 15,09056 0,877932 C/thức chung 10,59924 0,412756 3.2. Đánh giá công thức Các sai số của tất cả các công thức tìm được cho từng trạm và cả vùng (6 công thức) cũng như của công thức Marshall-Palmer được cho trong Bảng 2. Các sai số này đều được đánh giá trên tập số liệu độc lập. Bảng 2. Sai số của công thức tính được (dòng trên của mỗi hàng) và công thức Marshall-Palmer (dòng dưới của mỗi hàng) cho từng trạm và cho cả vùng Trạm ME (mm/h) MAE (mm/h) RMSE (mm/h) Đô Lương -0,38121 -3,2644 0,46811 4,1522 0,76868 6,2267 Hương Khê 0,40102 -2,4076 0,84021 2,9853 1,31343 3,5890 Quỳnh Lưu -1,0485 -4,4807 1,0485 5,2339 1,1597 7,4096 Thanh Hóa -0,6002 -3,3597 0,6298 3,3995 0,6811 6,8216 Ninh -0,7223 0,7223 0,9451 Bình -5,0067 5,0143 6,2763 Chung -2,1483 -6,6875 2,4894 6,8936 3,9944 8,6832 Các sai số của các công thức cũng được biểu diễn thành các đồ thị dạng cột (Hình 2, 3 và 4) để dễ dàng so sánh trực quan chúng với nhau. Đô Lương Hương Khê Quỳnh Lưu Thanh Hóa Ninh Bình Chung -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 tự tính Marshall-Palmer Hình 2. Sai số ME(mm/h) của các công thức cho từng trạm và cả khu vực. Đô Lương Hương Khê Quỳnh Lưu Thanh Hóa Ninh Bình Chung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 tự tính Marshall-Palmer Hình 3. Sai số MAE(mm/h) của các công thức cho từng trạm và cả khu vực. Đô Lương Hương Khê Quỳnh Lưu Thanh Hóa Ninh Bình Chung 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 tự tính Marshall-Palmer Hình 4. Sai số RMSE(mm/h) của các công thức cho từng trạm và cả khu vực. N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 54 Các chỉ số đánh giá trong Bảng 2 hoặc các Hình 2, 3 và 4 cho thấy: - Các giá trị sai số của công thức Marshall- Palmer lớn hơn nhiều so với các giá trị tương ứng của các công thức tính được, kể cả công thức chung cho cả vùng. - Sai số ME đối với công thức của Marshall – Palmer đều nhỏ hơn 0 đáng kể ở tất cả các trạm, chứng tỏ cường độ mưa tính toán từ công thức của Marshall – Palmer thiên âm mạnh (thường nhỏ hơn giá trị thực đo). Các công thức tự tính cũng có tình trạng thiên âm, trừ ở trạm Hương Khê, nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. - Sai số của từng trạm nhỏ hơn so với sai số cho cả vùng. 4. Kết luận Từ những kết quả tính toán được ở trên, cho thấy: - Đã tính được 5 công thức riêng cho từng trạm và 1 công thức cho toàn vùng (bao trùm 5 trạm kể trên ). - Các công thức tính được có các giá trị sai số nhỏ hơn nhiều so với các giá trị tương ứng của công thức Marshall-Palmer, chứng tỏ chúng có độ chính xác cao hơn hẳn công thức này. - Sai số trên từng trạm tính theo công thức riêng nhỏ hơn so với sai số tính trên toàn vùng. - Công thức của Marshall – Palmer cho giá trị tính toán cường độ mưa thiên âm mạnh đối với mọi trạm. Phần lớn các công thức tự tính cũng cho giá trị tính toán cường độ mưa thiên âm, trừ ở trạm Hương Khê, nhưng ở mức độ nhỏ hơn nhiều. Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Hướng Điền, Tạ Văn Đa, Khí tượng radar, NXB Đại học QG. Hà Nội, 2010. [2] Nguyễn Hướng Điền, Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi radar cho khu vực Trung Trung Bộ, Tạp chí Khoa học, ĐHQGHN, tập 26, số 3S, tr.317- 321, 2010. [3] Nguyễn Hướng Điền, Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi vô tuyến quan trắc bởi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ, Tạp chí Khoa học, ĐHQGHN, tập 25, số 3S, tr. 390-396, 2009. [4] L.Z. Rumsixki, Phương pháp toán học xử lý các kết quả thực nghiệm, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật Hà Nội (dịch bởi Hoàng Hữu Như, Nguyễn Bác Văn), 1972. Empirical formulas for calculating rainfall rate from radar reflectivity for the North Central region and South of the Red River Delta of Vietnam Nguyen Huong Dien Faculty of Hydro-Meteorology and Oceanography, VNU University of Science, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam By using a dataset of reflectivity obtained from a weather radar station in Vinh (North Central of Vietnam) and observing rainfall rate from a network of five rain gauge stations located in the North Central Region and South of the Red River Delta during five heavy rainfall periods from 2004-2006, N.H. Điền. / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51-55 55 regression formulas between rainfall rate R and radar reflectivity Z’ in the exponential form of R = C10 DZ’ were established for stations in which the regression coefficients C and D were obtained from the least squared best fit, using the EVIEW software. Evaluation of these empirical formulas showed that the new formulas had much higher accuracy than that obtained from the classical power form proposed by Marshall-Palmer. Unlike the Marshall-Palmer’s formulation that significantly understimates rainfall rate, the newly proposed formulas reduce the underestimation of rainfall rate substantially. Examination of the new formulas for each individual station also showed better results than a general formula for the entire region. Keywords: radar reflectivity, rainfall rate, empirical formula. . Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 1S (2013) 51 -55 51 Công thức thực nghiệm tính toán cường độ mưa từ độ phản hồi radar cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ Nguyễn Hướng. công thức thực nghiệm tính trực tiếp cường độ mưa Trung Trung Bộ [2], bài này trình bày kết quả tính toán tương tự đối với khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ- nơi mà radar thời. tiếp cường độ mưa R (coi là hàm) từ độ phản hồi radar Z’ (coi là biến) cho khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Đồng Bằng Bắc Bộ. 2. Phương pháp xử lí số liệu và đánh giá kết quả Phương pháp tính toán