Nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh ở khu vực trung bộ bằng dữ liệu vệ tinh GSMaP

Theo xu hướng nghiên cứu thứ nhất có thể kể tên một số công trình tiêu biểu như: cuốn “Khí hậu Việt Nam” của nhóm tác giả Phạm Ngọc Toàn và Phan Tất Đắc 1993 mà sau đó được Th.s Phạm Min

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHẠM THỊ THANH NGÀ

Hà Nội – Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS Phạm Thị Thanh Ngà hiện đang công tác tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, cô đã trực tiếp chỉ bảo tận tình, định hướng chủ đề và cách tiếp cận nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình làm luận văn Em rất cảm ơn cô về những kiến thức quý báu, những lời khuyên và những lời góp ý chân thành để giúp em có thể hoàn thành tốt luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô tại Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy

và truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu trong quá trình học tập

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đặc biệt là công ty WeatherPlus nơi em đang làm việc đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này Dù em đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh được những thiếu sót, mong thầy cô và các bạn có những

ý kiến đóng góp để luận văn trở nên hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Trần Thị Kim Dung

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

DANH MỤC BẢNG BIỂU 2

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Đặc điểm chung của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam 6

1.2 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đặc điểm biến trình ngày đêm của mưa 11

1.2.1 Trên thế giới 11

1.2.2 Tại Việt Nam 15

1.3 Các phương pháp quan trắc mưa hiện nay 21

1.3.1 Đo mưa tại trạm quan trắc mặt đất 21

1.3.2 Đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết 22

1.3.3 Đo mưa bằng vệ tinh 24

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Số liệu 29

2.1.1 Số liệu các đợt KKL ở khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 29

2.1.2 Nguồn số liệu mưa GSMaP (Global Satellite Mapping of Precipitation) 29

2.2 Phương pháp nghiên cứu 35

2.2.1 Phương pháp thống kê 36

2.2.2 Phương pháp viễn thám 38

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 40

3.1 Phân bố các đợt mưa lớn diện rộng xảy ra từ năm 2001-2018 khu vực Thanh

Hóa đến Đà Nẵng 40

3.2 Sự phân bố đặc điểm mưa theo không gian và thời gian khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 43

3.2.1 Tần suất mưa trung bình PF 43

3.2.2 Cường độ mưa trung bình PI 48

3.3 Sự dịch chuyển của tần suất mưa PF và cường độ mưa PI theo vĩ độ, kinh độ ……… 54

3.3.1 Theo vĩ độ 54

3.3.2 Theo kinh độ 63

3.4 Biến trình ngày đêm của tần suất mưa và cường độ mưa trung bình từng giờ khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 72

3.4.1 Tần suất mưa trung bình PF 72

3.4.2 Cường độ mưa trung bình PI 74

KẾT LUẬN 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Bản đồ phân bố các trạm radar tại Việt Nam hiện nay 23

Hình 1 2 Vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực (Nguồn: [16]) 24

Hình 1 3 Hệ thống quan trắc không gian toàn cầu hiện tại của WMO (Nguồn: [26]) 25

Hình 1 4 Nguyên lý cơ bản ước tính lượng mưa từ radar thời tiết (Nguồn: [5]) 28

Hình 2 1 Trang chủ sản phẩm mưa vệ tinh toàn cầu GSMaP và hình ảnh trích xuất tương ứng cho khu vực Việt Nam lúc 06Z ngày 10/11/2019………30

Hình 2 2 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.1×0.1 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) 30 Hình 2 3 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) 31

Hình 2 4 Sơ đồ tiếp cận đề tài nghiên cứu 36

Hình 2 5 Sơ đồ mô tả quá trình xử lý dữ liệu bằng phương pháp viễn thám 39

Hình 3 1 Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy ra do tác động của KKL từ năm 2001-2018 tại khu vực Thanh Hoá- Đà Nẵng……….40

Hình 3 2 Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy ra do tác động của KKL theo tháng từ năm 2001-2018 tại khu vực Thanh Hoá- Đà Nẵng 41

Hình 3 3 Sự phân bố theo không gian của tần suất mưa trung bình từng giờ PF khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 47

Hình 3 4 Sự phân bố theo không gian của cường độ mưa trung bình từng giờ 53

Hình 3 5 Sự dịch chuyển của PF theo phương vĩ độ 58

Hình 3 6 Sự dịch chuyển của PI theo phương vĩ độ 62

Hình 3 7 Sự dịch chuyển của PF theo phương kinh độ 67

Hình 3 8 Sự dịch chuyển của PI theo phương kinh độ 71

Hình 3 9 Tần suất mưa trung bình từng giờ tại các tỉnh từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng 73

Hình 3 10 Phân bố tần suất xuất hiện mưa tại mỗi vị trí ô pixel tính từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng (Lưu ý: Số thứ tự ô pixel được gán theo nguyên tắc không gian từ trái sang phải và

từ trên xuống dưới) 73Hình 3 11 Cường độ mưa trung bình từng giờ khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng 75Hình 3 12 Cường độ mưa trung bình từng giờ tại các tỉnh Thanh Hóa-Đà Nẵng 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Tần số KKL trung bình xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [6]) 8Bảng 1 2 Chế độ mùa mưa và cực đại mưa các vùng khí hậu ở Việt Nam (Nguồn: [14]) 18Bảng 3 1 Thống kê số đợt mưa lớn và tần suất xuất hiện mưa theo hình thế thời tiết ở khu vực Bắc và Nam Đèo Ngang……… 42

DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT

GEO Geostationary Earth Orbiting: Vệ tinh địa tĩnh

GSMaP Global Satellite Mapping of Precipitation: Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu

KKLTC Không khí lạnh tăng cường

LEO Low Earth Orbit: Vệ tinh quỹ đạo cực

LST Local Solar Time: Giờ địa phương

LUT Look-up table: Bảng Look-up

NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration: Cơ quan Đại

dương và Khí quyển Hoa Kỳ

PERSIANN

Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks: Ước tính lượng mưa bằng công nghệ viễn thám sử dụng phương pháp mạng thần kinh nhân tạo

TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission: Sứ mệnh đo mưa miền nhiệt đới

VBLV Tốc độ gió tại trạm Bạch Long Vĩ

VIS Visible: Thị phổ

WMO World Meteorological Organization: Tổ chức Khí tượng Thế giới

MỞ ĐẦU

Không khí lạnh là một trong số những hình thế thời tiết điển hình, chi phối đến thời tiết, khí hậu của Việt Nam trong mùa đông, nhất là vùng khí hậu miền Bắc nước ta Khối không khí có nguồn gốc từ sự xâm nhập xuống phía Nam của áp cao lạnh lục địa có đặc tính lạnh khô, mặc dù khi đến Việt Nam khối khí đã bị biến tính ít nhiều nhưng sự tương phản về nhiệt độ giữa KKL với nền nhiệt độ của nước ta ở trước và sau mặt front vẫn còn khá mạnh Chính sự bất ổn định này của khí quyển đã gây ra chuyển động thăng cưỡng bức phía trước front, tạo thành mây, mưa; đặc biệt là gây ra mưa rào và các hiện tượng thời tiết cực đoan như dông, tố, lốc, mưa đá Với thời gian hoạt động kéo dài từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau, ngoài khả năng gây ra mưa rào và dông đơn thuần cho các khu vực ảnh hưởng, nó còn có thể tạo ra những đợt mưa lớn diện rộng tại các tỉnh miền Bắc, đặc biệt là khu vực miền Trung Việt Nam Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh hoạt của người dân, các hoạt động sản xuất, kinh doanh, ví dụ: sản xuất nông nghiệp, hoạt động đánh bắt thủy hải sản…

Mưa là đại lượng được đánh giá là phức tạp nhất bởi nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu

tố (địa hình, mặt đệm, hoàn lưu khí quyển, hoàn lưu địa phương…), và mưa lớn là một trong những hình thế thời tiết được đánh giá là nguy hiểm do có thể gây ra lũ ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất v.v Với đặc tính là một hệ thống gây mưa có tính tuần hoàn, ổn định và thường xuyên, xét trên một khía cạnh nào, mưa do không khí lạnh phần nào sẽ mang đến những nét riêng biệt, tạo nên chu kỳ đặc trưng của hệ thống ảnh hưởng Ngoài việc xác định được xu thế phát triển, cường độ và khả năng duy trì ảnh hưởng của KKL đến các vùng ở nước ta thì việc nắm bắt được các đặc điểm về biến trình ngày đêm của mưa (tần suất, cường độ mưa) có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cảnh báo và dự báo thời tiết Việc xác định được thời gian và địa điểm thường xảy ra các cực đại mưa KKL sẽ giúp cải thiện đáng kể khả năng dự báo mưa cho từng khu vực, từng tỉnh

Dải đất miền Trung là khu vực có mùa mưa lệch thiên về mùa đông, gần trùng với sự bắt đầu hoạt động của hệ thống gió mùa mùa đông ở Việt Nam Với đặc điểm địa hình có dãy Trường Sơn trấn giữ ở phía Tây, hướng sơn văn Tây Bắc - Đông Nam kết hợp các dãy

núi chạy ngang đâm ra biển đã tạo ra những bẫy mưa đích thực, khiến cho đặc điểm mưa

đã phức tạp lại càng phức tạp hơn Rất nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng tác động gây

ra mưa lớn diện rộng của không khí lạnh và tổ hợp không khí lạnh ở khu vực này là phức tạp nhất và cũng là nơi có tần suất xuất hiện nhiều nhất (Nguyễn Khanh Vân và cộng sự (2004, 2012, 2013), Nguyễn Văn Hưởng (2012)…) Đây là động lực lớn cho việc tìm hiểu

rõ hơn đặc điểm mưa của hệ thống thời tiết này ở khu vực Trung Bộ

Sự phát triển ngày càng vượt bậc trong lĩnh vực khoa học công nghệ, đặc biệt là việc cho ra đời những vệ tinh giám sát có khả năng nắm bắt và mô tả tốt diễn biến thời tiết với

độ chính xác và độ phân giải cao như hiện nay đã góp phần rất quan trọng trong việc cung cấp nguồn dữ liệu khách quan, đáng tin cậy cho các nghiên cứu nói chung và nghiên cứu khí tượng nói riêng Với nguồn dữ liệu vệ tinh có độ phân giải cao được cung cấp miễn phí

sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh Chính vì lẽ đó, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh ở khu vực Trung

Bộ bằng dữ liệu vệ tinh GSMaP” để làm luận văn thạc sỹ của mình

Bố cục luận văn bao gồm: Mở đầu, Chương 1, 2, 3 và Kết luận

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày một cách tổng quan về các đặc điểm cơ bản của KKL ảnh hưởng đến Việt Nam Xu thế nghiên cứu mưa ở trong và ngoài nước Giới thiệu các phương pháp xác định mưa, đặc biệt là bằng công nghệ viễn thám Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu, trong đó tập trung mô tả nguồn dữ liệu và cách xử lý dữ liệu mưa từ sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP Các đánh giá về chất lượng dữ liệu GSMaP trong và ngoài nước, đồng thời nêu ra phương pháp tiếp cận giải quyết vấn đề

Chương 3: Kết quả và phân tích Kết quả nghiên cứu được phân tích dựa trên những thống kê độc lập về các đợt mưa lớn diện rộng do tác động của không khí lạnh khu vực Trung Bộ Sự phân bố theo không gian, thời gian và đặc điểm đường biến trình mưa trong

24 giờ được đánh giá, phân tích bằng chuỗi số liệu GSMaP thể hiện trực quan bằng bản

đồ, hình vẽ và các bảng biểu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm chung của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam

Không khí lạnh (KKL) là một trong số những hình thế thời tiết điển hình, chi phối đến thời tiết, khí hậu của Việt Nam trong mùa đông, nhất là khu vực miền Bắc KKL ảnh hưởng đến nước ta thường bắt đầu từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau và có nguồn gốc từ sự dịch chuyển xuống phía nam của áp cao lạnh lục địa có đặc tính lạnh khô Khi đến Việt Nam khối khí đã bị biến tính, tuy nhiên sự tương phản về nhiệt độ giữa KKL với nền nhiệt

độ của nước ta vẫn còn khá mạnh KKL xâm nhập dưới dạng từng đợt và theo tác giả Phạm

Vũ Anh [1], một đợt KKL được coi là xâm nhập hoặc ảnh hưởng đến nước ta nếu thỏa mãn một trong hai điều kiện sau:

(1) Hướng gió lệch Bắc, tại trạm Bạch Long Vĩ tốc độ gió đo được từ cấp 6 trở lên và kéo dài trên 3 giờ (2 kỳ quan trắc liên tục)

(2) Nhiệt độ không khí trung bình ngày trên một nửa số trạm trên đất liền thuộc khu vực Đông Bắc giảm từ 3 độ trở lên

Lưỡi áp cao lạnh lục địa khi lấn xuống phần lãnh thổ nước ta thường gây ra những sự xáo trộn thời tiết cho khu vực Tuy nhiên đặc trưng thời tiết cũng như sự xuất hiện của các hiện tượng thời tiết nguy hiểm đi kèm như dông, tố, lốc thậm chí mưa đá do KKL mang lại lại phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của khối không khí, sự tương phản nhiệt độ giữa khối KKL và khối không khí (KKK) đang chi phối thời tiết nước ta, mức độ ổn định của khí quyển; độ ẩm của KKK đang hiện hữu và sự tương tác với các trung tâm hoặc cơ cấu khí

áp ở khu vực Chính những điều kiện này sẽ quyết định đến khả năng có hay không hình thành front lạnh hoặc đường đứt, đồng thời quyết định đến hệ quả thời tiết sẽ diễn ra Việc xác định có hay không front lạnh và đường đứt rất quan trọng, bởi vì nó được dùng như một tiêu chí để xác định KKL xâm nhập xuống nước ta thuộc loại nào, là gió mùa Đông Bắc) hay không khí lạnh tăng cường? Đồng thời những điều kiện nhiệt ẩm ở trên cũng là các tiêu chí dùng để phân chia front lạnh là loại I, loại II hay front hỗn hợp

Điều này rất quan trọng, bởi vì mỗi loại front sẽ tác động đến thời tiết khu vực theo những đặc điểm, mức độ khác nhau [2], nhất là giữa front lạnh loại 1 và loại 2, cụ thể như sau:

(1) Front lạnh loại I: Được hình thành trong điều kiện khối không khí nóng phải có

tầng kết nhiệt ổn định và tốc độ chuyển động của front lạnh không lớn Khi đó đường sườn của mặt front lạnh ít bị biến dạng, độ dốc không lớn, khối không khí trước front lạnh chuyển động trượt lên nêm không khí lạnh một cách có trật tự, hệ thống mây khi front lạnh đi qua theo đó cũng được đặc trưng bởi các loại mây như As, Ns, ngoài ra có thể có mây đối lưu như Cb hình thành ngay trước đường front Giáng thủy của loại front này bắt đầu xuất hiện trước khi đường front bề mặt đến trạm không xa nhưng mưa chủ yếu xảy ra sau front, trong khối KKL

(2) Front lạnh loại II: Được hình thành trong điều kiện khối không khí nóng phải có

tầng kết nhiệt bất ổn định và chứa một lượng hơi nước khá lớn, đồng thời tốc độ chuyển động của front lạnh nhanh Khi đó đường sườn của mặt front lạnh bị biến dạng mạnh nên có độ dốc lớn, khối không khí nóng chuyển động trên nêm KKL một cách cưỡng bức làm cho đối lưu phát triển mạnh, theo đó mà hệ thống mây trước front chủ yếu là Cu con và Cb cap Giáng thủy của loại front này thường xảy

ra ở trước đường front bề mặt và có kèm theo dông, đôi khi là tố, lốc hoặc mưa đá Như vậy mức độ nguy hiểm của thời tiết trong front lạnh loại II lớn hơn so với front lạnh loại I

Nói một cách tổng quan hơn thì KKL xâm nhập xuống nước ta sẽ được chia thành hai loại: (1) KKL tràn về kèm theo front lạnh hoặc đường đứt, gọi tắt là Gió mùa Đông Bắc (GMĐB); (2) Khối không khí lạnh tăng cường (KKLTC) không kèm theo front

Đặc trưng của GMĐB là thời tiết thường thay đổi khá mạnh; nhiệt độ giảm xuống một cách đột ngột khi front đi qua, mức độ giảm nhiệt trong 24 giờ thường > 5oC; khí áp tăng dần, gió theo đó cũng mạnh lên, đổi sang hướng Đông Bắc - Bắc; mây nhiều dần rồi xuất hiện mây Cu, Cb; gây ra các trận mưa rào và dông; trạng thái thời tiết thay đổi từ nóng

ẩm sang lạnh hoặc rét [19]

KKLTC là thuật ngữ được sử dụng để chỉ sự xâm nhập của khối KKL xuống nước ta trong điều kiện trước đó khu vực đã và đang bị khống chế bởi một khối KKL khác với hệ thống gió thành phần bắc đã suy yếu Do đó, KKL tràn về không kèm theo front mà chủ yếu làm cho tốc độ gió tăng trở lại, có thể làm giảm nhiệt độ hoặc ít thay đổi về nhiệt độ KKL xâm nhập xuống nước ta được phân thành các cấp độ khác nhau dựa vào cường

độ của nó Theo quy định của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, GMĐB

và KKLTC được chia làm 3 cấp như sau:

(1) GMĐB/KKLTC mạnh khi: tốc độ gió tại trạm Bạch Long Vĩ (VBLV) ≥ cấp 7 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 6 nhưng kéo dài liên tục trên 8 quan trắc (2) GMĐB/KKLTC trung bình khi: VBLV ≥ cấp 6 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 7 nhưng không kéo dài quá 1 quan trắc

(3) GMĐB/KKLTC yếu khi: VBLV < cấp 6 hoặc cấp 6 chỉ kéo dài không quá 1 quan trắc

Trung bình mỗi năm nước ta đón khoảng 29 đợt KKL, trong đó có 16 đợt GMĐB và

13 đợt KKLTC Tần xuất số đợt KKL tràn về nhiều nhất rơi vào các tháng 12, 1 và 2 [6]

Sự xâm nhập của KKL xuống miền Bắc Việt Nam có sự biến động lớn theo thời gian [Bảng 1.1] Tháng nhiều nhất là tháng 1, sau đó giảm dần từ tháng 2 đến tháng 8 Số đợt xâm nhập lạnh vào các tháng mùa hè rất thấp; riêng tháng 7 không có một đợt xâm nhập lạnh nào Sang tháng 9 số đợt tăng dần trở lại từ 0,96 đợt cho đến 4,64 đợt trong tháng 12

Bảng 1 1 Tần số KKL trung bình xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [6])

Ở nước ta front lạnh ảnh hưởng mạnh nhất và sớm nhất đến vùng núi Đông Bắc, giảm dần và muộn dần khi đi về phía Nam và sang phía Tây Thời gian bắt đầu, kết thúc

và tần số front hàng năm thay đổi theo vùng, giảm dần từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây đồng thời tính chất của front lạnh cũng thay đổi theo mùa [19]

Do thời gian hoạt động KKL ở nước ta kéo dài từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau nên con đường xâm nhập lạnh cũng như hệ quả thời tiết gây ra bởi KKL trong các tháng sẽ có

sự khác nhau Điều này phụ thuộc rất lớn vào mối tương tác giữa các trung tâm khí áp và nhiễu động tồn tại trong khí quyển ở khu vực Tuy nhiên có thể chia thành ba thời kỳ chính như sau:

(1) Thời kỳ đầu đông (từ tháng 9 đến tháng 11):

Vào khoảng tháng 9 - 10, do trước khi KKL tràn về nền nhiệt của các tỉnh phía Bắc Việt Nam tương đối cao nên khi KKL tràn về có thể gây ra những xáo trộn nhiệt, ẩm mạnh mẽ; tạo điều kiện cho đối lưu phát triển, gây ra mưa rào và dông, thậm chí có thể kèm theo

tố, lốc và mưa đá

Tuy nhiên đây cũng chính là khoảng thời gian tạo nên kiểu thời tiết hanh khô ở khu vực Bắc Bộ Nguyên nhân là do trong thời kỳ này các đợt KKL tràn xuống nước ta di chuyển chủ yếu theo hướng Bắc - Nam dẫn đến bị biến tính khi đi qua lục địa Trung Quốc, KKK trở nên rất khô Hơn thế nữa vào lúc này ở trên cao đới gió tây di chuyển xuống làm xuất hiện một lớp nghịch nhiệt dày, ngăn cản quá trình tạo thành mây [19] Thời tiết đặc trưng cho khu vực Bắc Bộ là quang mây, ngày nắng, nhiệt độ khá cao nhưng về đêm nhiệt

độ giảm đi nhanh chóng do mặt đất phát xạ nhiệt, thường xuất hiện sương mù bức xạ vào đêm và sáng sớm

Khác với Bắc Bộ, ở Trung Bộ do tác động của địa hình nên khi KKL về thường bị chắn lại ở sườn phía Đông dãy Trường Sơn gây ra mưa vừa, mưa to, thậm chí mưa rất to khi kết hợp cùng với các nhiễu động khác tồn tại trong khu vực như bão, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), sóng đông…

(2) Thời kỳ chính đông (từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau):

Đây là thời kỳ rét nhất và cũng là thời kỳ có tần suất hoạt động của gió mùa nhiều nhất trong năm

Vào thời kỳ này, dòng xiết gió tây trên cao tiếp tục phát triển mạnh, trong khi đó ở tầng thấp KKL tràn về thường di chuyển theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, dẫn đến bị biến tính qua biển, lượng ẩm tăng lên một cách rõ rệt Đặc trưng thời tiết trong thời kỳ này ở miền Bắc là có mưa nhỏ, mưa phùn do màn mây St dày đặc gây ra Riêng tháng 12, KKL tràn về vẫn còn những đợt mang tính chất hanh khô; các đợt rét đậm, rét hại thường xuất hiện vào tháng này và tháng 1

(3) Thời kỳ cuối đông (từ tháng 3 đến tháng 5):

Hay còn được gọi là thời kỳ chuyển tiếp giữa hệ thống đặc trưng cho gió mùa mùa đông và hệ thống đặc trưng cho gió mùa mùa hè Đây là giai đoạn mà sự giao tranh giữa các hệ thống diễn ra khá phức tạp

Vào thời kỳ này, áp thấp nóng phía Tây đã bắt đầu hình thành, phát triển và mở rộng dần về phía Đông gây ra những đợt nóng sớm cho các tỉnh ở phía Tây Bắc Bộ Nền nhiệt của nước ta lúc này cũng tương đối cao do đó khi lưỡi áp cao lạnh lấn xuống phía Nam nó

sẽ nén rãnh áp thấp nối với vùng áp thấp gây ra hiện tượng nắng, nóng trước khi front về Đến khi front đi qua, nó sẽ gây ra mưa rào và dông, có thể kèm theo tố, lốc và cả mưa đá Vào khoảng tháng 3 khi KKL tràn về vẫn có thể xuất hiện các đợt mưa nhỏ, mưa phùn và rét

Thông qua việc tổng quan các nét đặc trưng chính của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam, tác giả nhận thấy rằng Trung Bộ là khu vực có diễn biến mưa do tác động đi kèm của không khí lạnh phức tạp nhất, đồng thời cũng nguy hiểm nhất Khi xem xét khu vực Trung Bộ này, nhận thấy rằng chỉ có các đợt KKL thực sự mạnh thì mới có thể tràn sâu, ảnh hưởng đến vùng khí hậu phía Nam Việt Nam Chạy dọc theo dải đất miền Trung, dãy Bạch Mã được xem là ranh giới tự nhiên phân chia 2 vùng khí hậu phía Bắc và Nam Việt Nam Do đó trong phạm vi bài luận văn của mình, vùng nghiên cứu Trung Bộ sẽ được giới hạn lại, lấy dãy Bạch Mã là giới hạn nghiên cứu, tức khu vực nghiên cứu sẽ kéo dài từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng, nhằm đảm bảo nắm bắt được các đặc tính đặc trưng mưa của KKL Sở dĩ, Đà Nẵng cũng được đưa vào phân tích nhằm mục đích xem xét sự khác nhau

về đặc điểm mưa KKL trước và sau dãy Bạch Mã như thế nào? có rõ ràng không?

1.2 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đặc điểm biến

trình ngày đêm của mưa

Biến trình ngày đêm của mưa là một trong những đặc trưng rất quan trọng, là hệ quả của các quá trình vật lý liên quan đến vị trí địa lý, địa hình và động lực khí quyển [29] Sự chi phối của hệ thống gió mùa, hệ thống gây mưa, quy mô hoàn lưu, gió địa phương (gió đất-biển, gió núi-thung lung),… tại mỗi quốc gia, mỗi vùng miền chính là nhân tố tác động trực tiếp đến lượng mưa tại mỗi nơi [32] Điều này tạo nên sự đa dạng, phức tạp cũng như

sự phân bố không đồng đều về mặt không gian của các đặc tính mưa Sự quan trọng và cần thiết trong việc tìm hiểu chu kỳ ngày đêm của mưa được minh chứng thông qua hàng loạt các nghiên cứu trên thế giới

1.2.1 Trên thế giới

Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài tìm hiểu về đặc điểm biến trình ngày đêm của các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, gió, mây, mưa ) Nếu như biến trình ngày của nhiệt độ không khí là do nhân tố bức xạ Mặt trời đóng vai trò quyết định thì đến với chế độ mưa, sự phức tạp thể hiện rõ hơn rất nhiều Chế độ mưa được hình thành chủ yếu bởi sự tác động cộng hưởng của hai nhân tố: (1) hoàn lưu và (2) địa hình, mặt đệm; chính điều này đã tạo

ra những nét đặc trưng rất riêng về “vùng mưa” cũng như là “mùa mưa” cho mỗi khu vực

Vì vậy yêu cầu đặt ra về tìm hiểu biến trình ngày đêm của mưa đối với mỗi vùng, mỗi mùa

và mỗi loại hình thế thời tiết thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khí tượng trên thế giới

Năm 2000, Dai [32] bằng cách sử dụng bộ bản tin dự báo thời tiết hạn 3 giờ của khoảng 15000 trạm trên toàn cầu và bộ dữ liệu tổng hợp đại dương-khí quyển (Comprehensive Ocean-Atmosphere) từ năm 1975 đến 1997 đã tiến hành phân tích biến trình ngày đêm của các loại giáng thủy khác nhau và dông Kết quả chỉ ra rằng với ngưỡng mưa được chọn thỏa mãn ≥ 0,1mm/h (hoặc 2,4 mm/ngày) biến trình ngày đêm của các biến

có biên độ dao động vượt ngưỡng 20% giá trị trung bình hàng ngày được tìm thấy ở nhiều nơi trên toàn cầu, đặc biệt là ở khu vực đất liền và trong mùa hè Đối với giáng thủy có dạng mưa rào: giá trị cực đại của mưa được tìm thấy ở khu vực lụa địa trong tất cả các mùa

vào buổi chiều Ở Bắc Thái Bình Dương, Bắc Đại Tây Dương và nhiều vùng đại dương tiếp giáp với châu lục cực đại lại xuất hiện thường xuyên hơn vào buổi sáng khoảng 06 giờ địa phương (LST) Điều này thể hiện xu hướng lệch pha so với ở đất liền Ngoài ra trên vùng biển nhiệt đới và phía nam các đại dương, tần suất đạt đỉnh rơi vào khoảng giữa trưa đến 04 giờ LST khá lớn Với giáng thủy dạng mưa phùn và mưa thì sự lệch pha về thời gian xảy ra cực đại giáng thủy ở các bề mặt đệm khác nhau cũng thể hiện khá rõ Cực đại xuất hiện vào buổi sáng thường quan sát thấy ở đất liền còn trên các khu vực đại dương cách xa lục địa thì cực đại lại xảy ra vào ban đêm

Cùng với sự phát triển ngày càng vượt bậc của khoa học-công nghệ, đặc biệt là công nghệ viễn thám, rất nhiều nghiên cứu hiện nay đã lựa chọn dữ liệu vệ tinh có độ phân giải thời gian và không gian cao như TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), PERSIANN (Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks) để làm cơ sở cho nguồn số liệu nghiên cứu

Năm 2005, bằng cách sử dụng số liệu mưa vệ tinh TRMM giai đoạn 1998-2003 tác giả Hirose và cs [35] đã chỉ ra rằng: Các hệ thống thời tiết có quy mô khác nhau thì đặc điểm không gian lẫn biến trình ngày đêm tại các vùng nghiên cứu cũng có sự khác nhau

Cụ thể: (1) Các hệ thống gây mưa quy mô nhỏ (< 10 km2), tần suất mưa xảy ra thường xuyên nhất vào khoảng đầu giờ chiều trên hầu hết các khu vực đất liền (2) Các hệ thống quy mô lớn (>104 km2) biểu diễn tần suất tập trung mưa nhiều vào buổi tối ở các khu vực đồng bằng, trễ pha hơn so với các hệ thống quy mô nhỏ (3) Các hệ thống gây mưa ở khu vực chân đồi phía nam dãy Himalaya, đặc biệt khu vực phía nam dãy Everest, thung lũng Brahmaputra lượng mưa tập trung vào đêm và sáng sớm

Sự khác nhau về đặc điểm biến trình lượng mưa còn được thể hiện thông qua các mùa trong năm Năm 2007, khi nghiên cứu về đặc điểm tổng lượng mưa và tần suất mưa hàng giờ tại Krakow giai đoạn 1886-2002, tác giả Twadosz cho rằng: tùy thuộc vào các đặc tính của mưa, các mùa trong năm và loại mưa mà biến trình ngày đêm của mưa có thể có 1 hoặc

2 kiểu [38] Tần suất mưa cực đại thường xảy ra vào buổi sáng trong tất cả các mùa của khối không khí cực đới, trong khi lượng mưa tập trung vào buổi chiều được tìm thấy ở khu

vực front lạnh So với chu kỳ mưa của front lạnh thì mưa do hệ thống front nóng gây ra thường tập trung vào buổi tối hoặc đêm Chế độ mưa với cực đại xảy ra vào buổi sáng là một đặc trưng của hệ thống front lạnh và khối không khí phía sau đường front trong mùa đông, trong giai đoạn này front lạnh thường di chuyển chậm từ Đại Tây Dương tạo điều kiện thuận lợi cho đối lưu phát triển mạnh

Cùng năm 2007, những đặc điểm của lượng mưa gió mùa mùa hè khu vực Đông Á cũng được chỉ ra bởi Tianjun Zhou và ccs [39] Sử dụng số liệu từng giờ/3 giờ vệ tinh TRMM-3B42 và sản phẩm vệ tinh PERSIANN; kết hợp với đó là bộ số liệu quan trắc thu được tại 626 trạm trong tháng 6, 7, 8 (JJA) từ năm 2000-2004 làm dữ liệu đầu vào, nhóm tác giả đã tiến hành đồng bộ các nguồn số liệu về cùng một lưới với độ phân giải 0.5×0.5

độ kinh/vĩ độ Tại mỗi ô lưới và mỗi giờ, tần suất mưa trung bình trong JJA là tỷ lệ phần trăm của tất cả các giờ trong JJA có lượng mưa > 0,02mm/h trên các điểm lưới từ thiết bị

đo mưa và vệ tinh; cường độ mưa là lượng mưa trung bình xảy ra trong giờ đó; còn tổng lượng mưa chính là giá trị lượng mưa tích lũy trong JJA Kết quả cho thấy cực đại tổng lượng mưa khu vực Đông Bắc và Đông Nam xảy ra sau buổi chiều, trong khi phía Đông cao nguyên Tây Tạng tìm thấy lúc gần giữa đêm, tuy nhiên cực đại này chỉ được phát hiện bởi số liệu thu được từ trạm quan trắc Khi xét đến chu kỳ ngày đêm của lượng mưa, nhóm tác giả nhấn mạnh rằng cả hai vệ tinh đều chụp được đỉnh về đêm ở phía Đông của cao nguyên Tây Tạng và đỉnh khác xảy ra vào cuối buổi chiều ở phía Nam và Đông Bắc Trung Quốc Dữ liệu từ trạm đo mưa trên khu vực giữa sông Dương Tử và sông Hoàng Hà thể hiện hai đỉnh, một đỉnh xuất hiện vào sáng sớm và một đỉnh xảy ra trong buổi chiều Tuy nhiên các sản phẩm vệ tinh chủ yếu chỉ bắt được đỉnh xảy ra vào cuối buổi chiều

Các kết luận về đặc điểm mưa này của Tianjun Zhou hoàn toàn phù hợp với nhận định đưa ra của Zhina Jang và ccs (2017) [44] Bên cạnh thời gian xuất hiện mưa lớn, nhóm tác giả này còn nhấn mạnh sự biến đổi theo ngày đêm rõ rệt của lượng mưa, tần suất và cường

độ ở miền Nam Trung Quốc, với biên độ khác nhau đáng kể từ Tây Nam đến Đông Nam Trung Quốc, và từ thời kỳ trước và sau khi thiết lập gió mùa Mưa lớn tại khu vực Tây Nam thường xảy ra vào ban đêm đến sáng dưới sự ảnh hưởng của dòng gió tây nam tầng

thấp Trong khi khu vực Đông Nam Trung Quốc lại bị chi phối bởi quá trình đốt nóng bề mặt kết hợp với địa hình, dẫn đến lượng mưa thường tập trung vào buổi chiều Cả hai thời

kỳ trước và sau khi thiết lập gió mùa đều biểu diễn hai cực đại mưa ngày: một đỉnh xảy ra vào sáng sớm và một đỉnh khác xuất hiện cuối buổi chiều

Năm 2013, Hong và ccs tiếp tục đi theo hướng nghiên cứu trên nhưng thu hẹp phạm

vi về quy mô tỉnh, theo đó Sơn Đông - Trung Quốc được lựa chọn để đánh giá đặc điểm chu kỳ ngày đêm của lượng mưa mùa hè [34] Sử dụng ngưỡng lượng mưa > 0.1 mm/h, chuỗi số liệu mưa từng giờ tháng 6, 7, 8 của 123 trạm quan trắc từ năm 1996-2008 đã được tiến hành phân tích Kết quả cho thấy, chu kỳ ngày đêm của tổng lượng mưa (PA) và cường

độ mưa (PI) có hai cực đại xảy ra vào buổi sáng sớm và buổi chiều, còn chu kỳ ngày đêm của tần suất mưa (PF) chỉ có một cực đại xảy ra vào buổi sáng Chu kỳ ngày đêm của lượng mưa ở khu vực này khá phức tạp, phụ thuộc vào cường độ mưa, bằng chứng là số cực đại mưa tăng lên khi lượng mưa từng giờ tăng Cụ thể là khi lượng mưa giờ nhỏ (0,1-10mm/h hoặc 10-25mm/h) thì chu kỳ ngày đêm của PA và PF thể hiện hai cực đại với một cực đại xuất hiện vào buổi sáng và một cái khác xảy ra vào buổi chiều Còn khi lượng mưa giờ đạt ngưỡng 50-100mm/h thì PA thường có ba cực đại

Mưa là một đại lượng phức tạp và phụ thuộc rất nhiều yếu tố (địa hình, mặt đệm, hoàn lưu khí quyển, hoàn lưu địa phương,…), do đó xét trên phương diện nào đó các hệ thống gây mưa có tính tuần hoàn, ổn định và thường xuyên như mưa front Meiyu/Baiu, mưa front lạnh/nóng phần nào sẽ mang đến những đặc tính riêng biệt, tạo nên các chu kỳ đặc trưng theo hệ thống ảnh hưởng Chính vì lẽ đó mà một số công trình đã đi theo hướng này để xem xét, đánh giá đặc điểm biến trình mưa

Năm 2009, Weixun Xu và cs [43] đã sử dụng bộ dữ liệu 3 giờ (3h) từ sản phẩm vệ tinh TRMM-3B42 với độ phân giải 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ trong thời gian từ 1998-2007

để tiến hành phân tích đặc điểm mưa và đặc tính đối lưu của hệ thống mưa Meiyu trên khu vực phía Nam Trung Quốc, Đài Loan và phía Bắc biển Đông Lựa chọn ngưỡng mưa

>10mm/h tại mỗi điểm lưới, nhóm tác giả đã chỉ ra rằng: Trong giai đoạn mưa Mei-yu, lượng mưa cực đại thứ nhất xảy ra ở phía trên đồng bằng sông Pearl, chân đồi cao nguyên

Yun-Gui và núi Wuyi; cực đại thứ hai tương ứng với thời điểm mưa lớn nhất Sự thay đổi theo mùa trong cấu trúc đối lưu, đặc biệt là ở đất liền có sự khác biệt tùy vào từng thời kỳ của mùa Mei-yu dựa trên sự phân tích cường độ đối lưu proxy và profile độ phản xạ của radar về mưa

Năm 2010, Brandon và cs [30] phân tích đặc điểm chu kỳ ngày đêm của gió, mưa và mây trên khu vực Đài Loan trong suốt mùa Meiyu, lượng mưa mùa hè và mùa thu Sử dụng nhiều nguồn dữ liệu đa dạng, bao gồm: số liệu mưa, gió từng giờ của ARMTS (Automatic Rainfall and Meteorological Telemetry System); số liệu các trạm quan trắc ở khu vực từ năm 1997 - 2002; dữ liệu quan trắc thám không và dữ liệu vệ tinh IR từng giờ từ vệ tinh địa tĩnh (Geostationary Meteorological Satellite-5) [30] Sử dụng ngưỡng >0,5mm/h để tính toán các đại lượng về tần suất mưa trong các mùa mưa Mei-yu, mưa mùa hè và mùa thu, nghiên cứu chỉ ra rằng: “Trong cả ba chế độ: mưa Meiyu (16/5-15/6), mưa mùa hè (16/7-31/8) và mưa mùa thu (16/9-31/10) thì sự xuất hiện mưa, tỷ lệ mưa và các đám mây lạnh bị chi phối mạnh bởi chu kỳ nhiệt ngày đêm với cực đại chính xảy ra vào cuối buổi chiều Một cực đại khác của lượng mưa xảy ra vào buổi sáng trong cả 3 chế độ được lí giải

là liên quan đến sự hội tụ ở lớp biên địa phương do địa hình chắn gió thịnh hành và sự tương tác của chúng với gió đất - biển”

Qua phần tổng quan này có thể thấy rằng việc tập trung nghiên cứu, tìm hiểu về đặc điểm biến trình ngày đêm của các yếu tố khí tượng nói chung và lượng mưa nói riêng rất được chú trọng trên thế giới Điều này phần nào cho thấy mức độ cần thiết trong việc nghiên cứu các đặc điểm biến trình ngày đêm của mưa KKL ảnh hưởng đến thời tiết nước

ta, góp phần nâng cao hiểu biết về một trong các hình thế thời tiết nguy hiểm, giúp tăng cường khả năng dự báo mưa đi kèm KKL ở Việt Nam nói chung và các tỉnh ven biển Trung

Bộ từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng nói riêng

1.2.2 Tại Việt Nam

Tại Việt Nam, KKL và mưa lớn là một trong số những chủ đề thu hút được nhiều nhà khí tượng quan tâm nghiên cứu Thực tế đã có hàng loạt đề tài tập trung phân tích về con đường xâm nhập của áp cao lạnh lục địa, về đặc điểm của các trung tâm áp cao lạnh, về xu

thế phát triển, mở rộng và cường độ hoạt động của áp cao Siberia,… Nhưng có hai xu hướng rõ ràng mà các tác giả ở nước ta thường hay lựa chọn để nghiên cứu: (1) xu hướng thiên về phân tích các hình thế thời tiết gây ra mưa lớn (trong đó có xét đến sự tác động của KKL); (2) Thiên hướng tập trung về dự báo mưa lớn bằng nhiều phương pháp và cách thức tiếp cận khác nhau Ví dụ như mô phỏng, dự báo mưa lớn bằng các mô hình số MM5, WRF,v.v

Theo xu hướng nghiên cứu thứ nhất có thể kể tên một số công trình tiêu biểu như: cuốn “Khí hậu Việt Nam” của nhóm tác giả Phạm Ngọc Toàn và Phan Tất Đắc (1993) mà sau đó được Th.s Phạm Minh Tiến và Th.s Trần Đình Linh chỉnh sửa, bổ sung hoàn thành năm 2014 [19]; Phân tích các hình thế gây ra mưa lớn cho mỗi khu vực trong cả nước của tác giả Phạm Vũ Anh ở cuốn “ Phân tích và dự báo thời tiết” [1]; Đề tài “Phân loại các dạng hình thế Synop gây mưa lớn, đặc biệt lớn thuộc tỉnh Nghệ An-Thừa Thiên Huế” của tác giả Nguyễn Ngọc Thục [17]; “Đặc điểm hình thế gây mưa, lũ, lụt lớn ở các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh thời kỳ 1997-2001” [21]; “Nguyên nhân và quy luật của thời tiết mưa lớn khu vực đèo Hải Vân-đèo Cả, vùng Nam Trung Bộ (giai đoạn 1986-2010)” [23]… Nhìn chung, xu hướng nghiên cứu về mưa lớn ở nước ta có mức độ tập trung phân tích nhiều ở các tỉnh ven biển miền Trung

Nghiên cứu các hình thế synop gây mưa đặc biệt lớn ở các tỉnh Nghệ An –Thừa Thiên Huế, tác giả Nguyễn Ngọc Thục (1992) [17] nhận định: Khu vực đang xét có tất cả 7 loại hình thế synop gây mưa lớn chính: Xoáy thuận nhiệt đới đơn thuần (XTNĐ); XTNĐ kết hợp với gió đông nam (SE); XTNĐ kết hợp với không khí lạnh tác động trước; XTNĐ kết hợp với KKL tác động đồng thời hoặc 12-24h; Dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ) có XTNĐ từ thấp lên cao 4-5km; ITCZ có KKL tác động; KKL hội tụ với tín phong Như vậy, chỉ tính riêng đến sự hiện diện của KKL đã chiếm tới 4 hình thế, hơn nữa sự tương tác của KKL với các nhiễu động khác khá đa dạng và phức tạp, theo đó mà mức độ gây ra mưa lớn trong các hình thế cũng có sự khác nhau

Đồng quan điểm với tác giả Nguyễn Ngọc Thục, năm 2004 nhóm tác giả Nguyễn Khanh Vân và Bùi Mạnh Tăng một lần nữa nhấn mạnh các hình thế thời tiết gây mưa lũ

này cho các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh [21] Đặc biệt, KKL và tổ hợp của KKL với các nhiễu động khác là những loại hình thế xuất hiện với tần suất lớn, riêng KKL kết hợp với gió đông hoạt động mạnh và KKL kết hợp với bão hoặc áp thấp nhiệt đới xuất hiện với tần số thuộc loại lớn nhất, tập trung vào nửa cuối mùa đông (tháng 10 đến tháng 12) Tùy vào thời gian xuất hiện và sự kết hợp giữa KKL với các hiện tượng khác mà phân bố mưa có sự khác biệt rõ rệt

Lượng mưa trong một đợt ngoài các nguyên nhân trực tiếp trên còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác đặc biệt là đặc điểm địa hình, ma sát mặt đệm…Điều này được thể hiện rất rõ trong bài báo “Vai trò của hình thái địa hình đối với mưa lớn ở vùng Bắc Trung Bộ

và sự phân hóa giữa Bắc và Nam đèo Ngang” [22] Với đặc điểm địa hình có dải Trường Sơn trấn giữ ở phía Tây, hướng sơn văn thống trị là Tây Bắc - Đông Nam kết hợp với các dãy núi chạy ngang đâm ra biển như Hoành Sơn, Bạch Mã đã tạo nên những “bẫy mưa” quan trọng của khu vực Các dãy núi với độ cao từ 400-1300m đã “ngăn chặn” chuyển động của các khối khí và các tác nhân gây mưa (chủ yếu từ biển vào), làm gia tăng chuyển động thăng ở bên phía sườn đón gió, gia tăng lượng mưa” Bên cạnh đó, các đặc trưng về mức độ địa hình chia cắt sâu và chia cắt ngang; các khu vực tiếp giáp với biển có kiểu địa hình dạng dải cồn cát ven biển với độ cao, độ rộng khác nhau; đường bờ biển có hướng vuông góc với chuyển động của các KKK giàu hơi ẩm từ biển Đông tràn vào Tất cả dường như hội tụ lại làm một, cộng hưởng với điều kiện địa hình khu vực đã tạo ra một chế độ mưa “thu đông” và một đặc điểm lũ rất riêng cho các tỉnh Bắc Trung Bộ

Đến năm 2012, tác giả Nguyễn Văn Hưởng tiến hành “Xác định khách quan hình thế thời tiết trong các đợt mưa lớn trên khu vực miền Trung từ số liệu tái phân tích JRA-25” [10] Sử dụng các phương pháp phân tích tiên tiến như kỹ thuật phân tích thành phần chính (PCA), kỹ thuật phân nhóm K-mean và kỹ thuật CA, đề tài đã nhấn mạnh hình thế ITCZ kết hợp KKL là dạng rất đặc sắc và hầu như chỉ xuất hiện ở Trung Bộ Mưa do dạng nhiễu động sóng Đông có KKL tác động ở tầng thấp, thường xuất hiện từ cuối tháng X đến tháng XII; Mưa do KKL hội tụ với tín phong, thường xảy ra ở Trung Trung Bộ và Nam Trung

Bộ từ cuối tháng X đến tháng XII

Theo hướng nghiên cứu thứ hai về dự báo mưa lớn, hầu hết các tác giả đều nhận định rằng: Dự báo mưa là một bài toán rất quan trọng nhưng đầy khó khăn và phức tạp Tiến hành “Thử nghiệm dự báo mưa lớn ở Việt Nam bằng mô hình MM5” trong hai năm 2004 – 2005, nhóm tác giả Hoàng Đức Cường và ccs [4] đã chỉ rõ rằng: diện mưa của dự báo tổ hợp so với các hạn dự báo khác nhau thường lớn hơn so với thực tế Hầu hết các trường hợp thử nghiệm phản ánh đúng khu vực mưa lớn nhưng vùng mưa lớn dự báo chưa thực

sự trùng khớp với thực tế, nhất là ở các tỉnh Trung Bộ Khi tăng hạn dự báo thì sai số thành phần cũng tăng lên, đối với diện mưa < 30mm, dự báo thường cao hơn thực tế, ngược lại diện mưa >50 mm thì lại nhỏ hơn thực tế

Qua đây ta thấy rằng các đề tài nghiên cứu về mưa lớn diện rộng ở Trung Bộ được nhiều nhà khí tượng trong nước đặc biệt quan tâm, tuy nhiên nếu xét về khía cạnh cụ thể

về đặc điểm liên quan đến mưa thì còn hạn chế Sự tập trung chủ yếu dồn vào việc tìm hiểu phân bố không gian, thời gian, đặc biệt là xu hướng biến đổi của các đặc trưng mưa như tổng lượng mưa tháng/năm, biến trình năm, ngày bắt đầu và kết thúc mùa mưa tại một vùng hoặc một tỉnh cụ thể nào đấy

Theo Nguyễn Đức Ngữ và ccs (2004) [14], về cơ bản biến trình mưa hàng năm ở Việt Nam có hai dạng: Ở các vùng khí hậu phía Bắc, một phần Bắc Trung Bộ, Nam Bộ và Tây Nguyên mùa mưa trùng với mùa gió mùa mùa hè (tháng 5 đến tháng 10), trong khi ở Nam Trung Bộ và phần còn lại của Bắc Trung Bộ mùa mưa dịch chuyển về các tháng cuối mùa

hè và đầu mùa đông (tháng 8 đến tháng 12) [Bảng 1.2]

Bảng 1 2 Chế độ mùa mưa và cực đại mưa các vùng khí hậu ở Việt Nam (Nguồn: [14])

Năm 2009, nhóm tác giả Vũ Thanh Hằng và ccs [8] trong nghiên cứu của mình đã chỉ

ra rằng: hầu hết các vùng khắp cả nước đều thể hiện xu thế tăng lên của lượng mưa cực đại, đặc biệt tăng mạnh trong những năm 2001-2007 Tuy nhiên khi xét trong những thời đoạn ngắn (giai đoạn 1961-1990, giai đoạn 1991-2000, giai đoạn 2001-2007) thì xu thế tăng/giảm là không đồng nhất giữa các vùng khí hậu

Tiếp đến năm 2012, xu thế biến đổi về 7 yếu tố khí tượng trên lãnh thổ Việt Nam bao gồm: Nhiệt độ trung bình ngày mực 2m (T2m), Nhiệt độ cực tiểu ngày/cực đại ngày (Tmin/Tmax), Lượng mưa trung bình ngày (Pre), Tốc độ gió 10m cực đại ngày (Vx), Độ

ẩm tương đối cực tiểu ngày (Um), Bốc hơi tiềm năng (Evap) được nhóm tác giả Ngô Đức Thành và Phan Văn Tân nghiên cứu bằng cách sử dụng phương pháp kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall và xu thế Sen [20] Theo đó, nhóm tác giả nhận định rằng, lượng mưa nói chung và lượng mưa trung bình ngày nói riêng là đại lượng có sự biến động khá mạnh theo không gian Nhìn chung, khu vực phía Bắc giảm mưa trong khi khu vực từ Trung Trung Bộ (khoảng vĩ tuyến 17) trở vào lượng mưa có xu hướng tăng Điều này cũng phù hợp với nhận định từ nghiên cứu của nhóm tác giả Vũ Thanh Hằng và ccs (2009) [8] Năm 2016, tác giả Phan Văn Tân và ccs [18] khi nghiên cứu đặc điểm của ngày bắt đầu mùa mưa và sự biến đổi của nó ở Tây Nguyên giai đoạn 1981-2010 đã chỉ ra rằng: mùa mưa ở Tây Nguyên thường bắt đầu vào khoảng giữa tháng 4 đến giữa tháng 5, trung bình vào khoảng 30 tháng 4 hàng năm Mùa mưa thường bắt đầu sớm hơn ở phía Nam Tây Nguyên, sau đó là phía Bắc và muộn nhất ở miền Trung, đồng thời ngày bắt đầu mùa mưa

có xu thế đến sớm hơn 5-7 ngày/thập kỷ

Nổi bật nhất trong hướng nghiên cứu tìm hiểu các đặc điểm biến trình ngày đêm của các đại lượng khí tượng nói chung và mưa nói riêng ở nước ta là nhận định của tác giả Nguyễn Viết Lành (2004) [11] khi cho rằng: Biến trình ngày của giáng thủy nói chung có hai kiểu chủ yếu: một là kiểu lục địa được đặc trưng bởi hai cực đại (một cực đại xảy ra vào lúc sáng sớm và một xảy ra sau buổi trưa); hai cực tiểu (một cực tiểu xảy ra vào ban đêm và một xảy ra vào lúc trước buổi trưa) Nguyên nhân xuất hiện hai cực đại ở trên được xác định là do sự phát triển của các mây dạng tầng lúc sáng sớm do bức xạ ban đêm và

mây đối lưu vào sau buổi trưa Kiểu thứ hai là kiểu biển và bờ biển được đặc trưng bởi một cực tiểu vào ban ngày và một cực đại vào ban đêm Mây phát triển và gây mưa chủ yếu vào ban đêm bởi vì lúc này nhiệt độ không khí ở trên cao đã giảm đi, trong khi đó nhiệt độ không khí ở những lớp dưới thấp vẫn còn cao do tiếp xúc với mặt nước

Gần đây nhất, trong ấn phẩm tháng 6/2019 của Tạp chí Khí tượng Thủy văn, đặc điểm mưa tại Hồ Chí Minh đã được tác giả Phạm Thị Thanh Ngà chỉ ra trong bài báo “Nghiên cứu tương quan giữa đặc tính mây và mưa lớn cho khu vực Hồ Chí Minh bằng dữ liệu vệ tinh Himawari - 8 và GSMaP” [12] Theo đó, PF trong mùa mưa (tháng 5 – tháng 11) đạt cực đại trong khoảng 09 – 12 UTC, còn PI có hai cực đại xảy ra lần lượt vào 08 UTC và

14 UTC, tương ứng vào buổi chiều và tối

Từ quá trình tổng quan nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đặc trưng của lượng mưa, tác giả nhận thấy rằng: Rõ ràng, trên thế giới hướng nghiên cứu về đặc điểm biến trình ngày đêm và sự phân bố không gian của mưa được thực hiện cách đây khá lâu, tuy nhiên cho đến nay vẫn rất được quan tâm và chú trọng Bằng cách thực hiện các phương thức tiếp cận khác nhau (đánh giá biến trình mưa theo quy mô toàn cầu, khu vực, quốc gia, vùng miền, tỉnh… hoặc theo từng hệ thống gây mưa (front Meiyu/Baiu, front lạnh, front nóng, hệ thống gió mùa mùa hè) mà những đặc điểm mưa lại cho thấy sự biến động về thời gian Trong khi đó tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về mưa tập trung chủ yếu vào sự biến đổi của các đặc trưng mưa theo thời gian, không gian gắn liền với hệ thống gió mùa mùa

hè, gần như việc tìm hiểu về biến trình ngày đêm còn rất ít, hạn chế và chưa được quan tâm đúng mức Hầu hết các hình thế synop gây ra mưa lớn đều cho thấy mức độ nghiêm trọng, đặc biệt là các tỉnh ven biển miền Trung; một trong số đó chính là không khí lạnh và các

tổ hợp tác động đi kèm của nó

Chính vì lẽ đó, tác giả nhận thấy rằng việc tìm hiểu đặc điểm mưa do không khí lạnh

ở các tỉnh ven biển Trung Bộ, mà cụ thể ở đây là từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng thực sự cần thiết và hữu ích Các kết quả thu được không chỉ góp phần nâng cao hiểu biết về đặc trưng của mưa KKL mà còn hỗ trợ các nhà khí tượng trong việc đưa ra dự báo về khoảng thời

gian xuất hiện mưa nhiều nhất, cường độ mưa lớn nhất, từ đó đưa ra các dự báo/cảnh báo

có độ tin cậy cao hơn

1.3 Các phương pháp quan trắc mưa hiện nay

Ngày nay quan trắc mưa thường được tiến hành thông qua 3 phương pháp chính: đo mưa tại các trạm quan trắc mặt đất, đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết và đo mưa bằng

vệ tinh

1.3.1 Đo mưa tại trạm quan trắc mặt đất

Đo mưa tại các trạm quan trắc mặt đất là một phương pháp truyền thống, được thực hiện bằng cách sử dụng trực tiếp các dụng cụ đo mưa như vũ lượng kế hoặc vũ lượng ký Xy-phông, vũ lượng ký chao lật hoặc là các trạm đo mưa tự động, trạm đo mưa nhân dân, Nếu như vũ lượng kế cho ta số liệu mưa một cách thủ công vào lúc 7 giờ và 19 giờ hàng ngày thì các thiết bị vũ lượng ký lại đo lượng mưa một cách tự động, cập nhập với nhiều ưu điểm vượt trội hơn: kết quả đo mưa thu được một cách liên tục theo thời gian thực, lượng mưa tích lũy trong bước thời gian ngắn, độ chính xác cao, rất thuận tiện trong việc tính toán cường độ mưa đặc biệt là các trận mưa lớn

Ngoài vũ lượng kí, hiện nay ở nước ta đã có khá nhiều trạm đo mưa tự động khác nhau, được thiết kế, xây dựng theo chế độ từng phút hoặc 5 phút/lần; phương thức truyền, nhận dữ liệu hiện đại và nhanh chóng… ví dụ như hệ thống trạm thời tiết thông minh Imetos của công ty WeatherPlus, trạm đo mưa Vinarain,

Ưu điểm của phương pháp đo mưa tại chỗ là kết quả đo mưa được thực hiện ngay tại

vị trí đo nên rất đáng tin cậy, dữ liệu của nó thường được sử dụng để tiến hành hiệu chỉnh tính toán mưa của các phương pháp đo mưa gián tiếp

Tuy nhiên đây cũng chính là nhược điểm lớn nhất của phương pháp này, bởi vì số liệu mưa thu được sẽ phải phụ thuộc hoàn toàn vào số lượng trạm quan trắc trên cả nước

Số liệu mưa cục bộ thu được tại các trạm sẽ gây ra nhiều khó khăn cho công tác tính toán lượng mưa trung bình cho toàn khu vực, sự phân bố mưa theo không gian và nhất là khó khăn trong việc kiểm soát chất lượng dữ liệu Chưa kể các trạm quan trắc được lắp đặt

một cách không đồng đều ở các tỉnh, thành phố, mật độ phân bố các trạm thường dày ở những vị trí gần hoặc tại khu đô thị Tuy nhiên, đa số các thiên tai liên quan đến mưa thường xảy ra ở khu vực vùng núi, vùng sâu, vùng xa hoặc hình thành trên biển và di chuyển vào đất liền dẫn đến việc sử dụng dữ liệu đo mưa tại chỗ gây ra nhiều trở ngại trong công tác cảnh báo thiên tai như lũ quét, lũ ống…

1.3.2 Đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết

Nguyên lí hoạt động cơ bản của radar thời tiết được sử dụng dựa trên tính chất truyền thẳng với tốc độ không đổi và khả năng phản xạ trở lại của sóng điện từ khi gặp vật cản, từ

đó phát hiện và xác định được vị trí của mục tiêu Mục tiêu khí tượng của radar chủ yếu là mây, mưa và theo đó là phát hiện được các hiện tượng thời tiết nguy hiểm đi kèm với nó Radar thời tiết được xem là công cụ vô cùng quan trọng đối với dự báo tức thời - Nowcasting (00h - 12h) đối với các hiện tượng thời tiết nguy hiểm như: Dông, lốc, mưa

đá, mưa lớn… Dựa vào vị trí, khoảng cách, hình dạng, cường độ phản hồi vô tuyến của sóng điện từ mà radar thời tiết thu được khi gặp các giọt nước, giọt nước siêu lạnh, tinh thể

đá trong mây, các dự báo viên sẽ sớm đưa ra các cảnh báo/dự báo nhanh chóng, chính xác

và kịp thời các hiện tượng thời tiết nguy hiểm sắp xảy ra

Đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết về cơ bản có 3 phương pháp sau: (1) Đo cường

độ bức xạ phản hồi; (2) Đo sự suy yếu của năng lượng radar trong mưa và (3) Đo sự suy yếu và độ phản hồi tạo ra đồng thời ở hai bước sóng

Trong 3 phương pháp trên thì phương pháp ước lượng mưa bằng độ phản hồi vô tuyến được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới và đang được sử dụng ở Việt Nam Nguyên lý tính toán của phương pháp được xây dựng dựa trên mối quan hệ phụ thuộc giữa cường độ mưa và độ phản hồi vô tuyến vào số lượng hạt trong một đơn vị thể tích và sự phân bố hạt theo kích thước

Z = A.Ib

với: I là cường độ mưa (mm/h); Z là độ phản hồi vô tuyến mà radar thu được từ vùng mưa (mm6/m3); A và b là các hệ số thực nghiệm

Nhược điểm của phương pháp này là các hệ số thực nghiệm A và b trong công thức trên không ổn định mà phụ thuộc vào hàm phân bố hạt mưa theo kích thước, trong khi đó yếu tố này thay đổi nhiều theo không gian và thời gian ngay cả trong một trận mưa [7] Phương pháp đo mưa bằng radar thời tiết có những ưu và nhược điểm sau:

 Ưu điểm: kết quả đo được trực tuyến, độ chính xác cao, độ phân giải không gian và thời gian cao (khoảng 1km trong 5-10 phút), khu vực bao phủ rộng lớn (100-200km), do đó thuận lợi trong việc theo dõi hướng di chuyển, tốc độ di chuyển của vùng mây, mưa  Rất hữu ích trong vấn đề dự báo và theo dõi diễn biến thiên tai xảy ra trong tầm hoạt động

 Nhược điểm: hoạt động của radar thường bị hạn chế ở các khu vực địa hình đồi núi, không phủ tới vùng sâu, vùng xa, trên mặt biển, chi phí lắp đặt trạm radar cũng như vận hành sử dụng tốn kém, khó quản lý

Hình 1 1 Bản đồ phân bố các trạm radar tại Việt Nam hiện nay

(Nguồn: Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia)

Tính tới thời điểm này tại Việt Nam có tất cả 9 trạm radar thời tiết được lắp đặt và

sử dụng bao gồm các trạm tại Phù Liễn, Việt Trì, Vinh, Đông Hà, Tam Kỳ, Nha Trang,

Nhà Bè, Pha Đin và mới nhất là Pleiku [Hình 1.1] Tuy nhiên do những hạn chế về mặt

chất lượng thiết bị cũng như khử nhiễu radar nên việc khai thác sử dụng số liệu này vẫn chưa xứng với tiềm năng của nó

1.3.3 Đo mưa bằng vệ tinh

Qua phân tích ở trên ta thấy nhược điểm chung của cả hai phương pháp là gặp nhiều hạn chế trong việc quan trắc mưa tại khu vực đồi núi, vùng sâu, vùng xa và cả trên biển đảo; bộ số liệu thu thập được mang xu hướng cục bộ cho một trạm, hoặc một vài tỉnh lân cận nhau Hướng giải quyết duy nhất hiện nay là sử dụng phương pháp đo mưa bằng vệ tinh - phương pháp đo mưa thứ ba đang được ứng dụng rất rộng rãi trên thế giới

Các vệ tinh quan trắc thời tiết được chia thành hai loại chính, đó là vệ tinh địa tĩnh (Geostationary Earth Orbiting - GEO) và vệ tinh quỹ đạo cực (Low Earth Orbit - LEO) [Hình 1.2] Hệ thống quan trắc không gian toàn cầu hiện tại của Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) được chỉ ra ở Hình 1.3 Các vệ tinh này được gắn sẵn sensor tự động chụp ảnh bề mặt địa cầu ở các bước sóng khác nhau, từ đó các thuật toán xử lý thông tin ảnh được xây dựng, thiết lập để ước tính lượng mưa

Hình 1 2 Vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực (Nguồn: [16])

Vệ tinh GEO được gắn các cảm biến với bước sóng nhìn thấy (Visible-VIS) và hồng ngoại (Infrared-IR), nằm trên mặt phẳng xích đạo có độ cao khoảng 36 000km, quỹ đạo di chuyển đồng bộ với tốc độ tự quay của Trái đất và mỗi vệ tinh GEO quan trắc một khu vực nhất định trên mặt đất Chu kỳ quay 1436 phút, cung cấp dữ liệu liên tục trong khoảng 15-

30 phút, có độ bao phủ lớn từ trên cao với góc nhìn rộng khoảng 50 độ Tuy nhiên độ phân giải thấp (cỡ 1 km×1 km đối với bước sóng nhìn thấy và 4 km×4 km cho bước sóng hồng ngoại); không thích hợp cho thám sát thẳng đứng Ảnh vệ tinh GEO cung cấp thông tin về

nhiệt độ đỉnh các đám mây là cơ sở cho các phương pháp tiến hành ước tính lượng mưa

Vệ tinh LEO: có quỹ đạo gần cực nằm ở độ cao khoảng 800-900 km, được gắn cảm biến thu nhận năng lượng bức xạ nhiệt từ các hạt mưa ở bước sóng microwave, có quỹ đạo quay đồng bộ với tốc độ quay của mặt trời với chu kỳ quay khoảng 101 phút, độ bao phủ tốt ở các cực Chụp ảnh bề mặt trái đất trong khu vực vệ tinh di chuyển, do đó mỗi ảnh chụp cho một khu vực hẹp, không thể bao phủ toàn bộ bề mặt địa cầu tại một thời điểm,

dữ liệu nhận được sẽ thay đổi theo vĩ độ, thích hợp cho thám sát thẳng đứng

Hình 1 3 Hệ thống quan trắc không gian toàn cầu hiện tại của WMO (Nguồn: [26])

Các phương pháp ước tính lượng mưa từ ảnh mây vệ tinh bao gồm: phương pháp ảnh hồng ngoại, phương pháp ảnh microwave, phương pháp kết hợp, phương pháp đa phổ, phương pháp Kurino,…

 Hoặc trên ảnh NIR khi |TNIR-TIR| ~ 0 thì khả năng mưa càng nhiều

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các thuật toán tính mưa từ ảnh vệ tinh GEO phổ hồng ngoại rất hiệu quả trong tính toán mưa đối lưu vùng nhiệt đới nhưng xuất hiện sai số lớn bởi ảnh hưởng mây ở tầng cao có nhiệt độ bề mặt thấp nhưng không có khả năng gây mưa [28]

Ưu điểm của phương pháp này là có độ phân giải thời gian tốt Tuy nhiên nhược điểm

là ta không quan sát được toàn bộ mây mà chỉ nhìn thấy đỉnh mây từ ảnh VIS hoặc IR  Rất khó để ước tính được lượng mưa tốt do không có môi trường tương quan tốt (ví dụ: mây lạnh chưa chắc đã gây mưa như mây Ci); khó xác định được mây tầng thấp, độ chính xác chưa cao

❖ Phương pháp Microwave

Nguyên lý tính toán: lượng mưa mặt đất liên quan với phát xạ sóng microwave từ các hạt mưa (các kênh tần số thấp) và tán xạ sóng microwave từ hạt băng (các kênh tần số cao) Nói một cách khác thì phương pháp này sử dụng ảnh đo bằng vi sóng vệ tinh, đo cường

độ/ lượng mưa mà không cần dựa vào nhiệt độ đỉnh mây [16]

Ưu điểm của phương pháp này đó là tính toán được cho các vùng xa xôi, hệ đo đạc đồng nhất, ước lượng lượng mưa dựa trên các nguyên lý vật lý hơn nên độ chính xác cao hơn so với phương pháp sử dụng ảnh VIS/IR

Nhược điểm: độ phân giải không gian và thời gian kém, không đo đạc được trực tiếp lượng mưa và không thể tính được mưa từ những mây ấm trên đất liền

❖ Phương pháp kết hợp

Là phương pháp sử dụng đồng thời hai cách tính toán trên, nhằm sử dụng được những đặc tính nổi bật về độ phân giải không gian, thời gian tốt của vệ tinh địa tĩnh và độ chính xác cao hơn của ước tính lượng mưa bằng phương pháp microwave

Phương pháp kết hợp ước tính mưa bằng cách sử dụng trung bình trọng số; sử dụng ảnh VIS/IR và ảnh microwave tương ứng để tạo ra một trường các yếu tố điều chỉnh đa dạng, hiệu chỉnh lại các hệ số của thuật toán VIS/IR, tương thích giữa IR với cường độ mưa của microwave, sau đó sử dụng phương pháp mạng thần kinh nhân tạo biến đổi lượng mưa từ microwave theo không gian, thời gian

 Phương pháp đa phổ

Gồm nhiều phương pháp kết hợp các kênh hồng ngoại, hơi nước với nhau Thí dụ phương pháp chia tách cửa sổ, sử dụng các quan trắc ở sát 11μm và 12μm để nhận biết mây trên đại dương Việc phân loại mây được hoàn thiện bằng cách xem xét nhiệt độ vật đen ở 11μm và độ chói khác nhau giữa 11 μm và 12μm Cảnh trời quang mây có nhiệt độ

ấm và sự khác nhau giữa các nhiệt độ chói là âm, thường nhỏ hơn khoảng -10°C

 Phương pháp Kurino

Ưu điểm nổi bật của phương pháp là đã tổ hợp được các bức ảnh IR1, IR2 và hơi nước trong đánh giá mưa và phương pháp có thể áp dụng một cách liên tục cho cả thời gian ban ngày và ban đêm, không bị hạn chế về thời gian ảnh hưởng của bức xạ mặt trời Nguyên lý của phương pháp này gồm tổ hợp đa kênh ảnh Kênh Tbb(IR1), hiệu số của 2 kênh ảnh Tbb(IR1) - Tbb(IR2) để loại bỏ mây Ci chứa các tinh thể đá, hiệu của 2 kênh ảnh hồng ngoại và kênh hơi nước Tbb(IR1)-Tbb(WV) để xác định mây có đặt tới đỉnh tầng đối lưu không Sau đó, thiết lập 3-D Look-up table (LUT) bằng cách so sánh các

dữ liệu mưa radar hoặc dữ liệu vệ tinh

 Phương pháp ước tính mưa từ vệ tinh radar

Nguyên lý hoạt động: tại những vệ tinh radar phát ra những dải sóng tới các đối tượng trên một phạm vi xác định Sau đó thu nhận tín hiệu phản hồi từ những đối tượng

đó, với mỗi giá trị sóng phát ra sẽ thu được giá trị khác nhau Khi đó hệ thống phân tích sẽ

vẽ lên và tính chênh lệch bước sóng và thời gian phản hồi từ đó có thể nhận định đối tượng [Hình 1.4]

Hình 1 4 Nguyên lý cơ bản ước tính lượng mưa từ radar thời tiết (Nguồn: [5])

Trong đó:

1) Là vệ tinh phát dải sóng tới đối tượng

2) Là sóng phản xạ từ đối tượng trở lại bộ phận thu nhận của vệ tinh

3) Sau khi dữ liệu được thu nhận nó truyền về trạm xử lý số liệu dưới mặt đất

4) Dữ liệu sẽ được phân tích xử lý để đưa ra bản đồ mưa từ dữ liệu thu được

Qua phần tổng quan các phương pháp quan trắc mưa hiện nay, có thể dễ dàng nhận thấy ưu điểm vượt trội của phương pháp đo mưa bằng vệ tinh Với mục đích nghiên cứu đặc điểm mưa ngày đêm của một khu vực trải dài theo kinh độ như các tỉnh ven biển miền Trung thì thực sự các phương pháp như radar hay trạm quan trắc truyền thống còn để lại nhiều hạn chế về mặt số liệu Do đó, trong luận văn này, phương pháp ước tính lượng mưa

từ ảnh mây vệ tinh được lựa chọn nhằm thực hiện được mục tiêu nghiên cứu một cách hiệu quả nhất

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Số liệu

2.1.1 Số liệu các đợt KKL ở khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng

Số liệu thống kê các đợt không khí lạnh ở Việt Nam được thực hiện bằng cách tổng hợp các thông tin được cung cấp trong tuyển tập Đặc điểm Khí tượng Thủy văn hàng năm

từ 2001-2018 [24]

Theo đó đặc điểm các đợt KKL ảnh hưởng đến khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng gây

ra mưa lớn diện rộng được tổng hợp, bao gồm các thông tin về: thời gian xuất hiện/kết thúc, cường độ mưa, hệ quả mưa và hình thế gây mưa

2.1.2 Nguồn số liệu mưa GSMaP (Global Satellite Mapping of Precipitation)

2.1.2.1 Mô tả chung

Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu-GSMaP là dự án được xúc tiến nhằm mục đích “Thành lập bản đồ lượng mưa toàn cầu với độ phân giải cao bằng dữ liệu vệ tinh”, được tài trợ bởi CREST thuộc Cơ quan Khoa học và Công nghệ Nhật Bản từ năm 2002- 2007 Đến năm

2007, các hoạt động của dự án GSMaP được thúc đẩy bởi nhóm khoa học JAXA PMM (JAXA Precipitation Measuring Mision), với 3 lần update thuật toán đáng kể tương ứng với 3 phiên bản 5, 6, 7 GSMaP được đưa vào hoạt động chính thức và cung cấp miễn phí

trên trang web [Hình 2.1]: http://sharaku.eorc.jaxa.jp/GSMaP/ [25]

GSMaP có hai sản phẩm bản đồ mưa toàn cầu với độ phân giải lần lượt là 0.1×0.1

độ kinh/vĩ độ và 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ; nguồn dữ liệu sản phẩm mưa được cung cấp theo giờ trong thời gian gần thực (khoảng bốn giờ sau khi quan sát) Thuật toán sử dụng tất cả dữ liệu đo bức xạ sóng microwave thụ động từ GPM-Core GMI, TRMM TMI, Aqua AMR-E, GCOM-W/AMSR2, DMSP với SSMI và SSMIS AMSU-A/-B và MHS của NOAA, AMSU-A và MHS của MetOp và ảnh IR địa tĩnh

Hình 2 1 Trang chủ sản phẩm mưa vệ tinh toàn cầu GSMaP và hình ảnh trích xuất

tương ứng cho khu vực Việt Nam lúc 06Z ngày 10/11/2019

Sản phẩm ảnh có độ phân giải 0.1 x 0.1 độ kinh/vĩ độ bao gồm 3600×1200 ô pixel bao phủ khu vực từ (60oN - 60oS; 0oE - 0oW) [Hình 2.2]; còn lưới 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ

cũng bao phủ khu vực như trên nhưng chỉ có 1440×480 ô pixel [Hình 2.3] Với nguồn dữ

liệu này ta có thể dùng để làm dữ liệu so sánh với các số liệu thực tế đo được ở trạm hoặc dùng nguồn ảnh trực tuyến để quan sát sự di chuyển của các đám mây, các khối không khí hay bão đang di chuyển nhằm phục vụ cho công tác dự báo mưa

Hình 2 3 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.25 ×0.25 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42])

Hiện nay, trong kho dữ liệu GSMaP cung cấp cho người dùng 5 kiểu dữ liệu khác nhau, bao gồm: “now”, “realtime”, “realtime_ver”, “riken_nowcast” và “standard” Mỗi loại dữ liệu sẽ phù hợp với những bài toán và ứng dụng khác nhau

Đồng thời, trong kho dữ liệu GSMaP đang để cùng lúc tồn tại 3 phiên bản, bao gồm:

 Tính toán bảng Look-up Table theo 6h

 Sử dụng dữ liệu dự báo toàn cầu của Cơ quan Khí tượng Nhật Bản để tính toán LUT cho sản phẩm GSMaP_NRT

 Cải tiến thuật toán ảnh microwave dựa trên thuật toán hiệu chỉnh mưa AMSR2, bao gồm thuật toán đất liền mới, sơ đồ phát hiện bờ biển,…

 Phát triển phương pháp điều chỉnh mưa địa hình đối với khu vực bờ biển

 Cập nhật dữ liệu database, bao gồm phát hiện mưa trên đất liền, dữ liệu phát thải

ở bề mặt đất được phát triển bởi team nghiên cứu Nhật Bản DPR/GMI…

 Phát triển thuật toán thám không microwave trên đất liền

 Phát triển thuật toán hiệu chỉnh mưa tại trạm trong sản phẩm tái phân tích

 Chi tiết thông tin đường dẫn và định dạng dữ liệu GSMaP sử dụng:

- Thông tin đường dẫn ftp đến kho dữ mưa giờ:

/standard/v6/hourly/YYYY/MM/DD/

Trong đó:

YYYY: 4 kí tự chỉ năm; MM: 2 kí tự chỉ tháng; DD: 2 kí tự chỉ ngày

- Một số lưu ý về giá trị khi xử lý dữ liệu GSMaP:

(âm) Tỷ lệ mưa giờ (mm/h)

-4 Lỗi giá trị băng biển trong thuật toán trích xuất mmicrowave -8 Lỗi giá trị nhiệt độ thấp trong thuật toán trích xuất microwave -99 Lỗi không có quan trắc từ IRR và/hoặc microwave

2.1.3.2 Đánh giá chất lượng dữ liệu GSMaP thông qua các nghiên cứu trong và ngoài nước

Như đã trình bày mục 2.1.1, dữ liệu mưa GSMaP là một trong số những nguồn vệ tinh cung cấp ảnh có độ phân giải tốt nhất hiện nay, với độ bao phủ gần như toàn cầu cung

cấp liên tục theo thời gian gần thực, GSMaP đã và đang nhận được rất nhiều sự quan tâm trên thế giới Cũng vì lẽ đó mà hàng loạt dự án, đề tài ứng dụng cần độ phân giải thời gian/không gian cao trong các lĩnh vực khí tượng, thủy văn đều nhắm tới GSMaP

Mưa là trường khí tượng rất khó ước tính, việc một vệ tinh thực hiện sứ mệnh đo mưa với độ phân giải cao như GSMaP là một thành công trong ngành khí tượng học Tuy nhiên, sai số vẫn luôn tồn tại, thậm chí mức độ sai số ở mỗi quốc gia, vùng miền, sai số trong hình thế gây mưa càng cho thấy sự chênh lệch Điều này cũng dễ hiểu bởi vì việc xác định cường độ mưa từ các cảm biến trên vệ tinh bị ảnh hưởng bởi nhiều nguồn sai số Bởi

lẽ, ngay cả khi đo đạc được tiến hành tại một điểm trên mặt đất còn tồn tại những hạn chế nhất định về tính đại diện không gian, thì việc đo đạc từ không gian càng làm tăng thêm nhiều vấn đề hơn nữa [13] Điều này đặt ra cho người sử dụng sản phẩm GSMaP nên có cái nhìn tổng quan về thực trạng đánh giá chất lượng của nó trước khi áp dụng các nghiên cứu tiếp theo

Năm 2009, tác giả Tian và cộng sự đã chỉ ra rằng: GSMaP có khả năng nắm bắt sự phân bố theo không gian tương đối tốt, đặc biệt trong mùa hè và ước lượng lượng mưa ở vùng bờ đông Hoa Kỳ tốt hơn vùng bờ tây của Hoa Kỳ [40] Tuy nhiên cũng giống như các sản phẩm vệ tinh khác, GSMaP thường cho lượng mưa thiên cao vào mùa hè và thiên thấp vào mùa đông

Theo Kubota và ccs (2009) [36] lượng mưa truy xuất được từ GSMaP thường cho kết quả tốt trên đại dương và kém trên các khu vực vùng núi, đồng thời đánh giá các kiểu

số liệu GSMaP tháng, ngày, và 3 giờ một cũng cho thấy sự có tương quan cao với số liệu tại trạm quan trắc Đánh giá số liệu tháng GSMaP ở Nhật Bản, tác giả Seto (2009) [37] cho rằng GSMaP nắm bắt mưa khá tốt và do đó có thể dùng một cách hiệu quả trong việc xác định và cảnh báo lũ

Hay như tác giả Fu và ccs (2011) [33] khi đánh giá độ chính xác của dữ liệu GSMaP theo ngày, tháng và năm ở khu vực hồ Poyang, Trung Quốc cho rằng GSMaP ước tính thiên thấp hơn so với quan trắc, sai số nhìn chung có thiên hướng giảm trong các tháng mùa mưa và tăng dần lên trong các tháng mùa khô

Nghiên cứu của Chen và cộng sự (2015) [31] thực hiện đánh giá GSMaP-V4 và GSMaP-V5 cho vùng lục địa Trung Quốc khẳng định sản phẩm mưa vệ tinh có thể nắm bắt được các hình thế theo không gian và cường độ mưa trung bình ngày Kết quả đánh giá cho thấy cả 2 phiên bản của GSMaP đều cho giá trị mưa thấp hơn so với quan trắc, đồng thời khả năng nắm bắt của GSMaP thể hiện trong mùa hè tốt hơn so với mùa đông, vùng đông nam tốt hơn so với vùng tây bắc của Trung Quốc

Ở Việt Nam cũng đã có những nghiên cứu khai thác và đánh giá chất lượng nguồn

số liệu vệ tinh này Tiêu biểu vào năm 2013, tác giả Ngô Đức Thành và ccs đã đánh giá GSMaP tháng cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ở miền Trung Việt Nam trong giai đoạn 2001-2007 [41] Kết quả cho thấy số liệu vệ tinh có sai số âm lớn trong thời kỳ gió mùa mùa đông từ tháng 10 đến tháng 12, sai số giảm đi khi độ cao địa hình tăng lên, nghĩa là sai số lớn hơn xảy ra ở các trạm vùng hạ lưu gần biển

Năm 2015, trong luận văn thạc sỹ của mình, tác giả Nguyễn Thị Bắc nhận định rằng: sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP nhìn chung nắm bắt được các dao động theo mùa của lượng mưa quan trắc được tại trạm mặt đất, ngoại trừ một số trạm ven biển miền Trung Việt Nam [3] GSMaP đã chỉ ra được các vùng mưa lớn như Bắc Quang (Hà Giang), Thừa Thiên Huế

và các vùng mưa nhỏ ở Móng Cái (Quảng Ninh), vùng mưa ở khu vực Tây Nguyên GSMaP cho thấy khả năng nắm bắt được biến trình mưa theo mùa và sự dịch chuyển mưa theo vĩ độ, biến trình mưa, xu thế lượng mưa trên bảy vùng khí hậu khá tốt Tuy nhiên, nhìn chung GSMaP thường cho lượng mưa ước lượng thấp hơn so với quan trắc

Một nghiên cứu mới gần đây của nhóm tác giả Vũ Thu Hằng và cs (2018) [9] cho rằng: số liệu GSMaP có sự phù hợp với số liệu thực đo tại 10 trạm ở khu vực Trung Bộ, đặc biệt là tháng bắt đầu có lượng mưa trên 100mm và tháng có lượng mưa lớn nhất ở hầu hết các trạm Tuy nhiên, thời gian kéo dài những tháng mưa trên 100mm của số liệu GSMaP thường ngắn hơn từ 1-2 tháng so với quan trắc Từ tháng X đến tháng XII tại hầu hết các trạm, ước lượng mưa từ GSMaP đều thấp hơn nhiều so với quan trắc Đánh giá trên chuỗi

số liệu lượng mưa ngày cho thấy giá trị tương quan thấp chủ yếu rơi vào tháng I và II

Bên cạnh các nghiên cứu khí tượng, nguồn số liệu GSMaP còn được nhiều chuyên gia thủy văn sử dụng để làm đầu vào cho các mô hình tính toán, nhằm mô phỏng và dự báo dòng chảy trên lưu vực (Nguyễn Thanh Sơn và cs (2015) [15], Ngô Văn Dương (2015) [5]…) Trong bài toán mô phỏng và dự báo dòng chảy lũ đến hồ chứa Sơn La, tác giả Ngô Văn Dương (2015) [5] chỉ ra rằng: số liệu GSMaP tại các trạm tính toán cho kết quả tốt,

do đó GSMaP hoàn toàn có thể ứng dụng để làm dữ liệu đầu vào cho các mô hình dòng chảy, khôi phục dữ liệu mưa bị thiếu, đánh giá mưa trong thời đoạn từng giờ

Qua việc tìm hiểu nguồn dữ liệu vệ tinh GSMaP cũng như chất lượng của nó qua các nghiên cứu ứng dụng trong và ngoài nước, GSMaP hứa hẹn sẽ mang lại cho nghiên cứu nhiều kết quả, đánh giá có tính khách quan trong việc phân tích đặc điểm biến trình mưa

đi kèm KKL ảnh hưởng đến khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng Chính vì vậy, nghiên cứu này quyết định lựa chọn sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP với độ phân giải 0.1x0.1 độ kinh/vĩ độ

và độ phân giải thời gian 1 giờ để làm số liệu đầu vào; thời đoạn tính toán kéo dài trong vòng 18 năm từ năm 2001 đến năm 2018

2.2 Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên nguồn số liệu được chọn và mục đích nghiên cứu về đặc điểm của các đợt mưa lớn diện rộng chịu tác động đi kèm của KKL nên các phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm:

- Phương pháp thống kê: Tổng hợp, thống kê số liệu của tất cả các đợt mưa lớn diện rộng xảy ra do tác động của KKL từ Thanh Hóa- Đà Nẵng xảy ra giai đoạn 2001-

2018 Tính toán các đặc điểm về tần suất mưa và cường độ mưa ở khu vực

- Phương pháp viễn thám: Chiết suất số liệu, phân tích và giải đoán mưa từ ảnh mưa

vệ tinh GSMaP theo khu vực nghiên cứu

Sơ đồ tiếp cận đề tài nghiên cứu được thể hiện ở Hình 2.4