Dự báo mưa đá ở miền Bắc Việt Nam: Luận văn thạc sĩ của Đoàn Mạnh Duy

Tổng hợp nghiên cứu về dự báo mưa đá ở miền Bắc Việt Nam. Phân tích các mô hình, số liệu và đặc điểm vật lý của hiện tượng mưa đá.

• Tác giả: Đoàn Mạnh Duy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Minh Trường
• Trường học: Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khí tượng học
• Đề tài: Dự Báo Mưa Đá Ở Miền Bắc Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ khoa học
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Định Nghĩa và Đặc Điểm của Mưa Đá

Mưa đá là một hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra khi những hạt nước đông cứng rơi từ các đám mây dông phát triển mạnh. Đây là một trong những loại mưa gây thiệt hại nặng nề nhất tại miền Bắc Việt Nam, đặc biệt là trong mùa hè. Theo luận văn của Đoàn Mạnh Duy từ Đại học Quốc gia Hà Nội, mưa đá hình thành trong các ổ đối lưu khi nhiệt độ trong mây giảm xuống dưới 0°C. Hiện tượng này thường kéo theo những thiệt hại lớn về nông nghiệp, cây trồng, và cơ sở hạ tầng. Đặc biệt, kích thước hạt mưa đá có thể đạt từ vài milimét đến hơn 10 centimét, gây ra tác động rất lớn đến cộng đồng. Nghiên cứu chỉ ra rằng sự hiểu biết sâu về cơ chế hình thành mưa đá là nền tảng quan trọng cho công tác dự báo mưa đá chính xác và giảm thiểu rủi ro.

1.1. Quá Trình Hình Thành Mưa Đá

Quá trình hình thành mưa đá bắt đầu từ các ổ đối lưu mạnh với dòng khí lên mạnh. Các giọt nước nhỏ được mang lên cao, đông cứng và tích tụ lớp pha băng. Cấu trúc mưa đá có các giai đoạn phát triển rõ ràng: khởi động, tăng trưởng, trưởng thành và suy yếu. Nhiệt độ âm sâu và độ ẩm cao tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển dông mạnh. Khi hạt mưa đá đủ nặng, nó rơi từ mây xuống bề mặt.

1.2. Đặc Điểm Khí Tượng và Phân Bố

Mưa đá ở miền Bắc Việt Nam thường xuất hiện vào mùa hè, tập trung từ tháng 3 đến tháng 5. Phân bố địa lý chủ yếu ở các khu vực núi cao như Hà Giang, Lào Cai, Tuyên Quang. Nghiên cứu của Zhou và các cộng sự cho thấy năm loại mưa đá khác nhau dựa trên dữ liệu vệ tinh. Các điều kiện thời tiết như độ xoáy dòng thăng cao, gradient nhiệt độ mạnh tạo môi trường thuận lợi cho mưa đá phát triển.

II. Phương Pháp Dự Báo Mưa Đá Hiện Đại

Dự báo mưa đá đã có những tiến bộ đáng kể nhờ ứng dụng công nghệ mô hình số hiện đại. Mô hình WRF (Mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết) được sử dụng rộng rãi để dự báo mưa đá ở miền Bắc với độ chính xác cao. Các chỉ số đánh giá môi trường quy mô lớn như chỉ số UH (độ xoáy dòng thăng) là yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng xuất hiện mưa đá. Luận văn của Đoàn Mạnh Duy đề cập đến các sơ đồ vi vật lý khác nhau giúp cải thiện chất lượng dự báo. Việc tối ưu hóa các tham số hóa trong mô hình là chìa khóa để nâng cao độ tin cậy của dự báo. Công tác đánh giá dự báo mưa đá sử dụng chỉ số FSS (Điểm kỹ năng không gian) để so sánh sản phẩm dự báo.

2.1. Mô Hình WRF và Các Sơ Đồ Vi Vật Lý

Mô hình WRF được cấu hình với miền tính bao phủ khu vực miền Bắc Việt Nam, sử dụng dữ liệu từ Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF). Các sơ đồ vi vật lý như MP008, MP009, MP101, MP102 được áp dụng để so sánh hiệu suất dự báo mưa đá. Mỗi sơ đồ có đặc tính riêng trong mô phỏng quá trình hình thành và phát triển mưa đá.

2.2. Các Chỉ Số Dự Báo và Đánh Giá

Chỉ số UH được tính toán để đánh giá khả năng phát triển dông mạnh. Biến HC (kích thước hạt mưa đá) là sản phẩm quan trọng từ mô hình Hailcast. Phương pháp đánh giá dự báo sử dụng điểm kỹ năng không gian FSS để so sánh giữa dự báo và quan trắc thực tế, giúp xác định sơ đồ dự báo mưa đá hiệu quả nhất.

III. Dữ Liệu Quan Trắc và Phân Tích Môi Trường

Dữ liệu quan trắc mưa đá ở miền Bắc Việt Nam được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau. Radar Pha Đin là một công cụ quan trọng trong quan trắc bằng sản phẩm radar để phát hiện các ổ dông và phân loại kích thước hạt mưa đá real-time. Sản phẩm vệ tinh cũng cung cấp thông tin quý báu về phân bố toàn cầu của mưa đá. Thuật toán HSDA (phân loại kích thước hạt mưa đá) giúp xác định kích thước hạt từ dữ liệu radar. Phân tích trường quy mô lớn bao gồm khí áp bề mặt, gió 10m, độ cao địa thế vị ở các mực khác nhau. Giản đồ thiên khí dự báo cho phép hiểu rõ hơn về điều kiện phát triển dông và môi trường mưa đá.

3.1. Hệ Thống Quan Trắc Radar và Vệ Tinh

Quan trắc mưa đá tại Việt Nam sử dụng radar Pha Đin để phát hiện các dấu hiệu dông mạnh. Sản phẩm Hailcast từ mô hình cho phép dự báo kích thước hạt mưa đá trước khi xảy ra. Các báo cáo quan trắc bề mặt từ các trạm khí tượng ghi nhận sự xuất hiện mưa đá tại các địa điểm cụ thể.

3.2. Phân Tích Các Yếu Tố Vật Lý

Chỉ số MCAPE (Convective Available Potential Energy) đánh giá năng lượng phát triển dông. VIMFC (Vertical Integrated Moisture Flux Convergence) chỉ ra hội tụ ẩm có liên quan đến hoạt động dông. Độ xoáy dòng thăng và gradient nhiệt độ là yếu tố quyết định phát triển mưa đá. Phân tích mặt cắt thẳng đứng trong mô hình cung cấp góc nhìn chi tiết về cấu trúc mây và vi vật lý mây.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu

Thiệt hại do mưa đá ở miền Bắc Việt Nam hàng năm gây ra những tổn thất kinh tế lớn lao. Dự báo mưa đá chính xác là nhu cầu cấp bách để giảm thiểu rủi ro và bảo vệ cộng đồng. Luận văn Thạc sĩ khoa học của Đoàn Mạnh Duy dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Minh Trường đã đóng góp quan trọng trong lĩnh vực dự báo mưa đá ở miền Bắc Việt Nam. Nghiên cứu về mưa đá trong nước cần được tiếp tục và mở rộng để hiểu sâu hơn về nguyên nhân xảy ra các đợt mưa đá. Việc kết hợp mô hình WRF với quan trắc bề mặt sẽ nâng cao độ tin cậy của dự báo thời tiết. Hướng phát triển trong tương lai nên tập trung vào tối ưu hóa sơ đồ vi vật lý và phát triển các chỉ số dự báo mới.

4.1. Thiệt Hại và Tác Động Kinh Tế

Thiệt hại do mưa đá bao gồm hư hại cây trồng, tài sản, cơ sở hạ tầng. Mưa đá ở miền Bắc thường xảy ra vào mùa hè, gây tổn thất nông nghiệp nặng nề. Nghiên cứu về tác động kinh tế của mưa đá cho thấy tầm quan trọng của công tác dự báo mưa đá trong bảo vệ sinh kế người dân.

4.2. Hướng Phát Triển và Khuyến Nghị

Nghiên cứu về mưa đá cần tiếp tục với việc thiết lập mô hình dự báo mưa đá hiệu quả hơn. Ứng dụng công nghệ AI trong dự báo thời tiết có thể cải thiện chất lượng dự báo mưa đá. Cần tăng cường hợp tác quốc tế để trao đổi kinh nghiệm dự báo và nâng cao năng lực dự báo cho miền Bắc Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.