xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết tam kỳ luận văn ths. khoa học khí quyển và khí tượng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  PHÙNG KIẾN QUỐC XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60. 44. 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Ngô Đức Thành Hà Nội - 2013 1 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT KTTV Khí Tượng Thủy Văn PHVT Phản Hồi Vô Tuyến RADAR RAdio Detection And Ranging CSDL Cơ Sở Dữ Liệu ĐKTCK Đài Khí Tượng Cao Không KTCK Khí Tượng Cao Không KTBM Khí Tượng 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 phương 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 trường PHVT trên cùng 1 độ cao 3km MAHASRI Monsoon Asian Hydro-Atmosphere Scientific Research and Prediction Initiative 2 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 3 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 lưới 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 mưa 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 lượng mưa ngày của trạm đo mưa tự động và mặt đất Quảng Ngãi năm 2007 30 8 3.2 Thời gian và lượng mưa ngày của trạm đo mưa tự động và mặt đất Trạm Trà My năm 2007 31 9 3.3 Thời gian và lượng mưa ngày của trạm đo mưa tự động và mặt đất Trạm Quảng Ngãi năm 2010 32 10 3.4 Thời gian và lượng mưa ngày của trạm đo mưa 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 mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 km 35 13 3.7 Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 37 14 3.8 Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 km 38 15 3.9 Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính R ≤ 50 km 39 16 3.10 Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 42 17 3.11 Xác suất xuất hiện mưa theo ngưỡng giá trị PHVT với bán kính R > 100 km 42 18 3.12 Xác suất xảy ra mưa trung bình theo tháng năm 2007 với bán kính 50 km < R ≤ 100 km 43 19 3.13 Xác suất xảy ra mưa 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 4 MỤC LỤC Trang Mở đầu 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƯA 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 lưới ra đa thời tiết tại Việt Nam 12 1.1.4 Sơ lược về trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ 13 1.2 Tổng Quan về xây dựng chỉ tiêu Mưa và Dông 15 1.2.1 Trên thế giới 15 1.2.2 Ở Việt Nam 17 CHƯƠNG II: THU THẬP SỐ LIỆU, PHƯƠNG 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 mưa 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 mưa, 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 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu 27 2.3.1 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mưa 27 2.3.2 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu dông 28 5 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 29 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mưa 29 3.1.1 Phương 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 Phương 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 6 MỞ ĐẦU Việt Nam là một trong những quốc gia chịu ảnh hưởng 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 hưởng đến thời tiết của nước ta, trong đó có từ 2-3 cơn bão đổ bộ vào đất liền. Các hiện tượng thời tiết nguy hiểm cũng thường xuyên xảy ra trên phạm vi cả nước như: mưa lớn diện rộng, mưa đá, dông mạnh và tố lốc gây thiệt hại lớn về tài sản cũng như tính mạng của con người, làm ảnh hưởng đến quá trình phát triển kinh tế của đất nước. Dự báo thời tiết đặc biệt là Dự báo, cảnh báo các hiện tượng 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 tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây như dông, tố, lốc, mưa lớn, mưa đá và đặc biệt là xác định vị trí tâm bão khi đi vào gần bờ, nơi các thiết bị quan trắc khác như 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 ưu điểm nổi trội, ra đa thời tiết đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới trong việc quan trắc và giám sát các hiện tượng thời tiết (điển hình như: Mỹ, Úc, Hàn Quốc, Trung Quốc ). Tuy nhiên để đưa ra đa vào hoạt động hiệu quả, việc đầu tiên sau khi lắp đặt ra đa là phải xây dựng chỉ tiêu địa phương đối với từng loại hiện tượng 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 tượng thời tiết liên quan) trên quãng đường truyền sóng. Mức độ mạnh hay yếu của tín hiệu phản hồi vô tuyến (PHVT) thu được 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 chưa gây ra hiện tượng và đã gây ra hiện tượng thời tiết), mỗi hiện tượng thời tiết như mưa, dông, mưa đá… thường có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tương ứng với mỗi loại hiện tượng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận được các ngưỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tượng. Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngưỡng các giá trị PHVT tương ứng 7 từng loại hiện tượng thời tiết) có tính chất quyết định trong việc xác định chính xác các hiện tượng thời tiết cũng như ước lượng lượng mưa 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 mưa, 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 được chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ đóng góp tích cực cho việc cảnh báo sớm hiện tượng thời tiết trong vùng hoạt động của ra đa. Nội dung của luận văn gồm có: MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: Tổng quan về ra đa thời tiết và xây dựng chỉ tiêu mưa, dông cho trạm ra đa thời tiết. CHƯƠNG 2: Phương pháp nghiên cứu và nguồn số liệu CHƯƠNG 3: Tính toán, xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 8 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY DỰNG CHỈ TIÊU MƯA 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 phương 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 được 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 được tín hiệu phản hồi, tốc độ lan truyền sóng điện từ trong không gian (bằng tốc độ ánh sáng) và góc cao, góc hướng của ăng ten. Ra đa thời tiết hoạt động cũng trên nguyên tắc đó, nhưng với đối tượng cụ thể là các mục tiêu khí tượng là giáng thủy. Độ lớn của tín hiệu phản xạ thu được phụ thuộc vào tính chất hạt của mục tiêu khí tượng gây ra phản hồi. Dựa trên độ lớn của tín hiệu thu được, qua các công thức toán học và tính toán thống kê người ta nhận dạng được các mục tiêu khí tượng. 1.1.2. Một số yếu tố liên quan tới độ PHVT của ra đa - Mục tiêu khí tượng: Mục tiêu khí tượng của ra đa chủ yếu là mây và mưa. Ra đa thời tiết dùng để phát hiện mây, mưa và các hiện tượng thời tiết liên quan. Khác với mục tiêu điểm, mục tiêu khí tượng là loại mục tiêu đặc biệt, chúng không phải là mục tiêu có tính chất đồng nhất mà gồm tập hợp các hạt nước có hình dạng, kích thước và trạng thái khác nhau. Có hai loại mục tiêu khác nhau: Mây: Là tập hợp các hạt nước, băng, tuyết lơ lửng trong khí quyển, sản phẩm của sự ngưng kết hơi nước.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 trường. Mưa: Khi các hạt nước, hạt đá, hạt băng tuyết trong mây đủ lớn, trọng lực của chúng thắng được lực cản của môi trường, rơi xuống đất gọi là mưa. - Tính chất của mục tiêu khí tượng 9 Mục tiêu khí tượng khác nhau về hình dáng, kích thước và tính chất vật lý của chúng. Mây đối lưu, là mây phát triển thẳng đứng. Chúng gồm một hoặc nhiều đám kết hợp với nhau, tồn tại từ vài chục phút đến vài giờ. Mây tầng và mây vũ tầng là mây phát triển theo chiều ngang, có diện tích lớn, tồn tại lâu từ vài giờ đến vài ngày. Tính chất vật lý vi mô của mây cũng thay đổi rất nhanh theo không gian và thời gian do các quá trình vật lý xảy ra trong đó. Trong mây đối lưu, kích thước và trạng thái hạt luôn thay đổi theo thời gian. Sự thay đổi về kích thước và trạng thái hạt theo không gian và thời gian dẫn đến sự thay đổi các đặc trưng vật lý vô tuyến của mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết. - Diện tích phản xạ hiệu dụng của mục tiêu khí tượng Như đã nêu, mục tiêu khí tượng của ra đa thời tiết là mây và mưa. Việc sử dụng nguyên lý ra đa trong quan trắc, phát hiện các mục tiêu nói trên là: ra đa bức xạ sóng điện từ vào không gian, khi gặp mây hoặc mưa, một phần năng lượng sóng điện từ xuyên qua hạt tiếp tục đi vào không gian, một phần bị các hạt vật chất hấp thu chuyển hóa thành nội năng, một phần khác bức xạ ngược trở lại theo mọi hướng khác nhau, trong đó có hướng đi về hướng ăng ten ra đa. Cường độ của dòng năng lượng bức xạ ngược trở lại ăng ten được quyết định bởi diện tích phản xạ hiệu dụng của mỗi hạt (  ) trong mây hoặc mưa. Nếu giả thiết hạt là hình cầu thỏa mãn tán xạ Rayleigh thì ta có thể tính được  khi biết dộ dài bước sóng và chỉ số khúc xạ của môi trường thông qua công thức sau: i  = 5 6 2 4 64 i i a    (1.1) Trong đó 2 i   2 2 2 1 2 i i m m   (1.2) Trong đó: i  - Diện tích phản xạ hiệu dụng của hạt vật chất a - Bán kính hạt và D là đường kính hạt  - Độ dài bước sóng ra đa (cm) m i - Chỉ số khúc xạ phức của hạt vật chất cấu tạo nên hạt Thừa số 2 i  phụ thuộc vào trạng thái pha của hạt đối với hạt chất lỏng là 0.93 ± 0.04 và hạt băng là 0,197 Như vậy cùng với một kích thước, diện tích tán xạ hiệu dụng của hạt nước lớn gấp 5 lần hạt băng. Vì mục tiêu khí tượng là tập hợp các hạt, nên ta cần phải xét mặt phẳng tán xạ hiệu dụng của một đơn vị thể tích của mục tiêu, nó bằng tổng các mặt phẳng tán xạ [...]... Xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ với mục tiêu là sẽ xây dựng được chỉ tiêu xác định mưa và dông theo các ngưỡng PHVT và theo khoảng cách; xây dựng được 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 18 CHƯƠNG II THU THẬP SỐ LIỆU, PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU Để việc xây dựng. .. nhau, mà mới chỉ đưa ra được khả năng xuất hiện dông theo độ PHVT và độ cao đỉnh mây 27 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ 3.1 Tính toán xây dựng chỉ tiêu mưa 3.1.1 Phương pháp tính toán số liệu a, Kiểm nghiệm số liệu Như đã nói ở chương 2, để xây dựng chỉ tiêu mưa cho trạm ra đa chúng tôi đã tiến hành thu thập và xử lý số liệu các trạm đo mưa tự động... tại các trạm mặt đất, chúng 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... hiện tại ở Việt Nam và mục tiêu quy hoạch đến năm 2020 được thể hiện ở hình 1.2 dưới đây Hình 1.2 Quy hoạch mạng lưới 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 được lắp đặt và đưa vào hoạt động nghiệp vụ từ năm 1998 với chủng loại ra đa DWSR-93C, là ra đa Doppler của Mỹ với trình độ 12 công nghệ hiện đại, đa dạng sản phẩm cho người sử dụng có... các đám mây chưa gây ra hiện tượng và các đám mây gây ra hiện tượng thời tiết) Các đám mây mang hiện tượng thời tiết như mưa, dông, mưa đá… thường có cấu trúc, tính chất vật lý, phân bố mật độ hạt khác nhau, tương ứng với mỗi loại hiện tượng thời tiết khi ra đa quan trắc sẽ thu nhận được các ngưỡng giá trị PHVT nhất định cho mỗi hiện tượng Bởi vậy việc xây dựng chỉ tiêu cho ra đa (ngưỡng các giá trị... sở cho việc phát hiện và theo dõi các hiện tượng này bằng ra đa TRS-2730, tác giả đã xây dựng được khả năng phát hiện các cấp mưa trong bán kính 100km của ra đa theo giá trị PHVT; xây dựng được cơ sở khoa học để phân định loại mây bằng phương pháp ra đa theo số liệu quan trắc đồng bộ của trạm KTBM, xây dựng được chỉ tiêu nhận biết dông thông qua giá trị PHVT và một số kết quả khác Các chỉ tiêu xây dựng. .. liệu theo thời gian 5 phút, 10 phút hoặc tùy ý Sử dụng nguồn số liệu từ các trạm đo mưa MAHASRI sẽ giúp cho luận văn có thể khai thác được số trạm có số liệu đồng bộ giữa ra đa và mưa nhiều hơn hẳn so với 5 trạm Khí tượng bề mặt ở khu vực này và nó sẽ phục vụ cho việc xây dựng chỉ tiêu mưa được tốt hơn Cùng với số liệu từ mạng lưới các trạm MAHASRI, số liệu mưa vũ lượng ký tại các trạm khí tượng bề... 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, hướng và tốc độ di chuyển của tâm bão cho mạng lưới 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 được các giá trị PHVT của ra đa và. .. bùng nổ của khoa học công nghệ các ra đa thời tiết Doppler hiện đại đã được lắp đặt và một số ra đa cũ được nâng cấp Hiện tại mạng lưới 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 lưới ra đa hiện đang hoạt động khá ổn định, số liệu ra đa mặc dù chưa được khai thác hết... tiêu xây dựng cho 03 ra đa trên đã giúp cho các quan trắc viên và dự báo viên có được công cụ hiệu quả để xác định các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như dông, tố lốc, mưa đá và đưa ra các cảnh báo, dự báo mưa trong vùng hoạt động của ra đa, góp phần phát huy được thế mạnh và hiệu quả của các ra đa này trong việc phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai Các ra đa DWSR do Mỹ sản xuất là các ra đa hiện đại, . pháp xây dựng chỉ tiêu xuất hiện mưa 27 2.3.2 Phương pháp xây dựng chỉ tiêu dông 28 5 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, XÂY DỰNG CHỈ TIÊU XÁC ĐỊNH MƯA VÀ DÔNG CHO TRẠM RA ĐA THỜI TIẾT TAM KỲ. dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ . Việc xây dựng được chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ sẽ đóng góp tích cực cho việc cảnh báo sớm hiện tượng thời tiết trong vùng. toán, xây dựng chỉ tiêu xác định mưa và dông cho trạm ra đa thời tiết Tam Kỳ. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 8 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ RA ĐA THỜI TIẾT VÀ XÂY