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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - TRẦN THỊ KIM DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA DO KHƠNG KHÍ LẠNH CHO KHU VỰC TRUNG BỘ BẰNG DỮ LIỆU VỆ TINH GSMAP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - TRẦN THỊ KIM DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA DO KHƠNG KHÍ LẠNH CHO KHU VỰC TRUNG BỘ BẰNG DỮ LIỆU VỆ TINH GSMAP Chuyên ngành: Khí tượng học Mã số: 8440222.01 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 công tác Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, cô trực tiếp bảo tận tình, định hướng chủ đề cách tiếp cận nghiên cứu, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình làm luận văn Em cảm ơn cô kiến thức quý báu, lời khuyên lời góp ý chân thành để giúp em hồn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy Khoa Khí tượng – Thủy văn Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nhiệt tình giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức chuyên ngành chuyên sâu trình học tập Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè đặc biệt công ty WeatherPlus nơi em làm việc giúp đỡ, động viên tạo điều kiện tốt cho em suốt trình học tập làm luận văn Dù em cố gắng nhiều tránh thiếu sót, mong thầy bạn có ý kiến đóng góp để luận văn trở nên hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Trần Thị Kim Dung MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặc điểm chung khơng khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam 1.2 Một số cơng trình nghiên cứu giới Việt Nam đặc điểm biến trình ngày đêm mưa 11 1.2.1 Trên giới 11 1.2.2 Tại Việt Nam 15 1.3 Các phương pháp quan trắc mưa 21 1.3.1 Đo mưa trạm quan trắc mặt đất 21 1.3.2 Đo mưa hệ thống radar thời tiết 22 1.3.3 Đo mưa vệ tinh 24 CHƯƠNG SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Số liệu 29 2.1.1 Số liệu đợt KKL 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 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH 40 3.1 Phân bố đợt mưa lớn diện rộng xảy từ năm 2001-2018 khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 40 3.2 Sự phân bố đặc điểm mưa theo không gian 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 tần suất mưa PF 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 tần suất mưa cường độ mưa trung bình 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 Bản đồ phân bố trạm radar Việt Nam 23 Hình Vệ tinh địa tĩnh vệ tinh quỹ đạo cực (Nguồn: [16]) 24 Hình Hệ thống quan trắc khơng gian tồn cầu WMO (Nguồn: [26]) 25 Hình Nguyên lý ước tính lượng mưa từ radar thời tiết (Nguồn: [5]) 28 Hình Trang chủ sản phẩm mưa vệ tinh tồn cầu GSMaP hình ảnh trích xuất tương ứng cho khu vực Việt Nam lúc 06Z ngày 10/11/2019……………………………………30 Hình 2 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.1×0.1 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) 30 Hình Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) 31 Hình Sơ đồ tiếp cận đề tài nghiên cứu 36 Hình Sơ đồ mơ tả q trình xử lý liệu phương pháp viễn thám 39 Hình Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy tác động KKL từ năm 20012018 khu vực Thanh Hố- Đà Nẵng………………………………………………….40 Hình Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy tác động KKL theo tháng từ năm 2001-2018 khu vực Thanh Hoá- Đà Nẵng 41 Hình 3 Sự phân bố theo khơng gian tần suất mưa trung bình PF khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 47 Hình Sự phân bố theo khơng gian cường độ mưa trung bình 53 Hình Sự dịch chuyển PF theo phương vĩ độ 58 Hình Sự dịch chuyển PI theo phương vĩ độ 62 Hình Sự dịch chuyển PF theo phương kinh độ 67 Hình Sự dịch chuyển PI theo phương kinh độ 71 Hình Tần suất mưa trung bình tỉnh từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng 73 Hình 10 Phân bố tần suất xuất mưa vị trí pixel tính từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng (Lưu ý: Số thứ tự ô pixel gán theo nguyên tắc không gian từ trái sang phải từ xuống dưới) 73 Hình 11 Cường độ mưa trung bình khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng 75 Hình 12 Cường độ mưa trung bình tỉnh Thanh Hóa-Đà Nẵng 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Tần số KKL trung bình xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [6]) Bảng Chế độ mùa mưa cực đại mưa vùng khí hậu Việt Nam (Nguồn: [14]) 18 Bảng Thống kê số đợt mưa lớn tần suất xuất mưa theo hình thời tiết khu vực Bắc Nam Đèo Ngang…………………………………………………………… 42 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa GEO Geostationary Earth Orbiting: Vệ tinh địa tĩnh GMĐB Gió mùa Đơng Bắc GSMaP Global Satellite Mapping of Precipitation: Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu GVN Giờ Việt Nam IR Infrared: Hồng ngoại ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới JJA June-July-August: Tháng 6, 7, KKK Khối khơng khí KKL Khơng khí lạnh KKLTC Khơng 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 Khí Hoa Kỳ Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using PERSIANN Artificial Neural Networks: Ước tính lượng mưa cơng nghệ viễn thám sử dụng phương pháp mạng thần kinh nhân tạo PF Tần suất mưa PI Cường độ mưa Tbs Nhiệt độ chói TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission: Sứ mệnh đo mưa miền nhiệt đới VBLV Tốc độ gió trạm Bạch Long Vĩ VIS Visible: Thị phổ WMO World Meteorological Organization: Tổ chức Khí tượng Thế giới MỞ ĐẦU Khơng khí lạnh số hình thời tiết điển hình, chi phối đến thời tiết, khí hậu Việt Nam mùa đơng, vùng khí hậu miền Bắc nước ta Khối khơng khí có nguồn gốc từ xâm nhập xuống phía Nam áp cao lạnh lục địa có đặc tính lạnh khơ, đến Việt Nam khối khí bị biến tính nhiều tương phản nhiệt độ KKL với nhiệt độ nước ta trước sau mặt front mạnh Chính bất ổn định khí gây chuyển động thăng cưỡng phía trước front, tạo thành mây, mưa; đặc biệt gây mưa rào tượng thời tiết cực đoan dông, tố, lốc, mưa đá Với thời gian hoạt động kéo dài từ tháng đến tháng năm sau, khả gây mưa rào dông đơn cho khu vực ảnh hưởng, tạo đợt mưa lớn diện rộng tỉnh miền Bắc, đặc biệt khu vực miền Trung Việt Nam Điều ảnh hưởng lớn đến đời sống sinh hoạt người dân, hoạt động sản xuất, kinh doanh, ví dụ: sản xuất nơng nghiệp, hoạt động đánh bắt thủy hải sản… Mưa đại lượng đánh giá phức tạp phụ thuộc vào nhiều yếu tố (địa hình, mặt đệm, hồn lưu khí quyển, hồn lưu địa phương…), mưa lớn hình thời tiết đánh giá nguy hiểm gây lũ ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất v.v Với đặc tính hệ thống gây mưa có tính tuần hồn, ổn định thường xun, xét khía cạnh nào, mưa khơng khí lạnh phần mang đến nét riêng biệt, tạo nên chu kỳ đặc trưng hệ thống ảnh hưởng Ngoài việc xác định xu phát triển, cường độ khả trì ảnh hưởng KKL đến vùng nước ta việc nắm bắt đặc điểm biến trình ngày đêm mưa (tần suất, cường độ mưa) có vai trò đặc biệt quan trọng việc cảnh báo dự báo thời tiết Việc xác định thời gian địa điểm thường xảy cực đại mưa KKL giúp cải thiện đáng kể khả dự báo mưa cho khu vực, tỉnh Dải đất miền Trung khu vực có mùa mưa lệch thiên mùa đơng, gần trùng với bắt đầu hoạt động hệ thống gió mùa mùa đơng Việt Nam Với đặc điểm địa hình có dãy Trường Sơn trấn giữ phía Tây, hướng sơn văn Tây Bắc - Đơng Nam kết hợp dãy núi chạy ngang đâm biển tạo bẫy mưa đích thực, khiến cho đặc điểm mưa phức tạp lại phức tạp Rất nhiều nghiên cứu khẳng định tác động gây mưa lớn diện rộng không khí lạnh tổ hợp khơng khí lạnh khu vực phức tạp nơi có tần suất xuất nhiều (Nguyễn Khanh Vân cộng (2004, 2012, 2013), Nguyễn Văn Hưởng (2012)…) Đây động lực lớn cho việc tìm hiểu rõ đặc điểm mưa hệ thống thời tiết khu vực Trung Bộ Sự phát triển ngày vượt bậc lĩnh vực khoa học công nghệ, đặc biệt việc cho đời vệ tinh giám sát có khả nắm bắt mơ tả tốt diễn biến thời tiết với độ xác độ phân giải cao góp phần quan trọng việc cung cấp nguồn liệu khách quan, đáng tin cậy cho nghiên cứu nói chung nghiên cứu khí tượng nói riêng Với nguồn liệu vệ tinh có độ phân giải cao cung cấp miễn phí tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu đặc điểm mưa khơng khí lạnh Chính lẽ đó, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đặc điểm mưa khơng khí lạnh khu vực Trung Bộ liệu vệ tinh GSMaP” để làm luận văn thạc sỹ Bố cục luận văn bao gồm: Mở đầu, Chương 1, 2, Kết luận Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu, trình bày cách tổng quan đặc điểm KKL ảnh hưởng đến Việt Nam Xu nghiên cứu mưa nước Giới thiệu phương pháp xác định mưa, đặc biệt công nghệ viễn thám Chương 2: Số liệu phương pháp nghiên cứu, tập trung mơ tả nguồn liệu cách xử lý liệu mưa từ sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP Các đánh giá chất lượng liệu GSMaP nước, đồng thời nêu phương pháp tiếp cận giải vấn đề Chương 3: Kết phân tích Kết nghiên cứu phân tích dựa thống kê độc lập đợt mưa lớn diện rộng tác động khơng khí lạnh khu vực Trung Bộ Sự phân bố theo không gian, thời gian đặc điểm đường biến trình mưa 24 đánh giá, phân tích chuỗi số liệu GSMaP thể trực quan đồ, hình vẽ bảng biểu 68 69 70 Hình Sự dịch chuyển PI theo phương kinh độ 71 Phân tích Hình 3.8 dịch chuyển PI theo kinh độ ta thấy rằng:  Từ kinh độ khoảng (103.8-105.5 oE), giá trị PI dao động ngưỡng tương đối nhỏ từ 0.1-2mm/h  Từ kinh độ khoảng (105.3-106.5 oE): PI tăng mạnh, dao động từ 1-5 mm/h, tăng mạnh khoảng (105.7-106.5 oE) đạt cực đại lúc kinh độ (106.0-106.35 oE) với giá trị PI 5mm/h  Từ kinh độ khoảng (106.5-107 oE), PI có giảm nhanh  Từ kinh độ khoảng (107.2-108 oE), PI có xu hướng tăng nhẹ trở lại, dao động ngưỡng từ 1-4mm/ đạt đỉnh lần lúc 9h kinh độ 108 oE với giá trị ~3.8mm/h Qua phân tích dịch chuyển PF PI theo phương kinh độ ta rút kết luận sau:  Từ kinh độ khoảng (104.0- 105.5 oE), tương đương với phần phía tây ba tỉnh Thanh Hóa-Nghệ An-Hà Tĩnh PF PI nhỏ nhỏ so với phần lại  Từ kinh tuyến 105.5 oE, PF PI tăng mạnh Trong PF tiếp tục tăng kinh tuyến 108 oE đạt cực đại khoảng (107.3-108.0 oE) PI lại có biến động theo khơng gian nhiều PI đạt cực đại kinh độ 106.0-106.35 oE, sau giảm dần, đến kinh tuyến 107.2 oE tăng nhẹ trở lại, đạt đỉnh lần kinh tuyến 108 oE  Từ kinh độ khoảng (108-108.3 oE), PF PI có giảm dần 3.4 Biến trình ngày đêm tần suất mưa cường độ mưa trung bình khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng 3.4.1 Tần suất mưa trung bình PF Phân tích Hình 3.9 tần suất mưa trung bình khu vực ta thấy rằng:  Càng tiến tỉnh phía Nam khả xuất mưa cao, tần suất mưa lớn dần Điều thể rõ qua đồ khơng gian phân tích mục 3.2 đồ phân bố số lần xuất mưa vị trí pixel Hình 3.10, 72 mà số điểm pixel có mưa phần phía nam ô thứ 225 gần gấp đôi so với phần trước pixel Hình Tần suất mưa trung bình tỉnh từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng Hình 10 Phân bố tần suất xuất mưa vị trí pixel tính từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng (Lưu ý: Số thứ tự ô pixel gán theo nguyên tắc không gian từ trái sang phải từ xuống dưới) 73  Phân tích đường biến trình ngày đêm giá trị tần suất mưa tỉnh nghiên cứu nhận thấy: đường PF tỉnh thể tương đối phức tạp dàn trải, giá trị cực đại khơng chênh lệch nhiều so với đỉnh phụ khác ngày Nhìn chung, PF biểu diễn rõ cực đại, xảy vào đêm muộn từ 21 đến 00 ngày hôm sau, với giá trị PF đạt ngưỡng > 40% Một cực đại khác xuất vào buổi trưa từ 10-11 với giá trị PF ~ 40% Sự chênh lệch thời điểm xảy cực đại mưa tháng có ảnh hưởng KKL nguyên nhân khiến cho giá trị cực đại mưa PF PI khu vực nghiên cứu khơng có khác biệt nhiều so với cực đại phụ khác ngày Theo tác giả Hirose cs (2005) [35]: Trong khoảng thời gian từ tháng đến tháng 11, xuất cực đại mưa chủ yếu xảy vào tối muộn Đặc điểm tương đồng với luận văn, tìm thấy nhiều nơi vực châu Á, ví dụ: khu vực vùng núi phía đơng lưu vực SumatraIndonesia, lưu vực Tứ Xuyên-Trung Quốc phần Ấn Độ Đối với khu vực phía bắc đơng vịnh Bengal, cực đại mưa tìm thấy kéo dài từ 02-08 địa phương Từ khoảng tháng đến tháng 5, với đặc trưng giai đoạn chuyển tiếp từ thời kỳ mùa đông sang thời kỳ mùa hè, cực đại lượng mưa ngày khu vực châu Á lại có xu hướng tập trung xuất nhiều từ chiều đêm Ví dụ phần phía đơng cao ngun Tây Tạng vùng đất liền nhiệt đới với cực đại mưa xảy từ 14-22 địa phương; khu vực Tứ Xuyên với đỉnh đạt muộn từ 18 đến 02 địa phương 3.4.2 Cường độ mưa trung bình PI Đặc điểm cường độ mưa trung bình PI phân tích chi tiết thơng qua Hình 3.11, 3.12 3.13 Qua phân tích ta nhận thấy rằng:  Cường độ mưa trung bình PI khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng đạt cực đại vào ban đêm khoảng 22 Việt Nam với ngưỡng giá trị đạt ~1.8 mm/h Một cực đại phụ khác xuất vào buổi sáng từ 6h đến 7h với PI dao động 74 ngưỡng 1.6 mm/h Cường độ mưa giảm nhanh vào ban ngày, từ khoảng 9h sáng đến 19h tối, với cực tiểu xảy lúc 16h [Hình 3.11] Hình 11 Cường độ mưa trung bình khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng  Phân tích cụ thể đường biến trình PI tỉnh [Hình 3.12] ta thấy rằng: Cường độ mưa lớn thường dịch tỉnh phía Nam khu vực nghiên cứu Nếu Thanh Hóa Nghệ An cho thấy đường biến trình thay đổi, dàn trải với giá trị PI thấp dao động