MỞ ĐẦU Trong suốt thập kỷ vừa qua đã có sự phát triển vƣợt bậc của hệ thống vi điện tử, máy tính và các thiết bị di động với các tính năng hiện đại. Chúng có khả năng tính toán cao, kích thƣớc nhỏ và chi phí thấp, cho phép con ngƣời tƣơng tác với các thiết bị nhƣ một phần của cuộc sống hàng ngày và đặc biệt con ngƣời ta có thể dễ dàng xác định vị trí của mình trên thế giới thông qua phần mềm sử dụng công nghệ GPS. Có một thống kê cho thấy một kết quả đáng kinh ngạc, dân số thế giới ƣớc tính khoảng 7.3 tỷ ngƣời, thì 7 tỷ điện thoại di động năm 2015 [10]. Sự bùng nổ của ngƣời sử dụng điện thoại thông minh trong những năm gần đây (2007-2015) đã dẫn đến sự bùng nổ của các ứng dụng cho điện thoại thông minh và số lƣợng đáng kinh ngạc của các ứng dụng smartphone đã đƣợc bổ sung không ngừng.
Vì vậy, nhu cầu sử dụng thiết bị di động gắn liền với ứng dụng trên điện thoại di động là xu hƣớng nóng hiện nay. Bắt nguồn từ nhu cầu thực tế hiện nay có rất nhiều cá nhân hay tổ chức muốn biết đƣợc thông tin về thời tiết tại một khu vực nhỏ để sắp xếp các công việc của họ sao cho hợp lý chẳng hạn nhƣ các trung tâm tổ chức sự kiện, hoặc các hãng tàu thủy…Thêm vào đó, việc thời tiết thay đổi cũng ảnh hƣởng đến cƣờng độ và độ chính xác tín hiệu GPS truyền từ vệ tinh đến các thiết bị thu và ngƣợc lại. Đi từ nhu cầu đó và cộng với tính phổ dụng của các thiết bị di động, tôi quyết định lựa chọn đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật dự báo thời tiết tại một khu vực có phạm vi nhỏ dựa trên cƣờng độ tín hiệu GPS qua các thiết bị thu thông minh (smartphone). GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Sơ lƣợc về bài toán dự báo thời tiết -Dự báo thời tiết là gì ? Dự báo thời tiết là sự ứng dụng của khoa học và công nghệ vào việc dự đoán các điều kiện của khí quyển tại một thời điểm và một vị trí cụ thể.
Con ngƣời đã cố gắng dự báo thời tiết không chính thức từ hàng ngàn năm qua, và việc dự báo thời tiết đã trở thành một công việc chính thức từ thế kỷ 19 [9]. Các dự báo thời tiết đều đƣợc thực hiện bằng việc thu thập các dữ liệu định lƣợng về trạng thái hiện tại của khí quyển tại một nơi cho trƣớc và sử dụng phƣơng pháp khí tƣợng học để tham chiếu xem khí quyển thay đổi thế nào. Trong khi những dự đoán thuần con ngƣời - trong những dự đoán kiểu này, con ngƣời đóng vai trò là trung tâm, sử dụng các dụng cụ quan trắc khí tƣợng để đo lƣợng mƣa, áp suất. và dùng mắt để quan sát điều kiện bầu trời, sau đó phân tích , tổng hợp các số liệu, điều kiện đó , để suy ra một kết quả dự báo - chủ yếu dựa trên sự thay đổi của áp suất khí quyển, các điều kiện thời tiết hiện tại, và điều kiện bầu trời, thì dự báo thời tiết ngày nay lại sử dụng các mô hình dựa máy tính thống kê đƣợc rất nhiều các yếu tố khí quyển.Với những dữ liệu sẵn có từ việc quan trắc khí tƣợng và các phép phân tích khí quyển thì đầu vào của dự báo thời tiết ngày nay chỉ yêu cầu ngƣời dùng lựa chọn mô hình dự báo tốt nhất có thể để làm cơ sở cho dự báo, nó bao gồm các kỹ năng nhận dạng mẫu (từ dữ liệu quan trắc và phân tích khí quyển), các kết nối viễn thông, kiến thức về hiệu năng hệ thống và kiến thức về sai số mô hình [13].
Sự không chính xác của dự báo do sự hỗn loạn tự nhiên của khí quyển, khả năng tính toán chƣa đủ mạnh để giải các phƣơng trình biểu diễn khí quyển, các lỗi chứa trong các phép đo điều kiện ban đầu, và hiểu biết không đầy đủ về các quá trình liên quan đến khí quyển dẫn đến việc mô hình hóa các quá trình đó không đúng. Vì thế, các dự báo trở nên ít chính xác khi khoảng thời gian giữa thời điểm hiện tại và thời điểm dự báo tăng lên. Dự báo thời tiết phục vụ rất nhiều mục đích khác nhau. Các cảnh báo thời tiết là các dự báo quan trọng bởi vì chúng đƣợc sử dụng để bảo vệ con ngƣời và tài sản.
Các dự báo dựa trên nhiệt độ và lƣợng mƣa là quan trọng đối với nông nghiệp, và kéo theo cả những ngƣời mua bán trong các thị trƣờng hàng hóa. Các dự đoán nhiệt độ đƣợc các công ty tiện ích sử dụng để ƣớc tính số yêu cầu trong các ngày sắp tới. Dựa trên cơ sở thƣờng ngày, ngƣời dùng sử dụng các dự báo thời tiết để xem nên mặc gì trong ngày cụ thể. Do các hoạt động ngoài trời bị hạn chế bởi mƣa to, tuyết, và gió lạnh, các dự báo có thể đƣợc sử dụng để lên kế hoạch cho các hoạt động của các sự kiện này và lên kế hoạch trƣớc và tiếp tục chúng.
Năm 2014, chính phủ Mỹ đã chi 5.1 tỷ đô la cho lĩnh vực dự báo thời tiết.1 Các thành phần thời tiết cần dự báo Dự báo thời tiết bao gồm các thành phần cần dự báo: nhiệt độ, lƣợng mƣa, tình trạng mây, hƣớng và tốc độ gió (kèm theo các hiện tƣợng bão, áp thấp nhiệt đới…), và độ ẩm. Ngoài ra còn có tình trạng nắng và áp suất khí quyển. Nhiệt độ Nhiệt độ là phép đo độ nóng hay độ lạnh của không khí và là đại lƣợng đƣợc đo nhiều nhất của khí quyển. Nhiệt độ hầu nhƣ là phép đo thời tiết dễ hiểu nhất.
Ta đều biết rằng thời tiết sẽ nóng nếu nhiệt độ lớn 30 độ (C) hoặc lạnh nếu nó nhỏ hơn 20 độ (C). Nhiệt độ có thể ảnh hƣởng đến việc hình thành các dạng mƣa khác nhau. Nếu điều kiện khí quyển cho phép xảy ra hiện tƣợng mƣa và nhiệt độ trên mức đóng băng, thì mƣa (dạng nƣớc) có thể hình thành. Nếu nhiệt độ dƣới mức đóng băng, mƣa (dạng tuyết) có thể hình thành.
Dạng (loại) mƣa cũng bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ trong các tầng khí quyển mà nó đi qua. Ví dụ, nếu mƣa bắt đầu rơi xuống từ những đám mây dƣới dạng tuyết và sau đó đi qua các tầng khí quyển ấm hơn, lại biến thành mƣa (dạng lỏng). Nếu mƣa sau đó đi qua các lớp không khí lạnh hơn, mƣa đá có thể hình thành. Và đôi khi, mƣa sẽ không hề rơi xuống mặt đất.
Nếu các lớp không khí phía dƣới (gần mặt đất) đủ khô, hơi nƣớc có thể bay hơi trƣớc khi chạm đất. Độ ẩm Không khí đƣợc tạo thành từ hỗn hợp các khí vô hình, chủ yếu là nitơ và oxy. Tuy nhiên, một phần nhỏ của nó là hơi nƣớc. Cho dù ở đâu, Sa mạc Sahara hay Bắc cực, cũng sẽ có hơi nƣớc trong không khí.
Lƣợng hơi nƣớc này đƣợc gọi là độ ẩm. Lƣợng hơi nƣớc trong không khí tập trung chủ yếu ở tầng đối lƣu trong khí quyển trái đất (99 %) [14]. Hầu hết hơi nƣớc trong khí quyển có nguồn gốc từ sự bay hơi của hơi nƣớc trong các đại dƣơng và một vài thể khác của nƣớc. Hơi nƣớc trong không khí ảnh hƣởng mạnh mẽ đến điều kiện thời tiết.
Nó là nguồn gốc của các đám mây, sƣơng mù, và mƣa. Hơi nước cũng giúp làm ấm không khí do nó hấp thụ năng lượng do ánh sáng từ mặt trời truyền tới. Khi nói về lƣợng nƣớc trong không khí, các thuật ngữ khí tƣợng học hay sử dụng thƣờng xuyên nhất là độ ẩm tương đối và nhiệt độ điểm sương. Nhiệt độ điểm sương là điểm mốc nhiệt độ mà không khí cần đƣợc làm lạnh tới để xảy ra hiện tƣợng bão hòa đối với hơi nƣớc (không thể chứa thêm hơi nƣớc nữa).
Nhiệt độ điểm sƣơng này cũng ảnh hƣởng tới cảm giác của con ngƣời. Ví dụ, buổi sáng có nhiệt độ là 70 độ F (21 độ C), khi ta tới văn phòng làm việc, khi đó điểm sƣơng là 68 độ F (20 độ C). Buổi chiều nhiệt độ không khí ấm lên đến 90 độ F (32 độ C), nhƣng điểm sƣơng vẫn cố định là 68 độ F (20 độ C). Điều này có nghĩa là nhiệt độ không khí phải đƣợc làm lạnh tới 68 độ F (20 độ C) để sự bão hòa hơi nƣớc (khi khí 4 quyển có độ ẩm tƣơng đối 100 %) xảy ra.
Lúc đó ta sẽ ngay lập tức cảm thấy dính và nóng và ta nghĩ rằng độ ẩm của không khí rất cao. Nhiệt độ điểm sƣơng và độ ẩm là quan trọng do nƣớc trong không khí tồn tại dƣới 3 dạng hơi, mây, và lỏng, có tác động mạnh mẽ tới thời tiết. Vậy nhiệt độ điểm sƣơng có ý nghĩa gì trong dự báo thời tiết? Trong thời tiết, điểm sƣơng là một phép đo tốt để xem xét khả năng hình thành sƣơng mù hoặc có giông bão. Nó có thể là một công cụ để dự báo nhiệt độ thấp cho ban đêm.
Do điểm sƣơng là nhiệt độ của không khí phải đạt đến để xảy ra hiện tƣợng bão hòa hơi nƣớc, nên nếu sự khác biệt giữa nhiệt độ hơi không khí và điểm sƣơng là nhỏ, thì không khí sẽ có nhiều hơi ẩm (moisture) hơn và theo đó mây , sƣơng mù có thể đƣợc hình thành. Sự biến thiên điểm sƣơng xuất hiện ngày qua ngày khi có các khối không khí mới tràn đến. Nếu khối không khí này tới từ một vùng ấm hơn và ở dạng nƣớc, độ ẩm và nhiệt độ điểm sƣơng sẽ tăng. Điều này làm thay đổi thời tiết trong khu vực hiện tại.
Nếu có nhiều hơi nƣớc trong không khí, thì không khí sẽ nâng lên cao nhanh hơn. Khi không khí đƣợc nâng lên cao, nó sẽ đƣợc làm mát và cô đọng để hình thành các đám mây. Nhiệt đƣợc tỏa ra từ khối không khí lạnh và dòng vận động đi lên của không khí có thể gây ra các cơn giông bão. Độ ẩm tương đối là phép đo so sánh lƣợng hơi nƣớc trong khí quyển với lƣợng hơi nƣớc tại mức bão hòa – đơn vị là phần trăm.
Không khí đƣợc bão hòa có độ ẩm tƣơng đối là 100%. Độ ẩm tƣơng đối đƣợc tính bằng tỷ số giữa lƣợng hơi nƣớc thực sự trong không khí và lƣợng hơi nƣớc mà không khí có thể chứa đƣợc rồi đổi ra phần trăm. Vậy mƣa xảy ra thế nào khi độ ẩm tƣơng đối nhỏ hơn 100 % ? Độ ẩm tƣơng đối 100 % chỉ đạt đƣợc tại nơi mà các đám mây và mƣa hình thành- không gần bề mặt.