C HỮ VIẾT TẮT TRONG GIÁO TRèNH
4.5.2. Phương phỏp ước lượng mưa dựa trờn ảnh hồng ngoại
Ngay từ khi ảnh mõy hồng ngoại (10,7μm) cho phộp ước lượng nhiệt độ và mưa thỡ phương phỏp ước lượng mưa theo quan hệ kinh nghiệm giữa nhiệt độ chúi hồng ngoại và lượng mưa bề mặt đó được thử nghiệm. Phương phỏp này dựa trờn một
ước đoỏn đó được thừa nhận là sự tăng lượng mưa là một hàm của độ cao đỉnh mõy, nghĩa là nhiệt độ đỉnh mõy càng lạnh thỡ lượng mưa càng lớn. Với quan hệ kinh nghiệm đú người ta cú thể ước lượng được lượng mưa trờn quy mụ toàn cầu chỉ dựa trờn ảnh hồng ngoại.
Tuy cỏc mối quan hệ này cú độ chớnh xỏc khụng cao, nhưng cỏc vựng rộng lớn và trung bỡnh liờn tục theo thời gian làm cho nú trở thành một ước lượng ban đầu hữu ớch đối với mưa do xoỏy thuận nhiệt đới và bóo, đặc biệt trờn biển, nơi mà ta khụng cú
đủ cỏc trạm quan trắc thụng thường. Nếu ta thu thập được cỏc tập hợp sản phẩm ảnh IR và số liệu mưa tương ứng thỡ ta cú thể thiết lập được quan hệ thống kờ đểước lượng mưa. Việc kiểm nghiệm tất cả cỏc sản phẩm vệ tinh đều được thực hiện bằng sự so sỏnh với số liệu vụ tuyến thỏm khụng và cỏc đo đạc bằng mỏy bay, ra-đa đo mưa. Nhiều phương phỏp ước lượng mưa theo hướng này hiện vẫn được nhiều người nghiờn cứu cải tiến, trong đú cú cỏc nhà khớ tượng của Trung tõm dự bỏo KTTV Trung ương của nước ta như Tiến sĩ Hoàng Minh Hiền [2], ThS Đỗ Lệ Thuỷ và KS Nguyễn Vinh Thư [3], như thớ dụ cho trờn hỡnh 4.35 trờn đõy.
Hỡnh 4.35 Bản đồ mưa ước lượng từ vệ tinh GMS ở TTDB KTTV TW [22, (8)]
4.5.2.1. Phương phỏp ước lượng mưa bằng một loại ảnh hồng ngoại
nhiệt
Hỡnh 4.36. Quan hệ mưa ra-đa và nhiệt độ chúi ảnh IR
Đõy là phương phỏp ước lượng mưa do Tiến sĩ Gilberto A. V. cựng cỏc cộng sự ở NOAA/NESDIS/ORA/UCAR [22, (2)] nghiờn cứu, ỏp dụng cho cỏc hệ thống đối lưu sõu di chuyển nhanh vào mựa hố. Phương phỏp này tương đối đơn giản, vỡ chỉ sử
độ phõn giải 4km của GOES-8) và lượng mưa (đo bằng ra-đa đo mưa 5 và 10cm, WSR-57S, WSR-74C, WSR-88D) ở Vựng Đồng bằng lớn Trung tõm Bắc Mỹ và vựng lõn cận Vịnh Mexico. Sau đú dựng đồ thị quan hệ giữa từng cặp giỏ trị đú, ta được đồ
thị trờn hỡnh 4.36, đồng thời xỏc định quan hệ hồi quy phi tuyến giữa lượng mưa và nhiệt độ chúi dưới dạng:
R = 1.1183*10**(11) * exp [-3.6382 10**(-2) * T**(1.2)] (4.3)
Trong đú R là cường độ mưa mm/h, T là nhiệt độ chúi đỉnh mõy (0K). Cả hai loại ảnh
điểm mưa và khụng mưa đều được đưa vào tớnh toỏn phương trỡnh hồi quy.
Bước tiếp theo là hiệu chỉnh theo 3 hiệu ứng: (1) Độ ẩm mụi trường, (2) Khuynh hướng của hệ thống mõy đối lưu (mạnh lờn hay suy thoỏi) hay sự biến động nhiệt độ chúi trờn từng ảnh điểm qua 2 thời điểm liờn tiếp, (3) Nhiệt độđỉnh mõy cực
đại của cỏc ảnh điểm lõn cận.
1) Lấy lượng nước khả giỏng (PW) và độ ẩm tương đối (RH) tớnh được từ mụ hỡnh dự bỏo số ETA cho tầng khớ quyển từ bề mặt đất đến mực 500mb (trung bỡnh của mực bề mặt và mực 500mb) quy về thang độ 0-2,0. Mụi trường được xem là khụ nếu PW*RH<1,0 và ẩm nếu PW*RH>1,0. Nhõn tố PW*RH làm giảm bớt lượng mưa ước lượng nếu mụi trường khụ và làm tăng lượng mưa ước lượng nếu mụi trường ẩm . Song nhỡn vào đồ thị trờn hỡnh 4.36 ta thấy, ở nhiệt độ T<2100K, khi nhiệt độ chỉ giảm nhẹ cũng gõy ra thay đổi lớn về lượng mưa. Điều này cú nghĩa là khụng cần tăng thờm lượng mưa khi T <2100K, mà ngược lại cần giảm mưa khi T<2100K. Từ phõn tớch đú tỏc giảđưa ra cỏc chỉ tiờu hiệu chỉnh nhõn tốẩm mụi trường như sau:
- Nếu T <2100K và PW*RH>1,0 thỡ độ ẩm mụi trường đó rất cao, khụng cần nhõn lượng mưa ước lượng với PW*RH.
- Nếu T <2000K thỡ lượng mưa ước lượng bị giới hạn bởi cường độ mưa cực đại là 72,0mm/h (mưa cực đại đó đo được ở Mỹ cho ụ lưới 4 x 4km).
2) Dựa trờn một thừa nhận là khi mõy suy thoỏi (tan dần) hoặc khi đỉnh mõy lạnh lại trở nờn ấm thỡ chỉ cho mưa chỳt ớt hoặc khụng mưa, nờn lượng mưa ước lượng từ phương trỡnh hồi quy và ước lượng ẩm sau đú sẽđược thay đổi theo cỏc cỏch sau: - Nếu ảnh điểm IR lạnh nhất trờn ảnh thứ nhất sang ảnh thứ 2 chỳng lại lạnh hơn thỡ chứng tỏ hệ thống đối lưu mạnh thờm và cỏc ảnh điểm trờn ảnh thứ nhất quan hệ với cường độ mưa mạnh nhất. Trong trường hợp này lượng mưa tớnh được bằng phương trỡnh hồi quy sẽ giữ nguyờn khụng đổi.
- Nếu ảnh điểm IR lạnh nhất trờn ảnh thứ nhất sang ảnh thứ 2 lại ấm hơn thỡ chứng tỏ hệ thống đối lưu đó suy yếu và dũng thăng đó ngừng. Trong trường hợp này lượng mưa ước lượng được điều chỉnh bằng 0 đối với cỏc ảnh điểm đú.
- Nếu khụng cú sự thay đổi nhiệt độ đỉnh mõy trong 2 ảnh liờn tiếp (khụng mạnh lờn hoặc khụng suy thoỏi trong khoảng thời gain 1/2 giờ) thỡ lượng mưa ước lượng được từ phương trỡnh hồi quy sẽđược giữ nguyờn.
Trong hiệu chỉnh 2) trờn đõy chỉ là phõn biệt cú mưa hay khụng mưa, chứ
khụng làm thay đổi lượng mưa đó ước lượng theo hàm R.
3) Khi nào ta chỉ cú 1 ảnh IR trong khoảng thời gian 2 đến 3 giờ thỡ sử dụng khỏi niệm sự khỏc nhau xỏc định, bằng cỏch lấy nhiệt độ cực đại và cực tiểu bờn trong
mỗi ụ lưới 3 x 3 hay 5 x 5 ảnh điểm. Tư tưởng này là đi tỡm những ảnh điểm cao hơn
độ cao bề mặt đỉnh mõy trung bỡnh (nhiệt độ cực tiểu địa phương) và thừa nhận những
ảnh điểm này chỉ định cho ta đối lưu hoạt động liờn quan với giỏng thuỷ thấp. Quy trỡnh này bao gồm tỡm những đỉnh mõy cao nhất (lạnh nhất) và thấp nhất (ấm nhất) trong miền 3 x 3 ảnh điểm, đặt vào vị trớ P0=(x0,y0), sau đú hiệu chỉnh theo cỏc cỏch sau:
- Nếu P0 cực đại, cú nghĩa là đỉnh mõy cao với P0 lạnh hơn xung quanh nú, khi
ấy mưa ước lượng bằng hồi quy sẽ giữ nguyờn.
- Nếu P0 cực tiểu, cú nghĩa là đỉnh mõy ấm hơn xung quanh, mưa ước lượng bằng 0.
- Nếu P0 khụng phải cực đại mà cũng khụng phải cực tiểu, cú nghĩa là đọ cao mõy hay nhiệt độ như mụi trường xung quanh, mưa ước lượng bằng 0.
Nếu với ụ lưới 3 x 3 ảnh điểm khụng xỏc định được, ta sử dụng ụ lưới 5 x 5
ảnh điểm.
Trong hiệu chỉnh 3) núi trờn (tỏc giả gọi là nhõn tố hiệu chỉnh gradient của mõy) cũng giống như 2), chỉ là phõn biệt cú mưa hay khụng mưa, chứ khụng làm thay
đổi lượng mưa đó ước lượng theo hàm R.
Cuối cựng cường độ mưa trung bỡnh 1 giờ sẽ được tớnh dựa trờn trung bỡnh thống kờ 3 ảnh liờn tiếp cho từng ảnh điểm, từng giờ một theo cụng thức:
R (1/hour) = (Rmin + 2*Rtb + Rmax) / 4 (4.4)
Trong đú Rtb là trị số trung bỡnh, Rmin là R cực tiểu, Rmax là R cực đại theo 3 ảnh liờn tiếp. Lượng mưa tớch luỹ theo thời đoạn lớn hơn 1 giờ (3, 6, 12 giờ,...) được tớnh bằng cỏch cộng dồn từ lượng mưa 1 giờ.
Hỡnh 4.37a. Quan hệ mức xỏm - lượng mưa (a) và hiệu chỉnh (b) [9]
4.5.2.2. Phương phỏp ước lượng mưa lớn cú hiệu chỉnh mõy núng
Phương phỏp ước lượng mưa cú hiệu chỉnh mõy núng được cỏc nhà khoa học ở
Trung tõm Khớ tượng Vệ tinh Quốc gia (TT KTVT QG) Trung quốc [9] phỏt triển cú thểđưa ra bản đồ tổng lượng mưa lớn phục vụ cho nhiều mục đớch khỏc nhau, trong đú cú dự bỏo lũ lụt. Cỏc dữ liệu sốđó được xử lý bằng mỏy tớnh nờn cú thể làm cho cỏc
vựng rộng lớn về khụng gian và liờn tục, kịp thời về thời gian. Với ảnh thị phổ và hồng ngoại việc ước lượng mưa cho một số vựng kết qủa rất khả quan. Mưa do đối lưu sõu cú liờn quan nhất định với cỏc đăc trưng mõy trờn ảnh vệ tinh. Núi chung, mõy càng lạnh thỡ mưa càng lớn.
Song ở đõy thay vỡ xỏc định nhiệt độ đỉnh mõy, tỏc giả lấy mức xỏm. Quan hệ này
được xõy dựng thành biểu đồ ở hỡnh 4.37a. Trờn hỡnh vẽ nhiệt độ mõy được thay thế
bằng cỏc trị số độ xỏm tớnh được từ ảnh mõy GMS-4. Nú cho ta thấy rừ rằng trị sốđộ
xỏm tớnh được quan hệ nhạy cảm với mưa do mõy rất lạnh và từ đú cú thể dự tớnh
được lượng mưa rất lớn.
Nhưng đối với mõy ấm thỡ vấn đề hoàn toàn khú khăn. Vấn đề này cú thể giải quyết tới một mức nào đú nhờđồ thị thứ 2 trờn hỡnh 4.37b, trong đú quan hệ giữa mưa và gradient nhiệt độ mõy đó được chỉ ra. Hỡnh 4.37b đó chứng tỏ rằng khi mưa tương
đối nhỏ thỡ lượng mưa tỷ lệ với gradient nhiệt độ mõy. Điều này chủ yếu diễn tả nhiệt
độ tương ứng với cỏc trị số thấp hơn trờn hỡnh 4.37a. Khuynh hướng này mất hết ý nghĩa bởi dũng đi ra của mõy Cirus bờn trờn trung tõm mõy đối lưu, nơi mà nhiệt độ
mõy rất thấp, và thường cho mưa lớn nhất.
Năm 1994, sau khi phõn tớch cỏc đặc trưng mõy một cỏch chi tiết, phương phỏp ước l-
ượng mưa đối lưu từng giờ đó được cỏc nhà khoa học ở TT KTVT QG Trung quốc phỏt triển. Nú được dựa trờn cỏc quan hệ giữa giỏng thuỷ và một số cỏc đặc trưng mõy, bao gồm nhiệt độ mõy, gradient nhiệt độ mõy, khuynh hướng biến động của mõy, v.v… Trong phương phỏp cũng đó xem xột đến cả ảnh hưởng của địa hỡnh. Ba hỡnh chồng nhau trờn hỡnh 4.38 là GMS-4 IR (gúc trỏi trờn), GMS-4 VIS (ảnh to ở giữa) và kết quả ước lượng mưa lớn cho cơn bóo rất mạnh ngày 9/7/1993 ở Trung quốc (gúc phải dưới).