Nhận dạng hình thế thời tiết

Các số liệu quan trắc được từ các trạm khí tượng trong mạng lưới của của mỗi quốc gia được gửi về trung tâm dự báo quốc gia, các trung tâm dự báo quốc gia kết nối vào 23 trung tâm khu vự

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MỤC LỤC

DANH SÁCH CÁC HÌNH 4

DANH SÁCH CÁC BẢNG 5

MỞ ĐẦU 6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DỰ BÁO THỜI TIẾT 10

1.1 Khái niệm về thời tiết 10

1.2 Quan trắc thời tiết 11

1.2.1 Mạng lưới trạm khí tượng 11

1.2.2 Hạn quan trắc 17

1.3 Xử lý và chỉnh lý số liệu 18

1.3.1 Mã hoá và giải mã 18

1.3.2 Kiểm tra số liệu 21

1.3.3 Trao đổi và lưu trữ số liệu 22

1.4 Các phương pháp dự báo thời tiết 23

1.5 Các hình thế thời tiết 25

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP SYNOPVÀ MÔ HÌNH DỰ BÁO SỐ TRỊ 28

2.1 Phương pháp synop 28

2.1.1 Bản đồ synop 29

2.1.2 Điền đồ 30

2.1.3 Phân tích bản đồ 32

2.2 Mô hình dự báo số trị 37

2.2.1 Giới thiệu mô hình MM5 38

2.2.2 Cấu trúc mô hình MM5 40

2.3 Một số giải pháp mới cho bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 45

Chương 3 XÂY DỰNG HỆ THỐNG NHẬN DẠNG HÌNH THẾ THỜI

TIẾT 50

3.1 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 50

3.1.1 Đặt vấn đề 50

3.1.2 Bài toán nhận dạng hình thế thời tiết 50

3.1.3 Giới hạn của bài toán 51

3.1.4 Đặc điểm của các hình thế thời tiết 51

3.2 Phương pháp nhận dạng hình thế thời tiết 52

3.3 Hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết 57

3.3.1 Công cụ xây dựng hệ thống 57

3.3.2 Dữ liệu 57

3.3.3 Lược đồ luồng dữ liệu 59

3.3.4 Giao diện hệ thống 60

3.3.5 Đặc tả các chức năng trong hệ thống 61

3.4 Đánh giá kết quả 66

KẾT LUẬN 69

PHỤ LỤC 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

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 tố khí tượng và sự biến thiên của chúng Các yếu tố khí tượng liên quan mật thiết với 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 sống của con người Vì vậy hàng ngày chúng ta vẫn thường theo dõi diễn biến thời tiết và xem các bản tin thời tiết trên các kênh thông tin Chúng ta luôn mong muốn nắm bắt được qui luật của thời tiết cũng như dự báo sớm tình hình thời tiết để đưa ra quyết định thực thi một hoạt động nào đó Hơn thế nữa việc dự báo thời tiết sớm sẽ giúp con người có thể phòng chống thiên tai, giảm thiểu tối đa thiệt hại do thời tiết xấu mang lại

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

Tổ chức khí tượng thế giới có tên là WMO (World Meteorological Organization) 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 mỗi quốc gia được gửi về trung tâm dự báo quốc gia, các trung tâm dự báo quốc gia 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 và Melbourne [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 đồ synop quy mô châu lục để thực hiện các công việc tiếp theo, đó là việc nhận dạng 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 chia thành ba giai đoạn: Giai đoạn thu thập, trao đổi và lưu trữ số liệu; giai đoạn nhận dạng hình thế thời tiết và giai đoạn dự báo thời tiết Trong ba giai đoạn này thì hai giai đoạn đầu có thể áp dụng máy móc và công nghệ để thay thế con người Nhưng đối với giai đoạn thứ ba chúng ta chưa làm như vậy được bởi 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 báo thời tiết như: phương pháp synop, phương pháp thống kê, phương pháp số trị Trong các phương pháp đó thì phương pháp dự báo số trị được ứng dụng mạnh mẽ nhờ máy tính ngày nay có khả năng tinh toán lớn Tuy vậy liên quan đến bài toán nhận dạng hình thế thời tiết bằng việc áp dụng công nghệ thông tin lại chưa được quan tâm nhiều Ở Việt Nam, Trung tâm dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia người ta đã sử dụng các mô hình dự báo số trị để dự báo thời tiết Nhưng việc chạy mô hình này mới chỉ được vận hành một cách thủ công, nghĩa là việc đưa số liệu vào mô hình chưa được tự động hóa và các tham số có thể bị thay đổi theo ước lượng chủ quan của người vận hành mô hình Việc áp dụng mô hình dự báo số trị là một bước tiến lớn của ngành dự báo thời tiết, ưu điểm lớn nhất của mô hình này là nó mang lại kết quả dự báo thời tiết với độ chính xác cao Nhưng chúng ta vẫn gặp phải rất nhiều khó khăn 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 Hệ phương trình này bao gồm mối quan hệ phụ thuộc giữa các yếu tố khí tượng rất nhằng nhịt mà người ta không thể tìm ra được nghiệm tổng quát của hệ phương trình Mô hình dự báo số trị được chạy với khối lượng dữ liệu tính toán 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 quan trắc không được tự động hoá nên việc này còn rất nhiều hạn chế Nhiều khi chúng ta không có được số liệu đầy đủ và chính xác do phải phụ thuộc vào năng lực quan trắc và ý thức của con người Mặt khác, ở Việt Nam, dữ liệu quan trắc không được cung cấp công khai theo quy định quốc tế nên ngoài trung tâm dự báo quốc gia thì các đơn vị khác muốn lấy được dữ liệu quan trắc đầy đủ cần bỏ ra chi phí lớn vì vậy việc áp dụng mô hình số trị còn chưa được ứng dụng ở nhiều nơi trong nước

Nếu chúng ta không thể dự báo thời tiết bằng mô hình dự báo số trị vì những khó khăn nêu trên thì chúng ta có thể sử dụng máy tính để nhận dạng hình thế thời tiết, sau đó bằng kinh nghiệm chúng ta sẽ tiến hành dự báo thời tiết 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 tự trong hoàn lưu khí quyển nên trong cùng một hình thế số liệu quan trắc khí tượng 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 khí tượng có mối quan hệ khăng khít và tác động qua lại với nhau cho nên từ một vài yếu tố khí tượng nào đó có thể suy diễn lô gíc ra những yếu tố khí tượng khác Chính từ những đặc điểm và tính chất trên của hình thế thời tiết

mà việc nhận 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 thể nhận dạng được hình thế thời tiết

Trong quá trình nghiên cứu khoa học về thời tiết và dự báo thời tiết, tôi mong muốn xây dựng một công cụ nhận dạng hình thế thời tiết để hỗ trợ giảng dạy môn dự báo khí tượng tại nơi tôi đang làm việc, đó là Trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Vì vậy, ý tưởng về việc ứng dụng công nghệ thông tin để số hóa bản đồ synop [3] và nhận dạng hình thế thời tiết đã được hình thành trong tôi Tôi bắt đầu tìm hiểu và định hướng việc nghiên cứu đề tài mang tên “Nhận dạng hình thế thời tiết” Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu, xây dựng một phương pháp nhận dạng hình thế thời tiết bằng mô hình máy tính; xây dựng một hệ thống nhận dạng hình thế thời tiết nhằm 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 thế thời 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 thống quan trắc, hệ thống thông tin thời tiết Nghiên cứu các phương pháp dự báo thời tiết Đề xuất một phương pháp mới để nhận dạng những hình thế thời tiết bằng mô hình máy tính Xây dựng và cài đặt hệ thống nhận dạng thời tiết trên máy 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

thời tiết, mạng lưới quan trắc khí tượng của Việt Nam và hệ thống trao đổi số liệu 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 ảnh hưởng đến Việt Nam

1.1 Khái niệm về thời tiết

Trạng thái tổng hợp của các hiện tượng vật lí xảy ra trong khí quyển hay 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 nhất định tại một địa phương nào đó được gọi là thời tiết của địa phương trong thời gian đó [3]

Thời tiết của một địa phương trong một thời kì xác định đặc trưng bởi mức độ nổi trội của một vài hiện tượng hoặc yếu tố khí tượng cũng như sự biến thiên của chúng theo thời gian Chẳng hạn, thời tiết của tuần vừa qua ở địa phương này có thể nói là khô và nóng vì nhìn chung nhiệt độ cao và độ

ẩm thấp 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 là lạnh và có mưa trong nửa tháng đầu và tương đối nóng, không mưa trong nửa tháng cuối

Thời tiết là một tổ hợp các hiện tượng và các yếu tố khí tượng xảy ra trong một bề dày nhất định của khí quyển Vì vậy, nghiên cứu khí quyển không thể chỉ nghiên cứu ở một mực hoặc từng mực riêng biệt mà phải nghiên 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 Theo quan 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 chức hoạt động một mạng lưới trạm quan trắc khí tượng các loại Mỗi trạm khí tượng đều được xác định toạ độ bằng kinh độ, vĩ độ và độ cao so với mực nước biển trung bình Mỗi trạm cũng có tên riêng (thường là tên địa danh nơi lập trạm) và mã số riêng của trạm gồm 5 chữ số, trong đó 2 số đầu là mã số vùng 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 thời tiết khác nhau Khoảng cách giữa các trạm khí tượng bề mặt mau hay thưa tuỳ thuộc vào mức độ phức tạp của địa hình và do đó phụ thuộc vào mức độ không đồng nhất của thời tiết ở các địa phương Thông thường, ở vùng đồng bằng, 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 không khí, 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 ngay kết 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 để nghiên 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 năng thiết lập, vận hành thực tế Khoảng cách giữa các điểm đo mưa thường vào khoảng 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 là trạm 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 và trạm ship còn quan trắc cả hướng, độ cao và chu kì của sóng gió và sóng lừng thuộc 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 trạm quan trắc tự động, tự báo, đặt trên các phao được neo đậu cố định, đó là các trạm phao Nội dung quan trắc của một trạm phao cũng giống như của một trạm đảo

Ở các trạm khí tượng bề mặt, để có thể so sánh được khí áp và nhiệt độ quan trắc tại trạm thường được quy về mực biển vì các đại lượng này thay đổi theo 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 là trạm 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 độ gió Nhược điểm lớn của trạm này là bóng hay bị lấp ở trong mây Để khắc phục, người ta đeo vào bóng một miếng kim loại phản xạ sóng radar do trạm phát ra Nhờ sóng phản hồi, vị trí của bóng vẫn có thể được xác định ngay cả khi 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 về mực 850mb, trạm có độ cao khoảng 3000m quy số liệu về mực 700mb (không quy về mực biển)

Hệ thống những trạm khí tượng cao không, rawind, pilot lập thành mạng lưới trạm khí tượng cao không Khoảng cách giữa chúng thường dao động 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 theo gió Theo những khoảng thời gian nhất định trạm quan trắc tự động lại thông báo 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 đó những máy quan trắc tự động ở những độ cao 5, 10, 15, 20,… 100m để đo các yếu tố khí tượng một cách chi tiết trong lớp này, đó là những tháp quan trắc khí tượng lớp biên

Dựa vào đặc tính của quỹ đạo chuyển động, người ta chia vệ tinh khí tượng 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 tốc góc quay của trái đất Do vậy, ảnh chụp từ các vệ tinh địa tĩnh luôn là một vùng cố định trên trái đất Một số vệ tinh địa tĩnh thông dụng trong nghiệp vụ khí tượng như: vệ tinh GMS của Nhật (1400E), vệ tinh GOES của Mỹ (GOES-E: 750

W, GOES-W: 750E), METEOSAT của châu Âu (00), INSAT của Ấn-độ (93,50

E), FY-2 của Trung Quốc (1050E)

VTĐT có ưu điểm là có độ phân giải thời gian rất cao và có thể quan trắc được trên một vùng rất rộng (gần một nửa trái đất: 600

N-600S) Thế nhưng nhược điểm của nó là độ phân giải không gian không lớn, không quan trắc được ở những vùng gần cực, khó có thể phát hiện các tín hiệu yếu vì nó được đặt cách xa trái đất

Vệ tinh quỹ đạo cực (VTQĐC): Là vệ tinh có quỹ đạo gần song song với đường kinh tuyến Mỗi một vòng quay, VTQĐC đi qua hai vùng cực của trái 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 lần ảnh 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 nó chuyển 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 trái đất, ví dụ vệ tinh QuickSAT dùng để thám sát gió trên biển, TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission) dùng để thám sát mưa vùng nhiệt đới, Tuy vậy loại vệ tinh này lại có nhược điểm là số liệu của nó có vùng quan trắc bị giới hạn trong một phạm vi hẹp (tối đa khoảng 3.000km) và có độ phân giải thời gian không cao (2lần/ngày)

Quan trắc vệ tinh dựa vào việc hấp thụ bức xạ sóng dài phát ra từ hệ thống trái đất-khí quyển Bằng cách thu nhận có chọn lọc các bức xạ có bước sóng nhất định (các kênh phổ bức xạ) người ta có thể có được các thông tin khác 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 thị phổ từ 06 giờ sáng tới 06 giờ tối Nó cho ta bức tranh về trường mây

và bề mặt 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 trong khí quyền hấp thụ Độ xám của điểm ảnh mô tả mức độ tập trung của hơi nước trong cột khí quyển chủ yếu từ mực 850-300mb

Người ta thường sử dụng ảnh WV kết hợp với ảnh hồng ngoại trong phân tích thời tiết, đặc biệt trong việc theo dõi sự di chuyển của mây và tính toán 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 xạ phát ra từ bề mặt trái đất vào vũ trụ Theo các công thức vật lí, từ các mức xám thu được có thể tính toán gần đúng nhiệt độ của đỉnh mây, của mặt đất hoặc 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 độ của các đối tượng này Ưu điểm của kênh hồng ngoại là có thể cung cấp thông tin cả thời gian ban ngày lẫn ban đêm và không bị ảnh hưởng bởi độ cao mặt trời 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 động của mây Như vậy đối tượng quan trắc của radar chính là các hạt nước trong khí quyển có kích thước nhỏ và rất nhỏ, từ micromet đến milimet trong đám mây

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 những chùm 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 đám mây 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 của radar Trên đó hình dạng và đặc điểm cấu trúc của đám mây được các nhà khí tượng quan sát và phân tích Đối với radar doppler người ta còn có thể tính được thành phần của tốc độ chuyển động của các phần tử mây theo hướng của bức xạ phản hồi

Do vật cản là những hạt nước nhỏ có kích thước biến đổi trong một khoảng 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 khí tượng thường từ 300-500mm Radar khí tượng là một công cụ đắc lực, không thể 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 tạo mưa 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 tập hợp lại với nhau, tạo nên bức tranh sát thực về thời tiết toàn cảnh thì các số liệu quan trắc khí tượng ở mọi trạm phải được tiến hành theo những quy định chung chặt chẽ, chẳng hạn các trạm phải được thiết lập theo các quy chuẩn thống nhất Các máy quan trắc phải được kiểm định theo những máy chuẩn quốc gia và quốc tế, được thể hiện trong các quy phạm xây dựng trạm, kiểm định 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 theo kinh tuyến gốc, đi qua đài thiên văn Greenwich ở ngoại ô Luân Đôn của nước Anh, được gọi là thời gian trung bình Greenwich (Greenwich Mean Time, viết tắt 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 7 nên giờ địa phương của Việt Nam sớm hơn GMT 7 tiếng Thời điểm quan trắc chính là lúc 00, 06, 12 và 18 GMT tương ứng với 07, 13, 19 và 01 giờ ở Việt Nam và thời điểm quan trắc phụ là lúc 03, 09, 15 và 21 GMT (UTC), tương ứng 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 ở những thời hạn đặc biệt Chẳng hạn, khi có bão khẩn cấp, ngoài các quan trắc synop thông thường, người ta còn làm các quan trắc từng giờ để cung cấp số liệu 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 khí tượng vệ tinh do người sử dụng quy định Vì đó là những trạm quan trắc tự động nên có thể lấy các thông tin sau từng giờ hay sau những khoảng thời gian 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 được thực hiện theo mã luật và được sử dụng thống nhất trên toàn thế giới hoặc trên toàn 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 1snTTT 2snTdTdTd 3P0P0P0P0 4PPPP 5appp 6RRRtR 7wwW1W2 8NhCLCMCH 9GGgg

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

trên đất):

OOXX YYGGiW QcL0L0L0L0 MMMULaULo h0h0h0h0im iRiXhVV NNddff 1snTTT 2snTdTdTd 3P0P0P0P0 4PPPP 5appp 6RRRtR 7wwW1W2 8NhCLCMCH 9GGgg

Trong đó:

- 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 độ đông 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 đến phần 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 phân lấy đến phần mười độ (TTT);

- Nhóm 2snTdTdTd báo dấu của điểm sương (sn, nếu điểm sương dương thì

sn = 0, điểm sương âm thì sn = 1), điểm sương tính theo thang độ bách phân lấy đến phần mười độ (TdTdT) Nếu không có số liệu điểm sương 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 Nếu khí

áp không rút về mực biển được chính xác thì báo nhóm 4a3hhh với hhh

là độ cao mặt đẳng áp chuẩn tính bằng mét được chỉ bởi a3 (mực 1000mb thì a3 = 1, mực 925mb thì a3 = 2, mực 500mb thì a3 = 5, mực 700mb 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 thấp thì

là mây trung), CL là loại mây thấp, CM là loại mây trung, CH là loại mây 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 gió không thẳng đứng Những sai số hệ thống của khí áp, nhiệt độ thường có liên quan đến việc xác định độ cao mực trạm không chính xác Sai số hệ thống cũng 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 nhiều lần ở một trạm Phương pháp tốt nhất để tìm ra những sai số đó là dựa vào số liệu của một mạng lưới trạm đủ dày, xác định trị số trung bình trong một tháng nào đó của các yếu tố cần xét Nếu số liệu của một trạm nào đó sai khác nhiều 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 thì phương pháp này không thể áp dụng được vì tính ngẫu nhiên của lượng mưa rất 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 Trong nhiều trường hợp có thể dễ dàng nhận ra những sai số ngẫu nhiên Ví dụ, khi trên bản đồ có ghi những yếu tố thời tiết không thể xảy ra trong một mùa hay trong một miền nào đó; còn phần lớn, để nhận ra sai số ngẫu nhiên, phải áp dụng một trong các biện pháp đối chiếu sau đây:

 Đối chiếu các yếu tố khác nhau tại cùng một trạm để kiểm tra yếu tố này 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 khác thường Bằng cách này ta có thể nhận ra sai số về gió, nhiệt độ, biến thiên khí áp, ;

 Đối chiếu số liệu quan trắc được tiến hành vào các thời điểm khác nhau

để xem xét sự thay đổi của thời tiết theo thời gian cũng có thể phát 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 tiến hành 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 tâm quốc gia 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 và Melbourne Các trung tâm toàn cầu thu thập toàn bộ số liệu khí tượng trên thế giới 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 tâm Khí tượng thuỷ văn Quốc gia ở Hà Nội nối với 3 Trung tâm khu vực và thế giới là: Bangkok, Bắc Kinh và Matxcơva Ngoài ra, Trung tâm Khí tượng thuỷ văn Quốc gia còn thu thập các thông tin khí tượng của Cục Khí tượng Nhà nước Trung Quốc và các sản phẩm dự báo số trị của các Trung tâm Khí tượng Tokyo, Trung tâm Dự báo hạn vừa châu Âu và các Trung tâm Khí tượng 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 thuỷ văn Quốc gia, đồng thời truyền các thông tin, các bản tin dự báo từ Trung tâm Khí 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 báo thời 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 trình khí 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 các khối 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 dự báo tình huống sẽ xảy ra trong một vài ngày tới Việc khảo sát các quá trình synop được thực hiện bằng cách phân tích có hệ thống các bản đồ synop mặt đất và cao không, các mặt cắt thẳng đứng của khí quyển, các giản đồ thám không và nhiều phương tiện hỗ trợ khác, từ đó ngoại suy ra các dự báo thời tiết 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 mặt định lượng

Sau đây là một số phương pháp dự báo thời tiết được sử dụng chính trước thập niên 70 khi máy tính chưa phát triển đủ mạnh để thực hiện các phương 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 đúng cho 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 báo điều 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 dự báo hiện đại và chúng chỉ còn được sử dụng để đánh giá mức độ hiệu quả của việc dự báo thời tiết

Phương pháp tiên tiến nhất và được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới

hiện 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 dẫn tới 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 quá trình số trị” [5], trong đó đã miêu tả những số hạng nhỏ trong các phương trình động lực học chất lỏng có thể được bỏ qua để có thể tìm được các nghiệm số Tuy nhiên, số lượng tính toán quá lớn bằng phương pháp này không 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 sự trợ 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 các chuyển động qui mô lớn của sóng Rossby vùng vĩ độ trung bình một cách thành công

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

Nội dung nghiên cứu của đề tài này tôi sẽ đưa ra một số giải pháp nhận dạng hình thế thời tiết trước khi lựa chọn một phương pháp thích hợp để xây dựng và cài đặt thuật toán trên máy tính Để thực hiện điều này trước tiên chúng 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 độ không khí đạt đến 39o

C, 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 bốc lên cao tạo thành mây) kết hợp với điều kiện nhiệt động lực tạo thành xoáy thuận 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 Bình Dương 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 kiến của mặt trời hoạt động ở khu vực Nam Trung bộ chủ yếu xuất hiện vào các tháng 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 hàng năm

Các hình thế thời tiết đều trải qua các giai đoạn mạnh suy của nó vì vậy quá 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 Nhưng nhiều 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 những chỉ xảy ra ở tầng thấp mà còn xảy ra ở những tầng cao hơn, như những tầng cao từ 3000m đến 6000m

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

2.1 Phương pháp synop

Phương pháp synop chuyên nghiên cứu quy luật diễn biến của các quá trình 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 động nên thời tiết chỉ có thể dự báo được khi nắm được những biểu hiện của nó trên một không gian rộng lớn Các số liệu khí tượng quan trắc đồng thời tại các trạm 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 phát triển của một quá trình khí quyển (xác định một cách cơ bản về khả năng có thể xảy ra rét, mưa, dông ), về đặc điểm hoàn lưu khí quyển vừa tính toán định 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 ánh diễn 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 định tính nhiều khi khăng khít với nhau đến nỗi không thể phân biệt một cách rõ ràng được Sự kết hợp giữa phương pháp định lượng và định tính là một đặc điểm

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 quan trắc được tại các trạm khí tượng bề mặt theo biển số trạm Khi đó bản đồ synop bề mặt sẽ mô tả sự phân bố của các yếu tố khí tượng như khí áp, biến thiên khí áp 24 giờ, nhiệt độ, điểm sương, mây, gió và các hiện tượng thời tiết tại 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 khí tượng 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 ở mọi 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 các

đường đẳng cao

Có hai loại bản đồ hình thế khí áp là bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối và bản đồ hình thế khí áp tương đối Bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối là bản đồ xác định độ cao của một mặt đẳng áp so với mực biển trung bình, được ký hiệu là

AT, cùng trị số khí áp của mặt đẳng áp đó Chẳng hạn bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối của mặt 850mb được kí hiệu là AT850, bản đồ hình thế khí áp tuyệt đối của mặt 700mb được kí hiệu là AT700, Còn bản đồ hình thế khí áp tương 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 và 500mb Khi

đó bản đồ hình thế khí áp tương đối của mặt 500mb trên mặt 1000mb được kí hiệu là 500

1000

OT Bản đồ này cho ta hình ảnh phân bố bề dày của lớp khí quyển nằm giữa hai mặt đẳng áp 1000mb và 500mb, bao gồm một nửa khối lượng khí quyển Bản đồ này có một giá trị lớn trong việc phân tích những 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 phải được 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 điền vào 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 bề mặt 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 thị bằng 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

có râu gió biểu thị 1m/s

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

C

Hình 2.1 Sơ đồ điền đồ: a) đối với trạm synop, b) đối với trạm tàu [3]

Hình 2.2 Những ký hiệu về hiện tượng thời tiết và mây điền lên bản đồ [3]

W

(S p S p S p S p ) (RR)

W

(S p S p S p S p ) (RR)

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 đường đẳng trị đó cho ta hình ảnh phân bố không gian của trường các yếu tố khí tượng

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 trưng của quán tính cần được xem xét là:

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

đồ trên cao;

 Khi nhận thấy một hình thế khí áp nào đó tiến triển một cách đột xuất trên một mực nào thì dự báo viên phải suy luận một cách logic trên cơ sở bản chất động học và phải so sánh một cách có hệ thống với các bản đồ trước đó;

 Phân bố của các yếu tố khí tượng thể hiện qua các hình thế khí áp 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

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

Hình 2.3 Các hình thế khí áp bề mặt a) Xoáy thuận; b) Xoáy nghịch; c) Rãnh; d) Lưỡi;

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

d) c)

b) a)

1005

1010 1015

995

995

1000

Các đường đẳng áp cho ta thấy những trung tâm áp thấp nơi có trị số khí áp nhỏ nhất và những trung tâm áp cao nơi có trị số khí áp lớn nhất đều được bao bọc bởi các đường đẳng áp đóng kín Ở rìa các trung tâm áp thấp hay áp cao các đường đẳng áp thường vươn dài về một hướng nào đó, tạo thành 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 trung tâm áp cao và hai trung tâm áp thấp

Trước khi phân tích bản đồ cần phải xem xét các bản đồ trước đó để đánh 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 thời tiết trên các bản đồ trước đó thì dự báo viên khó có thể phân tích tốt trạng thái thời tiết hiện tại Tùy thuộc vào loại và số lượng bản đồ trong một ngày của trung 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 thống hoặc một hiện tượng nào đó cần quan tâm Để đạt được kết quả tốt trong phân tích 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 khí nóng/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 của nhiệt độ và độ ẩm trong tầng đối lưu Điều đó cho ta biết rằng, khi phân tích mực 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 tượng trong 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 vùng mưa 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 đường đẳng nhiệt dày sít bất thường Gió đổi hướng theo chiều kim đồng hồ từ phía trước ra phía sau front Nếu xem xét biến áp ta thấy rằng, phía trước front áp giảm và phía sau front áp tăng Các nhân tố như vùng mây As và Ns có giáng thủy 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 lạnh hay front cố tù Để xác định được loại front còn cần phải sử dụng số liệu cao không để xem xét cấu trúc không gian ba chiều của các khối không khí hai bên 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 ảnh hưởng 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 cao hoặc đường dòng và đường đẳng nhiệt Các đường đẳng trị cũng được vẽ bằng cách nội suy từ những trị số được điền tại các trạm cao không Giá trị của 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, phải tuân theo những nguyên tắc là ở bán cầu bắc bên phải hướng gió, độ cao địa thế vị lớn hơn bên trái Trung tâm áp cao điền chữ C (hoặc H), trung tâm

áp thấp điền chữ T (hoặc L) Các đường đẳng nhiệt cũng được vẽ tại các trị số chia hết cho 4 (thường vẽ trên các mực 850 và 700mb) và trung tâm nóng viết chữ “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 mực 700mb, thường phân tích các đường đẳng cao: 312, 316dam,… Trên mực 500mb, thường phân tích các đường đẳng cao: 580, 588dam,…

Để phân tích được các bản đồ trên cao một cách chính xác, cũng như khi phân tích bản đồ mặt đất, cần phải tham khảo những bản đồ trước đó trên các mực Hình dạng, vị trí và sự di chuyển của các hình thế thời tiết phải được xem 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 xác càng tốt hình dạng của các mặt đẳng áp trên cao Nơi nào mặt đẳng áp lồi lên thì nơi ấy các đường đẳng cao là những đường cong đóng kín và ở trung tâm của vùng đó đường đẳng cao có giá trị lớn nhất Còn nơi nào mặt đẳng áp lõm xuống 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 khi phân tích nên bắt đầu từ những nơi có nhiều số liệu, sau đó phân tích một cách ngoại suy tới vùng đại dương trên cơ sở sử dụng triệt để những số liệu thưa thớt ở đây và những hiểu biết, kinh nghiệm của dự báo viên về sự di chuyển, 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 phân trị số hệ các phương trình thuỷ nhiệt động lực học của khí quyển, được hình thành 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 phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử đã đẩy mạnh sự phát triển của dự báo số trị, cùng với nó là sự đóng góp đặc biệt quan trọng của các vệ tinh khí tượng đóng 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 trình vật lý và động lực của khí quyển bằng các phương trình toán học theo định luật bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng Từ đó xây dựng được các phương trình: Phương trình chuyển động, phương trình trạng thái, phương trình nhập nhiệt, phương trình liên tục và các phương trình mô tả các quá trình vận 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 đại dương

(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

(3) Phương pháp số: các giá trị gần đúng được sử dụng để ước tính các

số hạng và tích phân mô hình theo thời gian

(4) Điều kiện ban đầu và điều kiện biên: hệ thống thám sát, phân tích khách quan, ban đầu hoá và đồng hoá số liệu

2.2.1 Giới thiệu mô hình MM5

Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 MM5 (fifth generation PennState/NCAR mesoscale modle) của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Mỹ NCAR và Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania

Mỹ PSU là thế hệ mới trong một loạt các mô hình dự báo được phát triển từ

mô hình quy mô vừa, do Anthes xây dựng tại bang Pennsylvania, Mỹ từ đầu những năm 1970 [18] MM5 được thiết kế để mô phỏng hoặc dự đoán quá trình lưu thông khí quyển trong hệ thời tiết quy mô vừa

Qua quá trình thử nghiệm mô hình đã được điều chỉnh và cải tiến nhiều lần để mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý quy mô vừa và có thể áp dụng cho nhiều đối tượng sử dụng khác nhau Phiên bản cuối cùng của mô hình này

là phiên bản 3.7 Phiên bản này được điều chỉnh, cải tiến nhiều so với các phiên bản trước đó trong các mảng: kỹ thuật lồng ghép nhiều mực, động lực học bất thủy tĩnh, đồng bộ hóa số liệu 4 chiều, bổ sung lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vật lý, mở rộng khả năng chạy trên các nền tảng máy tính khác

MM5 là mô hình số trị tương đối phức tạp và đòi hỏi khối lượng tính toán lớn nên hiện nay chương trình chỉ chạy trên các hệ máy tính mạnh như: SUN, IBM, CRAY, DEC (Alpha), hay các hệ thống máy tính toán phân cụm, mặc dù phần mềm hoàn toàn có thể chạy trên một máy tính đơn với hệ điều hành Linux

Mô hình MM5 sử dụng hệ thống lưới lồng (nesting grid) nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ hơn bước lưới của miền tính

ban đầu Về lý thuyết MM5 cho phép ghép lồng tối đa 9 khu vực

Hình 2.4 Mô hình hệ thống dự báo số trị MM5

Mô hình MM5 đã được ứng dụng rộng rãi trong các nghiên cứu lý thuyết như mô phỏng thời tiết xấu như bão, mưa lớn; nghiên cứu về biến đổi khí hậu, mô phỏng và dự báo khí hậu… Ứng dụng chủ yếu của MM5 là dự báo thời tiết hạn ngắn và hạn vừa Với quy mô nhỏ hơn, MM5 được ứng dụng

để nghiên cứu đối lưu, gió biển, hoàn lưu vùng núi và thậm chí cả hiệu ứng

“đảo nhiệt” ở các đô thị lớn

Hiện nay mô hình MM5 đã được thử nghiệm tại Viện khí tượng Thủy văn và Trung tâm dự báo dự khí tượng thủy văn của Trường Đại học Khoa học tự nhiên và đã có những kết quả khả quan Nhưng việc thử nghiệm mới chỉ chạy một cách thủ công tức là việc chạy mô hình và đưa ra kết quả chưa thực hiện một cách tự động

Mô hình MM5 là mô hình dự báo ngắn hạn quy mô vừa nên không đòi hỏi năng lực tính toán quá lớn, với những nước đang phát triển như Việt Nam