MỞ ĐẦU Mưa đá là một trong số các loại hình thiên tai cực đoan thường xuyên xuất hiện tại Việt Nam. Với đặc thù thời gian xảy ra ngắn, cục bộ tại một số địa phương, thường đi kèm một số hiện tượng cực đoan khác như tố lốc, mưa đá gây ra nhiều thiệt hại về người và tài sản, đặc biệt đối với các vùng canh tác nông nghiệp. Công tác cảnh báo, dự báo mưa đá là một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngành Khí tượng, là yếu tố cốt lõi trong việc phòng chống, giảm thiểu thiệt hại do mưa đá gây ra. Dự báo hiện tượng mưa đá trong thực tiễn hiện còn gặp nhiều khó khăn, nhưng nhờ sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu nên chất lượng dự báo đang ngày càng được cải thiện.
Bài toán dự báo mưa đá hiện nay đã có nhiều hướng tiếp cận thành công, tiêu biểu là sử dụng mô hình số độ phân giải cao. Các mô hình đối lưu hiển cho phép dự báo cụ thể các hiện tượng thời tiết liên quan đến đối lưu như dông lốc, mưa đá. Trong đó, các sơ đồ vi vật lý bậc cao đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng, dự báo các hiện tượng thời tiết cực đoan trên. Các phương pháp dự báo mưa đá bằng mô hình số cũng liên tục được phát triển và ứng dụng, tiêu biểu là sử dụng chỉ số dông (độ xoáy dòng thăng - UH) và mô hình Hailcast.
Với sự khả dụng của số liệu radar tại Việt Nam, mưa đá đã có thể được quan trắc tương đối đầy đủ. Do đó, luận văn này hướng tới thực hiện dự báo cho một số đợt mưa đá xảy ra tại Bắc Bộ. Ngoài ra, một số nguyên nhân, đặc điểm vật lý và vi vật lý của mưa đá ở miền Bắc cũng được nghiên cứu, làm rõ trong luận văn này. Định nghĩa, đặc điểm của mưa đá Mưa đá là hiện tượng giáng thủy dạng rắn rơi tới mặt đất, đường kính hạt đá từ 5 mm trở lên.
Mưa đá chỉ có thể sinh ra trong các loại mây đối lưu, hầu hết là ở trong mây vũ tích [18]. Hạt mưa đá có kích thước, khối lượng cũng như thành phần đa dạng, đôi khi đường kính có thể đạt tới 15 cm và khối lượng lên tới 0,5 kg mỗi viên [22]. Theo Changnon và ccs., (2009) [22], để đánh giá một ổ dông có thể phát sinh mưa đá, cần xem xét bốn điều kiện môi trường: (1) Dòng thăng mạnh trong ổ đối lưu trên nền bất ổn định khí quyển; (2) lượng ẩm lớn ở mực thấp đi vào dòng thăng; (3) độ đứt gió ngang theo phương thẳng đứng lớn và (4) một số cơ chế động lực khác kích thích bất ổn định khí quyển như dòng thăng cưỡng bức bởi địa hình. Do mưa đá xảy ra trong mây đối lưu, điều kiện môi trường quy mô lớn thuận lợi cho mưa đá phát triển cực kỳ đa dạng.
Zhou và ccs., (2021) đã phân loại năm dạng mưa đá, chỉ ra vĩ độ, địa hình và một số đặc trưng động lực ảnh hưởng đến phân bố mưa đá. Trong đó, mưa đá xảy ra ở vĩ độ thấp gắn liền với độ bất ổn định và lượng mưa khả giáng lớn, còn mưa đá ở vĩ độ lớn hơn bị chi phối bởi độ đứt thẳng đứng và mực băng kết thấp [74]. Các quá trình vi vật lý mây, trong đó có sự phát triển của mưa đá, chưa được nghiên cứu đầy đủ bởi nhiều khó khăn trong quan trắc và mô phỏng hiện tượng [46]. Đầu tiên, các nhân ngưng kết được dòng thăng đẩy vào trong ổ đối lưu là nguyên liệu ban đầu cho hạt đá phát triển.
Trong môi trường mây lạnh siêu bão hòa, các nhân ngưng kết nhanh chóng gia tăng kích thước thông qua thu thập, hợp nhất với các phần tử nước trong mây. Khi khối lượng hạt đủ lớn, hạt mưa đá sẽ rơi xuống, tan dần khi vượt qua mực băng kết và có thể tan hết trước khi tới bề mặt. Do vậy, để mưa đá có thể rơi tới tại bề mặt, kích thước và khối lượng hạt đá phải đủ lớn, yêu cầu quá trình tồn tại và phát triển đủ lâu trong mây. Vì vậy, chỉ có những ổ dông có dòng thăng rất mạnh mới cho mưa đá.
Cuối cùng, khi rơi tới bề mặt, mức 8 độ thiệt hại của mưa đá phụ thuộc vào kích thước hạt nên đường kính hạt mưa đá là thước đo cường độ của hiện tượng. (Trái) Sơ đồ ổ đối lưu gây ra mưa đá; (Phải) Cấu trúc phát triển của mưa đá ở từng giai đoạn. Nguồn: Encyclopædia Britannica, Inc. Dữ liệu quan trắc bề mặt Mưa đá là hiện tượng hiếm, có quy mô không gian và thời gian nhỏ dẫn tới khó khăn trong quan trắc hiện tượng.
Nhiều phương thức thu thập thông tin về mưa đá tại bề mặt như thông qua quan trắc trạm, tấm quan trắc hailpad, báo cáo tại hiện trường và dữ liệu thiệt hại do mưa đá… Đa số thông tin cụ thể về mưa đá là dữ liệu điểm nên ít mang tính đại diện, mật độ dữ liệu phụ thuộc vào phân bố dân cư [14]. Mặc dù vậy, đây là nguồn thông tin chính thống, đáng tin cậy khi so sánh với các dữ liệu quan trắc hiện đại từ radar và vệ tinh, vốn còn nhiều hạn chế về độ chính xác. Tại Hoa Kỳ, dữ liệu quan trắc mưa đá tại trạm được ghi nhận đầy đủ từ năm 1901 [23]. Bên cạnh đó, nhiều bộ dữ liệu khác cung cấp rất nhiều thông tin hữu ích về phân bố mưa đá, tuy nhiên đa phần ghi nhận mưa đá với kích thước phổ biến dưới 19 mm [26].
Từ 1955, Trung tâm Quốc gia về Thông tin Môi trường Hoa Kỳ (NCEI) bắt đầu thu thập bộ dữ liệu quan trắc dông, trong đó có mưa đá với kích thước hạt tối 9 thiểu từ 0,75 inch (19 mm) [14]. Allen và ccs., (2017) sử dụng hàm phân bố giá trị cực trị (EV) xử lý bộ dữ liệu mưa đá từ NCEI, xây dựng thành công phân bố mưa đá tại Hoa Kỳ. Kết quả cho thấy hầu hết các khu vực phía đông dãy Rocky đều ghi nhận mưa đá, tần suất phổ biến từ 5 - 20 ngày/năm, kích thước mưa đá lên tới 2 inch (51 mm) [16]. Nhiều nghiên cứu khác cũng chỉ ra phân bố tương đồng với cực trị tần suất và kích thước trên vùng Đại bình nguyên trong mùa xuân [68].
Tại Châu Âu, mưa đá được ghi chép từ cuối thế kỷ 19, tuy nhiên mỗi quốc gia lại có phương pháp quan trắc, lưu trữ bộ số liệu khác nhau [14]. Trên cơ sở các bộ dữ liệu trên, Punge và Kunz (2016) đã tổng hợp, xây dựng thành công phân bố mưa đá tại Châu Âu, chỉ ra tần suất mưa đá lớn nhất tại các nước vùng Alps vào mùa hè và mùa thu [62]. So với Hoa Kỳ, tần suất và kích thước mưa đá tại Châu Âu thấp hơn nhưng có thể gây nhiều thiệt hại hơn do mật độ dân cư cao [68]. Bên cạnh đó, từ năm 2008, Phòng thí nghiệm Dông Nguy hiểm Châu Âu (ESSL) bắt đầu thu thập thông tin về mưa đá, là bộ dữ liệu quan trắc mưa đá đồng bộ, đầy đủ trên toàn châu Âu [31].
Tại Trung Quốc, dữ liệu mưa đá đạt đô tin cậy đáng kể từ năm 1980 khi kích thước hạt mưa đá cực đại trở thành chỉ số quan trắc chính thức [44]. Chú ý rằng định nghĩa mưa đá của Tổng cục Khí tượng Trung Quốc (CMA) là giáng thủy dạng cầu hoặc khối bất đồng nhất kích thước trên 2 mm, dẫn tới một số khác biệt trong phân bố khí hậu của mưa đá khi so sánh với các khu vực khác [57]. Theo Li và ccs., (2016), mưa đá tại Trung Quốc thường xảy ra từ tháng tư đến tháng mười, tần suất lớn nhất tại phía đông khu vực Himalaya. Miền nam Trung Quốc thường quan trắc được mưa đá vào mùa lạnh, tần suất trung bình dưới 5 ngày/năm [43].
Mưa đá thường xuyên xảy ra ở nhiều nơi khác, tuy nhiên hạn chế về dữ liệu dẫn tới thiếu sót trong nghiên cứu về hiện tượng. Tại Canada, mưa đá tập trung tại khu vực đồng bằng trung tâm, tương tự phân bố tại Hoa Kỳ ở phía nam [14]. Tại Úc, mưa đá thường xảy ra vào giai đoạn chính hè Nam bán cầu, tập trung ở khu vực ven biển phía tây nam [13]. Tại Nam Mỹ, nhiều nghiên cứu chỉ ra khu vực cận nhiệt đới dưới chân dãy Andes là một trung tâm mưa đá lớn, chủ yếu xảy ra vào mùa xuân [14].
Tại Châu Á và Châu Phi, dữ liệu quan trắc điểm của mưa đá tương đối hạn chế, chỉ đầy đủ tại một số quốc gia. Tiêu biểu trong đó, nghiên cứu của Kim và 10 ccs., (2023) tại Hàn Quốc [37] và nghiên cứu của Dyson và ccs., (2021) tại Nam Phi [27] chỉ ra phân bố mưa đá tại hai nước từ dữ liệu quan trắc trạm. Quan trắc bằng sản phẩm radar và vệ tinh Với sự phát triển của các công nghệ quan trắc viễn, mưa đá đã được quan trắc thường xuyên và đầy đủ hơn, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của xã hội [53]. Mặc dù vậy, công nghệ viễn thám mới được phát triển ứng dụng gần đây cùng những hạn chế trong hiểu biết về mưa đá, gây ra nhiều điểm bất ổn định trong dữ liệu quan trắc của radar và vệ tinh.
Thời kỳ đầu, những sản phẩm của radar chủ yếu xây dựng trên độ phản hồi vô tuyến, đem lại khả năng quan trắc đa số các hiện tượng thời tiết. Đối với mưa đá, quan trắc viên dễ dàng nhận thông qua dải sáng trên sản phẩm độ phản hồi vô tuyến bởi đặc điểm phản xạ đặc biệt của mưa đá [38]. Tuy nhiên, về kích thước, hiện nay hoàn toàn không có phương pháp nào có thể xác định thông qua độ phản hồi vô tuyến [14]. Đây là điểm hạn chế lớn nhất của các radar thế hệ cũ.
Radar Doppler phân cực đôi là loại radar thời tiết thế hệ mới, được lựa chọn sử dụng trong nghiệp vụ phổ biến trên khắp thế giới hiện nay [14]. So với thế hệ cũ, radar phân cực đôi sử dụng nhiều sóng phân cực, cung cấp thông tin về trạng thái ba chiều của các đối tượng thời tiết. Do đó, radar phân cực đôi có khả năng phân loại kích thước hạt trong mây, từ đó có thể phát hiện và ước lượng kích thước hạt mưa đá chính xác hơn so với radar phân cực đơn [66]. Một số phương pháp đã được phát triển nhằm ước lượng, tính toán kích thước hạt mưa đá dựa trên dữ liệu từ radar.