Giáo trình Khí tượng radar – Nguyễn Hướng Điền, Tạ Văn Đa – HUS

B»ng m¾t th­êng, theo dâi tÝnh liªn tôc theo kh«ng gian hoÆc thêi gian cña c¸c ®¸m ph¶n håi cña mét môc tiªu, ta còng cã thÓ ph¸t hiÖn ra hiÖn t­îng nµy... Khóc x¹ tia quÐt cña radar v[r]

đại học quốc gia hà nội

trường đại học khoa học tự nhiên

-

nguyễn hướng điền (chủ biên) - Tạ văn đa

khí tượng radar

lời nói đầu

Giỏo trỡnh Khí tượng radar đời nhằm đáp ứng nhu cầu giảng dạy môn học tên trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia Hà Nội

Tồn giáo trình gồm chương Bốn chương đầu bao hàm kiến thức sở khí tượng radar Chương cuối đưa số ảnh hiển thị radar mà thu thập phân tích chúng phần thực hành phân tích ảnh dựa kiến thức lí thuyết học Chương phần mở giáo trình, tức thay đổi, bổ sung theo ý người dạy Các ảnh chương ảnh màu cho nên, để thuận lợi cho việc in ấn, ghi đĩa CD kèm với giáo trình Chương TS Tạ Văn Đa viết thảo, chương lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền viết Việc sửa chữa biên tập lại PGS TS Nguyễn Hướng Điền đảm nhiệm Tuy nhiên, trình biên soạn, tác giả ln có bàn bạc, góp ý cung cấp thêm tư liệu cho Một số hình ảnh sử dụng giáo trình TS Tạ Văn Đa sưu tầm thu thập từ trạm radar thời tiết Việt Nam

Giáo trình dùng làm tài liệu tham khảo cho học viên cao học nghiên cứu sinh muốn tìm hiểu khí tượng radar

Khi biên soạn giáo trình, chúng tơi cố gắng trình bày theo phương châm “cơ bản, đại, Việt Nam”

Giáo trình qua số vòng giảng dạy, rút kinh nghiệm bổ sung Để hồn thành giáo trình, chúng tơi nhận hỗ trợ trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, giúp đỡ quí báu bạn đồng nghiệp trường Đài Khí tượng Cao khơng thuộc Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn Quốc gia, Bộ Tài nguyên Môi trường, đặc biệt TS Nguyễn Thị Tân Thanh, TS Trần Duy Sơn cung cấp nhiều hình ảnh tài liệu để chúng tơi hồn thành giáo trình Chúng tơi xin chân thành cảm ơn

Giáo trình khơng tránh khỏi cịn nhiều khiếm khuyết, mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc.

Các tác giả

Mục lục

lời nói đầu

Mục lục

Chương

Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vơ tuyến

1.1 Sóng điện từ lan truyền sóng điện tõ kh«ng gian

1.2 Radar ứng dụng đời sống 11

1.3 Giíi thiệu cấu tạo thông số kĩ thuật cđa radar thêi tiÕt 12

1.4 Thể tích xung mật độ lượng sóng xung phát 20

1.5 Các kiểu phản hồi 22

1.6 Mc tiêu khí tượng 22

1.7 Phương trình radar mục tiêu điểm mục tiêu khí tượng mơi trường khơng hấp thụ tán xạ sóng điện từ 24

1.8 Phương trình radar Probert-Jones 28

1.9 Phương trình radar đơn giản Độ suy yếu độ truyền qua 29

1.10 Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến công suất 31

1.11 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơng suất sóng thu 33

1.12 Quan hệ tần số lặp xung khoảng cách quan trắc tối đa 36

1.13 Hiện tượng “khoảng cách ảo” 37

1.14 HiƯu øng bóp sãng phơ 40

1.15 Khúc xạ tia quét radar tượng lớp dẫn sóng 41

1.16 Phương trình quĩ đạo sóng 42

1.17 Sai số khoảng cách độ phân giải khoảng cách 45

1.18 Sai số góc hướng độ phân giải theo góc hướng 46

1.19 Dải sáng 48

Chng 52

phân tích Gió Doppler số sản phẩm radar Doppler 52

2.1 Giíi thiƯu chung 52

2.2 Ngun lí đo tốc độ gió radar Doppler 52

2.3 §é réng phỉ Doppler 56

2.4 Tốc độ ảo 60

2.5 Dữ liệu Doppler khoảng cách ảo Nhận biết xử lí ảnh hưởng liệu khoảng cách ảo 62

2.6 Giải tình “tiến thối lưỡng nan” radar Doppler 64

2.7 Mở rộng giới hạn đo xác tốc độ khoảng cách 65

2.8 Xác định hướng tốc độ gió 69

2.9 Xác định vùng xốy, phân kì hội tụ gió 74

2.10 Quét khối sản phẩm radar Doppler 77

2.11 Các sản phẩm dẫn xuất cđa phÇn mỊm EDGETM 78

Chương 93

3.1 Một số kiến thức vÒ m­a 93

3.2 Sử dụng radar để phát mưa 99

3.3 Sử dụng radar để ước lượng mưa 100

3.4 Dự đoán mưa đá radar có hai bước sóng 106

3.5 Các nguyên nhân gây sai số ước lượng mưa 107

3.6 Biến đổi profile độ phản hồi theo khoảng cách 111

3.7 Hiệu chỉnh ước lượng mưa radar theo số liệu đo mưa mặt đất 113

Chương 117

nhận biết mục tiêu khí tượng radar thời tiết 117

4.1 Nhận biết loại mây qua độ phản hồi vô tuyến radar 117

4.2 Nhận biết tượng đứt thẳng đứng gió qua số liệu radar khơng Doppler 121

4.3 Nhận biết tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (dơng, tố, lốc, vịi rồng) 122

4.4 Nhận biết bão 131 Chương Error! Bookmark not defined.

ph©n tích ảNH HIểN THị RAĐA Error! Bookmark not defined.

5.1 Phân tích ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler Error! Bookmark not defined.

5.2 Giíi thiệu sản phẩm radar Doppler Error! Bookmark not defined.

5.3 ảnh hiển thị mây mưa đối lưu radar Nha Trang Error! Bookmark not defined.

5.4 ảnh hiển thị trường hợp xảy vào đầu mùa hè Guam Error! Bookmark not defined.

5.5 H×nh thÕ giã biĨn Error! Bookmark not defined.

5.6 Sù bïng ph¸t cđa giã mïa t©y-nam Error! Bookmark not defined.

5.7 Phân tích mặt cắt tốc độ gió Error! Bookmark not defined.

5.8 Phân tích sản phẩm ETOP VIL Error! Bookmark not defined.

5.9 Sự tan rã đối lưu diện rộng Error! Bookmark not defined.

5.10 ¶nh ph¶n håi tõ biĨn Error! Bookmark not defined.

5.11 Xốy thuận nhiệt đới Error! Bookmark not defined.

5.12 Bão nhiệt i Error! Bookmark not defined.

5.13 Lốc vòi rång Error! Bookmark not defined.

5.14 Front Error! Bookmark not defined.

Chương

Radar thời tiết nguyên lí đo cường độ phản hồi vơ tuyến

1.1.Sãng ®iƯn tõ lan truyền sóng điện từ không

gian

1.1.1.Dao động điện từ sóng điện từ

Chúng ta có khái niệm trường điện từ Muốn từ đến khái niệm sóng điện từ cần phải thơng qua khái niệm dao động điện từ

Hình 1.1. Khung dao động

NÕu hai b¶n cđa tụ điện mở rộng dần ra, sóng điện từ lan truyền từ sang qua khoảng không gian rộng (hình 1.3a) Khi hai tơ ®iƯn

rời xa chúng trở thành anten phát anten thu (hình 1.3b) nơi phát, người ta phải có riêng phận tạo trì dao động (hình 1.3c) bù lại tổn hao mạch

Một thông số đặc trưng dao động điện từ hay sóng điện từ chu kì dao động Trong vơ tuyến điện, chu kì dao động thường thay đổi từ 10-6 đến

10-10 s Những dao động có chu kì ngắn thường gọi dao động cao

tần, nghĩa có tần số cao Theo cơng thức (1.1), ứng với dao động có chu kì T = 10-6

s tần số f = 106 Hz hay MHz; ứng với dao động có chu kì T = 10-7 s tần số f =

10 MHz

Sóng điện từ lan truyền chân không theo quỹ đạo thẳng với tốc độ tốc độ ánh sáng c ( 3.108 m/s)

Sóng điện từ, ngồi chu kì dao động T tần số f, đặc trưng độ dài bước sóng  Độ dài bước sóng khoảng cách mà sóng điện từ lan truyền thời gian chu kì Như vậy:

f c cT

λ   (1.1)

Trong thơng tin vơ tuyến, người ta sử dụng sóng điện từ có tần số hàng ngàn Hz trở lên, gọi sóng vơ tuyến Phổ tần số sóng vơ tuyến chia bảng 1.1

Bảng 1.1. Tên gọi, bước sóng tần số dải sóng vơ tuyến

TT Tên gọi Bước sóng Tần số

1 Sãng cùc dµi vµ dµi 100 km- km kHz - 100 kHz

2 Sãng trung 50 m - km MHz - 100 kHz

3 Sãng ng¾n 10 m - 50 m 30 MHz - MHz

4 Sãng mÐt m - 10 m 300 kHz - 300 kHz

5 Sóng đề xi mét 0,1 m - m GHz -3 GHz

6 Sãng cen ti mÐt - 10 cm 30 GHz - GHz

7 Sãng mi li mÐt - 10 mm 300 GHz – 30 GHz

Ngoài chiến tranh, để đảm bảo bí mật, dải sóng cực ngắn dùng cho radar, người ta dùng chữ để phân chia thành băng sóng L, S, X Sau tiếp tục sử dụng phân chia (bảng 1.2)

Bảng 1.2. Tên gọi, bước sóng tần số số dải sóng cực ngắn dùng cho radar

TT Tên gọi Bước sóng Tần số

1 Băng L 30 cm - 15 cm GHz - GHz

2 Băng S 15 cm - cm GHz - GHz

3 Băng C cm - cm GHz GHz

4 Băng X cm - 2,5 cm GHz 12 GHz

5 Băng Ku 2,5 cm - 1,7 cm 12 GHz – 17 GHz

1.1.2.Sự tán xạ sóng điện từ

Nếu đường lan truyền, sóng điện từ gặp vật thể mà tính chất điện (hằng số điện môi hệ số từ thẩm) khác với môi trường truyền bề mặt vật thể xuất dòng điện cảm ứng biến thiên mà tần số tần số sóng Các dịng điện tạo sóng điện từ thứ cấp lan truyền hướng phần theo hướng ngược lại phía sóng tới Đó tượng tán xạ phản xạ sóng điện từ Các vật thể nói gọi mục tiêu

Với lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu không đổi, lượng phản xạ phía radar phụ thuộc vào kích thước, tính chất, hình dáng bố trí mục tiêu Thơng thường để sử dụng tính tốn đánh giá độ phản xạ mục tiêu người ta đưa đại lượng đo, diện tích tán xạ hiệu dụng Mỗi mục tiêu đặc trưng diện tích tán xạ hiệu dụng Diện tích tán xạ hiệu dụng mục tiêu diện tích mặt phản xạ lí tưởng đặt vng góc với đường truyền sóng phản xạ lượng sóng chiếu vào hướng, tạo điểm thu lượng sóng điện từ lượng thực tế nhận điểm thu

Diện tích tán xạ hiệu dụng đo m2 (hoặc cm2), phụ thuộc vào kích thước,

hình dạng tính chất mục tiêu Nó khơng phụ thuộc vào lượng sóng tới khoảng cách đến mục tiêu Thơng thường diện tích tán xạ hiệu dụng xác định phương pháp thực nghiệm

1.1.3.Hiện tượng khúc xạ sóng điện từ

Sóng điện từ lan truyền chân khơng với quỹ đạo thẳng có tốc độ không đổi, tốc độ ánh sáng Nhưng mơi trường khơng khí mơi trường vật chất bất kì, sóng điện từ lan truyền với tốc độ nhỏ quỹ đạo bị uốn cong Trong điều kiện bình thường khí quyển, sóng truyền ngang, quỹ đạo cong phía mặt đất độ cong 1/4 độ cong bề mặt trái đất Hiện tượng gọi tượng khúc xạ sóng điện từ Tỉ số tốc độ truyền sóng chân khơng tốc độ truyền sóng cho mơi trường gọi số khúc xạ môi trường:

v c

n , (1.2)

trong đó:

n số khúc xạ thực (chiết suất) môi trường c tốc độ truyền sóng chân khơng

v tốc độ truyền sóng mơi trường

Trong lí thuyết, người ta thường sử dụng số khúc xạ phức m mơi trường tính cơng thức:

m = n + i k , (1.3)

k - phần ảo số khúc xạ phức, đặc trưng cho mức độ hấp thụ sóng mơi trường

Trong mơi trường khơng khí, độ cao mực nước biển số khúc xạ n có giá trị vào khoảng 1,0003 Trong điều kiện khí tượng bình thường, số khúc xạ n giảm dần từ 1,0003 sát mặt đất 1,000 tầng khí Thơng thường có giảm độ cao tăng lên Để tiện tính tốn, người ta chuyển đổi số khúc xạ sang khái niệm khác, độ khúc xạ (hay số khúc xạ qui đổi) N, xác định sau:

N = (n-1) 106 (1.4)

Chỉ số khúc xạ qui đổi độ khúc xạ khí tự phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ khơng khí áp suất nước khí sau:

) T

e 4810 p ( T

6 , 77

N  , (1.5) đó:

T nhiệt độ khơng khí tính độ Kelvin; p áp suất khí quyển, tính hPa; e áp suất nước, tính hPa

Trong tầng đối lưu thường ta tính N nhờ số liệu thám khơng

1.1.4.Sù suy u sãng ®iƯn tõ lan trun khÝ qun

Sự suy yếu sóng điện từ khí chủ yếu tượng hấp thụ tượng tán xạ (bao gồm tượng phản xạ) gây dải sóng centimet trở lên, hấp thụ khơng khí khơng đáng kể, suy yếu mây giáng thuỷ cần phải tính đến tồn dải sóng có bước sóng 10 cm, đặc biệt sóng cm cm

1.1.4.1.Sù suy u kh«ng khÝ

Khơng khí chứa nitơ, ôxy, hyđrô, nước khí khác Suy yếu sóng điện từ nitơ khí khác khơng đáng kể, suy yếu nước ơxy cần phải tính đến Hình 1.4 cho thấy suy yếu sóng điện từ ôxy nước, đồng thời cho thấy phụ thuộc vào tần số sóng Từ hình vẽ thấy rằng, suy yếu khơng đáng kể dải tần số thấp 16 GHz Tất nhiên nước đậm đặc độ suy yếu lớn

Chú ý độ suy yếu tính dB/km, sóng lan truyền quãng đường 100 km suy yếu đáng kể

1.1.4.2.Sù suy yÕu m©y

nhiệt độ mây phụ thuộc vào trạng thái mây (nước hay mưa đá) Đối với trạng thái đá mây, suy yếu nằm dải 0,0006 đến 0,09 dB/km Hiển nhiên, ta thấy độ suy yếu sóng đá nhỏ nước Với mây nước, độ suy yếu sóng khơng thể bỏ qua cỏc súng dựng radar

Bảng 1.3 Độ suy yếu mây (dB/km)/(g/m) Theo Gunn East, 1954

Bước sóng (cm) Pha

m©y

Nhiệt độ (0

C) 0,9 1,24 1,8 3,2

0, 0, 0,

0

0

0 0

5

Hình 1.4 Suy yếu sóng điện từ khí quyển: Suy yếu ô xy; Suy yếu hơi nước với độ ẩm 7,5 g/cm3 áp suất khơng khí 1013,25 mb; (theo Bean Dutton, 1968) Độ suy yếu

20 0,647 0,311 0,128 0,0483

10 0,681 0,401 0,179 0,0630

0 0,99 0,532 0,267 0,0858

Mây nước

-8 1,25 0,684 0,34* 0,122*

0 0,00874 0,00635 0,00436 0,00246

-10 0,00291 0,00211 0,00146 0,00081

Mây băng

-20 0,00200 0,00145 0,00100 0,00056

* Giá trị ngoại suy

1.1.4.3.Sự suy yÕu m­a

Sự suy yếu sóng điện từ mưa lớn mây nhiều Bảng 1.4 cho ta thấy độ suy yếu phụ thuộc vào cường độ mưa tần số (hoặc bước sóng ): cường độ mưa tần số lớn (bước sóng nhỏ) suy yếu mạnh

Bảng 1.4. Độ suy yếu (dB/km) sóng điện từ mưa 180C Bước sóng (cm)

Cường độ mưa

(mm/h) 0,5 1,0 3,0 3,2 10

0,25 0,160 0,037 0,00224 0,0019 0,0001

1,25 0,72 0,228 0,0161 0,0117 0,00042

2,5 9,49 5,47 0,656 0,555 0,0072

50 16,6 10,7 1,46 1,26 0,0149

100 29,0 20,0 3,24 2,80 0,0311

Đối với bước sóng từ 3,2 cm trở xuống, suy yếu đáng kể loại mưa, mưa bão

1.2 Radar ứng dụng đời sống

“RADAR” (viết tắt từ Radio Detection And Range) phương tiện kĩ thuật phát xác định vị trí mục tiêu xa sóng vơ tuyến điện Có điều thú vị thân từ RADAR tiếng Anh đánh vần ngược từ cuối lên đầu mà giữ nguyên âm tiết đọc xuôi, thể mang hàm ý sóng radar phát vào khơng gian lại quay trở radar

thời tiết thuộc loại Radar gắn máy bay, vệ tinh …, song khí tượng radar người ta nghiên cứu thông tin radar đặt mặt đất đem lại Mặc dù quan trắc từ vệ tinh có nhiều lợi quan sát vùng rộng lớn, sóng điện từ bị khí làm cho suy yếu…, quan trắc radar đặt mặt đất lại có lợi khác Một lợi radar đặt mặt đất quan trắc tượng xảy mây khoảng cách gần, chẳng hạn giáng thuỷ

Radar cã t¸c dơng lớn quốc phòng ngành kinh tế quốc dân nghiên cứu khoa học

Về mặt quân sự, radar định vị phát máy bay từ xa hàng trăm kilômét Nó tự động bám sát mục tiêu, ngắm mục tiêu để huy bắn trúng Ngồi ra, radar huy hàng loạt máy bay hạ cánh an tồn điều kiện khí tượng tầm nhìn xa

Trong ngành kinh tế quốc dân khác hàng khơng, hàng hải, có trang bị radar Ngành hàng khơng sử dụng radar để quản lí hoạt động máy bay an toàn Ngành hàng hải đặt radar tàu để phát chướng ngại vật biển Ngành giao thông đường sử dụng radar để kiểm soát tốc độ phương tiện giao thơng đường

Ngành Khí tượng Thuỷ văn sử dụng radar định vị để theo dõi máy thám khơng vơ tuyến thả theo bóng Pilot, nhận thơng tin đo đạc yếu tố khí tượng cao, sử dụng radar thời tiết để theo dõi, phát thu sóng phản hồi từ vùng xảy tượng thời tiết kèm theo mây giáng thuỷ dông, bão, mưa, mưa đá Phân tích sóng này, ta biết nhiều thơng tin q giá tượng thời tiết đó, sử dụng cho mục đích nghiên cứu khí quyển, dự báo, phịng chống thiên tai…

1.3 Giới thiệu cấu tạo thông số kĩ tht cđa radar thêi tiÕt

1.3.1.Nguyªn lÝ chung

Người ta sử dụng tính chất truyền thẳng với tốc độ khơng đổi tính chất phản xạ sóng điện từ để phát xác định vị trí mục tiêu Radar gồm máy phát để tạo sóng điện từ nhờ anten tạo tia sóng hẹp truyền vào khơng gian, máy thu radar thu tín hiệu phản xạ từ mục tiêu Hướng mục tiêu xác định anten định hướng, khoảng cách từ radar đến mục tiêu xác định hệ thức:

2 t c

r Δ , (1.6)

Hình 1.6. Các xung phát; T- chu kì lặp lại; - độ rộng xung

Nguyên lí radar đơn giản nói trên, để làm cần kĩ thuật phức tạp có nhiều cách để làm Do radar có nhiều loại, tuỳ theo cơng dụng cần có khả cơng nghiệp kĩ thuật người chế tạo Ngày giới người ta sản xuất nhiều radar khác tầm hoạt động (xa, trung, gần, cực xa), bước sóng (sóng deximet, sóng cetimét) chế độ làm việc Theo chế độ làm việc, chia radar làm hai loại: radar phát liên tục radar phát xung

Loại radar phát liên tục làm việc theo ngun lí sau: Máy phát phát sóng liên tục suốt thời gian hoạt động radar, tần số phát thay đổi tuần hoàn theo thời gian theo qui luật đó, chẳng hạn quy luật “răng cưa thẳng” (hình 1.5) Sau máy thu thu sóng phản xạ, đem so sánh tần số sóng phản xạ với sóng phát ta thu độ chênh lệch tần số f Biết quy luật biến thiên tần số phát ta tính khoảng thời gian t kể từ thời điểm phát sóng thời điểm thu sóng, nhờ xác định khoảng cách đến mục tiêu

Hình 1.5 Biến đổi tần số sóng theo thời gian dạng “răng cưa thẳng”

Radar loại có nhược điểm đo khoảng cách mục tiêu Vì người ta thường đặt máy bay để đo độ cao máy bay Nhờ độ phản xạ mặt đất lớn nên không cần máy phát mạnh mà đo cự li xa với độ xác cao Thiết bị radar đơn giản

Loại radar xung loại phát sóng khơng liên tục mà phát gián đoạn Trong khoảng thời gian nhau, máy phát lượng sóng siêu cao tần cực mạnh khoảng khắc ngắn  lại nghỉ (hình 1.6)

đặc trưng thông số: Công xuất xung Pu (thường hàng trăm đến hàng vài nghìn kW), độ rộng xung  chu kì lặp lại T (hay tần số lặp F = 1/T)

Radar xung loại sử dụng rộng rãi phát triển tương đối hoàn chỉnh, xem xét kĩ radar xung Và từ sau nói radar, ta hiểu radar làm việc theo chế độ xung (hay radar xung)

1.3.2.Các phận hệ thống radar Phân loại radar thời tiết

Các phận hệ thống radar bao gồm: 1) Bộ phát tạo sóng điện từ với tần số cao;

2) Mt anten xạ lượng điện từ nhận tín hiệu phản hồi;

3) Bộ thu nhận, khuếch đại, biến đổi tín hiệu phản hồi trở thành tín hiệu thị tần (tần số thấp);

4) Hệ thống thị (màn hình), tín hiệu phản hồi hiển thị Phần lớn radar thời tiết sử dụng anten làm việc chế độ phát chế độ thu Để đảm bảo an tồn người ta sử dụng khố thu – phát tự động đóng máy thu khoảng thời gian ngắn máy phát hoạt động để bảo vệ máy thu khỏi xung phát cực mạnh

Radar thêi tiÕt cã rÊt nhiỊu chđng lo¹i, nh­ng cã thĨ phân làm hai loại chính: số hoá không số ho¸

Các radar thời tiết trước thường loại khơng số hố Các tín hiệu phản hồi chúng thu cho ta biết vị trí “ảnh” mục tiêu Dựa vào vị trí, hình dạng ảnh cường độ phản hồi, người ta biết số đặc điểm, tính chất mục tiêu Các radar cũ nhãn hiệu MRL Nga chế tạo đặt Phù Liễn, Vinh thuộc loại

Các radar thời tiết ngày thường loại số hố Chúng phân làm ba loại: radar thường, radar Doppler radar phân cực

Radar số hố thường hay cịn gọi “NON – COHERENT RADARS”, “CONVENTIONAL RADARS” Chúng khác với loại không số hố chỗ tín hiệu (“ảnh”) phản hồi số hố, ta dùng phần mềm để lấy nhiều thông tin mục tiêu, xử lí, cho hiển thị với màu sắc ý lưu trữ dễ dàng Tuy nhiên, chúng đo cường độ phản hồi mà không đo độ lệch tần số tín hiệu phản hồi tín hiệu phát, không xác định tốc độ di chuyển mục tiêu qua lần đo (muốn xác định tốc độ di chuyển mục tiêu, cần phải quan trắc nhiều lần, theo dõi vị trí liên tiếp mục tiêu theo thời gian) Chúng không xác định mức độ phân cực sóng phản hồi Các radar loại TRS-2730 Pháp chế tạo đặt Phù Liễn, Việt Trì Vinh radar loại

di chuyển mục tiêu Chúng đo cường độ phản hồi vơ tuyến (PHVT)

Các radar phân cực phát sóng phân cực hồn tồn theo phương xác định, thu sóng phản hồi với mức độ phân cực Phân tích mức độ phân cực sóng phản hồi so sánh với sóng phát, ta biết số thơng tin mục tiêu (như định hướng mục tiêu khơng gian) Chúng có khả đo cường độ PHVT tốc độ gió

Các radar thời tiết số hố đại thường có khả nêu (đo cường độ phản hồi vô tuyến, tốc độ di chuyển mục tiêu mức độ phân cực sóng phản hồi radar phân cực Các radar đặt Tam Kỳ, Nha Trang Nhà Bè (TP Hồ Chí Minh) radar Doppler với hai khả năng: đo cường độ phản hồi vô tuyến mục tiêu tốc độ gió Một số loại radar Doppler, chẳng hạn radar DWSR-2500C, cịn hoạt động chế độ xung: chế độ xung dài với

 = 2.10-6s dùng đo cường độ phản hồi vô tuyến chế độ xung ngắn với  =

0,8.10-6s dùng đo gió nhằm nâng cao độ xác Các loại radar Doppler

phân cực có ba khả nêu

1.3.3.HƯ thèng chØ thÞ

Hệ thống thị dùng để thị thông tin mục tiêu radar thu Nó cho phép ta quan sát mục tiêu nhiều dạng khác Loại thị biên độ, cho phép ta quan sát mục tiêu dạng tín hiệu phản hồi hình xung với biên độ khác (hình 1.7), xung mạnh tín hiệu phát, cịn lại tín hiệu phản hồi Hệ thống thị loại khơng cho thấy “hình ảnh” mục tiêu nên khơng dùng radar thời tiết mà dùng radar định vị

ë c¸c radar thêi tiết có hai loại thị bản:

- Loại thị quét tròn cho phép ta quan sát mục tiêu nằm mặt hình nón có trục thẳng đứng đỉnh nơi đặt radar anten quét theo góc phương vị giữ nguyên góc cao định Các “hình ảnh” mục tiêu chiếu lên mặt nằm ngang (hình 1.8)

- Loại thị quét đứng hay cao-xa cho

phép ta quan sát mục tiêu nằm mặt cắt thẳng đứng anten quét mặt phẳng thẳng đứng theo góc phương vị định (hình 1.9)

Hình ảnh mục tiêu hiển thị ảnh gọi vùng phản hồi vô tuyến (vùng PHVT)

Trước đây, radar chưa số hố hình xuất thị với màu sắc đơn điệu (đen trắng); ngày nay, radar số hố cịn cho hiển thị phân bố không gian đặc trưng khác mục tiêu với nhiều màu sắc tuỳ chọn

H×nh 1.8. Màn thị quét tròn (Plan Position Indicator, PPI)

Hình 1.9. Màn thị quét đứng hay cao-xa (Range-Height Indicator, RHI)

1.3.4.Các thông số kÜ thuËt cña radar thêi tiÕt

cần xác định Việc chọn lựa xác thông số bảo đảm nâng cao hiệu hoạt động radar Ta xem xét thơng số radar thông qua thông số phận

1.3.4.1. Th«ng sè kÜ tht cđa hƯ thèng ph¸t

- Tần số phát f: Đây tần số siêu cao đèn phát tạo thời gian làm việc máy phát Việc chọn tần số phát dựa vào nhiều yếu tố như: tính chất mục tiêu, kích thước radar, yêu cầu độ xác việc xác định mục tiêu Trong thực tế giải tần làm việc radar thường chọn từ 100ữ10000 MHz ( = m3 cm) Các sóng vơ tuyến tần số bị chất khí khí hấp thụ xun sâu vào mục tiêu khí tượng (các đám mây, vùng mưa), bị tán xạ hạt mây mưa chúng nằm sâu bên mục tiêu

- Độ rộng xung phát : thời gian máy phát tạo đợt sóng siêu cao tần Việc chọn độ rộng xung phụ thuộc vào yêu cầu độ xa cực tiểu cần đo độ phân giải theo khoảng cách Trong thực tế, độ rộng xung thường chọn khoảng 0,1-15 s

- Tần số lặp lại xung phát F: số lượng xung phát giây Vì radar xung sử dụng khoảng thời gian xung phát để thu sóng phản xạ từ mục tiêu, tần số xung chọn cho thời gian xung đủ để xác định khoảng cách cực đại radar

Trong thực tế người ta chọn tần số lặp lại F khoảng từ 200 đến 1500Hz, tuỳ thuộc vào công dụng khoảng cách cực đại mà radar cần xác định

- Cơng suất xung phát Pt: Đây cơng suất sóng điện từ thời gian đèn

phát làm việc Vì máy phát phát khoảng thời gian ngắn, sau ngừng phát khoảng dài, cơng suất phát trung bình P cho chu kì thường bé nhiều so với công suất xung Thật vậy, từ

F P

P  t , (1.7)

nÕu Pt = 250 kw;  = s; F = 300 Hz ta cã P =150 W

1.3.4.2. Th«ng sè kÜ tht cđa hƯ thèng thu

- Hệ số tạp âm N: Máy thu vơ tuyến có tạp âm linh kiên điện tử mạch tạo Tín hiệu qua máy thu khuếch đại lên, tạp âm tăng lên Do hệ số tạp âm máy thu số nói lên tỉ số tín hiệu/ tạp âm đầu máy thu giảm lần so với tỉ số tín hiệu/ tạp âm đầu vào máy thu Trong máy thu radar hệ số N thường thay đổi từ đến 25 Một máy thu lí tưởng N =

Trong số tài liệu, hệ số tạp âm tính đơn vị dB, gọi mức tạp âm N’:

N’[dB] = 10 lgN (1.8)

- Độ nhạy máy thu (MDS) Pw: Đây đại lượng nói lên chất lượng máy thu Độ

nhạy máy thu mức cơng suất nhỏ sóng phản xạ đầu vào máy thu mà đầu có tín hiệu bảo đảm thiết bị thị phân biệt mục tiêu tạp âm Với kĩ thuật ngày nay, người ta chế tạo máy thu có độ nhạy từ 10-12 đến 10-14W

- Tần số trung: Vì sóng siêu cao tần khó khuếch đại, máy thu người ta thường tìm cách giảm tần số xuống Hệ số khuếch đại máy thu chủ yếu tần số Trong radar tần số trung chọn 30 MHz

- Dải thông tần máy thu: Hệ số khuếch đại máy thu nói chung, phụ thuộc vào tần số Dải thơng tần giải tần số mà hệ số khuếch đại đồng tất tần số

- Dải động máy thu: Hệ số khuếch đại máy thu nói chung, ngồi phụ thuộc tần số, cịn phụ thuộc vào cơng suất tín hiệu vào Độ lớn tín hiệu phản xạ từ mục tiêu khí tượng lại thay đổi khoảng rộng Dải động dải cơng suất vào máy thu mà hệ số khuếch đại ổn định

Máy thu cần phải có hệ số khuếch đại ổn định, cần phải thiết kế cho có dải động thích hợp làm việc tần số nằm dải thông

1.3.4.3. Th«ng sè cđa hƯ thèng anten

anten radar thời tiết có nhiều dạng khác (hình 1.10) Loại anten thơng dụng radar thời tiết có dạng “chảo” trịn parabol (hình 1.10a) Nó có tác dụng tập trung lượng sóng phát theo hướng định, thường trùng với trục “chảo”

Mỗi anten có số đặc trưng sau đây:

- Cánh sóng: Cánh sóng (hay búp sóng) thơng số đặc trưng cho tính chất hoạt động có hướng (hướng tính) anten Đồ thị hướng tính anten trình bày hình 1.11

- Độ rộng cánh sóng : Độ rộng cánh sóng thơng số đặc trưng cần quan tâm anten, định độ xác phép xác định toạ độ góc mục tiêu

Độ rộng cánh sóng góc tạo hướng theo “cơng suất” (thực chất độ chói xạ) phát 50 % “cơng suất” cực đại phát theo trục cánh sóng

Hình 1.10. Một số dạng anten radar thời tiÕt kÌm c¸c c¸nh sãng chÝnh cđa chóng

a

D λ 73 

 , (1.9)

trong đó:  độ rộng cánh sóng (độ)  bước sóng (m)

Da đường kính anten (m)

Nh vy, ta thấy muốn tạo cánh sóng hẹp anten phải có đường kính lớn sử dụng bước sóng ngắn

Ví dụ: Khi bước sóng  = 5,6 cm = 5,6.10-2 m,

Radar cđa Hoa K× cã anten parabol víi Da = 4,2 m  = 0

Radar cđa Ph¸p cã anten parabol víi Da = 3,05 m  = 1,25

được cơng suất sóng phản hồi từ mục tiêu với cơng suất mà anten có hướng thu c

Thực nghiệm chứng minh rằng:

2

e

A G

λ

π

 ,

(1.10) Ae diện tích phản xạ hiệu dụng anten

Hình 1.11. Đồ thị định hướng anten

- Tốc độ quay anten: Có hai tốc độ quay anten, số vịng quay ngang số lần chúc gật (quay thẳng đứng) anten đơn vị thời gian (có thể phút giây)

- Cánh sóng phụ anten: anten lí tưởng anten phát xạ sóng điện từ hướng với tia hẹp, khơng phát sóng theo hướng khác Nhưng thực tế, chế tạo anten Cánh sóng phụ phần lượng sóng điện từ xạ hướng khác với cánh sóng (hình 1.11) Thường anten parabol cánh sóng phụ có cơng suất xạ khoảng 10 % cánh sóng Sự diện cánh sóng phụ làm tăng vùng mù radar, đồng thời cịn tạo mục tiêu giả thị Như nói việc giảm cánh sóng phụ địi hỏi anten phải có kích thước lớn, làm cho việc chế tạo khó nhiều giá thành radar tăng lên đáng kể

1.4 Thể tích xung mật độ lượng sóng xung phát

Máy phát radar thời tiết phát lượng thành xung không liên tục, lan truyền xa từ anten radar với tốc độ xấp xỉ tốc độ ánh sáng (3.108m/s)

Thể tích xung lượng tác động lên mục tiêu từ lượng phản hồi trở radar nhận sản phẩm khác radar cung cấp Hình dáng, kích thước anten radar, bước sóng lượng phát, thời gian

phát định hình dáng (độ rộng) thể tích xung radar Radar phát xung hẹp, với xung hình nón cụt Thể tích xung radar xác định hình 1.12 Độ rộng búp sóng radar xác định vùng “cơng suất” (đúng “độ chói xạ”) phát 1/2 so với công suất đỉnh (cực đại) phát theo đường tâm búp sóng Tuy nhiên độ rộng vật lí búp sóng tăng khoảng cách tăng (độ dài không gian xung số) Vì thể tích xung tăng theo khoảng cách Khi lượng phát (công suất đỉnh xung cố định) mật độ dịng lượng xung giảm theo theo khong cỏch

Hình 1.12 Hình ảnh bóp sãng theo chiỊu dµi vµ thiÕt diƯn ngang cđa nã

Hình 1.13. Minh hoạ giảm dần mật độ lượng sóng theo khong cỏch

1.5 Các kiểu phản hồi

Khi thể tích xung búp sóng gặp mục tiêu, lượng bị tán xạ hướng Một phần nhỏ lượng bị chặn lại, phản xạ ngược trở lại phía radar Nó gọi lượng phản hồi Mức độ hay giá trị lượng phản hồi định tính chất mục tiêu (kích thước, hình dạng, trạng thái, mật độ hạt )

Chúng ta quan tâm đến loại phản hồi Rayleigh Non- Rayleigh hay phản hồi “Mie” Sự phản hồi Rayleigh xảy mục tiêu mà đường kính nhỏ nhiều so với độ dài bước sóng phát (D /16) Độ dài bước sóng DWSR-2500C xấp xỉ 5,4 cm tán xạ Rayleigh xảy với mục tiêu mà đường kính chúng nhỏ 3,5 mm (khoảng 0,14 inch) Những hạt mưa lớn mm nên chúng mục tiêu tán xạ “Rayleigh” Hầu tất hạt mưa đá mục tiêu tán xạ “non-Rayleigh” đường kính chúng lớn Trong trường hợp phương trình tán xạ “Mie” phải sử dụng để tính tốn Tuy nhiên phần lớn mục tiêu mà radar thời tiết xác định hạt mưa Do đó, mục tiếp theo, ta sử dụng lí thuyết “Rayleigh” để tính tốn lượng phản hồi vơ tuyến

1.6 Mục tiêu khí tượng

1.6.1.Khái niệm mục tiêu khí tượng

Mây: Mây tập hợp hạt nước, băng, tuyết lơ lửng khí quyển, sản phẩm ngưng kết nước Trong đám mây, hạt tồn thể thống hỗn hợp hai thể lỏng rắn, phụ thuộc vào nhiệt độ yếu tố khác Nhiều đám mây lúc đầu gồm hạt nước lỏng, sau chuyển thành mây mà tất hạt thể băng hỗn hợp thể băng, hạt nước lỏng hạt nước lỏng siêu lạnh(< 00C) Hạt nước siêu lạnh tồn

tại đến nhiệt độ âm, song không tồn nhiệt độ giảm xuống - 400C Các

hạt mây có kích thước khác Sự phân bố hạt mây theo kích thước phụ thuộc vào loại mây, thời gian tồn tại, độ cao mây điều kiện địa hình Đối với mây tích phần mây, số lượng hạt kích thước hạt lớn phần trên, mây tầng kích thước hạt tương đối đồng Mây lục địa có nhiều hạt mây ngồi biển Kích thước (đường kính) hạt mây nằm khoảng từ 5m đến 100m

Mưa: Khi hạt mây đủ lớn, thắng lực cản khơng khí rơi xuống đất gọi mưa (Những hạt nhỏ có tốc độ rơi nhỏ q trình rơi bị bốc hết) Mưa dễ phát radar Mưa có cường độ khác nhau, từ nhỏ mưa bụi đến lớn mưa rào

1.6.2.Tính chất mục tiêu khí tượng

Các mục tiêu khí tượng khác hình dáng, kích thước tính chất vật lí Mây đối lưu đám mây đơn lẻ cụm gồm nhiều đám nhỏ, thời gian tồn từ vài chục phút đến vài Mây tầng mây vũ tầng thường đám có diện tích lớn, tồn lâu từ vài đến vài ngày

Tính chất vật lí vi mơ mây thay đổi nhanh theo không gian thời gian q trình vật lí xảy Trong mây đối lưu, kích thước trạng thái hạt mây thay đổi liên tục theo thời gian Vào thời kì đầu hình thành, phần lớn hạt mây trạng thái lỏng, kích thước nhỏ Nhờ q trình gộp (hợp nhất) vận động lên phía trên, hạt mây lớn dần lên chuyển sang thể băng Khi hạt mây đủ lớn, thắng dòng thăng chúng rơi xuống Sự thay đổi kích thước trạng thái hạt mây theo không gian thời gian dẫn đến việc thay đổi đặc trưng vật lí vơ tuyến mục tiêu khí tượng radar thời tiết Khác với mục tiêu phản xạ bề mặt máy bay hay vật rắn khác, mục tiêu khí tượng cho phép sóng vơ tuyến điện từ xuyên sâu vào bên nó, phản xạ bên chí cịn xun qua để tới mục tiêu phía sau Sóng phản xạ trở radar mang theo thông tin bên mục tiêu Lưu ý rằng, tuỳ thuộc vào tần số sóng chất mục tiêu, số dải sóng khơng thể xun sâu vào mục tiêu (chẳng hạn sóng ánh sáng chiếu vào mây), phản xạ lớp mỏng bề mặt mục tiêu gây ra, vậy, tín hiệu phản xạ cho biết thơng tin bề mặt mục tiêu

khí (khói, hạt bụi, tinh thể muối, v.v…), mà cịn từ trùng, chim, máy bay, (vùng có độ phản hồi lớn) gây nhầm lẫn

1.7 Phương trình radar mục tiêu điểm mục tiêu khí tượng mơi trường khơng hấp thụ tán xạ sóng điện từ

Khi lan truyền mơi trường vật chất bất kì, sóng điện từ nhiều bị suy yếu dọc đường bị hấp thụ khuếch tán phần tử mơi trường Trong chân khơng, sóng điện từ không bị suy yếu tượng mà bị suy yếu lượng sóng phải phân bố vùng không gian ngày rộng lớn Tuy nhiên, khí sạch, khơng chứa hạt aerosol (xon khí) hấp thụ khuếch tán sóng vơ tuyến điện từ mà radar thường sử dụng, xem mơi trường khơng gây suy yếu sóng Trong mục ta xét mục tiêu nằm môi trường chân không

1.7.1. Phương trình radar mục tiêu điểm mơi trường khơng hấp thụ tán xạ sóng điện từ

Nếu anten phát sóng với cơng suất xung Pt hệ số khuếch đại anten G

thì mục tiêu khoảng cách r có mật độ dịng lượng sóng điện từ Im là:

2 t m r G P I π  , (1.11) (Im độ lớn vector Pointing quen biết vật lí học)

Như vậy, mục tiêu có diện tích phản xạ hiệu dụng m dịng (thơng lượng) lượng mục tiêu phản xạ ngược lại là:

m t m m r G P

P    

2 m

π

I

(1.12) Mật độ dòng lượng thu anten radar Ia là:

m t m t m a r G P r r G P r P I          2 2 16 4 (1.13) Từ dễ dàng nhận thấy anten có diện tích phản xạ hiệu dụng Ae, dßng

m e t e a r r GA P A I P   

 2 4

16

(1.14) Giữa hệ số khuếch đại G diện tích phản xạ hiệu dụng Ae anten lại có

mèi quan hÖ sau:

   4 G

Ae

(1.15) Thay (1.15) vµo (1.14) ta công suất thu:

m t r r G P

P  3 4 

2 π 64 λ (1.16) Hệ thức (1.16) phương trình radar cho mục tiêu điểm môi trường không gây suy yếu (trong chân khơng)

1.7.2. Phương trình radar mục tiêu khí tượng mơi trường

kh«ng hấp thụ tán xạ sóng điện từ

Việc sử dụng radar vào mục đích khí tượng dựa hiệu ứng phản xạ sóng điện từ mục tiêu khí tượng Khi sóng điện từ truyền qua mây mưa, hạt xảy phát xạ thứ cấp Một phần lượng bị hạt hấp thụ, phần xuyên qua hạt để tiếp, phần tán xạ hướng, có phần hướng phía radar, sóng phản xạ Tần số sóng tán xạ nói chung phản xạ nói riêng trùng với tần số sóng radar truyền tới Độ lớn lượng phản xạ đánh giá thông số m , gọi diện tích (của thiết

diện) phản xạ hiệu dụng mục tiêu khí tượng Diện tích phản xạ hiệu dụng mục tiêu khí tượng m phụ thuộc khơng vào kích thước, trạng thái, nhiệt độ

và phân bố hạt mà cịn vào tần số sóng (hoặc bước sóng) Việc tính tốn

m giải tích phức tạp, nói, thân mục tiêu khí tượng

phức tạp Để đơn giản, người ta tính tốn m mục tiêu khí tượng với giả

thiÕt sau:

2 64 i

i K

    , (1.17) 2 2    i i i m m K , (1.18) (ở mi số khúc xạ phức hạt thứ i) phụ thuộc vào trạng thái pha, nhiệt

độ hạt bước sóng Sự phụ thuộc Ki vào bước sóng nhiệt độ không lớn Ki phụ thuộc chủ yếu vào trạng thái pha hạt Đối với hạt nước,

2 i

K có giá trị 0,93  0,004, hạt băng Ki2 có giá trị cỡ 0,197 tức nhỏ khoảng lần

- Sự phân bố hạt không ảnh hưởng lẫn nhau, nghĩa khoảng cách hạt đủ lớn để trường điện từ hạt khơng tác dụng qua lại, lúc diện tích phản xạ hiệu dụng mục tiêu khí tượng đơn vị thể tích tổng đại số diện tích phản xạ hiệu dụng tất hạt thể tích Diện tích phản xạ hiệu dụng  đơn vị thể tích mục tiêu khí tượng là:

        N i i i N i

i K a

1 λ π 64 , (1.19) N số hạt đơn vị thể tích  cịn gọi hệ số tán xạ, có đơn vị m-1

- Tín hiệu phản xạ thu đầu vào máy thu radar tín hiệu phản xạ từ tập hợp tất hạt nằm thể tích xung phát Giả thiết thể tích xung phát lấp đầy hạt (khi radar quan sát mục tiêu khí tượng, có nhiều hạt nước (nước lỏng đá, tuyết) nằm cánh sóng radar Bão đám mây thường lớn, chốn hết cánh sóng radar) diện tích phản xạ hiệu dụng mục tiêu khí tượng m là:

       N i i u u

m V V

1

(1.20) víi Vu lµ nưa thể tích xung phát (xem hình 1.14), tính theo hÖ thøc:

2 h R

V

u  ,

(1.21) h/2 độ dài nửa khối xung không gian, R bán kính mặt cắt ngang khối xung Giữa R, độ rộng cánh sóng  (tính rađian) khoảng cách từ radar đến mục tiêu r có mối liên hệ:

2 r

R 

(1.22) Do vËy h r h r V 2 u θ          

 , (1.23)

cßn h cã thĨ tÝnh theo hƯ thøc

 c

h (1.24)

Sở dĩ ta lấy nửa thể tích xung phát mặt sóng đầu xa radar mặt sóng cuối khoảng h (do trước thời gian ), hai mặt sóng cho tín hiệu phản hồi tới radar lúc mặt sóng cuối thêm khoảng h/2 quay trở lại (bị phản hồi), cịn mặt sóng đầu

thì trở lại ln Tín hiệu phản hồi “đúp” (ở thời điểm mặt sóng tạo ra) mạnh, cịn tín hiệu phản hồi “đơn” (ở thời điểm mặt sóng tạo ra) yếu, phần nhiều khơng hiển thị Như coi có nửa thể tích xung cho tín hiệu phản hồi

§­a hệ thức Vu từ (1.19) (1.23) vào (1.20) ta tính

din tích phản xạ khối xung mục tiêu khí tượng:

       N i i i N i i i

m K D

h r a K h r 2 6 2 8λ θ π λ 64π θ π

(1.25)

Thay m từ hệ thức vào hệ thức (1.16) ta có phương trình radar mục

tiêu khí tượng môi trường không suy yếu:

h/2



r O

Hình 1.14. Để tÝnhnưa thĨ tÝch xung ph¸t

         N i i i t N i i i t N i i i t r D K r c G P a K r h G P a K r h r G P P 2 2 2 2 2 2 12λ τ θ π λ θ π λ θ π 64 π 64 λ

(1.26)

Giá trị    N i i i D K Z (1.27) gọi độ phản hồi vô tuyến mục tiêu khí tượng Đại lượng có thứ ngun m3 mm6/m3 Tuy nhiên đơn vị dùng mà người ta hay dùng

một đơn vị khác dBz (đề xi ben Z) nói đến sau

Víi mét radar, chóng ta cã thể nhóm tất thông số thành mét h»ng: 2 12λ τ θ π PG c

C t

(1.28) Khi phương trình radar mục tiêu khí tượng mơi trường khơng suy yếu viết gọn lại sau:

2 r

r Z C

P 

(1.29)

Đại lượng C phụ thuộc vào thông số radar

1.8.Phương trình radar Probert-Jones

Trong mục ta xét mục tiêu khí tượng nằm mơi trường có gây suy yếu sóng điện từ, tức phần tử mơi trường hấp thụ, tán xạ sóng gây hai tượng

Nửa thể tích xung phát xác định tính cho anten parabol lí tưởng Trong thực tế, dù chế tạo tốt đến đâu xuất cánh sóng phụ Với cánh sóng phụ 10 % cánh sóng thì, theo Probert-Jones, nửa thể tích xung phát tính hệ thức:

(1.30) Thay hệ thức (1.30) (1.19) vào (1.20) ta tính diện tích phản xạ mục tiêu khí tượng:

       N i i i N i i i

m K D

ln h r a K ln h r 2 6 λ 16 θ π λ 64π 16 θ π (1.31)

Thay m từ hệ thức vào hệ thức (1.16) ta có phương trình radar mục

tiêu khí tượng môi trường không suy yếu:

         N i i i t N i i i t N i i i t r D K ln r c G P a K ln r h G P a K r ln h r G P P 2 2 2 2 2 2 024λ τ θ π λ 16 θ π λ 16 θ π 64 π 64 λ (1.32) Lưu ý đến suy yếu lượng sóng dọc đường truyền khí dọc đường truyền từ anten đến đầu máy thu (do khơng hồn hảo máy thu), cần phải nhân vế phải phương trình cho hệ số L (L<1) đặc trưng cho phần (tỉ lệ) lượng đến máy thu:

   N i i i t

r L K D

ln r c G P P 2 2 024λ τ θ π (1.33) Phương trình nêu gọi phương trình radar Probert-Jones

1.9 Phương trình radar đơn giản Độ suy yếu độ truyền qua

L phương trình Probert-Jones gọi độ truyền qua, viết thành:

rd aL

L

L  ,

(1.34) La độ truyền qua khí quyển, cịn Lrd – độ truyền qua đường dẫn sóng

bên radar Nghịch đảo đại lượng gọi độ suy yếu:

L 1

M - độ suy yếu toàn phần,

a a

L

rd rd

L 1

M  - độ suy yếu qua đường dẫn sóng bên radar

Khi radar lắp đặt, có tham số sau cố định: độ phản hồi Z, độ suy yếu môi trường Ma khoảng cách r Những tham

số cịn lại khơng đổi tổng hợp để tạo số Cr (ở chế độ hoạt

động radar, Cr khơng đổi) Phương trình radar viết dạng đơn

gi¶n: a r a r r L r Z C M r Z C

P  2  2 ,

(1.35) rd u u r L ln c G P ln c G P C λ 024 τ θ π λ 024M τ θ π 2 rd 2   (1.36) Cr gọi hay số radar Giá trị số radar sử

dụng để đánh giá cơng tác hiệu chỉnh radar Phương trình (1.35) gọi phương trình radar đơn giản hố (hay rút gọn)

Độ truyền qua La ln  1, cịn Ma ln  La = trường hợp khơng

có suy yếu (do tượng hấp thụ tán xạ sóng mơi trường) dọc đường truyền sóng Sự suy yếu khí gây nghịch biến với góc cao đồng biến với khoảng cách Khi góc cao tăng lên, tín hiệu qua vùng khí dày đặc dọc theo tia qt hơn, bị suy yếu ; Sự suy yếu tuân theo định luật Bouguer-Lambert, độ suy yếu khí tính theo cơng thức            r e

a exp dr

M

0

2

(1.37) e hệ số suy yếu sóng khí (do hấp thụ tán xạ sóng

các phân tử khí, bụi, hạt mây mưa đường truyền sóng radar mục tiêu gây ra) Tuy nhiên, có mây mưa dọc đường truyền sóng lượng bụi thường nhỏ suy yếu chủ yếu mây mưa gây

a r r a r r L C r P M C r P Z 2   (1.38) Với việc đo khoảng cách r lượng phản hồi tới radar Pr, phương trình

(1.38) cho phép nhà khí tượng tính tốn trực tiếp độ phản hồi vơ tuyến Z mục tiêu biết Cr Ma Trong thực tế, radar đo Pr r tự động tính Z

cách khuếch đại Pr với số lần để bù lại suy yếu khoảng cách hao

hụt cường độ phản hồi suy yếu dọc đường truyền khí radar,

tức khuếch đại lên số lần a

r M C r hc a rL C r2

Độ suy yếu Ma

truyền qua La tổng hợp sử dụng cho toàn khoảng cách Độ suy yếu tăng

lên mạnh tín hiệu phải truyền qua mây vùng mưa Đối với radar DWSR-2500C giá trị cường độ phản hồi vơ tuyến hiệu chỉnh suy yếu mưa việc lấy La = A.Zb với A = 6,9.10-5 ; b = 0,67 Hiệu chỉnh

suy yếu mưa cần thực sau hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình Sau hiệu chỉnh ảnh hưởng địa hình suy yếu dọc đường truyền, độ PHVT gọi hiệu chỉnh (corrected intensity)

1.10 Đơn vị đo độ phản hồi vô tuyến công suất

Đối với đại lượng X có giá trị biến đổi trong phạm vi rộng, người ta thường sử dụng đơn vị đề xi ben (dB) để biểu thị giá trị Để biểu thị đơn vị này, thay cho giá trị X, ta phải tính giá trị X’ theo công thức sau:

  10 X X lg dB '

X  ,

(1.39) X0 giá trị chọn làm chuẩn (nếu bỏ hệ số 10 cơng

thức đơn vị X’ gọi Ben, kí hiệu B) Trong đơn vị này, giá trị X’ biến đổi trong phạm vi hẹp nhiều Thực chất, X’ đại lượng vơ thứ ngun

§é phản hồi vô tuyến

N i i i D K Z

(phép tính tổng lấy đơn vị

dụng đơn vị đề xi ben, song để phân biệt với đơn vị đại lượng khác, người ta gọi đề xi ben Z (viết tắt dBz), cịn độ phản hồi là:

  10 Z Z lg dBz '

Z  ,

(1.40)

trong Z0 = mm6/m3 Từ giá trị độ phản hồi Z, ta dễ dàng tính Z’

VÝ dơ: NÕu Z= 4000 mm6.m-3 th× Z’ = 10(lg 4000) = 10.3,6 = 36 dBz

Gi¸ trị Z(dBz) âm xảy xuất hạt cỡ cực nhỏ, giá trị Z thấp Bảng 1.5 chứng minh dBz sử dụng thay cho mm6/m3

Bảng 1.5. Giá trị Z’ Z tương ứng

Z’ (dBz) Z (mm6

m-3

) Z’ (dBz) Z (mm6

m-3 )

-32 0,000631 30 000

-28 0,001585 41 12 589

-10 0,1 46 39 810

0 50 100 000

5 3,162 57 501 187

18 63,0 95 162 277 660

Trong kĩ thuật radar, giải công suất cần đo lớn, từ độ nhạy máy thu P = 10-14 W đến cơng suất phát xung lớn hàng trăm, chí ngàn kW Để tiện lợi

trong việc so sánh giá trị công suất, người ta sử dụng đơn vị đề xi ben, cịn cơng suất đơn vị (còn gọi "mức cơng suất"), kí hiệu P’ tính theo công thức 20K

0 10 P P lg ) dB ( '

P  ,

(1.41) P cơng suất P0 cơng suất chuẩn (để so sánh với P)

Thông thường, khí tượng radar người ta chọn P0 = 1mW = 10-3 W, cịn P

Ví dụ: Nếu công suất mà radar thu P = 10-14 W (giá trị xấp xỉ độ

nhạy máy thu radar đại, tức xấp xỉ công suất nhỏ mà radar

có thể thu được), mức cơng suất tương ứng 10 10 110

10 10 10 11 14        lg lg ' P (dBm)

1.11 Các yếu tố ảnh hưởng đến cơng suất sóng thu

1.11.1.ảnh hưởng phổ phân bố hạt theo kích thước trạng thái hạt

Cơng suất sóng thu Pr tỉ lệ thuận với cường độ phản hồi vô tuyến Z Từ công

thức định nghĩa độ phản hồi vô tuyến 

  N i i i D K Z

, ta thấy ba đặc trưng

quan trọng mưa liên quan trực tiếp đến độ phản hồi vô tuyến là: - Số lượng hạt đơn vị thể tích N,

- Kích thước hạt Di,

- Trạng thái pha hạt (thể qua Ki 2)

Giá trị Ki liên quan với đặc tính vật lí chất mục tiêu (trạng thái pha), đặc biệt với tính chất dẫn điện Đối với hạt nước Ki  0,93 Đối với tinh thể

băng Ki  0,197 tức khoảng lần nhỏ so với Ki 2của hạt mưa kích thước Điều dẫn đến việc đánh giá thấp tiềm lượng nước tuyết tinh thể băng không phát mưa đá, mưa tuyết khoảng cách xa tín hiệu phản hồi yếu

Độ phản hồi mục tiêu giáng thủy tỉ lệ thuận với đường kính mũ hạt mưa (tỉ lệ với D6) thể tích mẫu Do vậy, lượng phản hồi trở

radar tăng mạnh kết tăng lên đường kính hạt mưa D Nói cách khác, độ phản hồi phụ thuộc nhiều vào phổ phân bố số hạt theo kích thước

Chúng ta xét ví dụ để chứng minh điều Giả sử 1m3 có 730

hạt mưa, 729 hạt có đường kính mm hạt có đường kính mm Sử dụng phương trình để tính giá trị phản hồi sau:

    6 6 730 1458 93 729 729 93 1 729 93 m mm , m mm ) ( , m mm mm , D K Z i i

i   

 





(1.43)

mm tích gấp 27 lần hạt mưa có đường kính mm Nói cách khác hạt mưa có đường kính mm cho lượng phản hồi lớn gấp 729 lần so với hạt mưa có đường kính mm Như vậy, hạt mây gộp lại với hàm lượng nước khơng đổi số lượng hạt độ phản hồi tăng lên, chí tăng nhiều Mối quan hệ độ phản hồi Z kích thước hạt điều quan trọng, điều đề cập rõ ta thảo luận nguyên lí việc ước lượng cường độ mưa radar phần sau

Khi phân bố hạt thực tế theo kích thước hay cấu tạo vật lí tất mục tiêu thể tích mẫu, phản hồi vơ tuyến radar gọi phản hồi tương đương Ze Thông thường ta sử dụng giả thiết tán xạ Rayleigh

trên hạt nước lỏng, tức tất lượng phản hồi bắt nguồn từ hạt lỏng mà đường kính chúng đáp ứng tán xạ Rayleigh Hiển nhiên giả thiết khơng xác trường hợp tồn tinh thể băng băng tan thể tích xung Do thuật ngữ phản hồi tương đương nhiều sử dụng thay cho phản hồi thực tế Tuy nhiên, sử dụng giả thiết nêu người ta thường sử dụng thuật ngữ độ phản hồi Z

1.11.2.ảnh hưởng độ dài bước sóng

Vận tốc sóng vơ tuyến môi trường c = f số tần số f tăng (hoặc giảm) độ dài bước sóng phải giảm (hoặc tăng) số lần tương đương

Từ phương trình radar Probert-Jones (1.33) nhận thấy giá trị lượng phản hồi thu tỉ lệ nghịch với bình phương độ dài bước sóng Điều có nghĩa với radar băng sóng C (độ dài bước sóng cm) nhận lượng lượng phản hồi trở lại từ mục tiêu, lớn gấp lần so với radar băng sóng S (độ dài bước sóng 10 cm) với tất đặc tính kỹ thuật khác nhau, mục tiêu tán xạ sóng ngắn ngược trở lại mạnh sóng dài (theo lí thuyết tán xạ Rayleigh, hệ số tán xạ tỉ lệ nghịch với 4, tức độ dài bước sóng phát

càng nhỏ tán xạ mạnh) Tuy nhiên, suy yếu dọc đường sóng ngắn mạnh so với sóng dài Chính xác hơn, tỉ lệ kích thước hạt độ dài bước sóng (D/) ảnh hưởng tới độ suy yếu dọc đường Tỉ lệ lớn suy yếu lớn (tức M lớn L nhỏ) Khi bước sóng lớn độ suy yếu (tiêu hao) phụ thuộc vào kích thước hạt mưa Như bước sóng ngắn ( = cm) độ suy yếu sóng điện từ lớn mưa làm cho khơng thật phù hợp với nhiệm vụ giám sát hệ thống phạm vi rộng

tín hiệu phản hồi lượng sóng điện từ phản hồi bị suy yếu hết truyền qua trường mưa mạnh mục tiêu không phát

1.11.3.ảnh hưởng khoảng cách đến mục tiêu

Như với độ dài bước sóng, lượng trung bình phản hồi từ mục tiêu tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ tới radar Khuếch đại lượng thu lên số lần tỉ lệ thuận với r2 cách để bù lại hao hụt lượng

khoảng cách gây khoảng cách khác Nếu khơng có bù khoảng cách ổ dơnggần radar có giá trị phản hồi lớn vùng xa nhờ vào mật độ lượng lớn vùng gần Nếu ổ dơngcó giá trị độ phản hồi dơng gần radar ln phản hồi trở lại lượng lớn dơngở xa

VÝ dơ: Mét mơc tiªu cã r = 10 km th× r2 = 100 km2; víi r = 40 km th× r2 = 1600

km2 Mục tiêu khoảng cách r =10 km phản hồi lại lượng mạnh gấp 16

lÇn mục tiêu khoảng cách r = 40 km

1.11.4.ảnh hưởng yếu tố qua độ suy yếu khí

Trong phương trình radar Probert-Jones dạng rút gọn (1.35)

a r a r r L r Z C M r Z C P 2  

ta nhận thấy Pr tỉ lệ thuận với độ truyền qua La tỉ lệ nghịch với độ suy yếu Ma

trong khí tia sóng Đến lượt nó, độ truyền qua La suy yu Ma li

phụ thuộc vào yÕu tè sau:

- Mức độ suy yếu khí phụ thuộc nhiều vào trạng thái khí mà sóng truyền qua (có mây, mưa, bụi, trùng… dọc đường truyền hay không)

- Mức độ suy yếu khí nghịch biến với góc cao anten  góc cao tăng lên, tín hiệu qua vùng khí dọc theo tia quét

- Mức độ suy yếu phụ thuộc vào độ cao đối tượng h, cụ thể sóng phản hồi từ mục tiêu thấp phải qua vùng khí dày đặc nên Ma lớn so với trường hợp mục tiêu cao

- Mức độ suy yếu tăng theo khoảng cách r, tức xa, sóng bị suy yếu nhiều

Tuy nhiên, ba yếu tố sau có quan hệ với theo hệ thức gần đúng: h = r.sin , hai số chúng độc lập, riêng trường hợp  = có r yếu tố độc lập Có thể coi gần Ma tỉ lệ thuận với r

1.11.5.ảnh hưởng mức độ lấp đầy búp sóng

thực tế, nhiều thể tích xung lấp phần Hơn nữa, hai xung lấp đầy hạt đối tượng phân bố theo kích thước hạt hai trường hợp không giống độ phản hồi Z cơng suất sóng thu Pr khác Ví dụ minh hoạ rõ điều

ở hình 1.15, hai radar hoạt động đồng thời cho kết phản hồi tâm nhiễu động khoảng cách khác so với vị trí radar Phân bố thực tế theo kích thước hạt cho phép tính độ PHVT từ phương trình (1.35) (1.36) Giả sử giá trị phản hồi thực tế vùng tâm 60 dBz Nó nằm vùng giao búp sóng Tâm vùng có độ phản hồi lớn 60dBz lấp đầy “tia B” Do khoảng cách xa hơn, búp sóng A lấp phần lõi với 60 dBz vùng phản hồi yếu xung quanh Kết giá trị cường độ phản hồi vơ tuyến trung bình tâm nhiễu động theo radar A yếu 60 dBz Đó nguyên nhân dẫn đến radar nhận giá trị độ phản hồi khác với mục tiêu độ cao

Hình 1.15. Để giải thích ảnh hưởng mức độ lấp đầy búp sóng đến độ PHVT

1.12 Quan hƯ tần số lặp xung khoảng cách quan

trắc tối đa

Khoảng cách tối đa (rmax) mà radar quan trắc cách đơn trị

2

) T .( c

max

r   , (1.44)

trong đó, c - vận tốc truyền sóng; (T-) - thời gian nghỉ phát xung (còn gọi “thời gian lắng nghe”)

Vì thời gian phát xung  nhỏ (s) so với T (ms) nên cơng thức thay T (T-) Ví dụ, radar DWSR-2500C hoạt động với chế độ xung dài (với F = 250 MHz T = 4000 s), thời gian thu là: T –  = 4000 s – s = 3998 s Như vậy, 99,95 % thời gian hoạt động radar thời gian dành cho việc thu tín hiệu, 0,05 % thời gian để phát xung sóng điện từ

Như phương trình viết dạng:

F rmax cT c

2

2 

 , (1.45)

trong đó, F tần số lặp xung (s-1) = 1/T

Ví dụ: Khi radar DWSR –2500C hoạt động khoảng cách tối đa, với F = 250s-1

(T = 4.10-3s), từ phương trình ta xác định r

max = 600 km Nếu mục tiêu

xa rmax hình xuất khoảng cách khác hẳn với khoảng

cỏch thc, ú l khoảng cách ảo

1.13 Hiện tượng “khoảng cách ảo”

Khoảng cách ảo (Range Folding) tượng radar hiển thị vùng PHVT vị trí góc hướng sai khoảng cách Hiện tượng xảy mục tiêu nằm khoảng cách tối đa rmax radar phát được,

nghĩa mục tiêu vùng nghi ngờ Hình 1.16 ví dụ hiển thị xác vị trí vùng PHVT

Hỡnh 1.16. Trường hợp radar hiển thị xác vị trí vùng PHVT

một khoảng cách tối đa 500 km, trước xung phát Khi xung gặp mục tiêu khoảng cách 200 km, phần lớn lượng xung tiếp tục truyền theo hướng định phần lượng phản hồi trở lại mục tiêu (phần hình 1.16) Khi phần lượng phản hồi truyền tổng cộng quãng đường 400 km, phần lại tiếp tục lan truyền xa radar Radar hiển thị xác mục tiêu khoảng cách 200 km, xung thứ hai chưa phát Kết thị khơng có sai lệch vị trí mục tiêu khoảng cách 200 km

Trong hình 1.17: rmax = 250 km mục tiêu nằm khoảng cách 300 km; tức

vt 50 km rmax Xung thứ tác động tới mục tiêu 300 km (phần

hình 1.17) phần lượng phản hồi trở lại radar phần lại tiếp tục truyền theo hướng ban đầu (phần hình 1.17) Mỗi phần lượng (thể tích xung) có thời gian để di chuyển khoảng cách 500 km trước xung phát (xung 2) Phần lượng tiếp tục truyền, đạt tới khoảng cách 500 km, lúc lượng phản hồi trở lại 200 km phía radar (đó vị trí khoảng cách 100 km so với radar) Khi xung thứ (xung tiếp theo) chuẩn bị phát radar chưa nhận tín hiệu phản hồi xung thứ

Hình 1.17. Trường hợp radar chuẩn bị phát xung thứ chưa nhận tín hiệu phản hồi từ xung thứ nhất

2 xuất phát từ mục tiêu khoảng cách 50 km mà khoảng cách 300 km (phần hình dưới) Về bản, mục tiêu nằm khoảng cách ngồi rmax,

xuất (hiển thị) khoảng cách sai lệch hẳn so víi thùc tÕ NÕu rmax = 250 km,

bất kì mục tiêu nằm khoảng cách từ km đến 250 km xuất khoảng cách xác Các khoảng cách từ 250 km đến 500 km nằm chặng phản hồi thứ Một mục tiêu 550 km radar ghi nhận hiển thị 50 km (nằm chặng phản hồi thứ 3) Một cách tổng quát, khoảng cỏch thc rt v

khoảng cách quan trắc rdo cã mèi liªn hƯ sau:

max

t r kr

r   ,

(1.46) k = 0, 1, …, tuỳ theo đối tượng nằm chặng phản hồi thứ nhất, thứ hai, thứ ba, … tương ứng

Hình 1.18. Radar nhận tín hiệu phản hồi từ xung thứ hiển thị mục tiêu thể tín hiệu phản hồi từ xung thứ

Ví dụ: Với trường hợp rmax= 150 km (khoảng cách tối đa thường gặp radar

Doppler) mục tiêu nằm khoảng cách 30 km, 180 km 330 km Kết có giá trị số liệu riêng biệt khoảng cách 30 km Đây điều không tránh khỏi radar DWSR 2500C cố gắng khắc phục tượng cách tự động, khơng loại trừ hồn tồn mà có trường hợp bị bỏ sót Bằng mắt thường, theo dõi tính liên tục theo khơng gian thời gian đám phản hồi mục tiêu, ta phát tượng Chẳng hạn, mục tiêu hiển thị khoảng cách lớn di chuyển xa, sau khơng lâu lại xuất khoảng cách nhỏ khoảng cách sau ảo v.v…

Ngồi cịn phải kể đến trường hợp mục tiêu nằm khoảng cách lớn krmax

thì tín hiệu phản hồi tới radar lúc radar phát xung mới, khơng thể nhận tín hiệu phản hồi

1.14 HiƯu øng bóp sãng phơ

Nhiễu búp sóng phụ kết phản hồi lượng búp sóng phụ đối tượng radar Năng lượng phát với búp sóng lớn gấp 100 lần so với lượng búp sóng phụ Do tăng lên lượng phản hồi ảnh hưởng búp sóng phụ bỏ qua, ngoại trừ quét mức góc cao thấp tồn nghịch nhiệt bề mặt (ảnh hưởng khúc xạ dị thường)

Hiệu ứng búp sóng phụ lớn xảy trường hợp tồn mây đối lưu mạnh vùng gần radar Nếu gradient độ PHVT đủ lớn, tình xảy búp sóng hướng vào vùng thời tiết tốt búp sóng phụ lại hướng vào nơi có ổ mây đối lưu mạnh (hình 1.19) Trong trường hợp ảnh với độ phản hồi nhỏ hiển thị theo góc hướng tương ứng với búp sóng Trên sản phẩm PHVT, ảnh hưởng búp sóng phụ thường xuất tượng can nhiễu với độ PHVT yếu tia quét mức góc cao nhỏ Hiệu ứng búp sóng phụ thường xảy từ búp sóng phụ lệch hướng khơng q đến 10o góc so với búp sóng Hiệu ứng búp sóng phụ yêu cầu

gradient độ PHVT theo góc phương vị theo phương bán kính phải đủ lớn để búp sóng phụ “đủ sức” vươn tới vùng có độ phản hồi lớn

Hình 1.19. Để giải thích ảnh hưởng búp sóng phụ

Nói chung, gradient phản hồi vượt 10 dBz độ-1 trì q 6o góc

Các vật mặt đất nhà cửa, cối… gần radar thường bị búp sóng phụ chiếu vào, gây tín hiệu phản hồi nhiễu Nếu vật không di động hình ảnh nhiễu khơng thay đổi lần quan trắc khác nhau, tìm cách loại bỏ

1.15 Khúc xạ tia quét radar tượng lớp dẫn sóng

Radar tính độ cao mục tiêu dựa vào khoảng cách từ radar tới mục tiêu góc cao đường trung tâm tia quét radar điều kiện khí trung bình (điều kiện khúc xạ chuẩn) Nếu điều kiện khúc xạ khí có sai lệch so với điều kiện chuẩn, tia quét lệch so với quĩ đạo chuẩn Nói cách khác, bị khúc xạ hay bị uốn cong mạnh yếu mức trung bình Hình 1.20 biểu diễn số đường truyền tia xạ điều kiện truyền sóng khác

1.15.1.Khóc x¹ yÕu (Sub – refraction)

Khi radar phát sóng điện từ, búp sóng bị khúc xạ (hay uốn cong) chút khí Nếu bị khúc xạ bình thường tượng gọi khúc xạ yếu hay khúc xạ chuẩn Trong trường hợp tia sóng cao so với tia sóng truyền điều kiện chuẩn độ cao mục tiêu mà radar tính thấp độ cao thực chúng cách mặc định, radar ln coi khí chuẩn tính độ cao mục tiêu điều kiện Trong điều kiện khúc xạ yếu, đỉnh mục tiêu “nằm tầm ngắm”, khơng bị radar phát Như vậy, ngồi việc đánh giá thấp độ cao đỉnh vùng PHVT, tượng khúc xạ yếu cịn có xu hướng làm giảm nhiễu phản hồi từ địa hình bề mặt góc qt thấp số địa hình nhơ cao nằm tia quét

Khúc xạ yếu xảy gradient nhiệt độ khí gần với đoạn nhiệt khô độ ẩm tăng lên vi s tng cao

1.15.2.Siêu khúc xạ (super-refraction)

Trong tình ngược lại, tượng gọi siêu khúc xạ hay khúc xạ mạnh xảy tia sóng radar bị khúc xạ nhiều so với điều kiện khí chuẩn Độ cao tia sóng thấp so với độ cao điều kiện trung bình độ cao tính tốn mục tiêu có giá trị cao thực tế Các điều kiện nghịch nhiệt lớp sát đất cao, xạ bề mặt, phân kì dơng gần bề mặt, vận chuyển khơng khí lạnh sau đường front v.v… gây nên tượng siêu khúc xạ

Ngồi việc làm cho độ cao tính mục tiêu lớn thực tế, siêu khúc xạ cịn làm tăng PHVT bề mặt (nhiễu địa hình) mức góc quét thấp

Nói chung tất tia xạ radar (sóng điện từ) bị khúc xạ hướng khơng khí lạnh ẩm

1.15.3.Hiện tượng lớp dẫn sóng

Hiện tượng kết hợp đặc biệt nhiều lần khúc xạ mạnh (siêu khúc xạ) búp sóng radar bị giới hạn, khúc xạ truyền lớp ổn định hay nghịch nhiệt Lớp gọi lớp dẫn sóng Khi lớp có chiều dài lớn nhiều so với hai kích thước cịn lại gọi ống dẫn sóng Nó làm cho búp sóng bị uốn cong nhiều bình thường tia sóng xuống đến bề mặt đất phần lượng bị suy yếu Trong thực tế, tượng đặc biệt siêu khúc xạ Trong trường hợp xác định mục tiêu nằm xa rmax đặc biệt nghiêm trọng hoạt động chế độ Doppler (khi đo gió)

vì rmax thường nhỏ, dẫn đến nhiều mục tiêu hiển thị khoảng cách ảo

1.16 Phương trình quĩ đạo sóng

Mét sè l­u ý:

1m = 3,28 feet (ft),

1feet = 30,48 cm = 12 inches,

1 nm = nautical mile (h¶i lÝ) = 1852 m = 6080 ft,

1nm/h = knot  0,5 m/s

115 6076 66

9168 2

, sin

x , cos x z

    

  

  

 , (1.47)

trong đó:

z độ cao đường trục búp sóng tầm xa x so với mức đặt anten radar (ARL- above radar level), tính feet (ft),

x – tầm xa, tính theo đơn vị nm (hải lí),

 - gãc cao (gãc n©ng) cđa anten

Từ phương trình ta thấy z hàm bậc hai x, vậy, 

> xa radar, độ cao búp sóng lớn Nếu giả thiết radar đặt mức ngang mực nước biển, độ cao tính tốn độ cao mực nước biển Ví dụ: mục tiêu độ xa nghiêng r = 55 nm góc cao anten búp sóng chiếu vào  = 0,50, độ cao mục tiêu z

Hình 1.21. Các đường biến đổi độ cao tia sóng theo góc cao tầm xa

Ví dụ: với ví dụ trước anten radar đặt độ cao 2079 feet mực nước biển Kết quả, ta nhận độ cao mục tiêu 4921 + 2079 = 7000 feet Nếu mục tiêu độ cao thực 4921 feet mực biển khơng phát búp sóng radar phát vượt cao mục tiêu

- Khi qua mặt front tia sóng bị lệch đáng kể so với hướng mà hiển thị hình

- Vào đêm khuya hay sáng sớm người ta thường nhận thấy có tăng lên đáng kể số lượng, cường độ vùng bao phủ nhiễu bề mặt đất tia sóng bị uốn cong xuống mức bình thường (siêu khúc xạ), kết nghịch nhiệt bề mặt Ban ngày, mặt trời đốt nóng khí lớp biên, tia sóng khúc xạ so với bình thường (khúc xạ chuẩn- sub-refraction) vùng bao phủ nhiễu bề mặt giảm

1.17 Sai số khoảng cách độ phân giải khoảng cách

Khi búp sóng radar quét, khoảng 250 xung truyền giây không gian định nhờ đĩa phản xạ anten Mỗi xung riêng biệt xác định thể tích xung có độ dài khoảng 600m với độ rộng búp sóng  1o Điều có

nghĩa mục tiêu nằm tia quét phải cách 300m để radar phân biệt mục tiêu riêng biệt

Hình 1.22. Để giải thích ý nghĩa độ phân giải khoảng cách

điểm “b” gần trùng với đầu nút sau “a” Nếu mục tiêu cách không 1/2 độ dài xung, lượng phản hồi chồng lên radar phân biệt mục tiêu kết hợp chúng lại thành mục tiêu phản hồi Sai số vùng che phủ phân định mục tiêu độ phân giải khoảng cách không lớn trở nên đáng kể vùng mưa nhỏ, ổ đối lưu gần

1.18 Sai số góc hướng độ phân giải theo góc hướng

Để hiểu khái niệm sai số góc hướng (cùng đề cập tới sai lệch độ rộng búp sóng) cần phải hiểu định nghĩa độ rộng búp sóng radar Độ rộng búp sóng radar, hầu hết trường hợp, vùng khơng gian mà mục tiêu khí tượng gặp tia quét vùng phản hồi trở lại phần lượng định để radar phát Radar thể quét qua mục tiêu góc hướng (hình 1.23)?

ở hình 1.23a tia qt radar với độ rộng búp sóng  = 20 gặp mục tiêu

điểm sườn trước búp sóng với 1/2 cơng suất đỉnh lượng phản hồi trở lại radar Radar nhận biết phản hồi từ mục tiêu đường trục búp sóng hiển thị mục tiêu (phần hình phía dưới) Vì hiển thị phản hồi từ mục tiêu thể cách vị trí thực tế khoảng 1/2 độ rộng tia qt Đó ngun nhân gây sai số góc hướng Sai số góc hướng (góc phương vị) xảy mục tiêu hiển thị đường trục tia quét mục tiêu khơng nằm đường trục

ở hình 1.23b đường trục tia quét cắt ngang mục tiêu khơng có sai số góc hướng Nhưng anten radar quét liên tục (theo chiều ngược kim đồng hồ) hình PPI, tượng lưu ảnh (ảnh trước chưa bị xố ảnh sau lên), mục tiêu hiển thị cung trịn nhỏ có số đo 10

(phần hình phía dưới)

Hình 1.23. Để giải thích sai số góc hướng (radar qt theo chiều ngược kim đồng hồ)

Hình 1.24 cho thấy sai số góc hướng kết làm tăng độ rộng mục tiêu lên 1/2 độ rộng tia qt phía Vì hiển thị mục tiêu lớn so với thực tế tổng cộng độ rộng tia quét Sai số góc hướng yếu tố quan trọng dẫn đến ước lượng vùng mưa rộng so với thực tế Do độ rộng tia quét tăng dần tăng khoảng cách so với vị trí đặt radar, sai số góc hướng tăng theo khoảng cách

Hình 1.24. Để giải thích ý nghĩa độ phân giải theo góc hướng

hưởng đến kết ước lượng độ cao đỉnh vùng PHVT, độ cao chân mây v.v… radar áp dụng hiệu chỉnh 1/2 độ rộng búp sóng sản phẩm

Do sai số góc hướng làm cho hiển thị mục tiêu lớn kích thước thực tế 1/2 độ rộng tia quét hai phía đường trục tia quét, hai mục tiêu nằm khoảng cách so với vị trí đặt radar phân định mục tiêu riêng biệt hiển thị khoảng cách chúng tối thiểu phải độ rộng tia quét (Beam Width) Vẫn hai mục tiêu chúng xa radar khoảng cách chúng nhỏ độ rộng tia quét tượng lưu ảnh, chúng hiển thị hình quét tròn PPI mục tiêu kéo dài

1.19 Dải sáng

Nhiu ma ri xung mt t bt đầu đá tuyết Trong lúc hạt mưa chuyển tiếp từ trạng thái băng tuyết sang nước lỏng, số thay đổi đáng ý xảy có ảnh hưởng lớn đến độ phản hồi vơ tuyến Có hiệu ứng sau ảnh hưởng đến độ phản hồi vô tuyến:

- Hiệu ứng tan băng, tuyết: Như nói trước đây, hạt nước có độ phản hồi lớn hạt đá tuyết có đường kính (do Ki nước lớn

gấp khoảng lần băng tuyết) cho nên, rơi xuống mức tan băng khí (mức đẳng nhiệt 00C), hạt băng tuyết tan làm tăng

độ phản hồi vơ tuyến Z (xem hình 1.25) Nhớ hạt băng tuyết bọc lớp nước bên ngồi, phản hồi mạnh hạt nước.

- Hiệu ứng thay đổi tốc độ rơi hạt: Khi rơi, hạt thường đạt tới tốc độ giới hạn rơi với tốc độ Tốc độ giới hạn vật rơi tự tốc độ khơng đổi xảy có cân lực hấp dẫn kéo xuống lực cản làm chậm xuống Tốc độ giới hạn hạt phụ thuộc vào mật độ hình dạng vào mật độ tính nhớt khí Các vật thể hình cầu trơn tru rơi nhanh vật thể xù xì (có khối lượng) Các vật thể nặng rơi nhanh vật thể nhẹ (có kích thước) Các vật thể cao khí nơi có mật độ nhỏ rơi nhanh so với vật thể gần mặt đất nơi có mật độ khí lớn Như vậy, thấy hạt tuyết rơi chậm hạt nước kích thước, hạt nhỏ rơi chậm hạt lớn Tốc độ rơi khác dẫn đến khác mật độ hạt N phần mây vùng mưa: phần dưới, nơi có nhiều hạt rơi nhanh, mật độ hạt giảm so với phần (tương tự qua đoạn đường ùn tắc, mật độ người tham gia giao thông giảm) làm cho độ phản hồi vơ tuyến giảm (vì Z  N) Khi tốc độ khơng tăng hiệu ứng hết

làm giảm mật độ hạt N làm tăng kích thước hạt, dẫn đến làm tăng độ phản hồi vơ tuyến (vì Z  D6  N) Hiệu ứng hết hợp cân

b»ng với vỡ vụn hạt mưa

Vậy, với điều nêu, tượng xảy tuyết rơi tan, chuyển thành mưa nước hay tổng cộng hiệu ứng sao?

Hình 1.25 Sơ đồ minh hoạ hiệu hợp nhất, tan hạt thay đổi tốc độ giới hạn đến độ phản hồi radar tạo dải sáng Theo Austin Bemis, 1950.

Bên mức tan băng khí (tức bên mức đẳng nhiệt 00C),

tuyết rơi với tốc độ giới hạn tương đối chậm Ngay đạt đến mức tan băng, bắt đầu tan dần từ ngồi vào Điều có nghĩa cánh tuyết tan Khi tan đủ, tuyết bọc lớp nước với khả phản xạ tốt giọt nước lỏng độ lớn cịn vừa phải lõi tuyết xốp hình dạng chưa có dạng cầu Như vậy, phản xạ giống giọt nước rơi chậm lớn Vì vậy, thay đổi từ đá sang nước lỏng lúc đầu làm tăng độ phản hồi thêm từ – 15dBz từ tuyết đến vùng phản hồi cực đại (ứng với tâm dải sáng)

dù có hợp làm tăng kích thước hạt, khơng bù lại giảm kích thước hạt tan Điều giải thích xuống vùng phản hồi cực đại, độ phản hồi lại giảm từ đến 10 dBz

Hình 1.26 Profile độ phản hồi Z tốc độ rơi trung bình tồn phương v mưa nhỏ (1mm/h) với dải sáng; độ dài vạch ngắn nằm ngang biểu thị độ phân tán giá trị đo (theo

Lhermtte vµ Atlas, 1963)

Xuống thấp nữa, tan hết thành nước lỏng hiệu hợp làm cho độ phản hồi lại tăng lên thường không mạnh dải sáng Trong trường hợp bất kì, độ phản hồi bên dải sáng thường xuyên lớn so với mức 00C Hình 1.26 cho ta thấy rõ biến đổi theo độ cao độ phản hồi Z

tốc độ rơi trung bình hạt mưa

Sự xuất dải sáng hình radar phụ thuộc vào loại hiển thị sử dụng Tổng hợp ba hiệu ứng kể dẫn tới độ phản hồi mây tăng vọt lên lớp mức 00C chút có bề dày vài trăm mét Trên hình

của radar khơng số hố, dải thường xun sáng so với vùng khác, có tên "dải sáng"

Trên mặt cắt thẳng đứng (RHI) dải sáng dải ngang; cịn mặt cắt ngang (PPI) hình vành khun có độ phản hồi lớn

Sự tồn dải sáng cho ta biết vị trí mặt đẳng nhiệt 00C, nhiên gây

Chương

phân tích Gió Doppler số sản phÈm cđa radar Doppler

2.1.Giíi thiƯu chung

Các radar khí tượng loại thường (khơng Doppler, khơng phân cực) sử dụng để quan trắc vị trí hình dạng vùng phản hồi đo cường độ tín hiệu phản hồi Radar khơng Doppler (cịn gọi radar “non-coherent”) cung cấp số liệu tốc độ gió lần đo

Ngoài việc đo độ PHVT radar thường, radar Doppler cịn phát khác tần số tín hiệu phát tín hiệu thu (tần số Doppler) biến đổi độ lệch pha tín hiệu Thơng tin cho phép ước lượng tốc độ tương đối mục tiêu theo hướng xuyên tâm (“tốc độ Doppler”) Với nhiều mục đích khác nhau, biết tốc độ tương đối mục tiêu quan trắc so với điểm cố định mặt đất bổ ích Radar Doppler, cịn gọi radar Coherent, đo khác tần số sóng điện từ chuyển động mục tiêu

2.2 Ngun lí đo tốc độ gió radar Doppler

Năm 1842 nghiên cứu sóng âm thanh, nhà bác học người áo có tên Doppler Kristsal (1803-1853) chứng minh máy phát sóng chuyển động tương máy thu tần số tín hiệu thu thay đổi Tần số tín hiệu thu tăng lên máy thu chạy gần vào máy phát, tần số tín hiệu thu giảm chạy xa Đây phát có giá trị, tượng mang tên nhà bác học, gọi hiệu ứng Doppler Sau người ta chứng minh rằng, hiệu ứng Doppler xuất với tất loại sóng (sóng ánh sáng, sóng điện từ)

Giả sử mục tiêu điểm nằm cách radar quãng r, quãng đường mà sóng lan truyền 2r Nếu tính số lượng bước sóng qng đường lan truyền

λ 2r

, tính “quãng đường” độ lệch pha (radian) tín hiệu

thu tín hiệu phát

λ π 2r

Như vậy, máy phát sóng với pha ban đầu 0 pha tín hiệu thu là: λ π 2 r     (2.1) Sự thay đổi pha tín hiệu thu theo thời gian là:

dt λ πdr dt d   (2.2) Sự thay đổi pha tương ứng với thay đổi tần số Δf ft fr tín

hiệu phát tín hiệu thu (ft fr tương ứng tần số phát thu)

λ Δ

πΔ v; f 2v

dt dr ; f dt d      (2.3)

ở v vận tốc tương đối mục tiêu radar theo phương bán kính (phương nối từ radar tới mục tiêu) Sự khác biệt tần số Δf tín hiệu phát tín hiệu thu cịn gọi tần số Doppler mà từ ta kí hiệu fd Như

λ 2v

fd 

(2.4) Từ hệ thức ta thấy mối quan hệ tần số Doppler với tốc độ di chuyển mục tiêu theo phương bán kính (cịn gọi tốc độ xuyên tâm) mối quan hệ tỉ lệ thuận Do đó, đo tần số Doppler radar ta xác định tốc độ xuyên tâm mục tiêu, sau có phương pháp tìm tốc độ tồn phần mục tiêu (sẽ xét mục 3.8) Những radar cho phép xác định tốc độ xuyên tâm theo cách gọi radar Doppler Qua ta thấy, muốn xác định xác tần số Doppler, tần số phát ft radar phải ổn định

Phương pháp đo gió Radar Doppler có số hạn chế sau:

2 Nếu khoảng cách mục tiêu radar khơng thay đổi tốc độ Doppler không (chẳng hạn mục tiêu di chuyển theo phương vng góc với phương xun tâm)

3 Radar Doppler bị hạn chế khoảng cách cực đại đo được, tức mục tiêu xa khoảng khoảng cách đo bị sai lệch (khoảng cách ảo), dẫn đến mô tả sai lệch phân bố không gian gió

4 Radar Doppler bị hạn chế tốc độ xuyên tâm cực đại đo được, tức mục tiêu có thành phần vận tốc xuyên tâm lớn giá trị cực đại tốc độ đo bị sai lệch (hiện tượng tốc độ ảo, nói thêm sau) Để rõ tượng này, xem phân tích đây:

Do kĩ thuật xác định trực tiếp tần số cao khó, người ta phải xác định qua độ lệch pha tín hiệu Giả sử mục tiêu chuyển động phía radar với tốc độ cho thời gian xung t , di chuyển quãng đường s =

/4, lúc độ lệch pha sóng thu so với trường hợp mục tiêu đứng yên (cũng thay đổi độ lệch pha tín hiệu phát tín hiệu thu hai trường hợp đó) giảm lượng  Nếu mục tiêu di chuyển xa radar với tốc độ độ lệch pha tăng thêm  Điều chứng minh từ hệ thức (2.2):               λ π λ π λ π λ π dt λ π s t v v dr dt d (2.5) Như vậy, ta không phân biệt trường hợp di chuyển gần xa radar mục tiêu này, xác định góc phẳng, số đo chúng 2 chúng coi Nếu mục tiêu chuyển động nhanh đến mức /2, , 3/2… thời gian xung độ lệch pha thay đổi lượng 2k (k số nguyên) so với mục tiêu đứng yên Với thay đổi vậy, pha tín hiệu thu coi khơng đổi (so với trường hợp mục tiêu đứng yên) tốc độ radar đo không Thời gian tối đa xung mà không gây tượng khoảng cách ảo thời gian nghỉ hai xung liên tiếp (T), vậy, tốc độ mà radar Doppler đo cách xác đơn trị tốc độ tạo độ lệch pha tín hiệu thu hai trường hợp di chuyển đứng yên mục tiêu thời gian nghỉ hai xung liên tiếp phải nhỏ  ứng với quãng đường di chuyển mục tiêu nhỏ /4 thời gian Tốc độ giới hạn ứng với độ lệch pha  gọi tốc độ Nyquist:

 

λF λ λ/4        T T t s

vmax

Đây hệ thức quan trọng Từ thấy muốn đo tốc độ lớn ta phải tăng tần số lặp F tăng  tăng Nếu mục tiêu có tốc độ xuyên tâm vượt q vmax tốc độ đo bị sai lệch

Tõ (2.4) ta cßn thÊy r»ng

2 λ

f

v dmax

max 

(2.7) So s¸nh víi (2.6), ta suy

2

F fdmax 

(2.8) Ta biết khoảng cách cực đại tính hệ thức

 

F c T c T

c rmax

2

2  

(2.9)

và muốn tăng rmax phải giảm tần số lặp F Nhân hƯ thøc nµy vµ hƯ thøc

(2.6) vÕ víi vế, ta được:

8

c r

vmax max 

(2.10) Từ hệ thức ta thấy với radar có bước sóng khơng đổi muốn quan trắc xa (phải giảm tần số lặp F), ta đo tốc độ nhỏ, muốn đo tốc độ lớn (phải tăng tần số lặp F) độ xa cực đại phải giảm Đây tình “tiến thối lưỡng nan” radar Doppler

Mặc dù vmax lớn cho phép xác định xác tốc độ Doppler, rmax lại

H×nh 2.1 Sù phơ thuộc rmax , vmax tần số lặp

Hình 2.1 cho ta thấy phụ thuộc rmax vmax vào bước sóng Từ cơng

thức trên, ta thấy radar băng S (10 cm), F = 1000 Hz rmax=150

km vmax=25m/s radar băng C (5 cm), F = 1000 Hz rmax=150 km,

nhưng vmax=8m/s Với tần số lặp F = 1190 Hz = 5,33 cm rmax = 124,79 km,

còn vmax = 15,86 m/s

2.3 Độ rộng phỉ Doppler

Khi có nhiều phần tử thể tích mẫu (ví dụ hạt mưa) phần tử có tốc độ Doppler (tốc độ xuyên tâm) riêng, tạo nên tần số Doppler riêng Tín hiệu phản hồi từ vùng nhỏ mây mưa (vùng phân giải) mà radar thu tổng hợp nhiều tín hiệu phản hồi từ nhiều phần tử Radar Doppler thường xử lí tín hiệu phản hồi để nhận giá trị tần số tốc độ Doppler trung bình cho thể tích mẫu, lấy làm tần số tốc độ Doppler cho thể tích mẫu

Một cách xử lí khác thường sử dụng radar tính tần số Doppler trung bình trọng f , với trọng số lượng ứng với tần số, tức d

là hàm mật độ phổ lượng Nguyờn lớ ca phng phỏp ny nh sau:

Mỗi tín hiệu phản hồi vùng nhỏ mây mưa (vùng phân giải) tới máy thu thêi ®iĨm t cã thĨ biĨu diƠn b»ng hƯ thøc

) t ( i e ) t ( A ) t (

y   ,

(2.11) A(t) biên độ, (t) pha tín hiệu Đây tín hiệu tổng hợp nhiều tín hiệu phản hồi từ phần tử riêng biệt vùng phân giải Mỗi tín hiệu tổng hợp có cơng suất thu Pr , tần số thu fr tần số Doppler fd(ft-fr)

tương ứng Do mây mưa có nhiều phần tử, ta coi yếu tố hàm liên tục đối số Coi y(t) q trình ngẫu nhiên dừng, ta tìm hàm mật độ phổ biên độ Y(fd)

       dt e ) t ( y ) f (

Y d i2 fdt

(2.12) Hàm mật độ phổ lượng tương ứng

2 ) f ( Y ) f ( '

S d  d

(2.13) Hàm coi có phân bố chuẩn thu từ hàm tự tương quan sau:

       2 T/

/ T T dt ) t ( * y ) t ( y T lim ) ( R , (2.14)  khoảng thời gian tự tương quan y*(t) hàm liên hợp phức y(t) Khi S’(f) biến đổi Fourier R() :

          d e ) ( R ) f ( '

S i fd

d

2

Công suất tín hiệu thu trung bình tính theo hÖ thøc





 

 d d

r S'(f )df

P

(2.16) Cơng suất cho phép radar Doppler đo độ phản hồi vô tuyến Z ging nh radar thng

Tần số Doppler trung bình ®­ỵc tÝnh theo hƯ thøc

        

 d d d d

r d d

d df f S(f )df

P ) f ( ' S f f , (2.17) r d d P ) f ( ' S )

S(f  ,

(2.18) hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá

Còn phương sai tần số Doppler

 2  2           d d d d d d

f f f S(f )df f f

Hình 2.2 Hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tần số Doppler S(fd) độ lệch chuẩn f Hàm mật độ phổ lượng chuẩn hoá tốc độ xuyên tâm S(v) ảnh hàm mật độ phổ lượng chuẩn hố tần số Doppler S(fd) ta viết

dv ) v ( S )df

S(fd d 

(2.20) Các phương trình với fd nêu chuyển đổi sang v Ta cú cỏc h

thức tham số nh­ sau:

d f v ,

(2.21) ) f ( S ) f ( S dv df ) v (

S d d d

Độ rộng phổ tốc độ tần số Doppler hiển thị thị quét tròn quét đứng

Sự biến động tốc độ Doppler mục tiêu mà nhiều nguyên nhân gây ra, độ đứt gió mẫu, chuyển động anten, tốc độ rơi khác hạt mưa loạn lưu Do ta viết:

2 2 2

t d a s

v    

 , (2.24)

trong v- độ lệch chuẩn tốc độ tất nguyên nhân gây ra, s - độ lệch chuẩn độ đứt (sự biến đổi theo không gian) gió mẫu, a- độ lệch chuẩn chuyển động anten, d- độ lệch chuẩn tốc độ rơi khác hạt mưa, t– độ lệch chuẩn loạn lưu gây nên d có ảnh hưởng rõ rệt góc cao anten lớn (vùng mưa gần radar)

Đối với 2f ta viết hệ thức tương tự

Độ đứt gió biến đổi vận tốc gió tốc độ hướng, khoảng cách định (khoảng cách thường lấy đơn vị) xét theo hướng Đối với radar có ý nghĩa khác tốc độ gió hai điểm thể tích mẫu Nó xảy theo hướng, chẳng hạn theo hướng thẳng đứng, hướng bán kính hướng phương vị (vng góc với hướng trên)

Khác với hiển thị phản hồi vô tuyến đơn thuần, để hiểu sản phẩm độ rộng phổ (SW) khơng hồn tồn đơn giản Về hình thức, ảnh hiển thị SW trơng tương tự ảnh hiển thị gió Doppler mục tiêu, khác số chi tiết SW cung cấp thơng tin, từ đưa kết luận (khơng phải quan hệ trực tiếp) tượng khác mơi trường khí loạn lưu, đối lưu, độ đứt gió Ta kết luận loạn lưu mạnh độ đứt gió lớn vùng có độ rộng phổ lớn Sự thay đổi xác định sản phẩm VAD (sẽ nói rõ mục 2.11.6), xác định độ cao từ 1000 feet (300 m) trở lên Sản phẩm SW xác hố dự báo loạn lưu

Sự phát triển đối lưu thường thấy sản phẩm SW trước thấy dấu hiệu đặc biệt sản phẩm PHVT Khi ta xem xét, PHVT có cường độ yếu 15 dBz khơng có ý nghĩa, SW có giá trị cao, gần vùng SW lớn thể chuyển động mây đối lưu Vì sản phẩm SW khơng có tất trường hợp (một số radar không cho hiển thị sản phẩm này), nên cần phân tích quan trắc thám khơng vơ tuyến (cao không) sản phẩm khác trước đưa tin dự báo

2.4 Tốc độ ảo

Nói chung, tín hiệu phản hồi mà radar thu có tần số thấp tần số tín hiệu phát chứng tỏ mục tiêu di chuyển xa so với vị trí radar ngược lại Như tốc độ gió thể tốc độ Doppler mục tiêu đến gần rời xa vị trí radar Tuy nhiên, có hạn chế đo tốc độ gió radar Doppler

Xe lửa thiết kế để chuyển động nhanh phía trước lùi lại phía sau Đồng hồ tốc độ tốc độ chạy tới tốc độ lùi Đồng hồ “A” cho phép đọc trực tiếp tốc độ tiến lùi từ – 50m/s Tương tự đồng hồ đo tốc độ xe lửa, radar có tốc độ giới hạn vmax mà khoảng từ - vmax đến vmax radar đo

tốc độ khơng có sai số Tốc độ đo xác phải đơn trị (“unambiguous”)

Trên hình 2.4a xe lửa chuyển động với 40 km/h phía trước Đồng hồ tốc độ xác định xác tốc độ Trên hình 2.3b tốc độ tàu tăng thêm 20 km/h nên đồng hồ tốc độ ghi nhận trường hợp xe lửa chạy lùi với tốc độ 40 km/h Như vậy, xe lửa chạy với tốc độ vượt giới hạn cực đại thang số đồng hồ tốc độ khoảng tốc độ (0 ; 50 km/h) tốc độ cho phép đo xác Ngay kim đồng hồ đo tốc độ vào giá trị 50 km/h ta khơng biết tốc độ tiến hay lùi Tốc độ Doppler lớn giá trị cực đại vmax (tốc độ Nyquist) gọi tốc độ

ảo (được hiển thị với giá trị khác giá trị thực)

Hỡnh 2.3. minh ho tốc độ ảo

Một cách tổng quát, tốc độ Doppler thực vt liên hệ với tốc độ Doppler quan trắc

v®o nh­ sau:

max

t v kv

trong k số nguyên, nhận giá trị 0, 1, 2, … tuỳ theo trị tuyệt đối tốc độ đối tượng vượt giá trị cực đại cho phép 0, 1, 2,… lần Như vậy, tốc độ đo xác ứng với k = Trong ví dụ xe lửa vừa nêu ứng với hình 2.3b, vđo = -40 km/h (tốc độ ảo), vmax= 50 km/h, vt = 60 km/h, k =

Nói cách khác, tốc độ gió lớn tốc độ cực trị giới hạn vmax tần số

lặp lại xung sử dụng (F), radar cho kết sai Kỹ thuật xử lí tốc độ ảo phức tạp để lại kết khơng xác

2.4.2.Phát số liệu tốc độ ảo

Bằng mắt thường nhận nhiều trường hợp có số liệu tốc độ ảo, thấy vùng ảnh hiển thị gió Doppler có tốc độ giảm tăng đột biến so với vùng lân cận, tức trường tốc độ khơng đảm bảo tính liên tục theo không gian Chẳng hạn, vùng không gian ta thấy hầu hết hiển thị tốc độ dương lớn, lọt vào lại vùng nhỏ có tốc độ âm lớn nhiều khả vùng nhỏ có tốc độ ảo Tuy nhiên cần thận trọng xem xét mức độ chênh lệch hai tốc độ để khỏi nhầm với trường hợp có gió giật xốy lốc, vịi rồng v.v… Tương tự, ta theo dõi đối tượng hai thời điểm liên tiếp cách không lâu, đối tượng có tốc độ thay đổi đột biến hai thời điểm từ dương lớn sang âm lớn ngược lại hai tốc độ ảo, tức trường tốc độ khơng đảm bảo tính liên tục theo thời gian

Để khẳng định tốc độ ảo, kiểm tra liên tục tốc độ theo phương thẳng đứng sản phẩm tốc độ xuyên tâm trung bình góc cao anten khác Trong trường hợp có dấu hiệu xốy cục vịi rồng phải kiểm tra sản phẩm khác để xác định dông nguy hiểm

Tốc độ ảo xử lí tự động phần mềm khơng hồn tồn xác trường hợp khó khẳng định ảo Hiểu hạn chế thuật toán giúp cho ta phát số liệu xử lí khơng chuẩn Nếu số liệu bị nghi ngờ khác biệt nhiều so với số liệu khác có biến đổi mạnh trường gió qui mơ synốp qui mơ vừa, thuật tốn nhầm giá trị ảo Một nguyên nhân khác làm cho phép xử lí thuật tốn khơng chuẩn có bước nhảy “ra” ‘vào” tốc độ lân cận giá trị giới hạn vmax ,khi có tốc độ xuyên tâm vượt khỏi giới hạn bị thuật toán loại

bỏ, làm sai lệch phổ tốc độ tốc độ Doppler

Việc xử lí không tốc độ ảo ảnh hưởng đến sản phẩm radar, nhiên không ảnh hưởng nhiều tới sản phẩm độ đứt gió tổng hợp (Combined Shear products) phép tính tổng trung bình hố số liệu mà thuật tốn thực

- D÷ liệu Doppler khoảng cách ảo:

Phn hi vơ tuyến từ mục tiêu nằm ngồi bán kính qt xung trước tới radar thời gian chờ tín hiệu phản hồi xung vừa phát Nếu độ nhạy máy thu đủ cao và độ rộng cánh sóng đủ hẹp, PHVT vùng mưa nằm ngồi vịng trịn bán kính rmax xuất khoảng cách gần radar

do tượng “khoảng cách ảo” (range-folding)

§èi víi hệ thống radar Doppler xung nào, tích giới hạn rmax vmax

mt hm s khơng đổi bước sóng radar tốc độ truyền sóng Giảm F cho phép thời gian nhận tín hiệu dài hơn, nghĩa tăng bán kính đo gió xác làm giảm tốc độ gió Doppler cực đại mà radar xác định

Dữ liệu tốc độ Doppler mục tiêu nằm ngồi bán kính qt khơng ảo (nếu

4 λ

F v

v  max  ), khoảng cách đo mục tiêu lại ¶o

(do

F 2

c r

r max  ) Chúng gọi chung liệu tốc độ Doppler khoảng

cách ảo coi đáng ngờ Các giá trị tốc độ khoảng cách ảo thuật tốn xử lí tốc độ coi bị ảnh hưởng đáng kể tới kết tính tốc độ trung bình mẫu tốc độ bị loại bỏ không ảo

- Nhận biết xử lí ảnh hưởng liệu khoảng cách ảo:

Dữ liệu khoảng cách ảo phát so sánh sản phẩm hiển thị độ PHVT tốc độ xuyên tâm trung bình với sản phẩm trước để xem chúng có đảm bảo tính chất liên tục theo thời gian không gian hay không

Hiện tượng khoảng cách ảo dễ xảy điều kiện khúc xạ dị thường sóng siêu cao tần (khi có ống dẫn sóng khí quyển) có đối lưu mạnh xảy ngồi bán kính qt (ngồi “chặng phản hồi thứ nhất”), sóng vươn tới mục tiêu xa tín hiệu phản hồi đủ mạnh để trở tới radar

Khi có đủ điều kiện, phần mềm hiệu chỉnh hiển thị giá trị tốc độ Doppler độ rộng phổ khoảng cách xác Nếu phần mềm khơng thể xác định khoảng cách xác liệu đánh dấu hiển thị trường hợp liệu Doppler khoảng cách ảo

Trên sản phẩm tốc độ xuyên tâm trung bình, xuất hiện tượng liệu sai từ ngồi bán kính qt giới hạn khơng tránh khỏi Radar khơng có khả xác định tốc độ cách xác thuật tốn khơng thể phân biệt tín hiệu phản hồi từ mẫu (hoặc nhiều hơn) vị trí, từ chặng phản hồi khác Chẳng hạn, giả sử rmax = 120 km tín hiệu phản hồi Doppler từ

hiển thị cường độ PHVT thu từ đám mây với tần số lặp thấp (ví dụ F = 250 Hz, ứng với rmax1 = 600 km) ta biết khoảng cách xác 270

km khơng khoảng cách phải khoảng cách lớn nhiều (vì rt = rđo + n.600 km) lượng phản hồi tới radar nhỏ

mức độ nhạy máy thu Như vậy, giá trị tốc độ ước lượng cách xác từ thể tích mẫu hướng vị trí Vùng vành khun có bán kính từ rmax đến 2rmax (ứng với phản hồi Doppler từ chặng 2), vùng vành

khun có bán kính từ 2rmax đến 3rmax (ứng với phản hồi Doppler từ chặng 3)

các vùng vành khuyên ứng với chặng hiển thịchồng lên ảnh phản hồi Doppler từ chặng với nhiễu địa hình, gây khó khăn cho phép khử khoảng cách ảo (mặc dù nhiễu địa hình cố định khử bớt, khơng thể khử nhiễu địa hình di động nhiễu địa hình bất thường góc cao anten thấp có điều kiện truyền sóng siêu khúc xạ khí quyển)

Phần lớn radar Doppler đánh dấu vùng xác định liệu xác màu khác hẳn (thường dùng màu đỏ tía trên sản phẩm in ấn) để dễ phân biệt với màu “lạnh” ứng với gió thổi vào màu “nóng” ứng với gió thổi từ radar xử lí tính tốn thể khơng có

2.6 Giải tình “tiến thối lưỡng nan” radar Doppler

Như nêu mục 2.2 tình “tiến thoái lưỡng nan” radar Doppler, muốn đo tốc độ lớn, tần số lặp xung F phải lớn muốn theo dõi mây, đo tốc độ độ PHVT mục tiêu khoảng cách lớn phải cần tần số lặp xung nhỏ Lời giải đơn giản cho mối quan hệ tìm cân hiệu tốc độ giới hạn khoảng cách phát xác mục tiêu

Để giải mâu thuẫn này, có giải pháp vận hành radar hai tần số lặp xung khác thu thập liệu độ PHVT với tần số lặp thấp, thơng tin gió tần số lặp xung cao Radar DWSR-2500C hoạt động băng sóng C (5 cm), tần số lặp F = 250Hz để đo độ PHVT (tương ứng với rmax1 = 600 km), cịn liệu tốc

độ gió thu nhận tần số từ 250-1200Hz (tương ứng với vmax = 3,1 m/s  15

m/s vµ rmax2 = 600 km  125 km) Hai bé số liệu so sánh với

xử lí để xác định khoảng cách tốc độ xuyên tâm (tốc độ Doppler) thực Dữ liệu tốc độ Doppler ngờ vực đánh dấu giống liệu khoảng cách ảo, xử lí thể khơng có hiển thị màu đỏ tía trên sản phẩm in ấn Nói chung, có rmax1 đủ lớn, ta yên tâm khoảng

2.7.Mở rộng giới hạn đo xác tốc độ khoảng cách

Nếu đo khoảng cách tốc độ Doppler hai tần số lặp khác nhau, ta mở rộng mà giới hạn đo xác tốc độ Doppler vmax khoảng cách rmax lên gấp vài

lần việc sử dụng hai tần số lặp khác nhau, tạo khả dễ dàng xác định khoảng cách thực tốc độ xuyên tâm thực Dưới ta trình bày ngun lí việc mở rộng

2.7.1.Mở rộng giới hạn đo xác tốc độ

Giả sử hai giới hạn tốc độ tương ứng với hai tần số lặp F1 F2 vmax1 vmax2

víi vmax1 > vmax2 , tõ hÖ thøc (2.6) ta cã

m n F F v v 2 max max   , (2.26)

trong n, m hai số tự nhiên

m n

phân số tối giản Nếu dùng hai loại xung

như để đo tốc độ Doppler đối tượng thu tốc độ vdo1

vdo2 Các tốc độ phải thoả mãn hệ thức (2.25), tức là:

1 max 1

t v 2k .v

v  

(2.27) vµ max 2

t v 2k .v

v   ,

(2.28) với vt tốc độ thực đối tượng, k1 k2 số nguyên, âm dương Nếu

hai tốc độ quan trắc (vdo1 = vdo2) từ hai hệ thức ta suy

2 max max

1.v 2k v k

2 

(2.29) Trường hợp tổng quát hơn, vdo1 vdo2, ta ln tìm cặp số ngun

 ' 

2 ' 1,k

k có trị tuyệt đối nhỏ cho

0 max ' 2 max ' 1

do 2k v v 2k v v

v    

    max2 ' 2 max '

1 k .v 2k k .v

k

2   

(2.31) từ

' 1 , 2 max max k k k k v v    (2.32) So sánh hệ thức với (2.26) ta suy

m n k k k k ' 1 , 2    (2.33) Nhưng m n

phân số tối giản nên k k' km

1   vµ k k kn

,

2   , víi k lµ

mét sè nguyên Thay trị số vào (2.27) (2.28) ta

2 max max

t v 2km.v v 2kn.v

v     ,

(2.34) v0 đại lượng định nghĩa công thức (2.30)

Tõ (2.26) ta còng cã

2 max

max n.v v

m 

(2.35) KÝ hiÖu max max max m.v n.v

v   ,

(2.36) (vmax chÝnh lµ béi sè chung nhỏ vmax1 vmax2) đưa vào (2.34), ta thu

được công thức

max

t v 2k.v

(2.37) Công thức chứng tỏ tốc độ giới hạn bội số chung nhỏ hai tốc độ giới hạn cũ, tức mở rộng

Ví dụ: radar có F1 = 1200 Hz F2 = 800 Hz với bước sóng  = cm,

vËy tõ (2.6) suy vmax1 = 15 m/s vµ vmax2 = 10 m/s Các công thức cho ta

2   m n F F

, vmax m.vmax1n.vmax2 30 m/s (gấp lần vmax1 lÇn vmax2)

Nếu quan trắc đối tượng với loại xung thứ ta đo vdo1 = 14 m/s, vi loi

xung thứ hai ta đo vdo2 = -6 m/s; ta tìm cặp số '

k = 0, k'2= để thoả mãn

hÖ thøc (2.30):

14 v . k 2 v v . k 2 v

v ' max2

2 max ' 1

0      m/s

Do đó, theo (2.37) ta có

30 14

0 k.v k

v

vt   max   m/s

Víi k = 0, 1, -1 ta thu giá trị vt = 14, 74, -46, … m/s, nh­ng chØ mét

trong giá trị Để khẳng định giá trị cần dựa thêm vào giá trị tốc độ thường gặp tượng quan sát (chẳng hạn, loại mây xét thường khơng gặp tốc độ q lớn giá trị 74, -46m/s … bị loại bỏ, tốc độ 14m/s đúng), vào tính liên tục trường gió khơng gian thời gian

2.7.2.Mở rộng giới hạn đo xác khoảng cách

Tương tự trên, giả sử hai giới hạn khoảng cách tương ứng với hai tần số lặp rmax1 rmax2, từ hệ thức (2.26) ta có

n m F F r r 2 max max   , (2.38)

trong n, m hai số tự nhiên n m

phân số tối giản Nếu dùng hai lo¹i xung

như để đo khoảng cách tới radar đối tượng thu khoảng cách rdo1 rdo2 Các khoảng cách phải thoả mãn hệ thức (1.46), tức là:

1 max 1 t r k r

r  

2 max 2

t r k r

r   ,

(2.40) với rt khoảng cách thực đối tượng, k1 k2 số nguyên, dương Giống

như mục ta chứng minh hệ thức tương tự hệ thức (2.30), (2.34), (2.36) (2.37):

0 max ' 2 max ' 1

do k r r k r r

r     ,

(2.30’) max max

t r kn.r r km.r

r     ,

(2.34’)

2 max

max

max n.r m.r

r   ,

(2.36’)

max

t r k.r

r  

(2.37’) Công thức chứng tỏ khoảng cách giới hạn rmax bội số chung nhỏ hai khoảng cách giới hạn cũ rmax1 rmax2, tức mở rộng

Ví dụ: radar có F1 = 1200 Hz F2 = 800 Hz với bước sóng  = cm,

vËy tõ (2.26) suy rmax1 = 125 km rmax2 = 187,5 km Các công thức cho ta

3 n m F F 

 , rmax n.rmax1 m.rmax2 375km (gÊp lần rmax1 lần rmax2)

Nu quan trắc đối tượng với loại xung thứ ta đo rdo1 = 100 km, với

lo¹i xung thứ hai ta đo rdo2 = 37,5 km; ta tìm cặp số '

k = 1, k'2= để thoả mãn hệ thức (2.30):

225 r . k r r . k r

r ' max2

2 max ' 1

0      km

Do đó, theo (2.37’) ta có

375 . k 225 r . k r

rt  0  max   km

Víi k = 0, 1, ta thu giá trị rt = 225, 600, 975, … km, nh­ng chØ mét

Phương pháp mở rộng giới hạn đo xác tốc độ khoảng cách nêu sử dụng thuật tốn “unfolding” (“khử ảo”) Trong ví dụ vừa nêu ta áp dụng cách “khử ảo 3:2” Nói chung, thuật tốn thường áp dụng để mở rộng giới hạn đo xác tốc độ, cịn dùng để mở rộng giới hạn đo xác khoảng cách cần sử dụng tần số lặp đủ nhỏ có rmax lớn

tới mức mục tiêu xa khoảng này, tín hiệu phản hồi khơng “đủ sức” tới radar (chẳng hạn radar DWSR –2500C hoạt động với F = 250s-1 r

max

= 600 km)

2.8 Xác định hướng tốc độ gió

Theo hướng quét góc cao anten, giá trị tốc độ gió (m/s) thổi vào thổi so với vị trí radar xác định Đúng ra, hiệu ứng Doppler cho phép ta xác định tốc độ chuyển động C0 mục tiêu theo phương xiên nối

mục tiêu radar Tuy nhiên, radar thường tự động tính hiển thị tốc độ ngang v mục tiêu theo công thức v = C0cos,  góc cao anten

2.8.1.Tốc độ xuyên tâm

Radar đo thành phần tốc độ gió hướng theo cánh sóng anten quét, tức thành phần xuyên tâm (TPXT) vận tốc, gọi tốc độ Doppler Ví dụ gió thổi từ hướng tây với tốc độ 50 knots (25 m/s) anten có hướng 2700, ta

nhận gió tồn phần với tốc độ đo 50 knots Mặt khác gió thổi hướng tây với tốc độ 50 knots anten hướng 3150, phần gió

hướng theo cánh sóng anten tốc độ mà radar đo 35 knots (= cos450

50 knots) Nếu gió có hướng tây với tốc độ 50 knots anten radar có hướng 3600, nghĩa gió thổi vng góc với cánh sóng anten, radar cho giá trị tốc độ gió

b»ng 0, cos 90o =

Việc xác định vùng tốc độ Doppler hay gọi “đường số 0” (hoặc “đường zero”) yếu tố quan trọng để xác định hướng gió

2.8.2.Xác định hướng gió

Hướng đường số đặc biệt quan trọng để phân tích tốc độ Hình 2.4 (có thể xem ảnh số chương 5) hình ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler trường hợp đơn giản: trường gió đồng mặt ngang đổi hướng tốc độ thay đổi độ cao (trường gió qui mơ lớn) Radar nằm tâm hình Đường số đường màu trắng dạng chữ S đối xứng qua tâm hình Trong thực tế, muốn có hình ngồi việc điều kiện giả định phải thoả mãn, toàn vùng phải có mây phủ (để có tín hiệu phản hồi)

màu xanh), hướng phía radar, phần phía đơng gió Doppler dương (có màu đỏ), hướng xa vị trí radar Như gió phải thổi từ nửa phía tây sang nửa phía đơng Xét điểm hình 2.5a, gió phải thổi theo phương vng góc với cánh sóng radar, tức với phương bán kính qua điểm hướng từ tây sang đơng Khi cánh sóng radar hướng vị trí đường số hướng 3300, điểm gió thổi

hướng 330o

 90o tức hướng 60o 240o Song gió thổi từ nửa khơng gian

phía tây sang phía đơng nên hướng 240o Hướng gió điểm 3, 4, 5, 6,

cũng xác định theo cách tương tự

Hình 2.4.ảnh màu mơ hiển thị trường gió đồng mặt ngang (radar tâm hình)

2.8.3.Xác định tốc độ gió ngang

Khi biết hướng gió, việc xác định tốc độ gió trường gió qui mơ lớn trở nên dễ dàng Radar đo tốc độ gió tồn phần gió thổi song song với cánh sóng anten Do để xác định tốc độ gió độ cao định cần phải đọc giá trị tốc độ điểm mà đo tốc độ gió tồn phần Làm để thực điều đó?

Hình 2.5. a)Cách xác định hướng gió tốc độ gió; b) Sự phân bố vận tốc gió; c) profiles hướng tốc độ gió ứng với hình 2.4

Thứ nhất, nên nhớ ta di chuyển theo hướng nhìn từ trung tâm hình (tương ứng với vị trí đặt radar) ngồi biên ảnh hiển thị, độ cao so với mặt đất (mực đặt radar) tăng dần lên Vì di chuyển trỏ khoảng cách định từ tâm, theo hướng (đơng, tây, nam, bắc v.v…), giá trị hiển thị vị trí ln biểu diễn thơng tin gió độ cao Do trường gió giả định đồng ngang nên màu sắc hiển thị vịng trịn có khác nhau, tốc độ hướng gió phải Như vậy, tốc độ gió tồn phần điểm đường trịn tốc độ cực đại đường tròn Dựa lập luận vậy, ta xác định tốc độ gió điểm sau:

Giả sử ta muốn tìm vận tốc gió đường trịn qua điểm Trước tiên, ta xác định hướng gió đường trịn theo đường đường số “0”, hướng gió điểm Hướng gió điểm (và tồn đường trịn qua 2) 240o Từ tâm

vòng tròn (điểm 4) theo hướng song song với hướng gió, tức theo tia 2400 hướng

ngoài gặp đường trịn qua A Tốc độ gió xác định nhờ màu điểm A Đó tốc độ gió điểm đường trịn qua Cách làm bảo đảm phép đo độ cao Sau xác định xong tốc độ gió đường trịn, ta có tranh phân bố tốc độ gió hình 2.5b Đi theo đường bán kính hình ta tìm biến đổi hướng gió tốc độ gió theo độ cao trình bày hình 2.5c

Cũng cần nói thêm trường gió khơng đồng mặt ngang đường số nói chung khơng đối xứng qua tâm hình

2.8.4.Mét sè vÝ dơ

Hình 2.6. Các đường đẳng tốc gió Doppler (trong đường trịn) góc cao anten  không đổi, tương ứng với profile thẳng đứng khác trường gió đồng ngang Khoảng giá trị

các đường đẳng tốc độ 0,2 lần giá trị tốc độ cực đại (theo Wood Brom,1983)

Phân bố gió Doppler hướng xa radar (li tâm) thể đường đẳng tốc độ dương (đường liền nét hình 2.6) Ngược lại, phân bố gió Doppler hướng phía radar (hướng tâm) thể đường đẳng tốc độ âm (đường đứt nét hình 2.6); Các đường đẳng tốc dương đối xứng với đường đẳng tốc âm qua tâm

Lưu ý hàng ảnh hình có dạng đường số 0, ảnh hàng khác Đường in đậm, đứt nét nét dài so với đường đẳng tốc độ âm

Nếu tốc độ gió khơng đổi theo độ cao tất đường đẳng tốc qua tâm hiển thị (hình 2.6, cột hiển thị thứ nhất) Trên hình này, giá trị cực đại modul gió Doppler (gió xuyên tâm) mực xảy dọc theo đường đẳng tốc in đậm

Nếu tốc độ gió tồn phần đạt cực đại chiều cao tối đa hiển thị, đường đẳng tốc độ, trừ đường số 0, đường cong khép kín phía đường số có đường đẳng tốc cực đại (các chấm đen hình) nằm khoảng cách tới tâm hình nửa bán kính (xem hiển thị cột thứ ba)

Nếu tốc độ gió tồn phần có hai cực đại khoảng chiều cao hiển thị, đường đẳng tốc độ, trừ đường số 0, đường cong khép kín phía đường số có hai đường đẳng tốc cực đại (các chấm đen hiển thị) nằm khoảng cách khác tới tâm hình (hình 2.6, hiển thị cột thứ tư)

Các hiển thị hàng thứ hình 2.6 ứng với hướng gió tây (hướng 2700) độ cao

Hàng thứ hai ứng với hướng gió thay đổi (quay phải) dần theo độ cao cách tuyến tính, từ 1800 (gió nam) mặt đất lên 2700 (gió tây) độ cao H (ứng với vịng

trßn bao quanh)

Hàng hình 2.6 cho ta thấy mặt đất có gió nam r đường số có hướng đơng- tây khơng khí thổi tới từ phía nam lên phía bắc Khi lên cao, gió quay phải với góc hướng tăng dần từ 1800 (gió nam) đến 2250 (gió

tây-nam) độ cao H/2, sau lại quay trái, trở hướng 1800(gió nam) độ cao H

2.8.5.Xác định tốc độ gió thẳng đứng

Có thể tính tốc độ gió thẳng đứng qui mơ lớn w độ cao z theo liệu radar Doppler sau (hình 2.7):

 



C (z)sin v(z).tg

w 0max , (2.41)

trong  góc cao anten; C0max(z)– tốc độ gió xiên theo phương bán kính (tốc

độ xuyên tâm xiên) cực đại đường trịn bán kính r tương ứng với độ cao z

Ta trực tiếp xác định tốc độ xuyên tâm C0max(z) đường trịn bán kính

r theo màu ứng với tốc độ cực đại đường trịn Tuy nhiên, radar thường hiển thị tốc độ xuyên tâm ngang tốc độ xiên theo đường sinh hình nón tạo thành lần qt trịn, ta cần xác định vận tốc gió ngang v

Hình 2.7 Để ước lượng tốc độ thẳng đứng độ cao z tương ứng với độ xa nghiêng r

(xem mục 2.8.3), tính vận tốc thẳng đứng theo cơng thức Trong nhiều trường hợp, góc  nhỏ nên C0max(z)  v(z), sin tg, w nhỏ

2.9 Xác định vùng xốy, phân kì hội tụ gió

Các hiển thị tốc độ Doppler tập trung vào diện tích nhỏ, sử dụng để xác định dấu hiệu dông độc lập Các vùng xốy, phân kì hội tụ gió bên vùng đối lưu tạo nên hình ảnh tốc độ Doppler đặc trưng quan trọng Ba dấu hiệu nhận biết quan trọng vùng có đối lưu phát triển mạnh (vùng có dơng) hội tụ, phân kì xốy Hình 2.8 ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler xốy qui mơ vừa phía bắc radar phân bố vận tốc gió (có thể xem ảnh số 8, chương 5)

Hình 2.8. a) Sơ đồ phân bố vận tốc gió; b) ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler vùng xốy qui mô vừa phia bắc radar

Hình 2.9. Các đường đẳng tốc Doppler đường dịng xốy tương ứng với hình 2.8

Hình 2.10 ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler phân bố vận tốc gió vùng gió phân kì qui mơ vừa phía bắc radar (có thể xem ảnh số 9, chương 5) Ta nhận thấy ảnh vùng phân kì tương tự ảnh vùng xốy, xoay 900 theo chiều ngược kim đồng hồ Trong ảnh phân kì, đường số

vng góc với hướng quan trắc radar khơng nhạy với chuyển động vng góc với phương bán kính

Hình 2.10. a) Sơ đồ phân bố vận tốc gió; b) ảnh màu mơ hiển thị tốc độ gió Doppler vùng phân kì qui mơ vừa phia bắc radar

góc với phương bán kính Các dấu hiệu phân kì thường phát thấy gần đỉnh ổ dơng, phía dòng thăng gần với mặt đất vùng dịng giáng gây mưa

Hình 2.11 Các đường đẳng tốc Doppler đường dòng vùng phân kì tương ứng với hình 2.10 (radar phía nam tâm hình)

Hình 2.12 ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler vùng gió hội tụ qui mơ vừa phía bắc radar (có thể xem ảnh số 10, chương 5) ảnh tương tự ảnh xoáy, xoay 900 theo chiều kim đồng hồ

Hình 2.12. a) Sơ đồ phân bố vận tốc gió; b) ảnh màu mơ hiển thị tốc độ gió Doppler vùng hội tụ qui mô vừa phia bắc radar

hướng quan sát radar Như vậy, dấu hiệu vùng hội tụ tương tự vùng phân kì vùng tốc độ dương lại gần, vùng tốc độ âm lại xa radar Vị trí tương đối radar so với vùng nghiên cứu quan trọng để xác định vùng xét hội tụ, phân kì hay xốy Chẳng hạn, radar phía đơng vùng xốy ảnh hiển thị khơng giống hình 2.8b mà xoay 900 theo chiều

ngược kim đồng hồ, tức giống hình 2.10b

Hình 2.13. a) Các đường đẳng tốc Doppler đường dòng vùng hội tụ tương ứng với hình 2.12 (radar phía nam tõm hỡnh)

2.10 Quét khối sản phẩm radar Doppler

Radar quột để thu số liệu từ vùng không gian định Quét khối (volume scan) thu thập giá trị cường độ phản hồi vô tuyến Z, số liệu tốc độ Doppler V độ rộng phổ Doppler SW (có thể độ rộng phổ tần số độ rộng phổ tốc độ Doppler) góc cao anten, tới bán kính quét tối đa radar chọn Số liệu quét khối lưu trữ vào tệp liệu “gốc” hay “cơ bản”

Cường độ phản hồi vô tuyến, tốc độ Doppler độ rộng phổ Doppler là sản phẩm radar Doppler Các sản phẩm hiển thị trực tiếp radar quét tròn (ảnh hiển thị PPI) quét đứng (ảnh hiển thị RHI), lấy từ tệp số liệu gốc lưu trữ nhờ phần mềm chun dụng (khi ảnh hiển thị cịn gọi BASE) Từ tệp số liệu gốc người ta lấy sản phẩm dẫn xuất, thấy mục tiếp theo, nhờ số phần mềm chuyên dụng khác

độ theo 0,50 Quét khối thực theo

một cách khác, thơng dụng hơn, radar quét đứng góc phương vị khác nhau, góc phương vị thường 10

Chẳng hạn, radar DWSR-2500C có khả thu số liệu nhiều góc cao anten từ 00 đến 200 Số lượng góc cao chọn theo phán đoán

của người điều khiển, ý góc cao cần khoảng phút để qt trịn vịng Vì chọn 20 góc cao khoảng 20 phút để hoàn thành việc quét khối Thực đợt quét khối (tức quét 20 phút nghỉ 40 phút giờ) dẫn đến đánh giá cao thấp sản phẩm dẫn xuất ví dụ sản phẩm lượng mưa tích luỹ, thời gian tồn ổ đối lưu vùng nhiệt đới khoảng 20 đến 60 phút Quét khối 20 phút quan trắc ổ đối lưu giai đoạn phát triển khác đại diện cho 20 phút Chẳng hạn, radar quét ổ mây đối lưu giai đoạn phát triển cực đại, liệu đại diện cho 20 phút quét ổ đối lưu sau bắt đầu tan rã - cho kết ước lượng mưa cao so với thực tế Ngược lại, ổ đối lưu trạng thái mây tích bắt đầu phát triển chọn để đại diện – cho kết thấp so với thực tế Quét khối 20 phút tạo biến động “bất thường” sản phẩm sản phẩm dẫn xuất

Việc chọn góc cao nói chung khơng cung cấp đủ số liệu để thu xác sản phẩm dẫn xuất phần khí khơng quan trắc, đặc biệt khoảng cách lớn, vùng không quan trắc rộng Khi có mây xuất khoảng cách xa góc qt thấp cho số liệu Thông thường phản hồi vô tuyến nhỏ 18 dBz coi là mưa mà phản hồi từ hạt mây hạt tán xạ nhỏ khác

2.11 Các sản phẩm dẫn xuất phần mềm EDGETM

Phần mềm EDGETM cho phép radar DWSR-2500C tự động chuyển góc cao,

truyền phát tín hiệu lượng xung, thu lượng phản hồi cung cấp sản phẩm (gốc) độ phản hồi, tốc độ, độ rộng phổ sản phẩm dẫn xuất EDGETM điều khiển radar quét theo phương vị (qt trịn) góc cao ấn

định chế độ PPI điều khiển anten quét mặt cắt đứng khí chế độ RHI Người điều khiển chọn quét khối quét theo cung tròn, quét liên tục hay quét vào thời điểm định Phần mềm EDGETM

mở rộng giá trị tốc độ Doppler cực đại từ Vmax = 16m/s lên Vmax = 32m/s Vmax =

48m/s nhờ thuật toán “unfolding” 3:2 4:3 tương ứng

PhÇn mỊm EDGETM cịng cho phÐp lấy từ số liệu gốc lưu trữ nhiều sản phÈm

dẫn xuất hữu ích trình bày

2.11.1.Sản phẩm độ phản hồi vô tuyến cực đại (CMAX)

Đối với diện tích bề mặt trái đất, CMAX (Column Maximum) sản phẩm hiển thị giá trị cường độ PHVT cực đại (dBz) phía bề mặt diện tích Giá trị nhận từ liệu qt khối

Hình 2.14 giải thích cách nhận giá trị độ phản hồi cực đại pixel: cột hình có vng ghi giá trị độ PHVT thu ứng với góc cao khác nhau, có chứa giá trị độ PHVT lớn cột (giá trị gạch dưới) Giá trị giá trị độ PHVT gán cho pixel (ô nhỏ) ứng với “vùng đất” thẳng phía

Hình 2.14. Minh hoạ cách thu cường độ PHVT cực đại

Đối với tệp liệu quét khối có sản phẩm CMAX hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các với vị trí radar tâm hình Mỗi pixel hình nhận giá trị cường độ phản hồi cực đại Vùng hiển thị quan trắc viên lựa chọn theo bán kính quét tối đa tệp liệu khối Thường rmax = 120 km

hoặc 240 km Hình 2.15 ví dụ sản phẩm

- C«ng dơng:

+ Cho phép tổng hợp nhanh trường cường độ PHVT cực đại vùng bán kính quan trắc radar Chỉ ổ đối lưu, dông mạnh

+ Chỉ độ trải rộng vùng PHVT

- Nh÷ng giíi h¹n:

+ PHVT địa hình truyền sóng dị thường cho giá trị độ PHVT trường mây tượng thời tiết liờn quan

+ Các biểu hiện, dấu hiệu mặt phẳng ngang (như dạng móc câu,.) không phát

Hỡnh 2.15. Sn phm CMAX toạ độ cực thu từ số liệu quét khối vào lúc 5h 27’ ngày 14 tháng 9 năm 1994 radar đặt Guam (ảnh Tom Yoshida)

2.11.2.Sản phẩm đỉnh phản hồi vô tuyến (ETOP)

Bắt đầu từ cánh sóng góc cao nhỏ nhất, thuật tốn xác định độ cao đỉnh PHVT tạm thời độ cao có độ PHVT  18 dBz thẳng phía (pixel) bề mặt Sau xem xét góc cao tiếp theo, vị trí pixel bề mặt, thuật tốn lại xác định vùng có độ PHVT  18 dBz độ cao vùng chọn đỉnh PHVT mới, thay cho độ cao chọn trước Cách lựa chọn thực liên tục với góc cao cánh sóng anten góc cao lớn tệp liệu khối Hình 2.16 minh hoạ cách lựa chọn này: số vng có giá trị cường độ phản hồi từ 18 dBz trở lên, ô nằm độ cao lớn so với ô khác cột (các ô có giá trị gạch dưới) độ cao gán cho pixel thẳng phía

Hình 2.16. Minh hoạ cách thu độ cao đỉnh PHVT

PHVT giảm đột ngột – biểu khả mưa mạnh dòng giáng mạnh từ đáy mây xuống mặt đất

Hình 2.17. Minh hoạ cách thu độ cao đỉnh PHVT khơng gian

ở vùng khí hậu ơn đới, giá trị VIL giảm mạnh biểu mưa đá từ mây dơng

- Giíi hạn sản phẩm ETOPS:

+ nh PHVT hiển thị khơng phải đỉnh mây phần mềm loại bỏ tín hiệu có độ PHVT < 18 dBz

+ Trên hiển thị ETOPS thường nhận thấy hiển thị “bậc thang”, tức đỉnh PHVT có bước tăng giảm đột biến Hình 2.18 cho thấy, góc cao anten 0,50, radar cho giá trị độ cao đỉnh phản hồi ứng với độ cao tâm búp

sóng dưới, góc cao anten 1,50 , radar lại cho giá trị độ cao đỉnh

phản hồi ứng với độ cao tâm búp sóng

Hình 2.18. Để giải thích tượng đỉnh PHVT tăng giảm đột biến theo khoảng cách hiển thị radar

Nguyên nhân: độ cao cao mà búp sóng anten nâng tới thường 200

giới hạn khả quét vùng gần radar Vì mây q gần, búp sóng khơng qt tới đỉnh mây, độ cao đỉnh PHVT thấp, không phụ thuộc vào độ cao mây mà phụ thuộc vào độ cao búp sóng Càng xa, độ cao đỉnh PHVT cao so với gần Phải từ khoảng cách đủ lớn trở đi, radar quan trắc toàn mục tiêu theo chiều thẳng đứng

+ Khi khoảng cách tới radar tăng, bậc thang thường trở nên lớn

Nguyên nhân: Do búp sóng mở rộng theo chiều ngang chiều thẳng đứng theo khoảng cách, độ phân giải theo góc búp sóng giảm dần Kết bậc thang gần radar tương đối nhỏ, xa, chiều cao chiều rộng bậc tăng dần Điều thấy rõ hiển thị “bậc thang” trường mây có đỉnh đồng (mây tầng)

2.11.3.Sản phẩm độ PHVT trung bình lớp (LRA) độ PHVT trên mặt ngang (CAPPI)

Hình 2.19. Mơ tả cách thu sản phẩm LRA (giới hạn 10200 m, giới hạn 9900 m)

tuyến tính Sản phẩm biểu thị đơn vị độ PHVT (dBz), cường độ mưa tổng lượng mưa (do cường độ mưa tổng lượng mưa có quan hệ với độ PHVT)

LRA tạo thành từ tệp liệu khối với độ phân giải 10 phương vị Toàn

khối liệu kiểm tra độ cao pixel PHVT tính Các giá trị PHVT pixel nằm mức chọn cột thẳng đứng tính trung bình Giá trị PHVT trung bình chiếu xuống bề mặt, giá trị LRA (hình 2.19)

Trên hình 2.19 PHVT gạch lựa chọn cho sản phẩm LRA chúng nằm hai mức cao xác định, 9900 m 10200 m Chỉ có giá trị PHVT nằm hai mức cao giới hạn sử dụng Giá trị trung bình giá trị sử dụng để tạo sản phẩm Cách tính trung bình trung bình cộng Đối với tệp liệu quét khối có sản phẩm LRA hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các Khi hai mức cao giới hạn lớp chập lại làm một, sản phẩm LRA trở thành sản phẩm khác gọi CAPPI (Constant Altitude Plan Position Indicator) Như vậy, CAPPI cho ta giá trị độ PHVT mặt ngang khơng phải mặt nón PPI (Plan – Position Indicator)

LRA sử dụng hữu ích xem xét đám mây, mưa theo phương nằm ngang Sản phẩm LRA có ý nghĩa CAPPI cho thơng tin lớp có độ dày định CAPPI cho thơng tin lớp có độ dày vơ mỏng độ cao (coi CAPPI trường hợp riêng LRA)

2.11.4.Độ cao PHVT cực đại (Hmax)

Sản phẩm HMAX (Heigt of Maximum Reflectivity) hiển thị độ cao PHVT cực đại pixel bề mặt (tính km, kft nm) Sản phẩm HMAX nhận từ tệp liệu khối Các giá trị độ cao vùng PHVT cực đại phía bề mặt (pixel) tệp liệu khối xác định chiếu xuống bề mặt (hình 2.20) Như vậy, tệp liệu quét khối có sản phẩm HMAX hiển thị toạ độ cực toạ độ Đê-Các

2.11.5.Tổng lượng nước cột mây (VIL)

Nhiệm vụ thuật toán VIL (Vertically Intergrated Liquid) ước lượng tổng lượng nước lỏng băng tuyết cột mây có thiết diện định hiển thị Giá trị VIL trường hợp có mây đối lưu liên quan đến độ lớn dịng thăng, liên quan đến khả xuất hiện tượng nguy hiểm ổ mây Cb ổ dông Sản phẩm VIL công cụ tốt để phân biệt dông nguy hiểm dơng khơng nguy hiểm Thuật tốn VIL, tương tự thuật toán ước lượng cường độ mưa, sử dụng công thức thực nghiệm để chuyển giá trị cường độ PHVT sang giá trị hàm lượng nước lỏng (cịn gọi “độ chứa nước”) W Cơng thức thực nghiệm thường sử dụng mây mưa nước lỏng

82 10

2, W,

Z

vµ cho m­a tuyÕt lµ

2 10

3, W ,

Z ,

trong Z tính mm6/m3, W tính g/m3

Đầu tiên, sử dụng tệp liệu khối, thuật tốn tính “giá trị VIL” (hàm lượng nước lỏng hay độ chứa nước W, tính kg/m3) điểm pixel búp sóng

anten từ giá trị cường độ PHVT Sau đó, thuật tốn cộng tất giá trị VIL theo phương thẳng đứng mức góc cao anten khác (hình 2.21) Kết ta có giá trị tổng lượng nước cột khơng khí phía đơn vị diện tích bề mặt, tức giá trị VIL biểu thị lượng nước (không kể nước) cột kg/m2

Các giá trị VIL lớn thường biến đổi theo vị trí địa lí, mùa hệ thống thời tiết Khối khơng khí ấm, ẩm có giá trị VIL cao khối khơng khí khơ, lạnh Việt Nam, mùa khô, mưa chuyển tiếp phải nghiên cứu để xác định giá trị VIL riêng ảnh hưởng vị trí địa lí nơi đặt radar (như Tam Kỳ, Nha Trang, Nhà Bè-Thành phố Hồ Chí Minh) cần quan tâm tìm hiểu Sự biến động VIL ban đêm cng phi c nghiờn cu

Hình 2.21. Mô tả cách thu sản phẩm VIL

Vựng v hỡnh dạng hiển thị VIL quan trọng Vùng có giá trị VIL lớn cần quan tâm đặc biệt Vùng có VIL giá trị lớn, rộng đáng tin cậy vài giá trị VIL lớn vài pixel Chúng biểu ổ xoáy lớn cần kiểm tra Gradient giá trị VIL quan trọng Gradient giá trị VIL lớn, liên tục dấu hiệu tượng dông mạnh lên

Có thể xác định xu biến đổi giá trị VIL qua vài chuỗi liệu qt khối liên tục Dơng địi hỏi có thời gian để phát triển giá trị VIL khơng thể thay đổi đột ngột từ giá trị thấp lên giá trị cao Xu tăng dần giá trị VIL dấu hiệu dơng mạnh lên chứng tỏ dòng thăng mạnh lên làm cho hạt nước cột mây tăng kích thước dẫn đến tăng lên độ PHVT

nữa sau quét với nhiều góc cao (chẳng hạn, khoảng thời gian khoảng 20 phút) sản phẩm VIL xử lí, với dơng di chuyển nhanh khơng cịn vị trí hiển thị sản phẩm Ngay với chế độ quét khối phút, ổ dông di chuyển nhanh “chạy vượt” trước nên sản phẩm VIL không với thực tế

Hình 2.22. Dơng có trục nghiêng di chuyển gây nên giá trị VIL thấp giá trị thực tế miền có kích thước 2,2 nm  2,2 nm (ơ vng phần hình)

Khoảng cách mục tiêu cần quan tâm sử dụng sản phẩm VIL Khi mục tiêu di chuyển phía radar xa vị trí radar, sản phẩm VIL “quan trắc” cách thay đổi độ cao cánh sóng anten; ví dụ, mục tiêu 100 km góc cao anten phải từ 00 đến 4,50 để quét từ thấp tới độ cao9

km, 70 km cần từ 00 đến 80 để đạt tới độ cao Khi dông di

chuyển vào gần xa radar, giá trị VIL thể xu tăng lên giảm Dông cao km thường có độ PHVT lớn hơn, giá trị VIL lớn

2.11.6.Hiển thị profile tốc độ hướng gió ngang (VAD)

VAD (Velocity Azimuth Display Winds) sản phẩm hữu hiệu radar DWSR-2500C VAD tương tự số liệu đo gió tức thời TKVT, lần quét khối

Mặc dù sử dụng hiển thị VAD đơn giản, tính tốn thơng tin gió phức tạp Thuật tốn VAD cung cấp số liệu gió cho người sử dụng

mỗi mức góc cao tính lại tốc độ ngang, đưa phân bố thẳng đứng (profile) tốc độ hướng gió ngang Tốc độ gió hiển thị trông “xương cá” “lá cờ” nhỏ (hình 2.23), giống kí hiệu tốc độ gió điền đồ Synôp (các “xương dăm” cho biết tốc độ gió, “xương dăm” ngắn ứng với tốc độ knots 2,5 m/s, “xương dăm” dài ứng với tốc độ gấp đôi vậy, cịn hướng gió hướng phương vị cán nối “xương dăm” này)

Hình 2.23. Sản phẩm VAD thu từ số liệu quét khối vào trước lúc 8h 59’ ngày 19 tháng năm 1994 radar đặt Guam (ảnh Tom Yoshida)

Chú ý: Nếu khơng có PHVT góc cao anten (do khơng có đối tượng phản xạ sóng), khơng có liệu gió hiển thị chữ ND (no data) sản phẩm VAD Màu sắc xương cá cho biết độ lệch chuẩn việc xác định tốc độ gió

VAD cho ta tốc độ gió độ cao khác với khoảng cách 330m (1000feet) Sản phẩm biểu thị kết tính tốn nhiều tệp liệu quét khối liên tục cho ta profile “thời gian-độ cao” VAD

Dựa vào VAD ta phát độ đứt hướng gió, có ích để phân tích front VAD liệu mặt cắt thẳng đứng tốc độ gió cần thiết để ghi nhận vị trí dịng khí, quan trọng phân tích gió mùa

2.11.7.Sản phẩm lượng mưa tích luỹ (ACM)

ACM (Accumulated Rainfall Mount) độ dày tổng lượng nước mưa tích luỹ diện tích bề mặt khoảng thời gian định: 1, 3, 24 khoảng thời gian người sử dụng lựa chọn (N giờ) Sản phẩm thường tính cho vùng có bán kính qt 240 km với độ phân giải km2 toạ độ Đê-Các,

chuẩn hố theo bước thời gian hiển thị hệ toạ độ khác Sản phẩm ACM ứng với khoảng thời gian là cường độ mưa

ACM khơng phải sản phẩm xử lí “tự động” Người sử dụng phải đưa vào thời điểm ban đầu Sau đưa sản phẩm 0, phần mềm bắt đầu tính tổng lượng mưa tích luỹ Tại thời điểm sau “thời điểm ban đầu” người sử dụng chọn sản phẩm cho hiển thị Sản phẩm lượng mưa tích luỹ thời đoạn (từ thời điểm t sau thời điểm “ban đầu” đến t+1h), giờ, 24 giờ, N tổng lượng mưa từ thời điểm ban đầu đến thời điểm mà phần mềm tính cập nhật Việc tính tốn tổng lượng mưa tích luỹ tiến hành liên tục người sử dụng cho ngừng lại Các kết tính tốn (các sản phẩm ACM) cịn lưu máy người sử dụng khởi động lại chương trình tính Nhớ phải đặt tổng lượng mưa trước bắt đầu chương trình

Số liệu ACM tích hợp lưới toạ độ Đềcác với độ phân giải km2, 480 x

480 pixel (mỗi pixel ô vuông có cạnh km) với vị trí radar tâm ảnh hiển thị

ACM nhận từ trường PHVT hiệu chỉnh chưa hiệu chỉnh chuyển đổi thành cường độ mưa I theo quan hệ Z-I, có đưa vào tuỳ chọn đặc biệt để người sử dụng dùng để thay đổi quan hệ Z-I Quan hệ ngầm định Z = 200.I1,6 (quan hệ Marshall-Palmer, nói kĩ chương

sau)

Sản phẩm ACM sử dụng với nhiều mục đích số liệu radar hiệu chỉnh với mạng lưới đo mưa mặt đất Trước hết sản phẩm ACM phục vụ cho dự báo dòng chảy lũ lụt, ước lượng độ ẩm đất, sản lượng thu hoạch nông nghiệp, bảo vệ khỏi cháy rừng v.v

2.11.8.Sản phẩm mặt cắt thẳng đứng tuỳ chọn (XSEC)

dụng phải xác định thời điểm, điểm bắt đầu kết thúc đường cắt sản phẩm hiển thị Thuật toán XSEC chuyển từ liệu ba chiều dọc theo đường thẳng chọn, tạo mặt cắt thẳng đứng qua đường cắt nói vào thời điểm yêu cầu

Sản phẩm XSEC tạo thành cho độ PHVT chưa hiệu chỉnh, tốc độ gió xuyên tâm (gió Doppler), cường độ mưa (I), hàm lượng nước lỏng (ACM độ cao) độ rộng phổ (SW)

XSEC tạo thành với cấu trúc không đổi mảng chiều phần tử nội suy thể toạ độ Đê-Các mà trục tung trục độ cao, trục hồnh độ xa (khoảng cách theo phương ngang) Nó không hiển thị toạ độ cực, hầu hết sản phẩm dẫn xuất khác tạo toạ độ cực Đê-Các, trục tung trục hoành biểu diễn khoảng cách theo phương ngang

Kích thước khơng đổi XSEC ô với độ phân giải 125m theo chiều thẳng đứng độ dài đường cắt chia cho 384 khoảng theo chiều ngang Trong độ phân giải theo chiều thẳng đứng không đổi, độ phân giải ngang phụ thuộc vào kích thước đường cắt mà người sử dụng chọn, nghĩa độ dài đường cắt chia cho 384

Đối với mặt cắt trường cường độ phản hồi vô tuyến, đường cắt nên chọn qua vùng PHVT đặc biệt, mặt cắt tốc độ trạm radar, nên cắt theo hướng phương vị vng góc với đường số phía (gió thổi đến gió thổi đi) Cũng nên tạo mặt cắt vng góc với hướng nêu vùng gió thổi đến gió thổi khoảng cách khác so với vị trí radar Cả loại mặt cắt cung cấp thông tin để xác định hội tụ hay phân kì tốc độ dọc theo hướng phng v ang xột

2.11.9.Kĩ thuật phát dải s¸ng” (BB)

Khi chức “BB” (Bright Band) lựa chọn, tệp liệu khối kiểm tra profile (phân bố thẳng đứng) độ PHVT xác định thời điểm thu Sau đó, profile kiểm tra để tìm chỗ có tăng đột biến cường độ PHVT tinh thể tuyết tan phần phía ngồi độ cao gần mức 00C khí (hiệu ứng “dải sáng”) Nếu “dải sáng” phát hiện,

độ cao phân bố xác định lưu tệp liệu khối Bất kì sản phẩm tạo thành từ tệp liệu khối hiển thị giá trị độ cao “dải sáng”

2.11.10. Di chun cđa vùng mưa dông xoáy (VECTOR)

nhận dạng chiều để phát vùng mưa hay vùng PHVT có dạng gần giống đồ PPI CAPPI liên tiếp độ PHVT cường độ mưa Các đồ cách khoảng thời gian khơng Hệ số tương quan vùng mưa đồ đồ thời điểm liền kề trước tính cho nhiều hướng (cặp giá trị khoảng cách x y) nhận hệ số tương quan lớn Hướng có tương quan lớn sử dụng làm hướng di chuyển vùng mưa

2.11.11. Theo dâi đường dông cảnh báo (TRACK)

TRACK phần mềm nhận dạng theo dõi đường di chuyển ổ dông Khác với phần mềm VECTOR nhận dạng không gian chiều, TRACK nhận dạng ổ vùng không gian chiều liên tục mà độ PHVT vượt ngưỡng người sử dụng định trước Thông qua việc sử dụng vài yếu tố kích thước vị trí, ổ đối lưu phải phù hợp với từ lần quét khối liên tiếp File lịch sử tạo vị trí, kích thước đặc trưng thống kê khác ổ dông thay đổi không nhiều từ lần quét khối sang lần quét khối khác Vị trí khứ ổ hiển thị sản phẩm Hiển thị ổ dông hoạt động ghép chồng lên hiển thị CMAX cho thấy đường ổ dông

Cách nhận dạng ổ dơng: Phần mềm kiểm tra dọc theo góc cao khác tệp liệu khối để “tìm” nơi mà giá trị độ PHVT vượt giá trị ngưỡng Nếu “tìm” tối thiểu điểm ảnh (pixel) liền kề nhau, kết “tìm” nhớ vào danh mục liên kết cấu trúc số liệu riêng gọi “đoạn” Khi tất đoạn nhận dạng ghi nhớ, thuật toán tiếp tục tập hợp đoạn tìm thành ổ cách gộp nhóm tất đoạn gần kề theo phương thẳng đứng với Những nhóm liên kết nhớ vào danh mục liên kết ổ

Tiếp theo, ổ phân loại cách tính thể tích ổ, vùng tâm ổ (cell centroid) nhân với trọng số độ PHVT, đỉnh PHVT, đáy PHVT, cường độ PHVT trung bình, cực tiểu cực đại đặc trưng thống kê khác Nếu thể tích ổ vượt giá trị cực tiểu người sử dụng định trước, ổ coi dông để phân loại giữ danh mục, ngược lại bị loại bỏ Khi dông đáp ứng tiêu chuẩn phân loại dông mạnh, cảnh báo phát Dông mạnh xác định dông với độ phản hồi cực đại vượt giá trị dBz cực đại người sử dụng đặt Giá trị mặc định thường 55 dBz Điều kết thúc phần nhận dạng phần mềm

tại khác biệt thời gian vượt ngưỡng người sử dụng định trước, số liệu quan trắc cuối bị loại bỏ

Với lần phù hợp vùng mây dông cũ mới, tốc độ hướng trung bình chuyển động tính tốn cho vùng mây dông Khi tệp liệu khối đánh giá, dông xác định hoạt động hay không hoạt động Nếu không hoạt động, số liệu dơng bị loại bỏ Trong vùng nhiệt đới, dấu vết dơng khó kéo dài 1h (vì thời gian hoạt động dụng thng ngn)

Trên số sản phÈm phÇn mỊm EDGETM lÊy tõ sè liƯu quÐt khèi

Chương

Ước lượng mưa radar thời tiết

3.1 Một số kiến thức mưa

3.1.1.Một số khái niệm mưa

Các giọt nước tinh thể băng rơi từ khí xuống mặt đất gọi giáng thuỷ Thông thường gọi chung loại giáng thuỷ lỏng (thực ra, có có giáng thuỷ rắn) mưa tiện ta giữ cách gọi

Đới mưa đặc trưng loạt tham số: dạng kích thước, tốc độ di chuyển, thời gian tồn tại, phát triển pha, cấu trúc

3.1.1.1. Một số loại mưa thường gặp Người ta chia loại mưa sau [1]:

Mưa phùn: mưa tương đối đồng tạo từ số lượng lớn hạt nhỏ (có bán kính nhỏ mm) Mưa phùn rơi từ mây tầng (St) mây tầng tích (Sc) sương mù tan Cường độ mưa phùn không vượt 0,25 mm/h, tốc độ rơi hạt khơng khí tĩnh từ 0,3 đến 2m/s Độ trải nằm ngang đới mưa tới hàng trăm trí hàng nghìn kilơmét Hầu hết trận mưa xảy vào mùa chuyển tiếp năm

Mưa dầm (mưa thường): rơi từ mây tầng tích front Các mưa tạo lên có trật tự khơng khí Độ rộng đới mưa khoảng vài chục đến vài trăm kilơmét, cịn độ dài đến vài trăm chí nhiều nghìn kilơmét Bán kính hạt mưa dầm dao động từ 0,5 đến 1,5 mm tốc độ rơi chúng từ đến 6m/s Trong mưa dầm thường quan sát cách đồng thời hạt có kích thước khơng đồng

Mưa đá: dạng giáng thuỷ nguy hiểm Nó hình thành mây vũ tích khối khơng khí front Các quan trắc nhiều năm cho thấy số ngày có mưa đá phụ thuộc vào mặt đệm (ở vùng núi nhiều vùng đồng bằng) Mưa đá thường xảy vào thời gian sau buổi trưa mà đối lưu nhiệt phát triển cực đại phân bố lãnh thổ không đồng Mưa đá thường kéo dài khoảng phút, từ đến 15 phút Trong mục sau mô tả chi tiết dạng mưa

Mưa tuyết: dạng giáng thuỷ rơi xuống dạng tinh thể tuyết hay băng có hình dạng khác nhau, hay gặp dạng hình sáu cánh tuyết lớn nhiều tinh thể liên kết với Tinh thể lớn tuyết có đường kính tới 10 mm, cịn bơng tuyết lớn có đường kính đạt tới 8-10 cm

Tuy nhiên, thực tế tồn mưa hỗn hợp nước ta có mưa tuyết

Theo cấu trúc, mưa chia thành mưa đối lưu đơn ổ, mưa đối lưu đa ổ mưa dạng tầng

3.1.1.2. Một số đặc trưng

Các đặc trưng thương dùng để đánh giá mức độ mưa quy mô, cường độ mưa lượng mưa:

- Quy m«:

Trong nghiên cứu khí tượng radar, người ta coi trận mưa rơi diện tích lớn 104 km2 với thời gian tồn chúng đạt đến 10 có

quy mơ sy nốp Các trận mưa trải dài từ 50 đến 80 km diện tích từ 103 đến

104 km2 (với thời gian tồn thường từ đến giờ) coi có quy mơ trung

bình (mesoscale) Các trận mưa trải diện tích nhỏ 103 km2 coi có

quy mơ nhỏ Vùng mưa có độ trải từ đến km với diện tích từ đến 10 km2 tồn

tại số phút coi mưa ổ Hầu tất mưa nhiệt đới khoảng nửa số mưa vĩ độ trung bình gây đối lưu dạng ổ

- Cường độ mưa:

Cường độ mưa I mức định, tức khối lượng nước rơi xuống đơn vị diện tích đơn vị thời gian, phụ thuộc vào nồng độ giọt nước mưa, phổ kích thước tốc độ rơi chúng Cường độ mưa phụ thuộc vào thời gian địa điểm rơi:

           Max D D * D *

D(x,y,t)v(D) u (x,y,t)dD D N v(D) u (x,y,t)dD

N D ) t , y , x ( I 3 π π

(3.1)

ở v(D) tốc độ rơi giọt mưa, u*(x,y,t) tốc độ thẳng đứng dòng

khơng khí (đối với dịng thăng có giá trị dương), DMax Dmin đường kính cực

mưa theo đường kính D (số hạt mưa đơn vị thể tích khơng khí có đường kính nằm khoảng từ D đến D +1 mm)

Tốc độ rơi giới hạn (cực đại) hạt nước mưa v(D) hàm số phụ thuộc vào kích thước hạt dạng

v(D)=D,

(3.2)   hệ số thực nghiệm Theo tác giả khác nhau,   có giá trị khác nhau, chẳng hạn theo Atllass Ulbrich (1977)  = 1767 cm0,33/s,

 = 0,67, cịn theo Nguyễn Hướng Điền (2005), giá trị

4 , 0 , 0 T T

519 

            ρ ρ

m0,2/s 0,8 tương ứng, T  nhiệt độ mật độ

khơng khí điều kiện xét, T0 0 đại lượng điều kiện tiêu chuẩn

Như vậy, lên cao khí nơi có mật độ khơng khí nhiệt độ thấp hơn, tốc độ rơi tăng lên

Trong tính toán thực tế, người ta đơn giản hoá cách đáng kể công thức (3.1) cách chấp nhận mưa đồng khơng gian thời gian, cịn u*=

Khi đó, kết hợp (3.1) với công thức (3.2) ta nhận được:

   Max D D DdD N D

I α β

6 π

(3.3)

Mưa có cường độ I từ 0,6 đến 3,0 mm/h thường mưa dầm, I > mm/h – mưa rào Ngồi ra, lấy cường độ mưa trung bình (Itb) cực đại (Imax) làm

đặc trưng cho mưa

- Lượng mưa (tích luỹ):

Lượng mưa tích luỹ hay tổng lượng mưa R khí đo độ dày lớp nước hình thành mặt nằm ngang liên tiếp băng tan điều kiện nước không chảy, không bay không thấm qua bề mặt Nó liên hệ với I qua hệ thức:

trong t1 t2 thời gian bắt đầu kết thúc mưa R thường tính mm

3.1.1.3. Phân bố số hạt mưa theo kích thước hạt

Sự phân bố số hạt mưa theo kích thước hạt nghiên cứu rộng rãi từ 30 – 40 năm qua Qua trình nghiên cứu hình thành nên số kỹ thuật triển khai lấy mẫu phân bố kích thước hạt mưa như:

- Phương pháp xử lý mẫu hạt nước giấy lọc qng thời gian t

- Xư lý c¸c mẫu hạt rơi qua thể tích chiếu sáng mét qu·ng thêi gian t

- Ph©n tÝch ảnh chụp băng ghi hình mẫu hạt

Đối với phương pháp phân tích ảnh chụp địi hỏi phải chụp khối mưa với độ phân giải đủ cao để đo giọt mưa riêng biệt

Trên sở kết thu dạng phân bố hạt mưa theo kích thước hạt tính cách dễ dàng yếu tố liên quan cường độ mưa (mm/h), hàm lượng nước lỏng (g/m3) độ phản hồi vô tuyến (mm6/m3)

Dưới ta xét hàm phân bố số hạt mưa theo kích thước S Marshall W Palmer đưa Hình 3.1 trình bày ba phân bố theo kích thước hạt thu Ottawa J S Marshall W Palmer (1948) sử dụng để tìm mối quan hệ mật độ phân bố số hạt mưa theo kích thước ND (số hạt đơn

Hình 3.1. Hàm phân bố kích thước hạt Marshall Palmer có đối chiếu với kết Laws Parsons (theo Marshall Palmer, 1948)

Nhìn hình vẽ, ta thấy cường độ mưa I khơng thay đổi lnND

phụ thuộc tuyến tính vào D (lưu ý hình trục tung lấy theo thang độ logarit) dạng

D N ln N

ln D  0 

(3.5) - hệ số góc đường đồ thị Từ ta suy ra:

ND = N0e

-D

(3.6) Theo tính toán S Marshall W Palmer, N0 = 8000 hạt/(m3.mm)

tham số chuẩn, D đường kính hạt tính mm, tham số phụ thuộc vào I, cho bëi:

 = 4,1I -0,21

(3.7) I cường độ mưa tính mm/h

21 , I D ,

D N e

N   

(3.8) Dùng quan hệ tính ND (số hạt đơn vị thể tích

một đơn vị khoảng kích thước hạt) ứng với đường kính hạt D cường độ mưa đặc trưng Sau đó, hàm mật độ phân bố dùng để tính độ phản hồi radar hàm lượng nước lỏng mưa

3.1.2.Phân cấp cường độ mưa

Radar cung cấp thơng tin định lượng mưa với độ phản hồi radar từ mưa, biến đổi từ khoảng 20 dBz (100 mm6/m3) đến 50 dBz (100000 mm6/m3)

Độ phản hồi cao, đạt đến 75 dBz đo mưa dông, độ phản hồi cao 55 dBz lại thường gắn liền với mưa đá

Các xử lí radar phân tích khác nhỏ mức độ phản hồi Nhiều radar có dải phản hồi rộng đến 90dBz Người ta thường chia dải thành 256 phần cho độ phân giải cỡ

3

dBz trªn khoảng đo

Thc ra, khụng phi lỳc no cần độ phân giải cao Cơ quan Khí tượng Quốc gia Hoa Kì (NWS) [6] chia dải phản hồi mưa dông (storm) thành số khoảng nhỏ Trong thực tế, người ta chia độ phản hồi thành khoảng sở cường độ mưa khơng lấy theo giá trị trịn độ phản hồi Bảng 3.1 cho phân cấp cường độ mưa độ phản hồi tương ứng:

Bảng 3.1. Phân cấp cường độ mưa độ phản hồi

Cấp Cường độ mưa (mm/h) Độ phản hồi (dBZ)

1 0,25 29,5

2 0,64 35,9

3 1,27 40,7

4 3,18 47,0

5 6,35 51,9

6 10,16 55,1

3.1.3.Mưa đá

Mưa dạng đá có đường kính mm gọi mưa đá Hầu hết xảy dơng rơi từ trận mưa khơng có sấm chớp

Mặt khác nhiều dông gây chớp sấm khơng có mưa đá Một số tác giả cho 85 % dơng có mưa đá

đến lớn, rơi với tốc độ phụ thuộc vào kích thước chúng, nên chúng thường khơng rơi lúc, mà lúc đầu hạt đá lớn rơi trước, hạt đá nhỏ dần

Tốc độ giới hạn mưa đá khơng phụ thuộc vào đường kính hạt đá mật độ khơng khí mà cịn vào dạng hạt (tức "hệ số cản" nó) Việc đo tính tốn tốc độ giới hạn mưa đá cho thấy tốc độ giới hạn hạt đá biểu thị quan hệ luỹ thừa Vt D giống hạt nước,

nhiên số thực nghiệm ,  nhận giá trị khác, đặc biệt  có giá trị nhỏ so với hạt nước lỏng Theo Mason Huggins [1]  = 112,45 cm0,5/s

và  = 0,5 áp dụng cho mức gần mặt đất Càng lên cao khí nơi có mật độ khơng khí thấp hơn, tốc độ giới hạn tăng vậy, giá trị thay đổi

Độ phản hồi từ mưa đá phụ thuộc vào bề mặt bên ngồi ướt hay khơ có nước bên hạt đá xốp (tức mưa đá mềm xốp) Mưa đá khơ có độ phản hồi thấp so với mưa đá ướt có kích thước Cũng vậy, độ phản hồi từ hạt đá thay đổi rơi từ phía mức tan băng xuống phía mức Điều kết khác số điện môi đá nước

Sự phức tạp cuối mưa đá thường đủ lớn để không áp dụng điều kiện tán xạ Rayleigh, mà phải áp dụng điều kiện tán xạ Mie Đối với radar có bước sóng cm, hầu hết tất mưa đá vùng Mie Các hạt đá nhỏ phát radar bước sóng 10 cm vùng Rayleigh hạt đá lớn vùng Mie

Tuy nhiên, đặc điểm quan trọng nhờ mà người ta phát mưa đá nhờ kĩ thuật radar hai bước sóng (sẽ nghiên cứu thêm tiết sau)

3.2 Sử dụng radar để phát mưa

Khi hoạt động, radar phát nhanh vùng mưa rào dông phạm vi khoảng 120 km từ nơi đặt trạm radar tuỳ theo khả loại radar Chẳng hạn, radar MRL-2 MRL-5 Nga phát vùng mưa đến độ xa từ 90 đến 120 km, radar Nhật Bản 80  120 km, Các vùng mưa thị quét tròn thường lẫn với vùng mây chưa cho mưa, thị qt đứng khác: vùng mưa có ảnh phản hồi sát xuống đến mặt đất, ảnh phản hồi mây lơ lửng cao Tuy nhiên, cần lưu ý có điều kiện siêu khúc xạ khí ảnh phản hồi vùng mưa bị nâng lên cao, có điều kiện khúc xạ yếu (dưới chuẩn) ngược lại, ảnh phản hồi bị hạ thấp xuống mức mặt đất thị quét đứng

mức băng tan phạm vi phát radar đồng thời nhận dạng vùng mưa theo ngưỡng (chỉ tiêu) Z mưa (vùng có Z vượt tiêu vùng có mưa) Chẳng hạn, tồn ảnh phản hồi vơ tuyến (PHVT) hỗn hợp tầng – tích, dấu hiệu để phân biệt vùng có mưa dầm là:

– Giá trị độ phản hồi lgZ3 mức H3 (độ cao mực 00C + km) nhỏ nhiều

(khoảng từ 0,6 đến 18 Z tính mm6/m3) so với giá trị ổ mây tích;

– Giá trị độ phản hồi mức H2 (độ cao mực 00C) lớn nhiều giá trị mức

H3 (chẳng hạn, MRL-2 MRL-5 Nga lgZ2 – lgZ3 > 2);

– Tồn dải sáng khoảng cách 90 120 km

Nói chung, thực tế quan trắc, đo độ phản hồi để phát vùng mưa phải chọn góc cao hợp lí anten radar

3.3 Sử dụng radar để ước lượng mưa

Một ứng dụng sớm số liệu radar khí tượng để đo mưa Từ lâu, nhiều phương pháp đo mưa radar đưa ra, có ba phương pháp sau:

1/ Đo cường độ xạ phản hồi (tức độ phản hồi radar) 2/ Đo suy yếu lượng radar mưa

3/ Đo suy yếu độ phản hồi tạo đồng thời hai bước sóng

Kĩ thuật phát triển rộng rãi dựa sở sử dụng độ phản hồi radar (phương pháp thứ nhất) Trong vài năm gần đây, người ta tập trung đầu tư nhiều vào nghiên cứu khả sử dụng việc đo độ phản hồi vào ước lượng mưa theo góc độ khác Phương pháp thứ phát triển áp dụng rộng rãi nhờ thuận lợi thực hành

Đối với phương pháp thứ hai, xạ với bước sóng nhỏ cm bị suy yếu mạnh mưa, mối quan hệ mức độ suy yếu tích cường độ mưa với kích thước ngang vùng mưa dọc theo hướng truyền sóng radar tuyến tính [1] Thực tế sử dụng để đo cường độ mưa trung bình điểm đầu cuối của qng đường mà sóng truyền qua Song, khó khăn thực tế việc tạo độ phân giải không gian tốt để đo tất cường độ mưa nên kĩ thuật không phát triển cho sử dụng tác nghiệp

Phương pháp thứ ba đưa Nga Hoa Kì, đòi hỏi phải nghiên cứu thêm trước đưa vào áp dụng Do vậy, mục ta xét hai phương pháp đầu

3.3.1.Sử dụng độ phản hồi vô tuyến quan trắc radar để ước lượng

cường độ mưa

Vì cường độ mưa (I) độ phản hồi radar (Z) có quan hệ với số lượng hạt đơn vị thể tích phân bố hạt theo kích thước, đó, hiển nhiên chúng có mối quan hệ Thực vậy, người ta sử dụng kết đo phân bố hạt thực nghiệm để tính độ phản hồi radar cường độ mưa Ta xét ví dụ để thấy rõ cách tính

Giả sử m3 khơng gian có 600 hạt nước lỏng, đường kính D =

mm Trong khơng khí tĩnh, hạt có tốc độ rơi khoảng m/s Từ ta dễ dàng tính cường độ mưa độ phản hồi vô tuyến sau:

   h mm , s mm , s m s m m m / v D N

I 600 10 410 000126 452

6 3 3          

 3 6 6 558 600 93

0, /m mm mm /m

D N K

Z   ,

cßn dBz , ) dBz ( lg Z lg '

Z10 10 558 275

Mối quan hệ toán học độ phản hồi cường độ mưa mối quan hệ thực nghiệm Marshall Palmer đưa vào năm 1948 có dạng

Z = AIb (3.9)

ở I cường độ mưa (mm/h), Z độ phản hồi vô tuyến mà radar thu từ vùng mưa (mm6/m3), A b hệ số thực nghiệm

Mèi quan hÖ sử dụng rộng rÃi Marshall Palmer đưa có A = 200 b = 1,6, tøc lµ:

Z = 200I1,6 (3.10)

Cơng thức hình thành sở nhiều cơng trình nghiên cứu thường cài đặt mặc định radar để tính cường độ mưa I từ độ phản hồi radar Z Như vậy, radar phương pháp hữu ích để đo mưa vùng rộng lớn quan hệ Z – I trụ cột cho phương pháp

Cách đo Z radar đề cập đến chương 2, nhắc lại nét Năng lượng phản xạ ngược từ hạt mưa vùng mưa bên mặt đất nhiều độ xa (range) đến 100 km góc hướng khác nhau, có liên quan đến cường độ mưa Ta biết rằng, với điều kiện vùng mưa lấp đầy khối xung

a r r L r Z C P  (3.11) r

P cơng suất phản hồi trung bình thu từ mưa khoảng cách r ; La độ

số radar) Từ giá trị P thu được, radar tự động khuếch đại lên r a rL C

r2

lần để thu

được độ phản hồi vô tuyến Z Sau đó, áp dụng cơng thức thực nghiệm dạng (3.9) ta dễ dàng xác định cường độ mưa I

Khó khăn phương pháp hệ số thực nghiệm A b công thức (3.9) không ổn định mà phụ thuộc vào hàm phân bố hạt mưa theo kích thước, tức vào ND Yếu tố thay đổi nhiều theo không gian thời gian

trong trận mưa Do mà công thức (3.10) Marshall Palmer đưa nhiều lúc dẫn đến sai số lớn việc ước lượng mưa So sánh hai trường hợp ví dụ ta thấy rõ điều

- Trường hợp 1: Giả sử m3 không gian có 729 hạt nước lỏng có

đường kính D = mm Trong khơng khí tĩnh, hạt có tốc độ rơi khoảng m/s Từ ta tính cường độ mưa độ phản hồi vô tuyến sau:

   h mm , s mm , s m , s m m m / v D N

I 729 10 152810 0001528 550

6 6 3 3         

 3 6 6 678 729 93

0, /m mm mm /m

D N K

Z   ,

cßn dBz , ) dBz ( lg Z lg '

Z10 10 678 283

- Trường hợp 2: Giả sử m3 khơng gian có hạt nước lỏng có đường

kính D = mm Trong khơng khí tĩnh, hạt có tốc độ rơi khoảng m/s Tương tự trên, ta tính cường độ mưa độ phản hồi vô tuyến sau:

   h mm , s mm , s m , s m m m / v D N

I 310 9910 9910 036

6 3 3          

 3 6

6 678 93

0, /m mm mm /m D

N K

Z   ,

vµ dBz , ) dBz ( lg Z lg '

Z10 10 678 283

So sánh hai trường hợp ta thấy chúng có độ phản hồi vơ tuyến, cường độ mưa khác hẳn

Vì vậy, nhiều giá trị A b đưa (xem bảng 3.2) Ngoài ra, quan hệ Z – I khác nhiều khơng khí tĩnh so với khơng khí có chuyển động thẳng đứng Trong khơng khí có chuyển động thăng với tốc độ m/s kết ước lượng cường độ mưa radar lớn 100 % so với thực tế Khi sử dụng quan hệ I – Z để đo mưa, việc sửa đổi A b cho thích hợp tỏ khơng phức tạp, nhiên, cơng thức có sai số lớn, ngồi ngun nhân nêu trên, cịn nhiều nguyên nhân khác mà ta xét mục 3.5

mưa Battan (1973) liệt kê 60 quan hệ I Z Mỗi phương trình thích hợp với hồn cảnh cá biệt May mắn, hầu hết quan hệ không khác nhiều cường độ mưa nằm khoảng từ 20 đến xấp xỉ 200 mm/h Tuy nhiên, có trường hợp khó xếp vào loại mưa hỗn hợp (lỏng lẫn với đá, tuyết) Quan hệ điển hình kiểu mưa khác cho bảng 3.2

Bảng 3.2. Các quan hệ thực nghiệm điển hình độ phản hồi Z (mm6/m3) cường độ mưa I (mm/h)

(theo Battan, 1973)

Quan hệ thực nghiệm Z I KiĨu m­a Tham kh¶o

Z = 140 I1,5

Mưa phùn Joss người khác (1970)

Z = 250 I1,5

Mưa diện rộng Joss người khác (1970)

Z = 200 I1,6 M­a dầm Marshall Palmer (1948)

Z = 31 I1,71 Mưa địa hình Blanchard (1953)

Z = 500 I1,5 Mưa dông Joss người khác (1970)

Z = 485 I1,37 M­a d«ng Joss (1956)

Z = 2000 I2.0 Mưa tuyết lớn Gunn Marshall (1958)

Z = 1780 I2.21 M­a tuyÕt Sekhon vµ Srivastava (1970)

Tháng 12/1999, Cơ quan Khí tượng Quốc gia Hoa Kì hướng dẫn radar WSR-88D họ sản xuất phải chọn phương trình Z – I trình bày bảng 3.3, tuỳ thuộc vào mùa, vị trí địa lí loại hình thời tiết dự kiến Các phương trình cho “tối ưu” khuyến khích sử dụng Hoa Kì

Bảng 3.3. Các phương trìnhZ – I Cơ quan Khí tượng Quốc gia Hoa Kì khuyến cáo sử dụng [6]

STT Tên phương trình Phương trình Trường hợp sử dụng

1 Marshall–Palmer Z = 200I1,6 Dùng cho mưa dạng tầng nói chung

2

East - Cool Z = 130I

2,0 Dùng cho mưa dạng tầng mùa đơng phía đơng

của lục địa Bắc Mỹ; mưa địa hình

West – Cool Stratiform Z = 75I

2,0

Dùng cho mưa dạng tầng mùa đông phía tây lục địa Bắc Mỹ; mưa địa hình

4

WSR88D Z = 300I

1,4

Dùng cho đối lưu sâu mùa hè đối lưu không nhiệt đới khác

5

Nhiệt đới (Rosenfeld) Z = 250I

1,2 Dùng cho mưa từ hệ thống đối lưu vùng nhiệt

đới

3.3.2.Sử dụng suy yếu lượng sóng radar mưa để ước

lượng cường độ mưa

Sãng radar trun khÝ qun bÞ suy yếu hấp thụ khuếch tán phân tử khí, hạt bụi, mưa Khi có mưa, hạt bụi gần không không khÝ, vËy cã thĨ coi hƯ sè suy u sóng phân tử khí hạt mưa gây ra, tức viết

p k e  

(3.12) k p hệ số suy yếu khơng khí mưa gây Trong thực tế, k nhỏ p nhiều mưa nhỏ, coi e p

Các quan trắc thực nghiệm mưa radar thời tiết cho thấy cường độ mưa I hệ số suy yếu lượng sóng điện từ siêu cao tần mưa (p)

có mối quan hệ chặt chẽ, mưa mạnh mức độ suy yếu nhiều Do ta xác định cường độ mưa I thông qua hệ số suy yếu p

Ta cã thĨ gi¶ thiÕt r»ng thiÕt diƯn suy u cđa mét h¹t e(D) xÊp xØ mét luü

thừa kích thước hạt quan hệ thực nghiệm mà Atllass Ulbrich (1994) sử dụng:

n e(D)CD



(3.13) Các tham số C n phụ thuộc vào bước sóng nhiệt độ

Sử dụng công thức cường độ mưa (3.1)

     Max D D *

D(x,y,t)v(D) u (x,y,t)dD

N D ) t , y , x ( I π ,

trong u vận tốc dịng thăng, coi vận tốc dòng thăng * u = lấy gần * tốc độ rơi hạt mưa theo công thức

67 0,

t D D

V    ,

(3.14) ta thu được:

dD N D dD N D I D max D D , D max D D , n min      

 067 367

6

6

(3.15) Hệ số suy yếu thể tích e , theo định nghĩa thiết diện suy yếu tổng cộng phần tử đơn vị thể tích, vậy:

trong ei, ai, si thiết diện suy yếu, hấp thụ tán xạ phần tử thứ i, N số phần tử nằm khoảng khơng gian tích V, cịn b hệ số tỉ lệ, tuỳ thuộc vào mức độ che khuất lẫn phần tử có sóng chiếu vào vào đơn vị sử dụng đại lượng công thức (khi hạt không che khuất lẫn nhau, đơn vị đại lượng công thức hệ quốc tế b = 1, cịn p tính dB.km-1 đại lượng cịn lại hệ thức

được tính đơn vị hệ quốc tế b = 4,343.103)

Nếu coi kích thước hạt biến đổi liên tục từ hạt sang hạt khác thì, thay cho hệ thức trên, ta có:

        max max D D n D D D e D p

e b N . (D)dD bC N .D dD

(3.17) So sánh công thøc (3.15) víi (3.17) ta thÊy r»ng nÕu n = 3,67 I p tuyến

tớnh vi quan hệ trở nên độc lập với hàm mật độ phân bố hạt mưa theo kích thước ND, mối quan hệ p I áp dụng cho

dạng mưa để tính I Tuy nhiên, ta thấy sau này, thật không đơn giản

Atlass Ulbrich xác định mối quan hệ p I (tìm giá trị C

và n) khoảng cường độ mưa từ 1- 100 mm.h-1, cho bước sóng từ 0,1 - 10 cm

và nhiệt độ từ - 100C; Sự phụ thuộc vào nhiệt độ tỏ yếu ớt,

bước sóng ngắn Với bước sóng n < nên p không phụ thuộc

mạnh vào D Z; với  = 0,88 cm, n = 3,67, tức trường hợp mà tác giả hy vọng có mối quan hệ tuyến tính p I Trong bảng 3.4 trình bày số

mối quan hệ p I theo bước sóng (bỏ qua ảnh hưởng nhiệt độ ảnh hưởng không lớn), sai số trung bình tương ứng, giá trị p tính

ra dB/km, cßn I tÝnh mm/h

Bảng 3.4 Một số quan hệ p -I theo bước sóng  (Atlass Ulbrich, 1977)

 (cm) Quan hÖ p – I Sai sè trung b×nh cđa p (%)

0,86 p = 0,22I

1,04

8,5

1,25 p = 0,102I1,10 9,0

1,778 p = 0,0473I1,13 12,0

3,22 p = 0,0105I1,17 20,0

những bước sóng ngắn phạm vi độ lớn vùng xác định hạn chế Ngoài ra, tốc độ dịng thăng m/s làm cho độ suy yếu lớn vài dB so với khơng có dịng thăng

Các mối quan hệ bảng có sai số lớn áp dụng chung cho dạng mưa trị số  = 0,67 dùng chứng minh Atlass Ulbrich lại không dạng mưa mà trị số thực nghiệm trung bình; thân  phụ thuộc vào kích thước hạt, tức nhận giá trị khác, nên thực chất mối quan hệ p-I trường hợp n = 3,67 phụ thuộc

vào hàm phân bố hạt mưa theo kích thước khơng phải Atlass Ulbrich hy vọng Ngay việc coi e p gây sai số Như vậy, phương pháp

cũng vấp phải khó khăn phương pháp trước (dùng quan hệ Z-I): hệ số thực nghiệm không ổn định mà phụ thuộc vào yếu tố khó xác định, phân bố hạt mưa theo kích thước Hơn nữa, kĩ thuật xác định trực tiếp hệ số suy yếu phức tạp kĩ thuật xác định độ PHVT radar Cách đo hệ số suy yếu trung bình mưa điểm chọn điểm phát sóng (vị trí anten radar) sau: Tại điểm chọn, người ta đặt máy thu vật phản xạ tốt sóng vơ tuyến radar Trong điều kiện khí khơng mưa, người ta cho radar phát sóng phía máy thu vật phản xạ đo công suất thu máy thu anten radar Khi có mưa, người ta thực phép đo tương tự Khi đó, bị mưa làm suy yếu, công suất thu nhỏ so với không mưa Từ hai cơng suất tính hệ số suy yếu trung bình gây mưa Như vậy, lí thuyết, phương pháp dùng hệ số suy yếu để xác định cường độ mưa áp dụng Tuy nhiên, nhiều khó khăn nảy sinh thực hành tác nghiệp như: phải đặt nhiều máy thu vật phản xạ nhiều điểm cố định theo hướng khoảng cách khác kể từ nơi phát sóng để đo mưa cho vùng khơng gian rộng, cần tính tổng lượng mưa cho khu vực địa lí rộng lớn; máy thu vật phản xạ phải chịu thời tiết phải radar “nhìn thấy” (tức sóng radar phải đến vật mà khơng bị chướng ngại vật che chắn) Vì khó khăn mà phương pháp xét không áp dụng rộng rãi

3.4.Dự đoán mưa đá radar có hai bước sóng

Mưa đá thường xảy mây đối lưu có độ cao độ phản hồi lớn (Hmax

> 15 km; độ PHVT cực đại Z’  48 dBz) mây đối lưu mạnh, tốc độ phát triển đỉnh mây cao, mây xuyên thủng đối lưu hạn có xác suất xảy mưa đá lớn Sự hoà nhập đám mây hệ thống mây đối lưu thường gây mưa đá

Hai băng sóng cần cho việc phát mưa đá thường sử dụng băng sóng S X (10 cm) Để thuận lợi, anten hai radar thường đặt bệ anten, vị trí chúng hướng anten di chuyển theo góc hướng góc cao Cơ sở phương pháp radar chiếu rọi vào mưa, tất giọt mưa vùng Rayleigh Các hạt nước lớn tồn khí thường có bậc khoảng 6-7 mm, nhỏ đáng kể so với bước sóng băng sóng X (3 cm) độ phản hồi radar Z từ hai radar Nhưng mưa đá xuất hiện, hạt đá trở nên đủ lớn so với bước sóng băng X đến mức áp dụng tán xạ Rayleigh Vì thế, mưa đá xuất hiện, radar băng sóng S nhìn thấy hạt đá vùng Rayleigh (hoặc tận vùng Mie) radar băng sóng X nhìn thấy hạt vùng Mie Hai radar cho phản hồi khác từ đối tượng quan sát Bằng so sánh hai ảnh phản hồi từ hai radar, dễ dàng phát có mặt mưa đá Trong số trường hợp ước lượng kích thước hạt mưa đá

Một tham số định lượng nhận từ số liệu hai bước sóng gọi dấu hiệu mưa đá (Ecles, 1975) Dấu hiệu mưa đá thường biểu diễn tỉ số logarit, là:

3 10 Z Z lg 10

H

(3.18)

ở Z10 Z3 độ phản hồi radar (mm6/m3) ứng với bước sóng 10 cm

H dấu hiệu mưa đá (có đơn vị dB) Nếu quan trắc mưa H = dB Nếu có mưa đá, H có giá trị dương, đơi đạt đến 20 dB Đáng tiếc số trường hợp (đá có đường kính mà phân bố đều), có dấu hiệu mưa đá H âm rõ rệt Gần với tất hạt đá thường có dấu hiệu mưa đá H  dB Tuy nhiên, radar hai bước sóng khơng phải khơng có vấn đề Như nói cần thiết phải có hai radar để lấy mẫu khu vực không gian Nếu mơ hình búp sóng anten khơng hợp lí gây sai số dấu hiệu mưa đá lớn có đến 20 dB Điều địi hỏi phải có radar hai bước sóng cho có độ rộng búp sóng búp sóng phụ thích hợp hai bước sóng Đây khó khăn lớn đến chưa khắc phục

Việc ước lượng cường độ mưa đá tương tự mưa nước lỏng, tức áp dụng cơng thức thực nghiệm dạng (3.9) dùng cho mưa đá để tính cường độ mưa từ độ PHVT, Tuy nhiên, sai số việc ước lượng thường lớn nên khả ứng dụng vào nghiệp vụ hạn chế

3.4.1.Nguyên nhân gây sai số hệ thống thiết bị radar - Sự suy yếu vòm che (chơp b¶o vƯ)

Ăngten radar thường đặt vòm che làm sợi thuỷ tinh Cấu trúc bảo vệ anten khỏi bị mưa, hư hỏng cho phép mô tơ truyền động làm việc nhẹ nhàng tải trọng gió bị khử

Song, mưa làm ướt bám vào chụp bảo vệ lại gây suy yếu lượng sóng điện từ radar Mức độ suy yếu phụ thuộc vào trạng thái mặt kích thước vòm che Wilson (1978) phát cường độ mưa 40 mm/h đưa đến độ suy yếu 1dB

- Tính khơng ổn định radar khơng chuẩn xác anten

Công suất phát máy phát, độ khuếch đại máy thu radar thường khơng ổn định Sự trì hệ thống ổn định quan trọng Ngồi ra, hiệu chuẩn khơng xác phần cứng anten ngun nhân đáng kể gây nên sai số cho ước lượng mưa

3.4.2.Các sai số địa hình - Nhiễu mặt đất:

Cả phần búp sóng radar búp sóng phụ gặp mục tiêu mặt đất Điều thường gây PHVT cố định (không di chuyển không thay đổi theo thời gian) Đó nhiễu địa hình Nhiễu địa hình gần trạm radar búp sóng phụ gây thường nhiễu cố định loại bỏ được, nhiễu địa hình xa búp sóng q thấp (khi góc cao anten nhỏ gặp điều kiện siêu khúc xạ khí quyển), khó loại bỏ

Radar đặt cho làm cực tiểu hố phản hồi mặt đất này, khơng thể loại trừ hoàn toàn chúng Một đồ nhiễu mặt đất biết ghi lại để tránh hiểu lầm mưa khơng cần đo radar vùng Kĩ thuật đơn giản nhiều lúc giúp cho công việc tác nghiệp thực tốt, nhiên có lúc phản xạ nhiễu bị biến đổi điều kiện truyền sóng khí thay đổi di chuyển số vật mặt đất Người ta thử nghiệm phần mềm để loại mục tiêu cố định, nhiên phần mềm loại bỏ vùng mưa vùng mưa tĩnh di chuyển theo hướng vng góc với phương bán kính

Nếu phản hồi không lọc sử dụng vào công thức Z-I để ước lượng mưa, tổng lượng mưa vùng chịu ảnh hưởng phản hồi địa hình lớn giá trị mưa thực tế Những phản hồi địa hình lọc phép lọc địa hình có phần mềm xử lý số liệu thô radar Tuy nhiên, sử dụng phép lọc phản hồi địa hình này, tổng lượng mưa ước lượng vùng khơng có ảnh hưởng địa hình bị thấp so với thực tế

Cũng việc tạo PHVT cố định, tình trạng bị chắn búp sóng mặt đất gây che khuất phần tồn phần búp sóng chính, có phần nhỏ khơng có lượng chiếu tới mưa phạm vi xa (hình 3.2), gây phản hồi sai lệch từ mục tiêu khí tượng chí khơng phát mục tiêu nằm phía sau chắn Chẳng hạn, vùng mưa thấp xa radar khơng radar phát Trên hình 4.12 ta thấy rõ dải hình quạt màu trắng (khơng có tín hiệu phản hồi) đỉnh radar hướng theo hướng đơng-bắc nam-tây-nam, tia sóng bị đồi nằm hng ny chn li

Hình 3.2. Minh hoạ việc xảy phản hồi chắn vùng núi

3.4.3.Các sai số điều kiện truyền sóng khÝ qun

- Truyền sóng dị thường:

+ Hiện tượng siêu khúc xạ cho hiển thị địa hình xa radar với khoảng cách khác Nếu chúng không lọc, phản hồi địa hình xa đưa vào cơng thức Z-I để tính kết cho ta cường độ mưa lớn thực tế Ngược lại, phép lọc thực vùng không xảy tượng truyền sóng siêu khúc xạ, mưa có giá trị ước lượng thấp so với giá trị thực tế

+ Hiện tượng khúc xạ chuẩn làm cho tia sóng cao so với độ cao mà radar tính Trong điều kiện khúc xạ chuẩn, đỉnh PHVT “nằm ngồi tầm ngắm” nên không phát mục tiêu phát độ cao đánh giá thấp thực tế

- Sự suy yếu sóng bất thường dọc đường truyền: Mặc dù suy yếu sóng dọc đường truyền radar mục tiêu radar tự động khuếch bù lại khuếch đại áp dụng tốt cho trạng thái trung bình khí Trường hợp khơng khí chứa nhiều nước bụi bình thường hay gặp đàn côn trùng, chim … suy yếu mạnh hơn, dẫn đến cường độ mưa ước lượng nhỏ giá trị thực tế

- Sự không lấp đầy búp sóng:

Những vùng mưa xa radar có kích thước nhỏ độ rộng búp sóng

(ở khoảng cách 100 hải lí cách trạm radar búp sóng có độ rộng vật lý khoảng hải lí) Như vậy, mục tiêu khơng lấp đầy búp sóng Một giả thiết sử dụng phương trình radar mục tiêu lấp đầy đồng toàn thể tích xung Vì mục tiêu nhỏ độ rộng búp sóng hiển thị thể lấp đầy búp sóng, tức lớn so với kích thước thực tế Cơng suất phản hồi mục tiêu nhỏ trung bình hố cho tồn độ rộng búp sóng, kết nhận cường độ mưa ước lượng nhỏ giá trị thực tế

- Sự khuếch đại tự động khơng bù đắp suy yếu tín hiệu theo khoảng cách:

Công suất thu radar khuếch đại tự động lên số lần tỉ lệ thuận với r2 để nhận độ PHVT (Z), thực khơng đơn giản tỉ tệ nghịch với r2

mà phức tạp nên độ PHVT nhận từ hai đám mây khoảng cách khác khác nhau, dẫn đến cường độ mưa ước lượng khác Theo Nguyễn Hướng Điền cơng suất thu gần tỉ lệ nghịch với r3 nên

khuếch đại đám mây xa có độ PHVT nhỏ đám mây gần, dẫn đến cường độ mưa ước lượng nhỏ Chính điều dẫn tới biến đổi profile độ phản hồi theo khoảng cách (xem mục 3.6)

- Khơng tính đến đặc điểm phân bố hạt theo kích thước:

Hai vùng mưa có cường độ mưa thực tế, phân bố theo kích thước hạt khác cho giá trị PHVT(Z) khác Mưa ấm từ mây thấp từ mưa địa hình mức thấp thường gồm nhiều hạt nhỏ, gây độ phản hồi yếu dẫn đến ước lượng thấp cường độ mưa Ngược lại, mưa từ mây đối lưu, mây Ns có bề dày lớn dễ bị đánh giá cao chúng có nhiều hạt lớn Sự biến đổi phân bố hạt theo kích thước cịn xảy theo thời gian không gian vùng mưa (chẳng hạn, mưa đá, hạt đá lớn thường rơi trước, hạt nhỏ rơi sau; khu vực mây, phía tập trung nhiều hạt nhỏ phản hồi yếu, phía tập trung nhiều hạt lớn phản hồi mạnh)

- Khơng tính đến trạng thái hạt mưa:

Cường độ mưa đá tuyết hạt nhỏ chưa tan dễ bị ước lượng thấp trạng thái tinh thể, nước phản xạ sóng yếu trạng thái lỏng khoảng lần (tuy nhiên, biết trạng thái hạt sửa lỗi này) Ngược lại, mưa hỗn hợp lẫn hạt lỏng, băng, tuyết tan nói chung làm tăng độ phản hồi, dẫn đến làm tăng giá trị ước lượng cường độ mưa Khi hạt băng rơi qua mặt đẳng nhiệt 00C,

bề mặt tinh thể băng tan lớp nước áo bên tinh thể băng phản hồi mạnh, tạo “dải sáng” có độ PHVT lớn nhiều, làm tăng cường độ mưa ước lượng so với thực tế

- Gió mạnh búp sóng anten thổi bạt vùng mưa làm cho vị trí vùng mưa mặt đất khơng trùng với vị trí cường độ hiển thị radar.

- Bay búp sóng radar làm cho kết ước lượng cường độ mưa radar cao so với cường độ mưa đo mặt đất

- Quá trình gộp hạt búp sóng radar thường xảy mưa nhiệt đới, tượng xảy khác với mưa vùng ngoại nhiệt đới vùng ngoại nhiệt đới thời kì lạnh, hạt băng đủ lớn, chúng bắt đầu rơi xuống thành mưa Trong q trình rơi, hạt băng thu nạp hạt nước siêu lạnh chúng va chạm độ cao mức đóng băng Trong đó, vùng nhiệt đới, tượng gộp xảy hạt nước lỏng, kích thước không khác nhiều Hơn nữa, vùng mưa nhiệt đới xa, vùng có nhiều hạt lớn mưa thường nằm phía búp sóng radar, radar thường cho kết đánh giá cường độ mưa thấp thực tế

Hình 3.3.ảnh hưởng gió mạnh phía búp sóng

3.6.Biến đổi profile độ phản hồi theo khoảng cách

Búp sóng radar độ xa lớn cách radar cao mặt đất Chẳng hạn, góc cao búp sóng 0,50, tâm búp sóng radar có độ cao km độ xa 130

Khi khơng có phần mềm đặc chủng ACM, người ta thường ước lượng cường độ mưa theo độ phản hồi cực đại quan trắc đám mây Cũng mà dải sáng thường làm cho ước lượng mưa radar cao, mưa gần (có thể gấp 5-6 lần thực tế) Đây vấn đề quan trọng mưa front vĩ độ trung bình vào mùa đơng, dải sáng có độ cao trung bình khoảng km bên mặt đất Dải sáng có bề dày điển hình khoảng 300m, nằm tầng 0oC vài

trăm mét bên profile độ phản hồi giảm rõ rệt theo độ cao Smith (1986), (có tham khảo Persson Lundgren 1986) mơ tả trình đáng tin cậy để ghi nhận có mặt dải sáng độ cao Người ta đưa cách hiệu chỉnh ảnh hưởng dải sáng tin cậy thực tế độ xác đo mưa giảm có mặt dải sáng rõ ràng số liệu phản hồi Sự ước lượng cao xảy độ xa (tầm xa mặt đất) nhỏ dải sáng thấp, độ xa trung bình ảnh hưởng dải sáng bù cho độ phản hồi bị giảm tuyết phía trên; độ xa lớn xảy ước lượng thấp đáng kể lượng mưa

Hình 3.4. Profile thẳng đứng PHVT độ xa khác mưa đối lưu, mưa diện rộng, tuyết hoặc mưa lớp thấp mưa địa hình núi Độ rộng profile độ cao biểu thị cường độ PHVT trung bình độ cao Số hình phần trăm cường độ mưa ước lượng từ độ phản hồi cực

đại profile so với cường độ mưa thực

tầng mưa địa hình Số liệu hình làm bật vấn đề đo tình dải sáng mưa tầng thấp xuất

Mặc dù có độ lệch lớn profile với trường hợp riêng, sử dụng chúng thị phần mưa quan trắc radar độ xa khác có tính đến độ cong mặt đất Đặc biệt, profile hình 3.4b 3.4c khó khăn việc đo có dải sáng mưa yếu Một vấn đề khác xảy số nơi giới phát triển điển hình mưa mức thấp bên đồi chắn dịng khơng khí gần biển có độ ẩm cao

Như trình bày hình 3.4, tăng địa hình cách đáng kể thường xảy lớp 0,5 km gần mặt đất mưa địa hình quan sát khoảng cách gần Khi xa, nằm cánh sóng khơng bị radar phát

3.7 Hiệu chỉnh ước lượng mưa radar theo số liệu đo mưa mặt đất

Chừng 20 năm qua có nhiều việc làm đáng kể nhằm triển khai phương pháp hiệu chỉnh đo mưa radar theo số liệu từ thiết bị đo mưa mặt đất

Như biết, máy đo mưa vũ lượng kí (VLK) coi phương tiện đo mưa xác điểm mặt đất, cịn radar lại có khả đo diện rộng, đo nhanh xác định phạm vi vị trí vùng mưa Những năm trước đây, tác dụng đo mưa độc lập radar hạn chế Người ta băn khoăn nhiều đến độ xác số liệu đo mưa radar cung cấp Với xuất trạm vũ lượng kí tự động có khả đo đạc, truyền phát thơng tin nhanh xác cho phép hiệu chỉnh kịp thời số liệu đo mưa radar sở sử dụng kết hợp kết đo hai thiết bị Phương pháp cho phép lợi dụng tối đa ưu loại thiết bị

Nội dung phương pháp sử dụng số trạm đo mưa VLK để hiệu chỉnh ước lượng mưa radar, tìm hệ số hiệu chỉnh đại diện cho loại mưa cho điều kiện tự nhiên (theo khả phân cấp có thể) để chuyển số liệu mưa ước lượng radar thành số liệu gần với mưa thực tế vùng mưa lân cận trạm đo mưa VLK đến độ xa cho phép mà nơi khơng có thiết bị đo mưa mặt đất Hiện phương pháp coi phương pháp đo mưa cho kết khả quan nhất, đặc biệt khu vực có khả đặt thiết bị đo mưa (vùng rừng núi, nơi có địa hình phức tạp khó lại, vùng đầu nguồn sông, biển khơi…) Dưới ta xem xét cách hiệu chỉnh điểm có VLK (kèm vùng phụ cận) khu vực rộng

Giữa số liệu đo mưa đồng radar máy đo mưa (VLK) điểm mặt đất thường sai lệch nhiều Coi số liệu đo mưa VLK xác, ta tìm cách xác định hệ số hiệu chỉnh lượng mưa ước lượng radar theo Số liệu đo radar phải lấy trung bình cho vùng bao quanh điểm có VLK đồng với số liệu VLK Khi đó, hệ số hiệu chỉnh F tính theo phương pháp tỉ số, cụ thể là:

 



N

i i N

i

i R

G

F ,

(3.19) hc

i N

i i/R

G N

1

F  ,

(3.20)

trong Gi lượng mưa đo lưới VLK, Ri lượng mưa ước lượng

radar cho vùng nhỏ bao quanh điểm có VLK, N dung lượng mẫu đo trận mưa đưa vào tính tốn Để lấy trung bình số liệu đo mưa radar thường phải chia vùng nhỏ nói thành vng nhỏ hơn, vng lấy độ phản hồi (với radar số hoá ngày nay, vùng nhỏ vịng trịn có bán kính định, tâm điểm có VLK, nhỏ pixel; phần mềm chuyên dụng giúp cho việc xác định R dễ dàng) Mỗi trận mưa phải có số đo VLK từ 2,5 mm trở lên đưa vào tính tốn

Hình 3.5. Ví dụ thiết lập vùng khơng gian (có viền đậm bao quanh) vùng bao quát trạm radar Vinh để hiệu chỉnh số liệu ước lượng mưa radar theo số liu o ma bng

VLK Các chấm đen điểm có VLK (theo Tạ Văn Đa céng sù, 2001)

Trong khu vực không gian rộng có nhiều điểm đo mưa VLK (gọi điểm sở), ta dựa vào số liệu đo chúng để hiệu chỉnh lượng mưa ước lượng radar cho khu vực Các bước phương pháp là:

- Khu vực quan tâm chia thành vùng không gian tương đồng điều kiện địa hình bao quanh điểm đo mưa VLK (xem hình 3.5, vùng khơng gian có viền đậm bao quanh) Mỗi vùng không gian lại gồm số ô vuông nhỏ, có kích thước tuỳ thuộc vào độ phân giải radar (trên hình 3.5 vng có kích thước 10 km10 km phù hợp với độ phân giải radar MRL5 đặt Vinh)

- Chuyển đổi giá trị độ phản hồi đo radar ô không gian vuông thành cường độ mưa theo quan hệ Z-I (thường dùng phương trình Marshall-Palmer với cặp hệ số A = 200 b = 1,6)

- Cường độ mưa I chuyển đổi thành lượng mưa tích luỹ R khoảng thời gian cho ô không gian vuông

- Dùng chung hệ số hiệu chỉnh điểm có VLK đặc trưng cho vùng (có viền đậm) cho điểm lân cận (các vng) khơng có VLK vùng để tính lượng mưa

Trong hình 3.5 có vùng xung quanh trạm Vinh (nơi đặt radar) không viền quanh đường đậm, Vinh có trạm VLK, tín hiệu phản hồi radar từ ln có nhiều nhiễu địa hình nên khơng dùng được; ngồi vịng trịn hình (bán kính khoảng 100 km) khơng khoanh vùng tín hiệu phản hồi thu radar từ khu vực yếu nên có độ xác thấp

Với radar số hố đại có độ phân giải cao, ô vuông thay pixel, việc tính độ phản hồi trung bình vùng lân cận điểm có VLK dễ dàng nhiều nhờ phần mềm chuyên dụng, phương pháp tính hệ số hiệu chỉnh áp dụng

Sau có hệ số hiệu chỉnh, ta tính lượng mưa trận mưa khác từ số liệu radar

Theo Henri Sauvageot (1983) nói chung sai số đo tổng lượng mưa giảm diện tích vùng đo khoảng thời gian để tính lượng mưa tăng Với diện tích nhỏ 50 km2 khoảng thời gian để tính nhỏ 10 phút sai số đo tổng lượng

mưa 50 % Nhờ có hiệu chỉnh, việc tính tổng lượng nước rơi khu vực xác hơn, phục vụ tốt cho việc dự báo lũ lụt Thông thường, mưa từ mây đối lưu, diện tích 1000 km2 dùng VLK để hiệu chỉnh số

Chương

nhận biết mục tiêu khí tượng radar thời tiết

4.1.Nhận biết loại mây qua độ phản hồi vô tuyến radar

4.1.1.Nguyên lí nhận biết loại mây qua phản hồi v« tuyÕn

Các quan trắc radar từ quét chiều hay quét khối (volume scan) cung cấp giá trị cường độ PHVT góc cao anten chọn tới bán kính quét tối đa radar Các giá trị độ phản hồi vô tuyến (dBz) từ mục tiêu mà cánh sóng anten cắt qua thu nhận hiển thị

ảnh PHVT radar chưa số hố trước có độ phân giải thấp (trong radar thời tiết MRL-1, MRL-2, MRL-5 pixel có kích thước 3030 km) Các tượng thời tiết liên quan đến mây nhận biết vào đặc trưng đo đạc khơng gian nói Vì khơng gian (pixel) có diện tích lớn nên có nhiều tượng thời tiết bị bỏ qua, quan tâm tượng có cường độ mạnh vng Thời gian để đổi thơng tin (độ phân giải thời gian) thông thường 20 đến 30 phút nên có tượng thời tiết qui mơ nhỏ không phát

Các radar thời tiết sản xuất sau loại số hố ảnh PHVT chúng có độ phân giải cao Trong radar Doppler, tượng thời tiết nhận biết nhờ quan trắc trường gió (hướng tốc độ gió, độ rộng phổ tốc độ gió) Các radar phân cực cho biết thêm trạng thái hạt mây, mưa qua thay đổi độ phân cực sóng phản hồi so với sóng phát Hơn nữa, ngày người ta cịn nghiên cứu kết hợp hình ảnh nhiều radar thu với với ảnh vệ tinh để có ảnh diện rộng, chứa nhiều thơng tin phục vụ cho việc phân tích dự báo thời tiết

triển q trình qui mơ nhỏ Vì độ xác việc mô tả tượng thời tiết biến động chúng đầy đủ ảnh hiển thị có màu sắc sinh động Tuy nhiên, nguyên lí nhận biết mây tượng thời tiết qua ảnh PHVT radar số hố giống loại khơng số hố trước

Nguyên lí nhận biết mây, mưa radar thông dụng dựa vào đặc điểm phản hồi vơ tuyến mà radar quan trắc được, là:

- Độ cao giới hạn dưới, - Cường độ phản hồi vơ tuyến,

- Hình dạng cấu trúc ảnh phản hồi hình (mặt cắt ngang PPI mặt cắt thẳng đứng RHI),

- Vị trí phản hồi so với radar

Mi tượng thời tiết liên quan đến mây có đặc điểm riêng Các đặc điểm thường phải tổng kết, đánh giá độ tin cậy sở số liệu quan trắc đối chứng radar trạm khí tượng mặt đất khu vực radar hoạt động Vì tượng thời tiết nhận biết theo số liệu radar mang tính xác suất thống kê có tính địa phương

4.1.2.NhËn biết loại mây

Khi ng dng vo thực tế, phần lớn độ phản hồi vô tuyến nhỏ 18 dBz coi là mưa mà phản hồi từ hạt mây hạt tán xạ nhỏ khác Tuy nhiên, số liệu phản hồi dùng để xác định độ cao mây dạng mây Dưới đặc điểm vùng PHVT số loại mây:

- Phản hồi vô tuyến mây ti (Ci):

+ Trên mặt cắt thẳng đứng PHVT mây Ci thể thành dải hẹp, độ cao > km, khoảng cách gần;

+ Trªn mặt cắt ngang bị phát ;

+ Độ phản hồi nhỏ lg Z -3,0 (Z tÝnh mm6/m3 ) hay Z’

-30 dBz;

+ Phản hồi mây Ci phát phạm vi 50 70 km cách trạm radar

Hình 4.1 ví dụ hiển thị mây Ci thu radar không số hoá

- Phản hồi vô tuyến mây trung (A):

+ Trên mặt cắt thẳng đứng (RHI) thể thành dải rộng mây Ci, có độ cao giới hạn (chân mây) km Khi có mưa độ cao chân mây kéo dài xuống mặt đất;

+ Trên mặt cắt ngang (PPI) chúng thể thành màn, lgZ  chiếm diện tích rộng, phát đến < 200 km;

+ Độ phản hồi tương đối ng nht theo cỏc hng

Hình 4.2 ví dụ hình ảnh hiển thị mây As mây Ns thu radar không số hoá

Hình 4.2 ảnh mây Ns (phần dưới) As (phần trên) thị quét đứng RHI

- Phản hồi vô tuyến mây thấp (S):

+ Trên hình quét thẳng đứng: PHVT thể thành dải hẹp Độ cao vùng có độ PHVT cực đại HMax  km Khi có mưa vùng phản hồi kéo dài xuống

+ Trên hình ngang (PPI) vùng PHVT mây thể thành rộng phát r  120 km Giá trị độ phản hồi lgZ = -2  2,5, giới hạn vùng có mây v khụng mõy khụng rừ

- Phản hồi vô tuyến mây vũ tầng (Ns):

Mõy v tng có mưa diện rộng kéo dài, tồn lâu Nếu mưa, hình thẳng đứng (RHI) chúng thể thành dải có độ dày lớn kéo dài xuống mặt đất Độ cao giới hạn mây có vượt q km Hình ảnh thị quét đứng tương tự mây Ci dày có độ PHVT lớn Thêm vào đó, gần độ cao mực 00C nhiều tồn dải sáng (tầng

tan băng) Trên thị radar số hố dải màu ứng với độ PHVT lớn, mặt thị quét tròn (PPI) hình vành khun có độ phản hồi lớn Sự suất dải sáng- nơi có độ phản hồi tăng đột ngột so với mực xung quanh- đặc điểm quan trọng PHVT mây v tng

- Phản hồi vô tuyến mây tÝch (Cu, Cb):

Hình 4.3.ảnh mây Cb quét đứng

Trên hình RHI đám mây phát triển thẳng đứng thể rõ hình dạng chúng Độ cao giới hạn hình dạng thay đổi phụ thuộc vào giai đoạn phát triển mây giai đoạn mây vũ tích trước vũ tích độ cao đỉnh mây 13-17 km giai đoạn hình thành với chiều cao mây từ - km, độ phản hồi không đồng theo chiu cao v chiu rng

Hình 4.3 ví dụ ảnh hiển thị RHI mây vũ tích thu radar không số hoá

và không mây rõ tâm hình có vùng sáng, nhiễu búp sóng phụ quét vào vật gần nơi đặt radar

Hình 4.4. ảnh mây Ac, Cb Cc thị quét tròn

Hình 4.4 ví dụ hình ảnh hiển thị mây trung tÝch (Ac), vị tÝch (Cb) vµ ti tÝch (Cc) thu radar không số hoá thị quét tròn

4.2 Nhn bit hin tng t thẳng đứng gió qua số liệu radar khơng Doppler

Hình 4.5. Minh hoạ tượng đứt gió theo phương thẳng đứng

được vào ba thời điểm liên tiếp khác Riêng radar Doppler thay đổi hướng tốc độ gió cịn xem ảnh hiển thị tốc độ gió, chí hình, mà ta không xét

4.3 Nhận biết tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (dơng, tố, lốc, vịi rồng)

4.3.1.Dấu hiệu chung phản hồi vô tuyến mây đối lưu có khả

gây tượng nguy hiểm

Các tượng thời tiết nguy hiểm liên quan đến mây đối lưu mạnh (như dơng, tố, lốc, vịi rồng …) nhận biết gián tiếp vào đặc điểm định tính định lượng PHVT mây quan trắc hình dáng cấu trúc phản hồi, độ phản hồi, độ cao, tốc độ di chuyển…

Có thể liệt kê dấu hiệu phản hồi vô tuyến mây đối lưu có khả gây tượng nguy hiểm sau:

1) Độ cao đỉnh phản hồi vô tuyến mây lớn khác thường: Hmax > 15 km (đỉnh

PHVT mây xuyên thủng đối lưu hạn vượt 3-4 km) 2) độ cao 6-7 km, độ phản hồi cực đại vượt 48 dBz

3) Đường biên đám PHVT rõ, gradient thẳng đứng độ PHVT lớn 4) Phản hồi có hình móc vịng nhẫn gắn vào đám phản hồi mẹ (đám phản hồi lớn)

5) Phản hồi di chuyển với tốc độ lớn 40 knots (trên 74 km/h) 6) Có vùng khơng có phản hồi đám phản hồi (dry holes) 7) Tốc độ phát triển đỉnh PHVT lớn 600m/phút

8) Có hội tụ đám phản hồi

9) Một đám phản hồi phát triển mạnh trở nên lớn (Super Cell) gây lốc

Các tượng thời tiết nguy hiểm nhận biết xác kết hợp ảnh PHVT với sản phẩm radar Doppler ảnh phân bố tốc độ gió xuyên tâm, độ rộng phổ…

4.3.2.NhËn biÕt d«ng

Dơng khí tượng hiểu tượng phức hợp mây đối lưu phát triển mạnh (mây dơng) khí gây Nó thường kèm theo gió mạnh, mưa rào, sấm sét dội, chí mưa đá, vịi rồng (ở vùng vĩ độ cao có cịn có tuyết rơi)

ổ mây dông hình thành xuất vùng rộng mà có dịng chuyển động thẳng đứng tương đối mạnh khơng khí Thời gian tồn trung bình đám mây dơng từ nửa Quá trình phát triển hầu hết dơng chia làm giai đoạn: giai đoạn hình thành mây Cu, giai đoạn trưởng thành (chín muồi) giai đoạn tan rã

- Giai đoạn hình thành mây Cu: Dịng thăng vượt lên từ mặt đất vài ngàn feets Hơi nước ngưng tụ, hạt mây bắt đầu phát triển lớn dần lên Hạt mưa bắt đầu rơi xuống dòng giáng phát triển Tuy nhiên hạt mưa chưa rơi xuống tới mặt đất mà mây (hình 4.6)

H×nh 4.6. Các giai đoạn hình thành mây Cu (a), phát triển (b) tan rà (c) mây dông

- Giai đoạn trưởng thành: Các hạt mưa rơi xuống dòng giáng tồn tai song song với dòng thăng Dòng giáng mạnh phần mây, phát sinh vùng phân kì hình thành vùng front cỡ nhỏ Những ổ mây hình thành phía bên dịng Mưa mạnh giai đoạn xảy mưa đá

- Giai đoạn tan rã: Các dịng giáng tản tồn phía mây, làm cho yếu dần tan rã Chỉ xuất mưa nhỏ không kéo dài lâu

4.3.2.2. Những dông đối lưu đơn ổ đa ổ

- Những dông đối lưu đơn ổ thường, bao gồm ổ mây nhỏ, thời gian tồn ngắn

- Những dông đối lưu đơn ổ mạnh (siêu ổ) tồn lâu

- Những dông đối lưu đa ổ thường bao gồm ổ mây thường hợp lại với Đây ổ mây hoạt động mạnh

Các ổ mây dông xếp thành dải kết thành mây gần liên tục, rộng khoảng từ 10-50 km, dài vài trăm km dọc theo đường front lạnh, chuyển động ổn định theo hướng di chuyển front Đó đường gió giật mà ta nói tới sau Chúng ổ mây thường số ổ mây thường kết hợp với vài siêu ổ tất siêu ổ (trường hợp cuối hiếm)

Những dông đa ổ đặc trưng hình thành liên tiếp ổ mây Cu (hình 4.7) Những đám mây hình thành sau khối mây Cu khoảng thời gian từ 10 đến 40 phút

Hình 4.8 diễn biến PHVT theo thời gian đám mây dơng đơn ổ

Hình 4.7. Sơ đồ PHVT đám mây dông đa ổ (các số ghi đường đẳng trị có đơn vị dBz)

4.3.2.3. Các tiêu nhËn biÕt d«ng

Đối với radar khơng Doppler người ta xây dựng tiêu nhận biết dông tượng mưa đá, tố, lốc qua đặc trưng PHVT mây

- Chỉ tiêu độc lập: loại tiêu sử dụng đặc trưng PHVT mây radar đo được, ví dụ độ cao đỉnh PHVT, cường độ PHVT

Nếu sử dụng đặc trưng tiêu gọi đơn trị vùng phía bắc Việt Nam, đỉnh phản hồi vượt 16 km lgZ3  3,0 (Z3 độ phản hồi mực H

= H0 + km  km, H0 độ cao mực 00C) khả có dơng

vượt q 80 % (theo số liệu trạm radar Phù Liễn)

Các tiêu đơn trị thường có độ xác khơng cao Ví dụ, lấy độ cao đỉnh PHVT mây làm tiêu nhận biết dơng giai đoạn vũ tích (trưởng thành) mây có độ cao giai đoạn sau dông, tức mây chuyển sang giai đoạn tan rã

Nếu tiêu xây dựng sử dụng nhiều đại lượng radar cung cấp, gọi tiêu tổng hợp Chẳng hạn trạm radar Phù Liễn, chuyên gia dùng Hm (độ cao đỉnh PHVT) Z3 để xây dựng sẵn đồ thị biểu diễn mối quan hệ

giữa xác suất hình thành dông P(%) với đại lượng Y=Hm.lgZ3 theo số liệu lịch sử

(hình 4.9) Sau đó, có ảnh PHVT mới, ta tính đại lượng Y theo cơng thức đối chiếu với đồ thị để tìm xác suất hình thành dơng (từ giá trị Y trục hoành, chiếu song song với trục tung lên đồ thị lại chiếu tiếp lên trục tung để tìm P) Chỉ tiêu thiết lập dựa nguyên tắc khả gây dông mây định kích thước hạt mây tồn hạt nước dạng rắn Mây cao (Hm lớn) số lượng hạt thể rắn nhiều, độ phản hồi

lớn (Z3 lớn) có nhiều hạt có kích thước lớn

P

Hình 4.9 Xác suất xuất dông theo Y=Hm.lgZ3 §­êng 1: r <100

km; §­êng 2: 100-200 km; §­êng 3: 200-300 km

40 80

1

3

Y

O 10 20 30 40

Một tiêu hiệu chỉnh tổng hợp khác, đại lượng radar cung cấp sử dụng đại lượng quan trắc thám không (như độ cao tầng 00C, độ cao i

lưu hạn ) Loại tiêu thông dơng nhÊt lµ: TÝnh

Y = H-22lgZ3

(4.1) NÕu

Y  H-22(lgZ3)min

(4.2) đó, H-22 độ cao mặt đẳng nhiệt –220C đo bóng thám khơng

trong ngày hơm Vùng lấy đặc trưng PHVT mây phải khu vực mà số liệu thám khơng cịn có ý nghĩa; (lgZ3)min giá trị lgZ nhỏ mõy

quan trắc thấy khu vực mà có dông xảy (theo số liệu lịch sử)

Ngồi tiêu định lượng cịn sử dụng số tiêu định tính hình dáng PHVT mây hình: Ví dụ: phản hồi có hình móc câu, hình sị thường sinh dơng mạnh kèm theo tố, lốc

Các tiêu không cố định mà phụ thuộc vào đặc điểm địa lí chúng mang tính chất địa phương

Đối với radar Doppler, ngồi trường PHVT, người ta cịn dựa vào đặc trưng trường gió Muốn có tiêu nhận biết tượng với độ tin cậy cao cần phải thiết lập công thức có chứa đặc trưng lấy từ sản phẩm CMAX, CAPPI(V)… radar Doppler, quan trắc thực nghiệm lấy số liệu đối chứng

4.3.3.NhËn biÕt ®­êng tè

Đường tố đơi hình thành gần vùng xoáy mạnh (chẳng hạn bão), chuyển động xa khỏi xốy phía vùng quang mây trước Các đường khơng khí lạnh phân kì bên vùng xốy, bị giáng thuỷ kéo xuống gần mặt đất chuyển động xa vùng xốy, đẩy khơng khí nóng ẩm lên cao, tạo đám mây đối lưu Khi hình thành, đường tố thường di chuyển theo hướng gần vng góc với Đơi cịn tồn thời gian dài xoáy tan khơng cịn quan trắc thấy ảnh hiển thị radar Thời gian tồn đường tới vài giờ, đường tan đường khác lại xuất

H×nh 4.10. Phản hồi vô tuyến mây biểu vị trí ®­êng tè

Đường tố tượng gió mà radar Doppler thường quan trắc được: hiển thị PPI, thể thành dải gồm nhiều ổ đối lưu (hình 4.10) chuyển động theo hướng vng góc với dải Chuyển động đường tố tương đối ổn định nên dễ dự báo

Dựa vào đặc trưng trường gió ta nhận biết đường tố: gió phía trước đường tố yếu phía sau nhiều Trong thực tế tốc độ gió phía sau đường tố nhanh tốc độ di chuyển đường Tuy nhiên, đường tố nằm dọc theo đường bán kính qt radar (tức chuyển động vng góc với phương bán kính), ta khó phát dựa vào thơng tin gió Doppler

thể quan trắc đường gió giật di chuyển vng góc với phương bán kính

Đường tố nguy hiểm máy bay cất, hạ cánh Khi đường tố qua điểm gió chuyển hướng tốc độ tăng lên đáng kể Nếu cảnh báo trước đường tố cho sân bay đảm bảo an tồn cho máy bay điều khiển cất hạ cánh Radar DWSR – 93C có phần mền xử lí để phát cảnh báo tng nguy him ny

4.3.4.Nhận biết lốc vòi rång

Lốc xoáy giống bão kích thước nhỏ, đường kính vùng xốy mạnh cỡ vài chục vài trăm mét Lốc xoáy có trục thẳng đứng, khơng khí lên Lốc khó dự báo Nguyên nhân sinh gió lốc tương tự bão: ngày hè nóng nực, mặt đất bị đốt nóng khơng nhau, vùng hấp thụ nhiệt thuận lợi nóng hơn, tạo vùng khí áp giảm tạo dịng thăng; khơng khí lạnh chung quanh tràn đến bị lực Coriolis làm lệch hướng, tạo tượng gió xốy Trên hình radar, PHVT vùng có lốc hiển thị có kèm theo giáng thuỷ bụi lên Tuy nhiên, vùng gió xốy lên nhiều khơng có giáng thuỷ mà xung quanh có, vậy, hình PPI ta thấy vùng khơng có mây phản hồi yếu đám phản hồi mạnh dạng trịn, giống mắt bão Song kích thước nhỏ mà dấu hiệu khó nhận bit

Hình 4.11. Hiển thị PPI xoáy mạnh dạng móc câu (theo Brandes, 1977)

Các PHVT dạng móc câu thị PPI (hình 4.11) dấu hiệu radar đặc trưng thường thấy có vịi rồng PHVT dạng móc câu hình thành chuyển động xốy mạnh mưa xung quanh dịng thăng xốy vịi rồng Vùng móc câu khơng phải vùng xốy mạnh thực sự, mà thực tế vùng mưa xung quanh xoáy Nó có kích thước nhỏ khoảng 10 nm nhỏ so với phần xốy Ngay với dơng cực mạnh, khơng lớn 15 nm Móc câu xác định mực trung bình xốy, đơi vượt q độ cao 10 km Thường móc câu tìm kiếm mức góc cao nhỏ anten PHVT dạng móc câu tín hiệu khó nhận dạng kích thước tương đối nhỏ thời gian tồn ngắn, nữa, khơng phải tất vịi rồng tạo ra PHVT dạng móc câu bị mưa bụi trùm lên hết vùng

Những cảnh báo lốc radar không Doppler dựa cường độ PHVT, độ cao đỉnh PHVT xốy hình dạng xốy hay móc câu PHVT Radar Doppler có thêm sản phẩm gió độ rộng phổ tốc độ gió giúp ích nhiều cho cơng việc Những vùng hai bên tâm xốy có gió thổi theo hai hướng ngược Dấu hiệu sử dụng thuật toán TVS (tornadic vortex signature) để phát lốc Trường độ rộng phổ lớn yếu tố đặc trưng xoáy lốc nguy hiểm Những dấu hiệu khác lốc, vịi rồng xốy nguy hiểm khác nhanh chóng phát cách theo dõi liên tục hiển thị trường PHVT, gió Doppler độ rộng phổ độ cao khỏc

4.3.5.Nhận biết luồng giáng mạnh không khÝ

Nếu luồng giáng có kích thước ngang nhỏ gọi luồng giáng vi mô (microburst), ngược lại vĩ mô (macroburst)

Vậy luồng giáng vi mơ khơng khí nguyên nhân gây chúng? Theo Fujita: “luồng giáng vi mơ khơng khí vùng dịng giáng với tốc độ lớn phân kì xuống gần mặt đất, tàn phá vùng bán kính km nhỏ hơn” Mặt dù kích thước ngang luồng giáng vi mơ nhỏ song tốc độ giáng đạt tới 75 m/s Ngược lại, kích thước lớn mà luồng giáng vĩ mơ thường có tốc độ khơng lớn, khơng nguy hiểm người ta quan tâm

Tất mây đối lưu hình thành dịng khơng khí ẩm chuyển động lên, ngưng kết tạo thành hạt mây Khi hạt nước mây đủ lớn, chúng rơi xuống thành mưa rào mưa dơng Do tính bảo tồn khối lượng khơng khí mà dịng thăng có vùng dịng giáng đan xen Trong nhiều đám mây, mây dông mạnh, người ta quan trắc thấy luồng giáng mạnh

Có ba nguyên nhân chủ yếu gây nên luồng giáng: luồng giáng mưa mạnh, luồng giáng khơng khí lạnh trình bốc hạt mưa rơi vào vùng khơng khí chưa bão hồ luồng giáng khơng khí lạnh hạt băng tan rơi vào vùng khơng khí ấm (khi đó, khơng khí lạnh, nặng hơn, “chìm” xuống dưới, thêm vào lại bị xuống theo mưa, tạo nên luồng giáng)

Thực tế cho thấy dịng giáng khơng thẳng đứng, tốc độ gió phân kì gần mặt đất khơng phía Tương tự vậy, dơng di chuyển ngang với vận tốc gió toả gần mặt đất từ dòng giáng khơng đều, gió phía dịng giáng mạnh nhiều so với gió phía bên Nếu dơng chuyển động nhanh phía trước dịng giáng, gió mặt đất có hướng trùng với hướng di chuyển dơng, cịn phía sau khơng có gió có gió thổi ngược lại yếu Giữa hai phía hình thành đường đứt gió Đường đứt có độ đứt hai phía đạt tới 10 m/s lớn Trên hiển thị radar cần phân biệt luồng giáng ẩm với luồng giáng khơ Khi luồng giáng mạnh có kèm theo lượng mưa đáng kể, chuyển động ngang hạt mưa xác định gió ngang luồng giáng tạo Vì luồng giáng khơng khí kèm theo mưa dễ phát radar Doppler

Cũng có nhiều trường hợp khơng mây mà ta quan trắc thấy luồng giáng lớp biên khí cịn có hạt bụi hay côn trùng nhỏ cho ta PHVT đủ để phát luồng giáng

4.4.NhËn biÕt b·o

Khi bão đổ lên bờ, cường độ bị giảm bị cắt nguồn cung cấp ẩm ma sát bề mặt tăng lên Thời tiết nguy hiểm vịi rồng, đường gió giật, mưa đá thường kèm theo với đổ bão Do bão tồn lâu (vài ngày) có quỹ đạo chuyển động dự báo nên bão thường cảnh báo trước

4.4.1.Cấu trúc trường PHVT mây mưa bão

Nhìn chung trường mây thể hình radar bão điển hình bao gồm thành phần sau đây:

- Đường gió giật (đường tố) trước bão, - Các dải đối lưu bên ngoài,

- Các dải mây hình xoắn chắn mưa, - Tường mây mắt bão mắt bão,

- Đuôi bÃo

Hỡnh 4.12.Trng PHVT ca cn bóo radar Doppler Guam quan trắc (ảnh Tom Yoshida, 2002)

Cơ thĨ cÊu tróc thĨ hiƯn râ nh­ sau:

1) Đường gió giật trước bão

Quan trắc nhiều bão tác giả nhận thấy đến vài ngày trước bão đổ vào đất liền, vào khoảng 300-700 km trước tâm bão xuất dải gồm đám mây đối lưu mạnh, có độ phản hồi mạnh, độ cao đỉnh PHVT lớn, cho dông mưa rào Những dải gọi đường gió giật trước bão Những đám mây xếp theo dải hẹp, dài đến hàng trăm km Đường gió giật độc lập tồn vài giờ, xếp vng góc với hướng di chuyển bão thường di chuyển theo hướng trùng với hướng di chuyển tâm bão Đây dấu hiệu tốt để có định hướng ban đầu hướng di chuyển bão Khi bão đổi hướng vị trí đường gió giật thay đổi Độ dày, hình dáng đường gió giật khơng liên quan đến cường độ hay đặc điểm khác bão Đường gió giật tồn biển Khi bão di chuyển di chuyển theo, vào gần bờ tan đường khác lại xuất Đường gió giật khơng xuất bão vào đất liền

2) Vùng đối lưu bên

Vùng gồm đám mây đối lưu xếp không theo trật tự định Cũng có chúng xếp thành đường cong song khơng giúp ích cho việc xác định đặc điểm bão nói chung tâm bóo núi riờng

3) Các dải mây hình xoắn chắn mưa

Cỏc di mõy hỡnh xoắngần đám phản hồi vùng mưa, phân bố theo đường cong hội tụ lại tâm bão Senn Hoser (1959 ) phát phản hồi dải mây phân bố theo đường xoắn loga xác định phương trình dạng:

r = Aetg

(4.3) hc

lnr = lnA + tg

(4.4) A số; r,  toạ độ cực điểm đường cong mà ta xét quan hệ với tâm xoáy O;  góc tiếp tuyến đường xốy điểm có toạ độ r,  tiếp tuyến đường trịn có tâm tâm xốy bán kính r, gọi góc thổi vào hay góc xun (hình 4.13)

Xen dải xoắn vùng phản hồi khơng có hình dáng định gọi chắn mưa Lá chắn mưa có mưa tương đối nhẹ so với mưa dải xoắn

ở bán cầu Bắc, dải xoắn có chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ xung quanh tâm bão

4) Mắt bão tường mây mắt bão (Eye and eye wall)

Trong bão mạnh mắt bão vùng có dịng giáng, khơng có mây, khơng có mưa khơng có phản hồi vơ tuyến mây Tường mây mắt bão có tiết diện ngang hình trịn elíp Tiết diện thấy rõ dùng mặt cắt ngang CAPPI Nếu dùng mặt cắt PPI tiết diện nhìn thấy khơng hồn tồn tiết diện ngang mà tiết diện góc nghiêng góc cao anten Lưu ý trường hợp mắt bão rộng tiết diện ngang tiết diện nghiêng có khác đáng kể

Mắt kiến tạo tốc độ gió vượt 33 m/s Trong bão yếu (thường gặp nhiều), mắt kiến tạo phần Vì quan trắc CAPPI PPI thấy phần tường mây dạng cung phần vòng xoắn Muốn tìm vùng mắt bão phải ngoại suy phần cuối dải xoắn bên Ngay có mắt hồn chỉnh bão cịn xa khơng “nhìn” tồn mắt mà thấy phần nhỏ mắt bão hồn chỉnh

Mắt bão thường có xu thu nhỏ lại vài trước đến bờ biển hoàn toàn bị sau bão vo t lin

5) Đuôi bÃo

Phớa sau mắt bão dải mây xoắn thường dãn Song tượng bị phát chúng thường cách xa radar Việc kéo dài dải mây xoắn thường xảy phía bên phải quỹ đạo chuyển động bão thường thể đường gồm phản hồi đám mây đối lưu mạnh

4.4.2.Quan hệ đặc điểm phản hồi vô tuyến mây bão với cường độ

b·o

- M¾t b·o hình tròn coi dấu hiệu bÃo mạnh Mắt bÃo hình dáng rõ ràng dÊu hiƯu cđa c¬n b·o u

- Nói chung bão mạnh có nhiều dải xoắn - Góc thổi vào  giảm cường độ tăng

- Những bão yếu với áp suất trung tâm khoảng 950 mb độ dày dải xoắn lớn

- Tường mây mắt bão có quan hệ không rõ ràng với cường độ bão Tuy nhiên xu xác định tường mây dày xốy yếu Tường mây cao bão mạnh

Zhou Ducheng (1981) đưa cơng thức tính cường độ bão dựa yếu tố nói mắt bão xuất hình:

Y = 31,6613 – 0,1501X1 + 1,4710X2 + 0,1033X3 – 0,3375X4 , (4.5)

trong đó:

Y- cường độ bão tính tốc độ gió cực đại (m/s), X1- đường kính vùng mắt bão (km),

X2- độ cao tường mây (km),

X3- độ rộng tường mây (km),

X4- góc thổi vào nhỏ (tính độ) dải xon ma

Khi mắt bÃo không xuất hình công thức viết sau:

Y = 73,3686 – 0,3904X1t + 0,0630X2t, (4.6)

trong đó:

Y- cường độ bão tính tốc độ gió cực đại (m/s), X1- góc thổi vào (tính độ) dải xoắn mưa,

X2- độ rộng dải xoắn (km)

Theo tác giả phương trình sử dụng tâm bão biển phạm vi 350 km cách radar Sai số tuyệt đối trung bình tính theo số liệu lịch sử thời kì 1967-1980 số liệu nghiệp vụ từ 1981 khoảng m/s

4.4.3.Trường gió bão quan trắc thị PPI thị CAPPI

cña radar Doppler DWSR

Khi quan trắc bão thị PPI ta dùng biến Z có cấu trúc phản hồi vơ tuyến mây bão trình bày Nếu ta dùng biến V cấu trúc trường gió Doppler (cịn gọi gió xun tâm) bão Đây trường gió quan trắc góc cao định nên gió khoảng cách tới radar khác độ cao khác Đối với radar Doppler DWSR-2500C, không phát đường số sử dụng lệnh unfond off để dị tìm Trường hợp muốn khảo sát thay đổi gió theo độ cao tầng thấp bão dùng VAD dạng bảng dạng đồ thị

Chng

phân tích ảNH HIểN THị RAĐA

Phân tích ảnh mơ hiển thị tốc độ gió Doppler

Các ảnh trình bày mục Brown Wood lập trình vẽ máy tính [14] hầu hết ảnh trường gió giả định đồng mặt ngang đổi hướng tốc độ theo độ cao theo qui luật đơn giản, trừ ảnh gió bề mặt (gió gần mặt đất) có bất đồng ngang

¶nh sè 1:

nam) đất (tâm hình) lên đến 2700 (gió tây) độ cao 24 kft (vịng trịn ngồi

cïng)

¶nh sè 2:

Dạng đường số phân bố màu ảnh ngược với ảnh trước, điều kiện khác cũ, dẫn đến khác biệt profile hướng gió ảnh so với ảnh trước: hướng gió thay đổi tuyến tính từ 1800 (gió nam) đất

(tâm hình) đến 900 (gió đơng) độ cao 24 kft (vịng trịn ngồi cùng)

¶nh sè 3:

thấy gió có tốc độ tăng tuyến tính từ mặt đất đến 60 kt độ cao 24 kft, hướng thay đổi tuyến tính từ 1800 (gió nam) đất (tâm hình) lên đến 2700 (gió

tây) độ cao 24 kft (vịng trịn ngồi cùng)

¶nh sè 4:

ảnh cho thấy đường số có dạng phức tạp hơn: vịng trịn nhỏ nhất, có dạng chữ S, phía ngồi, dạng cong ngược lại Radar tâm hình Các profiles hướng tốc độ gió sơ đồ phần bên trái hình Cụ thể: tốc độ gió khơng đổi, 40 kt độ cao, cịn hướng gió thay đổi dần từ 1800 (gió nam) đất (tâm hình) lên đến 2700 (gió tây) độ cao trung bình (12

kft), lại giảm dần 1800 (gió nam) độ cao 24 kft

¶nh sè 5:

20 kt mức (tâm hình) lên đến 40 kt độ cao 12 kft, lại giảm dần 20 kt độ cao 24 kft

¶nh sè 6:

Đường số có dạng cong hình chữ C Góc nâng anten giả định nên đến vịng ngồi cùng, độ cao búp sóng nhỏ gió coi gần bề mặt Sự phân bố vận tốc gió sơ đồ phần bên trái hình Cụ thể: tốc độ gió điểm khơng thay đổi hướng thay đổi rõ rệt, hội tụ điểm phía đơng radar

Nếu dạng đường số cong ngược lại (hình chữ C ngược) thay cho trường vận tốc hội tụ, ta có trường vận tốc phân kì từ điểm phía tây radar

¶nh sè 7:

một front di chuyển theo hướng từ tây-bắc xuống đơng-nam phía radar phải front lạnh khơng khí phía bắc thường lạnh phía nam

¶nh sè 8:

Đường số có dạng thẳng theo hướng bắc-nam Góc nâng anten giả định Khuôn ảnh hình vng ứng với khu vực nghiên cứu giả định kích thước 2727 nm Radar cách tâm khu vực nghiên cứu giả định 60 nm phía nam Góc nâng anten giả định Sự phân bố vận tốc gió (sơ đồ phần bên trái hình) cho thấy tương tự xốy thuận qui mơ vừa thường liên quan với mây dơng mạnh Tốc độ gió cực đại 40 knots vịng trịn bán kính 2,5 nm giảm dần tới điểm xa tâm xốy ảnh (bốn góc ảnh)

Nếu ảnh xoay 1800 đổi màu nửa phía trái với nửa phải, ta

có vùng xoáy nghịch với sơ đồ phân bố vận tốc tương tự phải đảo lại chiều mũi tên

Các điều kiện giả định ảnh trước ảnh tương tự ảnh trước xoay góc 900 theo chiều ngược kim đồng hồ Mọi giả định

giống ảnh trước (góc nâng anten 0, radar cách tâm khu vực nghiên cứu giả định 60 nm phía nam…) Sơ đồ phân bố vận tốc cho thấy vùng gió phân kì với tâm khu vực

¶nh sè 10:

Các điều kiện giả định ảnh trước.ảnh tương tự ảnh số xoay góc 900 theo chiều kim đồng hồ Sơ đồ phân bố vận tốc

tương tự phải đảo lại chiều mũi tên Ta thấy vùng hội tụ tốc độ gió tăng dần vào gần tâm hội tụ

¶nh sè 11:

vượt giới hạn vmax (ứng với mũi tên cong sơ đồ phân bố vận tốc) Đây tương

tù nh­ ảnh hiển thị xoáy thuận có kèm theo vòi rồng

Giới thiệu sản phẩm radar Doppler

Các ảnh trình bày mục mục liên quan đến thời tiết vùng đảo Guam Tom Yoshida [6] cung cấp, ảnh liên quan đến Việt Nam Tạ Văn Đa thu thập, ảnh khác lấy từ nhiều nguồn khác

ảnh gồm số sản phẩm radar Doppler (Christopher G Collier, 1996) Bên trái, từ xuống: độ rộng phổ gió, độ PHVT tốc độ gió Doppler đám mây dông gần Memphis, Tennessee (Hoa Kì) hiển thị thị qt trịn (PPI), thu vào ngày 26 tháng năm 1985 lúc 12:36:29Z có luồng giáng mạnh Hickory Ridge; bên phải, từ xuống: ảnh chụp (bằng máy ảnh) đám mây dơng gần Huntsville, Alabama (Hoa Kì), độ PHVT tốc độ gió Doppler hiển thị thị quét đứng (RHI), thu vào ngày 20 tháng năm 1986 lúc 14:15:42Z có luồng giáng mạnh Monrovia Từ ảnh độ rộng phổ gió Doppler ta thấy trung tâm luồng giáng, độ rộng phổ không lớn vùng ngoại vi, chứng tỏ tốc độ gió vùng ngoại vi có biến động mạnh Trên ảnh gió Doppler tương ứng thể rõ đường số qua tâm luồng giáng, phân cách hai vùng tốc độ dương âm

¶nh sè 13:

Hai ảnh hiển thị cao-xa độ PHVT gió Doppler mây Ns radar Doppler phân cực gần Munich, CHLB Đức (Christopher G Collier, 1996) thu vào ngày 21/6/1993, bắt đầu quét khối lúc 11:19Z Radar nằm góc hình ảnh Nửa hình ảnh độ PHVT sóng phân cực radar (cịn gọi độ phản hồi vi phân-differential reflectivity) Lưu ý độ phản hồi sóng phân cực thường nhỏ độ phản hồi sóng chưa phân cực nên thang màu khơng có độ PHVT lớn

ở độ cao khoảng km thấy rõ dải sáng (dải màu vàng lẫn đỏ nằm ngang), chứng tỏ tầng tan băng mực 00C nằm cao dải chút Từ

khoảng cách 40 đến 50 km kể từ radar, dải sáng lại nằm thấp, khu vực có dịng giáng có mưa tuyết cao, xuống đến gần mặt đất hạt tuyết bắt đầu tan chảy lớp vỏ làm tăng độ PHVT Nửa hình ảnh gió Doppler đám mây Trên ảnh ta thấy khoảng cách 30 km kể từ radar gần đỉnh mây có phân kì, cịn sát mặt đất lại có hội tụ gió, chứng tỏ có dịng thăng Nói chung tốc độ gió điểm khơng lớn phân lớp rõ rệt

¶nh sè 14:

Hiển thị độ PHVT cực đại CMAX (Z) toạ độ cực radar đặt đảo Guam (radar nằm tâm hình) Thời điểm bắt đầu quét khối 05: 27Z ngày 14/09/1994 Các thông số radar ghi hình: bán kính quan trắc cực đại 124 nm độ phân giải 0,54 nm; Độ cao anten so với mặt biển 300 ft, toạ độ địa lí radar (13027’10”N; 144048’39”E) Các đường tròn cách 10 nm, cịn tia

bán kính lệch góc 100 Mỗi (pixxel) có màu tương

¶nh sè 15:

¶nh sè 16:

Hiển thị tổng lượng nước lỏng cột mây VIL toạ độ cực radar đảo Guam Thời điểm bắt đầu quét khối 05: 27Z ngày 14/09/94 (cùng thời điểm với ảnh số 3) Bán kính quan trắc cực đại 124 nm độ phân giải 2,2 nm (khác với ảnh số 3) Sự phân bố khơng gian VIL có nét tương đồng với ảnh số 3: vùng có CMAX lớn có VIL lớn Những nơi có giá trị CMAX nhỏ giá trị VIL coi khơng hiển thị Tổng lượng nước lỏng cực đại tuyệt đối cột mây 32 kg/m2 quan trắc ô nằm theo hướng 300 so với

¶nh sè 17:

Hiển thị profile gió ngang (VAD) toạ độ thời gian-độ cao ngày 19/05/94, từ 07:50Z đến 08: 59Z vùng Guam Tốc độ gió đại tuyệt đối 29 knots thổi theo hướng 940, quan trắc độ cao 16 kft Màu “xương cá” cho biết

¶nh sè 18:

¶nh sè 19:

Mặt cắt thẳng đứng XSEC (Z), cắt theo tuyến từ điểm P1(0

0;0 nm) đến điểm

P2(900;140 nm) tức cắt qua điểm đặt radar, theo góc phương vị 900 ti khong

cách 140 nm, thời điểm bắt đầu quÐt khèi lµ 07:59 Z ngµy 24 /09 /1993

Phân tích vùng 15 nm, nhiễu bề mặt sản phẩm loại bỏ, phản hồi vô tuyến (PHVT) thể rõ địa hình mưa rào mạnh Chú ý dạng bậc thang viền xung quanh đám phản hồi Đó độ phân giải hữu hạn theo góc ảnh gây Đáy vùng phản hồi có xu hướng cao dần lên xa radar Ngun nhân gì? Đó qt khối, góc nâng thấp anten đủ lớn để búp sóng bị khúc xạ cao dần lên so với mặt đất nên không quan trắc vùng phản hồi nằm tia quét

Vùng đối lưu khoảng 20 nm có đỉnh phản hồi cao xấp xỉ 45 kft (13716 m), với phản hồi cực đại khoảng 30- 35 dBz gần mức 15 kft (4572 m) Điều dấu hiệu mây Cb đạt đến chiều cao cực đại, cường độ cực đại hầu hết có giáng thuỷ mây bắt đầu đến giai đoạn tan rã

Phần mây Cb đạt độ cao cực đại độ PHVT tương đối mạnh 40 - 45 dBz lan xuống tới độ cao nhỏ cho thấy tồn dòng giáng mưa mạnh Tiếp theo, vùng cách radar 30 nm có dấu hiệu ổ mây Cb khác phát triển mạnh, độ PHVT lõi 50 dBz đỉnh mây chưa đạt độ cao cực đại độ PHVT lớn mực thấp

Vùng 35 nm có ổ mây Cb khác bắt đầu phát triển?

Gia 35 v 45 nm, cho thấy mưa dông đến giai đoạn tan rã

ở 50 nm, độ PHVT 35 dBZ từ 12 kft đến 16 kft xác định dông giai đoạn ban đầu phát triển

Từ vùng trở đi, phần lớn ổ mây Cb giai đoạn tan rã với khoảng cách tăng nữa, radar không quan trắc độ PHVT yếu mây Cb

¶nh sè 20:

Sản phẩm mặt cắt thẳng đứng độ PHVT XSEC(Z) dọc theo tuyến từ điểm P1(275

0;56 nm) đến điểm P 2(271

0;45 nm) tức gần dọc theo hướng tia quét

¶nh sè 21:

Sản phẩm mặt cắt thẳng đứng độ PHVT qua ổ mây đối lưu, XSEC(Z) theo tuyến từ điểm P1(2060;71 nm) đến điểm P2(1900;67 nm), thời điểm bắt đầu quét

khèi lµ 02:15 Z ngµy 03/29/1994

ổ mây đối lưu với chiều ngang 10 nm độ PHVT 45 dBz trải đến gần độ cao băng hoá (18 kft) gần tới giai đoạn phát triển cực đại – mây trưởng thành đỉnh mây đạt tới 40 kft mưa bắt đầu chiếm toàn ổ mây Vì khoảng cách gần 70 nm kể từ radar, phần mây kft không quan trắc Sản phẩm mặt cắt gần thời điểm định, không quan trắc liên tục theo thời gian nên khó phân tích q trình phát triển mây Do cần phải thu thập số liệu chương trình quét khối liên tục gần tốt

¶nh sè 22:

Trong phút ghi nhận biến đổi- lõi mây di chuyển, đặc biệt vùng phía tây đường cắt, đối lưu mạnh lên vùng mây có PHVT từ 40-45 dBz Lõi phản hồi 50 dBz không phát triển độ cao đỉnh mây không vượt 35 kft vùng PHVT di chuyển mạnh lên, độ cao đỉnh mây cao Giải thích hai hiển thị ngày cuối tháng vào mùa khô Guam, điều kiện khơng thuận lợi hình thành, phát triển mây mưa mạnh Về mùa hè điều kiện tự nhiên thuận lợi cho mây phát triển cao 40 kft ổ mây đối lưu với độ PHVT mạnh quan trắc Thực tế cho thấy khó theo dõi ổ dơng riêng biệt với quét khối phút mây đối lưu Cu, trình chuyển giai đoạn phát triển xảy nhanh Trong môi trường biển/đất vùng nhiệt đới Việt Nam đối lưu phát triển nhanh

¶nh sè 23:

S¶n phÈm PPI (Z), góc nâng 0,50, thời điểm bắt đầu quét khối 01:34Z

cách 30 nm, tia bán kính lệch mét gãc b»ng 300 §é PHVT cùc

đại 51 dBz

Trên ảnh hiển thị ta thấy vùng hội tụ lớn hướng tây-đơng phía nam Guam

đó khơng có vùng PHVT 50 dBz Có điều cần lưu ý xuất vùng khơng có tín hiệu chiếu từ Guam tới theo hướng phương vị 1900 Nguyên nhân

tia quét bị che khuất nhà lớn phía nam vị trí trạm radar Guam

Guam cịn có đồi cao gần 200m phía đơng-bắc trạm radar che khuất tồn tia quét tới đảo Rota (PGRO), Tinian (PGTM) Saipan (PGSN)

¶nh sè 24:

Sản phẩm XSEC(Z), cắt theo tuyến từ điểm P1(2110;52 nm) đến điểm P2(2330;1

Mặt cắt cho thấy giai đoạn phát triển khác khoảng cách 18 nm kể từ điểm P1 (gốc toạ độ), tức điểm P(2110;34 nm), phía (tới mức kft)

có vùng nhỏ với độ PHVT cực đại 50 dBz, chứng tỏ có mưa mạnh, vậy? Độ cao đỉnh mây đạt đến 40 kft độ PHVT mức 10  15 kft đạt 40 dBz khoảng cách – nm kể từ điểm P1 có vùng PHVT mạnh mức

thấp độ cao đỉnh phản hồi gần 20 kft có “tia” phản hồi đạt đến 30 kft Đây ổ mây dơng hình thành

¶nh sè 25:

Sản phẩm CMAX hữu ích muốn có tổng quan nhanh “Điểm nóng” đối lưu Vào thời điểm 02:18Z ổ đối lưu 50 dBz ghi nhận phía tây vị trí radar Cần phải cắt thẳng đứng qua vùng Mặt cắt qua ổ PHVT 50 dBz giai đoạn phát triển khác Đường cắt hiển thị ảnh

XSEC(Z) 27/06/94, thời điểm quét khối 02 : 24Z, sau ảnh hiển thị trước, cắt dọc theo tuyến từ điểm P1(2620;46 nm) đến điểm P2(2950;30 nm)

Mặt cắt cho thấy vùng PHVT 50 dBz phát triển thẳng đứng, trải từ độ cao 7000ft đến 12000ft đỉnh mây đạt 28000ft Dọc theo đường cắt sau phút ghi nhận di chuyển ổ đối lưu làm thay đổi dạng PHVT vùng xem xét Đây ví dụ cho thấy quét khối với thời gian dài gây nên tượng ước lượng khơng xác tổng lượng mưa (cao thấp so với thực tế)

¶nh sè 27:

ảnh cường độ PHVT hiển thị qt trịn PPI (Z), góc nâng 0,60 ngày 11/3/2000, 04: 07Z radar Doppler DWSR-2500C Nha Trang thu Các thông số khác radar có ghi tần số lặp 250 Hz, khoảng quan trắc tối đa 240 km, độ rộng xung 0,8s, độ cao anten 37 m… khơi, song song cách bờ biển khoảng 120 km có dải mây đối lưu xếp thành hàng Đây đường gió giật (đường tố) dọc theo front Cần phải theo dõi thêm tốc độ gió hai phía, tốc độ hướng di chuyển đường khu vực gần Nha Trang có đám phản hồi yếu, nhiễu địa hình nhiễu búp sóng phụ gây

ảnh cường độ PHVT hiển thị quét đứng RHI (Z), góc phương vị 135,850 (hướng đông-nam so với radar), ngày 11/3/2000, 03: 55Z radar Doppler Nha Trang thu trước ảnh trước 12 phút Như vậy, mặt cắt qua đám phản hồi lớn ảnh trước Các đỉnh phản hồi khoảng cách 160, 180 km lên đến độ cao 15 km Vùng phản hồi kéo dài xuống mức 0- tượng siêu khúc xạ gây Vùng phản hồi kéo dài xuống đất chứng tỏ có mưa Gần gốc toạ độ có đám phản hồi yếu, nhiễu búp sóng phụ gây

ảnh cường độ PHVT hiển thị quét tròn PPI (Z), góc nâng 1,090 ngày 12/3/2000, lúc 07h12’Z radar Doppler Nha Trang thu Một số đám phản hồi nằm rải rác số nơi, nhiều mạnh đám nằm hướng tây-bắc so với radar với độ PHVT cực đại đạt xấp xỉ 50 dBz, chứng tỏ đám mây đối lưu phát triển Mặc dù hiệu chỉnh (loại bỏ nhiễu địa hình, suy yếu dọc đường truyền…) trường PHVT nhiễu búp sóng phụ gây quanh trạm

ảnh cường độ PHVT hiển thị quét đứng (cao-xa) RHI (Z), góc phương vị 294,850 ngày 12/3/2000, lúc 07h16’Z radar Doppler Nha Trang thu sau ảnh trước phút Ba đám phản hồi mạnh khoảng cách từ 24 đến 80 km phát triển tới độ cao khoảng 12 km, kéo dài xuống tận mặt đất, chứng tỏ đám mây đối lưu gây mưa Đám phản hồi rộng trải từ khoảng cách 24 km đến 50 km Độ phản hồi cực đại ba đám đạt xấp xỉ 50 dBz, nằm độ cao từ đến km (dải sáng) Riêng đám phản hồi tương đối nhỏ khoảng cách 70 km có vùng phản hồi mạnh thấp, chứng tỏ có mưa rào hạt lớn Các đám phản hồi yếu gần radar xuất góc cao nhỏ quét, anten radar “ngẩng” tới góc cao định

¶nh sè 31:

có đám mây đối lưu khơng chốn diện tích rộng có độ phản hồi cực đại xấp xỉ 50 dBz Phía tây tây-nam có đám phản hồi mây đối lưu trải rộng độ PHVT nhìn chung khơng lớn lắm, trừ vùng cách radar khoảng 50 km Tuy nhiên cần lưu ý với góc nâng anten trên, đến khoảng cách 100 km độ cao búp sóng lên đến khoảng km, tức lên mực 00C,

ở độ cao hạt mây thường dạng tinh thể nên độ phản hồi khơng thể lớn

¶nh sè 32:

¶nh sè 33:

là nơi có phân kì hội tụ gió Độ cao nơi tính từ góc nâng ăng ten khoảng cách từ nơi đến radar

¶nh sè 34:

¶nh sè 35:

¶nh sè 36:

ảnh hiển thị trường hợp xảy vào đầu mùa hè Guam

Về mùa hè, khí Guam có xu bất ổn định Tuy nhiên khơng có chế nâng động lực vào buổi sáng gió yếu (8-12 knots) để hình thành đối lưu Mặc dù đến buổi chiều bề mặt đảo bị đốt nóng, đối lưu bắt đầu xuất phía tây đảo

¶nh sè 37:

CMAX(Z), ngày 08/07/94, thời điểm quét khối 05:09Z, bán kính cực đại 240 nm, độ phân giải 2,2 nm

Gần vị trí radar xuất PHVT từ mục tiêu, số ổ mưa rào gần trạm Đáng quan tâm độ PHVT 50 dBz gần bờ biển phía tây đảo theo hướng khoảng 2700 – 2900 CMAX sử dụng để tổng quan nhanh ổ mưa rào

ảnh số 38:

ảnh PHVT BASE(Z) (hay PPI(Z)), góc nâng = 0,50, ngày 08/07/94,

05:09Z (cùng thời điểm với ảnh trước), bán kính cực đại 240 nm, độ phân giải 0,54 nm

Do độ phân giải lớn (0,54 nm) nên ta xác định xác phân bố PHVT: ảnh này, vùng PHVT gần với vị trí trạm đảo nhỏ so với vùng PHVT tương ứng CMAX (xem ảnh trước) Ta thấy vùng PHVT 50 dBz nằm hướng 2800 - 2900, gần radar góc nâng thấp, xác

ảnh số 39:

BASE(Z) (hay PPI(Z)), góc nâng 19,50, ngµy 08/07/1994, giê 05: 09Z (cïng thêi

điểm với ảnh trước), bán kính cực đại 240 nm, độ phân giải 0,54 nm

Vùng gần nm, theo hướng 2900 cho thấy độ PHVT tương đối thấp 20 kft Có

thể vùng PHVT hình thành Vùng gần nm, 2800 có độ PHVT mạnh 30 -

40 dBz Cã phải vùng PHVT hình thành m­a?

Kinh nghiệm: làm để sử dụng tốt sản phẩm radar? Trước tiên kiểm tra sản phẩm CMAX, tìm “điểm nóng” đối lu ( PHVT ln)

- Tạo hiển thị góc nâng khác nhau: 1- ảnh thị gãc n©ng thÊp;

1- ETOPS, 2- CMAX,

3- Tổng lượng mưa ACM 1h, 4- Tổng lượng mưa ACM 3h

Việc lựa chọn góc nâng, trừ ảnh hiển thị đầu tiên, phải tuỳ thuộc vào khoảng cách để lấy thơng tin 10 kft, 15 kft 30 kft

- Tạo mặt cắt thẳng đứng (XSEC) dọc theo hướng tia qt vng góc với tia qt nơi có đối lưu mạnh Tuỳ yêu cầu mà tạo sản phẩm XSEC để đảm bảo cung cấp thông tin cho việc phân tích Trường hợp khơng tạo XSEC nên làm hạn chế kết phân tích hệ thống mây tượng thời tiết Nếu hệ thống mây gần vị trí đặt trạm, sản phẩm VAD cần xem xét Nếu vùng PHVT ta quan tâm xa trạm, cần xem xét mặt cắt thẳng đứng tốc độ XSEC(V) theo hướng tia qt vng góc với tia qt qua vùng PHVT

S¶n phÈm CAPPI cã thĨ thay sản phẩm đây?

Hình thÕ giã biÓn

Vào mùa hè Guam, gió mặt đất yếu, vào khoảng từ gần trưa đầu chiều thời gian thuận lợi cho việc hình thành dơng Khi đó, gió nhẹ đốt nóng bề mặt hình thành nên vùng áp thấp gần sườn phía nam khu vực đồi, núi đảo Gió mặt đất hội tụ thấp kết hợp với đốt nóng bề mặt nâng lên địa hình làm tăng khả xuất dông Nếu lượng mưa rơi đủ lớn khu vực đủ rộng đốt nóng bề mặt bị xua tan

Trường hợp cho thấy gió từ hướng đơng-đơng-bắc đơng tương quan yếu với việc hình thành dơng đối lưu cumulus khu vực bờ biển tây-tây-nam đến tây-tây-bắc đảo Điều xảy thường xuyên đủ để dơng hình thành vùng phụ cận Orote Point phía tây-tây-nam trạm radar gọi “dơng Orote ”

¶nh sè 40:

Tốc độ gió PPI(V) (hoặc BASE(V)), ngày 16/08/93, 04: 15 Z (14:15L), góc nâng 0,50; độ phân giải 0,54 nm

¶nh sè 41:

Phản hồi PPI(Z) (hoặc BASE(Z)), ngày 16/08/93, thời điểm bắt đầu quét khối 04:09 Z, góc cao 1,50; độ phân giải 0,54 nm

ảnh cho thấy đối lưu phát triển mạnh đảo, ổ có độ phản hồi khoảng 50 dBz vị trí cách cách radar 8-10 nm góc hướng 2500 khu

vực đồi núi nhỏ, cho thấy có hội tụ địa hình Dọc theo góc hướng 2400 là

Sự bùng phát gió mùa tây-nam

Trong vài năm gần vào mùa hè, gió mùa tây-nam mở rộng phía đơng từ Philipin đến quần đảo Marianas dọc theo kinh tuyến 1450E Sự mở rộng

phía đơng gió tây thường xảy vào tháng tháng Điều xảy rãnh áp thấp hoàn lưu xốy (gyre) xuất Bởi gió mặt đất theo hướng đơng-nam từ nam bán cầu vượt qua xích đạo đổi hướng, thổi phía bắc đơng-bắc tùy thuộc vào vị trí rãnh gió mùa hồn lưu xốy (gyre) Nói chung, vùng áp thấp đất Trung Quốc suy yếu chút gradient khí áp theo hướng bắc phía đơng-bắc lớn gradient khí áp phía Trung Quốc Hiện tượng tạo điều kiện hình thành luồng gió nam hay tây-nam Marianas tồn hàng tuần rãnh gió mùa hay hồn lưu xốy tiếp tục tồn Hệ thống synop gây mưa đáng kể suốt tháng tháng

¶nh sè 42:

Trong ảnh 1, thời điểm 12: 44Z hướng gió thịnh hành tây-nam (2400) sâu

(trải tới độ cao lớn), trung tâm vùng gió -26 kt tương đối sâu khu vực dòng ra, trung tâm tương đối nơng cho thấy vùng gió vừa qua vị trí radar

ảnh 4, thời điểm 16:19Z vùng tốc độ +26 kt mở rộng theo phương thẳng đứng đến độ cao 20 kft (ứng với khoảng cách 60 nm) Đường tốc độ số thay đổi nhẹ so với ảnh trước cho thấy gió trở nên lệch tây chút Lưu ý phạm vi khu vực dòng vào mở rộng đến 60 nm vùng phụ cận Guam

ở ảnh có vùng số liệu khoảng cách ảo (vùng màu tía) phía tây-bắc, cho thấy vùng gió vào mở rộng khoảng cách 60 nm, phía đơng-nam, số liệu tốc độ bị hạn chế, chứng tỏ vùng số liệu gió bị thu hẹp thiếu mục tiêu

¶nh sè 43:

Bốn ảnh sản phẩm tốc độ Doppler (PPI(V)), từ thời điểm 17:40Z đến 21:09Z, ngày 22/08/93 (lấy muộn bốn ảnh trước vài giờ); góc cao 0,50, độ phân

ảnh 1, thời điểm 17: 40Z: Gió thịnh hành gần trạm gió tây-nam ý vùng gió thổi đến radar giảm quy mô so với ảnh trước mở rộng đến 45 nm điều khơng có nghĩa gió tây-nam kết thúc mà mục tiêu không nhiều

ảnh 2, thời điểm 18:03Z: Góc phần tư tây-nam gần trạm tiếp tục khơng có số liệu Ngun nhân vùng khơng có mục tiêu Chú ý đến ảnh hưởng che khuất tịa nhà cao góc hướng 1900 Núi Santa Rosa đảo Guam

góc hướng 300

¶nh 4, thêi điểm 21:09Z: Đối lưu tăng góc phần tư tây-nam

Trên bốn ảnh cho thấy gió tây-nam khơng ngừng thổi có nhiều biến động hoạt động đối lưu Có đợt mưa rào mạnh khoảng thời gian ngắn, mưa nhỏ mưa vừa khoảng thời gian dài đợt mưa nhỏ ngắn

Bốn ảnh sản phẩm tốc độ Doppler (PPI(V)), từ thời điểm 23:18Z ngày 22/08/93 đến thời điểm 03:35Z ngày 23/08/03 góc cao 0,50, độ phân giải 0,54 nm

Thời điểm 23:19Z (ảnh thứ nhất) : dịng gió mùa tây-nam bùng phát với tăng lên tốc độ đối lưu

Thời điểm 03:35Z (ảnh thứ 4) : dịng gió mùa tây-nam tiếp tục tồn với giảm nhẹ tốc độ

¶nh sè 45:

Bốn sản phẩm tốc độ gió Doppler PPI(V) tầng thấp, ngày 23/08/93; từ 06:43Z đến 12:04Z (lấy muộn bốn ảnh trước vài giờ), góc nâng 0,50 độ phân

gi¶i 0,54 nm (1 km)

ảnh thứ 1, 06:43Z cho thấy đối lưu bắt đầu suy yếu vùng Guam

Tãm l¹i:

Đợt gió mùa tây-nam nói (trình bày qua bốn ảnh hiển thị từ 42 đến 45) tồn dai dẳng Marianas, mạnh lên đột ngột tốc độ gió đạt giá trị cao, đặc biệt bề mặt

Mặc dù đợt khơng có sản phẩm cấu trúc thẳng đứng trường gió (khơng có cấu trúc VAD), nhìn chung, đợt gió tây-nam xét trải tới độ cao 30 kft Sự biến động lượng mưa với trận mưa lớn thời kì xảy mạnh mẽ đơi có mưa rào nhẹ

Mét sè gợi ý:

ảnh số 46:

Tốc độ gió PPI(V) (hoặc BASE(V)), quét khối từ thời điểm 00:40Z ngày 15/09/94 ; góc nâng 0,50 ; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

Thời kì có đợt gió mùa tây-nam khác hoạt động Trước ảnh này, thời điểm 23:29Z ngày 14/09/1994 (không nêu ảnh đây), đỉnh bùng phát gió mùa tây nam vị trí xấp xỉ 15 nm tính từ vị trí radar Một lõi cực đại có gió hướng phía radar với tốc độ -36 knots trải rộng từ sát mặt đất lên tới kft (2425 m)

¶nh sè 47:

Mặt cắt tốc độ gió XSEC(V) từ điểm P1(245

0,19 nm) đến P 2(50

0 ;14 nm), ngµy

15/09/1994, thêi ®iĨm 00:40Z

Mặt cắt cho hiểu rõ khơng có lõi gió mạnh có hướng vào thời điểm xét Có thể lí giải lõi có gió tương đối mạnh hướng vào (về phía radar) biến động theo thời gian không liên tục nhìn thấy hình ảnh khác Và điều khác đáng quan tâm phía đơng vùng bùng phát (the surge area) có mưa phía lõi (gió có hướng ngồi) đối lưu lại hình thành

VỊ phía tây-nam, (2450 ; 19 nm) đầu trái tuyến cắt có khối mây

Cb lên đến độ cao 40 kft (12,1 km) Điều cho thấy đợt bùng phát khác đổ lên (tràn vào) đảo

¶nh sè 48:

VAD biểu thị trải rộng theo phương thẳng đứng trường gió tây-nam mà lên đến độ cao 45 kft (13,6 km) Gió tây-nam tương đối mạnh phạm vi từ mặt đất lên đến mực 15 kft (4,5 km) Tốc độ gió cực đại 40 kt, thổi theo hướng 2350 mực kft Lên cao 15 kft, gió yếu hướng lệch nam

chút lân cận độ cao này, từ sau 0:46Z có biến động mạnh tốc độ gió (thể qua màu vàng "xương cá")

¶nh sè 49:

Tốc độ gió PPI(V) (hoặc BASE(V)), quét khối từ thời điểm 02:45Z, ngày 15/09/94 ; góc nâng 3,40 , độ phân giải 0,54 nm (1 km)

¶nh sè 50:

Mặt cắt thẳng đứng XSEC(V), 15/09/94, thời điểm 02:45Z; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

¶nh sè 51:

Profile gió ngang (VAD), từ thời điểm 2:33Z đến 03:14Z, ngày 15/09/94

¶nh sè 52:

Mặt cắt thẳng đứng tốc độ gió XSEC(V) dọc hai theo tia quét từ điểm P1(3000;60 nm) qua điểm đặt radar đến P2(1200;60 nm) (tuyến gấp khúc); thời điểm

22:40Z, ngµy 03/08/94

Trên ảnh thấy lõi rộng, mạnh khoảng - 36 knots (màu xanh da trời) từ độ cao kft (606 m) đến kft (1818 m) tiến phía radar Lõi trải rộng từ 65 nm đến 85 nm kể từ điểm đầu tuyến; có vài thể gió có hướng gần radar với tốc độ 36 knots kéo xuống tận mặt đất Cịn từ vùng 85 nm tới 110 nm có xuất gió hướng vào với tốc độ - 36 knots độ cao lớn Dọc theo tia quét này, có xuất đối lưu mạnh lên đến độ cao xấp xỉ 45 kft (13,6 km) tàn dư đám mây Cb độ cao 30 kft (9,1 km)

Tiếp theo cần phải tìm hiểu nguyên nhân gây nên bắt đầu đối lưu dịng bình lưu qui mơ lớn vùng gần trạm (cách đầu tuyến 60 nm), dịng gió đơng nam với tốc độ - 26 knots (hướng phía radar) tồn mực thấp Ngược theo chiều gió thổi khoảng nm (cách đầu tuyến 65 nm) lõi có tốc độ gió -36 knots (gió hướng phía radar) phát Đây trường hợp hai khối khơng khí di chuyển chiều với hai tốc độ khác hẳn (26 36 knots), tạo hội tụ gió nơi tiếp giáp hai khối khí khối khí nhẹ bị trượt lên khối Như vậy, đối lưu cưỡng hình thành Do khí ẩm ướt, nên khối khí bị trượt đến mực ngưng kết, tiếp tục nâng lên lúc nhiệt ngưng kết toả làm tăng thêm tính bất ổn định Mây Cb hình thành Khi mà giáng thủy bắt đầu rơi xuống từ mây Cb, có dịng giáng thổi xun qua đáy mây xuống thấp toả theo tất hướng

ở thời điểm chế khác phát triển để làm tăng thêm hội tụ Dịng khí toả từ dịng giáng theo hướng tia quét (hướng phía radar) tăng thêm tốc độ gió gần mặt đất, tạo hội tụ đối lưu hình thành theo hướng gió thổi Chú ý gió có tốc độ - 36 knots mặt đất làm tăng hội tụ vùng Điều tương tự hình thành mây đối lưu Cumulus theo kiểu dải mây Lúc Dịng khí toả từ dịng giáng theo hướng ngược chiều gió tạo hội tụ gió đối lưu làm giảm tốc độ gió bề mặt đất vùng đối lưu

Thành phần dòng giáng xung quanh vùng tàn dư mây Cb thúc ép chuyển động thăng xung quanh vùng tàn dư đỉnh mây Cb, dịng bị phân kì sau hạ thấp xuống Sự hạ thấp làm hạn chế đối lưu xung quanh Cb điều tạo nên xuất “hình đe” (hay hình đinh) đỉnh mây Cb Đỉnh đám mây Cb khoảng cách 90 nm (kể từ điểm đầu tuyến) suy sụp (mây tan), khoảng cách xấp xỉ 65 nm ngược lại, mây phát triển

Nhìn vào vùng có gió hướng xa radar, điều dễ nhận thấy có dấu hiệu tương tự giống với lõi gió mạnh tầng thấp phát triển đối lưu Vùng nằm 60 nm - 20 nm nhận thấy tượng đối lưu mặt cắt khơng cắt qua vùng mưa cực đại

¶nh sè 53:

Mặt cắt thẳng đứng tốc độ gió XSEC(V) dọc theo hai tia quét từ điểm P1(315

0;60 nm) qua điểm trạm radar đến P 2(135

0;60 nm) (tuyÕn gÊp khúc); thời

điểm 22:45Z ngày 03/08/94

Hỡnh ảnh khu vực gió hướng vào radar tương tự ảnh trước, ngoại trừ trường hợp tia quét theo hướng 3150 không cắt qua khu vực hoạt động tối

đa đối lưu vùng gió có hướng ngồi tia qt 3150 nằm gần với khu vực

sự biến động đối lưu thời kì phát triển Tia qt lí tưởng có lẽ phải theo hng gn 3100

Phân tích sản phẩm ETOP VIL ảnh số 54:

Sn phẩm ECHO TOPS (hay ETOP), thời điểm bắt đầu quét khối 03:48Z ngày 26/08/94 ; độ phân giải 2,2 nm (4,1 km)

Hình ảnh cho thấy vùng 3400 đến 3500 khoảng cách tới radar từ 20 đến

trước Dông di chuyển theo hướng 1300 với tốc độ 12,6 knots Các vị trí đánh

dấu  thị vị trí dơng dự báo Trên hình, hướng 200

cũng có đường TRACK tương tự

¶nh sè 55:

ECHO TOPS (hay ETOP), thời điểm 03:54Z, ngày 26/08/94; độ phân giải 2,2 nm (4,1 km)

Các ô vùng lân cận 3400 cho thấy đỉnh phản hồi giảm độ cao so với

ảnh trước chứng tỏ ổ dông khu vực tan rã Đỉnh phản hồi cao đạt 45 kft (13,6 km) nằm hướng 3400 cách radar từ 20 đến 24 nm Hướng di

chuyển dông lệch nam trước Hướng di chuyển 1330 với tốc độ 12,5

khối vùng nghiên cứu, ta đánh giá xác mức độ hoạt động đối lưu mưa

¶nh sè 56:

ảnh cho thấy giá trị VIL tối đa 30 kg/m2 Giá trị gần hướng 3500

và 15 nm cách radar Vị trí không phù hợp với đỉnh phản hồi cực đại ảnh trước mà gần radar lệch sang hướng bắc, phần hai ảnh lệch phút Các nghiên cứu Tom Yoshida cho thấy khu vực Guam, giá trị VIL cao 30 kg/m2 biểu thị có chớp có

chíp HiÕm ta b¾t gặp VIL có giá trị lớn 35 kg/m2 Vậy nên tận

dụng sản phẩm VIL nào?

ảnh số 57:

PHVT quét tròn PPI(Z) (hoặc BASE(Z)); thời điểm 03:54Z, ngày 26/08/1994; góc nâng 9,90; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

Sản phẩm cho thấy có vùng phản hồi lớn (40 dBz) gần góc phương vị 3500 phân

Tãm t¾t:

Các sản phẩm ECHO TOPS; VIL; CMAX; BASE REFLECTIVITY v.v… cho ta biết thơng tin xảy trình quét khối mây lại khơng cho biết xảy lần quét khối Chỉ qua nghiên cứu nhiều lần quét khối ta có kinh nghiệm để hiểu phát triển mây đối lưu (Cu) khu vực nghiên cứu Nếu hiểu biết sản phẩm thu (sự mạnh lên yếu đi), tận dụng nhiều loại sản phẩm để có xét đoán chiều hướng vận động hệ thống Synop, có trao đổi ý kiến với nhà dự báo trao đổi thông tin với trạm khác để nâng cao kỹ dự báo Phát triển kĩ thuật quan trắc (các sản phẩm), lấy mặt cắt khác để có hiểu biết tốt tượng xảy Việc lấy mặt cắt sẽ cho ta số liệu tương tự nhau, lấy hình vng để đại diện cho mặt cắt may rủi Việc theo dõi radar cách liên tục (trong lần quét khối) cho ta thông tin phục vụ tốt cho dự báo thời tiết hạn ngắn

¶nh sè 58:

Độ PHVT BASE(Z) (hay PPI(Z)); thời điểm bắt đầu quét khối 21:00Z, ngày 02/09/94; góc nâng 0,5; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

Những đám mây phân bố rộng bao phủ khu vực Guam với vài vùng có tượng đối lưu mưa rào Mưa rào xảy vùng phía tây bờ biển đơng-bắc Guam Có dải phản hồi mạnh gần bề mặt cho thấy có khả mưa rào nặng hạt xảy khoảng cách 12 nm phía đơng trạm radar Cũng có vùng phản hồi mạnh hình thành gần góc phương vị 3300

khoảng cách từ 30 nm đến 40 nm kể từ radar

Độ PHVT BASE(Z) (hay PPI(Z)); thời điểm bắt đầu quét khối 21:00Z, ngày 02/09/94; góc nâng 9,90; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

Vùng có độ phản hồi 45 dBZ kft (2,7 km) nằm khu vực phía tây Guam Khu vực phía đơng đảo vùng phản hồi 50 dBz kft (1,5 km) Dải cách 12 nm phía đơng Guam có độ phản hồi từ 45 đến 30 dBz độ cao 12 kft (3,6 km) Với khoảng cách 50 nm góc nâng 9,90 mà lại độ cao 55 kft (16,7

km) nên có độ phản hồi thấp (vì cao, hạt mây thường nhỏ trạng thái tinh thể)

Th¶o luËn

mây trung tích gây mưa rào trở thành mây trung tầng, mưa rào giảm thành mưa dầm

Một điều cần lưu ý khác dự báo hạn ngắn lượng mưa giảm xuống vào 23:00Z tức 09:00L (giờ địa phương) Guam - đồng thời thời gian lượng mưa đạt thấp ngày

¶nh ph¶n håi tõ biĨn ¶nh sè 60:

Độ PHVT BASE(Z) (hay PPI(Z)); thời điểm bắt đầu quét khối 23:55Z, ngày 12/08/1997; độ phân giải 0,54 nm (1 km); góc cao 0,50

cần đưa cảnh báo sóng gió sóng bạc đầu cho tàu cư dân quanh đảo

¶nh sè 61:

Bốn ảnh PHVT từ thời điểm 23:43Z ngày11/23/1993 đến 04:41Z ngày 11/24/1993; góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm

Tín hiệu phản hồi từ bụi muối tạo chủ yếu từ đợt sóng cao 3m tiến đến đảo từ hướng nam xô vào bờ đá ảnh lúc 23: 43Z cho thấy có độ phản hồi từ 35 dBz đến 50 dBz số nơi Đó phản hồi từ mây đối lưu cumulus hầu hết khu vực từ 700 đến 1700 có độ phản hồi từ 15-25 dBz phn hi ca

bụi muối Những cảnh báo sóng sóng lớn đưa tín hiệu chúng bắt đầu xuất

Giú đọc VAD độ cao kft có hướng 900 tốc độ 25 knots

Bốn ảnh PHVT từ thời điểm 23:17Z ngày 01/11/93 đến 14:40Z ngày 02/11/93; góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm

ảnh thứ 1: Thời điểm 23:17Z, ngày 01/11/93 cho thấy độ PHVT tương đối nhỏ

ảnh thứ quét sau khoảng 13 thời điểm 12:33Z, ngày 11/02/93 cho thấy tín hiệu phản hồi sóng biển bắt đầu xuất Những góc cao qt khơng thấy có phản hồi ảnh thứ quét lúc 13:31Z cho thấy bắt đầu tín hiệu phản hồi từ biển nhắc phải ý đến hoạt động tăng lên sóng đường bờ biển phía đơng phía nam Gió VAD độ cao kt (304 m) có tốc độ knots với hướng gió 800

Bốnảnh PHVT từ thời điểm 15:33Z ngày 11/02/1993 đến 21:33Z, ngày 11/02/1993; góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm (1 km)

Trên ảnh cho thấy tín hiệu phản hồi vơ tuyến sóng biển tăng lên, cho thấy có tăng lên hoạt động sóng biển

Th¶o ln:

Lúc 15:33Z tương ứng với 03:35L địa phương Guam, tức vào ban đêm mà quan sát mắt sóng sườn đơng đảo khơng thích hợp nhận dạng tín hiệu có nhiều ý nghĩa quan trọng để đưa cảnh báo cần thiết Khi cảnh báo sóng lớn đưa ra, cho người sử dụng khoảng thời gian cảnh báo 06 để đối phó

Bốn ảnh PHVT PPI(Z) từ thời điểm 23: 15Z ngày 25/11/93 đến 07: 34Z ngày 26/11/93; góc cao 0,50, độ phân giải 0,54 nm.

Tương tự “Bướm Guam”

Th¶o luËn:

Tại Nha Trang Tam Kỳ có đường bờ biển tương đối dài trạm radar, dự báo sóng lớn Nếu phát tín hiệu ta có khoảng thời gian tham khảo, phán đoán để đưa dự báo sóng lớn cho tàu thuyền, đặc biệt có gió mùa đơng-bắc

Những dự báo có ý nghĩa thiết thực cho thủy thủ, khách du lịch, khu nuôi trồng thủy hải sản dân cư vùng ven biển Gió mùa tây-nam như gió mùa đơng-bắc gây tín hiệu radar TP Hồ Chí Minh

Bên cạnh đỉnh sóng hoạt động sóng, khác cần quan tâm cảnh báo sóng cao dẫn tàu thuyền nhỏ ?

Độ dốc bãi biển cần phải quan tâm dự báo độ cao đỉnh sóng Góc mặt nước biển tiến đến gần bờ biển phải quan tâm

Với đường bờ biển dài có độ dốc khơng ổn định có lẽ phạm vi dao động độ cao đỉnh sóng dự báo khoảng từ đến m

Một vấn đề thảo luận khác dự báo phạm vi dao động độ cao đỉnh sóng hầu hết hướng dẫn dự báo qui định độ cao sóng lớn giá trị trung bình phần độ cao sóng quan sát được, cịn độ cao sóng cực đại lại cao mức 10 %

Xốy thuận nhiệt đới ảnh số 65:

Bốn ảnh độ PHVT BASE(Z) từ thời điểm 02:22Z ngày đến 02:40Z ngày 10/09/93; góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm

ảnh cho thấy khả cho hiển thị vùng hình quạt Một xốy thuận nhiệt đới yếu có vị trí cách radar 95 nm góc hướng 1770 Tại khoảng cánh 95 nm

bốn ảnh đạt 30 dBz tương đối yếu hệ thống đối lưu vào đầu mùa thu Qua bốn ảnh ta thấy xoáy thuận bắt đầu hình thành 18 phút chuyển động chậm phía tây-bắc với tâm cách radar khoảng 93 nm góc hướng 1770

Chú ý xen kẽ dải xoắn khu vực không mưa lan đến tận gần tâm, chứng tỏ xốy thuận yếu

¶nh sè 66:

Bốn ảnh tốc độ Doppler từ thời điểm 02:22Z đến 02:40Z ngày 09/10/1993 (cùng thời gian với ảnh trước); góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm

Gió yếu độ cao 12 kft (3,6 km) với dịng thổi vào (về phía radar) có tốc độ khoảng -20 knots

Th¶o luËn:

Bão nhiệt đới ảnh số 67:

Bản đồ tốc độ tương đối, thời điểm bắt đầu quét khối 02:51Z, ngày 16/12/1997; góc cao 0,50; độ phân giải 0,54 nm

Đây đồ tốc độ Doppler bão hiệu chỉnh (khác tốc độ bản), chuyển động hoàn lưu bão đưa vào để hiệu chỉnh phân bố tốc độ Có dòng giáng ảnh qua tâm mắt bão-tâm vịng trịn trắng nhỏ hình Vịng kết xác định dải sáng nhờ kĩ thuật BB Tâm bão vị trí cách radar 60 nm phía 750 Đường số có màu xám Sự

phân bố tốc độ gió tương tự ảnh mơ vùng xốy xa radar từ 90 nm trở lên vành khuyên màu tím tía, vùng số liệu Doppler khoảng cách ảo (range-folded- RF) Trên ảnh có vạch thẳng qua gần tâm bão- tuyến cắt để thu ảnh mặt cắt tốc độ gió XSEC(V) xét

Mặt cắt tốc độ Doppler XSEC(V), dọc theo tuyến từ điểm P1(370;25 nm)

đến điểm P2(1290;80 nm), thời điểm 02: 51Z, ngày 16/12/1997

Tại khoảng cách 60 nm từ radar, góc cao 0,5o độ cao tia quét đạt tới kft (1,2

km) Dịng gió thổi đến radar đạt tốc độ cực đại -64 knots độ cao kft Dịng thổi xa radar có tốc độ tương tự Mắt bão có độ rộng khoảng 10-15 nm Khu vực trống khu vực dải xoắn khu vực gió giảm mây/giáng thủy Dòng vào với tốc độ -64 knots mở rộng đến độ cao 30 kft (9,1 km) dòng +64 knots có quy mơ ngang lớn quy mơ thẳng đứng tốc độ gió bao gồm chuyển động bão Nếu bão chuyển động tiến đến gần radar tốc độ gió hai góc phần tư bên phải cộng thêm tốc độ di chuyển bão, cịn góc phần tư bên trái ngược lại góc phần tư bên phải có tốc độ lớn so với bên trái

¶nh sè 69:

ảnh hiển thị PPI(Z) bão hướng vào Đèo Ngang, obs 21: 50Z ngày 9/9/2000 radar số hố thường (khơng Doppler) Vinh thu Góc nâng ăng ten 0,80 Hình dải quạt màu trắng gần phía nam radar hiệu ứng chắn